tác động lên cảm biến cho ta một đặc tr ng s mang tính chất điện −ợng vật lý vμ các nh điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng chứa đựng thông tin cho phép −ợng vật lý vμ các xác đị
Trang 1Đề cơng bài giảng
Môn: Kỹ thuật cảm biến
Kỹ thuật đo lờng và điều khiển hiện nay có bớc nhảy vọt Đó là nhờ sự kếthợp chặt chẽ giữa lý thuyết đo lờng và điều khiển hiện đại Quá trình tích hợp giữacác lĩnh vực này hình thành nên “ Tin học công nghiệp ” một lĩnh vực đa ngànhtrong đó Kỹ thuật điện, Điện tử, Điều khiển, Đo lờng và Tin học hoà trộn vào nhaucùng phát triển
Các bộ cảm biến đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực đo lờng và điềukhiển, chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thờng là các đại lợng không
điện, chuyển đổi các đại lợng này thành các đại lợng điện và truyền các thông tin về
hệ thống đo lờng và điều khiển giúp chúng ta nhận dạng, đánh giá và điều khiểnmọi biến trạng thái của đối tợng
Có thể nói vai trò của các bộ cảm biến đối với kỹ thuật đo lờng và điều khiểngiống nh các giác quan đối với cơ thể sống ví dụ nh con ngời chúng ta
Các bộ cảm biến ngày nay đợc coi nh một phần tử và đợc sản xuất hàng loạt và cómặt rộng rãi trên thị trờng
Ngoài tên thờng dùng là bộ cảm biến, ngời ta còn gọi chúng là đầu dò, đầu
đo hay sensor…
và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, chúng là “ tai mắt ” của các hoạt độngkhoa học và công nghệ của con ngời
Các bộ cảm biến thờng đợc định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận
và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích
Cảm biến l thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại l ợng vật lý v các −ợng vật lý vμ các
đại l ợng không có tính chất điện cần đo th nh các đại l ợng điện có thể đo v −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
xử lý đ ợc.−ợng vật lý vμ các
Trang 2Các đại l ợng cần đo (m) th ờng không có tính chất điện ( nh nhiệt độ, −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc tr ng (s) mang tính chất điện −ợng vật lý vμ các (nh điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép −ợng vật lý vμ các xác định giá trị của đại l ợng đo Đặc tr ng (s) l h m của đại l ợng cần đo (m):−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
(s) cho phép nhận biết giá trị của (m)
Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thờng đáp ứng với các tín hiệu bênngoài có đặc tính điện hoá, dựa trên sự trao đổi ion ví dụ nh hoạt động của hệ thầnkinh….Trong các quá trình đo lờng và điều khiển thông tin đợc truyền tải và xử lýdới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử
Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến nh một mạng hai cửa, trong đócửa vào là biến trạng thái cần đo ( x ) và cửa ra là đáp ứng ( y ) của bộ cảm biến vớikích thích đầu vào x
Phơng trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có
Một hệ thống đo lờng và điều khiển có thể ví nh một sơ đồ khối nh sau:
Hình 1.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình
Bộ cảm biến
Kích thích Đáp ứng
y x
Hình 1.1 Mô hình mạch của bộ cảm biến
Quá trình ( Các biến trạng thái )
Cơ cấu
Ch ơng trình
Bộ vi xử lý
Trang 3Trong đó quá trình ( đối tợng ) đợc đặc trng bằng các biến trạng thái và đợccác bộ cảm biến thu nhận Đầu ra bộ cảm biến đợc phối ghép với bộ vi xử lý quacác giao diện Đầu ra bộ vi xử lý đợc ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lênquá trình ( đối tợng ) Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình trong đó bộ cảmbiến đóng 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 đa ra tín hiệu đièu khiển quá trình
1.2 Phân loại cảm biến.
Các bộ cảm biến đ ợc phân loại theo các đặc tr ng cơ bản sau đây:−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
- Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng vμ kích thích (bảng 1.1) kích thích (bảng 1.1) μ kích thích (bảng 1.1).
Bảng 1.1
Hiện t ợng −ợng Chuyển đổi đáp ứng vμ kích thích kích thích μ kích thích
Hiện t ợng vật lý−ợng vật lý vμ các - Nhiệt điện
- Biến đổi điện hoá
Trang 4- Tốc độ truyền sóng
- Điện thế, điện áp
- Điện tr ờng (biên, pha, phân cực, phổ)−ợng vật lý vμ các
- Điện dẫn, hằng số điện môi
Trang 5- Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế :
+ Cảm biến tích cực có đầu ra l nguồn áp hoặc nguồn dòng
+ Cảm biến thụ động đ ợc đặc tr ng bằng các thông số R, L, C, M tuyến−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các tính hoặc phi tuyến
1.3 Đơn vị đo lờng.
Các đơn vị đo lờng cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI theo bảng sau:
Trang 6Đại lợng Tên gọi Ký hiệu
Theo quan điểm mô hình mạch ta coi bộ cảm biến nh một hộp đen, có quan
hệ đáp ứng – kích thích đợc biểu diễn bằng phơng trình (1.1) Quan hệ này đợc
đặc trng bằng nhiều đại lợng cơ bản của bộ cảm biến Ta có thể định nghĩa các đạilợng đặc trng cơ bản của bộ cảm biến nh sau:
1.4.1 Hàm truyền.
Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dới dạngbảng giá trị hoặc biểu thức toán học…Goi x là kích thích, y là tín hiệu đáp ứng,hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích Hàm truyền có thể đợc biểudiễn dới dạng tuyến tính, phi tuyến, hàm Logarir, hàm luỹ thừa hay hàm mũ
Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng:
ở đây a là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng 0, b là độ nhạy, y là mộttrong những đặc trng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tuỳ theo tínhchất của bộ cảm biến
Hàm truyền logarit:
y = 1 + blnxDạng mũ:
ơng pháp tuyến tính hoá từng đoạn
1.4.2 Độ nhạy của cảm biến
Trang 7Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra s v biến thiên đầu v o
m có sự liên hệ tuyến tính:
s = S m
Đại l ợng S xác định bởi biểu thức−ợng vật lý vμ các
S = s/m đ ợc gọi l độ nhạy của cảm biến.−ợng vật lý vμ các
Tr ờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung −ợng vật lý vμ các quanh giá trị mi của đại l ợng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên −ợng vật lý vμ các s của đại
l ợng đầu ra v biến thiên −ợng vật lý vμ các m t ơng ứng của đại l ợng đo ở đầu v o quanh giá −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các trị đó:
S = s/m ( m = mi )
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế v sử dụng cảm biến cần l m sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa l ít phụ thuộc nhất v o các yếu tố sau:
- Giá trị của đại l ợng cần đo m v tần số thay đổi của nó.−ợng vật lý vμ các
- Thời gian sử dụng
- ảnh h ởng của các đại l ợng vật lý khác ( không phải l đại l ợng đo) của−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các môi tr ờng xung quanh.−ợng vật lý vμ các
Thông th ờng nh sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S t ơng ứng với−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các những điều kiện l m việc nhất định của cảm biến
1.4 ….Độ lớn của tín hiệu .Độ lớn của tín hiệu.
= x/x.100 ( % )Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ớc tính bởi vì không thể biết chính −ợng vật lý vμ các xác giá trị thực của đại l ợng cần đo Khi đánh giá sai số của cảm biến, ng ời ta −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
th ờng phân chúng th nh hai loại: Sai số hệ thống v sai số ngẫu nhiên.−ợng vật lý vμ các
- Sai số hệ thống: l sai số không phụ thuộc v o số lần đo, có giá trị không đổihoặc thay đổi chậm theo thời gian đo v thêm v o một độ lệch không đổi giữa giá
Trang 8trị thực v giá trị đo đ ợc Sai số hệ thống th ờng do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các do
điều kiện sử dụng không tốt gây ra Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể
l :
Do nguyên lý của cảm biến
+ Do giá trị của đại l ợng chuẩn không đúng.−ợng vật lý vμ các
+ Do đặc tính của bộ cảm biến
+ Do điều kiện v chế độ sử dụng
+ Do xử lý kết quả đo
- Sai số ngẫu nhiên: l sai số xuất hiện có độ lớn v chiều không xác định Ta
có thể dự đoán đ ợc một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nh ng không −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các thể
dự đoán đ ợc độ lớn v dấu của nó Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên −ợng vật lý vμ các có
thể l :
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
+ Do các đại l ợng ảnh h ởng không đ ợc tính đến khi chuẩn cảm biến.−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thựcnghiệm thích hợp nh bảo vệ các mạch đo tránh ảnh h ởng của nhiễu, tự động −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc v o đại l ợng đo.−ợng vật lý vμ các
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính l sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến v o giá trị của đại l ợng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc −ợng vật lý vμ các
tr ng tĩnh của cảm biến v hoạt động của cảm biến l tuyến tính chừng n o đại −ợng vật lý vμ các
l ợng đo còn nằm trong vùng n y.−ợng vật lý vμ các
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở
Trang 9chế độ tĩnh S (0) v o đại l ợng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp −ợng vật lý vμ các (nh tần số riêng f−ợng vật lý vμ các 0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc
v o đại l ợng đo ).−ợng vật lý vμ các
Nếu cảm biến không tuyến tính, ng ời ta đ a v o mạch đo các thiết bị hiệu−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận đ ợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại l ợng −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
đo
ở đầu v o Sự hiệu chỉnh đó đ ợc gọi l sự tuyến tính hoá.−ợng vật lý vμ các
1.6 Đ ờng cong chuẩn của cảm biến −ờng cong chuẩn của cảm biến
1.6.1 Khái niệm
Đ ờng cong chuẩn cảm biến l đ ờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
l ợng điện (s) ở đầu ra của cảm biến v o giá trị của đại l ợng đo (m) ở đầu v o.−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
Đ ờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số d ới dạng s −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các = F(m), hoặc
với a, b l các hệ số, khi đó đ ờng cong chuẩn l đ ờng thẳng ( hình 1.1b).−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
1.6.2 Ph ơng pháp chuẩn cảm biến −ờng cong chuẩn của cảm biến
Chuẩn cảm biến l phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s
đo đ ợc của đại l ợng điện ở đầu ra v giá trị m của đại l ợng đo có tính đến các−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các yếu tố ảnh h ởng, trên cơ sở đó xây dựng đ ờng cong chuẩn d ới dạng t ờng −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các minh
( đồ thị hoặc biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị t ơng ứng s−ợng vật lý vμ các i của s v dựng đ ờng cong chuẩn.−ợng vật lý vμ các
Trang 10Hình 1.2 Ph ơng pháp chuẩn cảm biến−ợng vật lý vμ các
Hình 1.1 Đ ờng cong chuẩn cảm biến−ợng vật lý vμ các
a) Dạng đ ờng cong chuẩn b) Đ ờng cong chuẩn của cảm biến tuyến tính−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
Hình vẽ
đại l ợng ảnh h ởng, ng ời ta dùng ph ơng pháp chuẩn đơn giản Thực chất của−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các chuẩn đơn giản l đo các giá trị của đại l ợng đầu ra ứng với các giá xác định −ợng vật lý vμ các không
đổi của đại l ợng đo ở đầu v o Việc chuẩn đ ợc tiến h nh theo hai cách:−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại l ợng đo lấy từ các mẫu−ợng vật lý vμ các
chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết tr ớc với độ chính xác cao.−ợng vật lý vμ các
- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã
có sẵn đ ờng cong chuẩn, cả hai đ ợc đặt trong cùng điều kiện l m việc Khi tác−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại l ợng đo ta nhận đ ợc giá trị−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
t ơng ứng của cảm biến so sánh v cảm biến cần chuẩn Lặp lại t ơng tự với các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các giá
trị khác của đại l ợng đo cho phép ta xây dựng đ ợc đ ờng cong chuẩn của cảm−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các biến cần chuẩn
b) Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo đ ợc ở đầu ra −ợng vật lý vμ các phụ thuộc không những v o giá trị tức thời của đại l ợng cần đo ở đầu v o m −ợng vật lý vμ các còn phụ thuộc v o giá trị tr ớc đó của của đại l ợng n y Trong tr ờng hợp nh−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các vậy, ng ời ta áp dụng ph ơng pháp chuẩn nhiều lần v tiến h nh nh sau:−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại l ợng cần đo v đại l ợng đầu ra có giá trị−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
t ơng ứng với điểm gốc, m=0 v s=0.−ợng vật lý vμ các
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại
l ợng đo ở đầu v o.−ợng vật lý vμ các
- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đ ờng cong chuẩn theo cả hai h ớng đo−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các tăng dần v đo giảm dần
1.7 Độ nhanh v thời gian hồi đáp μ thời gian hồi đáp
Độ nhanh l đặc tr ng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về−ợng vật lý vμ các thời gian của đại l ợng đầu ra khi đại l ợng đầu v o biến thiên Thời gian hồi đáp−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các l
đại l ợng đ ợc sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.−ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
Trang 11Độ nhanh tr l khoảng thời gian từ khi đại l ợng đo thay đổi đột ngột đến −ợng vật lý vμ các khi
biến thiên của đại l ợng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một l ợng giới hạn −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các ε
tính bằng % Thời gian hồi đáp t ơng ứng với −ợng vật lý vμ các ε% xác định khoảng thời gian cầnthiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại l ợng đo để lấy giá trị của đầu ra−ợng vật lý vμ các với độ chính xác định tr ớc Thời gian hồi đáp đặc tr ng cho chế độ quá độ của −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các cảm
biến v l h m của các thông số thời gian xác định chế độ n y
Trong tr ờng hợp sự thay đổi của đại l ợng đo có dạng bậc thang, các −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) v thời gian tăng (tm) ứng với
sự tăng đột ngột của đại l ợng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) v thời gian −ợng vật lý vμ các giảm (tc) ứng với sự giảm đột ngột của đại l ợng đo Khoảng thời gian trễ khi tăng −ợng vật lý vμ các tdm l thời gian cần thiết để đại l ợng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến −ợng vật lý vμ các 10% của biến thiên tổng cộng của đại l ợng n y v khoảng thời gian tăng tm l −ợng vật lý vμ các thời gian cần thiết để đại l ợng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên −ợng vật lý vμ các tổng cộng của nó T ơng tự, khi đại l ợng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc l −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các thời gian cần thiết
để đại l ợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng−ợng vật lý vμ các của đại l ợng n y v khoảng thời gian giảm tc l thời gian cần thiết để đại l ợng −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó
Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá vềthời gian hồi đáp của nó
1.8 Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt Khi các tác động n y v ợt quá ng ỡng cho phép, chúng sẽ −ợng vật lý vμ các −ợng vật lý vμ các
l m thay đổi đặc tr ng l m việc của cảm biến Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, −ợng vật lý vμ các
ng ời sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn n y.−ợng vật lý vμ các
a) Vùng l m việc danh định μ thời gian hồi đáp
Hình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc tr ng cho chế độ quá độ−ợng vật lý vμ các
