Chương 1 KHÁI NIỆM CÓ BAN VE CAC BO CAM BIEN Chương này có tính chất nhập môn, giới thiệu các đặc tính chung của các bộ cảm biến, phân loại các bộ cảm biến, nêu vai trò của các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường va diéu khiển. Trỉnh bày khái quát nguyên lý vật lý cơ bản ứng dụng trong kỹ thuật cảm biến. Tiếp theo trình bày những đặc trưng đo lường, chuẩn hóa tín hiệu đo và các mạch đo cơ bản ứng dụng trong cảm biến, vấn để nhiễu tác động đến hệ thống đo lường-điều khiển.1 ĐỊNH NGHĨA Trong các hệ thống đo lường-điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện.
Nhằm mục đích điều chỉnh, điểu khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo đối sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là "tai mát" của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh.
Trong các quá trình đo lường-diều khiển thông tin được truyền tải và xử lý dưới dạng điện nhờ sự truyền tài của các điện tử. 11 Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình 1.1) trong đó cửa vào là biến trạng thái cẩn đo z và của ra là đáp ứng y của bộ cám biến với kích thích đầu vào +. trình ( Cức biến trang thdi) câu Ta sư Cơ chấp hồnh độ cảm biên - — 86 chm biéh + Cương tình Kitch thich 2áp ứng 86 vi xử ly Hình 11. Mô hìh mạch của bộ cảm bién Hình 1.
Hệ thống điểu khiển tự động quá trình Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng : y = f(x) 1.1) thường rất phức tạp vi có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng - kích thích. Trong các hệ thống đo lường-điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm.2 quá trình (đối tượng) được đặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của: bộ cảm biến được phối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. Đầu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình (đối tượng).
Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đối tượng), trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiến quá trình. PHAN LOAI CAC BỘ CẢM BIẾN Các bộ cảm biến có thể được phân loại theo các phương pháp khác nhau. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp tng và kích thích Các nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích tóm tắt trong bảng 1.1 Nguyên lý chuyển đổi đáp ứng và kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích Vật lý Nhiệt điện Quang diện Quang tu Điện từ Quang dàn hổi Từ điện Nhiệt từ Nhiệt quang.
Hóa học Biến đổi hóa học Biến đổi điện hóa Phần tích phổ. Sinh học Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Hiệu úng trên có thể sống Phân tích phổ. Theo dạng kích thích có thể phan chia cdc bộ cảm biển như sau Bảng 1.2 trình bày cách phân loại bộ cảm biến theo dạng kích thích.2 Phân loại bộ cảm biến theo đạng kích thích Kich thích Các đặc tính của kích thích Âm thanh biên pha, phân cục phổ - tốc độ truyển sóng. Điện điện tích, dòng diện - điện thế, điện áp diện trường (biên pha, phân cực, phổ) điện dẫn, hằng số điện môi.
Từ tù trường (biên, pha, phân cực, phổ) tỪ thông, cường độ từ trưởng - độ tử thẩm. Quang - biên pha, phân cực, phổ tốc độ truyển hệ số phát xạ, khúc xạ - hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ.2 Hiện tượng Các đặc tính của kích thích ca - vị trí lực, ấp suất - gia tốc, vận tốc - ứng suất, độ cúng mômen - khối lượng, tỷ trọng vận tốc chất lưu, độ nhớt. Nhiệt nhiệt độ - thông lượng - nhiệt dung, tỷ nhiệt. Bức xạ - kiểu năng lượng - cường độ.
Theo tính năng các bộ cảm biến Các bộ cảm biến có thể phân loại theo tính năng (bang 1.3 Phân loại các bộ cảm biến theo tính năng - Độ nhạy + Khả năng quá tải - Độ chính xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn dịnh (ngắn hạn và dài hạn) - Độ chọn lọc - Tuổi thọ - Độ tuyến tính - Điều kiện môi trường - Công suất tiêu thụ - KÍch thước, trọng lượng. - Dải tần - Độ trễ 12. Theo phạm vì sử dụng các bộ cảm biển Theo phạm vi sử dụng, các bộ cảm biến có thể phân chia thành các loại như bảng 14.4 Phạm vi sử dụng các bộ cảm biến - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân sự. Theo thông số của mô hình mạch thay thế Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số - Câm biến tích cực (có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.
- Câm biến thụ động (không nguồn) được đặc trưng bằng các thông s6 R, L, C, M,. tuyến tính hoặc phi tuyến. CAC DON V] DO LUONG Các don vi đo lường cơ sở của hé don vi quéc t& SI (le Systeme International d’ Unités) như trong bảng lỗ.5 Don vị có bản hệ SĨ Đại lượng Tên gọi Ký hiệu Được dịnh nghĩa (từ năm) Chiều dài mét m chiểu dài dường truyền ánh sáng trong chân không trong khoảng thời gian 1289 792 458 giây (1983) Khối lượng kilogam kg mẫu quả cân platin-indi (1889) Thời gian giây s khoảng thời gian 9 192 613 770 chu kỳ bức xạ ứng với chuyển đổi giữa hai mức siêu min trang thái có bản của nguyên tử Cesium 133 (1967) Dòng diện ampe A lực bằng 2107 N trên 1 mét dài của hai dây dẫn mang điện trong chân không đặt cách nhau 1 mét (1946) Nhiệt độ nhiệt động kelvin K 1273 của nhiệt độ nhiệt động của điểm bội ba của nước (1967) Lượng vật chất mol mol lướng vật chất chứa trong 0012 kg cacbon 12 (1971) Cường dộ sáng candela ca cường độ sáng theq một phướng đã cho của một nguồn bức xạ tia đớn sắc có tần số 54010'2Hz và cường độ năng lượng theo phướng này là 1/683 w/steradian (1967) Từ các đơn vị cơ bản người ta xây dựng các đơn vị dẫn xuất. CAC DAC TRUNG CO BAN CUA BO CAM BIEN Theo quan điểm mô hình mạch ta coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp ứng-kích thích được biểu diễn bằng phương trình (1.
Quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản của bộ cảm biến. Ta có thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau : 1. Hàm truyền Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng bang giá trị graph hoặc biểu thức toán học. Gọi x là kích thích, y là tín hiệu điện đáp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích.
Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng : y=a+ bx (1.2) ở đây œ là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, 6 là độ nhạy, y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất của bộ cảm biến. Hàm truyén logarit có dạng y = 1+ blnx (1.5) ở đây k là hằng số. Các bộ cảm biến phi tuyến không thể được đặc trưng bằng các hàm truyền kể trên, trong trường hợp này ta phải sử dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc cao.
Đối với hàm truyền phi tuyến, hoặc hàm truyền ở chế độ động độ nhạy b phải được định nghia theo biểu thức : b = ay(xo) dx (1.6) Trong nhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. Độ lứn của tín hiệu vào Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào : P, d2 1B = 101g =~ = 20 Ig— (1.7) 1 1 Quan hệ giữa tỷ số công suất, tỷ số điện áp (hoặc dòng điện) tinh theo dexibel được cho trong bảng 1. Quan hệ giữa tỷ số công suất, điện áp theo dexibel Đexibel of 10 19 2 32 46 50 60 70 80 90 ©0 Tỷ số công suất 1023 126 10 10 0° 10% 0° (0% 107 w® 10° 109 Tỷ số diện áp (dòng điện) [102 12 316 10 316 10 3% 10° 36 10 310 4 10° 1.
Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng như các đụng cụ đo lường khác, ngoài dai lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Ax độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng : ð% = =.8) Ax - là sai số tuyệt đối. Ví dụ : Một bộ cảm biến di chuyển thẳng có độ nhạy l1mV trên Imm di chuyến. Nếu dí chuyển 10mm tao nén điện áp 10,5mV thi tạo nên sai số tuyệt đối là 10,5 - 10 = 0,ðmV.
Sai số tương đối của bộ cảm biến là : 5% = 190 = 5% ~ "10° =“ oe Trên hình 13 biểu điễn hàm truyền của bộ cảm biến lý tưởng và các giới hạn sai số của nó.