thiết bị & hệ thống điều khiển tự động

1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống ñiều khiển tự ñộng Hệ thống ñiều khiển có ba thành phần cơ bản: ðối tượng, bộ ñiều khiển và cảm biến Hình 1.1 Hệ thống ñiều khiển cơ bản... : l

ÙNG

Chương 1 – CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Khái niệm và phân loại hệ thống ñiều khiển tự ñộng 1

1.2 Các thành phần của hệ thống ñiều khiển tự ñộng 2

1.3 Các ví dụ về hệ thống ñiều khiển tự ñộng 12

Chương 2 – CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ðỔI 2.1 Giới thiệu 21

2.2 ðường cong chuẩn của cảm biến 22

2.3 Các ñặc trưng cơ bản của cảm biến 24

2.4 Nguyên lý chế tạo cảm biến 28

2.5 Phân loại cảm biến 33

2.6 Mạch ño cảm biến 37

2.7 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 41

2.8 Cảm biến vị trí và khoảng cách (Sensors for distance and displacement) 120

2.9 Cảm biến lực và áp suất (Sensors for force and pressure) 167

2.10 Cảm biến nhiệt ñộ (Temperature Sensors) 198

Chương 3 – THIẾT BỊ CÔNG SUẤT VÀ CHẤP HÀNH 3.1 Giới thiệu 239

3.2 Thiết bị ñiện tử 239

3.3 Thiết bị ñiện từ 247

3.4 ðộng cơ ñiện 264

3.5 Thiết bị khí nén 302

Chương 4 – BỘ ðIỀU KHIỂN 4.1 Giới thiệu 313

4.2 Bộ ñiều khiển bằng tiếp ñiểm 318

4.3 Bộ ñiều khiển dùng Vi xử lí 320

4.4 Bộ ñiều khiển dùng PLC - Máy tính 322

4.5 Bộ ñiều khiển dùng biến tần 326

Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Khái niệm và phân loại hệ thống ựiều khiển tự ựộng

1.1.1 Khái niệm về ựiều khiển

a điều khiển tự ựộng

định nghĩa: điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác ựộng lên hệ thống ựể ựáp ứng của hệ thống ỘgầnỢ với mục ựắch ựịnh trước điều khiển tự ựộng là quá trình ựiều khiển không có sự tác ựộng của con người

− điều khiển tốc ựộ ựộng cơ

− điều khiển nhiệt ựộ

− điều khiển vị trắ bàn máy

− điều khiển các hệ thống ứng dụng trong sinh hoạt: cửa tự ựộng, bãi ựậu xe, thang máy

− điều khiển các quá trình công nghiệp nói chung

b Tại sao cần phải ựiều khiển tự ựộng

− đáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu

− Tăng ựộ chắnh xác

− Tăng năng suất

− Tăng hiệu quả kinh tế

1.1.2 Phân loại hệ thống ựiều khiển

a Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống:

− Hệ thống liên tục: Hệ thống liên tục ựược mô tả bằng phương trình vi phân

− Hệ thống rời rạc: Hệ thống rời rạc ựược mô tả bằng phương trình sai phân

− Hệ thống tuyến tính: hệ thống ñược mô tả bằng hệ phương trình vi phân/ sai phân tuyến tính

− Hệ thống phi tuyến: Hệ thống ñược mô tả bằng hệ phương trình vi phân/ sai phân phi tuyến

− Hệ thống bất biến theo thời gian: Hệ số của phương trình vi phân/ sai phân

mô tả hệ thống không ñổi

− Hệ thống biến ñổi theo thời gian: Hệ số của phương trình vi phân/ sai phân

mô tả hệ thống thay ñổi theo thời gian

b Phân loại dựa vào số ngõ vào – ra của hệ thống:

− Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (hệ SISO): (Single Input – Single Output)

− Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (hệ MIMO): (Multi Input – Multi Output)

ða số các hệ thống trong thực tế ñều là hệ phi tuyến biến ñổi theo thời gian, nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra

Cho dù hệ thống ñiều khiển thuộc loại nào ñi nữa thì trên một hệ thống cũng phải có các thiết bị ñể thực hiện cho việc ñiều khiển hệ thống ñó Trong môn học này phân ra các thiết bị theo các thành phần cơ bản của một hệ thống ñể khảo sát

1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống ñiều khiển tự ñộng

Hệ thống ñiều khiển có ba thành phần cơ bản: ðối tượng, bộ ñiều khiển và cảm biến

Hình 1.1 Hệ thống ñiều khiển cơ bản

a ðối tượng ñiều khiển

ðối tượng ñiều khiển c

rất nhiều trong ñiều khiển tự ñộng nhất l

ều khiển (plant, process):

ợng ñiều khiển chính là mục tiêu thiết yếu mà chúng ta c

êu cầu mong muốn Trên ñây từ “ñối tượng” mang tính khái

ần phân biệt rõ “ñối tượng” và “hệ thống”

ống” mang tính bao hàm, có nghĩa có thể bao gồm nhiều ñối t

ợng ñiều khiển thường là các ñộng cơ:

: là loại ñộng cơ sử dụng nguồn ñiện DC, với loại ñộng c

ặc tính ngẫu lực lớn, dễ ñiều khiển…

Hình 1.2 ðộng cơ DC

: loại ñộng cơ sử dụng nguồn ñiện AC loại n

ại ñộng cơ không ñồng bộ một pha và ba pha,

ợc ñiều khiển dùng biến tần

Hình 1.3 ðộng cơ không ñồng bộ một và ba phaớc: là loại ñộng cơ sử dụng nguồn DC với dạng xung ñiều khiển ừng cực, loại ñộng cơ này làm việc có ñộ chính xác cao ñ

ất nhiều trong ñiều khiển tự ñộng nhất là trong các máy công c

chúng ta cần tác ñộng ợng” mang tính khái Thông thường “hệ

ĩa có thể bao gồm nhiều ñối tượng

ử dụng nguồn ñiện DC, với loại ñộng cơ này

ử dụng nguồn ñiện AC loại này hiện rất thông

à ba pha, hai loại này

Hình 1.4 ðộng cơ bước.

− ðộng cơ servo: là loại ñộng cơ AC hay DC có mạch ñiều khiển hồi tiếp về khi làm việc (ñiều khiển vòng kín) loại ñộng cơ này có công suất tương ñối lớn và ñộ chính xác trong ñiều khiển khá cao

Hình 1.5 ðộng cơ servo

cơ ba pha hoàn chỉnh tương ñối hiện ñại Hệ thống bao gồm:

− Bộ ñiều khiển: là card ñiều khiển trung tâm ñiều khiển giao tiếp máy tính, ñiều khiển biến tần, và giao tiếp vào ra trên bộ hiển thị số

− ðối tượng ñiều khiển: là ñộng cơ AC ba pha

− Hồi tiếp: là cảm biến từ Hall

Hình 1.6 Mô hình

− ðối tượng ñiều khiển l

− Hồi tiếp: là encoder l

khiển

− Bộ ñiều khiển: l

khiển tốc ñộ, ñiều khiển giao tiếp hiển thị tr

phần hồi tiếp ñể hiệu chỉnh sử

Hình 1.6 Mô hình ñiều khiển ñộng cơ AC ba pha

ều khiển ñộng cơ bao gồm:

ợng ñiều khiển là ñộng cơ DC

encoder lấy tín hiệu tốc ñộ từ trục ñộng c

ều khiển: là một mạch ñiều khiển ñược tích hợp từ nhiều mạch ñiều

ển tốc ñộ, ñiều khiển giao tiếp hiển thị trên máy tính và giao ti

ần hồi tiếp ñể hiệu chỉnh sửa sai

Hình 1.7 Mô hình ñiều khiển ñộng cơ DC

o Mô hình ñiều khiển bồn n

− ðối tượng ñiều khiển: l

ều khiển bồn nước:

ợng ñiều khiển: là mực nước trong bồn

à cảm biến ñiện dung kiểm tra mực nước trong bồn

ộ ñiều khiển: là mạch dùng chip vi ñiều khiển lập tr

ớc trong bồn theo yêu cầu

Hình 1.8 Mô hình ñiều khiển bồn nước ñơn

ều khiển máy ñóng gói:

Hình 1.9 Mô hình ñiều khiển máy ñóng gói

ều khiển quá trình phân loại và ñóng hộp sả

Hình 1.10 Mô hình ñiều khiển quá trình phân loại và ñóng hộp sản phẩm

o Mô hình ñiều khiển quá trình nung và vận chuyển sản phẩm:

Hình 1.11 Mô hình ñiều khiển quá trình nung và vận chuyển sản phẩm

b Bộ ñiều khiển ( Controller ):

Bộ ñiều khiển (Controller): Là thành phần quan trọng quyết ñịnh khả năng hoạt ñộng và ñộ chính xác của hệ thống Bộ phận này thông thường ñược tích hợp dưới dạng các board mạch ñiều khiển, có thể có các loại sau:

− IC ñiều khiển trung tâm (CPU) kết hợp với các card ñiều khiển phân theo modul (ñối với hệ thống qui mô lớn)

− Các bộ ñiều khiển khả trình PLC (Programable Logic Controller), vi xử lý (hệ thống nhúng)…

− Máy tính thông qua các card giao tiếp ñiều khiển (PCI…)

− Sử dụng các bộ ñiều khiển PMAC (Programable Multi-Axies Controller) trong các máy gia công cơ khí CNC

− Sử dụng các bộ ñiều khiển thông qua biến tần

− Sử dụng ñiều khiển qua hệ thống van khí nén…

o Card ñiều khiển DSP và PCI: Hỗ trợ thông qua kết nối giao tiếp với máy tính và các thiết bị hiển thị khác…

Hình 1.12 Card ñiều khiển DSP và PCI

o Các bộ logic khả trình: Sử dụng các bộ lập trình dưới dạng hàm có các loại theo ứng dụng lớn nhỏ khác nhau như:

− Bộ ñiều khiển lập trình PLC dùng cho các ứng dụng lớn

Hình 1.13 Bộ lập trình PLC

− Bộ ñiều khiển Logo! dùng trong các ứng dụng cở vừa và nhỏ

Hình 1.14 Bộ lập trình Logo!

− Bộ ñiều khiển ZEN dùng trong các ứng dụng cở vừa và nhỏ

Hình 1.15 Bộ lập trình ZEN

o Hệ thống ñiều khiển ñiện khí nén có chức năng:

− Là cơ cấu biến ñổi năng lượng

− Là phần tử ñưa tín hiệu và xử lý các tín hiệu ra

− Các cơ cấu ñiều khiển và ñiều chỉnh làm nhiện vụ khác nhau Tùy thuộc vào nhiện vụ của hệ thống mà các cơ cấu này chia ra làm ba loại: cơ cấu chỉnh áp, cơ cấu chỉnh lưu lượng và cơ cấu chỉnh hướng

Hình 1.16 Nguồn cấp khí nén

o Biến tần: Dùng ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ 1 pha và 3 pha Sử dụng trong các hệ thống truyền ñộng ñiện

Hình 1.17 Biến tần

Là thiết bị chuyển các ñại lượng vật lý thành các tín hiệu ñiện cung cấp cho

hệ thống nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và ñộ chính xác trong ñiều khiển Như vậy hệ thống ñiều khiển tự ñộng chính là một hệ thống ñiều khiển kín với vòng hồi tiếp (Feedback ) ñược thực hiện từ tín hiêu thu về từ cảm biến Các loại cảm biến thường gặp như:

Hình 1.18 Các loại cảm biến thông dụng

Hình 1.19 Cảm biến quang

Hình 1.20 Cảm biến tiệm cận

Hình 1.21 Encoder

Hình 1.22 Các ứng dụng cảm biến quang trong công nghiệp

1.3 Các ví dụ về hệ thống ñiều khiển tự ñộng

1.3.1 Hệ thống ñiều khiển ñộng cơ

o ðộng cơ (AC, DC) là thiết bị truyền ñộng ñược sử dụng rất phổ biến trong các nhà máy và dây chuyền sản xuất

o Có ba bài toán ñiều khiển ñộng cơ thường gặp: ñiều khiển tốc ñộ, ñiều khiển vị trí và ñiều khiển moment

a Ba kiểu ñiều khiển ñộng cơ:

Ba ứng dụng ñiều khiển ñộng cơ:

− ðiều khiển tốc ñộ máy giặt quay thuận nghịch và thay ñổi tốc ñộ

− ðiều khiển thang máy di chuyển tịnh tiến lên xuống

− ðiều khiển băng tải chạy vòng tròn

Hình 1.23 Ứng dụng ñiều khiển ñộng cơ

b Hệ thống ñiều khiển ñộng cơ DC:

− ðối tượng ñiều khiển: ñộng cơ AC hoặc DC

− Bộ ñiều khiển: ñiều khiển ñiện DC (DC Driver) hay ñiều khiển ñiện AC (AC Driver) còn gọi là biến tần (Inverter)

Hình 1.24 Hệ thống ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ DC

1.3.2 Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ

o Nhiệt ñộ là ñại lượng tham gia vào nhiều quá trình công nghệ như: sản xuất xi măng, gạch men, nhựa, cao su, hóa dầu, chế biến thực phẩm,…

o Mục tiêu ñiều khiển là giữ cho nhiệt ñộ ổn ñịnh (ñiều khiển ổn ñịnh hóa) hay ñiều khiển nhiệt ñộ thay ñổi theo ñặc tính thời gian ñịnh trước (ñiều khiển theo chương trình)

Hình 1.25 Sơ ñồ hệ thống ổn ñịnh nhiệt ñộ

a Các nhà máy sản xuất:

Hình 1.26 Các nhà máy sản xuất xi măng và giấy

b Hệ thống ñiều khiển lò nhiệt:

Hệ thống ñiều khiển lò nhiệt bao gồm:

− ðối tượng ñiều khiển: nhiệt ñộ trong lò nhiệt với yêu cầu phải ñược giữ cho

nó ổn ñịnh theo giá trị yêu cầu

− Bộ ñiều khiển là một thiết bị tự ñộng ñược chế tạo làm việc theo chức năng

và yêu cầu thực tế như chuyển nhiệt ñộ từ lò nhiệt và hiển thị lên màn hình hiển thị và gởi tín hiệu ñiều khiển ñể ñiều khiển lò nhiệt ổn ñịnh nhiệt ñộ

− Cảm biến: ñược dùng là loại cảm biến nhiệt

Hình 1.27 Hệ thống ñiều khiển lò nhiệt

1.3.3 Hệ thống ñiều khiển mực chất lỏng:

a Sơ ñồ mạch ñiều khiển:

Bộ ñiều khiển mực chất lỏng: (hình vẽ tham khảo từ giáo trình cơ sở tự ñộng học, Lương Văn Lăng, NXB ñại học quốc gia)

Hình 1.28 Bộ ñiều khiển mực chất lỏng

− ðối tượng ñiều khiển: Hệ thống ñiều khiển mực chất lỏng thường gặp trong các quá trình công nghiệp như chế biến thực phẩm, nước giải khác, các hệ thống xử lý nước thải…

− Bộ ñiều khiển: ðiều khiển mực chất lỏng, ñiều khiển lưu lượng chất lỏng

− Cảm biến ñược dùng các loại cảm biến ño mực chất lỏng:

Cảm biến ño dịch chuyển: biến trở, encoder

Cảm biến áp suất

Cảm biến ñiện dung

b Mô hình ñiều khiển mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm:

Hình 1.29 Mô hình bộ ñiều khiển mực chất lỏng

1.3.4 ðiều khiển ñộng cơ ba pha dùng biến tần

a Vai trò của ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha trong hệ thống sản xuất:

− Chuyển ñiện năng thành ñộng năng

− Sử dụng trong các hệ thống truyền ñộng ñiện

− Bảo vệ quá tải, k

− Nâng cao chất lư

− Giảm hệ thống cơ (h

− Tiết kiệm năng

Hình 1.30 Nguyên lý hoạt ñộng của ñộng cơ ba pha

ạt ñộng của ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha

n 3 pha vào 3 cuộn dây Stator: Nối Y hay n

n bằng 60*f/p

biến tần:

Hình 1.31 Biến tần

u khiển tốc ñộ ñộng cơ KðB 3 pha

n thay ñổi tốc ñộ ñộng cơ KðB 3 pha

ơ ba pha

hay nối ∆ thì ñộng cơ sẽ

ồ cấu thành một robot công nghiệp chuyên dụng cũng bao gồm ba

ần chính: bộ ñiều khiển, ñối tượng ñiều khiển (cán

ài ra nó còn có thêm các thành phần hỗ trợ nh

Hình 1.34 Sơ ñồ cấu thành một robot công nghiệp chuy

pha:

ụng cũng bao gồm ba ợng ñiều khiển (cánh tay robot), cảm

ợ như hình 1.34

ột robot công nghiệp chuyên dụng

o Robot hàn ñiểm (Nguồn KUKA, Inc) và robot phẫu thuật (Nguồn Accury, Inc):

o Robot song song 6 bậc tự do:

Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng ñược chế tạo nhỏ gọn hơn, thực hiện ñược nhiều chức năng hơn, thông minh hơn

Robot song song 6 bậc tự do Merlet.(Nguồn : Dr J - P Merlet và Prof V Hayward.)

Hình 1.37 Robot song song 6 bậc tự do

o Robot ñược sử dụng trong công ñoạn cấp liệu và lắp ráp:

Hình 1.38 Robot ñược sử dụng trong công ñoạn cấp liệu và lắp ráp

o Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh:

Hình 1.39 Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh

Mobile Robot tác vụ (Nguồn: SDR-4X, SONY, Nhật Bản)

Hình 1.40 Robot chuyển ñộng bốn chân

Trong quá trình sản xuất có nhiều ñại lượng vật lý như nhiệt ñộ, áp suất, tốc ñộ, tốc ñộ quay, nồng ñộ pH, ñộ nhờn cần ñược xử lý cho ño lường, cho mục ñích ñiều khiển truyền ñộng Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận, ñáp ứng các kích thích

Cảm biến cũng ñược xem như một kỹ thuật ñể chuyển ñổi các ñại lượng vật lý gồm nhiệt ñộ, áp suất, khoảng cách sang một ñại lượng khác ñể có thể ñánh giá tốt hơn Các ñại lượng này phần lớn là tín hiệu ñiện

Thí dụ: ðiện áp, dòng ñiện, ñiện trở hoặc tần số dao ñộng Các tên khác của bộ cảm biến: Sensor, bộ cảm biến ño lường, ñầu dò, van ño lường, bộ nhận biết hoặc bộ biến ñổi

Các ñại lượng cần ño (m) thường không có tính chất ñiện như (nhiệt ñộ, áp suất…) tác ñộng lên cảm biến cho ta một ñặc trưng (s) mang tính chất ñiện như (ñiện

áp, dòng ñiện, trở kháng…) chứa thông tin cho phép ta có thể xác ñịnh giá trị của ñại lượng ñiện ñó, ñặc trưng (s) chính là hàm của ñại lượng cần ño (m)

Người ta gọi (s) là ñại lượng ñầu ra hay là phản ứng của cảm biến, (m) là ñại lượng ñầu vào hay gọi là kích thích Thông qua ño ñạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m)

Ví dụ hình ảnh các cảm biến thông dụng ñược mô tả như hình 2.1

Hình 2.1 Các loại cảm biến thông dụng hiện nay Các bộ cảm biến ñược sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật Các

bộ cảm biến ñặc biệt và rất nhạy cảm ñược sử dụng trong các thí nghiệm các lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự ñộng hoá người ta sử dụng các sensor thông thường hay các cảm biến có chức năng ñặc biệt

2.2 ðường cong chuẩn của cảm biến

2.2.1 Khái niệm

ðường cong chuẩn cảm biến là ñường cong biểu diễn sự phụ thuộc của ñại lượng ñiện (s) ở ñầu ra của cảm biến vào giá trị của ñại lượng ño (m) ở ñầu vào ðường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức ñại số dưới dạng s=F(m) hoặc bằng ñồ thị

Hình 2.2 (a) ðường cong chuẩn b) ðường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính hóa Dựa vào ñường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác ñịnh giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị ño ñược si của s ðể dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm

biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa ñại lượng ñầu ra và ñại lượng ñầu vào, phương trình s= F(m) ñược biến ñổi dưới dạng:

s = am +b (2.2)

với a, b là các hệ số, khi ñó ñường cong chuẩn là ñường thẳng

2.2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phép ño nhằm mục ñích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s ño ñược của ñại lượng ñiện ở ñầu ra và giá trị m của ñại lượng ño có tính ñến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở ñó xây dựng ñường cong chuẩn dưới dạng dễ nhận biết hơn (ñồ thị hoặc biểu thức ñại số) Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị ñã biết chính xác mi

của m, ño giá trị tương ứng si của s và dựng ñường cong chuẩn

a Chuẩn ñơn giản

Trong trường hợp ñại lượng ño chỉ có một ñại lượng vật lý duy nhất tác ñộng lên một ñại lượng ño xác ñịnh và cảm biến sử dụng không nhạy với tác ñộng của các ñại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn ñơn giản Thực chất của chuẩn ñơn giản là ño các giá trị của ñại lượng ñầu ra ứng với các giá trị xác ñịnh không ñổi của ñại lượng ño ở ñầu vào Việc chuẩn tiến hành theo 2 cách:

o Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của ñại lượng ño lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với ñộ chính xác cao

o Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh ñã có sẵn ñường cong chuẩn, cả hai ñược ñặt trong cùng ñiều kiện làm việc

b Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị ño ñược ở ñầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của ñại lượng cần ño ở ñầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước ñó của của ñại lượng này Trong trường hợp như vậy, người ta

áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:

o ðặt lại ñiểm 0 của cảm biến: ðại lượng cần ño và ñại lượng ñầu ra có giá trị tương ứng với ñiểm gốc, m=0 và s=0

o ðo giá trị ñầu ra theo một loạt giá trị tăng dần ñến giá trị cực ñại của ñại lượng

ño ở ñầu vào

o Lặp lại quá trình ño với các giá trị giảm dần từ giá trị cực ñại

Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác ñịnh ñường cong chuẩn theo cả hai hướng ño tăng dần và ño giảm dần

2.3 Các ñặc trưng cơ bản của cảm biến

2.3.1 ðộ nhạy của cảm biến

a Khái niệm

ðối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên ñầu ra ∆s và biến thiên ñầu vào ∆m

có sự liên hệ tuyến tính:

mS

S = ∆

m

S S

∆

∆

=

Trường hợp tổng quát, biểu thức xác ñịnh ñộ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị mi của ñại lượng ño xác ñịnh bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của ñại lượng ñầu ra

và biến thiên ∆m tương ứng của ñại lượng ño ở ñầu vào quanh giá trị ñó:

i

m m

m

S S

ðể phép ño ñạt ñộ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm cho

ñộ nhạy S của nó không ñổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố:

o Giá trị của ñại lượng cần ño m và tần số thay ñổi của nó

2.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến

a Khái niệm

Một cảm biến ñược gọi là tuyến tính trong một dải ño xác ñịnh nếu trong dải chế

ñộ ñó có ñộ nhạy không phụ thuộc vào ñại lượng ño Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta ñưa vào mạch ño các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu ñiện nhận ñược ở ñầu ra tỉ lệ với sự thay ñổi của ñại lượng ño ở ñầu vào Sự hiệu chỉnh ñó ñược gọi là sự tuyến tính hoá

b ðường thẳng tốt nhất

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận ñược một loạt ñiểm tương ứng (si, mi) của ñại lượng ñầu ra và ñại lượng ñầu vào Về mặt lý thuyết, ñối với các cảm biến tuyến tính, ñường cong chuẩn là một ñường thẳng Tuy nhiên, do sai số khi

ño, các ñiểm chuẩn (si, mi) nhận ñược bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một ñường thẳng

ðường thẳng ñược xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là

bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến ñược gọi là ñường thẳng tốt nhất

Phương trình biểu diễn ñường thẳng tốt nhất ñược lập bằng phương pháp bình phương bé nhất Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N ñiểm ño, phương trình

có dạng:

bma

.

i i

i i i

i

m m

N

m s m

s N

i i

i i i i

i

m m

N

m s m m

2.3.3 Sai số và ñộ chính xác của cảm biến

a Sai số

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngồi đại lượng cần đo (cảm nhận) cịn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị

đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

100 x

x

∆

=

b Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính

Bởi vì khơng thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: Sai số hệ thống và sai

số ngẫu nhiên

Sai số hệ thống: Là sai số khơng phụ thuộc vào số lần đo, cĩ giá trị khơng đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch khơng đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng khơng tốt gây ra

Sai số ngẫu nhiên: Là sai số xuất hiện cĩ độ lớn và chiều khơng xác định Ta cĩ thể dự đốn được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng khơng thể dự đốn được độ lớn và dấu của nĩ Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên cĩ thể là:

o Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

o Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

o Do các đại lượng ảnh hưởng khơng được tính đến khi chuẩn cảm biến

2.3.4 ðộ nhanh và thời gian đáp ứng của cảm biến

a ðộ nhanh của cảm biến

ðộ nhanh: Là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian đáp ứng là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh

ðộ nhanh tr: Là khoảng thời gian từ khi ñại lượng ño thay ñổi ñột ngột ñến khi biến thiên của ñại lượng ñầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %

b Thời gian ñáp ứng tương ứng của cảm biến

Thời gian ñáp ứng tương ứng với ε% xác ñịnh khoảng thời gian cần thiết phải chờ ñợi sau khi có sự biến thiên của ñại lượng ño ñể lấy giá trị của ñầu ra với ñộ chính xác ñịnh trước Thời gian ñáp ứng ñặc trưng cho chế ñộ quá ñộ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác ñịnh chế ñộ này

o Trong trường hợp sự thay ñổi của ñại lượng ño: Trong trường hợp sự thay ñổi của ñại lượng ño có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng ñột ngột của ñại lượng ño hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm ñột ngột của ñại lượng ño hình 2.3

o Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm: Là thời gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu ra tăng

từ giá trị ban ñầu của nó ñến 10% của biến thiên tổng cộng của ñại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu ra tăng từ 10% ñến 90% biến thiên tổng cộng của nó

o Thời gian trễ khi giảm tdc: Thời gian trễ khi giảm tdc là thời gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu ra giảm từ 90% ñến 10% biến thiên tổng cộng của nó

Hình 2.3 Các khoảng thời gian ñặc trưng cho chế ñộ quá ñộ

2.3.5 Giới hạn sử dụng của cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác ñộng của ứng lực cơ học, tác ñộng nhiệt Khi các tác ñộng này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay ñổi ñặc trưng làm việc của cảm biến Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này

o Vùng làm việc ñịnh danh: Vùng làm việc ñịnh danh tương ứng với những ñiều kiện sử dụng bình thường của cảm biến Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng

mà các ñại lượng ño, các ñại lượng vật lý có liên quan ñến ñại lượng ño hoặc các ñại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên ñạt tới mà không làm thay ñổi các ñặc trưng làm việc ñịnh danh của cảm biến

o Vùng không gây nên hư hỏng: Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi các ñại lượng ño hoặc các ñại lượng vật lý có liên quan và các ñại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc ñịnh danh nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng

Các ñặc trưng của cảm biến có thể bị thay ñổi nhưng những thay ñổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc ñịnh danh các ñặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban ñầu của chúng

o Vùng không phá hủy: Vùng không phá hủy là vùng mà khi các ñại lượng ño hoặc các ñại lượng vật lý có liên quan và các ñại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các ñặc trưng của cảm biến bị thay ñổi và những thay ñổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc ñịnh danh các ñặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban ñầu của chúng Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng ñược, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến

Các cảm biến ñược chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và ñược phân làm hai loại:

o Cảm biến tích cực: Là các cảm biến hoạt ñộng như một máy phát, ñáp ứng (s) là ñiện tích, ñiện áp hay dòng

o Cảm biến thụ ñộng: Là các cảm biến hoạt ñộng như một trở kháng trong ñó ñáp ứng (s) là ñiện trở, ñộ tự cảm hoặc ñiện dung

Các cảm biến tích cực ñược chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến ñổi một dạng năng lượng nào ñó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng ñiện Sau ñây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến

2.4.1 Hiệu ứng nhiệt ñiện

Hiệu ứng nhiệt ứng dụng trong chế tạo các cảm biến nhiệt ñộ Hai dây dẫn (M1)

và (M2) có bản chất hoá học khác nhau ñược hàn lại với nhau thành một mạch ñiện kín, nếu nhiệt ñộ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi ñó trong mạch xuất hiện một suất ñiện ñộng e(T1, T2) mà ñộ lớn của nó phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt ñộ giữa T1 và T2

Hình 2.4 Hiệu ứng nhiệt ñiện

Hiệu ứng nhiệt ñiện ñược ứng dụng ñể ño nhiệt ñộ T1 khi biết trước nhiệt ñộ T2, thường chọn T2 = 0oC

2.4.2 Hiệu ứng hỏa nhiệt

Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa nhiệt (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực ñiện tự phát với ñộ phân cực phụ thuộc vào nhiệt ñộ, làm xuất hiện trên các mặt ñối diện của chúng những ñiện tích trái dấu ðộ lớn của ñiện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào ñộ phân cực của tinh thể hỏa nhiệt

Hình 2.5 Hiệu ứng hỏa nhiệt

Hiệu ứng hỏa nhiệt ñược ứng dụng ñể ño thông lượng của bức xạ ánh sáng ðo ñiện áp V ta có thể xác ñịnh ñược thông lượng ánh sáng Φ

2.4.3 Hiệu ứng áp ñiện

Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp ñiện (như thạch anh) khi bị biến dạng dưới tác ñộng của lực cơ học, trên các mặt ñối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng ñiện tích bằng nhau nhưng trái dấu, ñược gọi là hiệu ứng áp ñiện ðo V ta có thể xác ñịnh ñược cường ñộ của lực tác dụng F

Hiệu ứng cảm ứng ñiện từ ñược ứng dụng ñể xác ñịnh tốc ñộ dịch chuyển của vật thông qua việc ño suất ñiện ñộng cảm ứng

2.4.5 Hiệu ứng quang ñiện

Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang ñiện nội) là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ ñiện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất ñịnh

Hiệu ứng quang phát xạ ñiện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang ñiện ngoài) là hiện tượng các ñiện tử ñược giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của ñiện trường

2.4.6 Hiệu ứng quang-ñiện từ

Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn ñược chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu ñiện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng

Hình 2.8 Hiệu ứng quang- ñiện từ

2.4.7 Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall ñược ứng dụng ñể xác ñịnh vị trí của một vật chuyển ñộng Vật cần xác ñịnh vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời ñiểm, vị trí thanh nam châm xác ñịnh giá trị của từ trường B và góc tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian Vì vậy, hiệu ñiện thế VH ño ñược giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian

Hình 2.9 Hiệu ứng Hall

o Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ ñộng: Cảm biến thụ ñộng thường ñược chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với ñại lượng cần ño Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất ñiện của vật liệu chế tạo (như ñiện trở suất ρ, ñộ từ thẩm µ, hằng số ñiện môi ε) Vì vậy tác ñộng của ñại lượng

ño có thể ảnh hưởng riêng biệt ñến kích thước hình học, tính chất ñiện hoặc ñồng thời cả hai

o Sự thay ñổi thông số hình học: Sự thay ñổi thông số hình học của trở kháng gây

ra do chuyển ñộng của phần tử chuyển ñộng hoặc phần tử biến dạng của cảm biến Trong các cảm biến có phần tử chuyển ñộng, mỗi vị trí của phần tử ñộng sẽ ứng với một giá trị xác ñịnh của trở kháng, cho nên ño trở kháng có thể xác ñịnh ñược vị trí của ñối tượng

o Phần tử biến dạng của cảm biến: Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác ñộng của ñại lượng ño (lực hoặc các ñại lượng gây ra lực) gây ra sự thay ñổi của trở kháng của cảm biến Sự thay ñổi trở kháng do biến dạng liên quan ñến lực tác ñộng, do ñó liên quan ñến ñại lượng cần ño Xác ñịnh trở kháng ta có thể xác ñịnh ñược ñại lượng cần ño Các ñại lượng cần ño có khả năng làm thay ñổi tính chất ñiện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến:

ðại lượng cần ño ðặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng

Cảm biến ñược phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau Tùy theo cách chọn

mà người ta có thể phân loại cảm biến theo các cách sau:

a Theo nguyên lý chuyển ñổi giữa ñáp ứng và kích thích

Hiện tượng Chuyển ñổi giữa ñáp ứng và kích thích

Vật lý

Nhiệt ñiện

Quang ñiện Quang từ

Sinh học

Biến ñổi sinh hóa Biến ñổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống…

Mô men Khối lượng, tỉ trọng

ðộ nhớt…

Quang

Phổ Tốc ñộ truyền

Hệ số phát xạ, khúc xạ…

Nhiệt

Nhiệt ñộ Thông lượng

Cảm biến công nghiệp

Cảm biến nghiên cứu khoa học

Cảm biến môi trường, khí tượng

Cảm biến thông tin, viễn thông

Cảm biến nông nghiệp

Cảm biến dân dụng

Cảm biến giao thông vận tải…

e Theo thông số của mô hình mạch ñiện thay thế

o Cảm biến tích cực (có nguồn): ðầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

o Cảm biến thụ ñộng (không có nguồn): Cảm biến gọi l

cần có thêm ngu

tích cực thì không c

R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến

f Các loại cảm biến thư

o Cảm biến tiệm c

o Cảm biến quang

o Cảm biến màu s

o Cảm biến thông minh

o Cảm biến sợi quang

o Cảm biến lực căng

o Cảm biến nhiệt

o Cảm biến vị trí v

o Cảm biến lưu lư

o Cảm biến siêu âm

g Ký hiệu các loại cảm biến

Hình 2

ảm biến thụ ñộng (không có nguồn): Cảm biến gọi là th

thêm nguồn năng lượng phụ ñể hoàn tất nhiệm vụ ño kiểm, c

ì không cần Cảm biến thụ ñộng ñược ñặc trưng b

ến tính hoặc phi tuyến

thường sử dụng trong công nghiệp và dân dcận

ảm biến quang

àu sắc

ảm biến thông minh

ảm biến sợi quang

ệu các loại cảm biến

2.11 Ký hiệu các loại cảm biến thường dùng

Cảm biến ñược ký hiệu như hình 2.11, tùy theo loại cảm biến mà trong ký hiệu sẽ kèm thêm các ký hiệu của cuộn dây cho cảm biến ñiện cảm, tụ cho cảm biến ñiện dung… Ví dụ: Hình 2.12 là ký hiệu của cảm biến ñiện dung, ngõ ra dạng ON/OFF loại thường hở, chuyển mạch dương

Hình 2.12 Ký hiệu cảm biến ñiện dung

ño tác ñộng ở ñầu vào của mạch

Hình 2.13 Sơ ñồ mạch ño nhiệt ñộ bằng cặp nhiệt

o Trên thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi ño, mạch ño thường gồm nhiều thành phần trong ñó có các khối ñể tối ưu hoá việc thu thập và xử lý dữ liệu, chẳng hạn mạch tuyến tính hoá tín hiệu nhận từ cảm biến, mạch khử ñiện dung ký sinh, các bộ chuyển ñổi nhiều kênh, bộ khuếch ñại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ chuyển ñổi tương tự - số, bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ

o Hình 2.14 biểu diễn sơ ñồ khối một mạch ñiện ño ñiện thế trên bề mặt màng nhạy quang ñược lắp ráp từ nhiều phần tử

Hình 2.14 Mạch ño ñiện thế bề mặt 2.6.2 Một số phần tử cơ bản của mạch ño

a Bộ khuếch ñại thuật toán (KðTT)

Bộ khuếch ñại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch ñại dòng một chiều có hai ñầu vào và một ñầu ra chung, thường gồm nhiều trasistor và các ñiện trở, tụ ñiện ghép nối với nhau Ở ñầu vào của mạch, cảm biến chịu tác ñộng của ñại lượng cần ño gây nên tín hiệu ñiện mang theo thông tin về ñại lượng cần ño

Hình 2.15 Sơ ñồ mạch khuếch ñại thuật toán

1) Máy phát chức năng 2) Cảm biến ñiện tích 3) Tiền khuếch ñại 4) So pha lọc nhiễu 5) Khuếch ñại 6) Chuyển ñổi tương tự số 7) Máy tính