Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương 1: Khái niệm về đo lường và cảm biến

Trang 1 
I. Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện. 
Chuyển đổI sơ cấp (cảm biến) 
Mạch đo 
Cơ cấu chỉ thị 
X 
Y 
ĐạI lượng không điện 
ĐạI lượng điện 
Máy đo gồm 3 Khâu : 
+ Chuyển đổi: thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra. 
+ Mạch đo: gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cơ cấu chỉ thị. Bao gồm : khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng 
+ Cơ cấu chỉ thị: hiển thị kết quả đo (Số, kim, điện tử). 
Chương 1: Khái niệm về đo lường và cảm biến 
Trang 2 
II. Các thông số đặc trưng của chuyển đổi 
1. Phương trình chuyển đổi 
Chuyển đổi 
X 
Y 
Đại lượng không điện 
Đại lượng điện 
Đại lượng điện (Y) ở ngõ ra của chuyển đổi luôn có thể biểu diễn theo ngõ vào không điện (X) qua một hàm f. 
Y = f(X) 
Tác dụng của nhiễu: Y = f(X, X 1 , X 2 ,, X n ) 
Trong đó X 1 , X 2 , là những đại lượng nhiễu, do vậy điều kiện lý tưởng là các đại lượng này bằng 0. 
Trang 3 
+ Phương pháp chuẩn cảm biến (Calibration) 
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi của cảm biến hoặc dưới dạng phương trình hoặc dạng đồ thị 
Thực hiện phép đo với những tín hiệu ngõ vào x i xác định để tìm được ngõ ra y i xây dựng đường đặc tính 
+ Chuẩn đơn giản 
+ Chuẩn nhiều lần : áp dụng các cảm biến có tính trễ 
Trang 4 
2. Độ nhạy. 
Độ nhạy là tỷ số biến thiên đầu ra theo biến thiên đầu vào . 
Độ nhạy chủ đạo S x càng lớn tức khả năng đo được các đại lượng biến thiên đầu vào càng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt 
Độ nhạy chủ đạo : 
Độ nhạy phụ : 
Độ nhạy phụ S xi càng nhỏ tức ảnh hưởng của các đại lượng phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt 
Trang 5 
Độ chọn lựa: tỷ lệ giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ 
Cảm biến có K i càng lớn càng tốt 
Ví dụ: cho 2 cảm biến có độ nhạy như bảng sau: 
Cảm biến 
S x 
S xi 
CB1 
8.10 -3 mV/kg 
4.10 -6 mV/ 0 C 
CB2 
9.10 -3 mV/kg 
8.10 -6 mV/ 0 C 
Nên chọn cảm biến nào? Tại sao? 
Chọn cảm biến 1 
Trang 6 
3. Ngưỡng độ nhạy và giới hạn đo. 
Ngưỡng độ nhạy là độ biến thiên lớn nhất của ngõ vào mà ngõ ra chưa thay đổi 
Y = f(X + Δ 0 ) Δ 0 càng nhỏ càng tốt 
Giới hạn đo là phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi còn nghiệm đúng. 
Khi lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn hơn hoặc bằng khoảng muốn đo. 
4. Độ tuyến tính. 
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đo. 
Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta sử dụng các mạch đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi là sự tuyến tính hóa. 
Trang 7 
+ Đường thẳng tốt nhất (Best Straight Line) 
Khi chuẩn một cảm biến, người ta đo được các cặp giá trị ứng với ngõ ra và ngõ vào {x i , y i }. 
+ Lý tưởng thì những giá trị này sẽ nằm trên một đường đặc trưng là đường thẳng 
 + Thực nghiệm các điểm này không nằm trên cùng đuờng thẳng mà nằm trên 1 đường gọi là đượng cong chuẩn. 
Đường thẳng được xây dựng từ kết quả thực nghiệm sao cho sai số là nhỏ nhất : đường thằng tốt nhất. 
y = a.x + b 
Trang 8 
5. Sai số. Là sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo được gồm sai số tuyệt đối và sai số tương đối 
Có 3 lọai sai số chủ yếu trong chuyển đổi đại lượng đo lường không điện : 
+ Sai số phi tuyến là sai số xuất hiện trong kết quả đo do đặc tính chuyển đổi là phi tuyến. 
Khắc phục : tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi 
+ Sai số phụ là sai số xuất hiện do ảnh hưởng của các đại lượng phụ. 
Khắc phục : sử dụng cảm biến đúng trong môi trường theo yêu cầu của nhà sản xuất, Lọc nhiễu, Bù nhiễu, Phối hợp tổng trở v.v 
+ Sai số ngưỡng : sai số do ngưỡng độ nhạy. Sai số này phụ thuộc vào công nghệ chế tạo nên không có cách khắc phục. 
Trang 9 
III. Phân lọai chuyển đổi. 
Chuyển đổi có thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau: 
+ Yêu cầu về nguồn cung cấp: 
 	- Tích cực và thụ động 
+ Trạng thái tín hiệu ra: 
	- Tương tự và số 
+ Trạng thái đo lường 
	- Trạng thái lệch và cân bằng. 
Trang 10 
1. Chuyển đổi tích cực và thụ động. 
a. Chuyển đổi tích cực: đòi hỏi sự cung cấp năng lượng bên ngòai hay tín hiệu kích thích để tác động. 
Nguyên lý chuyển đổi : dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó thành năng lượng điện. 
+ Hiệu ứng nhiệt điện: 
(M 1 ) 
(M 2 ) 
(M 1 ) 
T 1 
0 o C 
e T 1 
+ Hiệu ứng áp điện: 
F 
v F 
Trang 11 
+ Hiệu ứng cảm ứng điện từ 
 
e  
B 
+ Hiệu ứng quang - điện – từ 
v  
 
 i 
B 
Ngòai ra còn nhiều hiệu ứng khác như : Hiệu ứng quang điện, hiệu ứng hỏa điện, hiệu ứng Hall, v.v (TLTK) 
b. Chuyển đổi thụ động. 
Phát tín hiệu đáp trả lại sự tác động của kích thích bên ngòai mà không cần năng lượng cung cấp từ bên ngòai. 
Ví dụ: cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện  
Chuyển đổi thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. 
Trang 12 
2. Chuyển đổi tương tự và chuyển đổi số. 
a. Chuyển đổi tương tự: cung cấp tín hiệu liên tục trong cả cường độ, thời gian và không gian 
Hầu hết các giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự. 
b. Chuyển đổi số: tín hiệu ra giữ ở trạng thái các bước hoặc rời rạc 
Ví dụ : nhiệt độ, sự dịch chuyển, cường độ sáng 
Tín hiệu số dễ dàng lặp lại, đáng tin cậy và dễ truyền đi xa. 
Ví dụ: Shaft Encoder, Contact switch 
Trang 13 
3. Trạng thái họat động. 
a. Chế độ lệch: tín hiệu phản hồi là sự thay đổi (lệch) so với trạng thái ban đầu của thiết bị đo. Sự thay đổi này tương ứng với giá trị đo 
b. Chế độ cân bằng: đưa ảnh hưởng của tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động của hệ thống đo lường 
Dụng cụ đo lường ở chế độ cân bằng có thể có kết quả đo chính xác hơn ở chế độ lệch nhưng đáp ứng thường chậm hơn 
Trang 14 
IV. Nhiễu đo. 
Chia làm 2 lọai chính : Nhiễu nội tại và nhiễu đường truyền 
+ Nhiễu nội tại phát sinh do không hòan thiện trong việc thiết kế, chế tạo các bộ cảm biến. Nhiễu nội tại không thể khắc phục nhưng có thể giảm thiểu. 
+ Nhiễu do đường truyền phát sinh do những nguồn nhiễu, từ trường, trường điện từ sóng radio, do mạch phối hợp trên đường truyền, hoặc phát sinh tại máy thu.Để giảm nhiễu trên đường truyền ta có thể sử dụng một số phương pháp như: cách ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý, 
Trang 15 
Một số biện pháp khắc phục nhiễu 
Nguoàn 50Hz 
Nguoàn 100Hz 
150 Hz do maùy bieán aùp bò baõo hoaø 
Ñaøi phaùt thanh 
Tia löûa do chuyeån maïch 
Dao ñoäng 
Dao ñoäng caùp noái 
Baûng maïch 
100pA 
3  V 
0.5  V 
1mV 
1mV 
10pA 
100pA 
0.01-10pA 
Caùch ly nguoàn nuoâi, maøn,noái ñaát 
Loïc nguoàn 
Boá trí linh kieän hôïp lyù 
Maøn chaén 
Loïc, noái ñaát,maøn chaén 
Gheùp noái cô khí, khoâng ñeå daây cao aùp gaàn ñaàu vaøo chuyeån ñoåi 
Söû duïng caùp ít nhieãu(ñieän moâi taåm Cacbon) 
Lau saïch, duøng caùch ñieän Teflon 
Trang 16 
Các bước để lựa chọn cảm biến: 
Chức năng: 
 Đại lượng vật lý cần đo	- Phương pháp đo 
 Độ chính xác	- Sai số 
 Độ phân giải 
Môi trường 
 Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm 
 Điện, từ trường  
Kết nối 
 Điện: nguồn cung cấp điện áp, công suất 
 Tín hiệu: Tương tự (dòng điện, điện áp, tần số) 
	 Số (kết nối nối tiếp hay song song) 
- Cơ : chọn lọai đầu nối