www.tinhgiac.com bai giang do luong cam bien bang may tinh

Các loại cảm biến cont’Các loại cảm biến cont’ Các cảm biến đo nhiệt độ Resistance Temprature Detectors RTDs Các cách kết nối RTD với mạch đo + Kết nối 2 dây Các loại cảm biến cont’ Các

Trang 1

Các loại cảm biến (cont’)

Các cảm biến đo nhiệt độ

Resistance Temprature Detectors (RTDs)

Các cách kết nối RTD với mạch đo

+ Kết nối 2 dây

Resistance Temprature Detectors (RTDs)

Các cách kết nối RTD với mạch đo

Resistance Temprature Detectors (RTDs) Các cách kết nối RTD với mạch đo

Thermistors

Điện trở nhiệt là một loại cảm biến nhiệt với giá thành

rẻ, đó là các điện trở nhiệt bán dẫn được chế tạo từ các oxides của một số kim loại như (Mangan, Nickel, cobalt,v.v)

Độ chính xác của Thermistors lớn hơn khoảng 10 lần so với Thermocouple nhưng không chính xác bằng RTDs

Thermistors thường được dùng trong khoảng nhiệt độ từ -80 độ C 250 độ C, đặc tuyến của loại cảm biến nhiệt này có độ phi tuyến cao

Trang 2

Cảm biến đo lực (Strain gauge)

Cảm biến đo lực được sử dụng rộng rãi trong việc đo

lường lực hoặc cụ thể hơn là sự biến dạng do tác động

của lực Cảm biến lực với các phần tử điện trở được gắn

cố định là dạng thường gặp, nó bao gồm vật liệu điện trở

(thường ở dạng film mỏng micromet) được gắn lên một

bề mặt polyester

Cácthông số cơ bản:

Độ dài biến dạng

Hệ số biến dạng

l

∆

=

ε

R R L L

R R

/

/ =∆

∆

=

Hệ số GF của kim loại là 2

Hệ số biến dạng GF được cung cấp bởi nhà sản xuất cho từng cảm biến cụ thể Thông thường hệ số này nằm trong khoảng từ 2-4 cho các cảm biến có điện trở 120 Ohm, 350 Ohm và 1 Kohm

Ví dụ: Nếu một cảm biến lực với điện trở danh định là

350 Ohm và hệ số biến dạng GF là 2.0 bị biến dạng 1%

thì điện trở của nó sẽ thay đổi 2% (=?Ohm)

Mạch cầu Wheatstone

Vì độ nhạy nên mạch cầu Wheatstone thường được sử dụng cho các phép đo mà trong đó có sự thay đổi rất nhỏ

về điện trở, cụ thể là cảm biến đo lực

Mạch cầu Wheatstone bao gồm 4 phần tử điện trở và có thể được kích thích bởi một nguồn điện áp/dòng điện

Mạch cầu Wheatstone cơ bản như biểu diễn bên dưới

Nguyên lý đo: dùng mạch cầu Wheatstone

EX V R R R R R R

1 2 2 4 3 3

+

− +

=

+ Mạch cầu 1/4

4

0

ε

GF V

V = EX

Trang 3

Nguyên lý đo: dùng mạch cầu Wheatstone

+ Mạch cầu toàn phần

+ Mạch cầu 1/2

2

0

ε

GF V

V = EX

ε

0 V GF

1.2.4 Chức năng của khâu xử lý tín hiệu

Tín hiệu điện ngõ ra của chuyển đổi/sensor cần được biến đổi

cho phù hợp với ngõ vào của phần cứng DAQ

Một số chuyển đổi/sensor cần nguồn kích thích hoặc cầu

Wheatstone và tuyến tính hóa để tín hiệu đo được chính xác

Hầu hết các hệ DAQ đều bao gồm khâu xử lý tín hiệu dưới một

hình thức nào đó

Các chức năng cơ bản mà khâu xử lý tín hiệu có thể thực hiện

là:

Khuếch đại

Cách ly

Lọc

Kích thích

Tuyến tính hóa

1.3.5 Các kiểu xử lý tín hiệu

2.4.1 Khuếch đại

Là nhiệm vụ chính yếu của khâu xử lý tín hiệu

nhằm:

Tăng độ phân giải cho phép đo (nhiệm vụ

chính)

Tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR)

Tăng độ phân giải tối đa bằng cách nào?

VD: Tín hiệu ngõ ra sensor 0-10mV nếu đưa

trực tiếp vào ADC 12bit với full-scale 10V ( độ

phân giải 2.44mV ): chỉ phân biệt được 4 mức

Khuếch đại (cont’)

Tăng SNR: tín hiệu nhỏ ở ngõ ra của sensor cách

xa phần cứng DAQ nếu được truyền trong môi trường nhiễu sẽ bị ảnh hưởng lớn của nhiễu Nếu tín hiệu nhỏ (bị nhiễu) này được khuếch đại tại phần cứng DAQ sau khi được truyền qua môi trường nhiễu thì nhiễu trong tín hiệu này cũng được khuếch đại như tín hiệu cần đo Nếu nhiễu

so sánh được với tín hiệu cần đo ( SNR thấp) sẽ dẫn đến sai số lớn cho phép đo và phép đo là vô nghĩa

Khuếch đại (cont’)

Tăng SNR bằng cách khuếch đại tín hiệu nhỏ ở đầu ra sensor trước khi truyền

VD: Cặp nhiệt loại J có độ nhạy 50uV/0C Nếu tín hiệu đầu ra cặp nhiệt được truyền trong môi trường có nhiễu lớn với khoảng cách 10m, nhiễu đặt lên tín hiệu của cặp nhiệt có thể lên đến 200uV dẫn đến sai số đến 4oC Nếu khuếch đại tín hiệu tại đầu ra cặp nhiệt lên 500 lần thì độ nhạy lúc này là 25mV/0C, sai số do nhiễu lúc này (hàng uV) là rất nhỏ

Cách ly

Cách ly dùng Opto : thường dùng cho tín hiệu số

Cách ly bằng phương pháp từ trường/điện trường dùng cho tín hiệu tương tự: điều chế tín hiệu điện

áp thành tần số, sau đó truyền tín hiệu tần số bằng biến áp/tụ và biến đổi tần số thành điện áp ở đầu ra

Trang 4

Cách ly (cont’)

Cách ly bằng biến áp

Cách ly (cont’)

Cách ly giúp bảo vệ thiết bị phần cứng DAQ, PC

cũng như người vận hành khỏi điện áp cao trong

quá trình quá độ, sét hay tĩnh điện cũng như hỏng

hĩc của các thiết bị cao áp

Các bộ bảo vệ quá áp được đặt ở đầu vào của

khâu xử lý tín hiệu để bảo vệ khâu này

Cách ly cịn nhằm đảm bảo vịng nối đất, điện áp

cách chung (xét ở phần sau) khơng ảnh hưởng đến

tín hiệu đo

Mạch Lọc

Mạch lọc nhằm loại bỏ nhiễu ra khỏi tín hiệu cần đo

trước khi tín hiệu này được khuếch đại và đưa vào

ADC

Cĩ thể lọc bằng phần cứng hoặc phần mềm

Lọc mềm: đọc tín hiệu đo nhiều lần hơn cần thiết

và lấy trung bình Phương pháp này loại bỏ được

nhiễu tuần hồn hồn tồn nếu các mẫu được

trung bình hĩa trong một chu kỳ của nhiễu

Lọc bằng phần cứng

Mạch Lọc

Lọc bằng phần cứng: các mạch lọc analog (passive and ative) là rẻ nhất, các thơng số:

Tần số cắt

Roll-off: độ dốc của đường cong biên độ theo tần số tại tần số cắt

Q-factor: quyết định độ lợi của mạch lọc tại tần số cộng hưởng và roll-off

Cách tính tốn mạch lọc (xem lecture notes provided)

Tuyến tính hĩa

Quan hệ giữa ngõ ra của sensor và tín hiệu đầu vào cần đo thường là phi tuyến

Phầm mềm của hệ DAQ thường thực hiện chức năng tuyến tính hĩa

Nếu mối quan hệ phi tuyến là dự đốn được và cĩ tính lặp lại thì cĩ thể tuyến tính hĩa bằng phần cứng

Thơng thường cần một bộ xử lý tín hiệu được lập trình dành riêng cho một bộ chuyển đổi riêng biệt, tuy nhiên sau khi đã được xử lý thì các tín hiệu đo lường này cĩ quan hệ trực tiếp với đại lượng đang được đo lường

Các sản phẩm dùng cho việc xử lý tín hiệu được cung cấp đa dạng về giá cả, tính năng, tính module

và dễ sử dụng bởi các nhà sản xuất khác nhau

Việc lựa chọn và sử dụng bộ xử lý tín hiệu cần phải phù hợp với từng yêu cầu cụ thể

Một số dạng chính của bộ xử lý tín hiệu được trình bày dưới đây

1.3.5 Phân loại khâu xử lý tín hiệu

Trang 5

2.3.1 Các mạch xử lý tín hiệu cắm vào PC

Mạch xử lý tín hiệu nằm trên phần cứng DAQ

cắm vào PC như hình

Mỗi mạch xử lí tín hiệu cho một loại sensor

Sử dụng cho ứng dụng nhỏ với số lượng sensor

ít và nằm gần PC

1.3.5 Phân loại khâu xử lý tín hiệu

Các mạch xử lý tín hiệu cắm vào PC (cont’)

Các bộ phát 2 dây nối trực tiếp

Bộ phát 2 dây là module xử lý dữ liệu 2 cửa: nhận

tín hiệu cần xử lý ở đầu vào và xuất tín hiệu đã xử

lý ở đầu ra

Mỗi module cho một loại sensor/actuator

Không phải là thiết bị thông minh và không có ADC

Tín hiệu đã được xử lý được truyền về phần cứng

hệ DAQ tại PC bằng 2 dây, tín hiệu truyền có thể là

điện áp hoặc mạch vòng dòng điện (4-20)mA

Tín hiệu truyền điện áp (+-10V hoặc 0-10V) tương thích với hầu hết với đầu vào các mạch DAQ cho phép giao tiếp dễ dàng với các board DAQ hiện đại Tuy nhiên sự sụt áp trên dây truyền nếu khoảng cách xa là một hạn chế vì vậy chỉ dùng phương pháp truyền điện áp khi đường truyền ngắn

Tín hiệu dòng điện có khả năng miễn nhiễm với nhiễu cao và có thể truyền với khoảng cách hàng trăm m (lên đến 1000m) Bộ thu chuyển dòng sang áp để đưa vào ADC Bộ thu thường

là một điện trở với giá trị 500 Ohm cho fullscale 10V của ADC

Mỗi cặp cáp truyền cho một sensor riêng lẻ

nhiều cáp

Nguồn cung cấp (15-40V) cần đủ công suất cung cấp dòng cho các modules theo yêu cầu

Sơ đồ khối của một bộ phát 2 dây trực tiếp như trang 19

Vì mỗi bộ phát đòi hỏi một nguồn nuôi cho nên chúng thường được thiết kế gắn lên một board chính có sẵn nguồn cấp cho nhiều bộ xử lý tín hiệu

Sơ đồ khối bộ phát 2 dây trực tiếp

Trang 6

Cấu trúc hệ DAQ dùng các bộ phát 2 dây trực tiếp

2.5.3 Vào/ra phân tán - bộ phát số

Nhắc lại (chapter 1)

Sơ đồ khối:

Trong yêu cầu thực tế các bộ chuyển đổi thường

nằm xa PC chủ hoặc nằm trong các vùng làm việc

cĩ nhiễu cao nên rất khĩ khăn để truyền tín hiệu đo

lường về PC chủ nếu tín hiệu được truyền ở dạng

thơ

Một phương pháp hữu hiệu được đưa ra là sử dụng

các I/O phân tán

Bộ phát số là một dạng đặc trưng cho phương pháp

sử dụng I/O phân tán với chức năng giống như bộ

phát 2 dây tuy nhiên cịn cĩ thêm bộ A/D và bộ vi

xử lý kèm theo Tín hiệu sau sử lý sẽ được truyền

qua dao diện RS232 hoặc RS485 về PC chủ

Vào/ra phân tán - bộ phát số (tt)

Mạch xử lý tín hiệu vào/ra phân tán sử dụng bộ phát số

Vào/ra phân tán - bộ phát số (tt)

Mạch xử lý tín hiệu vào/ra phân tán sử dụng bộ phát số riêng biệt

2.6 Nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu

2.6.1 Khái niệm

Nhiễu: tín hiệu điện khơng mong muốn trong mạch

Khơng thể triệt nhiễu hồn tịan mà chỉ cĩ thể giảm biên độ nhiễu cho đến khi biên độ của

nĩ khơng gây ảnh hưởng lên tín hiệu đo

Trang 7

Nhiễu và ảnh hưởng của nhiễu

2.6.2 Nguồn nhiễu và phân loại nhiễu

3 thành phần tham gia quá trình sinh nhiễu:

Các hình thức gây nhiễu thường gặp trong hệ

DAQ

Ghép nói hỗ cảm (inductive coupling)

Ghép nối điện dung (capacitive coupling)

Ghép nối điện trở (conductive coupling)

Conductive coupling

Tính sai số của phép đo nhiệt độ nếu điện trở nối đất là

0.1Ohm?

Capacitive coupling

Inductive coupling

Trang 8

Inductive coupling

Chống nhiễu

Dùng cáp có vỏ bọc và nối đất vỏ bọc : giảm nhiễu

do tương hổ điện dung gây ra

Viết công thức điện áp nhiễu

Chống nhiễu (cont’)

nối đất vỏ cáp (hình trang 32)

Viết công thức điện áp nhiễu

Dùng cáp có vỏ bọc và xoắn đôi

Dùng cáp xoắn đôi

Chuyển đổi D/A

Tổng quan về DAC

Các máy tính lưu trữ thông tin dưới dạng nhị phân Tuy nhiên, để

có thể tương tác với thế giới thực, máy tính phải xuất ra các giá trị biến thiên liên tục Việc giao tiếp với thế giới thực được thực hiện qua các vi mạch chuyển đổi số/tương tự (DAC) và chuyển đổi tương tự/số (ADC).

Bộ chuyển đổi D/A (DAC) nhận tín hiệu số n bit song song ngõ vào

và chuyển thành tín hiệu tương tự ở ngõ ra(tín hiệu dòng/áp)

Ngõ ra chính của DAC là dòng điện, tuy nhiên dễ dàng chuyển thành tín hiệu điện áp dùng OPAMP

Các pp chuyển đổi D/A:

Nguồn dòng có trọng số (Current –Switch DAC)

Thang điện trở R-2R (hình trang…)

∑

=

−

= n

j j j

V

1 1 2

Các thông số cơ bản của DAC

Độ phân giải

Dải tín hiệu ra: ngõ ra DAC có thể là dòng hoặc áp Nếu tín hiệu

ra của DAC là dòng và ứng dụng yêu cầu tín hiệu điện áp thì cần

có thêm OPAMP bên ngoài

Thời gian quá độ (settling time): thời gian kể từ khi ngõ vào thay đổi đến khi ngõ ra DAC đạt đến giá trị yêu cầu với một sai số nào

đó (thường là ±1/2LSB)

Slew rate

Chuyển đổi D/A

Current-Switch DAC

∑

= 3 2j. j

out R I b V

1.3.7 Chuyển đổi D/A

Trang 9

Trong phương pháp này, dòng điện đầu ra It là tổng

của các dòng trọng số từ các cực nguồn của những

transistor song song, dòng điện ở các transistor

được quyết định bởi các điện trở R, 2R, 4R, v v

Nếu giá trị điện áp(số) ở MSB là mức thấp, dòng sẽ

theo diode nên transistor ngắt Nếu điện áp số đặt

lên MSB là mức cao thì dòng điện chạy qua cực C

và E của transistor là Vref/R

Chuyển đổi D/A

Scaled-Resistance DAC

∑

=

= 3

0

.

j

out

R

b

V

Điện áp ngõ

ra:

Với phương pháp này, đòi hỏi các điện

trở phải có giá trị chính xác cao Vì vậy,

khi ngõ vào có nhiều bit, việc chọn lựa

điện trở sẽ rất khó khăn

Chuyển đổi D/A

Tổng quan về DAC (cont’)

R-2R ladder

Ưu điểm: các điện trở R-2R dễ tương thích, giá trị R có

thể nhỏ làm tăng tốc độ hoạt động vì vậy đây là nguyên

tắc chuyển đổi D/A thường được dùng

DAC7545

Độ phân giải 12 bit Điện áp nguồn nuôi: +5V đến 15V

Dòng tiêu thụ max 2mA Thời gian biến đổi: 2us Điện trở vào ở VReflà 10k

DAC7545 (cont’)

DAC0808

Trang 10

Chuyển đổi A/D

3.2.1 Giới thiệu về chuyển đổi A/D

- Bộ chuyển đổi A/D làm nhiệm vụ lấy mẫu tín hiệu tương tự và

chuyển sang tín hiệu số.

- Các phương pháp chuyển đổi A/D

Flash ADC

Integrating ADC

Successive-Approximation ADC

Flash ADC

Phương pháp này sử dụng các bộ so sánh để thực hiện quá trình so

sánh các điện áp tham chiếu với điện áp tương tự ở ngõ vào.

Tổng quát, một bộ ADC n-bit sẽ cần (2 n - 1) bộ so sánh Đây chính là

một trong những hạn chế của phương pháp này.

Ưu điểm: tốc độ chuyển đổi nhanh

Chuyển đổi A/D (cont’)

Integrating ADC

Phương pháp chuyển đổi A/D xấp xỉ liên tiếp:

+ Đây là pp chuyển đổi A/D thường được dùng các hệ DAQ vì có tốc độ lấy mẫu và độ phân giải cao, trong khi chi phí hợp lý

+ Ưu điểm của pp này là thời gian chuyển đổi

cố định và tỷ lệ với số bit n ở ngõ ra Nếu chu kỳ xấp xỉ là T thì ADC nbít có thời gian chuyển đổi xấp xỉnT Sơ đồ khối như hình trang bên

Để bắt đầu

Trang 11

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	626,38 KB