CHƯƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN

KHÁI NIỆM Cảm biến: là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được Các đại lượng

KĨ THUẬT ĐO 2

CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC

TRƯNG CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN

Chương 1

I KHÁI NIỆM

Cảm biến: là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần

đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được

Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện ( nhiệt độ, vận tốc, áp suất,…) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng,…) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị cần đo

Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện

 Cảm biến (sensor): thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầura.

Mạch đo: gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cơ cấu chỉ thị Bao gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng

Cơ cấu chỉ thị: hiển thị kết quả đo (Số, kim, điện tử).

II ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN

2.1 Phương trình chuyển đổi

 Đại lượng điện(Y) ở ngõ ra của chuyển đổi luôn có thể biểu diễn theo ngõ vào không điện (X) qua một hàm f.

Y = f(X)

 Tác dụng của nhiễu: Y = f(X, X1, X2,…, Xn)

 Trong đó X1, X2,… là những đại lượng nhiễu, do vậy điều kiện

lý tưởng là các đại lượng này bằng 0.

2.1 Phương trình chuyển đổi (tt)

Phương pháp chuẩn cảm biến (Calibration)

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi của cảm biến hoặc dưới dạng phương trình hoặc dạng đồ thị

Thực hiện phép đo với những tín hiệu ngõ vào xi xác định để tìm được ngõ ra yi → xây dựng đường đặc tính

+ Chuẩn đơn giản: đại lượng đo chỉ có đlvl duy nhất tác động lên và cảm biến ko nhạy với tác động của các đại lưởng ảnh hưởng Đo giá trị ngõ ra ứng với giá trị ngõ vào không đổi Tiến hành theo 2 pp: chuẩn trực tiếp và chuẩn gián tiếp

+ Chuẩn nhiều lần: áp dụng các cảm biến có tính trễ, xây dựng đường đặc tính khi ngõ vào tăng lên và xây dựng đường đặc tính khi ngõ vào giảm xuống

Độ nhạy phụ :

 Độ nhạy phụ Sxi càng nhỏ tức ảnh hưởng của các đại lượng phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt

2.2 Độ nhạy (tt)

Độ chọn lựa: tỷ lệ giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ

Cảm biến có Ki càng lớn thì càng tốt

Ví dụ: cho 2 cảm biến có độ nhạy như bảng sau:

Nên chọn cảm biến nào? Tại sao?

 Chọn cảm biến 1

2.3 Ngưỡng độ nhạy và giới hạn đo

Ngưỡng độ nhạy: là độ biến thiên lớn nhất của ngõ vào

mà ngõ ra chưa thay đổi

2.4 Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đo

Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta sử dụng các mạch

đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi là sự tuyến tính hóa

2.4 Độ tuyến tính (tt)

Đường thẳng tốt nhất (Best Straight Line)

Khi chuẩn một cảm biến, người ta đo được các cặp giá trị ứng với ngõ ra và ngõ vào {xi, yi}

2.5 Sai số

Sai số: là sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo được gồm sai

số tuyệt đối và sai số tương đối

Có 3 lọai sai số chủ yếu trong chuyển đổi đại lượng đo lường không điện:

+ Sai số phi tuyến: là sai số xuất hiện trong kết quả đo do đặc tính chuyển đổi là phi tuyến

Khắc phục: tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi

+ Sai số ngưỡng : sai số do ngưỡng độ nhạy Sai số này phụ thuộc vào công nghệ chế tạo nên không có cách khắc phục.

III PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Cảm biến có thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau:

Yêu cầu về nguồn cung cấp:

3.1 Cảm biến tích cực

Cảm biến tích cực: đòi hỏi sự cung cấp năng lượng bên ngòai hay tín hiệu kích thích để tác động

- Các cảm biến hoạt động như máy phát, đáp ứng là điện

áp, điện tích hay dòng điện

Nguyên lý chuyển đổi: dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện

3.1 Cảm biến tích cực (tt)

Hiệu ứng Hall

…

3.1 Cảm biến tích cực

3.1 Cảm biến tích cực

3.1 Cảm biến tích cực

3.1 Cảm biến tích cực

3.1 Cảm biến tích cực

3.1 Cảm biến tích cực (tt)

3.2 Cảm biến thụ động

Nguyên lý: Phát tín hiệu đáp trả lại sự tác động của kích thích bên ngòai mà không cần năng lượng cung cấp từ bên ngòai

Ví dụ: cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện…

Chuyển đổi thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng

có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo

Đáp ứng cảm biến có thể là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung Giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo ( điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện môi)

3.2 Cảm biến thụ động (tt)

Ví dụ : nhiệt độ, sự dịch chuyển, cường độ sáng

Cảm biến số: tín hiệu ra giữ ở trạng thái các bước hoặc rời rạc

Tín hiệu số dễ dàng lặplại, đáng tin cậy và dễ truyền đi xa

Ví dụ: Shaft Encoder, Contact switch…

3.4 Trạng thái đo lường

Chế độ lệch: tín hiệu phản hồi là sự thay đổi (lệch) so với trạng thái ban đầu của thiết bị đo Sự thay đổi này tương ứng với giá trị đo

Chế độ cân bằng: đưa ảnh hưởng của tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động của hệ thống đo lường

Dụng cụ đo lường ở chế độ cân bằng có thể có kết quả đo chính xác hơn ở chế độ lệch nhưng đáp ứng thường chậm hơn

IV Nhiễu đo

Chia làm 2 lọai chính : Nhiễu nội tại và nhiễu đường truyền

+ Nhiễu nội tại: phát sinh do không hòan thiện trong việc thiết kế, chế tạo các bộ cảm biến Nhiễu nội tại không thể khắc phục nhưng có thể giảm thiểu

+ Nhiễu do đường truyền: phát sinh do những nguồn nhiễu, từ trường, trường điện từ sóng radio, do mạch phối hợp trên đường truyền, hoặc phát sinh tại máy thu Để giảm nhiễu trên đường truyền ta có thể sử dụng một số phương pháp như: cách ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý ,…

IV Nhiễu đo (tt)

Một số biện pháp khắc phục nhiễu

Các bước lựa chọn cảm biến

Kết nối: - Điện: nguồn cung cấp điện áp, công suất

- Tín hiệu: Tương tự (dòng điện, điện áp, tần số)

Số (kết nối nối tiếp hay song song)

- Cơ : chọn lọai đầu nối