cam bien dien tro ppt

Những đại l-ợng đ-ợc cảm biến chuyển đổi qua lại Số l-ợng cực kỳ lớn của những đại l-ợng vật lý cần đo và có thể đo đ-ợc đòi hỏi phải hệ thống hoá các cảm biến đo.. Điều đó có nghĩa l

Mục lục Mục

lục 1

Ch-ơng 1 cảm biến, vai trò và tính chất 2

1.1 Định nghĩa 2

1.2 Những đại l-ợng đ-ợc cảm biến chuyển đổi qua lại 4

1.3 Những biểu thức cơ sở của cảm biến .6

1.3.1 Đại l-ợng vào bất biến theo thời gian - Đặc tuyến tĩnh 6

1.3.2 Đại l-ợng vào biến đổi theo thời gian - đặc tuyến động 10

1.4 Những nguyên nhân chính gây sai số của cảm biến: 15

1.4.1 Tóm tắt những định nghĩa quan trọng về sai số 15

1.4.2 Những nguyên nhân chính gây sai số và biện pháp khắc phục.17 1.5 Những đặc tr-ng cơ sở của cảm biến 28

1.6 Những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu đối với cảm biến 33

Ch-ơng 2 cảm biến điện trở 35

2.1 Cảm biến điện và cảm biến điện trở 35

2.2 Cảm biến điện trở tiếp xúc 36

2.3 Cảm biến điện trở tiếp xúc tr-ợt 40

2.3.1 Nguyên lý cấu tạo 40

2.3.2 Những số liệu đặc tr-ng của cảm biến điện trở tiếp xúc tr-ợt 42

2.3.3 Những -u nh-ợc điểm của cảm biến điện trở tiếp xúc tr-ợt 47

2.3.4 Chiết áp tạo dạng hàm 47

2.4 Cảm biến điện trở tiếp xúc thuỷ ngân 56

2.4.1 Nguyên lý cấu tạo 56

2.4.2 Các số liệu đặc tr-ng và -u nh-ợc điểm 58

2.4.3 Tạo đặc tuyến phi tuyến gần đúng 58

2.5 Cảm biến điện trở phụ thuộc áp suất 59

2.5.1 Nguyên lý cấu tạo, hoạt động 59

2.5.2 Cảm biến điện trở quá độ 59

2.5.3 Cảm biến điện trở áp điện 62

Tài liệu tham khảo 70

1Ch-ơng 1 cảm biến, vai trò và tính chất

1.1 Định nghĩa Nh- chúng ta đã biết, không có lĩnh vực khoa học kỹ thuật nào lại

vắng

bóng vai trò của đo l-ờng Đo l-ờng đã giúp cho con ng-ời nắm bắt đ-ợc đối t-ợng cần nghiên cứu Thông qua đo l-ờng có thể quan sát đ-ợc đặc tính và định l-ợng đ-ợc tham

số của đối t-ợng để rồi đề xuất ra các chân lý sử dụng đối t-ợng phục vụ cho con ng-ời

Có thể nói, không có đo l-ờng thì không thể phát triển đ-ợc khoa học kỹ thuật và công nghệ

Vì trong quá trình giải quyết các nhiệm vụ đo cụ thể ta cần phải xác định đ-ợc số đo

của đại l-ợng cần đo, đo đó một vấn đề đ-ợc đặt ra là: số đo của những đại l-ợng nào

mà ta có thể xác định đ-ợc một cách trực tiếp bẵng những giác quan của mình? Rõ ràng giác quan của con ng-ời sẽ bất lực khi phải xác định số đo của ngay chính các đại l-ợng gần gũi hàng ngày nh-: c-ờng độ dòng điện, áp suất không khí, nhiệt độ môi tr-ờng, khối l-ợng, độ chiếu sáng vv Bằng giác quan của mình, con ng-ời chỉ có thể cảm nhận

và xác định đ-ợc một cách trực tiếp - bằng con đ-ờng chuẩn so sánh - số đo của

các đại l-ợng: độ dài và góc Các mẫu chuẩn (êtalon) sẽ làm cơ sở so sánh để xác định các

số đo của những đại l-ợng này

Đối với mọi đại l-ợng khác, muốn đo, cần phải đ-ợc chuyển đổi Vấn đề là ở chỗ, bằng cách nào đó phải chuyển đổi những đại l-ợng vật lý cần đo cuối cùng thành những tín hiệu có thể cảm nhận đ-ợc bằng trực giác Trong tr-ờng hợp cụ thể nào đó, việc chuyển

đổi phải đ-ợc thực hiện nối tiếp nhau suốt cả quá trình Song thông th-ờng, để tiện lợi cho việc đo đạc chúng ta cần phải chuyển đổi các đại l-ợng cần đo thành những con số cảm nhận đ-ợc bằng trực giác Nhằm vào mục đích này, có thể chia các hệ thống đo thành hai nhóm chính:

1 Nếu ta chuyển đổi các đại l-ợng cần đo cuối cùng thành độ dài hoặc góc tỉ lệ với những số đo của chúng, khi đó hệ thống đo là hệ thống t-ơng tự Ví dụ, để đo nhiệt

độ trong phòng ta phải xem chiều cao của cột thuỷ ngân, bằng việc xác định góc quay của đồng hồ ta có thể đo đ-ợc c-ờng độ dòng điện

2 Nếu các đại l-ợng cần đo cuối cùng đ -ợc chuyển đổi thành các con số biểu thị số đo,khi ấy hệ thống đo là hệ thống số Ví dụ, ta th-ờng dùng cân để đo khối l-ợng, khi cân ở

vị trí cân bằng, tổng trị số ghi ở các quả cân (đối Comment [S1]:

2trọng) chính là khối l-ợng của đối t-ợng cần đo Để đo thời gian ta chỉ việc đếm số xung của máy phát tần số chuẩn có tần số đã xác định

Ng-ời ta quen gọi tất cả những công cụ (thiết bị, dụng cụ, phần tử) dùng để chuyển đổicác đại l-ợng vật lý là những cảm biến tín hiệu (th-ờng đ-ợc gọi tắt là cảm biến) với

chuyển đổi có thể là t-ơng tự, có thể là số Bao hàm trong khái niệm của cảm biến tín

hiệu có hai tên gọi quen thuộc khác nhau đó là bộ đổi tín hiệu và cảm biến đo

Bộ đổi tín hiệu là những cảm biến tín hiệu làm nhiệm vụ chuyển đổi qua lại các đại

l-ợng vật lý có cùng thứ nguyên Ví dụ, đổi tần, đổi áp (biến áp), khuếch đại, kích thuỷ lực, bánh răng truyền động v v

Cảm biến đo là các bộ cảm biến hoặc chuyển đổi tín hiệu làm nhiệm vụ chuyển

đổi các đại l-ợng vật lý cần đo mà phần tử cốt lõi của nó là phần tử chuyển đổi Nói mộtcách khác, cảm biến đo là những cảm biến có quan hệ

trực tiếp với đại l-ợng cần đo Đại l-ợng vật lý đ-ợc cảm biến chuyển đổi gọi là đại l-ợng

vào Đại

l-ợng vật lý đã đ-ợc cảm biến chuyển đổi từ đại l-ợng vào gọi là đại l-ợng ra Nh-

vậy đại l-ợng vào cảm biến đo chính là đại l-ợng vật lý cần đo Sơ đồ khối của cảm biến đ-ợc thể hiện trên hình 1.1 Chiều của mũi tên chỉ h-ớng đi của tín hiệu, các đại l-ọng vào, ra đ-ợc ký hiệu bằng x và y Đại l-ợng vào

Cảm biến Đại l-ợng ra

Hình 1.1 Sơ đồ khối của cảm biến tín hiệu

Ta gọi đại l-ợng ra của cảm biến đo là l-ợng thông tin hay là số liệu đã thu thập đ-ợc từ đại l-ợng cần đo L-ợng thông tin này sẽ đ-ợc gia công và xử lý tiếp tục theo ý muốn bằng hệ thống đo gồm những thiết bị định sẵn

Vì cảm biến đo (cảm biến tín hiệu nói chung) có mối liên hệ trực tiếp với đại l-ợng cần

đo, do đó trong kỹ thuật đo l-ờng việc khảo sát cảm biến là một trong những vấn đề cơ bản và không thể thiếu đ-ợc Việc khảo sát các cảm biến đo (cảm biến nói chung) đ-ợc tiến hành theo những b-ớc chính sau đây:

Ta sẽ lần ợt bàn luận kỹ về những quan điểm khảo sát này 1.2 Những đại

l-ợng đ-ợc cảm biến chuyển đổi qua lại

Số l-ợng cực kỳ lớn của những đại l-ợng vật lý cần đo và có thể đo đ-ợc đòi hỏi

phải hệ thống hoá các cảm biến đo Việc hệ thống hoá có thể dựa

theo đại l-ợng vào và đại l-ợng ra Các đại l-ợng vào bao trùm tất cả mọi lĩnh vực vât lý, hoá học và lý

hoá Đại l-ợng vào có thể là: 1 Đại l-ợng cơ học bao gồm: Độ dài (độ dịch chuyển - độ

lệch), góc

(độ lệch góc), tốc độ, gia tốc, lực v.v 2 Đại l-ợng quang bao gồm: C-ờng độ sáng, màu sắc 3 Đại l-ợng điện và từ bao gồm: C-ờng độ, điện áp, từ thông, pha (góc

pha) 4 Đại l-ợng nhiệt động bao gồm: Nhiệt độ, áp suất, mật độ khí 5 Đại l-ợng lý

hoá và hoá bao gồm: Độ liên kết chất lỏng, độ ẩm, khả

năng ôxy hoá và khử , v.v Và còn rất nhiều đại l-ợng của những lĩnh vực khoa học khác

lý hoá với những tính chất mới cần đ-ợc đo Nói tóm lại, ta hãy loại trừ quan điểm hệ thống

hoá cảm biến theo đại l-ợng vào

4 Dù ít dù nhiều ta cũng có thể tự do lựa chọn đại l-ợng ra của cảm biến Điều đó có nghĩa là để chế tạo các cảm biến ta có thể lợi dụng những hiện t-ợng vật lý nào đó sao cho chúng có thể chuyển đổi đ-ợc đại l-ợng cần đo thành đại l-ợng đã đ-ợc xác định tr-ớc theo ý muốn của chúng ta

Vấn đề đ-ợc đặt ra là tại sao phải xác định tr-ớc khuôn khổ của các đại l-ợng ra? Bởi vì, nh- trên đã đề cập, đại l-ợng ra của cảm biến chính là đại l-ợng vào của hệ thống gia công số liệu tiếp theo sau cảm biến Khuôn khổ của những đại l-ợng vật lý này đ-ợc hìnhthành trong quá trình phát triển kỹ thuật, chúng đ-ợc lựa chọn làm các đại l-ợng vào cho hệthống gia công số liệu hợp lý nhất, thoả mãn các quan điểm về tính khả thi, tinh tế (độ nhạy, độ ổn định, chính xác ), nhu cầu và kinh tế

Vì đại l-ợng ra của các cảm biến thông th-ờng là số liệu nhận đ-ợc từ đại l-ợng cần đo và tiếp tục đ-ợc gửi đi gia công xử lý, do đó khuôn khổ của các đại l-ợng ra cần phải đ-ợc nối khớp với hệ thống gia công số liệu đã đ-ợc hình thành sẵn

Nhờ vậy, các cảm biến đ-ợc chế tạo có tín hiệu ra nh- nhau có thể ghép nối với các khối gia công xử lý số liệu nh- nhau Bằng việc thay thế các cảm biến t-ơng thích, có thể sử dụng cùng một hệ thống đo để đo các đại l-ợng vật lý khác nhau

Từ cách nhìn nhận trên, ta rút ra kết luận là phải hệ thống hoá các cảm biến theo các đại l-ợng ra Những đại l-ợng ra chính và th-ờng đ-ợc dùng cho các cảm biến đ-ợc liệt kê sau

đây:

1 Đại l-ợng cơ, gồm :Độ dài (độ dịch chuyển, độ lệch) góc (độ dịch chuyển góc, độ

lệch góc), tốc độ góc, lực, mô men

2 Đại l-ợng điện, gồm: C-ờng độ, điện áp, tổng trở 3 Đại l-ợng nhiệt

động, gồm: áp suất (khí động và thuỷ lực), nhiệt độ Ngoài ra, đại l-ợng

ra của cảm biến cũng có thể là số Nh- vậy căn cứ vào đại l-ợng ra, có

đổi (cảm biến) là khung dây đặt trong từ tr-ờng Đại l-ợng vào của nó là dòng (tín hiệu

điện) và đại l-ợng ra là độ lệch góc (tín hiệu cơ) Vì vậy, cảm biến này đ-ợc gọi là cảm biến điện cơ Và theo đó sẽ có tên gọi cho các cảm biến khác nh- quang điện, nhiệt

Ta gọi biểu thức giới thiệu và mô tả mối quan hệ giữa các đại l-ợng vào ra là đặc tuyến Tất nhiên, cùng một mối quan hệ đó, ở những lĩnh vực kỹ thuật khác có thể mang những tên khác Khi khảo sát các cảm biến, mối quan hệ trên th-ờng đ-ợc mang tên đặc tuyến

Cảm biến có hai loại đặc tuyến khác biệt nhau: đặc tuyến tĩnh và đặc tuyến động

dựa trên hành vi của đại l-ợng vào theo thời gian Sau đây ta sẽ bàn sâu hơn về các loại

đặc tuyến này

1.3.1 Đại l-ợng vào bất biến theo thời gian - Đặc tuyến tĩnh Nếu đại l-ợng vào là

hằng số theo thời gian, khi ấy ta có thể xác định

đ-ợc các giá trị dừng của đại l-ợng ra ở những giá trị hằng số (theo thời gian) khác nhau của đại l-ợng vào Dãy các giá trị này lập thành biểu thức quan hệ giữa các đại l-ợng vào,

ra Biểu thức đó chính là đặc tuyến tĩnh Đặc tuyến tĩnh ở hầu hết các cảm biến

là hàm số liên tục Có thể thấy đ-ợc một đặc tuyến tĩnh trên hình 1.2 Ta nhận đ-ợc các giá trị của đại l-ợng ra y trên trục tung t-ơng ứng với các đại l-ợng vào x trên trục hoành Gọi l-ợng biến đổi vào là Δx và l-ợng biến đổi ra t-ơng ứng với nó là Δy, ta tính đ-ợc độ nhạy S bằng công thức:

Theo các định nghĩa và ý nghĩa trên ta có thể rút ra hai kết luận quan trọng là:

1 Thông th-ờng, độ nhạy là hàm số của đại l-ợng vào (của điểm làm việc)

2 ở các cảm biến đo, độ nhạy th-ờng mang thứ nguyên, ở các cảm biến là những bộ biến

đổi, độ nhạy không có thứ nguyên

Theo các quan điểm khai thác sử dụng và nghiên cứu sản xuất, độ nhạy là một trong

những số liệu (chỉ tiêu) quan trọng nhất của cảm biến Biết đ-ợc

7nó ta có thể quyết định dùng cảm biến vào mục đích nào là hợp lý và có hiệu quả nhất Dựa vào nó có thể so sánh chất l-ợng của nhiều cảm biến cùng loại, xác định đ-ợc một vài số liệu quan trọng của hệ thống gia công số liệu tiếp theo sau cảm biến (ví dụ nh- khuếch đại, lọc ), đánh giá đ-ợc chất l-ợng đơn chiếc hoặc loạt cảm biến trong quá trình chế thử và sản xuất v.v

Cũng cần ghi nhớ rằng, độ nhạy trong kỹ thuật đo l-ờng còn đ-ợc gọi là hệ số truyền tĩnh Trong kỹ thuật điều khiển, đây là hệ số không thể thiếu đ-ợc khi tính toán thiết

kế mạch điều khiển

Một hệ số quan trọng khác của cảm biến cũng sẽ đ-ợc bàn kỹ đến, đó là hệ số chuyển

đổi k, đ-ợc tính bằng th-ơng giữa l-ợng biến đổi t-ơng đối của đại l-ợng ra và l-ợng biến

đổi t-ơng đối của đại l-ợng vào:

vi) ta suy ra: đặc tuyến tĩnh là tích phân của độ nhạy Trên cơ sở đó chúng ta hãy làm

quen với một vài đặc tuyến th-ờng gặp và các độ nhạy t-ơng ứng cuả chúng theo bảng 1.1 Quan sát các đ-ờng cong đặc tuyến tĩnh và độ nhạy, ta có nhận xét sau:

21 Nếu đặc tuyến là hàm tuyến tính y = c x, khi đó độ nhạy là hằng số S = c 2 Nếu

đặc tuyến là hàm bậc hai y = c.x, khi đó độ nhạy là hàm bậc nhất S = 2c.x, do đó tỷ

lệ với đại l-ợng vào 3 Nếu đặc tuyến là hàm logarit y = c.lnx, khi đó độ nhạy là hàm hiperbol S = c/x, do đó tỷ lệ nghịch với đại l-ợng vào 4 Nếu đặc tuyến là hàm mũ y = c.e-ax, khi đó độ nhạy cũng là hàm mũ S = - c.a.e-ax

8 B ả n g 1 1

Đặc tuyến tĩnh và độ nhạy t-ơng ứng của cảm biến

1.3.2 Đại l-ợng vào biến đổi theo thời gian - đặc tuyến động Tr-ớc hết, ta hãy

xét một ví dụ làm sáng tỏ chân lý là khi đại l-ợng vào

của cảm biến là hàm thời gian thì sự biến đổi theo thời gian của các đại l-ợng vào và sự

biến đổi theo thời gian của đại l-ợng ra, thông th-ờng sẽ theo các cách thức không trùng nhau

Sự giãn nở ( biến dạng) tuyến tính theo nhiệt độ của vật rắn là hiện t-ợng vật lý th-ờng

đ-ợc ứng dụng để chế tạo cảm biến đo nhiệt độ Về thực chất, sự thay đổi độ dài của vật rắn là hàm số của thời gian Trong tr-ờng hợp này, nhiệt độ sẽ đ-ợc chuyển đổi thành

đại l-ợng cảm nhận trực tiếp đ-ợc bằng giác quan con ng-ời, đó là độ dài Vì vậy, cảm

biến đ-ợc gọi là cảm biến đo nhiệt cơ

o Trên hình 1.3 sẽ biểu hiện rõ nguyên lý của cảm biến này Một đầu của thanh kim loại

đ-ợc gắn cố định, đầu kia đ-ợc gắn kim chỉ thị Có rất nhiều cách đo độ dài, ta chọn cách giản đơn nhất làm ví dụ cho tr-ờng hợp này Theo độ dài thay đổi, kim sẽ xê dịch tr-

ớc bảng chia độ Độ chia trên bảng có thể là mm hoặc chuẩn theo nhiệt độ (C) Ghi chú:

T(t) là nhiệt độ biến đổi theo thời gian; L(t) là chiều dài thanh kim loại thay đổi theo thời gian d-ới tác dụng

Mục đích khảo sát của chúng ta là phải xác định cho bằng đ-ợc tính cách thay đổi độ

dài theo thời gian của thanh kim loại

Ph-ơng trình vi phân mô tả sự thay đổi theo thời gian của nhiệt độ thanh kim loại

đ-ợc viết gần đúng theo dạng sau:

dT (t) = λ (T2 - T) (1.3) dt

Trong đó, T là nhiệt độ tức thời của thanh kim loại; λ là hằng số đặc ng cho môi ờng, kích th-ớc và chất l-ợng kim loại; t là thời gian

Theo giả định thì T2 là nhiệt độ cuối ; điều kiện ban đầu (nhiệt độ tồn tại ở thời điểm t = 0) là T(0) = T1 và cũng chính là nhiệt độ

đầu Bằng ph-ơng pháp tách tuyển các biến ta giải đ-ợc ph-ơng trình và ( 1 4 )

N h ờ đ ó t a b i ế t đ - ợ c t í n h c á c h b i ế n đ ổ i c ủ a n h i ệ t

đ ộ t h a n h k i m l o ạ i t r o n g

hàm số của thời gian Song đây không phải là điều quan tâm hàng đầu của chúng ta

Điều chúng ta muốn biết tr-ớc tiên là độ dài của thanh kim loại biến đổi nh- thế nào theo thời gian? Ta phải vận dụng một định luật vật lý khác, định luật mô tả mối quan hệ hình thành giữa sự thay đổi độ dài và nhiệt độ của thanh kim loại:

L = Lo (1 + α.T) (1.5) Trong đó, L là độ dài của thanh; Lo là độ dài

của thanh ở nhiệt độ 0oC; α là hệ số giãn nở vì nhiệt của vật

liệu tạo nên thanh kim loại (hệ số nở nhiệt); T là mức biến đổi

nhiệt độ của thanh so với 0C Thay hàm số thời gian của nhiệt độ

thanh (1.4) vào hàm số thời gian n h ậ n đ

gian cần thiết (khá lâu) để b-ớc nhảy nhiệt độ thực hiện đ-ợc hoàn tất Sau

11).e 2- λ.t-λ.t khoảng dài thời gian cần thiết đó, ở vế phải ph-ơng trình (1.6), biểu thức hạng thứ hai có thể bỏ qua so với biểu thức hạng thứ nhất, vì khi thời gian tiến đến vô

cùng thì etiến đến không Nh- vậy, chiều dài cuối cùng (chiều dài dừng) của thanh kim

loại trong môi tr-ờng nhiệt độ T sẽ là: L2 = Lo (1 + α.T22) (1.7)

Nó hoàn toàn đồng dạng với biểu thức liên quan đến sự giãn nở nhiệt đã quen biết

Tóm lại, tính cách thay đổi theo thời gian của đại l-ợng ra, vào của cảm biến luôn khác

nhau

Với ví dụ cụ thể này, biểu thức (1.7) có thể coi là bất biến theo thời gian, là đặc tuyến tĩnh của cảm biến đo nhiệt độ dựa trên sự giãn nở tuyến tĩnh của vật thể Trong đó, L2 là độ dài của thanh; Loo là độ dài của thanh ở nhiệt độ 0C; α là hệ số nở nhiệt tuyến tính của vật liệu thanh; T2 là nhiệt độ cần đo Ta dễ dàng tính đ-ợc độ

nhạy của cảm biến nhiệt cơ theo đặc tuyến tĩnh

h ằ n g s ố ( 1 8 ) d T 2

Rõ ràng, đặc tuyến tĩnh cũng tuyến tính Khi đã biết đ-ợc biểu thức mô tả độ

nhạy, ta hoàn toàn có thể nắm bắt

đ-ợc những yếu tố tác động ảnh h-ởng đến nó Trong ví dụ trên, xem (1.8), ta có thể thay đổi đ-ợc độ nhạy của cảm biến bằng cách thay đổi kích th-ớc hình học (Lo) và chất liệu (α) tạo nên cảm biến Sau đây, ta quay trở lại nội dung chính của mục -

khảo sát đặc tuyến

của cảm biến khi đại l-ợng vào biến đổi theo thời gian T-ơng ứng với

những giá trị của đại l-ợng vào biến đổi theo thời gian -

ở mọi thời điểm - ta có thể xác định đ-ợc giá trị tức thời của đại l-ợng ra Giữa giá trị

tức thời của đại l-ợng ra và vào, ph-ơng trình vi phân phụ thuộc thời gian của cảm biến

sẽ cho một mối quan hệ, mối quan hệ này đ-ợc gọi là đặc tuyến động của cảm biến

Khi khảo sát cảm biến, có một tr-ờng hợp đặc biệt quan trọng đó là khi đại l-ợng vào biến đổi theo b-ớc nhảy Cần phải luôn chú ý tr-ờng hợp này Sau đây ta tiếp tục xem xét một vài số liệu quan trọng khi đã biết hàm

12thời gian của đại l-ợng ra (đáp ứng) với đại l-ợng vào (kích thích) là b-ớc nhảy (xem hình 1.4)

Hình 1.4 Biến đổi đại l-ợng ra của cảm

biến ứng với b-ớc nhảy

theo hàm thời gian của đại l-ợng vào

Rõ ràng, biến đổi của đại l-ợng ra cũng là hàm số của thời gian Trên trục tung, y1

và y2 là những giá trị dừng của đại l-ợng ra ở thời điểm tr-ớc và sau b-ớc nhảy của đại l-ợng vào; y2 là giá trị mà đại l-ợng ra có thể đạt đến, về mặt lý thuyết, đó là thời điểm vô cùng Trong thực tế, ta hãy vừa lòng với ý nghĩa gần đúng, nghĩa là ta cần phải trông đợi

đại l-ợng ra đạt đến một giá trị gần đúng với giá trị dừng lý thuyết, nằm trong khoảng sai

số cho tr-ớc Khoảng sai số đ-ợc ký hiệu bằng Δy

Từ đồ thị ta cũng nhận thấy rằng đ-ờng cong của đại l-ợng ra tại một thời điểm xác định

sẽ b-ớc vào giới hạn sai số đã cho tr-ớc Chiếu điểm đó lên trục thời gian, ta sẽ xác định

đ-ợc khoảng thời gian quan trọng tính từ thời điểm b-ớc nhảy tác động đến thời điểm xác

định trên Khoảng thời gian đó đ-ợc gọi là thời gian nhập dừng ( thời gian quá độ dừng) và

đ-ợc ký hiệu là

13Td Trong thực tế, độ lớn của thời gian nhập dừng phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố

Một là phụ thuộc vào hàm thời gian của đại l-ợng ra (dạng đ-ờng cong

trên đồ thị) nghĩa là phụ thuộc vào những tính chất của cảm biến Hai là phụ thuộc vào

khoảng sai số Δy đã chọn Khoảng sai số đã chọn càng hẹp thì thời

gian nhập dừng càng lớn

Khi tiến hành phép đo, trong tr-ờng hợp đại l-ợng vào là b-ớc nhảy, ta cần chờ một quảng thời gian nhất định cho đến khi có thể tiến hành đ-ợc phép đo với độ chính xác đã xác

định tr-ớc Vì vậy, biết đ-ợc thời gian nhập dừng (t-ơng ứng khoảng sai số cho tr-ớc) là

điều rất quan trọng Trong thực tế, thời gian nhập dừng có thể coi nh- là thời gian chờ

đợi

Một ví dụ th-ờng nhật là đo nhiệt độ cơ thể bằng cặp sốt Phải sau m-ời phút đặt cặp sốt ta mới đọc kết quả (thời gian chờ đợi đủ để cột r-ợu hoặc thuỷ ngân dâng đến

điểm dừng)

Ngoài thời gian nhập dừng (Tđ), ng-ời ta còn quen dùng các khoảng thời gian sau đây để

đánh giá các tính chất động học của cảm biến

Thời gian nửa giá trị Tn là thời gian đủ cho đại l-ợng ra đạt đến giữa khoảng (y1, y2), tại

yn = 2 Chiếu điểm này lên đ-ờng cong của hàm y(t) rồi dóng xuống trục thời gian (xem hình 1.4) Khoảng thời gian tính từ thời điểm biến đổi của đại l-ợng vào (b-ớc nhảy tác động)

đến điểm chiếu này chính là thời gian nửa giá trị Tn Nói một cách khác, trong tr-ờng hợp

đại l-ợng vào là b-ớc nhảy, thời gian nửa giá trị là khoảng thời gian trong đó sự biến đổi của đại l-ợng ra đạt đến đúng một nửa

Hằng số thời gian τ : Khoảng thời gian này không thể hiện đ-ợc trên đồ thị ở hình 1.4, bởi vì khái niệm này chỉ có thể định nghĩa đ-ợc khi đại l-ợng

λ- t ra biến đổi theo dạng hàm mũ Ta lại sử dụng biểu thức của cảm biến nhiệt cơ để làm sáng tỏ vấn đề này Hãy xét ph-ơng trình (1.6), vế phải của nó có hai biểu thức hạng, biểu thức hạng đầu độc lập với thời gian, biểu thức hạng sau phụ thuộc thời gian theo quy luật hàm mũ ở thành phần biểu thức: e

Ta gọi khoảng thời gian τ là hằng số thời gian, vì giá trị này sẽ làm cho giá trị tuyệt đối

của số mũ (của biểu thức mũ) bằng một:

1.4 Những nguyên nhân chính gây sai số của cảm biến: 1.4.1 Tóm

tắt những định nghĩa quan trọng về sai số

Tr-ớc hết, ta phải phân biệt đ-ợc hai loại sai số: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Ta

gọi loại của sai số đ-ợc thể hiện bằng giá trị có dấu và độ

lớn (đã biết hoặc ch-a biết) đã đ-ợc xác định, có tính tác động với h-ớng và độ lớn không

đổi là sai số hệ thống Tác động của chúng vào kết quả đo rất cần đ-ợc quan tâm chú

ý

Một loại khác của sai số do tác động của những đại l-ợng thay đổi không mang tính hệ thống trong không gian và thời gian gây nên, loại sai số này là những sai số ngẫu nhiên Xét ví dụ, khi đo kiểm tra tính chất vật lý đã cho ứng với một nhiệt độ đã cho nào đó

của đối t-ợng cần đo (tất nhiên phải tiến hành nhiều lần đo) Kết quả là ta luôn nhận

đ-ợc giá trị của tính chất đó ứng với một nhiệt độ không đổi, khác với nhiệt độ đã cho ờng hợp này, sai số hệ thống đã xuất hiện Cũng phép đo trên, nhiệt độ luôn thay đổi ở nhiều lần đo, chỉ có giá trị trung bình của nhiệt độ là không đổi, nh- vậy sai số ngẫu nhiên đã xuất hiện do tác dụng của sự dao động nhiệt không có tính hệ thống

Sai số hệ thống làm cho phép đo mất chính xác, sai số ngẫu nhiên làm cho phép đo mất tin cậy (kết quả sẽ không ổn định)

Để xác định sai số của thiết bị đo, ta phải thực hiện hàng loạt phép đo đánh giá Hàng loạt phép đo nh- vậy đ-ợc gọi là phép căn chỉnh (th-ờng quen gọi là kiểm chuẩn) Phép căn chỉnh giúp ta nắm đ-ợc sai số hệ thống của thiết bị đo ở trong hàm số của đại l-ợng cần đo và độ mất ổn định (thiếu tin cậy) của phép đo phát sinh từ những sai số ngẫu

nhiên Ta xác định đ-ợc sai số hệ thống ở dạng đồ thị hoặc bảng hiệu chỉnh Việc cho

ra các đồ thị và các bảng hiệu chỉnh trên sẽ tạo khả năng làm giảm đáng kể độ mất chính xác của phép đo

15 Việc kiểm chuẩn (căn chỉnh) định kỳ thiết bị đo là điều kiện ràng buộc chặt chẽ cho mọi cơ sở có thiết bị đo

Trong lĩnh vực kỹ thuật đo có năm dạng sai số th-ờng đ-ợc đề cập đến Đó là sai số

tuyệt đối, sai số t-ơng đối, sai số đặc tuyến, sai số tuyến tính và sai số động Ta sẽ

lần l-ợt đi vào định nghĩa của từng sai số theo các biểu thức

đặc tr-ng d-ới đây Chú ý: Giá trị bằng số của các sai số phải luôn đặt cùng dải

đo 1 Sai số tuyệt đối s: saa = X - Xđo (1.10) 2 Sai số t-ơng đối srcx - X:

X cx 3 S a i s ố đ ặ c t u y ế n :

Đ - ợ c t h i ế t l ậ p n h - s a i s ố t - ơ n g đ ố i s , và khi đặc tuyến gần tuyến tính

thì đ-ợc thiết lập nh- sai số tuyến tính s 4 Sai số tuyến tính st: tr

X - X stđolt = ( 1 1 2 )

X - Xmaxmin Trong các biểu thức trên, X là giá trị đo; Xđo là giá trị chính xác; X là giá trị chính xác (lý thuyết) đ-ợc tính trên đặc tuyến đã đ-ợc coi là tuyến tính; X là giới hạn trên của dải đo; Xmaxmincx là giới hạn d-ới của dải đo 5 Sai số động lt

Khi đã biết đặc tuyến tĩnh ở tr-ờng hợp đại l-ợng vào biến đổi theo thời gian, với điều kiện là không có sai số tĩnh, ta có thể xác định đựợc chính xác đại l-ợng ra ứng với giá trịtức thời của đại l-ợng vào:

đối hoặc t-ơng đối) sẽ lập nên sai số động Sai số động còn đ-ợc gọi là dải sai số

16 Trong kỹ thuật đo l-ờng ta vẫn th-ờng sử dụng dải sai số để đánh giá chất l-ợng Khi dải sai số đã cho tr-ớc, ta không tính sai số theo theo từng điểm trong dạng đ-ờng cong của quan hệ hàm mà sẽ tiếp cận đến độ mất chính xác tuyệt đối lớn nhất đã đ-ợc chọn

ý nghĩa này đ-ợc coi là đúng đắn

trong toàn dải đo Giá trị của dải sai số đ-ợc biểu diễn theo giá trị phần trăm của toàn

dải đo đ-ợc gọi là cấp chính xác hoặc độ chính xác

Trong mọi tr-ờng hợp, nếu sai số tuyệt đối không đổi, khi đại l-ợng ra càng bé thì sai số t-ơng đối càng lớn

Đối với sai số toàn dải, vì giá trị cực đại xác định dải không thay đổi, do đó nếu sai số tuyệt đối không thay đổi thì sai số toàn dải cũng không thay đổi

Sai số t-ơng đối và sai số dải là những đại l-ợng không có thứ nguyên Không thể lựa

chọn dạng sai số theo cách c-ỡng bức vì dạng sai số phụ

thuộc vào nguyên lý và cách thức đo Do đó, trong nhiều tr-ờng hợp ta th-ờng sử dụng

ph-ơng pháp thiết lập sai số tổ hợp

1.4.2 Những nguyên nhân chính gây sai số và biện pháp khắc phục Ta sẽ tuần tự

bàn đến những nguyên nhân chính gây ra các sai số đo và

ngăn cản sự hoạt động chính xác (theo đúng thiết kế, lắp đặt) của các cảm biến đo

A Sai số do nhiệt độ Sự thay đổi của nhiệt độ là một trong những nguyên nhân (can

Quan hệ giữa trọng l-ợng cần đo G và độ biến dạng ε tuân theo định luật Hook:

Vậy khi đo đ-ợc l-ợng thay đổi chiều cao của trụ, ta sẽ không biết đ-ợc ngần nào do trọng l-ợng vật cần đo và ngần nào do biến đổi nhiệt độ gây ra

Ta cũng phải luôn l-u ý rằng sai số do nhiệt biến đổi không chỉ xẩy ra khi đo Ví dụ, một thiết bị đo đ-ợc lập thang đo theo trọng l-ợng, thang đo hoàn toàn chính xác ở mộtnhiệt độ đã cho tr-ớc (ở nhiệt độ lập thang đo), ngoài nhiệt độ trên thang đo sẽ có sai

số vì nhiệt Ng-ời ta th-ờng sử dụng dạng sai số tuyệt đối do biến đổi nhiệt gây ra

để đánh giá hệ thống

Ta sử dụng nguyên lý xếp chồng (vì hệ thống là tuyến tính) để xác định tổng của biến đổi đại l-ợng ra ứng với các tác động của các đại l-ợng vào:

Một là biến đổi chiều cao ΔL do trọng l-ợng tác động: L ΔL1 o1= G (1.14) A.E Hai là

biến đổi chiều cao ΔL

ΔL2 = α Lo

Từ các kết quả tính toán trên, có thể rút ra đ-ợc nhận xét sau: sai số do nhiệt độ gây ra

là quá lớn và tuỳ thuộc vào các ph-ơng thức đo mà sai số sẽ có độ lớn khác nhau Vì vậy, tìm các giải pháp để hạn chế và tiến tới vô hiệu hoá tác động của nhiệt trong kỹ thuật đo l-ờng luôn là việc làm cần thiết và th-ờng xuyên Có hai giải pháp chính để thực hiện

mục đích này đó là giải pháp hiệu chỉnh và giải pháp bù trừ

1 Giải pháp hiệu chỉnh: Thực chất là phép đo đồng thời đối t-ợng đo và nhiệt độ môi

tr-ờng sau

đó hiệu chỉnh lại kết quả Giải pháp này vấp phải các nh-ợc điểm lớn là chậm và tốn

kém, vì mất rất nhiều thời gian khi đo (phải đọc nhiều lần, phải tính toán hiệu

chỉnh ) và cần trang bị thêm thiết bị cho hệ đo (thiết bị đo nhiệt và các phụ tùng, khối đồng bộ kèm theo )

2 Giải pháp bù trừ: Thực chất là tạo cho cảm biến trở thành một hệ, tự nó có khả năng

làm

giảm hoặc triệt tiêu (làm giảm đến mức vô cùng bé) sai số của chính nó Có hai nguyên

lý đo theo giải pháp bù trừ th-ờng dùng: Nguyên lý trừ (quen gọi là vi sai) và nguyên lý bù

a Nguyên lý vi sai: Sử dụng hai phần tử đo có kết cấu giống hệt nhau để tạo cảm

biến Đại

l-ợng đo chỉ tác động vào một phần tử hoặc tác động vào cả hai phần tử nh-ng có h-ớng ng-ợc nhau Đại l-ợng ra của cảm biến chính là hiệu các đại l-ợng ra của hai phần tử Nh- vậy, tác động của đại l-ợng cần đo đ-ợc cộng lại với nhau, tác động gây nhiễu trừ đi nhau

ở lối ra chung của hai phần tử ( ở lối ra của cảm biến)

b Nguyên lý bù: Thiết lập hệ thống đo sao cho ở đó ta có thể làm cân bằng đ-ợc (bù

đ-ợc) tác động của đại l-ợng cần đo với tác động đã biết có độ lớn nh- nó (hoặc tỷ lệ với nó) Các nguyên lý trên đ-ợc làm sáng tỏ ở hình 1.7 và 1.8

20 G h i c h ú : G L à k h ố i l - ợ n g c ầ n đ o ; a v à b l à h a i p h ầ n t ử -

h a i t r ụ t h é p g i ố n g n h a u ; La và Lb là chiều cao t-ơng ứng của hai trụ thép

Hình 1.7 Nguyên lý đo vi sai

Trong ví dụ ở hình 1.7, ta sử dụng hai trụ thép đ-ợc coi là giống nhau một cách tuyệt

đối Một trụ chịu tải (khối l-ợng cần đo), trụ kia gắn thang đo Cả hai trụ cùng bị biến dạng (co, giãn) nh- nhau do tác động của nhiệt độ Các đại l-ợng ra sẽ là:

La G a b Lb

21 Cần ghi nhớ là đo theo nguyên lý vi sai không thể

loại trừ đ-ợc mọi nguồn gây sai số, hơn thế nữa, trong thực

tế khó có thể có đ-ợc một cặp phần tử giống nhau “tuyệt

đối” (để làm triệt tiêu hoàn toàn nguồn gây sai số) Đo vi

sai chỉ sử dụng thật sự thích hợp khi các phần tử có đặc

tuyến đo là tuyến tính Ph-ơng pháp làm giảm sai số có

hiệu quả nhất khi đo là ứng dụng nguyên lý đo bù Hình

1.8 minh hoạ cho nguyên lý này a b

L Ghi chú: G là trọng l-ợng cần đo; Q là các đối trọng

sự phụ thuộc nhiệt độ của mô đun đàn hồi Vì trong cùng một điều kiện nhiệt độ nh-

nhau thì mô đun đàn hồi của hai phần tử phải thay đổi nh- nhau Những phần tử cơ

bản tạo nên hệ thống đo bù gồm: 1 Hai phần tử đo nh- nhau;

Những nguồn gây sai số: 1 Các tính chất của hai phần tử đo không trùng nhau 2

Những sai số của phần tử tạo vi sai 3 Độ nhạy của phần tử chỉ thị cân bằng (chỉ

không) bị hạn chế Những phép đo quá trình, đo hệ thống liên tục đều đ-ợc thực hiện

nhờ ứng dụng nguyên lý đo bù B Sai số theo

Độ ổn định có thể đ-ợc đặc tr-ng theo sự biến đổi của đại l-ợng ra Giá trị của nó đ-ợcxác định bằng cách đối chiếu giá trị của đại l-ợng ra tại thời điểm xét với chính đại l-ợng

đó tại những thời điểm tr-ớc đó trong các điều kiện ngoại cảnh nh- nhau và đại l-ợng vào

đã đ-ợc xác định nh- nhau

Từ các đối chiếu đó ta có đ-ợc các biến đổi đại l-ợng ra theo các sai số tuyệt đối và

t-ơng đối là ± Δy và ± (Δy/y).100%

Ta có thể xác định đ-ợc độ ổn định theo thời gian ngắn hoặc dài Đ-ơng nhiên là các

kết quả của độ ổn định đ-ợc tính theo hai khoảng thời gian sẽ khác nhau

Độ ổn định đợc khảo sát theo thời gian ngắn là độ ổn định có thời gian ngắn, và nó

đặc tr-ng cho độ nhạy nhiễu của hệ thống Hiện t-ợng này th-ờng do sự tác động của dao động nhiệt môi tr-ờng gây nên

23 Độ ổn định đ-ợc khảo sát theo thời gian dài là độ ổn định có thời gian dài và nó

đặc tr-ng cho sự đổi thay tính bền vững theo thời gian của các phần

tử trong hệ thống đo Một trong những ví dụ điển hình của hiện t-ợng này là sự thay

đổi mô đun đàn hồi do lão hoá ở những hệ đo biến dạng

L - u ý l à đ ộ ổ n đ ị n h c ó t h ờ i g i a n n g ắ n c ũ n g l u ô n t h a y đ ổ i l i ê n t ụ c

t h e o t h ờ i g i a n

Những ph-ơng pháp bảo đảm ổn định là: 1 Lựa chọn vật liệu, linh kiện đúng (chỉ

tiêu, chất l-ợng) 2 Chọn công nghệ và cấu trúc hợp lý 3 Chọn nguyên lý đo đúng và thiết lập hệ thống đo hợp lý Chỉ có thể sử dụng những hệ thống đo có độ ổn định cần thiết ta mới có

thể thực hiện đ-ợc những phép đo lặp đạt yêu cầu C Những

tác động ng-ợc:

Để hệ thống đo làm việc ta cần phải trích năng l-ợng từ vị trí đo Sự rút năng l-ợng này

sẽ ảnh h-ởng đến độ lớn của đại l-ợng cần đo Ta gọi những thay đổi xuất hiện do việc trích năng l-ợng của đại l-ợng cần đo là tác dụng

ng-ợc Và theo quan điểm khái quát, ta gọi tất cả những biến đổi của đại l-ợng cần đo do

chính phép đo gây ra là những tác động ng-ợc

2 Ta hãy xét một ví dụ để làm sáng tỏ vấn đề này Khi đo nhiệt độ của một bình chứa khí bằng nhiệt kế (hoặc một cặp nhiệt bất kỳ), ví dụ với nhiệt kế dài 10 cm và thiết diện (của nhiệt kế đo co giãn) A = 100 cmoo Bình chứa có dung tích 100 lít, nhiệt độ trong bình là 100C, nhiệt độ môi tr-ờng là 25C Vấn đề đặt ra là phải xác định xem tổng nhiệt độ trong bình là bao nhiêu sau khi đặt nhiệt kế vào và hệ đã ở trạng thái dừng ?

Hình 1.10 mô tả trạng thái của bình cũng nh- những yêu

cầu phải tính của hệ đo Những số liệu đã cho hoặc có

đ-ợc nhờ tra các sổ tay kỹ thuật là: kk

Tỷ nhiệt của sắt: cs

kk = 7800 kG/ms3 = 0,172 cal/ G.o

3kk

24 Tỷ nhiệt của không khí: c

C; Chú ý! Trong ví dụ này, ta có thể ký hiệu đ-ợc c là tỷ nhiệt của không khí vì thể tích khí trong bình không đổi (bằng 100 lít)

= 0,14 cal/G o = 0,916 kG/ mC; Tỷ trọng của không khí: γ; Tỷ

trọng của sắt: γ

? Nh- vậy, hình 1.10 (a) thể hiện nhiệt độ trong bình đã biết

tr-ớc khi đặt nhiệt kế và hình 1.10 (b) chỉ rõ sau khi đặt nhiệt

kế, nhiệt độ trong bình sẽ giảm Nhiệt độ này là bao nhiêu khi hệ

đã ở trạng thái dừng, T2o33 hoặc 0,1mC Dung tích của bình có

25C 91,6 0,172 + 7,8 0,14

Nh- vậy, gia số biến đổi nhiệt ΔT do phép đo gây ra (tác động ng-ợc) là:

thận trọng, bảo đảm sao cho phần năng l-ợng bị cảm biến rút

đi chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ có thể bỏ qua đ-ợc so với năng l-ợng của đối t-ợng cần

đo ( a ) ( b ) N h i ệ t k ế s ắ t T = 100 1

Hình 1.10 Khảo sát tác động ng-ợc của phép đo bằng nhiệt kế sắt

T = ? 2oC 100 lít T = 25ooC

o Để giảm đ-ợc năng l-ợng cần thiết phải trích ra từ đối t-ợng đo chỉ ở mức thấp nhất,

ng-ời ta th-ờng sử dụng những giải pháp sau:

1 Tạo kết cấu hợp lý cho cảm biến (t-ơng xứng với vị trí đo); 2 Lựa chọn nguyên lý đo

thích hợp với đối t-ợng; 3 Sử dụng năng l-ợng phụ Chú ý ! Sử dụng nguyên lý đo bù bao

giờ cũng giảm đ-ợc năng l-ợng

cần thiết đến mức tối thiểu cho hoạt động của cảm biến đo và của máy đo Để làm

giảm những sai số do tác động ng-ợc gây ra ng-ời ta th-ờng sử

dụng hai ph-ơng pháp đo, đó là: 1 Ph-ơng pháp làm giảm năng l-ợng cần thiết

Phải hiểu điều kiện ngoại cảnh ở đây là bao gồm cả các điều kiện kết cấu cũng nh-

vị trí không gian lắp đặt của cảm biến (và của hệ thống đo nói chung)

Ta có thể liệt kê đ-ợc những điều kiện tiêu chuẩn nh- sau: 1 Các giới hạn của mọi thông

số ngoại cảnh phải đ-ợc bảo đảm sao cho

những đặc tính chất l-ợng của hệ đ-ợc lắp đặt phải nằm trong các giới hạn đó Các giới

hạn thông số có thể là giới hạn nhiệt độ, giới hạn áp suất và

các điều kiện giới hạn khác phụ thuộc vào đặc tính đối t-ợng đo Ví dụ, khi đo khối l-ợngthì phải xét đến độ lớn của gia tốc trọng tr-ờng, về vị trí đặt hệ đo v.v

2 Các số liệu thông số tiêu chuẩn của môi tr-ờng, vì nếu v-ợt quá những số liệu này thì

hệ đo có thể bị h- hỏng

Các số liệu đó th -ờng là nhiệt độ, áp suất (trong đó có sự tham gia của áp suất

khí quyển), các tải cơ học, tải gia tốc, các giới hạn điện áp và dòng điện

Không phải lúc nào cảm biến (và hệ đo nói chung) cũng bị hỏng khi các điều kiện tiêu chuẩn trên bị xâm phạm Tuy nhiên, các số liệu v-ợt quá điều kiện tiêu chuẩn sẽ có thể làm cho hệ đo giảm sút chất l-ợng

26 Nếu không tuân thủ theo các điều kiện tiêu chuẩn thì nhất định sai số đo sẽ lớn và

đ-ơng nhiên phép đo sẽ kém chính xác thậm chí không thể chấp nhận đ-ợc so với khả năng có thể có tốt hơn của hệ đo

E Những nguồn gây nhiễu khác Nhiễu điện:

Nguồn gây nhiễu mạnh nhất chính là nguồn nhiễu trong các thiết bị điện và điện tử Các nguồn nhiễu này rất đa dạng Chúng có thể là nhiễu điện trở, nhiễu tụ điện do nhiễu điện trở dẫn và nhiễu điện tích của điện tử, nhiễu của cuộn từ (do nhiễu từ hoá)

và nhiễu điện trở dây

Để đánh giá tính chất của nhiễu, ta th-ờng sử dụng biểu thức tỷ lệ giữa tín hiệu và nhiễu (th-ờng nói gọn là tín hiệu trên nhiễu) Giá trị tỷ lệ của công suất tín hiệu (Pth ) trên công suất nhiễu (P) đ - ợ c t í n h t h e o d B

P thnh S =10.lg (dB) (1.22)

P nh Nhiễu từ tr-ờng: Nhiễu này xuất hiện do

tác động của từ tr-ờng phát sinh bởi mạng điện

xoay chiều Khả năng th-ờng gặp nhất là nhiễu từ tr-ờng của mạng 50Hz Để hạn chế tác

động của nhiễu từ tr-ờng, biện pháp hữu hiệu nhất là bọc kim

Ma sát: Ma sát xuất hiện trong các phần tử, chi tiết và thiết bị cơ khí Đặc tính

của nó thể hiện khi đại l-ợng vào đã biến đổi với một gia số nhất định, song đại l-ợng ra

vẫn trơ ứng với khoảng biến đổi của đại l-ợng vào mà đại l-ợng ra vẫn trơ đ-ợc gọi là

khoảng trơ hoặc khoảng không nhạy

Trên các điểm khác nhau của đặc tuyến tĩnh có thể có những khoảng trơ khác nhau Nhiều khi ng-ời ta nhầm lẫn trong cách gọi, gọi khoảng trơ là khoảng nhạy, song phải hiểuthực chất là khoảng không nhạy Vấn đề này ta sẽ còn nhắc lại khi bàn đến những mối t-

ơng quan giữa các tính chất đặc

27tr-ng của các cảm biến cũng nh- tên gọi t-ơng ứng của chúng cho những yêu cầu và mục đích sử dụng cụ thể (mục 1.4)

1.5 Những đặc tr-ng cơ sở của cảm biến Có thể xác định đ-ợc những đặc tính

riêng của cảm biến đo thông qua

việc đánh giá những đặc tr-ng cơ sở của nó Những đặc tr-ng cơ sở đó là: độ nhạy, hệ

số chuyển đổi, hệ số khuếch đại (nếu có), hệ số ổn định, sai số, ng-ỡng nhạy, các ờng cong đặc tr-ng chế độ động Sở dĩ chúng đ-ợc gọi là những đặc tr-ng cơ sở vì

đ-thông qua chúng, ta có thể kiểm tra đ-ợc các cảm biến, sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau mà không bị lệ thuộc vào nguyên lý hoạt động và giải pháp cấu trúc vật lý của cảm biến Mọi đặc tr-ng của cảm biến đều đ-ợc xác định thông qua hàm quan hệ giữa

đại l-ợng ra đối với đại l-ợng vào: y = f(x)

Đặc tr-ng cơ bản nhất trong những đặc tr-ng cơ sở đó là hệ số chuyển đổi k Hệ số

này chính là th-ơng số của đại l-ợng ra y với đại l-ợng vào x, hoặc là th-ơng giữa gia số biến đổi của đại l-ợng ra (Δy hoặc dy) trên gia số biến đổi của đại l-ợng vào (Δx hoặc dx) xem hình 1.9 Tr-ờng hợp đầu, hệ số đ-ợc

gọi là hệ số chuyển đổi tĩnh k và tr-ờng hợp sau, hệ số đ-ợc gọi là hệ số chuyển đổi

đổi này sẽ là hằng số và trùng nhau ứng với mọi giá trị của đại l-ợng vào x:

k = ktđ = hằng số Thứ nguyên của những hệ số chuyển đổi

này phụ thuộc vào thứ nguyên

của các đại l-ợng vào, ra Ví dụ, nếu thứ nguyên của đại l-ợng vào là mm và của đại l-ợng ra

là Ohm thì thứ nguyên của hệ số chuyển đổi sẽ là Ohm/mm

28 Tính chất đặc tr-ng của cảm biến cũng có thể biểu diễn đ-ợc theo một hệ số

không bị ràng buộc vào thứ nguyên của các đại l-ợng vào, ra Đó chính là hệ số chuyển

đổi t-ơng đối kr Nó đ-ợc tính bằng tỷ lệ của gia số biến đổi t-ơng đối của đại l-ợng ra (

Δy/y) trên gia số biến đổi t-ơng đối của đại l-ợng vào ( Δx/x):

kr = = ( 1 2 5 ) Δ x y

xx

Lấy giới hạn của biểu thức kr khi Δx -> 0, ta có:

y

Δ y

y

x Δx x

Hình 1.9 Đ-ờng cong đặc tr-ng của một cảm biến

29 Ví dụ, nếu đại l-ợng ra thay đổi 3% ứng với sự thay đổi 1% của đại l-ợng vào thì hệ

số chuyển đổi t-ơng đối của cảm biến sẽ là kr = 3 Đối với những cảm biến có tỷ lệ biến

đổi của các đại l-ợng vào, ra nh-

nhau thì hệ số chuyển đổi bằng một:

k r = k = 1 Khái niệm về các hệ số chuyển đổi nêu trên hoàn toàn có thể ứng dụng khảo sát cho mọi phần tử trong hệ thống đo l-ờng, tự động mà không bị lệ thuộc vào mục đích sử dụng của các phần tử đó Ng-ợc lại, ứng với mỗi phần tử đã có mục đích sử dụng nhất

định, hệ số chuyển đổi sẽ mang tính chất và tên gọi riêng t-ơng ứng

Đối với cảm biến đo cũng nh- với một số phần tử khác, hệ số chuyển đổi còn đ-ợc gọi là

độ nhạy S (tĩnh, động, t-ơng đối) của chúng Trong thực tế, ta th-ờng sử dụng hệ số chuyển đổi t-ơng đối để đặc tr-ng cho cảm biến về hành vi chuyển đổi Và sử dụng

độ nhạy theo ý nghĩa là đạo hàm của đặc tuyến tĩnh nh- đã nêu ở mục 1.1 trên bảng 1.1

Hệ số chuyển đổi là hệ số khuếch đại đối với phần tử khuếch đại (bộ đổi tín hiệu) Căn cứ vào mục đích sử dụng của phần tử khuếch đại để phân biệt các hệ số chuyển

đổi là hệ số khuếch đại A (tĩnh, động) của dòng A, áp Au hay công suất Ap a Nh- ta đãbiết, hầu hết các hệ số khuếch đại không mang thứ nguyên vì

bản chất của khuếch đại là một bộ đổi tín hiệu, các đại l-ợng vào ra có thứ nguyên nh- nhau Ví dụ với một bộ biến đổi dòng, có dòng vào là 0,1mA và dòng ra đo đ-ợc là 100mA, vậy hệ số chuyển đổi k lúc này chính là hệ số khuếch đại dòng A của nó, k =

Aaa = 1000 Nên l-u ý: Cảm biến có thể là một chuyển đổi đơn giản nhất và cũng có

thể là một tổ hợp bao gồm nhiều phần tử chuyển đổi nhỏ tạo thành, vì vậy các đặc

tr-ng cho một cảm biến chỉ có thể xác định từ một cảm biến cụ thể

Trong thực tế, đối với cảm biến, độ nhạy cực đại là một yêu cầu và th-ờng đ-ợc ký hiệu

bằng S, còn với phần tử khuếch đại, đạt đ-ợc hệ số cực đại lại là mục đích (lớn hoặc nhỏ tuỳ thuộc vào ý muốn đã định tr-ớc) Ng-ợc lại, đối với các phần tử ổn định nh- ổn áp, ổn dòng việc đạt đ-ợc độ nhạy

cực tiểu lại là yêu cầu bức thiết Vì thế chất l-ợng ổn định đ-ợc tính bằng biểu thức

nghịch đảo của độ nhạy cực tiểu Smin, nghĩa là độ nhạy càng nhỏ thì độ ổn

30định càng lớn và trị số của nó đ-ợc gọi là hệ số ổn định Sod của phần tử chuyển

y Δ x

Hệ số ổn định càng lớn thì tính ổn định càng cao Ví dụ, nếu đại l-ợng vào biến

đổi 20% chỉ gây nên biến đổi ở đại l-ợng ra là 0,5% thì khi ấy độ ổn định (hệ số ổn

Hình 1.10 Đ-ờng cong đặc tr-ng của phần tử ổn định

Trên hình 1.10., ở đoạn nghiêng từ x1 đến x của đ-ờng cong (1), sự thay đổi lớn của x gây thay đổi không lớn đối với y Nếu đoạn nghiêng này càng nằm sát trục ngang thì sự

ổn định càng bảo đảm Đ-ờng cong đặc tr-ng (2) có đoạn nằm ngang trong một dải đã biết, phần tử sẽ ổn định chính xác trong dải này ở đó, hệ số ổn định Sod2 bằng vô cùng (Sod = 8), vì Δy/Δx = 0 Đ-ờng cong (3) đặc tr-ng cho tr-ờng hợp nếu x dao động quanh điểm cực đại thì hệ số ổn định sẽ phụ thuộc vào biến đổi đại l-ợng vào Δx Thông th-ờng,

31nếu Δx tăng thì hệ số ổn định giảm.Trong thực tế, với đ-ờng cong (3) ta có thể đạt

đ-ợc độ chính xác cao hơn so với đ-ờng cong (1)

Trong mục 1.4 ta đã bàn kỹ về những nguyên nhân gây sai số và những sai số chính của cảm biến Trong thực tế, xuất phát từ những nguyên nhân khác nhau nên sai số cũng mang tên t-ơng ứng khác nhau, nh- sai số vì nhiệt, sai số vì tần số, sai số vì dao động

nguồn v.v Sai số do sự biến đổi theo thời gian của đ-ờng đặc tr-ng gây ra đ-ợc gọi là

độ bất ổn định

Tác động của nhiều nguyên nhân bên trong và bên ngoài (các nguồn gây sai số) sẽ tạonên ng-ỡng nhạy cho cảm biến và cho các phần tử trong hệ đo l-ờng tự động nói

chung Gọi giá trị thay đổi thấp nhất (theo ý nghĩa tuyệt đối) của đại l-ợng vào đủ

để cảm nhận đ-ợc sự thay đổi của đại l-ợng ra là ng-ỡng nhạy của phần tử (a) (b) Hình 1.11 Ng-ỡng nhạy khi có ma sát (a) và khi có nhiễu ở đầu ra (b)

Ng-ỡng nhạy xuất hiện có thể vì hai nguyên nhân khác biệt nhau Trong các động cơ, trong các cơ cấu thừa hành, trong các rơle cũng nh- trong nhiều phần tử khác theo sự hiện