Chuong 1 Dlkd Tong Quan

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

I. Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện. Chuyển đổI sơ cấp (cảm biến)

X

ĐạI lượng không điện

Y

II. Các thông số đặc trưng của chuyển đổi 1. Phương trình chuyển đổi

Mạch đo

Cơ cấu chỉ thị

Đại lượng không điện

ĐạI lượng điện

Máy đo gồm 3 Khâu : + Chuyển đổi (sensor): thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra. + 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). Đo lường không điện

Trang 1

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Chuyển đổi

Y Đại lượng điện

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. Trang 2

Đo lường không điện

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

+ Phương pháp chuẩn cảm biến (Calibration)

2. Độ nhạy.

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

Độ nhạy là tỷ số biến thiên đầu ra theo biến thiên đầu vào. Độ nhạy chủ đạo :

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

∆Y ∂Y = ∆X → 0 ∆X ∂X

S X = lim

Độ nhạy chủ đạo Sx càng lớn tức khả năng đo được các đại lượng biến thiên đầu vào càng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt

+ Chuẩn đơn giản

Độ nhạy phụ :

+ 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. Đo lường không điện

X

S Xi =

lim

∆X i → 0

∆Y ∂Y = ∆X i ∂X i

Độ nhạy phụ Sxi càng nhỏ tức ảnh hưởng của các đại lượng phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt Trang 3

Đo lường không điện

Trang 4

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến Độ chọn lựa: tỷ lệ giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ

Ki =

Sx S Xi

Cảm biến có Ki càng lớn Æ càng tốt Ví dụ: cho 2 cảm biến có độ nhạy như bảng sau:

Ví dụ về độ nhạy

Cảm biến

Sx

Sxi

CB1

8.10-3mV/kg

4.10-6mV/0C

CB2

9.10-3mV/kg

8.10-6mV/0C

Nên chọn cảm biến nào? Tại sao?

S XCB1 > S XCB 2 S X 1CB1 S X 1CB 2 Đo lường không điện

Trang 5

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Chọn cảm biến 1

Đo lường không điện

Trang 6

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

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 Y = f(X + ∆0) Æ ∆0 càng nhỏ càng tốt Giới hạn đo là phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi còn nghiệm đúng. Khi lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn hơn hoặc bằng khoảng muốn đo. 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. Đo lường không điện

Trang 7

Đo lường không điện

Trang 8

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

+ 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}. + Lý tưởng thì những giá trị này sẽ nằm trên một đường đặc trưng là đường thẳng - Thực nghiệm các điểm này không nằm trên cùng đuờng thẳng mà nằm trên 1 đường gọi là đượng cong chuẩn. Đường thẳng được xây dựng từ kết quả thực nghiệm sao cho sai số là nhỏ nhất : đường thằng tốt nhất. y = a.x + b

a=

5. 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 phụ là sai số xuất hiện do ảnh hưởng của các đại lượng phụ. Khắc phục : sử dụng cảm biến đúng trong môi trường theo yêu cầu của nhà sản xuất, Lọc nhiễu, Bù nhiễu, Phối hợp tổng trở v.v…

N ∑ y i .xi − ∑ y i ∑ xi N ∑ xi2 − (∑ xi )

2

∑ y .∑ x − ∑ ( y .x ).∑ x b= N ∑ x − (∑ x ) i

2 i

i

2 i

i

+ 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.

i

2

i

Đo lường không điện

Trang 9

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Trang 10

Đo lường không điện

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

III. Phân lọai chuyển đổi.

1. Chuyển đổi tích cực và thụ động.

Chuyển đổi có thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau: + Yêu cầu về nguồn cung cấp:

a. Chuyển đổi tích cực: đòi hỏi sự cung cấp năng lượng bên ngòai hay tín hiệu kích thích để tác động. Nguyên lý chuyển đổi : dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó thành năng lượng điện.

- Tích cực và thụ động

+ Hiệu ứng nhiệt điện:

+ Trạng thái tín hiệu ra:

(M1)

T1

(M2)

- Tương tự và số 0oC

+ Trạng thái đo lường + Hiệu ứng áp điện:

- Trạng thái lệch và cân bằng.

eÆT1

(M1)

F vÆF

Đo lường không điện

Trang 11

Đo lường không điện

Trang 12

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến + Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Ω

B eÆΩ Φ i

+ Hiệu ứng quang - điện – từ

vÆΦ

B

Ngòai ra còn nhiều hiệu ứng khác như : Hiệu ứng quang điện, hiệu ứng hỏa điện, hiệu ứng Hall, v.v… (TLTK) b. Chuyển đổi thụ động. 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. Đo lường không điện

Trang 13

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Đo lường không điện

Trang 14

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến 2. Chuyển đổi tương tự và chuyển đổi số. a. Chuyển đổi tương tự: cung cấp tín hiệu liên tục trong cả cường độ, thời gian và không gian Hầu hết các giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự. Ví dụ : nhiệt độ, sự dịch chuyển, cường độ sáng b. Chuyển đổi số: tín hiệu ra giữ ở trạng thái các bước hoặc rời rạc Tín hiệu số dễ dàng lặp lại, đáng tin cậy và dễ truyền đi xa. Ví dụ: Shaft Encoder, Contact switch…

Đo lường không điện

Trang 15

Đo lường không điện

Trang 16

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

IV. Nhiễu đo.

3. Trạng thái họat động.

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

a. 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

+ 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.

b. 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

+ 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,…

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 Trang 17

Đo lường không điện

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến

Chương 1 : Khái niệm về đo lường và cảm biến Các bước để lựa chọn cảm biến:

Một số biện pháp khắc phục nhiễu Nguoàn nhieãu Nguoàn 50Hz Nguoàn 100Hz 150 Hz do maùy bieán aùp bò baõo hoaø Ñaøi phaùt thanh Tia löûa do chuyeån maïch Dao ñoäng Dao ñoäng caùp noái Baûng maïch

Ñoä lôùn

Chức năng: - Đại lượng vật lý cần đo

Bieän phaùp khaéc phuïc

100pA 3µV 0.5µV

Caùch ly nguoàn nuoâi, maøn,noái ñaát Loïc nguoàn Boá trí linh kieän hôïp lyù

1mV 1mV

Maøn chaén Loïc, noái ñaát,maøn chaén

- Độ chính xác

- Phương pháp đo - Sai số

- Độ phân giải Môi trường - Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… - Điện, từ trường …

Gheùp noái cô khí, khoâng ñeå daây cao aùp gaàn ñaàu vaøo chuyeån ñoåi Söû duïng caùp ít nhieãu(ñieän moâi taåm 100pA 0.01-10pA Cacbon) Lau saïch, duøng caùch ñieän Teflon 10pA

Đo lường không điện

Trang 18

Đo lường không điện

Trang 19

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

Đo lường không điện

Trang 20