intTypePromotion=1
ADSENSE

Tập bài giảng Kỹ thuật cảm biến đo lường và điều khiển - TS. Đào Thái Diệu

Chia sẻ: Huỳnh Thanh Phong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:283

733
lượt xem
383
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tập bài giảng "Kỹ thuật cảm biến đo lường và điều khiển" được biên soạn theo chương trình đào tạo đại học các chuyên ngành kỹ thuật (năm thứ ba đai học). Mục tiêu biên soạn biên tập bài giảng này nhắm giúp sinh viên có tài liệu học tập môn "kỹ thuật cảm biến đo lường các đại lượng không điện" bên cạnh các tài liệu tham khảo khác theo hướng dẫn của giảng viên để nắm được những nội dung truyền đặt trên lớp một cách tích cực.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tập bài giảng Kỹ thuật cảm biến đo lường và điều khiển - TS. Đào Thái Diệu

  1. BOÄ COÂNG THÖÔNG TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA CÔ KHÍ TAÄP BAØI GIAÛNG KYÕ THUAÄT CAÛM BIEÁN ÑO LÖÔØNG VAØ ÑIEÀU KHIEÅN Giaûng vieân: Ñaøo Thaùi Dieäu, TS. TP. HOÀ CHÍ MINH, 2008
  2. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. DAÃN NHAÄP Taäp baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån” ñöôïc bieân soaïn theo chöông trình ñaøo taïo ñaïi hoïc caùc chuyeân ngaønh kyõ thuaät (naêm thöù ba ñaïi hoïc). Muïc tieâu bieân soaïn taäp baøi giaûng naøy nhaèm giuùp sinh vieân coù taøi lieäu hoïc taäp moân hoïc “Kyõ thuaät caûm bieán ño löôøng caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän” beân caïnh caùc taøi lieäu tham khaûo khaùc theo höôùng daãn cuûa giaûng vieân ñeå naém ñöôïc nhöõng noäi dung truyeàn ñaït treân lôùp moät caùch tích cöïc, keát hôïp nhöõng daãn giaûi vaø heä thoáng hoaù vaán ñeà cuûa giaûng vieân vôùi nhöõng nghieân cöùu thaûo luaän chuyeân ñeà seminar cuûa lôùp hoïc. Vôùi nhaän thöùc raèng moân kyõ thuaät caûm bieán ño löôøng lieân quan haàu heát caùc lónh vöïc kieán thöùc cô baûn maø sinh vieân caùc ngaønh ñaïi hoïc kyõ thuaät ñaõ hoaëc ñang tieáp thuï trong chöông trình hoïc, moät soá phaàn lieân quan chuû yeáu ñöôïc ñöa vaøo caùc phuï luïc cuoái taäp baøi giaûng naøy ñeå sinh vieân töï ñoïc oân laïi vaø heä thoáng hoaù kieán thöùc ñaõ hoïc trong nhöõng moân khaùc. Laø moät taäp baøi giaûng, taøi lieäu ñöôïc chia thaønh caùc baøi giaûng, döïa theo chöông trình giaûng daïy moân hoïc laø 3 tín chæ (töông ñöông 45 tieát leân lôùp vaø 45 tieát töï hoïc cuûa SV). Vieäc boá trí chöông trình giaûng daïy phuø hôïp laø tuøy ôû giaûng vieân, tuy nhieân, thôøi löôïng moãi baøi giaûng ôû ñaây tính cho 4 tieát leân lôùp (khoâng keå kieåm tra vaø oân luyeän). Vaø ñoù cuõng chæ coù tính chaát khuyeán nghò. Nhöõng noäi dung taäp hôïp trong taäp baøi giaûng naøy ñöôïc thöïc hieän treân cô sôû nhöõng taøi lieäu môùi vaø caäp nhaäp, neâu trong muïc “Taøi lieäu tham khaûo”, phuø hôïp vôùi nhöõng baøi giaûng treân lôùp theo chöông trình, ñeà cöông moân hoïc cuûa nhaø tröôøng. Tuy nhieân, do nhöõng haïn cheá nhaát ñònh, vieäc taäp hôïp trình baøy trong moät taäp saùch coù theå coøn nhieàu khieám khuyeát. Raát mong caùc ñoàng söï, ñoàng nghieäp giuùp ñôõ goùp yù chænh lyù vaø nhaát laø nhöõng sinh vieân maø taäp baøi giaûng naøy nhaèm höôùng tôùi. Ñaøo Thaùi Dieäu, 01.2008’. 1
  3. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 1. Mess- und Regelungstechnik. K.Boether, H.Breckwoldt, H-J.Siedler, R.Wieting, Pflaum Verlag, Muenchen, 1995. Tieáng Ñöùc. 2. Position Sensing Angle and Distance Measurement for Engineers. H.Walcher, Butterworth Heinemann, 1994. Tieáng Anh. 3. Sensor Technology Handbook. Jon S. Winson, Ed.-in-Chief, Elsevier Inc., 2005. 4. Sensors and Actuators (A,B&C), Journal by Elsevier Science of Amsterdam, Netherlands. 5. Modern Control Technology – Components & System, 2nd Ed. 6. MEMSnet, online Web site: www.memsnet.org; Corporation for National Research Initiatives of Reston, Virginia, USA, and Nexus Association of Grenoble, France. 7. The Mechatronics Handbook, Robert H.Bishop, Ed.-in-Chief, CRC Press LLC, 2002, online Web site: www.crcpress.com. 8. Caùc boä caûm bieán trong kyõ thuaät ño löôøng vaø ñieàu khieån. Chuû bieân: Leâ Vaên Doanh, NXB KHKT, Haø Noäi, 2001. 9. Ño löôøng caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän (Taäp baøi giaûng). Nguyeãn Khaéc Haûi, Cuïc TCÑLCL, Haø noäi, 1992. 10. Kyõ thuaät ñieàu khieån töï ñoäng (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2007. 11. Töï ñoäng hoùa saûn xuaát (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2006. 12. Kyõ thuaät vi xöû lyù öùng duïng trong ño löôøng vaø ñieàu khieån (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2005. 13. Phaàn töû töï ñoäng (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2004. 14. Kyõ thuaät ño ñieän – ñieän töû (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2002. 15. Heä thoáng thoâng tin ño löôøng (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2000. 2
  4. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. BAØI 1. CÔ SÔÛ KYÕ THUAÄT CAÛM BIEÁN ÑO LÖÔØNG. CHÖÔNG 1. KHAÙI NIEÄM CHUNG. Muïc tieâu baøi naøy taäp trung vaøo nhöõng khaùi nieäâm cô baûn vaø nhöõng vaán ñeà toång quaùt cuûa kyõ thuaät caûm bieán ño löôøng öùng duïng – goàm chöông 1. Noäi dung cô baûn maø SV phaûi naém ñöôïc ôû baøi naøy laø nhöõng vaán ñeà troïng taâm sau: Khaùi nieäm toång quaùt veà heä thoâng tin ño löôøng vaø ñieàu khieån cuøng nhöõng phaàn töû caáu thaønh cô baûn cuûa noù, hoaït ñoäng chöùc naêng, caùc ñaëc tính kyõ thuaät, ñaëc ñieåm öùng duïng. Ñaëc bieät caàn naém vöõng vaø hieåu ñöôïc baûn chaát caùc ñònh nghóa khaùi nieäm, ñaëc tính vaän haønh, heä thoáng hoaù trong phaân loaïi phaàn töû, tö duy logic trong kyõ thuaät öùng duïng. Caùc vaán ñeà öùng duïng thöïc tieãn caùc phaàn töû caûm bieán trong heä thoâng tin ño löôøng vaø ñieàu khieån ñeå coù nhaän thöùc vaø reøn kyõ naêng toång hôïp, thieát keá vaø cheá taïo heä thoáng cuï theå trong thöïc teá moâi tröôøng öùng duïng. Caùc töø khoùa, thuaät ngöõ vaø yù nghóa cuûa noù trong phaàn naøy (vaø tieáp veà sau) ñoùng vai troø quan troïng trong nhöõng baøi kieåm tra vaø thi traéc nghieäm lyù thuyeát noùi chung. Thôøi löôïng baøi giaûng laø 04 tieát/45 tieát leân lôùp theo chöông trình moân hoïc laø 03TC (45 tieát) vaø 04 tieát töï nghieân cöùu. 1.1 – Khaùi nieäm heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån. Ngaøy nay, khoù coù moät ngaønh kyõ thuaät naøo khoâng bao goàm kyõ thuaät ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng, maø trong ñoù caùc phaàn töû caûm bieán ño löôøng thöôøng ñoùng vai troø tieân quyeát. ÖÙng duïng ñieån hình laø trong caùc daây chuyeàn coâng ngheä cô khí cheá taïo, caùc maùy töï ñoäng trong saûn xuaát, gia coâng goã, kim loaïi, nhöïa plastics, maùy moùc cheá bieán thöïc phaåm, caùc loaïi maùy in vaø ñoùng goùi saûn phaåm, vv ... Söï phaùt trieån cuûa kyõ thuaät ño löôøng vaø ñieàu khieån hieän ñaïi döïa treân cô sôû nhöõng tieán boä khoa hoïc cuûa nhieàu ngaønh lyù thuyeát cô baûn cuõng nhö nhöõng tieán boä coâng ngheä trong kyõ thuaät öùng duïng. Ñaëc bieät, tieán boä kyõ thuaät coâng ngheä ñaõ ñöa ñeán söï thoáng nhaát chuaån hoaù trong cheá xuaát caùc linh kieän, caùc phaàn töû töï ñoäng, caùc khoái chöùc naêng module … Trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhau cuõng coù nhieàu tröôøng hôïp söû duïng nhöõng boä phaän, phaàn töû töï ñoäng chöùc naêng nhö nhau. Ví duï, caùc heä caûm bieán vò trí vaø ñieàu khieån caùc vaät theå dòch chuyeån vôùi ñoä chính xaùc cao ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong caùc ngaønh nhö giao thoâng vaän taûi, haøng haûi, haøng khoâng, cöùu hoä (ñònh vò taøu thuyeàn, xe maùy vaø maùy bay, ñieàu khieån caùc heä döï phoøng vaø truyeàn taûi naëng ...), cuõng nhö trong caùc ngaønh thoâng tin lieân laïc vieãn thoâng, thieân vaên vuõ truï (duøng ñeå ñieàu chænh vò trí cuûa caùc anntena radio, radar, caùc heä vieãn voïng thieân vaên, ...). Noùi chung, caùc phaàn töû caûm bieán khoâng hoaït ñoäng töï thaân. Chuùng laø moät boä phaän cuûa moät heä lôùn bao goàm caû caùc boä chuaån hoaù tín hieäu vaø caùc maïch xöû lyù tín hieäu soá vaø töông töï khaùc nhau. Noùi ví duï, heä thoáng coù theå laø heä ño löôøng, heä thu thaäp döõ lieäu, hay heä ñieàu khieån quaù trình coâng ngheä. ÔÛ 3
  5. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. ñaây, chuùng ta taäp trung vaøo caùc phaàn töû caûm bieán trong heä ño löôøng vaø ñieàu khieån quaù trình coâng ngheä. Hình 1.1 giôùi thieäu moâ hình ñieàu khieån töï ñoäng quaù trình coâng ngheä, ñöôïc thöïc hieän bôûi moät heä thoâng tin ño löôøng ñieàu khieån. Hình 1.1 – Moâ hình ñieàu khieån töï ñoäng quaù trình coâng ngheä. Quaù trình coâng ngheä laø moät heä vaät lyù ñöôïc moâ taû bôûi caùc bieán traïng thaùi. Caùc bieán naøy ñaëc tröng ñònh tính qualitative vaø ñònh löôïng quantative cho quaù trình coâng ngheä bôûi caùc phöông trình moâ taû quan heä toaùn-lyù vaø caùc soá lieäu ño thöïc nghieäm. Quaù trình coâng ngheä ñöôïc ñieàu khieån (hoaëc ñieàu chænh) bôûi moät heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng, hoaït ñoäng theo moät chöông trình program ñònh saün, treân cô sôû caùc döõ lieäu thu nhaän ñöôïc töø caùc boä phaän, phaàn töû caûm bieán ño löôøng transducers vaø tính naêng cuûa caùc phaàn töû cô caáu taùc hoaït chaáp haønh actuators. Nhö vaäy, heä thoáng thoâng tin ño löôøng vaø ñieàu khieån laø taäp hôïp phöông tieän kyõ thuaät vôùi chöùc naêng chung vaø hoaït ñoäng theo moät chöông trình chung, thu nhaän thoâng tin töø ñoái töôïng (ño löôøng, bieán ñoåi, hieån thò hay löu tröõ) vaø xöû lyù tieáp theo ñeå thöïc hieän nhöõng muïc tieâu chöùc naêng heä thoáng (ñieàu khieån, hieäu chænh hay theo doõi giaùm saùt). Nhöõng naêm gaàn ñaây, söï phaùt trieån coâng ngheä ñieän töû–tin hoïc–vieãn thoâng ñaõ coù nhöõng böôùc tieán caên baûn veà hieäu suaát tính toaùn, dung löôïng nhôù, toác ñoä xöû lyù vaø truyeàn daãn döõ lieäu … cuõng nhö nhöõng phaùt trieån phaàn meàm öùng duïng. Cuøng vôùi söï hình thaønh vaø phaùt trieån maïng vieãn thoâng Internet, caùc maïng maùy tính (cuïc boä vaø caû dieän roäng) cuõng ñöôïc söû duïng cho caùc heä ño löôøng vaø ñieàu khieån, öùng duïng chuû yeáu laø thu thaäp vaø xöû lyù döõ lieäu nhaèm töï ñoäng ñieàu chænh / ñieàu khieån quaù trình coâng ngheä cuõng nhö theo doõi giaùm saùt traïng thaùi quaù trình. Hình 1.2 giôùi thieäu caáu truùc ñieån hình cuûa moät heä caûm bieán ño löôøng vaø ñieàu khieån. Hình 1.2 – Caáu truùc ñieån hình moät heä caûm bieán ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng. ÖÙng duïng caûm bieán trong moät heä ñieàu khieån quaù trình ñieån hình ñöôïc trình baøy trong hình 1.3. Giaû thieát thuoäc tính vaät lyù caàn ñieàu khieån laø nhieät ñoä. Ñaàu ra cuûa caûm bieán nhieät ñoä ñöôïc chuaån hoaù vaø 4
  6. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. roài soá hoaù baèng chuyeån ñoåi ADC. Boä vi ñieàu khieån microcontroller hay maùy tính chuû xaùc ñònh lieäu nhieät ñoä coù cao hôn hay thaáp hôn giaù trò mong muoán, vaø xuaát tín hieäu tôùi chuyeån ñoåi soá–töông töï (DAC). Ñaàu ra DAC ñöôïc chuaån hoaù vaø ñieàu khieån cô caáu chaáp haønh actuator, trong tröôøng hôïp naøy laø moät boä gia nhieät heater. Löu yù raèng giao dieän giöõa trung taâm ñieàu khieån vaø quaù trình ñieàu khieån töø xa laø thoâng qua maïng tieâu chuaån coâng nghieäp 4-20 mA. Hình 1.3 – Maïch ñieàu khieån moät quaù trình coâng nghieäp ñieån hình. Kyõ thuaät soá ñaõ trôû thaønh phoå bieán trong vieäc xöû lyù caùc ñaàu ra caûm bieán trong thu thaäp döõ lieäu ño löôøng, ñieàu khieån quaù trình vaø caùc pheùp ño. Noùi chung, caùc vi ñieàu khieån 8-bit (ví duï 8051) coù toác ñoä vaø dung löôïng xöû lyù thích ñaùng ñoái vôùi haàu heát caùc öùng duïng. Baèng caùch goäp theâm chuyeån ñoåi A/D vaø tính naêng laäp trình vi ñieàu khieån töï beân trong caûm bieán, coù theå taïo neân moät caûm bieán linh hoaït “smart sensor” vôùi caùc tieän ích töï chuaån ñònh vaø tuyeán tính hoaù trong soá nhieàu tieän ích khaùc. Khi ñoù, moät caûm bieán linh hoaït coù theå giao dieän tröïc tieáp vôùi moät maïng coâng nghieäp nhö trình baøy trong hình 1.4. Hình 1.5 trình baøy caùc khoái caáu taïo cô baûn cuûa moät “caûm bieán linh hoaït”, ñöôïc caáu hình vôùi caùc vi maïch tích hôïp ña thaønh phaàn. Loaït saûn phaåm MicroConverter cuûa haõng Analog Devices bao goàm on-chip caùc boä ñoåi noái multiplexers tính naêng hoaït ñoäng cao, caùc chuyeån ñoåi töông töï–soá (ADCs) vaø soá–töông töï (DACs), gheùp vôùi boä nhôù Flash vaø moät loõi vi ñieàu khieån tieâu chuaån coâng nghieäp 8052, cuõng nhö giaûi phaùp maïch hoã trôï vaø vaøi caáu truùc coång noái tieáp tieâu chuaån. Ñoù laø nhöõng vi maïch tích hôïp ñaàu tieân thöïc söï laø nhöõng heä thu thaäp döõ lieäu caûm bieán linh hoaït (caùc maïch chuyeån ñoåi tín hieäu, vi ñieàu khieån, boä nhôù Flash tính naêng hoaït ñoäng cao) trong moät con chip ñôn (xem hình 1.6). 5
  7. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Hình 1.4 – Tieâu chuaån hoaù giao dieän soá duøng caûm bieán linh hoaït. Hình 1.5 – Caùc phaàn töû cô baûn trong caûm bieán linh hoaït. Hình 1.6 – Moät caûm bieán thaäm chí coøn linh hoaït hôn. 1.2 – Caùc phaàn töû chuû yeáu cuûa heä thoáng. Söï gia taêng yeâu caàu veà ñoä chính xaùc, ñoä an toaøn chaát löôïng saûn phaåm vaø hieäu quaû coâng ngheä daãn tôùi nhöõng tieán boä kyõ thuaät cô baûn laøm taêng ñoä chính xaùc, ñoä tin caäy vaø toác ñoä taùc hoaït cao cuûa caùc phöông tieän kyõ thuaät ño löôøng vaø ñieàu khieån. Phöông tieän kyõ thuaät trong heä ño löôøng ñieàu khieån laø taäp hôïp caùc thieát bò töï ñoäng ño löôøng, töï ñoäng ñieàu khieån vaø töï ñoäng xöû lyù thoâng tin theo moät chöông trình nhaát ñònh, ñöôïc goïi chung laø caùc phaàn töû töï ñoäng. ÔÛ ñaây chuùng ta phaân bieät ba daïng phaàn töû töï ñoäng chuû yeáu: • Phaàn töû caûm bieán Transducer, trong ñoù goàm coù: o Phaàn töû caûm bieán tham soá (R,L,C); o Phaàn töû caûm bieán vaät lyù (nhieät-ñieän, quang-ñieän, aùp-ñieän, …). • Phaàn töû chaáp haønh Actuator, trong ñoù goàm coù: o Caùc phaàn töû chaáp haønh daïng maùy ñieän; o Caùc phaàn töû chaáp haønh daïng cô caáu ñieän-cô. o Caùc phaàn töû chaáp haønh thuûy-khí. • Phaàn töû thoâng tin, ñaëc tröng laø: o Tacho-generator; o Selsyn; 6
  8. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. o Bieán aùp quay; o Caùc phaàn töû khuyeách ñaïi (khuyeách ñaïi töø, khuyeách ñaïi maùy-ñieän, khuyeách ñaïi ñieän töû, …). o… Phaàn töû caûm bieán Transducers. Caûm bieán ño löôøng, ngaøy nay thöôøng goïi laø kyõ thuaät caûm bieán sensorstechnique, ñöôïc hieåu nhö kyõ thuaät thu nhaän vaø bieán ñoåi thoâng tin traïng thaùi, laø moät boä phaän thaønh phaàn quan troïng trong heä ñieàu khieån töï ñoäng. Caùc bieán traïng thaùi ñaëc tröng cho heä thoáng vaø quaù trình thöôøng laø caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän, nhö nhieät ñoä, aùp suaát, öùng löïc, toác ñoä, moment vv… Caùc phaàn töû caûm bieán nhaïy caûm ñoái vôùi nhöõng ñaïi löôïng vaät lyù khaùc nhau. Phaàn töû caûm bieán thu nhaän giaù trò cuûa ñaïi löôïng vaät lyù, vôùi söï bieán thieân theo thôøi gian cuûa noù, chuyeån ñoåi thaønh caùc ñaïi löôïng ñieän ñeå coù theå gia coâng xöû lyù, hieån thò hoaëc löu nhôù, truyeàn daãn vaø xöû lyù tieáp nhaèm ñieàu khieån quaù trình. Chuû yeáu ñaïi löôïng ñaàu ra cuûa caùc sensor laø ñieän aùp hoaëc doøng ñieän, nhöng cuõng coù theå laø taàn soá hay ñieän trôû, ñieän khaùng. ÔÛ ñaây, ta goïi chung laø phaàn töû caûm bieán. Theo nghóa roäng, phaàn töû caûm bieán transducer laø thieát bò hay boä phaän thieát bò caûm nhaän vaø ñaùp öùng vôùi caùc kích thích töø ñaïi löôïng ño, ñöôïc ñaëc tröng nhö moät khaâu chöùc naêng trong heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån, moät maïng hai cöûa noùi chung (hình 1.7). Caûm bieán vaø caùc maïch keát hôïp cuûa noù ñöôïc duøng ñeå ño löôøng caùc thuoäc tính vaät lyù khaùc nhau nhö nhieät ñoä, löïc, aùp suaát, löu löôïng doøng chaûy, vò trí, cöôøng ñoä saùng, vv… Caùc tính chaát naøy taùc ñoäng nhö kích thích tôùi caûm bieán, vaø ñaàu ra cuûa caûm bieán ñöôïc chuaån hoaù vaø xöû lyù ñeå cung caáp soá ño phuø hôïp cuûa thuoäc tính vaät lyù ñoù. Caùc transducers hieän ñaïi thöôøng ñöôïc phoái gheùp boä phaän caûm bieán ño löôøng vôùi boä phaän chuaån hoaù tín hieäu conditioner vaø caùc boä phaän vi tính khaùc (nhö microprocessor hay microcontroller) ñeå hieäu chænh hoaëc tuyeán tính hoaù, xaùc ñònh caùc aûnh höôûng nhieãu, xaùc ñònh nguoàn sai soá vaø khöû hoaëc giaûm thieåu chuùng, cuõng nhö ñeå ñöa tôùi caùc boä phaän ñieàu khieån khaùc (nhö caùc phaàn töû chaáp haønh actuators …). Nhö vaäy, ñaàu ra cuûa caùc phaàn töû transducers thöôøng laø tín hieäu ñaõ ñöôïc chuaån hoaù, coù theå tröïc tieáp ñöa tôùi giao dieän vôùi caùc khoái caáu thaønh heä thoáng khaùc, thöôøng laø qua caùc tuyeán bus truyeàn daãn, hoaëc xöû lyù, hieån thò tröïc tieáp. Noùi moät caùch nghieâm chænh thì caûm bieán sensor laø moät duïng cuï chuyeån ñoåi tín hieäu kích thích (theå hieän moät thuoäc tính vaät lyù) thaønh tín hieäu ñieän; trong khi bieán caûm transducer laø boä chuyeån ñoåi moät daïng naêng löôïng thaønh naêng löôïng daïng khaùc. Tuy nhieân trong thöïc teá, caùc thuaät ngöõ naøy ñöôïc söû duïng moät caùch traùo ñoåi ñöôïc. Caùc phaàn töû caûm bieán ñöôïc phaân loaïi theo nhieàu tieâu chuaån khaùc nhau. Veà baûn chaát vaät lyù, caùc caûm bieán ñöôïc phaân loaïi laø phaàn töû caûm bieán tích cöïc hay thuï ñoäng. Caùc phaàn töû tích cöïc taùc hoaït nhö moät nguoàn (nguoàn aùp hay nguoàn doøng), khoâng phaûi cung caáp nguoàn naêng löôïng phuï. Nhöõng phaàn töû naøy ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng maïng hai cöûa coù nguoàn trong. Caùc phaàn töû tích cöïc ñieån hình laø caùc phaàn töû caûm bieán vaät lyù nhö caûm bieán nhieät-ñieän thermoelements, caëp nhieät ngaãu thermocouples, caùc heä ñieän-ñoäng electro-magnetic generators, phaàn töû quang-ñieän photoelements, tinh theå aùp-ñieän piezocristall, vv… Caùc phaàn töû thuï ñoäng tieâu thuï naêng löôïng töø nguoàn phuï hoaëc laáy töø bieán kích thích ñaàu vaøo ñeå bieán ñoåi thaønh tín hieäu ñaàu ra. Nhöõng phaàn töû thuï ñoäng ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng maïng hai cöûa khoâng nguoàn, coù trôû khaùng trong phuï thuoäc kích thích ñaàu vaøo. Ñieån hình laø caùc phaàn töû caûm bieán tham soá nhö ñaàu doø bieán trôû (chieát aùp potentiometers, bieán trôû heä soá nhieät aâm hay döông NTC- / PTC-, baêng ño bieán daïng DMS, bieán trôû quang photoresistances, …); caûm bieán ñieän dung (tuï xoay / tuï baûn cöïc phaúng …); caûm bieán ñieän caûm; caûm bieán töø tính, vv… 7
  9. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Nhö vaäy, chuùng ta phaân loaïi daïng phaàn töû tích cöïc hay thuï ñoäng laø theo quan ñieåm bieán ñoåi naêng löôïng töï thaân cuûa phaàn töû caûm bieán. Ñieàu caàn löu yù laø cho tôùi nay, maëc duø söï phaân bieät veà tính tích cöïc vaø tính thuï ñoäng laø roõ raøng vaø khaù thoáng nhaát, nhöng trong caùc taøi lieäu khaùc nhau coù nhieàu caùch nhìn nhaän khaùc nhau (thaäm chí ngöôïc laïi) khi phaân loaïi ñoái töôïng laø thuï ñoäng hay tích cöïc. Ví nhö coù quan nieäm phaàn töû tích cöïc hay thuï ñoäng nhö sau [000]: Moät caûm bieán tích cöïc ñoøi hoûi moät nguoàn kích thích ngoaøi. Caùc caûm bieán treân cô sôû ñieän trôû nhö thermistors, RTDs (Resistance Temperature Detectors – caùc boä caûm bieán nhieät kieåu trôû khaùng), vaø caùc daây ño caêng (Strain Gages) laø nhöõng ví duï caûm bieán tích cöïc, bôûi vì doøng ñieän phaûi chaïy qua chuùng vaø ño ñieän aùp töông öùng ñeå xaùc ñònh giaù trò ñieän trôû (caùch khaùc laø maéc duïng cuï vaøo moät maïch caàu; tuy nhieân, trong tröôøng hôïp khaùc, ñoøi hoûi phaûi cung caáp doøng ñieän hay ñieän aùp töø ngoaøi). Maët khaùc, caùc caûm bieán thuï ñoäng (passive hay self-generating) taïo ra tín hieäu ñieän aùp ra cuûa chính chuùng maø khoâng ñoøi hoûi doøng hay aùp töø ngoaøi. Caùc ví duï veà caûm bieán thuï ñoäng laø caùc caëp nhieät ngaãu thermocouples vaø diodes quang photodiodes taïo ra ñieän aùp nhieät-ñieän vaø doøng quang-ñieän töông öùng, khoâng phuï thuoäc vaøo maïch ngoaøi. Nhö vaäy, ngöôøi ta phaân loaïi caûm bieán treân quan ñieåm chuaån hoaù tín hieäu, theo nhu caàu caàn thieát (hoaëc khoâng) giaûi phaùp maïch tích cöïc ngoaøi ñeå taïo tín hieäu ñieän ra töø caûm bieán. Ta neâu hai caùch phaân loaïi ñaëc tröng, chæ ñeå coù theå hieåu logic vaán ñeà (veà quan nieäm, khoâng neân vì theá maø nhaàm laãn veà thuaät ngöõ trong caùc taøi lieäu tham khaûo). Baûng 1.1 döôùi ñaây laø moät toång quan khaùi quaùt veà caûm bieán. Baûng 1.1 – Caùc caûm bieán ñieån hình vaø tín hieäu ra cuûa chuùng. Thuoäc tính Caûm bieán Tín hieäu ra Nhieät ñoä Caëp nhieät ngaãu Thermocouple Ñieän aùp Silicon Aùp / Doøng Silicon Sensor Kieåu ñieän trôû RTD Ñieän trôû Thermistor Trôû khaùng Thermistor Löïc / Aùp suaát Daây ño caêng Strain Gage Ñieän trôû Aùp-ñieän piezo- Piezoelectric Ñieän aùp Gia toác Maùy ño gia toác Accelerometer Ñieän dung Vò trí LVDT Ñieän aùp AC Cöôøng ñoä saùng Photodiode Doøng ñieän Photodiode Moät phöông caùch logic khaùc phaân loaïi caûm bieán laø phaân loaïi theo thuoäc tính vaät lyù maø caûm bieán ñöôïc thieát keá öùng duïng nhö caûm bieán nhieät ñoä, caûm bieán aùp suaát, caûm bieán chuyeån ñoäng, vv … Nhö vaäy, theo nguyeân lyù bieán ñoåi coù theå phaân loaïi caùc caûm bieán nhö sau: Phaàn töû caûm bieán tham soá; Phaàn töû caûm bieán vaät lyù. Caùc phaàn töû caûm bieán döïa treân cô sôû nguyeân lyù hoaït ñoäng öùng duïng caùc hieäu öùng vaät lyù nhö ñieän- töø, quang-ñieän, piezo, vv… bieán ñoåi caùc ñaïi löôïng thoâng soá traïng thaùi vaät lyù cuûa quaù trình coâng ngheä thaønh nhöõng thay ñoåi thoâng soá ñieän, ñöôïc goïi chung laø caùc caûm bieán vaät lyù noùi chung (xem theâm Phuï luïc 2 ). Trong ñoù, ñaëc bieät thoâng duïng caùc phaàn töû caûm bieán bieán ñoåi caùc ñaïi löôïngï vaät lyù (nhö nhieät ñoä hay aùnh saùng, chuyeån vò vaät theå hay taùc duïng löïc vaø öùng suaát …) tröïc tieáp thaønh nhöõng thay ñoåi tham soá ñieän (nhö ñieän trôû hay ñieän daãn, ñieän caûm hay hoã caûm, ñieän dung, …), ñöôïc goïi chung laø caùc caûm bieán tham soá (xem theâm Phuï luïc 1). 8
  10. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Phaàn töû (cô caáu) taùc hoaït chaáp haønh Actuators. Trong caùc heä ño löôøng vaø ñieàu khieån, beân caïnh vieäc thu nhaän giaù trò caùc ñaïi löôïng vaät lyù, gia coâng xöû lyù chuùng thaønh caùc tín hieäu ñieän, laø vieäc bieán ñoåi tín hieäu thaønh nhöõng ñaïi löôïng khaùc (ví nhö cô hoïc, aâm thanh hay aùnh saùng …) cho nhöõng muïc ñích ñieàu khieån khoáng cheá tieáp theo. Caùc cô caáu bieán ñoåi naøy ñöôïc goïi laø cô caáu chaáp haønh. Ngaøy nay cuõng goïi chung laø caùc phaàn töû taùc hoaït chaáp haønh actuators. Phaàn töû taùc hoaït chaáp haønh ñöôïc ñaëc tröng nhö moät khaâu chöùc naêng trong heä thoáng caûm bieán ño löôøng vaø ñieàu khieån, moät maïng hai cöûa noùi chung (hình 1.7). Thoâng duïng caùc daïng phaàn töû taùc hoaït chaáp haønh sau: • Caùc phaàn töû chaáp haønh daïng maùy-ñieän, nhö ñoäng cô / maùy phaùt ñoàng boä / khoâng ñoàng boä, moät chieàu / xoay chieàu …; • Caùc phaàn töû chaáp haønh daïng cô caáu ñieän-cô, nhö rele, khôùp noái, khôûi ñoäng töø, … • Caùc phaàn töû chaáp haønh thuûy-khí. Phaàn töû thoâng tin. Trong caùc heä ño löôøng vaø ñieàu khieån coøn coù moät kieåu daïng phaàn töû töï ñoäng khaù ñaëc bieät laø caùc phaàn töû thoâng tin. Nhöõng phaàn töû naøy coù tính naêng khaùc nhau, trong nhieàu tröôøng hôïp cuõng coù tính naêng caûm bieán (nhö tachogenerators, selsyn, moät soá loaïi bieán aùp quay, …), nhöng chung nhaát laø khaû naêng truyeàn ñaït thoâng tin ñieàu khieån tröïc tieáp, ñoàng boä giöaõ caùc boä phaän cuûa heä thoáng. Ñieån hình laø: • Tacho-generator; • Selsyn; • Bieán aùp quay; • Caùc phaàn töû khuyeách ñaïi (nhö khuyeách-ñaïi-töø, khuyeách ñaïi maùy-ñieän, khuyeách ñaïi thuaät toaùn,…) Cuøng vôùi transducers vaø actuators, caùc phaàn töû thoâng tin vaø maïch xöû lyù tieáp theo noùi chung taïo neân heä thoáng phöông tieän bieåu tröng traïng thaùi cuûa moät quaù trình kyõ thuaät hay coâng ngheä coù ñieàu khieån naøo ñoù trong moät heä ño löôøng ñieàu khieån thoáng nhaát. 1.3 – Caùc ñaëc tính cô baûn. Caûm bieán sensor laø moät duïng cuï chuyeån ñoåi moät hieän töôïng vaät lyù thaønh tín hieäu ñieän. Nhö vaäy, caûm bieán laø moät phaàn cuûa giao dieän giöõa theá giôùi vaät lyù vaø theá giôùi kyõ thuaät ñieän, cuõng nhö maùy tính ( laø moät phaàn cuûa giao dieän giöõa con ngöôøi vaø theá giôùi toaùn tính). Phaàn khaùc cuûa giao dieän naøy laø caùc cô caáu chaáp haønh actuators, chuyeån ñoåi tín hieäu ñieän thaønh tín hieäu vaät lyù. ÔÛ ñaây chuùng ta quan taâm ñeán khía caïnh giao dieän cuûa theá giôùi vaät lyù vaø heä ño löôøng ñieàu khieån cuøng nhöõng phaàn töû caáu thaønh cuûa noù. Ngaøy nay, naêng löïc xöû lyù moät khoái löôïng thoâng tin khoång loà ñaõ ñöôïc phaùt trieån trong ngaønh ñieän töû–maùy tính. Ví duï coù yù nghóa nhaát veà naêng löïc naøy laø maùy tính caù nhaân vaø söï toàn taïi cuûa caùc boä vi xöû lyù microprocessors, vi ñieàu khieån microcontroller, ñem laïi khaû naêng thieát keá cheá taïo nhöõng saûn phaåm gaén keát vôùi toaùn tính, töø coâng ngheä cheá taïo oâtoâ ñeán nhöõng thieát bò daân duïng nhö loø vi soùng, tôùi ñoà chôi treû em. Vaøi naêm laïi ñaây caùc phieân baûn cuûa nhöõng saûn phaåm naøy duøng vi xöû lyù trong caùc boä phaän ñieàu khieån chöùc naêng ñaõ trôû neân phoå bieán roäng raõi. Trong ngaønh cheá taïo oâtoâ nhöõng khaû naêng nhö theá raát caàn thieát ñeå ñaït ñöôïc nhöõng tính naêng phuø hôïp vôùi söï haïn cheá veà oâ nhieãm moâi tröôøng. Trong nhöõng tröôøng hôïp khaùc, moät caùch ñôn giaûn naêng löïc aáy ñem laïi nhöõng tieän ích khoâng maáy toán keùm. Taát caû nhöõng maïch xöû lyù tín hieäu, maïch bieán ñoåi töông hôïp tín hieäu – chuaån hoaù tín hieäu, keå caû caùc maïch toaùn tính tieáp theo, ñeàu caàn coù tín hieäu ñieän ñaàu vaøo ñeå nhaän maõ leänh vaø döõ lieäu thoâng tin. Nhö vaäy, cuøng vôùi söï saün coù caùc microprocessor reû tieàn, cô hoäi söû duïng caùc sensor ñaõ khoâng 9
  11. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. ngöøng taêng leân trong haøng loaït saûn phaåm ño löôøng ñieàu khieån. Hôn nöõa, bôûi vì ñaàu ra cuûa sensor laø tín hieäu ñieän, cho neân caùc sensors coù xu höôùng ñaëc tröng nhö theå laø caùc linh kieän ñieän töû. Caùc baûn keâ döõ lieäu cuûa nhieàu sensor ñaõ ñöôïc laäp neân gioáng nhö baûn keâ cuûa caùc linh kieän ñieän töû. Tuy nhieân, ñoái vôùi caùc phaàn töû caûm bieán sensors cho tôùi nay chöa coù ñöôïc söï thoáng nhaát gaàn vôùi moät tieâu chuaån quoác teá daønh cho caùc ñaëc tính kyõ thuaät cuûa sensors. Ngöôøi thieát keá heä thoáng seõ baét gaëp moät loaït caùc caùch dieãn giaûi thoâng soá hoaït ñoäng cuûa caûm bieán, vaø noù coù theå gaây neân laàm laãn. Cho neân ôû ñaây chuùng ta ñieåm laïi moät soá ñònh nghóa khaùi nieäm cô baûn veà caùc ñaëc tính cuûa heä ño löôøng ñieàu khieån cuøng caùc phaàn töû cuûa noù. Trong caùc heä ño löôøng ñieàu khieån, phaàn töû töï ñoäng laø khaâu chöùc naêng cô baûn, ñöôïc moâ taû treân cô v v sôû moâ hình moät khoái kín vôùi vector tín hieäu ñaàu vaøo x (t ) vaø vector tín hieäu ñaàu ra y (t ) (hình 1.7). Khi ñoù, baûn chaát cuûa moâ hình toaùn hoïc naøy seõ chính laø aùnh xaï: v v T : x (t ) a y (t ) ; (1.1) hay coù theå vieát döôùi daïng: v v y (t ) = T {x (t )}. (1.2) Treân quan ñieåm kyõ thuaät, thay vì tín hieäu vaøo-ra cuûa phaàn töû, ngöôøi ta thöôøng söû duïng khaùi nieäm v kích thích vaø ñaùp öùng vôùi nghóa nhö sau: neáu kích thích phaàn töû baèng vector tín hieäu x (t ) thì seõ coù v ñaùp öùng laø y (t ) . Vieäc khaûo saùt, phaân tích caùc ñaëc tính cuûa moät phaàn töû töï ñoäng thöôøng ñöôïc quy veà phaân tích moâ hình toaùn hoïc cuûa noù. Nhö vaäy, chæ caàn phaân tích, khaûo saùt ñaùp öùng cuûa phaàn töû vôùi moät vaøi kích thích ñieån hình, chaúng haïn nhö khaûo saùt ñaùp öùng cuûa phaàn töû vôùi kích thích laø tín hieäu xung Dirac δ (t ) hay tín hieäu böôùc nhaûy ñôn vò Heaviside 1(t). Tuøy theo daïng tín hieäu ñöôïc bieåu dieãn trong mieàn thôøi gian hay mieàn aûnh Fourier, Laplace thì moâ hình seõ coù daïng laø phöông trình vi phaân, haøm truyeàn ñaït hay haøm ñaëc tính taàn. Haøm truyeàn ñaït. Haøm truyeàn ñaït chæ roõ quan heä chöùc naêng giöõa tín hieäu vaät lyù ñaàu vaøo vaø tín hieäu ñieän ñaàu ra. Thoâng thöôøng, quan heä naøy thöôøng ñöôïc bieåu dieãn baèng ñoà thò chæ ra moái quan heä giöõa tín hieäu ñaàu vaøo vaø ñaàu ra, vaø nhöõng chi tieát cuûa quan heä ñoù coù theå taïo thaønh söï moâ taû caùc ñaëc tính kyõ thuaät cuûa phaàn töû. Ñoái vôùi nhöõng phaàn töû chuyeân duïng, nhö laø nhöõng sensor ñaét tieàn, voán ñöôïc kieåm chuaån caù bieät, noù coù theå ôû daïng ñöôøng cong quy chuaån. Haøm truyeàn ñaït cuûa moät phaàn töû ñöôïc xaây döïng treân cô sôû moâ hình moâ taû quan heä vaät lyù beân trong phaàn töû vaø giao tieáp vôùi moâi tröôøng töông taùc beân ngoaøi. Caùc quan heä vaøo-ra naøy cuûa phaàn töû thöôøng ñöôïc moâ taû döôùi daïng phöông trình toaùn hoïc, nhö bieåu thöùc (1.1) chaúng haïn. Haøm truyeàn ñaït F(s) cuûa moät phaàn töû töï ñoäng ñöôïc ñònh nghiaõ nhö laø tyû soá giöõa ñaùp öùng Y(s) vôùi kích thích X(s). Y ( s) ; (1.3) F (s) = X ( s) ôû ñaây: Y(s) vaø X(s) laø aûnh Laplace cuûa ñaùp öùng y(t) vaø kích thích x(t) töø traïng thaùi ban ñaàu baèng 0. Haøm truyeàn ñaït (1.3) ñöôïc daãn xuaát töø phöông trình vi phaân moâ taû quan heä vaøo-ra cuûa phaàn töû, bieåu dieãn theo toaùn töû Laplace thaønh moät phöông trình ñaïi soá, coù theå coù daïng tuyeán tính, phi tuyeán, haøm loga, haøm luõy thöøa hay haøm muõ vv… 10
  12. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Hình 1.7 moâ taû moâ hình moät phaàn töû töï ñoäng baèng haøm truyeàn ñaït F(s), haøm troïng löôïng g(t) khi kích thích ñaàu vaøo laø tín hieäu Dirac δ (t ) , hay haøm quaù ñoä h(t) khi kích thích ñaàu vaøo laø tín hieäu böôùc nhaûy Heaviside 1(t). Hình 1.7 – Moâ hình moät phaàn töû töï ñoäng ñöôïc moâ taû bôûi haøm truyeàn ñaït F(s). Ñoái vôùi caùc phaàn töû caûm bieán ño löôøng thì thoâng thöôøng kích thích ñaàu vaøo laø söï taùc ñoäng cuûa caùc ñaïi löôïng vaät lyù ñaëc tröng thoâng soá traïng thaùi cuûa quaù trình; coøn ñaùp öùng ñaàu ra laø tín hieäu ñieän töông öùng. Quan heä ñaùp öùng – kích thích cuûa boä caûm bieán, ñöôïc ñaëc tröng bôûi nhöõng ñaëc tính cô baûn cuûa phaàn töû caûm bieán trong aûnh höôûng cuûa raát nhieàu yeáu toá taùc ñoäng, do vaäy raát phöùc taïp. ÔÛ ñaây chuùng ta ñeà caäp ñeán nhöõng ñaëc tính cô baûn cuûa phaàn töû caûm bieán noùi chung, tröôùc tieân laø ñeå coù moät caùch nhìn khaùi quaùt vaø heä thoáng. Ñoä nhaïy. Ñoä nhaïy ñöôïc xaùc ñònh theo caùch noùi rieâng lieân quan tôùi moái quan heä giöõa tín hieäu vaät lyù ñaàu vaøo vaø tín hieäu ñieän ñaàu ra. Noùi chung, noù laø tyû soá giöõa söï thay ñoåi nhoû trong tín hieäu ñieän ñoái vôùi moät söï thay ñoåi nhoû trong tín hieäu vaät lyù. Nhö theá, noù coù theå ñöôïc theå hieän nhö moät daãn xuaát cuûa haøm truyeàn ñaït lieân quan vôùi tín hieäu vaät lyù. Ñôn vò ño löôøng ñieån hình laø volts/kelvin, millivolts/kilopascal, vv … Moät nhieät keá coù “ñoä nhaïy cao” neáu nhö moät söï thay ñoåi nhoû cuûa nhieät ñoä ñaït keát quaû laø moät söï thay ñoåi ñieän aùp lôùn. Traïng thaùi beàn – Ñaëc tính tónh. Caùc ñaëc tính beàn moâ taû töông quan thöôøng oån stationary giöõa ñaïi löôïng ñaàu ra vaø ñaàu vaøo cuûa moät phaàn töû trong heä ño löôøng ñieàu khieån, thoâng qua caùc bieán traïng thaùi vaät lyù ôû traïng thaùi tónh hay traïng thaùi döøng. Moái töông quan naøy thöôøng ñöôïc bieåu dieãn baèng moät tröôøng caùc ñöôøng ñaëc tính tónh. Khi ñoù tính naêng truyeàn ñaït cuûa phaàn töû ñöôïc moâ taû bôûi quan heä haøm toaùn hoïc giöõa ñaïi löôïng vaät lyù ñaàu vaøo x (kích thích ñaàu vaøo) vaø tín hieäu ñaàu ra y (ñaùp öùng ñaàu ra) döôùi daïng bieåu thöùc (1.1), hay ñoà thò, hay baûng giaù trò soá. Chæ coù theå noùi ñeán tính beàn ñoái vôùi caùc phaàn töû coù ñaëc tính tham soá tónh, maïch caân baèng maø trong ñoù quaù trình bieán thieân ñaïi löôïng ñaàu vaøo x vaø ñaïi löôïng ñaàu ra y öùng vôùi traïng thaùi tónh hay döøng stationary. Vôùi nhöõng phaàn töû khoâng caân baèng (ñaïi löôïng ñaàu ra thay ñoåi khi ñaïi löôïng ñaàu vaøo laø haèng nhö phaàn töû ñoaïn maïch coù tính tích phaân) thì khoâng thuoäc daïng naøy. Ñoä tuyeán tính. Moät phaàn töû laø tuyeán tính trong moät daûi bieán thieân traïng thaùi ñaàu vaøo neáu trong daûi ñoù ñoä nhaïy cuûa caûm bieán (hay chuyeån ñoåi) khoâng phuï thuoäc vaøo giaù trò (ñoä lôùn) cuûa bieán ñaàu vaøo, töùc laø ñoä nhaïy laø haèng soá. Khi ñoù, ôû cheá ñoä tónh ñaëc tuyeán tónh laø tuyeán tính. ÔÛ cheá ñoä ñoäng, ñoä tuyeán tính bao goàm söï khoâng ñoåi cuûa ñoä nhaïy vaø cuûa caùc thoâng soá ñaùp öùng, nhö taàn soá dao ñoäng rieâng, heä soá suy giaûm cuõng khoâng phuï thuoäc vaøo bieán ñaàu vaøo. Trong thöïc teá, ñoä tuyeán tính ñöôïc duøng nhö laø ñoä phi tuyeán. Ta hieåu ñoù laø sai leäch toái ña so vôùi moät haøm truyeàn ñaït tuyeán tính bao truøm caû daûi ñoäng hoïc ñaëc tröng. Coù vaøi pheùp ño sai leäch ñoù. Chung nhaát laø so saùnh haøm truyeàn thöïc teá vôùi “ñöôøng thaúng nhaát” (xem hình 1.9), naèm giöõa hai ñöôøng song song bao toaøn boä haøm truyeàn trong suoát daûi ñoäng hoïc ñaëc tröng cuûa duïng cuï. Söï löïa choïn phöông phaùp so saùnh naøy laø phoå bieán bôûi vì noù laøm cho ña soá caùc caûm bieán troâng coù veû toát hôn. Coù theå duøng nhöõng ñöôøng tham chieáu khaùc, sao cho ngöôøi söû duïng cuõng seõ caån thaän khi so saùnh maø duøng cuøng tham chieáu aáy. 11
  13. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Ñoä lôùn tín hieäu ñaàu vaøo. Laø giaù trò lôùn nhaát cuûa tín hieäu ñaàu vaøo maø sai soá cuûa phaàn töû khoâng vöôït ngöôõng cho pheùp. Thoâng thöôøng ngöôõng ñoäng cuûa kích thích ñaàu vaøo ñöôïc bieåu dieãn baèng dB, logarithm cuûa tyû soá coâng suaát hoaëc tyû soá ñieän aùp (baûng 1.2). P u 1dB = 10 lg 2 = 20 lg 2 . (1.4) P1 u1 Baûng 1.2 – Quan heä giöõa tyû soá coâng suaát, ñieän aùp theo dB. Decibel, dB 0,1 1,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1,023 1,26 10 100 10 3 4 5 6 7 10 8 10 9 1010 P2 P1 10 10 10 10 1,012 1,12 3,16 10 31,6 100 316 10 3 316 2 10 4 3. 10 4 10 5 u 2 u1 ; (i2 i1 ) Ñoä phaân giaûi. Ñoä phaân giaûi cuûa moät caûm bieán ñöôïc xaùc ñònh laø dao ñoäng tín hieäu nhoû nhaát coù theå phaân bieät ñöôïc. Bôûi vì nhöõng dao ñoäng thaát thöôøng laø hieän töôïng taïm thôøi, coù moái quan heä naøo ñoù giöõa thang ño thôøi gian ñoái vôùi dao ñoäng vaø bieân ñoä nhoû nhaát coù theå phaân bieät ñöôïc. Do ñoù ñònh nghóa cuûa ñoä phaân giaûi phaûi bao goàm thoâng tin naøo ñoù veà baûn chaát cuûa pheùp ño ñang thöïc hieän. Nhieàu loaïi caûm bieán bò giôùi haïn bôûi nhieãu coù phaân boá phoå traéng. Trong nhöõng tröôøng hôïp nhö vaäy, coù theå ñaëc tröng ñoä phaân giaûi theo ñôn vò ño cuûa tín hieäu vaät lyù / root (Hz) (caên baäc hai root). Khi ñoù, coù theå xaùc ñònh ñoä phaân giaûi thöïc teá ñoái vôùi töøng pheùp ño rieâng bieät baèng caùch nhaân soá löôïng ñoù vôùi caên baäc hai cuûa baêng taàn ño. Caùc baûn keâ döõ lieäu caûm bieán noùi chung xaùc ñònh ñoä phaân giaûi ôû ñôn vò ño tín hieäu / caên baäc hai (Hz) hoaëc cho tín hieäu nhoû nhaát coù theå phaân bieät ñöôïc ñoái vôùi pheùp ño ñaëc tröng. Neáu daïng nhieãu cuõng ñöôïc moâ taû ñaëc tính thì coù theå toång quaùt hoaù ñoä phaân giaûi naøy cho nhöõng pheùp ño baát kyø. Tính thôøi gian – Ñaëc tính ñoäng. Tính thôøi gian moâ taû moái töông quan bieán thieân theo thôøi gian giöõa caùc ñaïi löôïng ñaàu ra vaø ñaàu vaøo cuûa phaàn töû heä. Caùc phaàn töû trong heä ño löôøng ñieàu khieån thöôøng bieåu thò nhöõng tính chaát ñaùp öùng raát khaùc nhau ñoái vôùi söï bieán ñoäng ñaïi löôïng ñaàu vaøo (thöôøng keøm theo ñaïi löôïng nhieãu). Ñieàu naøy coù theå ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua phaûn öùng ñoái vôùi söï bieán ñoäng ñaàu vaøo hoaëc aûnh höôûng nhieãu, seõ cho keát luaän veà caùc tính naêng truyeàn ñaït cuûa noù – ñaëc tính ñoäng cuûa moät phaàn töû töï ñoäng hay caûm bieán. Thöôøng thì ñaëc tính ñoäng cuûa phaàn töû ñöôïc ñaëc tröng bôûi haøm ñaëc tính taàn cuûa noù. Hieän töôïng treã. Moät soá phaàn töû caûm bieán sensor khoâng trôû veà cuøng moät trò soá ñaàu ra trong khi ñaàu vaøo coù xu höôùng dao ñoäng leân xuoáng. Ñoä roäng cuûa sai soá kyø voïng ñoái vôùi ñaïi löôïng ño ñöôïc xaùc ñònh nhö laø hieän töôïng treã. Ñôn vò ño löôøng ñieån hình laø kelvin hay laø phaàn traêm cuûa toaøn thang ño FSO. Daûi ñoäng hoïc (hoaëc ñoä roäng phaïm vi ñoäng hoïc). Phaïm vi bieán thieân cuûa caùc tín hieäu vaät lyù ñaàu vaøo coù theå chuyeån ñoåi thaønh caùc tín hieäu ñieän cuûa caûm bieán laø daûi ñoäng hoïc hay laø ñoä roäng phaïm vi ñoäng hoïc. Nhöõng tín hieäu ngoaøi phaïm vi naøy ñöôïc cho raèng seõ gaây neân söï maát chính xaùc khoâng chaáp nhaän ñöôïc. Ñoä roäng hoaëc daûi ñoäng hoïc thöôøng ñöôïc nhaø cung caáp caûm bieán ñaëc tröng nhö laø phaïm vi bao truøm maø caùc ñaëc tính hoaït ñoäng cuûa phaàn töû caûm bieán ñaõ neâu trong baûn keâ döõ lieäu cuûanoù hy voïng seõ coù taùc duïng. Caùc ñôn vò ño löôøng ñieån hình laø kelvin, pascal, newton, vv … Ñoä taùc ñoäng nhanh. Laø khaû naêng ñaùp öùng theo thôøi gian taùc ñoäng cuûa bieán ñaàu vaøo (thôøi gian hoài ñaùp). Thôøi gian ñaùp öùng τ laø khoaûng thôøi gian bieán thieân tín hieäu ñaùp öùng ñaàu ra, töø thôøi ñieåm taùc ñoäng cuûa bieán ñaàu vaøo, cho ñeán khi chæ coøn khaùc giaù trò cuoái moät ngöôõng sai leäch quy ñònh ε [%]. Hình 1.8 bieåu dieãn ñaùp öùng cuûa moät phaàn töû töï ñoäng khi ñöôïc kích thích bôûi tín hieäu böôùc nhaûy ñôn 12
  14. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. vò Heaviside 1(t): daïng A laø ñaùp öùng töùc thôøi; B – ñaùp öùng treã daïng haøm muõ; C – ñaùp öùng töùc thôøi coù suy giaûm; D – ñaùp öùng treã coù suy giaûm; E – ñaùp öùng dao ñoäng taét daàn. Hình 1.8 – Caùc daïng ñaùp öùng cuûa phaàn töû töï ñoäng ñoái vôùi taùc ñoäng ñaàu vaøo daïng böôùc nhaûy. Ñoä roäng baêng taàn. Moïi phaàn töû ñeàu coù thôøi gian ñaùp öùng nhaát ñònh ñoái vôùi söï thay ñoåi lieân tuïc cuûa kích thích. Ñoái vôùi caùc caûm bieán thì chuùng phaûi coù thôøi gian ñeå ñaùp öùng vôùi söï bieán thieân lieân tuïc cuûa tín hieäu vaät lyù ñaàu vaøo. Theâm vaøo ñoù, nhieàu caûm bieán coù thôøi gian toån hao, laø khoaûng thôøi gian caàn thieát sau bieán ñoäng daïng böôùc nhaûy trong tín hieäu vaät lyù ñeå ñaàu ra cuûa caûm bieán ñaït tôùi giaù trò thöïc cuûa noù (hình 1.8). Quan heä töông hoã cuûa nhöõng khoaûng thôøi gian naøy tuøy theo taàn soá töông öùng giôùi haïn treân hay döôùi. Ñoä roäng baêng taàn cuûa moät caûm bieán laø phaïm vi taàn soá giöõa hai taàn soá giôùi haïn aáy. Nhieãu. Moïi caûm bieán ñeàu coù ôû ñaàu ra moät soá nhieãu keát hôïp laïi trong tín hieäu ra. Trong vaøi tröôøng hôïp, nhieãu cuûa caûm bieán laø nhoû hôn nhieãu cuûa phaàn töû heä thoáng keà caän (phaàn töû / linh kieän ñieän töû), hoaëc nhoû hôn nhöõng dao ñoäng thaát thöôøng cuûa tín hieäu vaät lyù, maø trong tröôøng hôïp ñoù khoâng maáy quan troïng. Toàn taïi nhieàu tröôøng hôïp hôn, khi nhieãu cuûa caûm bieán laøm haïn cheá hoaït ñoäng cuûa heä voán döïa treân cô sôû caûm bieán. Thoâng thöôøng nhieãu ñöôïc moâ taû thoâng qua phoå taàn soá. Nhieàu nguoàn nhieãu thoâng thöôøng gaây neân phaân boá phoå nhieãu traéng maø coù theå noùi raèng maät ñoä phoå nhieãu cuõng gioáng nhö taát caû caùc taàn soá khaùc. Nhieãu Johnson trong ñieän trôû laø moät ví duï ñieån hình cuûa moâ taû nhieãu aáy. Ñoái vôùi nhieãu traéng, maät ñoä phoå nhieãu ñöôïc ñaëc tröng ôû ñôn vò volts/root-caên baäc hai(Hz). Coù moät caùch moâ taû baûn chaát töï nhieân aáy laø goäp theâm nhieãu vaøo pheùp ño coù bieân ñoä tyû leä vôùi caên baäc hai cuûa ñoä roäng baêng taàn daûi ño. Bôûi quan heä giöõa ñoä roäng baêng taàn vaø thôøi gian ño laø trò nghòch ñaûo cuûa nhau, neân coù theå noùi raèng nhieãu seõ giaûm theo caên baäc hai cuûa thôøi gian ño. Ñoä chính xaùc (hay ñoä baát ñònh) vaø sai soá. Noùi chung, ñoä baát ñònh ñöôïc ñònh nghóa nhö laø sai leäch lôùn nhaát coù theå xaûy ra giöõa caùc tín hieäu ra thöïc teá vaø tín hieäu ra lyù töôûng. Ñôn vò ño löôøng ñieån hình laø kelvin. Ñoâi khi ñöôïc daãn xuaát nhö laø moät phaàn (phaàn traêm) cuûa toaøn boä thang ño ñaàu ra hay laø moät phaàn cuûa chæ thò ñoïc ñöôïc. Ví duï, moät nhieät keá ñaûm baûo ñoä chính xaùc trong khoaûng 5% phaïm vi toaøn thang ño FSO (Full Scale Output). “Ñoä chính xaùc” ôû ñaây, noùi chung ñöôïc caùc caùn boä ño löôøng coâng nhaän, phaûi laø moät thuaät ngöõ ñònh tính, trong khi “ñoä baát ñònh” laø thuaät ngöõ coù tính ñònh löôïng. Ví duï: moät caûm bieán coù ñoä chính xaùc cao hôn caûm bieán khaùc neáu nhö ñoä baát ñònh cuûa noù laø 1% so vôùi nhöõng caûm bieán khaùc coù ñoä baát ñònh 3%. Ñoä chính xaùc cuûa caùc phaàn töû töï ñoäng noùi chung vaø caùc phaàn töû caûm bieán noùi rieâng tuøy thuoäc chuûng loaïi, nguyeân lyù, phöông phaùp vaø phöông tieän kyõ thuaät cho pheùp thu nhaän, bieán ñoåi hay taùi taïo ñaïi löôïng vaät lyù gaàn vôùi giaù trò thöïc tôùi möùc naøo (hình 1.9). Ñoái vôùi caùc phaàn töû caûm bieán trong 13
  15. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. thöïc tieãn öùng duïng kyõ thuaät, ñoä chính xaùc caûm bieán ñöôïc ñaùnh giaù bôûi caùc pheùp ño ñònh löôïng, baèng kyõ thuaät ño löôøng, chuùng ñaëc tröng bôûi sai soá ño löôøng. Hình 1.9 – Haøm truyeàn vaø giôùi haïn sai soá cuûa caûm bieán lyù töôûng. Lyù thuyeát sai soá xaây döïng cô sôû ñeå nhaän bieát vaø ñaùnh giaù sai soá cuûa caùc pheùp ño thöïc nghieäm. Lyù thuyeát sai soá laø moät boä phaän cuûa thoáng keâ toaùn hoïc, coù nhieäm vuï xaùc ñònh trò soá cuûa nhöõng ñaïi löôïng chöa bieát theo keát quaû cuûa nhöõng pheùp ño thöïc nghieäm coù chöùa sai soá ngaãu nhieân. Coâng cuï toaùn hoïc xaùc suaát thoáng keâ laø cô sôû tìm ra quy luaät phaân boá caùc sai soá ngaãu nhieân, tìm caùch ñaùnh giaù caùc ñaïi löôïng chöa bieát theo caùc keát quaû quan saùt vaø xaùc ñònh sai soá cuûa caùc caùch ñaùnh giaù ñònh löôïng (löôïng giaù) chuùng. Sai soá tuyeät ñoái cuûa pheùp ño ñaïi löôïng caûm bieán X – laø ñoä leäch giöõa giaù trò ño ñöôïc X do vaø giaù trò thöïc X τ . ∆X = X do − X τ . (1.5) Sai soá töông ñoái cuûa caûm bieán: ∆X .100% . (1.6) ε [%] = Xτ Ñoái vôùi phöông tieän ño, thoâng thöôøng sai soá tuyeät ñoái ñöôïc xaùc ñònh theo phaïm vi ño cuûa thieát bò (Pvd), ñöôïc goïi laø thang ño. Phaïm vi ño Pvd cuûa moät thieát bò ño laø giaù trò chuaån ñònh cuûa thang ño, baèng khoaûng khaùc bieät giöõa giaù trò ñaàu vaø giaù trò cuoái thang ño. Caáp chính xaùc Cl. (Class) cuûa phöông tieän ño ñöôïc ñònh chuaån theo sai soá töông ñoái quy ñoåi treân toaøn thang ño Pvñ: ∆X ~ .100% ; (1.7) ε [%] = Pvd ~ Ñoä lôùn ε ñöôïc ñaùnh giaù nhö sai soá chuaån ñònh hay sai soá nhoû nhaát cuûa thieát bò ño coù theå ñaït tôùi, do ~ vaäy maø caáp ñoä chính xaùc cuûa maùy ño ñöôïc ñònh kyø kieåm ñònh theo möùc sai soá ε ñoù. Trong thöïc teá, khi chöa bieát ñöôïc giaù trò thaät X τ vaø neáu giaù trò ño X do nhaän ñöôïc theo quan saùt treân moät maùy ño coù caáp chính xaùc Cl. naøo ñoù, (khi sai soá ño ñuû nhoû ε
  16. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. ⎛ Pvd .Cl ⎞ ⎟; (1.8) X = ( X do ± ∆X ) ≅ ⎜ X do ± ⎝ 100% ⎠ ôû ñaây: X do – giaù trò ño thu ñöôïc treân maùy ño; Pvd – phaïm vi thang ño; Cl. – caáp chính xaùc maùy ño, [%]. Khoâng theå loaïi tröø hoaøn toaøn ñöôïc sai soá, ngöôøi ta chæ coù theå ñaùnh giaù sai soá – noùi ñuùng hôn laø ñaùnh giaù ñöôïc giôùi haïn treân cuûa sai soá – maéc phaûi trong caùc pheùp ño vaø aûnh höôûng cuûa noù tôùi keát quaû ño. Tuøy tính chaát vaø nguyeân nhaân sai soá, tuøy theo caùch ñaùnh giaù maø giaûm thieåu hay loaïi tröø aûnh höôûng cuûa sai soá, ngöôøi ta phaân bieät hai loaïi sai soá: sai soá heä thoáng vaø sai soá ngaãu nhieân. Sai soá heä thoáng – laø nhöõng sai leäch coù trò soá gaàn nhö khoâng ñoåi hoaëc thay ñoåi theo moät quy luaät nhaát ñònh, trong moät loaït pheùp ño gioáng nhau (khoâng phuï thuoäc soá laàn ño laëp). Nguyeân nhaân coù theå laø: • Do nguyeân lyù caûm bieán, bieán ñoåi khoâng phuø hôïp; • Giaù trò ñaïi löôïng chuaån-so khoâng chính xaùc; • Do ñaëc tính kyõ thuaät cuûa caûm bieán khoâng töông thích; • Do ñieàu kieän vaø cheá ñoä söû duïng khoâng phuø hôïp; • Do xöû lyù keát quaû ño khoâng toát. Sai soá ngaãu nhieân – laø sai soá coù trò soá khoâng xaùc ñònh, bieán thieân baát thöôøng, sinh ra do nhieàu nguyeân nhaân khoâng roõ ñích xaùc. Nhöõng nguyeân nhaân thöôøng gaëp laø: • Do ñaëc tính kyõ thuaät cuûa cuûa caûm bieán thay ñoåi maø khoâng ñöôïc chuaån laïi; • Do taùc ñoäng nhieãu ngaãu nhieân; • Do aûnh höôûng nhöõng thay ñoåi moâi tröôøng (thöôøng laø ñieàu kieän ño). Sai soá heä thoáng thì coù theå loaïi tröø ñöôïc hoaëc coù theå tính ñöôïc ñeå hieäu chính, boå chính keát quaû ño moät caùch thích hôïp. Sai soá ngaãu nhieân laïi khoâng theå loaïi tröø, nhöng vaãn coù theå löôïng giaù ñöôïc ñoä lôùn (trò soá) vaø aûnh höôûng cuûa noù ñoái vôùi pheùp ño. Vieäc löôïng giaù giaù trò sai soá ngaãu nhieân döïa treân cô sôû toaùn hoïc xaùc suaát thoáng keâ, trong ñoù sai soá ngaãu nhieân ñöôïc ñaëc tröng bôûi caùc ñaëc tính cô baûn: • Ñònh luaät phaân boá sai soá vaø haøm maät ñoä phaân boá xaùc suaát sai soá; • Ñoä leäch trung bình bình phöông (phöông sai) vaø trò trung bình soá hoïc; • Khoaûng tin caäy vaø xaùc suaát tin caäy. Theo ñònh luaät phaân boá chuaån Gauss, thì trò trung bình soá hoïc µ (goïi laø giaù trò xaùc suaát kyø voïng) cuûa caùc keát quaû quan saùt leû X i trong moät pheùp ño laëp ñaïi löôïng caûm bieán X cho ta keát quaû pheùp ño X do ñöôïc coi laø gaàn giaù trò thaät X τ nhaát, vôùi ñoä sai leäch trung bình bình phöông (goïi laø sai leäch chuaån σ, hay goïi taét laø phöông sai). Töø ñoù tính ñöôïc ñoä tin caäy thoáng keâ (töùc laø xaùc suaát P) xuaát hieän moät giaù trò ño leû X i trong khoaûng giaù trò (phaïm vi tin caäy) naøo ñoù cho tröôùc X1 ≤ X i ≤ X2 . Giaù trò thaät voán khoâng nhaän bieát tröïc tieáp vaø ñích xaùc ñöôïc. Duø cho coù tieán haønh ño laëp nhieàu laàn (lyù thuyeát laø voâ soá laàn) giaù trò ño baèng moät phöông tieän ño trong cuøng moät ñieàu kieän ño, thì cuõng seõ cho caùc keát quaû quan saùt khoâng gioáng nhau, khoâng phuï thuoäc nhau vaø bieán ñoåi moät caùch ngaãu nhieân. Tuy vaäy, trong thöïc teá pheùp ño laëp cho pheùp ñaùnh giaù ñaïi löôïng caûm bieán theo caùc ñaëc tính cô baûn neâu treân cuûa pheùp toaùn tính xaùc suaát thoáng keâ. Chuaån tín hieäu giao dieän cuûa caùc boä caûm bieán. Noùi chung, ñoái vôùi caùc phaàn töû caûm bieán, tín hieäu ñaàu ra cuûa caùc caûm bieán vaät lyù thöôøng khoâng phuø hôïp, chöa töông thích vôùi caùc boä phaän cuûa caùc coâng ñoaïn keá tieáp caàn thieát, nhö xöû lyù döõ lieäu, löu ghi hieån thò, hay truyeàn daãn … Nhaát laø ngaøy nay caùc boä phaän naøy chuû yeáu laø caùc phaàn töû linh kieän kyõ thuaät soá – maùy tính. Do vaäy caàn chuaån hoaù tín 15
  17. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. hieäu, bieán ñoåi töông hôïp trong moät heä ño löôøng vaø ñieàu khieån chung (xem hình 1.2, 1.3) vaø ñöôïc thöïc hieän bôûi boä conditioner chuaån hoaù giao dieän giöõa caûm bieán vôùiø boä phaän keá tieáp. Ngaøy nay caùc sensors vaø transducers coù tín hieäu ñaàu ra laø tín hieäu ñieän (doøng hay aùp) ñöôïc xaùc ñònh bôûi nhöõng pheùp bieán ñoåi töông hôïp tín hieäu chuaån hoaù, trong kyõ thuaät ñieàu khieån töï ñoäng thöôøng laø: Ñieän aùp: 0 ... 10 [V]; ± 10 [V]; Doøng ñieän: 0 ... 10 [mA]; 4 ... 20 [mA]; Tín hieäu doøng chuaån hoaù ( 4 ÷ 20 ) [mA] ñöôïc chaáp nhaän nhö moät chuaån coâng nghieäp ï Caùc ñaàu ra toaøn thang ño cuûa haàu heát caûm bieán laø ñieän aùp, doøng ñieän hay nhöõng thay ñoåi ñieän trôû töông ñoái nhoû, vaø do ñoù caùc ñaàu ra cuûa chuùng phaûi ñöôïc chuaån hoaù moät caùch thích hôïp tröôùc khi coù theå xöû lyù soá hay töông töï tieáp theo. Vì theá, ñaõ xuaát hieän caû moät lôùp maïch ñieän, noùi chung ñöôïc tham chieáu nhö laø caùc maïch chuaån hoaù tín hieäu. Khuyeách ñaïi, chuyeån möùc, ñieän ly, bieán ñoåi trôû khaùng, tuyeán tính hoaù, vaø loïc laø nhöõng chöùc naêng cô baûn chuaån hoaù tín hieäu coù theå caàn ñeán. Tuy nhieân, duø coù laáy baát kyø daïng chuaån hoaù naøo ñi nöõa thì giaûi phaùp maïch vaø vieäc thöïc hieän seõ ñöôïc chæ ñaïo bôûi ñaëc tính ñieän cuûa caûm bieán vaø ñaàu ra cuûa noù. Söï ñaëc tröng hoaù chính xaùc caûm bieán trong caùch noùi rieâng veà caùc thoâng soá öùng duïng, ví nhö ñoä nhaïy, möùc doøng vaø aùp, ñoä tuyeán tính, trôû khaùng, ñoä khuyeách ñaïi, thieân aùp, ñoä troâi, haèng soá thôøi gian, caùc cöïc trò veà ñieän, trôû khaùng treã vaø caùc ñaëc tính quan troïng khaùc coù theå noùi leân söï khaùc bieät giöõa sieâu chuaån vaø söï öùng duïng thaønh coâng cuûa duïng cuï, ñaëc bieät laø trong tröôøng hôïp ñoä phaân giaûi vaø ñoä chính xaùc cao, hoaëc caùc pheùp ño möùc ñoä thaáp ñöôïc thöïc hieän. Möùc ñoä tích hôïp cao cuûa caùc vi maïch tích hôïp IC ngaøy nay cho pheùp chuùng ñoùng vai troø ñaày yù nghóa trong lónh vöïc chuaån hoaù caû tín hieäu soá vaø tín hieäu töông töï. Caùc ADC (chuyeån ñoåi töông töï – soá) ñöôïc thieát keá chuyeân duïng cho caùc öùng duïng ño löôøng thöôøng bao goàm caùc boä khuyeách ñaïi laäp trình ñöôïc ñoä khuyeách ñaïi beân trong con chíp (PGAs – Programmable-Gain Amplifiers) vaø caùc maïch tieän ích khaùc nhö caùc nguoàn doøng ñeå ñieàu khieån caùc RTDs ñoàng thôøi giaûm thieåu nhöõng yeâu caàu veà maïch chuaån hoaù tín hieäu ngoaøi. Haàu heát caùc ñaàu ra cuûa caûm bieán laø phi tuyeán ñoái vôùi caùc kích thích, vaø caùc ñaàu ra cuûa chuùng phaûi ñöôïc tuyeán tính hoaù nhaèm mang laïi pheùp ño ñuùng. Coù theå duøng caùc kyõ thuaät töông töï analog ñeå thöïc hieän chöùc naêng ñoù. Tuy nhieân, ngaøy nay ñaõ coù caùc chuyeån ñoåi A/D coù tính naêng hoaït ñoäng cao cho pheùp thöïc hieän tuyeán tính hoaù moät caùch hieäu quûa vaø chính xaùc hôn nhieàu baèng caùc phaàn meàm vaø giôùi haïn söï caàn thieát phaûi coù nhöõng hieäu chuaån baèng tay phieàn phöùc baèng caùch söû duïng boä nhaân vaø ñoâi khi laø caùc maïch caét töông taùc trimpots. Caùc phaàn töû tích cöïc hay thuï ñoäng. Coù theå phaân loaïi caùc phaàn töû töï ñoäng theo daïng phaàn töû – linh kieän tích cöïc active hay thuï ñoäng passive. Nhö treân ñaõ neâu, coù hai caùch nhìn khaùc nhau veà vieäc ñoù. Ôû ñaây chuùng ta ñi theo caùch nhìn nhaän vaø caùch phaân loaïi chung nhaát, treân cô sôû nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng. Caùc phaàn töû tích cöïc taùc hoaït nhö moät nguoàn (nguoàn aùp hay nguoàn doøng), khoâng phaûi cung caáp nguoàn naêng löôïng phuï. Nhöõng phaàn töû naøy ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng maïng hai cöûa coù nguoàn trong. Caùc phaàn töû tích cöïc ñieån hình laø caùc phaàn töû caûm bieán vaät lyù nhö caûm bieán nhieät-ñieän thermoelements, caëp nhieät ngaãu thermocouples, caùc heä ñieän-ñoäng electro-magnetic generators, phaàn töû quang-ñieän photoelements, tinh theå aùp-ñieän piezocristall, vv… Caùc phaàn töû thuï ñoäng tieâu thuï naêng löôïng töø nguoàn phuï hoaëc laáy töø bieán kích thích ñaàu vaøo ñeå bieán ñoåi thaønh tín hieäu ñaàu ra. Nhöõng phaàn töû thuï ñoäng ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng maïng hai cöûa khoâng nguoàn, coù trôû khaùng trong phuï thuoäc kích thích ñaàu vaøo. Ñieån hình laø caùc phaàn töû caûm bieán tham soá nhö ñaàu doø bieán trôû (chieát aùp potentiometers, bieán trôû heä soá nhieät aâm hay döông NTC- / 16
  18. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. PTC-, baêng ño bieán daïng DMS, bieán trôû quang photoresistances, …); caûm bieán ñieän dung (tuï xoay / tuï baûn cöïc phaúng …); caûm bieán ñieän caûm; caûm bieán töø tính, vv… Caùc phaàn töû lyù töôûng vaø thöïc teá. Caùc phaàn töû töï ñoäng, nhaát laø caùc phaàn töû caûm bieán, veà nguyeân lyù laø öùng duïng caùc hieäu öùng bieán ñoåi vaät lyù. Caùc phaàn töû caûm bieán coù chöùc naêng chung laø bieán ñoåi tín hieäu ñaàu vaøo coù baûn chaát naêng löôïng nhö cô naêng, ñieän naêng, hoùa naêng hay nhieät naêng, thaønh tín hieäu ñaàu ra daïng naêng löôïng ñieän. Caùc phaàn töû lyù töôûng thöïc hieän bieán ñoåi naøy maø khoâng toån hao. Ví duï, moät phaàn töû caûm bieán lyù töôûng duøng ño hay ñieàu chænh aùp löïc thì khoâng ñöôïc ñeå bò bieán daïng, do ñoù phaûi coù ñoä beàn cöùng lôùn voâ cuøng. Moät phaàn töû caûm bieán ñoä rung hay chaán ñoäng phaûi coù ñoä deûo cao voâ cuøng, ñeå coù theå laøm vieäc maø khoâng bò toån hao. Ñoái vôùi nhöõng tröôøng hôïp nhö vaäy, vieäc cheá taïo caùc phaàn töû töï ñoäng (lyù töôûng) töông thích vôùi yeâu caàu kyõ thuaät laø raát khoù khaên, nhöng laïi raát caàn thieát cho caùc coâng vieäc nghieân cöùu, khaûo saùt, phaân tích, thieát keá … Haàu nhö heát thaûy caùc nguyeân lyù vaät lyù lyù thuyeát vaø öùng duïng maø coâng ngheä ñaït tôùi ñeàu ñöôïc ñem ra öùng duïng cho kyõ thuaät thieát keá vaø cheá taïo chuùng. Moãi öùng duïng kyõ thuaät laïi ñoøi hoûi phaûi coù nhöõng bieän phaùp caáu truùc phuø hôïp, do vaäy caùc ñaëc tính cuûa caùc phaàn töû töï ñoäng thöïc teá laø raát ña daïng. Noùi chung, ñoái vôùi töøng chuûng loaïi hay töøng phaàn töû töï ñoäng coù nhöõng yeâu caàu chuyeân bieät rieâng, chæ coù theå thoaû hieäp giöõa yeâu caàu lyù töôûng vaø naêng löïc hieän thöïc hoaù chuùng cuûa kyõ ngheä ñöông ñaïi. 1.4 – Cô sôû öùng duïng. Sau khi ñaõ ñieåm qua nhöõng khaùi nieäm ñònh nghóa cô baûn veà caùc ñaëc tính hoaït ñoäng cuûa caùc phaàn töû töï ñoäng noùi chung vaø caùc phaàn töû caûm bieán noùi rieâng, chuùng ta haõy tham khaûo moät ví duï laáy ñieån hình baûn keâ döõ lieäu cuûa moät phaàn töû cuï theå minh hoïa. 1.4.1 – Ñaëc tính vaän haønh cuûa moät caûm bieán cuï theå. Ñeå minh hoïa nhöõng khaùi nieäm ñònh nghóa treân ta löïa ra trò soá cuûa caùc thoâng soá aáy ñoái vôùi moät maùy ño saün coù, maùy ño gia toác ADXL150 cuûa haõng Analog Devices. Haøm truyeàn. Quan heä chöùc naêng giöõa ñieän aùp vaø gia toác ñöôïc neâu ra laø: mV ); (1.9) V ( Acc) = 1,5V + ( Acc.167 g ôû ñaây: Acc laø trò soá ño gia toác; V laø trò soá ñieän aùp ra. Coù theå duøng bieåu thöùc naøy ñeå hieäu chính ñaëc tính cuûa caûm bieán, vaø bao goàm caû thoâng tin veà ñoä nhaïy vaø ñieän aùp ñònh thieân offset ôû ñaàu ra cuûa caûm bieán. Ñoä nhaïy. Ñoä nhaïy cuûa caûm bieán ñöôïc cho bôûi daãn xuaát ñieän aùp ñoái vôùi gia toác taïi moät ñieåm vaän haønh nhaát ñònh. Ñoái vôùi duïng cuï naøy ñoä nhaïy laø 167 mV/g. Daûi ñoäng hoïc. Daûi ñoäng hoïc ñöôïc neâu ra ñoái vôùi ADXL322 laø ±2g. Ngoaøi phaïm vi naøy tín hieäu seõ tieáp tuïc taêng leân hay haï xuoáng, nhöng ñoä nhaïy khoâng coøn ñöôïc nhaø saûn xuaát ñaûm baûo laø 167 mV/g nöõa. Caûm bieán coù theå chòu ñöïng ñöôïc tôùi 3500g. Ñoä treã. Trong duïng cuï naøy khoâng coù nguoàn treã cô baûn naøo. Trong baûn keâ döõ lieäu khoâng noùi gì ñeán ñoä treã. Heä soá nhieät ñoä. Trong caûm bieán naøy ñoä nhaïy thay ñoåi theo nhieät ñoä, vaø söï thay ñoåi naøy ñöôïc ñaûm baûo nhoû hôn 0.025%/C. Ñieän aùp buø (ñònh thieân offset) khi khoâng coù gia toác (ñònh möùc laø 1,5V) cuõng thay ñoåi 17
  19. Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. trong khoaûng 2 mg/C. Bieåu dieãn baèng ñieän aùp, söï thay ñoåi ñieän aùp buø naøy khoâng lôùn hôn 0,3 mV/C. Ñoä tuyeán tính. ÔÛ tröôøng hôïp naøy, ñoä tuyeán tính laø söï khaùc bieät giöõa haøm truyeàn ñaït thöïc teá vaø ñöôøng thaúng nhaát trong suoát phaïm vi hoaït ñoäng ñaëc tröng. Ñoái vôùi duïng cuï naøy, noù ñöôïc neâu laø nhoû hôn 0.2% toaøn boä thang ño tín hieäu ra. Baûn keâ döõ lieäu cuõng cho ñoä sai leäch khoûi ñoä tuyeán tính coù theå coù. Nhieãu. Nhieãu ñöôïc bieåu dieãn nhö maät ñoä nhieãu vaø khoâng lôùn hôn 300 microg/root Hz. Ñeå bieåu thò soá lieäu ñoù theo ñieän aùp, ta nhaân noù vôùi ñoä nhaïy (167 mV/g) ñöôïc 0,5 microV/Rt Hz. Khi ñoù, söû duïng boä loïc thoâng taàn thaáp 10Hz, ta seõ coù nhieãu khoaûng 1,5 microV hieäu duïng, vaø sai soá veà gia toác khoaûng 1 milligr. Ñoä phaân giaûi. Baûn keâ döõ lieäu caûm bieán cho soá lieäu laø 300 miroG/Rt Hz. Ñoä roäng baêng taàn. Ñoä roäng baêng taàn cuûa caûm bieán naøy phuï thuoäc vaøo söï löïa choïn caùc tuï ñieän vaø ñieän trôû maïch ngoaøi. 1.4.2 – Caùc vaán ñeà öùng duïng. Caûm bieán chaát löôïng cao nhaát, caäp nhaät nhaát, ñöôïc hieäu chuaån chuaån xaùc nhaát vaø ñöôïc löïa choïn kyõ caøng nhaát vaãn coù theå cho nhöõng döõ lieäu hoaøn toaøn sai neáu khoâng ñöôïc aùp duïng phuø hôïp. ÔÛ ñaây xem xeùt moät vaøi vaán ñeà veà nhaän thöùc ñeå ñaûm baûo söû duïng caûm bieán moät caùch phuø hôïp, coù hieäu quaû, trong khi ñeà caäp ñeán caùc vaán ñeà caàn phaûi tìm hieåu vaø giaûi ñaùp trong quaù trình choïn löïa vaø aùp duïng baát kyø caûm bieán naøo. Thöôøng thì moät trong nhöõng nhieäm vuï khoù khaên maø moät kyõ sö ño löôøng ñieàu khieån phaûi ñoái maët laø vieäc choïn löïa moät heä ño löôøng thích hôïp. Tính thöïc duïng veà kinh teá vaø söùc eùp cuûa nhu caàu ñoái vôùi thieát bò phaàn cöùng hoaït ñoäng moät caùch thích öùng vaø an toaøn taïo neân moät yeâu caàu thieát thöïc veà vieäc thu nhaän döõ lieäu chính xaùc, thieát yeáu ñoái vôùi moãi moät pheùp ño. Maët khaùc, moãi öùng duïng seõ coù nhöõng ñaëc tröng khaùc bieät cuûa noùù, vaø chaéc seõ tuøy thuoäc vaøo nhöõng ñieàu kieän moâi tröôøng khaùc, vôùi nhöõng yeâu caàu khaùc veà döõ lieäu. Moät khi pheùp thöû nghieäm hay caùc chöông trình ño löôøng ñang chaïy, thì döõ lieäu thöôøng laø tuøy thuoäc caùc böôùc thao taùc, phaân tích vaø khaûo saùt töôøng taän. Trong moâi tröôøng naøy, coù theå ngöôøi kyõ sö ño löôøng khoâng coøn phuï thuoäc vaøo caùc heä ño löôøng chöùc naêng toång quaùt cuûa mình nöõa maø hy voïng coù ñöôïc döõ lieäu chaáp nhaän ñöôïc. Taát nhieân, anh ta phaûi phaân tích kyõ löôõng moïi maët pheùp thöû ñaõ thöïc hieän, khoaûn muïc thöû nghieäm, caùc ñieàu kieän moâi tröôøng, vaø, neáu nhö saün coù, caû nhöõng döï baùo duøng pheùp phaân tích. Trong ña soá caùc tröôøng hôïp, quaù trình naøy seõ chæ thò moät söï choïn löïa roõ raøng caùc thaønh phaàn cuûa moät heä chaáp nhaän ñöôïc. Trong vaøi tröôøng hôïp, nhöõng phaân tích naøy seõ chæ ra nhöõng thoaû hieäp khoâng theå traùnh khoûi hoaëc söï caân ñoái thoaû hieäp giöõa hai beân vaø caûnh baùo cho ngöôøi kyõ sö vaø khaùch haøng cuûa anh ta nhöõng thieáu huït coù khaû naêng xaûy ra trong keát quaû. Phaàn döôùi ñaây nhaèm trôï giuùp trong quaù trình löïa choïn moät heä ño löôøng chaáp nhaän ñöôïc. Trong khi hy voïng ñaït ñöôïc muïc tieâu, ta hieåu raèng khoâng theå nhaém tôùi moät caùch trieät ñeå moïi tình huoáng coù theå xaûy ra. Ta haõy xem xeùt moät vaøi tröôøng hôïp giaû thieát khi söï löïa choïn duïng cuï ñaõ ñöôïc laøm moät caùch caån thaän, nhöng nhöõng thöû nghieäm ñaõ hoûng. 1. Thöû nghieäm ñoøi hoûi thoâng tin veà taàn soá thaáp, troïng löïc g thaáp ñöôïc ño treân truïc oå bi xe löûa ñeå ñaùnh giaù traïng thaùi cuûa neàn ñöôøng saét. Sau khi löôïng giaù ñöôïc phaïm vi nhöõng ñieàu kieän phaûi ño, ñoä nhaïy cao, coäng höôûng thaáp, ngöôøi ta ñaõ choïn maùy ño gia toác aùp-ñieän piezoelectric. Nhöõng va 18
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2