Các thiết bị đo hiện đại không chỉ tác dụng lên giác quan con người mà còn dùng vào việc tự động thu thập số liệu truyền kết quả đó đi xa, tính toán không cần sự tham gia của con người h
Trang 1http://www.ebook.edu.vn 1
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSOR
Trang 2http://www.ebook.edu.vn 3
Chương I: Những kiến thức chung về chuyển đổi sơ cấp
Bài 1.1 Khái niệm và định nghĩa
1 Khái niệm chung về chuyển đổi đo lường
Trong sản xuất cũng như trong nghiên cứu khoa học, trong các quá trình công
nghệ mới, hay các quá trình sản xuất phức tạp hoặc trong công nghiệp hiện đại liên
quan đến việc đo lường các đại lượng vật lý như cơ học, hoá học, quang học, nhiệt học
Các thiết bị đo hiện đại không chỉ tác dụng lên giác quan con người mà còn dùng vào
việc tự động thu thập số liệu truyền kết quả đó đi xa, tính toán không cần sự tham gia
của con người hay tự động điều khiển một quá trình nào đó Do đó trên quan điểm kỹ
thuật quá trình đo trong các thiết bị hiện đại là biến đổi những tin tức về đại lượng đo
thành dạng nào đó thích hợp nhất đối với con người hoặc máy móc ở trình độ phát triển
của kỹ thuật
Ưu điểm của phương pháp điện để đo các đaị lượng không điện như sau:
+ Có thể thay đổi độ nhạy của thiết bị một cách đơn giản trong phạm vi rộng của
đại lượng đo vì vậy cho phép có những thiết bị vạn năng có thể thu thập được những
thông tin rất bé và rất lớn Kỹ thuật điện tử cho phép khuếch đại lên hàng ngàn lần, vì
vậy độ nhạy của thiết bị tăng lên rất nhiều
+ Các thiết bị điện có quán tính nhỏ, có dải tần số rộng Vì vậy không chỉ đo được
các đại lượng không điện biến đổi chậm mà còn có thể đo được những đại lượng biến
đổi nhanh mà các phương pháp khác không đo được
+ Có khả năng đo từ xa, cho phép tập trung hoá và cùng một lúc có thể đo được
nhiều đại lượng khác nhau về số lượng và tính chất, cho phép truyền kết quả đo trên
khoảng cách lớn
+ Có khả năng liên hợp các thiết bị đo và điều khiển tự động những khối thiết bị
cùng kiểu
Vai trò quan trọng đầu tiên trong việc thu thập thông tin đo là các bộ chuyển đổi
đo lường hay còn gọi là các bộ cảm biến (sensor)
2 Định nghĩa về chuyển đổi đo lường
Chuyển đổi đo lường là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại
lượng vật lý với một độ chính xác nhất định
Trang 3http://www.ebook.edu.vn 4
Chuyển đổi đo lường sơ cấp là một khâu chức năng biến một tín hiệu không điện
thành tín hiệu điện
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của chuyển đổi đo lường
X: là tín hiệu vào thuộc nhiều đại lượng khác nhau Y: là tín hiệu ra thông thường là tín hiệu điện Phương trình của chuyển đổi là: Y = f(X)
Quan hệ của hàm này có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, tuy nhiên trong kỹ thuật
người ta cố gắng chọn điểm làm việc trên đoạn tuyến tính của quan hệ đó để nâng cao
độ chính xác của phép đo
Bài 1.2: Các đặc tính của chuyển đổi đo lường sơ cấp
1 Đại lượng chủ
Khi làm việc mỗi chuyển đổi chịu ảnh hưởng của đồng thời nhiều đại lượng tác
dụng, song nó chỉ tiếp thu một đại lương gọi là đại lượng chủ của chuyển đổi
Ví dụ như điện trở của chuyển đổi, biến trở chịu ảnh hưởng nào đó của điện trở dây
quấn, độ ẩm của lõi…nhưng đại lượng chủ của chuyển đổi là di chuyển của con chạy
2 Đặc tính của chuyển đổi
Quan hệ trên xảy ra các trường hợp:
+ Quan hệ (1) là tuyến tính
S =
X
Y
Δ
Δ gọi là độ nhạy của chuyển đổi Độ nhạy này thường có thứ nguyên rất
khác nhau phụ thuộc vào bản chất của các đại lượng vào ra, (trên thực tế để có được đặc
tính ấy người ta có thể tính toán giải tích hoặc bằng phương pháp thực nghiệm)
+ Quan hệ trên là phi tuyến
Người ta khắc phục bằng cách tuyến tính hoá quan hệ đó bằng các mạch điện tử
hoặc dùng các thuật toán thực hiện gia công bằng máy tính, vi xử lý…
+ Quan hệ trên là đa biến
Chuyển đổi
đo lường sơ cấp(s)
Trang 4http://www.ebook.edu.vn 5
Thực tế đại lượng ta của chuyển đổi không những phụ thuộc vào X (đại lượng
chủ) mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài Z: Y =f(X, Z) ; với X là đại lượng chủ
Vậy khi xét tới đầu ra của chuyển đổi ta phải cố định điều kiện Z, giá trị nhỏ nhất của
đại lượng vào X mà chuyển đổi có thể phát hiện được một cách chắc chắn goị là ngưỡng
độ nhạy
3 Sai số
Đặc tính quan trọng nhất của chuyển đổi là sai số:
+ Sai số cơ bản: là sai số gây ra do nguyên tắc của chuyển đổi, sự không hoàn thiện của
cấu trúc, yếu kém về mặt công nghệ chế tạo Theo tính chất biểu hiện ta có thể chia
thành 1 số dạng sai số cơ bản như sau:
- Sự lệch có hệ thống của đường đặc tính đối với hàm đã lý tưởng hoá
- Sự phụ thuộc của đường đặc tính vào chiều sâu của đại lượng vào, tức là tính trễ
hay còn gọi là sự biến hình
- Sự sai lệch của đường đặc tính đối với nhiễu
- Độ lệch gây ra bởi sự chọn không tốt các tham số của đặc tính chuẩn tức là sai
số do khắc độ
+ Sai số phụ:
Gây ra do các điều kiện bên ngoài khác điều kiện tiêu chuẩn như là điện áp
nguồn, nhiệt độ, từ trường, độ chấn động v.v
Chuyển đổi là khâu đầu tiên để lấy thông tin từ đối tượng, phục vụ cho các hệ
thống thông tin đo lường, hệ thống điều khiển tự động do vậy việc giảm sai số có ý
nghĩa quan trọng
d Đặc tính động
Là một trong những đặc tính quan trọng, khi ta đưa tín hiệu vào chuyển đổi
thường xuất hiện quá trình quá độ Đặc tính động thể hiện bằng hàm truyền đạt của
chuyển đổi S(p), tức là quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào ở trạng thái động
S(p) =
) p ( X
) p ( Z
Đặc tính động thể hiện ở đặc tính biên tần A(ω) và pha tần ϕ(ω)
e Phản tác dụng của chuyển đổi lên đối tượng đo
Phản tác dụng của chuyển đổi thể hiện ở tiêu hao năng lượng của đối tượng cần đo,
tiêu hao năng lượng này được thể hiện ở điện trở vào của chuyển đổi đo lường
Trang 5http://www.ebook.edu.vn 6
Bài 1.3 Phân loại chuyển đổi sơ cấp
1 Phân loại dựa trên nguyên lý của chuyển đổi
- Chuyển đổi điện trở: là chuyển đổi mà đại lượng không điện X được biến thành
đại lượng ra Y là điện trở của chuyển đổi
- Chuyển đổi điện từ: là chuyển đổi mà đại lượng không điện X làm thay đổi các
thông số của mạch từ như: L, M, độ từ thẩm μ, từ thông φ…
- Chuyển đổi tĩnh điện: đại lượng không điện X làm thay đổi điện dung C hay điện
tích của nó
- Chuyển đổi hoá điện: đại lượng không điện X làm thay đổi điện dẫn hay sức điện
động hoá điện, điện cảm…
- Chuyển đổi nhiệt điện: đại lượng không điện X làm thay đổi sức điện động nhiệt
điện hay điện trở đầu ra của nó
2 Phân loại theo tính chất của nguồn điện
- Chuyển đổi phát điện: đại lượng không điện sẽ làm thay đổi tín hiệu đầu ra là E,
U, I, Q v.v
- Chuyển đổi thông số: đầu ra của chuyển đổi là các đại lượng R, L, C, M Lúc đó
cần thêm các nguồn điện phụ thì mới biến đổi thành các đại lượng U, I
3 Phân loại theo phương pháp đo
- Chuyển đổi biến đổi trực tiếp: là chuyển đổi trong đó các đại lượng không điện
được biến trực tiếp thành đại lượng điện
- Chuyển đổi bù: Sơ đồ như sau:
Ta có đại lượng cần đo X được bù bởi đại lượng
cùng loại Xk do mạch phản hồi tạo ra:
K Y X K X X Y K
X Y
X X X
Y X
k k
k
) (
) (
β
β
ư
=
ư
=
⇒
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
Δ
=
ư
= Δ
=
⇒ KX = Y + YβK ⇒
β +
=
K 1
K X Y
Nếu K rất lớn hay Kβ >>1, vậy Y =
β
X
, lúc đó Y chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của mạch phản hồi Do đó nếu mạch thuận có sai số lớn Song nếu đảm bảo hệ số K lớn thì
độ chính xác của chuyển đổi kiểu bù chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của mạch phản hồi
K
β
Xk (-)
Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc chuyển đổi bù
Trang 6http://www.ebook.edu.vn 7
(chuyển đổi ngược), mà thường chuyển đổi ngược là chuyển đổi biến đổi trực tiếp nên
có độ chính xác cao
Chương 2 Chuyển đổi điện trở Bài 1 Chuyển đổi điện trở tiếp xúc
1 Nguyên lý cơ bản
Chuyển đổi điện trở tiếp xúc là 1 chuyển đổi đo lường trong đó di chuyển cơ học
được biến thành sự thành sự đóng mở các tiếp điểm, các tiếp điểm này dùng để điều
khiển mạch điện Đại lượng chủ của chuyển đổi tiếp xúc là sự chuyển rời Chuyển đổi
tiếp xúc đơn giản nhất là chuyển đổi có 1 giới hạn và một cặp tiếp điểm như hình vẽ
trên, sự đóng mở tiếp điểm do sự di chuyển của cần đo
Hình 3.3 Chuyển đổi tiếp xúc một giới hạn
Ví dụ: khi kích thước của sản phẩm 1 thay đổi (tăng), thanh trượt 2 di chuyển làm
cho phần tử tiếp xúc gắn trên thanh 3 được tiếp xúc với 4 Điện trở tiếp xúc của 3 và 4
thay đổi từ Rtx = ∞ thành Rtx ≈ 0 Khi kiểm tra kích thước sản phẩm người ta thường
dùng chuyển đổi nhiều giới hạn như hình vẽ sau:
Hình 3.4 Chuyển đổi tiếp xúc nhiều giới hạn
1
C
L
