Điện - Chương 1: Khái niệm về đo lường và cảm biến

Nội dung text: Điện - Chương 1: Khái niệm về đo lường và cảm biến

1. Chương 1: Khái niệm về đo lường và cảm biến I. Cấu trúc của một dụng cụ đo khơng điện. Chuyển đổI X Y Cơ cấu sơ cấp Mạch đo chỉ thị (cảm biến) ĐạI lượng ĐạI lượng khơng điện điện Máy đo gồm 3 Khâu : + Chuyển đổi: thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng khơng điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra. + Mạch đo: gia cơng 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). Tra ng 1
2. II. Các thơng số đặc trưng của chuyển đổi 1. Phương trình chuyển đổi X Y Đại lượng Đại lượng Chuyển đổi khơng điện điện Đại lượng điện (Y) ở ngõ ra của chuyển đổi luơn cĩ thể biểu diễn theo ngõ vào khơng điện (X) qua một hàm f. Y = f(X) Tác dụng của nhiễu: Y = f(X, X1, X2, , Xn) Trong đĩ X1, X2, là những đại lượng nhiễu, do vậy điều kiện lý tưởng là các đại lượng này bằng 0. Tra ng 2
3. + 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 + Chuẩn nhiều lần : áp dụng các cảm biến cĩ tính trễ Tra ng 3
4. 2. Độ nhạy. Độ nhạy là tỷ số biến thiên đầu ra theo biến thiên đầu vào. Y Y Độ nhạy chủ đạo : S X = lim = X →0 X X 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 Y Y Độ nhạy phụ : S = lim = Xi Xi →0 Xi Xi Độ nhạy phụ Sxi càng nhỏ tức ảnh hưởng của các đại lượng phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt Tra ng 4
5. Độ chọn lựa: tỷ lệ giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ S K = x i S Xi Cảm biến cĩ Ki càng lớn → càng tốt Ví dụ: cho 2 cảm biến cĩ độ nhạy như bảng sau: 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 XCB2 Chọn cảm biến 1 S X1CB1 S X1CB2 Tra ng 5
6. 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 + Δ0) → Δ0 càng nhỏ càng tốt Giới hạn đo là phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi cịn nghiệm đúng. Khi lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến cĩ 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 đĩ độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị đo. Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta sử dụng các mạch đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi là sự tuyến tính hĩa. Tra ng 6
7. + 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 khơng 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 N y .x − y x a =  i i  i  i 2 2 N xi − ( xi ) y . x 2 − (y .x ). x b =  i  i  i i  i 2 2 N xi − ( xi ) Tra ng 7
8. 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 Cĩ 3 lọai sai số chủ yếu trong chuyển đổi đại lượng đo lường khơng 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 hĩa 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 mơi trường theo yêu cầu của nhà sản xuất, Lọc nhiễu, Bù nhiễu, Phối hợp tổng trở v.v + Sai số ngưỡng : sai số do ngưỡng độ nhạy. Sai số này phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo nên khơng cĩ cách khắc phục. Tra ng 8
9. III. Phân lọai chuyển đổi. Chuyển đổi cĩ thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau: + Yêu cầu về nguồn cung cấp: - Tích cực và thụ động + Trạng thái tín hiệu ra: - Tương tự và số + Trạng thái đo lường - Trạng thái lệch và cân bằng. Tra ng 9
10. 1. Chuyển đổi tích cực và thụ động. a. Chuyển đổi tích cực: địi hỏi sự cung cấp năng lượng bên ngịai 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 đĩ thành năng lượng điện. + Hiệu ứng nhiệt điện: (M1) T1 (M2) e→T1 0oC (M1) + Hiệu ứng áp điện: F v → F Tra ng 10
11. B  + Hiệu ứng cảm ứng điện từ e →   i + Hiệu ứng quang - điện – từ v →  B Ngịai ra cịn 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 ngịai mà khơng cần năng lượng cung cấp từ bên ngịai. Ví dụ: cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện Chuyển đổi thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng cĩ thơng số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Tra ng 11
12. 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 khơng 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 Tra ng 12
13. 3. Trạng thái họat động. 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 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 Dụng cụ đo lường ở chế độ cân bằng cĩ thể cĩ kết quả đo chính xác hơn ở chế độ lệch nhưng đáp ứng thường chậm hơn Tra ng 13
14. IV. Nhiễu đo. Chia làm 2 lọai chính : Nhiễu nội tại và nhiễu đường truyền + Nhiễu nội tại phát sinh do khơng hịan thiện trong việc thiết kế, chế tạo các bộ cảm biến. Nhiễu nội tại khơng thể khắc phục nhưng cĩ thể giảm thiểu. + Nhiễu do đường truyền phát sinh do những nguồn nhiễu, từ trường, trường điện từ sĩng radio, do mạch phối hợp trên đường truyền, hoặc phát sinh tại máy thu.Để giảm nhiễu trên đường truyền ta cĩ thể sử dụng một số phương pháp như: cách ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý, Tra ng 14
15. Một số biện pháp khắc phục nhiễu Nguồn 50Hz 100pA Cách ly nguồn nuôi, màn,nối đất Nguồn 100Hz 3V Lọc nguồn 150 Hz do máy biến 0.5V Bố trí linh kiện hợp lý áp bị bão hoà 1mV Màn chắn Đài phát thanh 1mV Lọc, nối đất,màn chắn Tia lửa do chuyển 10pA Ghép nối cơ khí, không để dây mạch 100pA cao áp gần đầu vào chuyển đổi Dao động 0.01-10pA Sử dụng cáp ít nhiễu(điện môi Dao động cáp nối tẩm Cacbon) Bảng mạch Lau sạch, dùng cách điện Teflon Tra ng 15
16. Các bước để lựa chọn cảm biến: Chức năng: - Đại lượng vật lý cần đo - Phương pháp đo - Độ chính xác - Sai số - Độ phân giải Mơi trường - Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm - Điện, từ trường Kết nối - Điện: nguồn cung cấp điện áp, cơng suất - Tín hiệu: Tương tự (dịng điện, điện áp, tần số) Số (kết nối nối tiếp hay song song) - Cơ : chọn lọai đầu nối Tra ng 16