Kỹ thuật điều khiển trong bộ cảm biến: Phần 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:244

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu "Kỹ thuật điều khiển trong bộ cảm biến" phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Khái niệm cơ bản về bộ cảm biến; Cảm biến quang; Sợi quang trong hệ thống cảm biến đo lường và điều khiển; Cảm biến nhiệt độ; Cảm biến vị trí và di chuyển; Cảm biến vận tốc và gia tốc; Cảm biến biến dạng;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật điều khiển trong bộ cảm biến: Phần 1

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
LÊ VĂN DOANH - PHẠM THƯỢNG HÀN - NGUYEN văn hòa VÔ THẠCH SƠN - ĐÀO VĂN TÂN CAC BỌ CAM BIEN TRONG KỸ THUẬT ĐO LƯÒNG VA ĐIEU KHIEN In ỉần thứ ba có sửa chữạ i ■ •* - >•?.í : thưviỊn NHÀ XUẤT BẤN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI
LÒI MỎ ĐẦU Kỹ thuật do lường - diều khiển hiện dại có bước phát triển nhảy vọt. Đó là nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết do lường va diều khiển hiện dại (diều khiển mờ, nơron, tối ưu, thích nghi...) với công cụ toán học va tin học (trí tuệ nhân tạo). Quá trĩnh tích hợp giữa các lỉnh vực này hình thành "tin học công nghiệp", một lỉnh vực da ngành trong dó kỹ thuật diện, diện tử, diều khiển, do lường và tin học hòa trộn vào nhau cùng phát triển. Các bộ cảm biến dóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lỉnh vực do lường và diều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng không diện, chuyền dổi các dại lượng này thành các dại lượng diện và truyền cấc thông tin vẽ hệ thống do lường diều khiển, giúp chúng ta nhận dạng, dánh giá và diều khiển mọi biến trạng thái của dối tượng. Có thể ví vai trò của các bộ cảm biến dổi với kỹ thuật do lường và diều khiển giống như các giác quan đổi với cơ thể sống. Một số bộ cảm biến có cấu trúc tương dối dơn giản nhưng xu hướng chung ngày nay là triệt dể khai thác các thảnh tựu của vật lý học hiện dại, của công nghệ mói trong diện tử và tin học, của lý thuyết diều khiển hiện dại, nhằm tạo nên các bộ cảm biến thông minh và linh hoạt. Đó là các bộ cảm biến đa chức năng, có thể lập trinh, cho phép do với độ nhạy và dộ chinh xác cao, có thể tự dộng thay dổi thang do, tự dộng bù các ảnh hưởng của. nhiễu, do từ xa, tự dộng xử lý kết quả do... Các bộ cảm biến ngày nay dược xem như một phàn tủ, dược sản xuất hàng loạt và có mặt rộng rãi trên thị trường, bao gồm một chuyền dổi do lường sơ cấp dặt trong vỏ bảo vệ, có hĩnh dáng và kích thước phù hợp vói dối tượng. Các chuyển dổi do lường sơ cấp hoạt dộng tuân theo các hiệu ứng vật lý. Độ nhạy và dộ chính xác của các bộ cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào khả năng chuyền dổi của các hiện tượng vật lý. Ngoài tên thường dùng là bộ cảm biến, người ta còn gọi chúng là d'ấu do, dâu dò hay sensơ (theo tiếng Anh Sensor) da trích (theo tiếng Nga ỊỊarHUK) hoặc Cáp tơ (theo tiếng Pháp Capteur).
Kỹ thuật cảm biến là kỹ thuật da ngành có quan hệ chặt chẽ đến kỹ thuật diện, diện tử, hóa học, nhiệt học, co học và các lỉnh vực của vật lý như : bán dẫn, quang học, hạt nhăn... nên khó có thể tập họp dẫy dù những vấn dề trên trong khuỗn khổ một quyển sách. Các tác già chi mong muốn trình bày một cách có hệ thống kỹ thuật cảm biến theo trình tự : nguyên lý làm việc, cấu tạo, các dặc tính co bản, các mạch do và ứng dụng của các bộ cảm biến trong các hệ thống do lường - diều khiển. Các tác giả chú ý di sâu giói thiệu các bộ cảm biến thông dụng nhát trong kỹ thuật củng như trong doi sống, các bộ cảm biến mói vói các tính năng kỹ thuật tốt nhất như các bộ cảm biến dựa trên các hiện tượng quang diện, quang từ, quang dàn hồi, hòng ngoại, siêu dẫn, hình ảnh nhiệt, cảm biến thông minh... Cuốn sách gồm 17 chưong dưọc sắp xếp theo công dụng của các bộ cảm biến. Cuốn "Các bộ cảm biến trong kỹ thuật do lường và diều khiển" là kết quả họp tác cùa các tác giả thuộc bộ môn Thiết bị diện-điện từ, bộ môn Kỹ thuật do vd Tin học công nghiệp, Viện Vật lý kỹ thuật thuộc Trường Dại học Bách Khoa Hà Nội và Khoa Co diện mỏ Trường dại học Mỏ Địa chất do PGS. TS. Lê Văn Doanh chủ biên. Quyển sách nay dùng lam tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành diện, diện từ của các trường dại học kỹ thuật, dồng thòi sách củng giúp ích cho các lớp sau dại học, hệ nghiên cứu sinh, các cán bộ kỹ thuật diện, diện tủ, do lưòng-dièu khiển dang làm việc trong các Viện nghiên cứu, các co sò sản xuất. Vi chủ đề rất rộng lớn của kỹ thuật cảm biến và trinh dộ có hạn của các tác già nên chắc ràng sách không tránh khỏi sai sót. Các tác già mong muốn nhận dược nhận xét, góp ý của bạn dọc. Các nhận xét góp ý xin gửi về Bộ môn Thiết bị diện-diện tử, khoa Diện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. ĐT.8692511. Chúng tòi xin chân thành cám on. Các tác giả
MỤC LỤC Trang LÒIMỎDẦƯ 3 Chương 1 KHÁI NIỆM co BÀN VÊ CÁC BỘ CẤM BIẾN ... 12 1.1. Định nghĩa 12 1.2. Phân loại các bộcảm biến 13 1.3. Các đơn vị đo lường 16 1.4. Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến 17 1.5. Chuẩn các bộ cảmbiến 20 1.6. Độ tuyến tính 21 1.7 Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng 21 1.8. Bộ cảm biến tích cực và thụ động 22 1.9. Mạch giao diện của các bộ cảm biến 25 1.10. Truyền dữ liệu 30 1.11. Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch 32 Chương 2 CÁM BIẾN QUANG.......................... 37 2.1. Khái niệm cơ bản về ánh sáng 37 2.2. Các dơn vị đo quang 39 2.3. Nguồn sáng 41 2.4. Cảm biến quang điện 46 2.
2.12. Câm biến nhìn tọa độ chuyển động robot 74 sử dụng công nghệ nhận dạng ảnh 2.13. Bộ phát hiện lửa 75 Chương 3. S01 QUANG TRONG HỆ THỐNG CẢM B1ÉN DO . . 77 LƯÒNG VÀ DIÊU KHIỂN 3.1. Khãi niệm chung về sợi quang và hệ thống 77 truyền dẫn quang 3.2. Cơ sở lý thuyết vè sợi dẫn quang 79 3.3. Sự truyềndẫn ánh sáng trong sợi quang 80 3.4. Khấu độ sô NA 80 3.5. Các dạng phân bố chiết suất trong sợiquang 81 3.6. Cấu trúc chung của cáp quang 82 3.7. Các thông số của sợi quang 83 3.8. Tính toán tuyến truyền dần quang 86 3.9. Thừ nghiệm sợi quang 88 3.10. Mạng thông tin cáp quang 90 3.11. Nguyên lý làm việc của cảm biến sợiquang 95 3.12. Cấu trúc sợi quang dùng cho cảm biến 109 Chương 4. CÂM BIẾN NHIỆT Độ....................... 112 4.1. Thang nhiệt độ 112 4.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độc'ân đo 114 4.3. Cảm biến nhiệt điện trở 115 4.4. Nhiệt điện trở 118 4.5. Cảm biến cặp nhiệt ngẫu 119 4.6. Do nhiệt độ bằng điot vàtranzito 127 4.7. Cám biến quang đo nhiệt độ 128 4.8. Nhiệt kế áp suất 133 4.9. Nhiệt kê' áp suất khi 134 4.10. Nhiệt kế áp suất chất lỏng 135 4.11. Hỉnh ảnh nhiệt quét 136 4.12. Cảm biến siêu ầm nhiệt độ 143 4
Chương 5. CĂM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DI CHUYỂN............. 146 5.1. Khái niệm chung 146 5.2. Do di chuyển nhỏ bàng phương pháp 147 sóng đàn hồi 5.3. Phát hiện di chuyên cơ học bàng phương pháp quang đàn hòi 161 5.4. Nhiễu xạ vi sai theo thời gian, 167 nhiễu xạ kế doppler 5.5. Cảm biến sợi quang đo vị tri và dichuyển 172 5.6 Cám biến tiếp cận 175 5.7. Cám biến tiếp cận quang học 181 5.8. Càm biến di chuyển sử dụng tia laser 185 5.9. Cảm biến vi so'ng 188 5.10. Bộ cảm biến phát hiện hư hỏng trong các bộ phận chuyển động của máy 189 5.11. Bộ cảm biến điện tít 192 5.12. Cảm biến điện dung 201 5.13. Cảm biến đo dao động của cấu trúc 209 Chương 6. C ÁM BIÉN VẬN Tốc VÀ GIA TÓC............. 212 6.1. Do tốc độ quay của động cư 212 6.2. Tóc độ kế sợi quang 218 6.3. Gia tốc kế sợi quang 219 6.4. Dối hướng kê' sợi quang 221 6.5. Đổi hướng kế con quay hồi chuyển 223 6.6. Cảm biến tốc độ quay thạch anh 224 6.7. Ưng dụng con quay hồi chuyến điêu khiển chuột 225 6.6. Gia tốc kế rung 226 6.7. Gia tốc kế điện dung 227 6.10. Gia tốc kế áp trở 228 6.11 Gia tốc kê' áp điện 229 5
Chương 7. CÂM BIẾN BIẾN DẠNG ..................... 231 7.1. Khái niệm chung về cảm biếnbiến dạng 231 7.2. Nguyên lý của cảm biến biến dạng 232 7.3. (.lác loại đầu đo kim loại 233 7.4. Cám biến áp trở silic 235 7.5 Đàu đo trong chế độ động 238 7.G. Cám biến dao động sử dụng hiệu ứng Doppler 239 7.7. Cảm biến ghép các sợi quang 240 7.8. Ành toàn ký (hologram) giao thoa 241 7.9. Kiếm tra trạng thái bồ mật 242 Chương 8. CẤM BIẾN Lực VÀ ỨNG SUẤT ............... 244 8.1. Đại cương về cảm biến đo lực và ứng suất. 244 8.2. Câm biến áp điện 245 8.3. Cảm biến tù giảo 250 8.4. Bộ cảm biến lực dựa trên việc đo dichuyển 251 8.5. Bộ cảm biến xúc giác 252 8.6. Bộ cảm biến ứng suất siêuâm đo biến động trong vật liệu 256 Chương 9. CẨM BIẾN f)() LƯU LƯỢNG VÀ THẺ: TÍCH CHẤT U’)NG, KHÍ VÀ HƠI ............... 25X 9.1. Khái niệm chung về cảm biến đo lưu lượng 258 9.2 Còng tơ thế tích 259 9.3. Công tơ tốc độ 260 9.4. Đo lưu lượng bàng thay đổi độ giảm áp suất 262 9.5. Hệ thống đo lưu lượng theo nguyên lý độ 266 giảm áp suất. 9.6. Do lưu lượng các chất khí có số Reynol nhỏ 268 9.7. Lưu lượng kế mao dẳn 268 9.8. Lưu lượng kế tù điện 269 9.9. Cảm biến đo mức 271 9.10. Do tính chãt hóa lý cùa chất lỏng và khí 282 6
Chương 10. CẨM BIẾN ÁP SUẤT CHẤT Lưu............. 296 10.1. Khái niệm về áp suất 296 10.2. Dụng cụ đo áp suất, bàng chất lỏng 297 cân thúy tỉnh 10.3. Do áp suất bàng phàn tử nhạy cảm với biến dạng 300 10.4. Màng 303 10.5. Bộ chuyển đổi đo áp suất, bằng biến dạng, phương pháp biến đổitrực tiếp 304 10.6. Câm biến áp suất áp trở 312 10.7. Câm biến áp suất silic kiểu điện dung 315 Chương 11. CÂM BIỂN DO CHÂN KHÔNG................. 317 11.1. Những khái niệm chung 317 11.2. Dặt các cảm biến đo chân không 318 11.3. Các loại áp kế đo áp suất tổng 319 11.4. Ap kế cơ khí 319 11.5. Áp kếMac Leod 321 11.6. Ap kế nhiệt 322 11.7. Ap kế ion hóa 324 11.8. Ap kếnhiệt phân tửvà phân tử 330 11.9. Do áp suất riêng phần 331 11.10. Vấn đê định chuẩn 335 11.11. Hiệu chỉnh nhiệt độ 337 11.12. Kết luận 340 Chương 12. CĂM BIỂN PHÁT HIỆN VÀ DO ĐỘ ẨM........ 341 12.1. Khái niệm chung 341 12.2. Phân loại ẩm kế 342 12.3. Ẩm kế biến thiên trở kháng 342 * 12.4. Ảm kế điện ly 345 12.5. Ẩm kếháp thu 347 12.6. Ẩm kế ngưng tụ 349 7
12.7. Ám kê' áp điện 352 12.8. Phạm vi sử dụng cùa ẩm kế 335 Chương 13. CĂM BIỂN ĐIỆN HÓA VÀ Y SINH ........... 355 13.1. Cảm biến điện thế 355 13.2. Cảm biến dòng điện 361 13.3. Càm biến độ dản 363 13.4. Câm biến phân tích khí 365 13.5. Vi cảm biến điện hóa 368 13.6. Cảm biến y sinh 371 13.7. Cảm biến quang định lượng độ axit cùa dung dịch 379 13.8. Giao thoa kế sợi quang nghiên cứu chuyển động cùa màng nhỉ 381 13.9. Cảm biến cực nhạy phát hiện đơn phân tử 382 13.10. Cảm biến phát hiện và điều trị ung thư phổi 383 13.11. Cảm biến phát hiện với lượng lấy mẫu rát. nhỏ 384 Chương 14. CẤM BIẾN BỨC XẠ HẠT NHÂN............... 386 14.1. Đàu đo nhấp nháy 387 14.2. Đâu đo ion ho'a chất khí 388 Chương 15. CÀM BIỂN DIỆN TỪ ....................... 394 15.1. SQUID 396 15.2. SQUID một chiềuSQUID DC 401 15.3. (’ông nghệ chế tạo các chuyến đổi Josephson và SQUID 404 15.4. Thựchiện SQUID một chiều 406 15.5. Giảm nhiễu ở tân số thấp 408 15.6. Phối ghép SQUID với hệ thôngkhuếch đại 409 15.7. Ung dụng SQUID trong đo lường 410 8
lõ.8. Từ kế cực nhạy cục bộ 415 15.9. Từ kế trong không gian tự do 416 15.10. Càm biến tìí trờ thayđổi rất nhiêu 417 15.11. Ampe kế sợi quang 420 15.12. Cảm biến hiệu ứngHall 421 15.13. Bolomet 423 15.14. Cảm biến cộng hường từ hạt nhân 426 Chương l(ỉ. ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP CỦA TIA IIONG NGOẠI 430 16.1. Dạc tính chung của bộ cảm biến hồng ngoại 430 16.2. Bộ cảm biến nhiệt 436 16.3. Vật liệu sử dụng trong hỉnh ảnh nhiệt 441 16.4. Bộ cảm biến lượng tử 443 16.5. Các bộ cảm biến truyền diện tích 444 16.6. Bộ cảm biến hỏa điện 454 16.7. Bộ câm biến SPRITE 455 16.8. Ưng dụng cùa cầm biến hòng ngoại 456 16.9. Hinh ảnh nhiệt hồng ngoại 468 Chương 17. CÁM BIỂN THÔNG MINH................... 476 17.1. Khái niệm về cảm biên thông minh 476 17.2. Cấu trúc của một cảm biến thòng minh 478 17.3. Các khâu chức nang của cảm biến thông minh 479 17.4. Các thuật toán xử lý cho câm biến thông minh 485 17 5 Vi dụ vê cảm biến thông minh 497 TAI L1ÉƯ THAM KHĂO......................................................................... 502 9
Chương ỉ KHÁI NIỆM Cơ BẨN VE CÁC BỘ CẨM BIÊN Chương này có tính chất nhập môn, giới thiệu các đặc tính chung của các bộ cảm biến, phân loại các bộ cảm biến, nêu vai trò của các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điếu khiển. Trình bày khái quát nguyên lý vật lý cơ bản ứng dụng trong kỹ thuật cảm biến. Tiếp theo trình bày nhừng đặc trưng đo lường, chuẩn hóa tín hiệu đo và các mạch đo cơ bản ứng dụng trong cảm biến, vấn để nhiễu tác động đến hệ thống đo lường-điều khiển. 1.1 ĐỊNH NGHĨA Trong các hệ thông đo lường-điều khiển mọi quá trình đểu được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen... Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điếu chỉnh, điểu khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là "tai mát" của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện ho'a, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thổn kinh... Trong các quá trình đo lường-điều khiển thông tin được truyền tải và xử lý dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử. 11
Theo mô hình mạch ta co' thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình 1.1) trong đo' cửa vào là biến trạng thái cấn đo X và cửa ra là đáp ứng ỵ của bộ cảm biến với kích thích đấu vào X. Hình 1.1. Mô hình mạch của bộ cảm biến Hlnh 1.2. Hệ thống diều khiển tự dộng quá trình Phương trinh mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kỉch thích X của bộ cảm biến có dạng : y = f(x) (1.1) Quan hệ (1.1) thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng - kích thích. Trong các hệ thống đo lường-điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm. Trong sơ đổ hình 1.2 quá trình (đối tượng) được đặc trưng bàng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đấu ra cùa bộ cảm biến được phối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. Đẩu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình (đối tượng). Đây là sơ đố điều khiển tự động quá trình (đối tượng), trong đó bộ cảm biến do'ng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điểu khiển quá trình. 1.2 . PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẨM BIEN Các bộ cànx biến có thể được phân loại theo các phương pháp khác nhau. Ị.2.Ỉ. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Các nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích tóm tắt trong bảng 1.1. 12
Bủng ỉ.l Nguyên lý chuyển đổi đáp ứng và kích thích Hiện tượng Chuyên dổi dáp ứng và kích thích Vật lý Nhiệt diện Quang diện Quang từ Điện từ Quang dàn hổi Từ diện Nhiệt từ Nhiệt quang... Hóa học Biến dổi hóa học Biến dối điện hóa Phân tich phố.. Sinh học Biến dổi sinh hóa Biến dổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống Phân tích phô’. 1.2.2. Theo dạng kích thích có thể phún chiu các bô cùm biên như sun Bảng 1.2 trình bày cách phân loại bộ cảm biến theo dạng kích thích. Bàng 1.2 Phân loại bộ càm biên theo dạng kích thích KÍch thích Các dặc tính cùa kích thích Âm thanh - biên pha. phân cực - phô’ - tốc dộ truyền sóng... Điện - điện tích, dòng diện - điện thế. diện áp - diện trường (biên pha, phân cực, phô’) - điện dẫn, hằng số diện mõi- Từ - từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - từ thông, cường dộ từ trường - độ từ thầm... * Quang - biên pha, phân cực, phổ - tốc dộ truyền - hệ số phát xa. khúc xạ - hệ số hấp thụ. hê số bức xạ- 13
Tiếp bảng 1.2 Hiện tượng Các dặc tính cùa kích thích Cơ - vị tri - lực. áp suất - gia tốc, vận tốc - ứng suất, độ cứng - mômen - khối lượng, tỷ trọng - vận tốc chất lưu. dộ nhớt- Nhiệt - nhiệt dộ - thông lượng - nhiệt dung, tỳ nhiệt... Bức xạ - kiểu - năng lượng - cường độ... 1.2.3. Theo lính nung các hộ cảm hiến Các bộ cảm biến có thể phân loại theo tính nàng (bảng 1.3). Bàng 1.3 Phân loại các bộ cảm biên theo tính năng - Độ nhạy - Khả năng quá tải - Độ chính xác - Tốc độ dáp ứng - Độ phân giải - Dộ ổn định (ngăn hạn và dài hạn) - Độ chọn lọc - Tuổi thọ - Độ tuyến tính - Diều kiện môi trường - Công suất tiêu thụ - Kích thước, trọng lương- - Dải tần - Dộ trề 1.2.4. Theo phạm vi sử dụng các bô cùm biến Theo phạm vi sử dụng, các bộ cảm biến có thể phân chia thành các loại như bảng 1.4. Bảng 1.4 Phạm vi sử dụng các bộ càm biến • Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ tru - Quân sự- 14
1.2.5. Theo thông số cùa mô hình mạch thay thẽ Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số - Cảm biến tích cực (co' nguồn) đấu ra là nguốn áp hoặc nguồn dòng. - Cảm biêh thụ động (không nguốn) được đặc trưng bằng các thông số R. L, c, M, ... tuyến tính hoặc phi tuyến. 1.3. CÁC ĐON VỊ ĐO LƯÒNG Các đơn vị đo lường cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI (le Système International d’ Unites) như trong bảng 1.5. Bàng 1.5 Đơn vị cơ bân hệ SI Đại lượng Tên gọi Ký hiệu Đưộc dịnh nghĩa (từ nảm) Chiểu dài mét m chiểu dài dường truyền ánh sáng trong chân không trong khoảng thòi gian 1/299 792 458 giây (1983.) Khối lương kilogam kg mẫu quà cân platin-indi (1889) Thòi gian giây s khoảng thòi gian 9 192 613 770 chu kỳ bức xạ ứng với chuyên dổi giữa hai mức siêu mịn trạng thái Cổ bản cúa nguyên tú Cesium 133 (1967) Dòng diện ampe A lực bằng 2.10’7 N trên 1 mét dái cùa hai dây dẫn mang diên trong chân không dảt cách nhau 1 mét (1946) Nhiệt dộ nhiệt động kelvin K 1/273.16 cùa nhiệt độ nhiệt dóng của diểm bội ba cùa nước (1967) Lượng vật chất mol mol lượng vât chất chứa trong 0,012 kg cacbon 12 (1971) Cường dộ sáng candela Cd cường dô sáng theo một phương dâ cho của một nguồn bữc xạ tia dơn sắc có tần số 540.10 12Hz và cường dộ năng lượng theo phương này là 1/683 w/steradian (1967) Từ các đơn vị cơ bản người ta xây dựng các đơn vị dẫn xuất. 15
1.4. CÁC ĐẶC TRƯNG co BẢN CỦA BỘ CẢM BIEN Theo quan điểm mô hình mạch ta coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp ứng-kích thích được biểu diễn bằng phương trình (1.1). Quan hệ này được đặc trưng bằng nhiểu đại lượng cơ bàn của bộ cảm biến. Ta co' thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau : Ị.4.1. Hùm Iruỳên Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thê cho dưới dạng bàng giá trị, graph hoặc biểu thức toán học. Gọi X ỉà kích thích, y là tín hiệu điện đáp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kỉch thích co' dạng : y = a + bx (1.2) ở đây a là hằng sổ bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bàng không, b là độ nhạy, y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tấn số hoặc pha tùy theo các tính chất của bộ cảm biến. Hàm truyền logarit co' dạng y — 1 + blnx (1.3) Dạng mũ : y = aeLx (1.4) Dạng lũy thừa : y = ao + a^ (1.5) ở đây Ả’ là hằng số. Các bộ cảm biến phi tuyến không thê’ được đặc trưng bàng các hàm truyén kể trên, trong trường hợp này ta phải sù dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc cao. Đối với hàm truyền phi tuyến, hoặc hàm truyền ở chế độ động độ nhạy b phải được định nghĩa theo biểu thức : b = (1.6) dx Trong nhiéu trường hợp ta có thể làm gấn đúng hàm truyền phi tuyến bàng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. 16
ỉ.4.2. Đô lớn cùa tín hiệu vào Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt, quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến co' đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bàng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào : P2 u2 ldB = 101g = 20 lg-± (1.7) P1 U1 Quan hệ giữa tỷ số công suất, tỷ số điện áp (hoặc dòng điện) tính theo dexibel được cho trong bảng 1.6. Bàng 1.6. Quan hệ giữa tỳ số công suất, diện áp theo dexibel Đexibel 0.1 10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tỷ sô công suất 1023 1,26 10 100 103 104 105 106 107 10ố 109 101° Tỷ sô diện áp (dòng diện) 1012 112 3.16 10 31,6 100 316 103 3162 104 3.104 105 1.4.3. Sai SỐ và độ chinh xúc Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cấn đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Ax độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực X, sai số tương đối của bộ ‘cảm biến được tính bàng : Ax ỗ% = — • 100 (1.8) X Ax - là sai số tuyệt đối. VÍ dụ : Một bộ cảm biến di chuyển thảng có độ nhạy ImV trên \nini di chuyển. Nếu di chuyển tạo nên điện áp 10,5mV thi tạo nên sai số tuyệt đối là 10,õ - 10 = 0,5/nV. Sai số tương đối của bộ cảm biến là : 0,5 ỗ% = -777-100 = 5%. Trên hình 1.3 biểu diễn hàm truyén của bộ cảm biến lý tường và các giới hạn sai số của nó. ’ ■ K % L r t THU Vlễí t ---- — ___ I
Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân chúng thành hai loại : sai sô hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai sô hệ thống là sai sổ không phụ thuộc vào số lần đo. có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường đo sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt. Các nguyên nhân gây sai số hệ thống co' thể là : - Do nguyên lý của cảm biến - Giá trị đại lượng chuẩn không đúng, - Do đặc tính của bộ cảm biến. - Do điểu kiện và chể độ sử dụng. - Do xử lý kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định, Có thể dự đoán được một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng không thể đự đoán độ lớn và dấu Hlnh 1.3. Xác dinh sai số cùa bộ cảm biến. cùa nó. Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên co' thể là : - Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị, - Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, - Do các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điện từ trường, độ rung ...) không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến. Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bào vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điéu chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tấn số, vận hành sử dụng đúng chê' độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. 18 UHT
1.5. CH VAN CAC BỌ CAM BIEN Chuẩn các bộ cảm biến nhàm xác định dưới dạng đổ thị, giải tích mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng. Các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật. lý liên quan đến đáp ứng như độ lớn, chiểu và tốc độ biến thiên của các kích thích. Ngoài ra chúng cũng có thể là các đại lượng vật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi hổi đáp. Thông thường các đại lượng vật lý này là các thòng số môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm... và các thông số của nguốn như biên độ, tẩn số, điện áp làm việc của các bộ cảm biến. 1.5.1. Chuẩn đơn giản Chuẩn đơn giản là phép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích thích xác định và sử dụng một bộ cảm biến không nhạy với các đại lượng và không chịu tác động của kích thích này. Dây là trường hợp đặc biệt của các kích thích tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi. Trong những điều kiện này việc chuẩn cảm biến chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với các giá trị tương ứng của đáp ứng đầu ra. Có thể chuẩn các bộ cảm biêh bằng một trong các phương pháp sau đây : - Chuẩn trực tiếp : các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các phẩn tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao. - Chuẩn giáp tiếp : sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so sánh với bộ cảm biến cấn định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều kiện làm việc. Khi tác động lấn lượt, lên hai bộ cảm biến bằng cùng một kích thích ta nhận được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn. Lặp lại với các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong chuẩn cho bộ cảm biến. ỉ.5.2. Chuẩn nhiêu ữn Khi bộ cảm biêh có chứa những phần tử có độ trễ, giá trị đáp ứng không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá trị trước đó của kích thích này. Khi đó cấn phải tiến hậnh chuẩn nhiều lấn theo trình tự sau đây : - Đặt lại điểm 0 của cảm biến, đo' là điểm gốc khi kích thích bằng không thì đáp ứng của bộ cảm biến phải bằng không.