BÀI GIẢNG CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU

CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG ĐO
Thời lượng:
45 tiết (3 tiết/tuần)- 30t LT,15t TH
Đánh giá sinh viên:
3 bài kiểm tra (Bài tập lớn)
1 bài thi (Không sử dụng tài liệu)
Tài liệu giảng dạy:
1.Kỹ thuật đo lường – Lê Quốc Huy
2.Measurement Systems - Esnest O.Doebelin
Tài liệu tham khảo:
1. Cảm biến cơng nghiệp- Hồng Minh Cơng
2. Đo lường điện tử - Dư Quang Bình…
Giảng viên:
Nhữ Quý Thơ




BI M U
1. Mc ớch mụn hc
Trang bị các kiến thức về kỹ thuật cảm biến và xử lý tín hiệu.
Phơng pháp tính toán các đại lợng biến đổi dựa trên đại
lợng điện, phơng pháp ghép nối cảm biến với máy tính và các
bộ điều khiển.
Nguyên lý và phơng pháp sử dụng các thiết bị phần cứng
chuyên dụng cũng nh phần mềm máy tính trong đo lờng và xử
lý tín hiệu thu đợc từ các bộ cảm biến.
Cấu trúc và công dụng của các bộ cảm biến thông dụng và các
mạch điện nối ghép, các hệ thống đo lờng chuyên dụng, các
phần mềm thu thập và xử lý số liệu.

BI M U
2. Vai trò của môn học
Các hệ thống cảm biến đợc coi nh các giác quan của các
thiết bị điều khiển tự động có nhiệm vụ cảm nhận biến đổi của
các sự kiện vật lý không phải điện và biến chúng thành đại lợng
điện để các hệ thống điều khiển nhận biết đợc, giúp chúng ta
nhận dạng và đánh giá tình trạng cũng nh điều khiển mọi trạng
thái của thiết bị phù hợp.
Hệ thống cảm biến có vai trò then chốt trong các hệ thống tự
động đặc biệt là các hệ thống thông minh.
Cảm biến là một bộ phận quan trọng hàng đầu không thể thiếu
trong các hệ thống tự động đòi hỏi cần phải tiếp cận
Môn học là một môn then chốt và bắt buộc đối với sinh viên
ngành cơ điện tử.


BÀI MỞ ĐẦU
3. Mét sè vÝ dô ứng dụng trong c«ng nghiệp:

Phát hiện màng trong

Phát hiện băng niêm
phong trên nắp lọ/hộp


BÀI MỞ ĐẦU

Phát hiện dấu/vết trên
nền

Phát hiện dãy băng niêm
phong trên bao thuốc lá


BÀI MỞ ĐẦU

Cảm biến phát hiện màu

Đo đường kính của ống


BÀI MỞ ĐẦU

Kiểm tra hiện tượng thủng
nắp thiếc, nắp nhôm

Phát hiện lon kim loại


BÀI MỞ ĐẦU

Phát hiện nắp lọ bị hỏng


BÀI MỞ ĐẦU

Phân biệt chiều cao của nắp

Phát hiện mức sữa/nước trái

cây bên trong hộp


BÀI MỞ ĐẦU

Phát hiện nhãn bằng plastic
bóng trên giấy

Phát hiện nắp nhôm trên chai nước


BÀI MỞ ĐẦU

Phát hiện chai PET

Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền


chương 1

các kháI niệm và đặc trưng cơ bản

1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.1 Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lợng vật lý và
các đại lợng không có tính chất điện cần đo thành các đại lợng điện có
thể đo và xử lý đợc.
Các đại lợng cần đo (m) thờng không có tính
chất điện: Nhiệt độ, áp suất... tác động lên cảm
biến cho ta một đặc trng (s) mang tính chất điện

(điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng)
chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của
đại lợng đo.
Đặc trng (s) là hàm của đại lợng cần đo (m): s = F(m)
(s) : Là đại lợng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến.
(m): Là đại lợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại
lợng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m).


1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.2 Phân loại cảm biến
Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp øng vµ kÝch thÝch


1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.2 Phân loại cảm biến
Phân loại theo dạng kích thích


1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.2 Phân loại cảm biến
Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến


1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.2 Phân loại cảm biến
Phân loại theo phạm vi sử dụng

Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.

+ Cảm biến thụ động đợc đặc trng bằng các thông số R, L, C, M ....
tuyến tính hoặc phi tuyÕn.


1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.2 Phân loại cảm biến
Ví dụ về cảm biến thụ động


1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.2 Phân loại c¶m biÕn
VÝ dơ vỊ c¶m biÕn tÝch cùc


1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.2 Phân loại cảm biến
Các loại cảm biến hay đợc sử dụng
trong công nghiệp và dân dụng

Các lĩnh vực ứng dụng

*: Xếp theo số lợng các loại cảm biến bán đợc tại Pháp năm 2002


1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.3 Đờng cong chuẩn của cảm biến
Khái niệm
Đờng cong chuẩn cảm biến là đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của
đại lợng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lợng đo (m)
ở đầu vào.

Đờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dới dạng:

s = F(m)


1. Khái niệm và phân loại cảm biến

Phơng pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa
giá trị s đo đợc của đại lợng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lợng
đo có tính đến các yếu tố ảnh hởng, trên cơ sở đó xây dựng đờng
cong chuẩn dới dạng tờng minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi
chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đà biết chính xác
trị tơng ứng si của s và dựng đờng cong chuẩn.
Cách chuẩn
- Chuẩn đơn giản
+ Trực tiếp
+ Gián tiếp
- Chuẩn nhiều lần

mi của m, đo giá


2. Các đặc trng cơ bản của cảm biến
2.1 Độ nh¹y (Sensitivity)
Độ nhạy là tỷ số của độ thay đổi nhỏ nhất ở đ¸p ứng ra của thiết bị đo theo
độ thay đổi nhỏ nhất ở đại lượng đầu vào.
Ph−¬ng trình cơ bản: Y= F(X,a,b,c...)
F/X - Độ nhạy với x (Sensibility)
F/ a - Độ nhạy của yếu tố anh hởng a hay

nhiễu
F/X = Kxt- Độ nhạy theo X ở Xt hay ngời ta
còn ký hiệu là S
Khi K= const -> X,Y là tuyến tính.
K=f(X) -> X, Y là không tuyến tính - > sai số
phi tuyến.
Việc xác định K bằng thực nghiệm gọi là khắc
độ thiết bị đo. Với một giá trị của X có thể có
các giá trị Y kh¸c nhau, hay K kh¸c nhau.


2. Các đặc trng cơ bản của cảm biến
2.1 Độ nhạy (Sensitivity)

Trễ (Hysteresis)

Lỗi lặp lại (Reapeatability)

Dải chết (Dead-band zone)


2. Các đặc trng cơ bản của cảm biến
2.2 Độ chÝnh x¸c (Accuracy)
Độ chÝnh x¸c chỉ mức độ gần đóng mà gi¸ trị đo được sẽ đạt so với
gi¸ trị đúng ca i lng cn o.
Sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo gọi là sai số khi đo gồm:
- Sai số thô: Do quy định về giới hạn đo và ngời đo
- Sai số ngẫu nhiên
- Sai sè hƯ thèng
Sai sè cđa c¶m biÕn mang tÝnh chÊt ớc tính vì không biết chính

xác giá trị cần đo.
2.3 Độ phân giải (Resolution)
phân gii l s thay i nh nht các giá trị đo được (không
phi là gi¸ trị 0) mà một thiết bị đo cã thể đáp ng cho mt số o
xác nh.
phân giải thờng là giá trị vạch chia nhỏ nhất trên thang chia ®é
lƯch.


2. Các đặc trng cơ bản của cảm biến

2.4 Độ tuyến tính (Linearlization)
Một cảm biến đợc gọi là tuyến tính trong
một dải đo xác định nếu trong dảI chế độ đó,
độ nhạy không phụ thuộc vào đại lợng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự
không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến
vào giá trị của đại lợng đo.
2.5 Giới hạn của thiết bị đo (Span/Full Scale/Range)
- Giới hạn về thang đo.
- Độ mở rộng thang đo.
- Giới hạn về công suất.
- Giới hạn về tần số.
- Giới hạn về trở kh¸ng.