intTypePromotion=1

Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 1 - ThS. Trần Văn Lợi

Chia sẻ: Bùi Ngọc Tâm | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

0
63
lượt xem
14
download

Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 1 - ThS. Trần Văn Lợi

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Đo lường và cảm biến - Chương 1: Các khái niệm và đặc trưng cơ bản trong đo lường cảm biến trình bày về các khái niệm chung, chuẩn hóa trong đo lường, phương pháp đo, các đơn vị đo, các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo, phân loại cảm biến, chọn cảm biến trong ứng dụng. Để nắm vững nội dung chi tiết bài giảng mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 1 - ThS. Trần Văn Lợi

Chương 1<br /> CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN<br /> TRONG ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN<br /> 1.1 Các khái niệm chung<br /> Đo lường là quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần đo. Ngành khoa học chuyên<br /> nghiên cứu để đo các đại lượng khác nhau được gọi là đo lường học. Ngành kỹ thuật chuyên<br /> nghiên cứu để áp dụng thành quả của đo lường học vào phục vụ vào sản xuất và đời sống gọi là<br /> kỹ thuật đo lường.<br /> Đại lượng đo là thông số xác định một quá trình vật lý nào đó, mỗi quá trình vật lý có thể<br /> có một hay nhiều thông số, tùy trường hợp cụ thể mà ta cần quan tâm đến thông số nào. Dựa trên<br /> tính chất cơ bản của đại lượng đo, người ta phân thành hai loại cơ bản:<br /> §<br /> <br /> Đại lượng điện:<br /> -<br /> <br /> -<br /> <br /> §<br /> <br /> Đại lượng điện tác động: là những đại lượng mang năng lượng, có thể cung cấp<br /> năng lượng cho mạch đo như điện áp, dòng điện, công suất. Yêu cầu ở các mạch đo<br /> cần thiết kế sao cho ít ảnh hưởng đến các đại lượng đó nhất.<br /> Đại lượng điện thụ động: là những đại lượng không mang năng lượng như điện trở,<br /> điện cảm, điện dung,… cần phải cung cấp năng lượng để đo. Cần lưu ý khi đo các<br /> đại lượng này là đo phần tử độc lập hay đang nằm trên mạch, đo trên mạch dùng<br /> cách đo “nóng” (trong mạch đang hoạt động) hay đo “nguội” (trong mạch không<br /> hoạt động).<br /> <br /> Đại lượng không điện: Là những đại lượng không mang đặc trưng điện như nhiệt độ,<br /> áp suất, trọng lượng,… Ngày nay, để dễ dàng kiểm soát và thiết lập các hệ thống tự<br /> động ở trong nhà cũng như nhà máy, người ta chuyển đổi các đại lượng này thành các<br /> đại lượng điện.<br /> <br /> Với xu hướng chuyển tất cả các đại lượng đo về thành đại lượng điện, người ta phân loại<br /> các đại lượng đo theo cách thức hoạt động: Đại lượng đo tiền định là đại lượng có quy luật thay<br /> đổi theo thời gian; và Đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng thay đổi theo thời gian mà không có<br /> quy luật nhất định.<br /> Đo lường tự động (Auto Measurement) là một hệ thống đo lường thực hiện việc tự động<br /> đo định lượng của đối tượng cần đo, hiển thị hay lưu trữ kết quả, tự động đo lại (Hình 1.1). Mỗi<br /> lần đo được như vậy gọi là một lần lấy mẫu hay một chu trình đo.<br /> Đối tượng<br /> đo lường<br /> Sensor<br /> <br /> Chuyển<br /> đổi chuẩn<br /> hóa<br /> <br /> Chuyển<br /> đổi A/D<br /> Bộ xử lý<br /> (Mp/Pc…)<br /> <br /> Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống đo lường tự động.<br /> Đo lường tự động thường sử dụng các bộ vi điều khiển, các mạch chuyển đổi… có vai trò<br /> quan trọng trong đời sống con người cũng như trong khoa học kỹ thuật. Ví dụ như đo các thông<br /> số độ cao, tốc độ, nhiệt độ, áp suất… trong máy bay.<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 1<br /> <br /> Đo lường tự động điều khiển (ACM: Auto Controller Measurement) là một hệ thống đo<br /> lường tự động chỉ khác ở chỗ giá trị của đối tượng cần đo khi đo được, kết quả đo sẽ được so<br /> sánh với một giá trị mẫu tùy theo sự chênh lệch này mạch điều khiển sẽ tự thực hiện chương<br /> trình đã định sẵn (Hình 1.2).<br /> <br /> Cơ cấu<br /> Chấp hành<br /> <br /> Chuyển đổi<br /> A/D<br /> <br /> Chuyển đổi<br /> chuẩn hóa<br /> <br /> Đối tượng<br /> đo lường<br /> D/A<br /> <br /> Bộ xử lý<br /> (Mp/Pc…)<br /> <br /> Mạch điều<br /> khiển<br /> <br /> Tạo mẫu<br /> Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống đo lường tự động điều khiển.<br /> ACM được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong công<br /> nghiệp. Ngày nay các khối sensor, chuyển đổi chuẩn hóa, AD thường được tích hợp thành một<br /> khối chuyên dụng vì vậy trong các thiết kế ứng dụng chúng ta quan tâm đến vấn đề này.<br /> Cảm biến đo lường: là thiết bị đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra<br /> thuận lợi cho việc xử lý, lưu trử. Phương trình y=f(x) mô tả cảm biến (Hình 1.3).<br /> x(t)<br /> <br /> y(t)<br /> W(t)<br /> <br /> Hình 1.3<br /> <br /> Trong đó:<br /> <br /> - x(t): Đại lượng vào (mong muốn) của đối tượng đo.<br /> - y(t): Đại lượng ra.<br /> - w(t): Hàm truyền đạt (cảm biến).<br /> Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị,<br /> đồ thị hoặc biểu thức toán học.<br /> - Hàm tuyến tính:<br /> y = ax + b<br /> - Hàm logarit:<br /> <br /> y = 1 + b.lnx<br /> <br /> - Hàm mũ:<br /> <br /> y = a.ekx<br /> <br /> - Hàm lũy thừa:<br /> <br /> y= a0 + a1kx<br /> <br /> - Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.<br /> Nhiễu: là đại lượng vào không mong muốn. Khi đó ta có<br /> y=f(x,x1,x2,.) trong đó x1, x2,… lý tưởng chúng bằng không.<br /> Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số.<br /> Nhiễu không thể loại trừ hoàn toàn mà chỉ có thể phòng ngừa<br /> làm giảm ảnh hưởng của chúng. Nhiễu nội tại phát sinh do<br /> không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính<br /> chất vật liệu… Nhiễu do truyền dẫn, do sóng điện từ, do<br /> nguồn cung cấp…<br /> <br /> Tín hiệu ra y<br /> y0<br /> <br /> dy<br /> dx<br /> x0<br /> <br /> Tín hiệu vào x<br /> <br /> Hình 1.4<br /> <br /> Chuẩn cảm biến: (calibration) nhằm xác định dưới<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 2<br /> <br /> dạng đồ thị, giải tích mối quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả<br /> các yếu tố ảnh hưởng (Hình 1.4).<br /> Độ nhạy S: (sensitivity) là tỉ số giữa biến thiên ngõ ra theo biến thiên ngõ vào. Đối với tín<br /> hiệu vào x ta có độ nhạy chủ đạo Sx, với tín hiệu nhiễu xi ta có độ nhạy phụ thuộc Sxi. Cảm biến<br /> chất lượng tốt có độ nhạy Sx càng lớn và Sxi càng nhỏ.<br /> Sx = lim<br /> <br /> Dx ® 0<br /> <br /> Dy ¶y<br /> =<br /> Dx ¶x<br /> <br /> Sxi = lim<br /> <br /> Dx ®0<br /> <br /> Dy ¶y<br /> =<br /> Dxi ¶xi<br /> <br /> Độ lựa chọn Ki: là tỉ số giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ thuộc. Cảm biến có Ki càng<br /> lớn càng tốt.<br /> Ki =<br /> <br /> Sx<br /> Sxi<br /> <br /> Thí dụ chọn cảm biến nào trong hai loại cảm biến sau theo độ lựa chọn :<br /> C.biến<br /> <br /> Sx<br /> <br /> Sxi<br /> <br /> CB1<br /> <br /> 8.10-3mV/0C 4.10-6mV/0C<br /> <br /> CB2<br /> <br /> 9.10-3mV/0C 8.10-6mV/0C<br /> <br /> Sx CB 1 Sx CB 2<br /> ñ<br /> Sx i CB 1 Sx iCB 2<br /> <br /> Þ Chọn CB1<br /> <br /> Ngưỡng nhạy: là giá trị nhỏ nhất Δx của đại lượng đo tác động ở đầu vào để cảm biến làm việc<br /> với độ chính xác yêu cầu.<br /> Giới hạn đo: là giới hạn biến thiên ngõ vào mà<br /> phương trình biến đổi còn nghiệm đúng.<br /> Tính tuyến tính: (Hình 1.5) bộ cảm biến được gọi là<br /> tuyến tính trong một dải đo khi đó độ nhạy không phụ<br /> thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Hay nói cách khác độ<br /> nhạy S=const.<br /> Trong kỹ thuật đo lường chúng ta luôn mong muốn<br /> cảm biến đạt độ tuyến tính cao. Nếu cảm biến không<br /> tuyến tính, chúng ta cần hiệu chỉnh bằng các mạch điện tử,<br /> hay các thiết bị khác với mục đính làm cho cảm biến có<br /> đặc tuyến tuyến tính gọi là tuyến tính hóa.<br /> <br /> Hình 1.5<br /> <br /> Sai số: là sai lệch gữa giá trị thực và giá tri đo. Nguyên nhân do tính tuyến tính, do môi<br /> trường đo: nhiệt độ, độ ẩm…, tính lão hóa của thiết bị.<br /> Hiện tượng trễ, độ nhanh và thời gian đáp ứng: Một số cảm biến không đáp ứng cùng<br /> thời điểm với tín hiệu kích thích. Độ rộng (thời gian) của sự sai lệch được gọi là hiện tượng<br /> trễ. Độ nhanh của cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ ra có đáp ứng được về mặt<br /> thời gian với độ biến thiên của đại lượng đo hay không. Thời gian đáp ứng là đại lượng xác<br /> định giá trị của độ nhanh.<br /> Giới hạn sử dụng cảm biến: Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực<br /> cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng. Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ<br /> làm thay đổi các đặc trưng của cảm biến. Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng<br /> của cảm biến.<br /> - Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến.<br /> - Vùng không gây nên hư hỏng.<br /> - Vùng phá hủy.<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 3<br /> <br /> Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng<br /> đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra. Thông thường dải đo trùng với vùng danh định.<br /> <br /> 1.2 Chuẩn hóa trong đo lường<br /> Các thiết bị đo lường cần được chuẩn hóa với các thiết bị đo lường chuẩn để đảm bảo độ<br /> chính xác của phép đo theo đúng định nghĩa của các đơn vị đo được hội nghị quốc tế về đo lường<br /> định ra. Có 4 cấp chuẩn hóa thiết bị đo lường như sau:<br /> §<br /> <br /> Cấp 1 - Chuẩn Quốc tế: Các thiết bị chuẩn hóa theo cấp quốc tế được thực hiện định<br /> chuẩn tại Trung tâm đo lường Quốc tế đặt tại Paris – Pháp và định kì kiểm tra để bảo đảm<br /> việc hoạt động bình thường.<br /> <br /> §<br /> <br /> Cấp 2 - Chuẩn Quốc gia: Các thiết bị đo lường tại các Viện định chuẩn quốc gia được<br /> chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế, còn các thiết bị theo chuẩn quốc gia thì được Viện định<br /> chuẩn quốc gia kiểm tra và đánh giá.<br /> <br /> §<br /> <br /> Cấp 3 - Chuẩn khu vực: Tương tự chuẩn quốc gia, các thiết bị chuẩn khu vực được định<br /> chuẩn theo các thiết bị chuẩn quốc gia.<br /> <br /> §<br /> <br /> Cấp 4 - Chuẩn phòng thí nghiệm: Trong từng khu vực chuẩn hóa sẽ có những phòng thí<br /> nghiệm được công nhận để chuẩn hóa các thiết bị đo lường đang sử dụng trong nhà máy,<br /> trường học, bệnh viện,…<br /> <br /> Các thiết bị đo lường sau khi xuất xưởng được định chuẩn theo cấp nào thì sẽ mang tiêu<br /> chuẩn chất lượng đo lường của cấp đó. Ngoài ra, phòng kiểm nghiệm sẽ xác định sai số cho từng<br /> tầm đo của thiết bị, và từ đó định ra cấp chính xác của thiết bị, nhằm giúp người sử dụng đánh<br /> giá được sai số của kết quả đo. Các thông tin này được ghi trực tiếp trên thiết bị hoặc trong sổ<br /> tay kỹ thuật đi kèm.<br /> <br /> 1.3 Phương pháp đo<br /> Các bước cơ bản để thực hiện một phép đo như sau:<br /> §<br /> <br /> Lấy mẫu: Chuyển đổi đơn vị của đại lượng cần đo thành một giá trị mẫu cụ thể.<br /> <br /> §<br /> <br /> Biến đổi: Chuyển đổi đại lượng đo về cùng dạng với giá trị mẫu.<br /> <br /> §<br /> <br /> So sánh: So sánh đại lượng cần đo với giá trị mẫu.<br /> <br /> §<br /> <br /> Hiển thị kết quả hoặc chuyển về bộ điều khiển trung tâm để xử lý.<br /> Có 2 loại phương pháp đo: kiểu biến đổi thẳng và kiểu so sánh:<br /> <br /> §<br /> <br /> Kiểu biến đổi thẳng: Đại lượng cần đo X biến đổi thẳng thành con số Nx mà không có<br /> khâu phản hồi. Kết quả đo thể hiện trên tỉ lệ Nx/N0 với N0 chính là đơn vị của đại lượng đo<br /> X0 chuyển đổi thành: X = X0 x Nx/N0.<br /> X<br /> BĐ<br /> <br /> §<br /> <br /> Nx<br /> <br /> X<br /> A/D<br /> <br /> Nx/No<br /> SS<br /> <br /> No<br /> Xo<br /> Xo<br /> Kiểu so sánh: Sử dụng khâu phản hồi để thực hiện phép đo.<br /> X<br /> <br /> SS<br /> Xk<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> DX<br /> <br /> BĐ<br /> <br /> A/D<br /> <br /> Nk<br /> <br /> KQ<br /> <br /> D/A<br /> <br /> Trang 4<br /> <br /> Tín hiệu đo X được so sánh với đại lượng Xk tỷ lệ với đại lượng mẫu X0. Qua bộ so sánh<br /> ta có: ∆X = X – Xk.<br /> Tùy thuộc vào cách so sánh ta có các phương pháp sau:<br /> -<br /> <br /> So sánh cân bằng:là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu Xk sao cho<br /> ∆X = 0.<br /> Khi đó X = Xk = NkX0<br /> Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào Xk và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng. Các<br /> dụng cụ đo theo phương pháp này có cầu đo, điện thế kế, …<br /> <br /> -<br /> <br /> So sánh không cân bằng: Chọn Xk không đổi (đã biết trước). Khi đó X = Xk + ∆X<br /> Kết quả của phép đo được đánh giá qua ∆X. Phương pháp này được sử dụng đo các đại<br /> phương không điện như nhiệt độ (dùng mạch cầu không cân bằng).<br /> <br /> -<br /> <br /> So sánh đồng thời: là phương pháp đo mà các giá trị đo X được thay bằng đại lượng mẫu<br /> Xk. Các giá trị đo X và giá trị mẫu được đưa vào thiết bị không cùng một thời gian, thông<br /> thường giá trị mẫu Xk được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc độ để xác<br /> định giá trị của đại lượng cần đo. Vôn kế và ampe kế chỉ thị kim là các thiết bị đánh giá<br /> trực tiếp sử dụng phương pháp này.<br /> <br /> -<br /> <br /> So sánh không đồng thời: là phương pháp so sánh cùng một lúc đại lượng đo X và đại<br /> lượng mẫu Xk. Khi X và Xk trùng nhau, ta đọc giá trị của X thông qua Xk .<br /> <br /> 1.4 Các đơn vị đo<br /> Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được hiệp hội đo lường<br /> quốc tế quy định mà mọi quốc gia đều phải tuân thủ.<br /> Hệ thống đơn vị gồm 2 nhóm:<br /> §<br /> <br /> Nhóm đơn vị cơ bản: các đơn vị này độc lập với nhau và khi kết hợp ở dạng biểu thức sẽ<br /> tạo ra các hệ đơn vị khác. Gồm có 7 đơn vị: mét (m– chiều dài), kilogram (kg– khối<br /> lượng), giây (s– thời gian), ampe (A– cường độ dòng điện), Kelvin (K– nhiệt độ), mol<br /> (đơn vị số lượng vật chất), Candela (Cd – cường độ ánh sáng).<br /> <br /> §<br /> <br /> Nhóm đơn vị kéo theo: gồm các đơn vị có liên quan và được xác định dựa trên các đơn vị<br /> cơ bản.<br /> Bảng 1.1 giới thiệu một số đơn vị đo được quy định theo hệ thống đơn vị quốc tế SI.<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 5<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản