Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN

Tải bản đầy đủ - 0trang

biết chính xác của m , đo giá trị tương ứng của s và dựng đường cong

chuẩn. Đường cong chuẩn này cho phép xác định mọi giá trị của m từ s .

m



Đại lượng cần đo

(m)



Cảm biến



t2



t1



t



tn



s

Đại lượng điện

(s)



t1



t2



tn



t



Hình 1.1: Sự biến đổi của đại lượng cần đo m và đáp ứng s theo thời gian.



s



s



a)



s2



b)



si



s1



m1



m



m2



mi



m



Hình 1.2: Đường cong chuẩn cảm biến: a) dựng đường cong từ các giá trị

đã biết của m;

b) khai thác đường cong chuẩn để xác định m từ giá trị s đo được.

Để dễ sử dụng, thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho có sự

liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra s

s  S.m



và biến thiên đầu vào m :



trong đó S là độ nhạy của cảm biến.



Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến

là làm sao cho độ nhạy S của chúng khơng đổi, nghĩa là S ít phụ thuộc nhất

vào các yếu tố sau;

- Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số thay đổi

của nó (dải thơng).

- Thời gian sử dụng (độ già hố).

- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng

đo) của mơi trường xung quanh..

Vì cảm biến là một phần của mạch điện, có thể coi cảm biến:

- hoặc như một máy phát trong đó s là điện tích, điện áp hay dòng



điện và như vậy ta có cảm biến loại tích cực, gọi tắt là cảm biến tích cực

(dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó thành năng

lượng điện).

- hoặc như một trở kháng, trong đó s là điện trở, độ tự cảm hoặc

điện dung và như vậy ta có cảm biến loại thụ động, gọi tắt là cảm biến thụ

động.

1.2. Các loại cảm biến

Biến trở tuyến tính, biến trở góc quay dùng để chuyển đổi sự dịch

chuyển thành điện áp. Ngồi ra còn có thể chuyển đổi kiểu điện cảm và điện

dung... Nguyên tắc chung để đo các đại lượng không điện như nhiệt độ,

quang thông, lực, ứng suất, kích thước, di chuyển, tốc độ... bằng phương

pháp điện là biến đổi chúng thành tín hiệu điện. Cấu trúc thiết bị đo gồm ba

thành phần:

- Bộ phận chuyển đổi hay cảm biến, cơ cấu đo điện và các sơ đồ mạch

trung gian hay mạch gia cơng tín hiệu, ví dụ như mạch khuếch đại, chỉnh

lưu, ổn định. Cảm biến xenxin làm phần tử đo lường trong các hệ bám sát

góc quay, truyền chỉ thị góc quay ở cự ly xa mà khơng thực hiện được bằng

cơ khí.

- Biến áp xoay (quay) dùng để biến đổi điện áp của cuộn sơ cấp hoặc

góc quay của cuộn sơ cấp thành tín hiệu ra tương ứng với chúng. Biến áp

xoay sin, cos để đo góc quay của rơto, trên đặt cuộn sơ cấp, thành điện áp tỉ

lệ thuận với sin hay cos của góc quay đó. Biến áp xoay tuyến tính biến đổi

độ lệch góc quay của rơto thành điện áp tỉ lệ tuyến tính.

- Con quay 3 bậc tự do và con quay 2 bậc tụ do được sử dụng làm các

bộ cảm biến đo sai lệch góc và đo tốc độ góc tuyệt đối trong các hệ thống ổn

định đường ngắm của các dụng cụ quan sát và ngắm bắn.



Cảm biến tốc độ - bộ mã hóa quang học là đĩa mã trên có khắc vạch

mà ánh sáng có thể đi qua được. Phía sau đĩa mã đặt phototransistor chịu tác

dụng của một nguồn sáng. Động cơ và đĩa mã được gắn đồng trục, khi quay

ánh sáng chiếu đến phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc khơng bị ngăn lại làm

cho tín hiệu ở cực colecto là một chuỗi xung. Trên đĩa mã có khắc hai vòng

vạch, ngồi A trong B có cùng số vạch, nhưng lệch 90° (vạch A trước B là

90°). Nếu đĩa mã quay theo chiều kim đồng hồ thì chuỗi xung B sẽ nhanh

hơn chuỗi xung A là ½ chu kỳ và ngược lại. Thiết bị đo tốc độ như DC

Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer.

Cảm biến nhiệt độ như Pt 56Ω, Pt 100Ω, Thermocouple…

1.3. Mạch đo

Mạch đo bao gồm tồn bộ các thiết bị đo (trong đó kể cả cảm biến)

cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất

có thể.

Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo (tác

động trực tiếp nếu là cảm biến tích cực, hoặc gián tiếp thơng qua bộ phận

biến đổi nếu là cảm biến thụ động) gây nên tín hiệu điện mang theo thông tin

về đại lượng cần đo.

Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang

dạng có thể đo được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. Việc chuẩn hệ

đo đảm bảo cho mỗi giá trị chỉ thị ở đầu ra tương ứng với một giá trị của đại

lượng tác động ở đầu vào của mạch.

Dạng đơng giản nhất của mạch đo bao gồm cảm biến, bộ phận biến

đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị. Tuy nhiên, điều kiện đo trên thực tế thường

phụ thuộc vào môi trường xung quanh, đồng thời do sự cần thiết của việc

khai thác tín hiệu, mạch đo thường bao gồm nhiều thành phần, trong đó có

các khối để tối ưu hố việc thu nhập dữ liệu và để xử lý dữ liệu.



Ví dụ về mạch điện đo điện thế trên bề mặt:

FC



Máy in

1



CPU

D



PC

2



4



5



ADC

7



6



PA



Màn hình

3



1. Máy phát chức năng



2. Cảm biến tích điện



3. Tiền khuyếch đại



4. So pha lọ nhiễu



5. Khuyếch đại



6. Chuyển đổi tương tự số

7. Máy



tính Hình 1.3: Mạch đo điện thế bề mặt

1.4. Sai số của phép đo

1.4.1. ai số hệ thống

Sai số hệ thống xuất hiện khi giá trị trung bình của các giá trị đo được

lệch khỏi giá trị thực không phụ thuộc vào tần số đo liên tiếp.

Đối với một giá trị cho trước của đại lượng đo, sai số hệ thống không

đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo: nó thêm vào một độ lệch không

đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được.

Nguyên nhân của sai số hệ thống là do sự hiểu biết sai lệch hoặc

không đầy đủ về hệ đo hay điều kiện sử dụng không tốt:



- Sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đổi.

- Sai số do đặc tính của cảm biến.

- Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng.

- Sai số do xử lý kết quả đo.

1.4.2. ai số ngẫu nhiên

Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà sự xuất hiện và biên độ của

chúng mang tính khơng xác định.

Ngun nhân của sai số này là:

- Sai số do tính khơng xác định của đặc trưng thiết bị

- Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

- Sai số do các đại lượng ảnh hưởng

1.5. Tính trung thực, tính đúng đắn và độ chính xác.

- Tính trung thực là chất lượng của thiết bị đo có sai số ngẫu nhiên

nhỏ, thể hiện ở chỗ kết quả của các lần đo tập trung xung quanh giá trị trung

binh m .

Tính đúng đắn là chất lượng của thiết bị đo có sai số hệ thống nhỏ: giá

trị xác suất thường gặp của đại lượng đo gần với giá trị thực.

- Độ chính xác là đặc trung của thiết bị cho các kết quả đo đơn lẻ gần

với giá trị thực của đại lượng đo. Thiết bị chính xác cũng là thiết bị có độ

trung thực và đúng đắn.

1.6. Độ nhạy

Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi mi của đại lượng đo

được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s

thiên m



của đại lượng ở đầu ra và biến



tương ứng của đại lượng đo ở đẩu vào: S   s  





 m  mmi



Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm

biến và các đại lượng liên quan.



Đối với các cảm biến khác nhau cùng dựa trên một nguyên lý vật lý trị

số của độ nhạy S có thể phụ thuộc vào vật liệu, kích thước hay kiểu lắp ráp.

Ngồi ra thì độ nhạy có thể là hàm của các thơng số bổ sung nếu như

các thông số này ảnh hưởng đến đáp ứng của cảm biến.

1.7. Độ tuyến tính

1.7.1. kiện có tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu

trong dải đó độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Nếu như

cảm biến khơng phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch đo các thiết

bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hố, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ lệ

với sự thay đổi của đại lượng đo.

1.7.2. ường thẳng tốt nhất – độ lệch tuyến tính

Khi chuẩn cảm biến, ta nhận được một loạt các điểm tương ứng



si , mi .



Ngay cả về mặt lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm này cũng

khơng nằm trên cùng một đường thẳng do có sự khơng chính xác trong khi

đo và những sai lệch trong khi chế tạo cảm biến. Tuy nhiên, từ các điểm

thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến

tính của cảm biến. Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất. Biểu thức

của đường thẳng tốt nhất được tính bằng phương pháp bình phương nhỏ

nhất:

s  a.m  b



Trong đó:

a



N. si .mi   si . mi



 N. m    m  

b

s . m  s .m . m

N. m  



 m

2



i



i



i



i



2



i 2



2



i



i



i



2



i



Với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến.



Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính của

đường cong chuẩn. Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường cong

chuẩn và đường thẳng tốt nhất trong dải đo (tính bằng %).

1.8. Độ nhanh – thời gian đáp ứng

Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng

đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo không. Thời

gian đáp ứng là đại lượng được sử dụng để xác định số của độ nhanh.

Độ nhanh

tr



là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột



đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra s của cảm biến chỉ còn khác giá trị

cuối cùng của nó một lượng quy định bằng  %.

Cảm biến càng nhanh thì thời gian đáp ứng của nó càng nhỏ. Thời

gian đáp ứng đặc trưng cho tốc độ tiến triển của chế độ quá độ và là hàm của

các thông số xác định chế độ này.

Thời gian đáp ứng tương ứng với  % xác định khoảng thời gian cần

thiết phải chờ đợi sau khi có biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị s ở

đầu ra với độ chính xác quy định trước.

1.9. Giới hạn sử dụng cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến ln chịu ứng lực cơ khí hoặc

nhiệt tác động lên chúng. Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép,

chúng sẽ làm thay đổi các đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy, người

sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến và tuân thủ chúng trong

khi sủ dụng cảm biến.

- Vùng làm việc danh định: vùng này tương ứng với những điều kiện

sử dụng bình thường của cảm biến. Biên giới của vùng là các giá trị ngưỡng

mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc

các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi

các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.



- Vùng không gây nên hư hỏng: khi các giá trị của đại lượng đo hoặc

các đại lượng liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng của

vùng làm việc danh định nhưng còn trong phạm vi của vùng không gây nên

hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có nguy cơ bị thay đổi nhưng những

thay đổi này có tính chất thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định thì

các đặc trưng của cảm biến cũng sẽ tìm lại được giá trị ban đầu của chúng.

- Vùng không phá huỷ: khi các giá trị của đại lượng đo hoặc các đại

lượng liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng của vùng

khơng gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn trong phạm vi của vùng không phá

hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi, và sự thay đổi này không thuận

nghịch, tức là khi trở về vùng danh định các đặc trưng của cảm biến sẽ

khơng tìm lại được giá trị ban đầu của chúng.

1.10. Phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa

giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo

có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn

dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến,

với một loạt giá trị đã biết chính xác

mi



của m , đo giá trị tương ứng

si



của



s và dựng đường cong chuẩn.

1.10.1. Chuẩn đơn giản

Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất

tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với

tác động của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn

đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng ở đầu

ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc

chuẩn được tiến hành theo hai cách:



- Chuẩn trực tiếp: với các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các

mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác

cao.

- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so

sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm

việc. Khi tác động lên hai cảm biến cùng một giá trị của đại lượng đo ta

nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn.

Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng

đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn.

1.10.2. Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở

đầu ra phụ thuộc không những và giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu

vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này. Trong trường

hợp như vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành

như sau:

- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng ở đầu ra

có giá trị tương ứng với điểm gốc, m  0 và s  0 .

- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trịi cực đại

của đại lượng đo ở đầu vào.

- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.

Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng

đo tăng dần và đo giảm dần.

1.11. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến

Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và

phân thành hai loại:



- Cảm biến tích cực: được chế tạo dựa trên cơ sở các hiệu ứng vật lý

biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng

lượng điện.

- Cảm biến thụ động: được chế tạo từ một trở kháng có các thơng số

chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc và kích

thước, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất  , độ từ thẩm



 , hằng số điện môi  …).



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×