BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSO - CHƯƠNG 1 pot

1












BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSOR











3

Chơng I: Những kiến thức chung về chuyển đổi sơ cấp
Bài 1.1 Khái niệm và định nghĩa
1. Khái niệm chung về chuyển đổi đo lờng
Trong sản xuất cũng nh trong nghiên cứu khoa học, trong các quá trình công

nghệ mới, hay các quá trình sản xuất phức tạp hoặc trong công nghiệp hiện đại liên
quan đến việc đo lờng các đại lợng vật lý nh cơ học, hoá học, quang học, nhiệt học.
Các thiết bị đo hiện đại không chỉ tác dụng lên giác quan con ngời mà còn dùng vào
việc tự động thu thập số liệu truyền kết quả đó đi xa, tính toán không cần sự tham gia
của con ngời hay tự động điều khiển một quá trình nào đó. Do đó trên quan điểm kỹ
thuật quá trình đo trong các thiết bị hiện đại là biến đổi những tin tức về đại lợng đo
thành dạng nào đó thích hợp nhất đối với con ngời hoặc máy móc ở trình độ phát triển
của kỹ thuật.
Ưu điểm của phơng pháp điện để đo các đaị lợng không điện nh sau:
+ Có thể thay đổi độ nhạy của thiết bị một cách đơn giản trong phạm vi rộng của
đại lợng đo vì vậy cho phép có những thiết bị vạn năng có thể thu thập đợc những
thông tin rất bé và rất lớn. Kỹ thuật điện tử cho phép khuếch đại lên hàng ngàn lần, vì
vậy độ nhạy của thiết bị tăng lên rất nhiều.
+ Các thiết bị điện có quán tính nhỏ, có dải tần số rộng. Vì vậy không chỉ đo đợc
các đại lợng không điện biến đổi chậm mà còn có thể đo đợc những đại lợng biến
đổi nhanh mà các phơng pháp khác không đo đợc.
+ Có khả năng đo từ xa, cho phép tập trung hoá và cùng một lúc có thể đo đợc
nhiều đại lợng khác nhau về số lợng và tính chất, cho phép truyền kết quả đo trên
khoảng cách lớn.
+ Có khả năng liên hợp các thiết bị đo và điều khiển tự động những khối thiết bị
cùng kiểu.
Vai trò quan trọng đầu tiên trong việc thu thập thông tin đo là các bộ chuyển đổi
đo lờng hay còn gọi là các bộ cảm biến (sensor).
2. Định nghĩa về chuyển đổi đo l
ờng
Chuyển đổi đo lờng là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại
lợng vật lý với một độ chính xác nhất định.
4

Chuyển đổi đo lờng sơ cấp là một khâu chức năng biến một tín hiệu không điện

thành tín hiệu điện.


Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của chuyển đổi đo lờng
X: là tín hiệu vào thuộc nhiều đại lợng khác nhau
Y: là tín hiệu ra thông thờng là tín hiệu điện
Phơng trình của chuyển đổi là: Y = f(X)
Quan hệ của hàm này có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến, tuy nhiên trong kỹ thuật
ngời ta cố gắng chọn điểm làm việc trên đoạn tuyến tính của quan hệ đó để nâng cao
độ chính xác của phép đo.

Bài 1.2: Các đặc tính của chuyển đổi đo lờng sơ cấp
1. Đại lợng chủ
Khi làm việc mỗi chuyển đổi chịu ảnh hởng của đồng thời nhiều đại lợng tác
dụng, song nó chỉ tiếp thu một đại lơng gọi là đại lợng chủ của chuyển đổi.
Ví dụ nh điện trở của chuyển đổi, biến trở chịu ảnh hởng nào đó của điện trở dây
quấn, độ ẩm của lõinhng đại lợng chủ của chuyển đổi là di chuyển của con chạy.
2. Đặc tính của chuyển đổi
Phơng trình của chuyển đổi: Y = f(X) (1)
Quan hệ trên xảy ra các trờng hợp:
+ Quan hệ (1) là tuyến tính
S =
X
Y


gọi là độ nhạy của chuyển đổi. Độ nhạy này thờng có thứ nguyên rất
khác nhau phụ thuộc vào bản chất của các đại lợng vào ra, (trên thực tế để có đợc đặc
tính ấy ngời ta có thể tính toán giải tích hoặc bằng phơng pháp thực nghiệm)
+ Quan hệ trên là phi tuyến

Ngời ta khắc phục bằng cách tuyến tính hoá quan hệ đó bằng các mạch điện tử
hoặc dùng các thuật toán thực hiện gia công bằng máy tính, vi xử lý
+ Quan hệ trên là đa biến
Chuyển đổi
đo lờng sơ cấp(s)
X
Y
5

Thực tế đại lợng ta của chuyển đổi không những phụ thuộc vào X (đại lợng
chủ) mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài Z: Y =f(X, Z) ; với X là đại lợng chủ.
Vậy khi xét tới đầu ra của chuyển đổi ta phải cố định điều kiện Z, giá trị nhỏ nhất của
đại lợng vào X mà chuyển đổi có thể phát hiện đợc một cách chắc chắn goị là ngỡng
độ nhạy.
3. Sai số
Đặc tính quan trọng nhất của chuyển đổi là sai số:
+ Sai số cơ bản: là sai số gây ra do nguyên tắc của chuyển đổi, sự không hoàn thiện của
cấu trúc, yếu kém về mặt công nghệ chế tạo. Theo tính chất biểu hiện ta có thể chia
thành 1 số dạng sai số cơ bản nh sau:
- Sự lệch có hệ thống của đờng đặc tính đối với hàm đã lý tởng hoá
- Sự phụ thuộc của đờng đặc tính vào chiều sâu của đại lợng vào, tức là tính trễ
hay còn gọi là sự biến hình
- Sự sai lệch của đờng đặc tính đối với nhiễu
- Độ lệch gây ra bởi sự chọn không tốt các tham số của đặc tính chuẩn tức là sai
số do khắc độ
+ Sai số phụ:
Gây ra do các điều kiện bên ngoài khác điều kiện tiêu chuẩn nh là điện áp
nguồn, nhiệt độ, từ trờng, độ chấn động v.v
Chuyển đổi là khâu đầu tiên để lấy thông tin từ đối tợng, phục vụ cho các hệ
thống thông tin đo lờng, hệ thống điều khiển tự động do vậy việc giảm sai số có ý

nghĩa quan trọng.
d. Đặc tính động
Là một trong những đặc tính quan trọng, khi ta đa tín hiệu vào chuyển đổi
thờng xuất hiện quá trình quá độ. Đặc tính động thể hiện bằng hàm truyền đạt của
chuyển đổi S(p), tức là quan hệ giữa đại lợng ra và đại lợng vào ở trạng thái động
S(p) =
)p(X
)p(Z

Đặc tính động thể hiện ở đặc tính biên tần A() và pha tần ()
e. Phản tác dụng của chuyển đổi lên đối tợng đo
Phản tác dụng của chuyển đổi thể hiện ở tiêu hao năng lợng của đối tợng cần đo,
tiêu hao năng lợng này đợc thể hiện ở điện trở vào của chuyển đổi đo lờng
6

Bài 1.3 Phân loại chuyển đổi sơ cấp
1. Phân loại dựa trên nguyên lý của chuyển đổi
- Chuyển đổi điện trở: là chuyển đổi mà đại lợng không điện X đợc biến thành
đại lợng ra Y là điện trở của chuyển đổi
- Chuyển đổi điện từ: là chuyển đổi mà đại lợng không điện X làm thay đổi các
thông số của mạch từ nh: L, M, độ từ thẩm , từ thông
- Chuyển đổi tĩnh điện: đại lợng không điện X làm thay đổi điện dung C hay điện
tích của nó
- Chuyển đổi hoá điện: đại lợng không điện X làm thay đổi điện dẫn hay sức điện
động hoá điện, điện cảm
- Chuyển đổi nhiệt điện: đại lợng không điện X làm thay đổi sức điện động nhiệt
điện hay điện trở đầu ra của nó.
2. Phân loại theo tính chất của nguồn điện
- Chuyển đổi phát điện: đại lợng không điện sẽ làm thay đổi tín hiệu đầu ra là E,
U, I, Q v.v

- Chuyển đổi thông số: đầu ra của chuyển đổi là các đại lợng R, L, C, M. Lúc đó
cần thêm các nguồn điện phụ thì mới biến đổi thành các đại lợng U, I
3. Phân loại theo phơng pháp đo
- Chuyển đổi biến đổi trực tiếp: là chuyển đổi trong đó các đại lợng không điện
đợc biến trực tiếp thành đại lợng điện
- Chuyển đổi bù: Sơ đồ nh sau:
Ta có đại lợng cần đo X đợc bù bởi đại lợng
cùng loại X
k
do mạch phản hồi tạo ra:
KYXKXXY
KXY
XXX
YX
kk
k
)()(
.


==





=
=
=
KX = Y + YK

+
=
K1
K
XY

Nếu K rất lớn hay K >>1, vậy Y =

X
, lúc đó Y chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của
mạch phản hồi. Do đó nếu mạch thuận có sai số lớn. Song nếu đảm bảo hệ số K lớn thì
độ chính xác của chuyển đổi kiểu bù chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của mạch phản hồi
K

X
Y
X
X
k
(-)
H
ình 3.2
S
ơ đồ cấu trúc chu
y
ển đổi bù
7

(chuyển đổi ngợc), mà thờng chuyển đổi ngợc là chuyển đổi biến đổi trực tiếp nên
có độ chính xác cao.

Chơng 2. Chuyển đổi điện trở
Bài 1. Chuyển đổi điện trở tiếp xúc
1. Nguyên lý cơ bản
Chuyển đổi điện trở tiếp xúc là 1 chuyển đổi đo lờng trong đó di chuyển cơ học
đợc biến thành sự thành sự đóng mở các tiếp điểm, các tiếp điểm này dùng để điều
khiển mạch điện. Đại lợng chủ của chuyển đổi tiếp xúc là sự chuyển rời. Chuyển đổi
tiếp xúc đơn giản nhất là chuyển đổi có 1 giới hạn và một cặp tiếp điểm nh hình vẽ
trên, sự đóng mở tiếp điểm do sự di chuyển của cần đo.





Hình 3.3 Chuyển đổi tiếp xúc một giới hạn
Ví dụ: khi kích thớc của sản phẩm 1 thay đổi (tăng), thanh trợt 2 di chuyển làm
cho phần tử tiếp xúc gắn trên thanh 3 đợc tiếp xúc với 4. Điện trở tiếp xúc của 3 và 4
thay đổi từ R
tx
= thành R
tx
0. Khi kiểm tra kích thớc sản phẩm ngời ta thờng
dùng chuyển đổi nhiều giới hạn nh hình vẽ sau:






Hình 3.4 Chuyển đổi tiếp xúc nhiều giới hạn
2

L
1
3
4
R
C
L