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 />