BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSOR
http://www.ebook.edu.vn
1
Ch−¬ng I: Nh÷ng kiÕn thøc chung vÒ chuyÓn ®æi s¬ cÊp
Bµi 1.1 Kh¸i niÖm vµ ®Þnh nghÜa
1. Kh¸i niÖm chung vÒ chuyÓn ®æi ®o l−êng
Trong s¶n xuÊt còng nh− trong nghiªn cøu khoa häc, trong c¸c qu¸ tr×nh c«ng
nghÖ míi, hay c¸c qu¸ tr×nh s¶n xuÊt phøc t¹p hoÆc trong c«ng nghiÖp hiÖn ®¹i liªn
quan ®Õn viÖc ®o l−êng c¸c ®¹i l−îng vËt lý nh− c¬ häc, ho¸ häc, quang häc, nhiÖt häc.
C¸c thiÕt bÞ ®o hiÖn ®¹i kh«ng chØ t¸c dông lªn gi¸c quan con ng−êi mµ cßn dïng vµo
viÖc tù ®éng thu thËp sè liÖu truyÒn kÕt qu¶ ®ã ®i xa, tÝnh to¸n kh«ng cÇn sù tham gia
cña con ng−êi hay tù ®éng ®iÒu khiÓn mét qu¸ tr×nh nµo ®ã. Do ®ã trªn quan ®iÓm kü
thuËt qu¸ tr×nh ®o trong c¸c thiÕt bÞ hiÖn ®¹i lµ biÕn ®æi nh÷ng tin tøc vÒ ®¹i l−îng ®o
thµnh d¹ng nµo ®ã thÝch hîp nhÊt ®èi víi con ng−êi hoÆc m¸y mãc ë tr×nh ®é ph¸t triÓn
cña kü thuËt.
¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p ®iÖn ®Ó ®o c¸c ®aÞ l−îng kh«ng ®iÖn nh− sau:
+ Cã thÓ thay ®æi ®é nh¹y cña thiÕt bÞ mét c¸ch ®¬n gi¶n trong ph¹m vi réng cña
®¹i l−îng ®o v× vËy cho phÐp cã nh÷ng thiÕt bÞ v¹n n¨ng cã thÓ thu thËp ®−îc nh÷ng
th«ng tin rÊt bÐ vµ rÊt lín. Kü thuËt ®iÖn tö cho phÐp khuÕch ®¹i lªn hµng ngµn lÇn, v×
vËy ®é nh¹y cña thiÕt bÞ t¨ng lªn rÊt nhiÒu.
+ C¸c thiÕt bÞ ®iÖn cã qu¸n tÝnh nhá, cã d¶i tÇn sè réng. V× vËy kh«ng chØ ®o ®−îc
c¸c ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn biÕn ®æi chËm mµ cßn cã thÓ ®o ®−îc nh÷ng ®¹i l−îng biÕn
®æi nhanh mµ c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c kh«ng ®o ®−îc.
+ Cã kh¶ n¨ng ®o tõ xa, cho phÐp tËp trung ho¸ vµ cïng mét lóc cã thÓ ®o ®−îc
nhiÒu ®¹i l−îng kh¸c nhau vÒ sè l−îng vµ tÝnh chÊt, cho phÐp truyÒn kÕt qu¶ ®o trªn
kho¶ng c¸ch lín.
+ Cã kh¶ n¨ng liªn hîp c¸c thiÕt bÞ ®o vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng nh÷ng khèi thiÕt bÞ
cïng kiÓu.
Vai trß quan träng ®Çu tiªn trong viÖc thu thËp th«ng tin ®o lµ c¸c bé chuyÓn ®æi
®o l−êng hay cßn gäi lµ c¸c bé c¶m biÕn (sensor).
2. §Þnh nghÜa vÒ chuyÓn ®æi ®o l−êng
ChuyÓn ®æi ®o l−êng lµ thiÕt bÞ thùc hiÖn mét quan hÖ hµm ®¬n trÞ gi÷a hai ®¹i
l−îng vËt lý víi mét ®é chÝnh x¸c nhÊt ®Þnh.
http://www.ebook.edu.vn
3
ChuyÓn ®æi ®o l−êng s¬ cÊp lµ mét kh©u chøc n¨ng biÕn mét tÝn hiÖu kh«ng ®iÖn
X
Y
ChuyÓn ®æi ®o l−êng s¬ cÊp(s)
H×nh 3.1 S¬ ®å cÊu tróc cña chuyÓn ®æi ®o l−êng
thµnh tÝn hiÖu ®iÖn.
X: lµ tÝn hiÖu vµo thuéc nhiÒu ®¹i l−îng kh¸c nhau
Y: lµ tÝn hiÖu ra th«ng th−êng lµ tÝn hiÖu ®iÖn
Ph−¬ng tr×nh cña chuyÓn ®æi lµ: Y = f(X)
Quan hÖ cña hµm nµy cã thÓ lµ tuyÕn tÝnh hoÆc phi tuyÕn, tuy nhiªn trong kü thuËt
ng−êi ta cè g¾ng chän ®iÓm lµm viÖc trªn ®o¹n tuyÕn tÝnh cña quan hÖ ®ã ®Ó n©ng cao
®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o.
Bµi 1.2: C¸c ®Æc tÝnh cña chuyÓn ®æi ®o l−êng s¬ cÊp
1. §¹i l−îng chñ
Khi lµm viÖc mçi chuyÓn ®æi chÞu ¶nh h−ëng cña ®ång thêi nhiÒu ®¹i l−îng t¸c
dông, song nã chØ tiÕp thu mét ®¹i l−¬ng gäi lµ ®¹i l−îng chñ cña chuyÓn ®æi.
VÝ dô nh− ®iÖn trë cña chuyÓn ®æi, biÕn trë chÞu ¶nh h−ëng nµo ®ã cña ®iÖn trë d©y
quÊn, ®é Èm cña lâi…nh−ng ®¹i l−îng chñ cña chuyÓn ®æi lµ di chuyÓn cña con ch¹y.
2. §Æc tÝnh cña chuyÓn ®æi
Ph−¬ng tr×nh cña chuyÓn ®æi: Y = f(X) (1)
Quan hÖ trªn x¶y ra c¸c tr−êng hîp:
+ Quan hÖ (1) lµ tuyÕn tÝnh
Δ Δ
Y X
gäi lµ ®é nh¹y cña chuyÓn ®æi. §é nh¹y nµy th−êng cã thø nguyªn rÊt S =
kh¸c nhau phô thuéc vµo b¶n chÊt cña c¸c ®¹i l−îng vµo ra, (trªn thùc tÕ ®Ó cã ®−îc ®Æc
tÝnh Êy ng−êi ta cã thÓ tÝnh to¸n gi¶i tÝch hoÆc b»ng ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm)
+ Quan hÖ trªn lµ phi tuyÕn
Ng−êi ta kh¾c phôc b»ng c¸ch tuyÕn tÝnh ho¸ quan hÖ ®ã b»ng c¸c m¹ch ®iÖn tö
hoÆc dïng c¸c thuËt to¸n thùc hiÖn gia c«ng b»ng m¸y tÝnh, vi xö lý…
+ Quan hÖ trªn lµ ®a biÕn
http://www.ebook.edu.vn
4
Thùc tÕ ®¹i l−îng ta cña chuyÓn ®æi kh«ng nh÷ng phô thuéc vµo X (®¹i l−îng
chñ) mµ cßn phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn bªn ngoµi Z: Y =f(X, Z) ; víi X lµ ®¹i l−îng chñ.
VËy khi xÐt tíi ®Çu ra cña chuyÓn ®æi ta ph¶i cè ®Þnh ®iÒu kiÖn Z, gi¸ trÞ nhá nhÊt cña
®¹i l−îng vµo X mµ chuyÓn ®æi cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc mét c¸ch ch¾c ch¾n goÞ lµ ng−ìng
®é nh¹y.
3. Sai sè
§Æc tÝnh quan träng nhÊt cña chuyÓn ®æi lµ sai sè:
+ Sai sè c¬ b¶n: lµ sai sè g©y ra do nguyªn t¾c cña chuyÓn ®æi, sù kh«ng hoµn thiÖn cña
cÊu tróc, yÕu kÐm vÒ mÆt c«ng nghÖ chÕ t¹o. Theo tÝnh chÊt biÓu hiÖn ta cã thÓ chia
thµnh 1 sè d¹ng sai sè c¬ b¶n nh− sau:
- Sù lÖch cã hÖ thèng cña ®−êng ®Æc tÝnh ®èi víi hµm ®· lý t−ëng ho¸
- Sù phô thuéc cña ®−êng ®Æc tÝnh vµo chiÒu s©u cña ®¹i l−îng vµo, tøc lµ tÝnh trÔ
hay cßn gäi lµ sù biÕn h×nh
- Sù sai lÖch cña ®−êng ®Æc tÝnh ®èi víi nhiÔu
- §é lÖch g©y ra bëi sù chän kh«ng tèt c¸c tham sè cña ®Æc tÝnh chuÈn tøc lµ sai
sè do kh¾c ®é
+ Sai sè phô:
G©y ra do c¸c ®iÒu kiÖn bªn ngoµi kh¸c ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn nh− lµ ®iÖn ¸p
nguån, nhiÖt ®é, tõ tr−êng, ®é chÊn ®éng v.v
ChuyÓn ®æi lµ kh©u ®Çu tiªn ®Ó lÊy th«ng tin tõ ®èi t−îng, phôc vô cho c¸c hÖ
thèng th«ng tin ®o l−êng, hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng do vËy viÖc gi¶m sai sè cã ý
nghÜa quan träng.
d. §Æc tÝnh ®éng
Lµ mét trong nh÷ng ®Æc tÝnh quan träng, khi ta ®−a tÝn hiÖu vµo chuyÓn ®æi
th−êng xuÊt hiÖn qu¸ tr×nh qu¸ ®é. §Æc tÝnh ®éng thÓ hiÖn b»ng hµm truyÒn ®¹t cña
chuyÓn ®æi S(p), tøc lµ quan hÖ gi÷a ®¹i l−îng ra vµ ®¹i l−îng vµo ë tr¹ng th¸i ®éng
)p(Z )p(X
S(p) =
§Æc tÝnh ®éng thÓ hiÖn ë ®Æc tÝnh biªn tÇn A(ω) vµ pha tÇn ϕ(ω)
e. Ph¶n t¸c dông cña chuyÓn ®æi lªn ®èi t−îng ®o
Ph¶n t¸c dông cña chuyÓn ®æi thÓ hiÖn ë tiªu hao n¨ng l−îng cña ®èi t−îng cÇn ®o,
5
tiªu hao n¨ng l−îng nµy ®−îc thÓ hiÖn ë ®iÖn trë vµo cña chuyÓn ®æi ®o l−êng http://www.ebook.edu.vn
Bµi 1.3 Ph©n lo¹i chuyÓn ®æi s¬ cÊp
1. Ph©n lo¹i dùa trªn nguyªn lý cña chuyÓn ®æi
- ChuyÓn ®æi ®iÖn trë: lµ chuyÓn ®æi mµ ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X ®−îc biÕn thµnh
®¹i l−îng ra Y lµ ®iÖn trë cña chuyÓn ®æi
- ChuyÓn ®æi ®iÖn tõ: lµ chuyÓn ®æi mµ ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X lµm thay ®æi c¸c
th«ng sè cña m¹ch tõ nh−: L, M, ®é tõ thÈm μ, tõ th«ng φ…
- ChuyÓn ®æi tÜnh ®iÖn: ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X lµm thay ®æi ®iÖn dung C hay ®iÖn
tÝch cña nã
- ChuyÓn ®æi ho¸ ®iÖn: ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X lµm thay ®æi ®iÖn dÉn hay søc ®iÖn
®éng ho¸ ®iÖn, ®iÖn c¶m…
- ChuyÓn ®æi nhiÖt ®iÖn: ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X lµm thay ®æi søc ®iÖn ®éng nhiÖt
®iÖn hay ®iÖn trë ®Çu ra cña nã.
2. Ph©n lo¹i theo tÝnh chÊt cña nguån ®iÖn
- ChuyÓn ®æi ph¸t ®iÖn: ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn sÏ lµm thay ®æi tÝn hiÖu ®Çu ra lµ E,
U, I, Q v.v
- ChuyÓn ®æi th«ng sè: ®Çu ra cña chuyÓn ®æi lµ c¸c ®¹i l−îng R, L, C, M. Lóc ®ã
cÇn thªm c¸c nguån ®iÖn phô th× míi biÕn ®æi thµnh c¸c ®¹i l−îng U, I
3. Ph©n lo¹i theo ph−¬ng ph¸p ®o
- ChuyÓn ®æi biÕn ®æi trùc tiÕp: lµ chuyÓn ®æi trong ®ã c¸c ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn
®−îc biÕn trùc tiÕp thµnh ®¹i l−îng ®iÖn
ΔX
Y
X
K
- ChuyÓn ®æi bï: S¬ ®å nh− sau:
(-)
Ta cã ®¹i l−îng cÇn ®o X ®−îc bï bëi ®¹i l−îng
Xk
=
β Y
β
−
=
−
− XX
(
KXX
)
KYX
β )
(
=⇒ Y
k
k
X k =Δ X Δ=
. KX
⎧ ⎪ ⎨ ⎪ Y ⎩
H×nh 3.2 S¬ ®å cÊu tróc chuyÓn ®æi bï
= XY
cïng lo¹i Xk do m¹ch ph¶n håi t¹o ra:
K β+ K1
⇒ KX = Y + YβK ⇒
X β
, lóc ®ã Y chØ phô thuéc vµo ®é chÝnh x¸c cña NÕu K rÊt lín hay Kβ >>1, vËy Y =
m¹ch ph¶n håi. Do ®ã nÕu m¹ch thuËn cã sai sè lín. Song nÕu ®¶m b¶o hÖ sè K lín th×
®é chÝnh x¸c cña chuyÓn ®æi kiÓu bï chØ phô thuéc vµo ®é chÝnh x¸c cña m¹ch ph¶n håi
http://www.ebook.edu.vn
6
(chuyÓn ®æi ng−îc), mµ th−êng chuyÓn ®æi ng−îc lµ chuyÓn ®æi biÕn ®æi trùc tiÕp nªn
cã ®é chÝnh x¸c cao.
Ch−¬ng 2. ChuyÓn ®æi ®iÖn trë
Bµi 1. ChuyÓn ®æi ®iÖn trë tiÕp xóc
1. Nguyªn lý c¬ b¶n
ChuyÓn ®æi ®iÖn trë tiÕp xóc lµ 1 chuyÓn ®æi ®o l−êng trong ®ã di chuyÓn c¬ häc
®−îc biÕn thµnh sù thµnh sù ®ãng më c¸c tiÕp ®iÓm, c¸c tiÕp ®iÓm nµy dïng ®Ó ®iÒu
khiÓn m¹ch ®iÖn. §¹i l−îng chñ cña chuyÓn ®æi tiÕp xóc lµ sù chuyÓn rêi. ChuyÓn ®æi
tiÕp xóc ®¬n gi¶n nhÊt lµ chuyÓn ®æi cã 1 giíi h¹n vµ mét cÆp tiÕp ®iÓm nh− h×nh vÏ
R
3
4
C
2
L
1
H×nh 3.3 ChuyÓn ®æi tiÕp xóc mét giíi h¹n
trªn, sù ®ãng më tiÕp ®iÓm do sù di chuyÓn cña cÇn ®o.
VÝ dô: khi kÝch th−íc cña s¶n phÈm 1 thay ®æi (t¨ng), thanh tr−ît 2 di chuyÓn lµm
L
H×nh 3.4 ChuyÓn ®æi tiÕp xóc nhiÒu giíi h¹n
cho phÇn tö tiÕp xóc g¾n trªn thanh 3 ®−îc tiÕp xóc víi 4. §iÖn trë tiÕp xóc cña 3 vµ 4 thay ®æi tõ Rtx = ∞ thµnh Rtx ≈ 0. Khi kiÓm tra kÝch th−íc s¶n phÈm ng−êi ta th−êng dïng chuyÓn ®æi nhiÒu giíi h¹n nh− h×nh vÏ sau:
