Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng pdf

Bài giảng kỹ thuật đo và
cảm biến trong công nghiệp
xi măng


Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

1



LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp là môn học quan trọng dành
cho sinh viên các trường đại học và các kỹ sư đang làm việc trong lĩnh vực Đo
lường – Điều khiển - Tự động hoá. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay
đã và đang tạo ra những bước đột phá mới trong lĩnh vực đo và Cảm biến.
Bài giảng được biên soạn nhằm trình bày về Kỹ thuật đo và Cảm biến trong
công nghiệp. Nội dung trình bày được chú trọng chính là sự kết hợp chặt chẽ giữa
lí thuyết và các ví dụ thực tiễn. Đây là phần tài liệu cập nhật mới được đúc kết từ
kinh nghiệm giảng dạy cho sinh viên đại học và trong các nhà máy công nghiệp
gần đây của tác giả và các đồng nghiệp
Bài giảng này được biên soạn nhằm phục vụ các cán bộ kỹ thuật của các
ngành công nghiệp như: Xi- măng, hoá chất, bia… đồng thời nó cũng có thể được
làm tài liệu tham khảo tốt cho các sinh viên trong các trường Đại học. Do thời gian
và trình độ có hạn nên bài giảng chắc sẽ có những thiếu sót. Mọi thư từ và góp ý
xin chuyển đến tác giả biên soạn theo địa chỉ:

Bùi Đăng Thảnh
Khoa Điện- ĐHBK Hà Nội
Tel: 0915.897.699
Email:
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

2

Chương 1. KỸ THUẬT ĐO

1.1. Định nghĩa và phân loại phép đo
1.1.1. Định nghĩa
+ Đo lường: là quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết bằng số
so với đơn vị đo
A
x
= X/X
0
+ Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng
khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo được gọi là đo lường học
+ Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của đo lường học
vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường
1.1.2. Phân loại phép đo
+ Phép đo trực tiếp
+ Phép đo gián tiếp
+ Phép đo thống kê

1.2. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường
1.2.1. Đại lượng đo
+ Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo
+ Phân loại theo sự biến đổi của tín hiệu:
+ Đại lượng tiền định
+ Đại lượng gần tiền định
+ Đại lượng ngẫu nhiên
+ Phân loại theo đặc tính của tín hiệu
+ Đại lượng số

VD về quy định mức logic trong một số chuẩn công nghiệp
+ Đại lượng tương tự
VD về các đại lượng đo thông dụng như nhiệt độ, áp suất …
1.2.2. Điều kiện đo
Điều kiện đo là điều kiện để tiến hành phép đo, nó có ảnh hưởng lớn đến kết quả
của phép đo
1.2.3. Đơn vị đo
+ Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế
quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

3

`+ Bao gồm:
- Các đơn vị cơ bản (m, kg, s, A, K, Cd, mol): được thể hiện bằng các
đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể thực
hiện được
- Đơn vị dẫn xuất là đơn vị có liên quan đến các đơn vị cơ bản bởi những
quy luật thể hiện bằng các biểu thức. Các đơn vị cơ bản được chọn sao cho với
số lượng ít nhất có thể suy ra các đơn vị dẫn suất cho tất cả các đại lượng vật lí
1.2.4. Thiết bị đo và phương pháp đo
Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành
dạng tiện lợi cho người quan sát
Phương pháp đo: biến đổi thẳng, kiểu bù
1.2.5. Người quan sát
Là một trong những nguyên nhân gây sai số khi đo
1.2.6. Kết quả đo

Kết quả đo trong nhiều trường hợp là tương đối, có thể đúng với hoặc sai tuỳ theo
yêu cầu về độ chính xác của phép đo

1.3. Tín hiệu đo
Tín hiệu là diễn biến của 1 đại lượng vật lí chứa đựng tham số thông tin, dữ liệu
và có thể truyền dẫn được
Tín hiệu đo là tín hiệu mang các đặc tính thông tin đo

1.4. Chuẩn và mẫu
- Chuẩn cấp I được gọi là chuẩn, bảo đảm tạo ra những đại lượng có đơn
vị chính xác nhất của một quốc gia
- Các thiết bị chuẩn và mẫu dùng để khôi phục một đại lượng vật lí nhất
định. Chúng thường có độ chính xác cao tuỳ theo từng cấp

1.5. Sai số của phép đo và gia công kết quả đo
1.5.1. Sai số của phép đo
+ Phân loại sai số theo cách thể hiện bằng số: sai số tuyệt đối, tương đối
+ Phân loại sai số theo nguồn gây ra sai số: sai số phương pháp, thiết bị, chủ
quan, bên ngoài
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

4

+ Phân loại sai số theo quy luật suất hiện của sai số: sai số hệ thống, sai số ngẫu
nhiên
1.6. Các cơ cấu hiển thị
1.6.1. Hiển thị tương tự

- Cơ cấu từ điện
- Cơ cấu điện từ
- Cơ cấu điện động
- Cơ cấu cảm ứng
1.6.2. Hiển thị tự ghi
Bao gồm các cơ cấu chỉ thị tự ghi tốc độ thấp, trung bình và cao
Có thể sử dụng PC với các phần mềm thông dụng - một ví dụ trong VB
1.6.3. Hiển thị số
Thuận lợi trong quan sát, đa dạng trong hiển thị…
Có thể hiển thị LED 7 thanh, LCD hay PC

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

5

Chương 2. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CẢM BIẾN

2.1. Các khái niệm và định nghĩa
2.1.1. Chuyển đổi đo lường và chuyển đổi đo lường sơ cấp
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, mômen các biến trạng thái
này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển
các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các
biến trạng thái của quá trình. Chính các chuyển đổi đo lường và đo lường sơ cấp
thực hiện chức năng này.
Trên thực tế tín hiệu cần xử lý có thể là điện hoặc không điện. Ta đưa ra các khái
niệm sau:

+ Chuyển đổi đo lường: Là chuyển đổi làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý
này sang đại lượng vật lý khác theo một quan hệ hàm. Mối quan hệ giữa đại
lượng vào và ra có thể tuyến tính hoặc phi tuyến.
y = f(x)
Trong đó: x: Đại lượng vật lý tác động
y: Đại lượng vật lý khác
f: Là một hàm có tính chất đơn trị, phi tuyến hoặc tuyến tính
+ Chuyển đổi đo lường sơ cấp: là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vào là
đại lượng không điện và đại lượng ra là đại lượng điện hoặc mang thông tin về
điện.

y = f(x)
Trong đó: x: Đại lượng vào không điện
y: Đại lượng ra là điện

2.1.2. Cảm biến đo lường
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. Nói cách khác cảm biến chính là các
chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một vỏ hộp có kích thước và hình dáng rất khác
nhau phù hợp với chỗ đặt của điểm đo để tạo thành cảm biến hay còn gọi là
sensor.
+ Đầu ra của cảm biến thường được ghép với các bộ vi xử lý thông qua các mạch
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

6

giao diện thích hợp.

+ Nguyên lí của các cảm biến đa số dựa trên các hiệu ứng vật lí.
Ví dụ: nhiệt điện, quy điện, hoá điện

2.2. Các đặc trưng của cảm biến
2.2.1. Sai số và độ chính xác
+ Sai số tuyệt đối: x= X - X
th

+ Sai số tương đối: %100*%
X
x




+ Sai số hệ thống: Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi
hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo hoặc thay đổi có quy luật.
Nguyên nhân:
- Do nguyên lý của cảm biến
- Do không hoàn thiện cấu trúc .
- Do yếu kém của công nghệ chế tạo .
- Do đặc tính của cảm biến hoặc xử lý kết quả đo
+ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số có độ lơn là chiều không xác định
Nguyên nhân:
Do điều kiện ngoài khác điều kiện chuẩn
Do tín hiệu ngẫu nhiên
Khắc phục sai số:
- Bảo vệ mạch đo chống ảnh hưởng của nhiễu
- Tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi
- Bù nhiệt độ, tần số

- Vận hành đúng

2.2.2. Độ nhạy
- Giả sử sensor có mối liên hệ y=f(x)
Độ nhạy:
dx
dy
S 
- Độ nhạy: có tác dụng quyết định cấu trúc mạch đo để đảm bảo cho phép đo có
thể bắt nhạy với những biến động nhỏ của đại lượng đo.
2.2.3. Đặc tính của cảm biến.
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

7

Để làm rõ các đặc tính cơ bản của cảm biến ta xét dựa trên mô hình thiết bị đo
(TBĐ) sau
Mô hình của TBĐ đơn giản
Chúng được mô tả trên hình 2.1

Hình 2.1. Mô hình một TBĐ đơn giản
Trong đó, quá trình vật lý cần đo nằm ở bên trái của hình vẽ và đại lượng cần đo
được mô tả bởi đại lượng vật lý có thể quan sát được X (biến đo lường). Tuy
nhiên, đại lượng quan sát được X không nhất thiết phải là đại lượng cần đo,
nhưng lại có quan hệ với đại lượng cần đo theo một cách nào đó. Chẳng hạn khối
lượng được đo bởi quá trình cân, trong đó đại lượng cần đo là khối lượng, nhưng
đại lượng đo vật lý (measurement) là lực hút của trái đất trong trường lực hấp dẫn

trái đất.
Có rất nhiều đại lượng vật lý cần đo như nhiệt độ, độ ẩm, lực, áp suất… và tín
hiệu sau sensor đo cũng rất đa dạng như: điện áp, dòng điện, điện trở, điện dung
…
Phần tử chức năng chính của của TBĐ là sensor (hình 1). Sensor có chức năng
biến đổi đại lượng vật lý ở đầu vào thành tín hiệu thích hợp ở đầu ra. Đặc điểm
của tín hiệu này là có thể điều khiển được trong một hệ thống truyền dẫn, chẳng
hạn như mạch điện hay mạch cơ. Chính vì đặc điểm này mà tín hiệu có thể được
truyền đến một đầu ra, hoặc được ghi vào một thiết bị mà nó ở xa sensor. Trong
mạch điện, điện áp và dòng điện là những tín hiệu phổ biến. Tương tự vậy trong
hệ thống cơ là độ dịch chuyển và lực. Tín hiệu đi ra từ sensor có thể được hiển
thị, ghi lại, hoặc làm tín hiệu đầu vào cho một thiết bị hoặc hệ thống khác. Trong
một thiết bị đo cơ sở, tín hiệu được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc thiết bị ghi mà
ở đó đại lượng đo được đọc bởi quan sát viên. Đầu ra quan sát được là đại lượng
đo M. Có rất nhiều loại thiết bị hiển thị. Từ những loại khắc độ và tay quay đơn
giản đến những hệ thống hiển thị tinh vi bằng máy tính. Tín hiệu cũng có thể
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

8

được dùng trực tiếp cho một hệ thống lớn hơn mà ở đó thiết bị đo chỉ là một thành
phần trong hệ thống. Ví dụ, tín hiệu đầu ra của một sensor có thể được sử dụng
làm tín hiệu vào cho một hệ thống điều khiển vòng kín.
Nếu tín hiệu ra từ sensor nhỏ thì cần khuếch đại tín hiệu. Hình sau mô tả việc
khuếch đại tín hiệu nhỏ có sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu
số ADC để ghép nối mới máy tính (PC)

Hình 2.2. Thiết bị đo ghép nối PC

Tín hiệu ra sau khuếch đại có thể được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc được ghi
lại, tuỳ thuộc vào từng ứng dụng đo. Trong một số trường hợp TBĐ cần tín hiệu ra
là số để giao tiếp với hệ thống thu thập dữ liệu hoặc hệ thống giao tiếp trên máy
tính(computer-based). Hình 2.2 đúng trong trường hợp Sensor không cho tín hiệu
đầu ra là số.
Việc lưu trữ và hiển thị thông tin đo trên máy tính ngày nay đang là một giải pháp
rất hiệu quả. Bởi máy tính cho phép hiển thị linh hoạt đồng thời nhiều giá trị đo
của các điểm đo khác nhau, đồng thời máy tính cũng hỗ trợ mạnh mẽ trong lưu
trữ số liệu, quản lí thông tin đo…

Sensor tích cực và thụ động
Như đã trình bày ở trên, sensor biến các đại lượng vật lý thành các tín hiệu.
Sensor có thể chia làm 2 loại chính tuỳ thuộc vào cách mà chúng tương tác với
môi trường chúng đo. Sensor thụ động (Passive sensor) không nhận thêm năng
lượng như là một phần của quá trình đo nhưng lại có thể mất mát năng lượng
trong quá trình đo đó. Chẳng hạn với cặp nhiệt điện nhiệt, ở đó nhiệt độ vật lý
được biến đổi thành tín hiệu điện áp. Trong trường hợp này, gradient nhiệt độ
trong môi trường đo tạo nên một điện áp nhiệt điện và trở thành tín hiệu.
Sensor tích cực (Active sensor) là loại sensor nhận năng lượng từ môi trường như
là một phần của quá trình đo. Một ví dụ về sensor tích cực là hệ thống radar, ở đó
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

9

khoảng cách đến một đối tượng nào đó được đo bằng cách chủ động gửi đi một
sóng radar, rồi sóng đó phản xạ lại, đếm thời gian lan truyền kết hợp với vận tốc
lan truyền sẽ cho ta khoảng cách cần đo.

Khắc độ
Quan hệ giữa đại lượng đo đầu vào và tín hiệu đầu ra của một sensor được gọi
là sự khắc độ của sensor. Thông thường, một sensor (hoặc cả một hệ thống đo)
được khắc độ bằng cách đưa vào một đại lượng vật lý đã biết và ghi lại giá trị ra.
Số liệu được vẽ trên một đường cong khắc độ như ví dụ trong hình 2.3.

Hình 2.3. Minh họa về khắc độ sensor
Trong ví dụ này, sensor có đáp ứng tuyến tính khi đầu vào nhỏ hơn X
0
. Độ nhạy
của thiết bị chính bằng độ dốc của đường cong khắc độ. Sensor sẽ ít nhạy hơn
khi đầu vào lớn hơn X
0
và trở nên bão hoà khi tín hiệu ra đạt đến giá trị tới hạn.
Sensor không thể đo được giá trị lớn hơn giá trị bão hoà. Trong một số trường
hợp, sensor sẽ không phản ứng với những đầu vào có giá trị quá nhỏ. Độ chênh
lệch giữa đầu vào có giá trị nhỏ nhất và đầu vào có giá trị lớn nhất được đo bằng
một TBĐ xác định dải đo động.
Đầu vào hiệu chỉnh và nhiễu đầu vào
Trong một số trường hợp, tín hiệu ra của sensor chịu tác động của các đại lượng
vật lý khác nhiều hơn là của đại lượng cần đo. Trong hình 2.4, X là đại lượng cần
đo, Y là nhiễu đầu vào, Z là đầu vào hiệu chỉnh.
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

10


Hình 2.4. Mô hình đo lường có tính đến tác động của nhiễu
Nhiễu đầu vào Y làm cho sensor phản ứng như là sự xếp chồng tuyến tính của Y
và X. Do đó, tín hiệu ra đo được cũng phải là sự kết hợp của X và Y, trong đó Y
gây nhiễu lên đại lượng cần đo X. Các đầu vào hiệu chỉnh có thể làm thay đổi
hoạt động của sensor, theo đó sẽ làm thay đổi quan hệ vào/ra và khắc độ của
thiết bị.
Sai số và lỗi
Sai số của phép đo được xác định bằng hiệu của giá trị đúng của đại lượng cần
đo và giá trị đo được hiển thị trên TBĐ. Thông thường, giá trị đúng được xác định
dựa trên các chuẩn. Bất kỳ một phép đo nào cũng có sai số bao gồm sai số hệ
thống và sai số ngẫu nhiên. Sự kết hợp giữa sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên
có thể hình dung như trong hình 2.5. Ta sẽ xem xét cụ thể các nguồn gây ra sai
số.

Hình 2.5. Minh họa lỗi hệ thống và lỗi ngẫu nhiên
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

11


Các nguồn sai số hệ thống
Có rất nhiều loại nguyên nhân gây nên sai số hệ thống của phép đo. Một trong
những lớp nguyên nhân đó làm thay đổi đáp ứng vào/ ra của sensor và kết quả là

sự khắc độ bị sai. Các đầu vào hiệu chỉnh và đầu vào nhiễu đã nói ở trên có thể
làm cho sensor bị khắc độ sai. Chẳng hạn, nếu có một đầu vào hiệu chỉnh là nhiệt
độ mà ta lại sử dụng sensor ở nhiệt độ khác với nhiệt độ khắc độ thì sẽ gây ra sai
số hệ thống. Trong nhiều trường hợp nếu biết trước nguồn sai số hệ thống thì ta
có thể hiệu chỉnh bằng cách sử dụng phương pháp bù.
Ngoài ra còn có một số nguyên nhân khác cũng có thể làm thay đổi khắc độ của
sensor và do đó gây nên sai số hệ thống. Ở một số sensor, sự già hoá của các bộ
phận làm thay đổi đáp ứng của sensor và do đó làm thay đổi khắc độ. Những hư
hỏng hoặc cách sử dụng sensor sai cũng có thể làm thay đổi khắc độ. Do vậy, để
loại bỏ sai số hệ thống ta phải thường xuyên hiệu chỉnh khắc độ của sensor.
Sai số hệ thống cũng có thể xuất hiện khi chính quá trình đo làm thay đổi đại
lượng cần đo. Quá trình này được gọi là sự xâm lấn (invasiveness), và là một mối
quan tâm chính trong rất nhiều bài toán đo lường. Trong thực tế, luôn luôn tồn tại
tác động qua lại giữa đại lượng đo và thiết bị đo; tuy nhiên, trong nhiều trường
hợp nó lại không đáng quan tâm. Ví dụ, trong các hệ thống điện, tổn hao năng
lượng của một TBĐ có thể bỏ qua nếu trở kháng vào rất lớn. Một ví dụ cực kỳ đơn
giản về sự xâm lấn là dùng một nhiệt kế rất ấm để đo nhiệt độ của một thể tích
nhỏ chất lỏng lạnh. Nhiệt sẽ được truyền ra từ nhiệt kế, và sẽ làm chất lỏng ấm
lên, kết quả là làm cho phép đo mất chính xác.
Sai số hệ thống cũng có thể xuất hiện trong đường tín hiệu của quá trình đo như
trong hình 3. Nếu tín hiệu được hiệu chỉnh theo một cách nào đó thì chỉ số của
phép đo sẽ khác với giá trị cảm nhận được. Ở các đường tín hiệu trong các hệ
thống cơ khí mà nó truyền lực hay độ dịch chuyển, ma sát có thể làm thay đổi tín
hiệu được truyền đi. Trong các mạch điện, trở kháng cũng có thể làm thay đổi tín
hiệu, kết quả là xuất hiện sai số hệ thống.
Cuối cùng là sai số hệ thống có thể xảy ra do người quan sát đọc kết quả trong
quá trình đo. Một ví dụ phổ biến về sai số hệ thống do người quan sát là sai số thị
sai. Đây là sai số do người đọc đồng hồ ở sai vị trí. Bởi vì kim chỉ thị luôn ở trên
mặt đồng hồ nên giá trị đọc được từ bên ngoài sẽ bị sai lệch so với giá trị đúng.

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

12

Các nguồn sai số ngẫu nhiên
Ta đã biết sai số hệ thống có thể loại bỏ khỏi phép đo, tuy nhiên cũng có những
sai số mà nó luôn được duy trì do các nguồn sai số ngẫu nhiên làm ảnh hưởng
đến độ chính xác của phép đo. Sai số ngẫu nhiên đôi khi còn được gọi là ồn (một
kiểu tín hiệu mang thông tin không có ích). Nếu một phép đo có một lượng sai số
ngẫu nhiên nhất định được lặp đi lặp lại nhiều lần thì sẽ xuất hiện phân bố Gauss
như minh hoạ trong hình 2.6.

Hình 2.6. Minh họa về phân bố Gauss

Phân bố Gauss được tập trung xung quanh giá trị đúng (bỏ qua sai số hệ thống)
nên giá trị trung bình của tất cả các phép đo sẽ phản ánh một ước lượng của giá
trị đúng.
Độ chính xác của phép đo được xác định bằng độ lệch chuẩn σ. Đó chính là độ
rộng của phân bố Gauss. Nếu số phép đo là 69% tổng số phép đo thì độ chính
xác là ±1σ, nếu 95% thì độ chính xác là ±2σ, nếu 99.7% thì độ chính xác là ±3σ.
Độ lệch chuẩn càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. Trong rất nhiều ứng dụng, độ
lệch chuẩn thường dùng là 2σ. Tuy nhiên, cũng có một số ứng dụng, chẳng hạn
như trong ngành hàng hải, người ta thường lấy là 3σ.
Có rất nhiều loại nguồn nhân tố ngẫu nhiên có thể làm suy giảm độ chính xác của
phép đo, bắt đầu với sự lặp đi lặp lại nhiều lần cùng một phép đo.
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội

® 03.2007.

13

Sai số ngẫu nhiên tạo nên ồn cũng có thể xuất hiện trong mỗi bước của quá trình
đo như trong hình 2.7. Chúng ta cũng dễ dàng thấy rằng ồn được khuếch đại khi
đi qua khâu khuếch đại (Amplifier).

Hình 2.7. Các nguồn nhiễu tác động vào TBĐ

Sự tổ hợp sensor
Quá trình tổ hợp sensor được mô tả như trong hình 2.8.


Hình 2.8. Tổ hợp sensor trong TBĐ
Trong nhiều ứng dụng người ta phải kết hợp hai hoặc nhiều sensor với nhau
nhằm đưa ra một kết quả đo, việc kết hợp các kết quả từ các sensor thường được
thực hiện nhờ các bộ vi sử lí. Chẳng hạn trong các ứng dụng về đo độ pH, cần
thiết phải co sự kết hợp của đo nhiệt độ bởi vì đường đặc tính giữa độ pH cần đo
và giá trị đầu ra sau sensor phụ thuộc vào nhiệt độ.

2.3. Phân loại các cảm biến
Cảm biến trong công nghiệp có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau.
Tuy nhiên trong tài liệu này sẽ được phân loại theo ứng dụng chúng bao gồm:
- Cảm biến vị trí
- Cảm biến tốc độ
- Cảm biến khối lượng
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội

® 03.2007.

14

- Cảm biến áp suất
- Cảm biến nhiệt độ
- Cảm biến lưu lượng
- Cảm biến mức
- Cảm biến hình ảnh
Các ứng dụng của chúng rất đa dạng trong công nghiệp và trong đời sống xã hội,
các ứng dụng này được phân tích trong các trường hợp cụ thể của từng loại cảm
biến.
2.4. Vấn đề nhiễu loạn
2.4.1 Nhiễu nội tại
Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế
tạo, tính chất vật liệu của bộ cảm biến, do đó đáp ứng có thể bị méo so với chuẩn.
2.4.2 Nhiễu do truyền dẫn
Nguồn nhiễu:
- Từ trường tĩnh điện
- Quá độ trong nguồn nuôi
- Trường điện từ tần số radio
- Biến thiên nhiệt
- Dao động
- Lực hấp dẫn
- Độ ẩm
- Bức xạ ion
- Tác nhân hoá học, mạch phối ghép
- Điện dung
- Từ trường

- Môi trường dẫn

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

15

Chương 3. CẢM BIẾN VỊ TRÍ

3.1. Tổng quan
Cảm biến vị trí dùng để xác định vị trí vật lí của đối tượng so với điểm chuẩn.
Thông tin mà chúng mang lại có thể là các dịch chuyển góc hoặc dịch chuyển
thẳng. Chúng được ứng dụng ở nhiều nơi trong các ứng dụng khác nhau chẳng
hạn cánh tay Robot. Các dịch chuyển cơ học, trong các máy CNC …
Chương này trình bày về nguyên lí của một số loại chuyển đổi dùng làm cảm biến
vị trí, trong đó đề cập đến nguyên lí, mạch đo và các ví dụ minh hoạ.
3.2. Cảm biến biến trở trong đo ví trí
Cảm biến biến trở có thể được dùng để xác định các dịch chuyển góc hoặc dịch
chuyển tuyến tính và biến những giá trị này thành tín hiệu điện (thường là điện
áp). Mô tả về cảm biến biến trở được trình bày trên hình sau:


Hình 3.1. Chuyển đổi biến trở

Cấu tạo của cảm biến biến trở trong đo vị trí
Chúng có thể là loại biến trở quay hoặc loại tuyến tính tương ứng với yêu cầu cần
xác định loại vị trí dịch chuyển cần đo. Cấu tạo gồm 3 phần chính:
- Lõi: thường làm từ vật liệu cách điện như gốm, sứ,… hoặc đồng nhôm có

phủ lớp cách điện
- Dây quấn điện trở: thường được làm từ maganin, niken, crom hoặc
vonfram. Đường kính dây từ 0.02mm đến 0.1mm. Điện trở của dây có thể thay đổi
từ vài chục đến vài ngàn ôm. Các dây được tráng êmay cách điện để có thể quấn
sát nhau
- Con trượt: thường được chế tạo bằng hợp kim platin-iridi hoặc platin-berin
để có độ đàn hồi và tiếp xúc tốt, lực tì giữa con trượt và lõi rất nhở (cỡ 0.01-0.1N)
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

16

Nguyên lý hoạt động
Khi đại lượng đầu vào thay đổi sẽ tác động vào con trượt thông qua bộ phận
truyền động. Như vậy con trượt sẽ dịch chuyển tỉ lệ với tác động đầu vào và
chúng được mô tả theo phương trình:
y = f(x
v
)
Trong đó y là đại lượng đầu ra sau chuyển đổi. nó có thể là điện trở hoặc điện áp
nếu có tính đến việc cung cấp nguồn cho biến trở, x
v
là đại lượng đầu vào.
Trên hình 1 ta thấy việc đo các vị trí dịch chuyển góc hay dịch chuyển thẳng có
thể lựa chọn kiểu biến trở loại vòng xuyến hoặc loại tuyến tính.

Ví dụ 1: Một tay máy chuyển động có gắn cảm biến biến trở như hình 2. Biến trở
có nguồn cung cấp là 10V và góc quay được đặt là 82

0
. Dải hoạt động của biến
trở là 350
0
. Xác định điện áp đầu ra của cảm biến.
Giải: Trong ví dụ này ta thấy một tay máy được điều khiển bởi một Motor, để xác
định vị trí của tay máy ta gắn trên trục quay một cảm biến kiểu biến trở. Như vậy
khi nguồn cung cấp là 10 V, góc cực đại là 350
0
thì đầu ra là 10V. Do đó giá trị
điện áp đầu ra của biến trở ứng với góc quay là 82
0
được xác định là:
VDCx
VDC
34.282
350
10
0
0




Hình 3.2. Dùng biến trở với nhiệm vụ của cảm biến vị trí

Sai số tải (Loading error)
Mạch đo sau biến trở cũng cần được quan tâm, người ta thường dùng mạch chia.
Một sai số tải xuất hiện khi con trượt của biến trở được kết nối tới mạch với một
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội

® 03.2007.

17

điện trở đầu vào mà nó không lớn lắm. Khi điều này sảy ra dòng chảy qua con
trượt là nguyên nhân gây ra sai số. Để giải quyết vấn đề này, một bộ đệm trở
kháng cao sẽ được sử dụng. Sai số của tải là sự khác nhau giữa đầu ra không tải
và đầu ra có tải và được đưa ra như sau:
Sai số tải = V
NL
- V
L

Trong đó: - V
NL
là điện áp đầu ra không tải
- V
L
là điện áp đầu ra có tải

Để làm rõ vấn đề này chúng ta xét ví dụ sau:
Ví dụ 2: Một biến trở 10K được sử dụng làm cảm biến vị trí (mô tả trên hình 3).
Giả sử con trượt nằm giữa giải đo. Hãy xác định sai số tải khi:
- Mạch giao diện (Interface circuit) sử dụng điện trở vào là vô cùng
- Mạch giao diện sử dụng điện trở vào là 100K


Hình 3.3. Sai số tải

Giải:
+ Trong trường hợp Hình 3.a, điện trở của mạch giao diện là rất cao nên không có
dòng chảy qua con trượt. Biến trở sẽ bao gồm 2 phần điện trở 5 K nối tiếp, theo
công thức tính toán trong mạch chia điện áp ta có điện trở đầu ra của biến trở:
V
KK
K
xVV
pot
5
55
5
10 




Đúng như mong đợi, không có sai số trong trường hợp này. Điện áp ra sau biến
trở đúng bằng một nửa điện áp của nguồn cung cấp
+ Bây giờ chúng ta xét trường hợp điện trở vào của mạch giao diện là 100K. Ta
tính phần điện trở song song:
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

18




 K
x
KK 76.4
100
5
1005
100//5
Như vậy điện áp đầu ra của biến trở là:
VxVV
pot
88.4
76.45
76.4
10 


Sai số tải sẽ là: 5V – 4.88V = 0.12V
Sai số tải cực đại xuất hiện khi biến trở làm việc ở trên 2/3 giải đo. Nếu chúng ta
cho biến trở làm việc với phần nhỏ hơn của giải đo sai số tải sẽ giảm. Điều này
cho thấy ảnh hưởng của sai số tải là không tuyến tính.
Trong nhiều ứng dụng, tổng các dịch chuyển quay được đo được là ít hơn giá trị
quay thực tế của đối tượng cần đo. Hãy xem một tay máy như hình 4, nó dịch
chuyển một góc 90
0
. Qua một hệ bánh răng truyền động thì biến trở đã quay 270
0
,
như vậy với cách đo này đã làm tăng độ phân giải của phép đo.

Hình 3.4. Khi trục của Motor quay 90
0
, biến trở quay 270
0

Sai số tuyến tính (Linearity error)
Cũng như tất cả các hệ thống vật lí, các biến trở Cacbon không thể chế tạo hoàn
toàn tuyến tính, vì vậy có thể định nghĩa sai số tuyến tính là sự khác nhau giữa
góc quay thực và giá trị mà cảm biến biến trở đã chỉ ra. Ta xác định chúng theo
công thức sau:

tot
tt
R
xR
S
100


Trong đó:
 S
tt
là sai số tuyến tính
 R Sai lệch điện trở cực đại
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

19

 R
tot
Điện trở tổng của biến trở
Khi biến trở được sử dụng làm cảm biến vị trí, điện áp đầu ra sẽ tỉ lệ với góc quay
của trụ, vì vậy sai số tuyến tính có thể được xác định như sau:
tot
tt
x
S


100


Trong đó:
  Sai lệch góc cực đại (tính theo độ)
 
tot
Dải đo tổng của biến trở

Hình 3.5. Sai số tuyến tính của cảm biến biến trở

Ví dụ 3: Một biến trở quay (góc quay cực đại là 350
0
) có sai số tuyến tính là 0.1%,
nó được kết nối với một nguồn 5V. Xác định sai số góc cực đại.
Giải: Dựa vào công thức trên dễ dàng tính được sai số góc cực đại:
0
0

35.0
100
3501.0
100

x
xS
tottt



Độ phân giải (Resolution)
Sai số tuyến tính xác định độ chính xác của cảm biến. Một khái niệm quan trọng
trong đo lường đó là độ phân giải (resolution). Độ phân giải có thể hiểu là sự tăng
nhỏ nhất của dữ liệu mà có thể dò tìm được hoặc ghi lại được. Như vậy độ phân
giải được tính theo biểu thức sau:
100Re% x
R
R
solution
tot


Trong đó:
- R là sự thay đổi nhỏ nhất của điện trở
Chúng ta xét ví dụ sau:
Ví dụ 4: Phần tử điện trở dài 10in, với 100/in. Biến trở gồm 200vòng. Dải đo của
biến trở lên đến 350
0
. Xác định độ phân giải của biến trở.

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

20

Giải: Điện trở tổng được xác định:


 1000
.
100
10
in
xinR
tot

Biến trở có 200 vòng, như vậy sự tăng nhỏ nhất sẽ là 1 vòng dây. Điện trở của
một vòng dây được xác định là: 1000/200 vòng = 5/ vòng
Độ phân giải của biến trở là:
%5.0
1
1005
100Re% 


x
x
R

R
solution
tot


Mô tả về độ phân giải của cảm biến biến trở được chỉ ra trên hình 3.6

Hình 3.6. Độ phân giải của cảm biến biến trở vòng

Đầu ra của một cảm biến vị trí có thể là điện áp một chiều liên tục. Chúng có thể
được kết nối số với các bộ vi điều khiển thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu tương
tự thành tín hiệu số ADC, hãy xem ví dụ sau để minh hoạ.
Ví dụ 5: Một cánh tay Robot được chỉ ra trên hình 7 quay được 120
0
theo kiểu
stop-stop. Người ta sử dụng biến trở làm cảm biến vị trí. Một bộ vi điều khiển 8 bit
được sử dụng và vị trí thực của tay máy phải nằm trong khoảng 0.5
0
. Xác định độ
phân giải ở 20
0
như hình 7.
Giải:

Hình 3.7. Cảm biến vị trí là biến trở trong xác định dịch chuyển của tay máy
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

21

Do hệ số chia của bánh răng là 2:1 nên khi biến trở ở vị trí 20
0
tức là cách tay máy
ở vị trí 10
0
ta tính điện áp tại vị trí này:
Vx
V
V
pot
29.020
350
5
0
0

Ta chuyển từ giá trị điện áp này sang dạng số (lưu ý ADC này là loại 8 bit)
bin
Vx
V
11110000158.1429.0
5
255

Ta tính độ phân giải ứng với nguồn cung cấp là 5V

statearm
V

x
V
pot
x
pot
arm
/686.0
255
5
5
350
2
1
0
0
0
0


Trong đó:
 arm là kí hiệu của phần tay máy
 pot là kí hiệu của phần biến trở
 State là trạng thái tín hiệu số
Giá trị này lớn hơn giá trị mong muốn là 0.5%. Nhưng thực ra khi tay máy quay
120
0
tức là biến trở quay 240
0
thì đã đầy thang đo tức điện áp cung cấp là 5V. Vậy
ứng với góc quay là 350

0
thì điện áp phải là 5Vx(350
0
/240
0
) = 7.3V. Độ phân giải
sẽ được tính là:
statearm
V
x
V
pot
x
pot
arm
/470.0
255
5
3.7
350
2
1
0
0
0
0


Kết quả này phù hợp với yêu cầu đặt ra

3.3. Encoder quang (Optical rotary Encoder)
Encoder dạng này tạo ra các dữ liệu vị trí góc trực tiếp dạng số, do đó không cần
dùng ADC. Ý tưởng được thể hiện trên hình 3.8, là một đĩa có khía rãnh được gắn
vào 1 trục. Một nguồn sáng và một cảm biến quang được đặt đối diện nhau, và
ánh sáng sẽ lọt qua hoặc không lọt qua khi đĩa quay. Góc quay của đĩa có thể
được suy ra từ tín hiệu đầu ra của cảm biến quang. Có thể chia làm 2 loại
Encoder là encoder tuyệt đối (absolute encoder) và encoder tăng (incremental
encoder).

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

22


Hình 3.8. Encoder quang

Encoder quang tuyệt đối (Absolute Optical Encoder)
Sử dụng 1 đĩa thủy tinh được đánh dấu bằng những vết đồng tâm (Hình 3.9).
Từng tia sáng sẽ chiếu qua các rãnh tới cảm biến quang tương ứng của nó. Mỗi
cảm biến ánh sáng sẽ tạo ra 1 bit trong từ mã hóa tín hiệu vị trí. Encoder trong
hình 3.9 có đầu ra là 1 từ 4 bit (dạng LSB). Đĩa được chia thành 16 phần, do đó
độ phân giải trong trường hợp này là 360
o
/16= 22.5
o
. Để có độ phân giải tốt hơn
thì cần phải tạo ra nhiều rãnh hơn. Ví dụ 8 rãnh (ứng với 256 trạng thái) cho 360

o

/256= 1.4
o
/ 1 trạng thái và 10 rãnh (1024 trạng thái) ứng với 360
o
/1024 = 0.35
o
/
1 trạng thái.

Hình 3.9. Encoder tuyệt đối cho tín hiệu ra trực tiếp dạng nhị phân

Hình 3.10. Encoder quang tuyệt đối chỉ ra trường hợp một cảm biến quang đặt
lệch và gây ra một trạng thái lỗi.
Với chú ý miền tối cho tín hiệu logic 1 và miền sáng cho tín hiệu logic 0
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

23


Thuận lợi của loại encoder này là dạng tín hiệu đầu ra là ở dạng tín hiệu số
nhưng chỉ là góc mà đĩa đã quay được. Nó ngược với loại encoder tăng sẽ được
chỉ ra dưới đây mà nó có thể xác định được góc quay của đĩa cả về và giá trị và
hướng. Cái không thuận lợi của Encoder tuyệt đối là giá thành đắt vì cần rất nhiều
cảm biến quang và các rãnh phải được khắc rất chính xác.
Nếu đĩa quang kiểu tuyệt đối không khắc chính xác, nó có thể đưa ra dữ liệu bị lỗi.

Hình 3.10 thể hiện trường hợp này và nó xảy ra khi có hơn 1 bit thay đổi tại 1 thời
điểm, chẳng hạn như từ sector 7(0111) sang 8(1000). Trong hình, các cảm biến
quang không nằm trên cùng 1 đường thẳng. Trong trường hợp này, cảm biến B1
nằm bị lệch và nó chuyển từ 1 sang 0 trước những cảm biến khác. Do đó nó sẽ
gây ra một lỗi ở đầu ra : 5(0101). Nếu máy tính yêu cầu lấy dữ liệu trong thời điểm
này, nó sẽ nhận được một câu trả lời bị sai. Một giải pháp để khắc phục là sử
dụng mã Grey thay vì dùng trực tiếp mã nhị phân (hình 3.11). Với mã Grey, chỉ có
1 bit thay đổi giữa 2 sector. Nếu cảm biến quang nằm lệch đường thẳng, thì điều
tồi tệ nhất có thể xảy ra chỉ là tín hiệu ra chuyển sớm hay muộn. Mặt khác, lỗi xảy
ra thì cũng không bao giờ vượt quá một bit LSB khi sử dụng mã Grey.

Hình 3.11. Bộ mã hoá quang tuyệt đối dùng mã Grey

Encoder quang tăng (Incremental Optical Encoder)
Encoder loại này (hình 3.12) chỉ có các rãnh cách đều nhau. Vị trí góc được
xác định bằng cách đếm số các rãnh được truyền qua bởi cảm biến quang. Mỗi
rãnh sẽ ứng với một góc đã biết. Hệ thống này cần có 1 điểm bắt đầu để làm tham
chiếu bằng cách thêm 1 cảm biến thứ 2 vào như hình vẽ hoặc đơn giản là có 1
điểm dừng cơ học, 1 điểm chuyển giới hạn. Trong nhiều trường hợp, trục được
điều khiển sẽ quay ngược lại và dừng, dừng ở một góc nào đó. Để có thể xác
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội


® 03.2007.

24

định được vị trí này thì bộ điều khiển cần phải biết được hướng quay của đĩa cũng
như số rãnh đã đi qua. Ví dụ 6.6 sẽ chỉ ra điều này.
Ví dụ 6: Một incremental encoder có 360 rãnh. Bắt đầu từ một điểm tham chiếu,

cảm biến quang đếm được 100 rãnh theo chiều kim đồng hồ, 30 rãnh theo chiều
ngược chiều kim đồng hồ, rồi 45 rãnh theo chiều kim đồng hồ. Vậy vị trí hiện tại
của đĩa là bao nhiêu?
Giải:
Nếu đĩa có 360 rãnh, vậy mỗi rãnh tương ứng với 1 độ quay. Bắt đầu từ điểm
tham chiếu, đầu tiên quay 100
o
theo chiều kim đồng hồ, rồi quay ngược 30
o
đến
vị trí 70
o
, và cuối cùng lại quay ngược lại 45
o
, do đó chúng ta sẽ có góc quay là
115
o
( theo chiều kim đồng hồ) từ vị trí tham chiếu.

Hình 3.12. Bộ mã hoá quang tăng
Với chỉ một cảm biến quang thì ta không thể xác định được đĩa đã quay theo
hướng nào, tuy nhiên 1 hệ thống thông minh sử dụng 2 cảm biến. Trong hình
3.13, 2 cảm biến V1 và V2 được đặt liên tiếp nhau trên cùng 1 rãnh. Trong ví dụ
này, V1 lúc bắt đầu đang tắt (off) trong khi V thì đang bật (on). Hãy tưởng tượng
đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ, đầu tiên có thể nhận thấy là V1 ở trạng thái
hoàn toàn bật trong khi V2 đang bật. Đĩa quay thêm 1 chút, V2 chuyển sang trạng
thái tắt và tiếp sau đó V1 tắt. Trong hình 3.13b chỉ ra dạng tín hiệu của V1 và V2.
Bây giờ tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ( Bắt
đầu từ vị trí được chỉ ra trong hình 3.13a), ở đây V1 ở trạng thái tắt hoàn toàn và
V2 vẫn ở trạng thái bật trong 1 nửa rãnh, rồi mới tắt. Sau đó V1 bật rồi đến V2

bật. Hình 3.13c chỉ ra dạng sóng tạo ra bởi V1 và V2 .
So sánh dạng tín hiệu, trong trường hợp quay ngược chiều kim đồng hồ V2
nhanh pha hơn V1 90 độ, còn khi quay cùng chiều kim đồng hồ thì V1 nhanh pha
hơn V2 90 độ. Sự khác nhau về pha sẽ cho phép xác định hướng quay của đĩa.