slike bài giảng hệ thống máy tính công nghiệp - bùi quốc anh chương 3 data acquisition systems

8/26/2012
1
Ch3 - DAS
1
Ch. 3 DAS
DATA ACQUISITION SYSTEMS
• DAS overview
• Measurement, sensors, transducers
• Conditioners, các bộ chuẩn hóa tín hiệu
• MUX, S&H, ADCs
• Microcontrollers and Data Processing
• Database
• Case studies: monitoring systems
Ch3 - DAS
2
3.1. DAS Overview
• Define:
– Data Acquisition System: The system for acquiring
data (status, metric information) from industrial
processes (or environment) then update to
database, one of importance part of a SCADA,
DCS…
– The collection of sensors and communication links
to sample or collect and then return data to a
central location for further processing, display, or
archiving.
• Structure: next
8/26/2012
2
Ch3 - DAS
3

3.1. DAS Overview
Ch3 - DAS
4
• Student’s define for structure:
– Object:
– Sensor:
– Conditioner: WorkBench, LabView
– MUX:
– S&H:
– ADC:
– Embedded System
– Computer Desktop: database and networking
3.1. DAS Overview
8/26/2012
3
Ch3 - DAS
5
• Operate:
– Process
– Sensor
– Conditioner
– MUX
– S&H and ADC
– ES
– Database system
3.1. DAS Overview
Ch3 - DAS
6
• Classification:
– The number of data elements/points,

– Distance/wide area
– Rate of signal
– Address of application and type of information:
• Industrial fields: level, flow, temperature, pressure,… in
cement, paper, textile, steel mill, mechanical factories…
• Civil engineering: dams, bridges, underground/ under-
water constructions, high building… => constructions
supervision system
• Environmental supervision system
3.1. DAS Overview
8/26/2012
4
Ch3 - DAS
7
• Transportation: Vehicles, ship, aero plane: velocity,
accelerate, gasoline ratio, safety equipment,
Navigation…; Traffic signals
• Bio-medicine: Cardiograph, Monitoring, smart garden
and growth
• Defense: DGPS,
• Entertainment:
• Smart house: temperature, lighting, air conditioning
(heating/ freezing), plant watering, auto-answering,
smart cooking… iBMS
3.1. DAS Overview
Ch3 - DAS
8
• Questions and Answers
• Student’s examples
3.1. DAS Overview

8/26/2012
5
Ch3 - DAS
9
3.2 Measurement
• Sensor Defines:
– Là thiết bị nhận các tín hiệu vật lý từ thế giới thật (nhiệt, ás,
âm thanh, áp suất…), tạo ra các tín hiệu điện tương ứng.
(A device that responds to a physical stimulus in real world (heat, light, sound, pressure, motion, flow,
and so on), and produces a corresponding electrical signal)
– Là một phần của thiết bị đo, nó đáp ứng trực tiếp ứng với
sự thay đổi của môi trường (The part of a measuring instrument which responds
directly to changes in the environment)
• Transducers are ENERGY CONVERTERS or
MODIFIERS
– Là thiết bị thay đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác
(A device for converting energy from one form to another)
– For example, a thermocouple transduces heat energy into
electrical energy
• (Tuy nhiên trong thực tế thường hay coi là 1)
Ch3 - DAS
10
• Transducers, sensors và phép đo
• Calibration, interfering và thay đổi tín hiệu vào
• Static sensor characteristics
• Dynamic sensor characteristics
3.2.1. Sensor characteristics
8/26/2012
6
Ch3 - DAS

11
Measurement:
Ch3 - DAS
12
• Mô hình đo lường đơn giản:
– Giá trị quan sát được X đọc được từ đối tượng đo
• X liên hệ với phép đo trong một số phương pháp đã biết (i.e.,
measuring mass)
– Sensor phát ra tín hiệu thay đổi và được xử lý theo nhiều
kiểu, truyền dẫn hoặc hiển thị
– Trong ví dụ trên, tín hiệu đo được đưa qua bộ hiển thị và
đưa đến thiết bị đo.
• Phép đo (Measurement)
– Là quá trình so sánh đại lượng chưa biết với giá trị chuẩn có
cùng đơn vị (đo độ dài, khoảng cách) hoặc giá trị chuẩn của
nhiều các đại lượng liên quan (đo vận tốc, gia tốc)
Measurements:
8/26/2012
7
Ch3 - DAS
13
• Là quan hệ giữa đại
lượng đo vật lý (X) và giá
trị tín hiệu (S)
• Sensor hoặc thiết bị đo
được khắc độ bởi việc thu
thập các tín hiệu đã biết.
Khắc độ (Calibration)
Ch3 - DAS
14

Additional inputs
• Nhiễu đầu vào (Y)
– Nhiễu tác động vào sensor
sẽ tạo ra sự xếp chồng
tuyến tính với giá trị đo X
– Xếp chống tuyến tính là:
S(aX+bY)=aS(X)+bS(Y)
• Modifying inputs (Z)
– Là việc thay đổi hành vi
của sensor => thay đổi đặc
tính.
– Ví dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu
vào thường thay đổi
8/26/2012
8
Ch3 - DAS
15
Sensor Characteristics
• Đặc tính tĩnh: (Static characteristics)
– Các thuộc tính của hệ thống sau các hiệu ứng quá độ sẽ ổn định với các
đặc tính tĩnh:
• Accuracy
• Discrimination - độ phân biệt hay còn gọi độ phân ly
• Precision
• Errors
• Drift
• Sensitivity
• Linearity
• Hysteretic
• Dynamic characteristics

– The properties of the system transient response to an input
• Zero order systems
• First order systems
• Second order systems
Ch3 - DAS
16
Accuracy, discrimination and precision
• Accuracy is the capacity of a measuring instrument to give
RESULTS close to the TRUE VALUE of the measured
quantity
– Độ chính xác (accuracy) được xác định bằng độ lệch của 1 tập các phép
đo so với giá trị thực
– Độ chính xác/sai số được thể hiện giá trị tuyệt đối và tương đối
ABSOLUTE ERROR = RESULT – TRUE VALUE
RELATIVE ERROR = ABS ERROR/TRUE VALUE (%)
• Resolution (Discrimination) is the minimal change of the
input necessary to produce a detectable change at the
output
– Độ phân ly: DISCRIMINATION hay RESOLUTION
– When the in/discrimination is from zero, it is called THRESHOLD
(ngưỡng)
8/26/2012
9
Ch3 - DAS
17
Precision (độ lặp lại)
• Là khả năng của thiết bị cho ra cùng 1 giá trị khi lặp
lại phép đo cùng 1 đại lượng trong cùng 1 điều kiện:
– Độ lặp lại được hiểu là sự nhất quán giữa các lần đo liên
tiếp cùng 1 đại lượng, nó không nói lên giá trị đó gần với

giá trị thực.
– Precision là điều cần chứ không là điều kiển đủ để đánh giá
độ chính xác
• 2 thuật ngữ liên quan mật thiết đến precision
– Repeatability: Độ lặp lại của 1 tập các phép đo trong 1 thời
gian ngắn
– Reproducibility: là độ lặp lại của 1 tập các phép đo nhưng:
• được thực hiện trong khoảng thời gian dài, hoặc
• do các người khác nhau thực hiện hoặc
• dùng các dụng cụ đo khác nhau hoặc
• trong các phòng thí nghiệm khác nhau
Ch3 - DAS
18
Example
• Phóng tiêu (DART)
– Độ phân ly
– Kích thước của vùng được tạo bởi phi tiêu
– Which shooter is more accurate?
– Which shooter is more precise?
8/26/2012
10
Ch3 - DAS
19
Accuracy and errors
• Sai số hệ thống: (Systematic Errors)
– Là nguyên nhân từ nhiều yếu tố khác nhau
– Do các đại lượng khác can thiệp vào hoặc các sự biến đổi
khác (i.e., temperature)
– Trôi mạch điện tử, các kết cấu cơ, hóa (i.e., changes in
chemical structure or mechanical stresses)

– Quá trình đo làm thay đổi đối tượng đo. (i.e., loading
errors, electro-mechanic Voltmeter)
– Khi truyền dẫn làm thay đổi tín hiệu (i.e., suy giảm, méo)
– Sai số chủ quan (i.e., quan sai: sai do mắt nhìn, quan niệm
của mỗi người)
– Sai số hệ hệ thống có thể được bù trừ bằng các phương
pháp khác nhau (như phản hồi, lọc)
Ch3 - DAS
20
• Sai số ngẫu nhiên:
– Còn được gọi là nhiễu: tín hiệu không chứa thông tin đo
– Sai số ngẫu nhiên thực sự (ồn trắng - white noise) có phân
bố Gauss
– Nguồn nhiễu ngẫu nhiên:
• Độ lặp lại của chính đối tượng đo (i.e., height of a rough surface)
• Nhiễu môi trường (i.e., background noise picked by a microphone)
• Nhiễu đường truyền (i.e., 60Hz)
– Tỷ số tín hiệu/nhiễu nhỏ. Thường thì SNR phải >>1
– Khi biết đặc tính của tín hiệu thì có thể tách ra khỏi nền
nhiễu với điều kiện SNR>>1 (i.e., understanding speech in a
loud environment)
Accuracy and errors:
8/26/2012
11
Ch3 - DAS
21
Example: systematic and random errors
Ch3 - DAS
22
Các đặc tính tĩnh khác:

• Input range:
– The maximum and minimum value of the physical variable that can be
measured (i.e., -40F/100F in a thermometer)
– Output range can be defined similarly
• Độ nhạy (Sensitivity)
– Độ dốc của đường đặc tính y=f(x)
• 1 sensor lý tưởng sẽ có độ nhạy lớn và ổn định
– Sai số liên quan đến độ nhạy: bão hòa và vùng chết
• Độ tuyến tính: Linearity
– Là sự gần đúng của đặc tính thực so với đường thẳng mẫu (i.e., đặc tính
lý thuyết khớp với giá trị bình phương cực tiểu)
• Tính đơn điệu (Monotonicity)
– Đặc tính của sensor cần phải đơn điệu
• Trễ của đặc tính: Hysteretic
– Giá trị ra khác nhau khi giá trị vào giống nhau nhưng ở 2 chiều tăng và
giảm (i.e., magnetization in ferromagnetic materials)
• Backslash: hystheresis caused by looseness in a mechanical joint
8/26/2012
12
Ch3 - DAS
23
Dynamic characteristics
• Đáp ứng của sensor khi đại lượng vào biến thiên khác
với đại lượng vào ổn định
• Là do có các phần tử kho năng lượng
– Quán tính (Inertial): masses, inductances
– Capacitances: electrical, thermal
• Đặc tính động được xác định bởi việc phân tích các
đáp ứng của sensor với một họ các đại lượng vào
khác nhau về dạng sóng

– Impulse, step, ramp, sinusoidal, white noise…
Ch3 - DAS
24
Các mô hình động (Dynamic models)
• Đáp ứng động của sensor (typically) được
coi như tuyến tính
– Như vậy, có thể mô hình hóa bởi phương trình vp
tuyến tính hệ số hằng
- Thực tế, những mô hình này giới hạn về dạng
ptvp zero, first and second order. Những mô hình
cao hơn ít dùng.
8/26/2012
13
Ch3 - DAS
25
Dynamic models
• Những mô hình động thường được phân
tích theo biến đổi Laplace, biến đổi ptvp
thành đa thức
– Biểu diễn Laplace như 1 dạng mở rộng của
Fourier transform
• Phân tích Fourier được giới hạn cho sinus signals
– x(t) = sin(ωt) = e
-jωt
• Phân tích Laplace cũng có thể được thực hiện theo kiểu
hàm mũ
– x(t) = e
-σt
sin(ωt) = e
-(σ +jω)t

Ch3 - DAS
26
Tham khảo: Laplace Transform (review)
• The Laplace transform of a time signal y(t) is
denoted by
L[y(t)] = Y(s)
– The s variable is a complex number s=σ+jω
• The real component σ defines the real exponential behavior
• The imaginary component defines the frequency of oscillatory
behavior
• The fundamental relationship is the one that
concerns the transformation of differentiation
8/26/2012
14
Ch3 - DAS
27
• Other useful relationships are
Laplace Transform (review)
Ch3 - DAS
28
The Laplace Transform (review)
• Applying the Laplace transform to the sensor model yields
– G(s) is called the transfer function of the sensor
• The position of the poles of G(s) -zeros of the denominator-
in the s-plane determines the dynamic behavior of the sensor
such as
– Oscillating components
– Exponential decays
– Instability
8/26/2012

15
Ch3 - DAS
29
Pole location and dynamic behavior
Ch3 - DAS
30
Zero-order sensors
• Quan hệ giữa Input & output
bởi phương trình dạng:
– Zero-order là dạng đáp ứng
mong muốn của sensor
• Không trễ
• Bandwidth không xác định
• Sensor chỉ thay đổi biên độ tín hiệu
vào
– Zero-order systems: không chứa
phần tử kho điện
– Example of a zero-order sensor
• A potentiometer used to measure
linear and rotary displacements
– Mô hình này không thích hợp với
hệ đo dịch chuyển biến thiên
nhanh
8/26/2012
16
Ch3 - DAS
31
First-order sensors
• Quan hệ giữa Inputs &
outputs bởi ptvp bậc nhất

– First-order sensors chứa 1 phần
tử kho điện và một phần tử tiêu
tán
– Đáp ứng bước nhảy:
• y(t) = Ak(1-e
-t/τ
)
– A biên độ của bước nhảy
– k (=1/a0) là hs khuếch đại tĩnh,
được xác định bởi đáp ứng tĩnh
– τ (=a
1
/a
0
) là hằng số thời gian được
xác định bởi đáp ứng động
– Ramp response
• y(t) = Akt - Akτu(t) + Akτe
-t/τ
– Frequency response
• Thường được mô tả bởi biểu đồ
biên-pha
Ch3 - DAS
32
First-order sensor response
8/26/2012
17
Ch3 - DAS
33
Example of a first-order sensor

• A mercury thermometer
immersed into a fluid
– What type of input was applied to the
sensor?
– Parameters
• C: thermal capacitance of the mercury
• R: thermal resistance of the glass to heat
transfer
• θF: temperature of the fluid
• θ(t): temperature of the thermometer
– The equivalent circuit is an RC
network
Ch3 - DAS
34
Example of a first-order sensor
8/26/2012
18
Ch3 - DAS
35
3.2.2. Nguyên lý sensor
• Phân loại sensors
• Sensors cơ
• Sensors nhiệt
• Sensors hóa
Ch3 - DAS
36
Phân loại sensors:
• Sensors được phân loại theo các cách sau:
– Power supply requirements: Passive and active
– Nature of the output signal: Digital and analog

– Measurement operational mode: Deflection and
null modes
– Input/output dynamic relationships: Zero, first,
second order, etc.
– Measurand: Mechanical, thermal, magnetic,
radiant, chemical
– Physical measurement variable: Resistance,
inductance, capacitance, etc.
8/26/2012
19
Ch3 - DAS
37
Passive and active sensors
• Thụ động hay tự sinh (Passive or self-generating)
– Đáp ứng là tín hiệu điện, phát trực tiếp khi có kích thích từ
bên ngaòi, không cần nguồn điện cấp
• Output signal power comes from the stimulus
– Examples:
• Thermocouple
• Piezoelectric sensors
• Chủ động hay điều chế (Active or modulating)
– Các sensor này, khi hoạt động cần có nguồn cấp ngoài hoặc
tín hiệu kích thích từ ngoài
• Output signal power comes from the power supply
– Examples:
• Thermistors
• Chemo-resistors
Ch3 - DAS
38
Analog and digital sensors

• Analog sensors:
– Cho ra tín hiệu liên tục cả về biên
độ và thời gian hoặc không gian
– Hầu hết các đối tượng vật lý, theo
tự nhiên, là tín hiệu analog.
• Examples: Temperature,
displacement, light intensity
• Digital sensors:
– Đưa ra dạng tín hiệu là rời rạc,
các bước hoặc trạng thái 1/0
• Digital signals are more repeatable,
reliable and easier to transmit
– Examples: Shaft encoder, contact
switch
8/26/2012
20
Ch3 - DAS
39
Operational modes
• Chế độ so lệch (Deflection mode)
– Sensor hay thiết bị đo tạo ra đáp ứng là
độ lệch hay sự sai khác với giá trị ban
đầu
– Độ lệch tỷ lệ với đại lượng đo
• Chế độ cân bằng (Null mode)
– Sensor hoặc thiết bị đo tạo ra sự đối
trọng với đối tượng đo
• The influence and measurand are balanced
(typically through feedback) until they are
equal but opposite in value, yielding a null

measurement
– Null mode instrumentation can produce
very accurate measurements, but are not
as fast as deflection instruments
Ch3 - DAS
40
Mechanical measurands
• Displacement
– Resistive sensors
– Capacitive sensors
– Inductive sensors
• Force and acceleration
– Strain gauges
– Cantilever beam-based sensors
8/26/2012
21
Ch3 - DAS
41
Resistive displacement sensors
• A resistance with a movable contact (a potentiometer) may be
used to measure linear or rotational displacements
– A known voltage is applied to the resistor ends
– The contact is attached to the moving object of interest
– The output voltage at the contact is proportional to the displacement
• Notes
– Non-linearities as a result of loading effects
– Resolution due to limited number of turns per unit distance
– Contact wear as a result of frictions
Ch3 - DAS
42

Capacitive displacement sensors
• The capacitance of a parallel plate capacitor is
d is the separation between the plates, A is the area of the plates, ε0 is the
permitivity of air and εr is the relative permitivity of the dielectric
• A moving object is attached to the dielectric or the plates to generate
capacitance changes
Notes
- Variable distance (d) sensors operate over a range of a few millimeters
- Cross-sensitivity to temperature and humidity (specially if the dielectric is air)
- Capacitive sensors are also commonly used to measure pressure
“Condenser” microphones measure changes in air pressure of incoming sound
waves
8/26/2012
22
Ch3 - DAS
43
Sensor đo dịch chuyển kiểu điện cảm
• Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear
Variable Differential Transformer -
LVDT)
– Sự dịch chuyển của lõi từ làm thay đổi hỗ cảm
của 2 cuôn thứ cấp (phụ thuộc vào sơ cấp)
• Primary coil voltage: V
S
sin(ωt)
• Secondary coil induced emf: V
1
=k
1
sin(ωt+ϕ)

and V
2
=k
2
sin(ωt+ϕ)
• Induced emf – electromotve force, suất điện
động cảm ứng
– k
1
và k
2
phụ thuộc vào sự lắp đặt vị trí giữa sơ
và thứ cấp.
– Khi lõi (core) nằm giữa, k
1
=k
2
=> V
OUT
=V
1
-V
2
= 0
• Khi lõi dịch chuyển 1 lượng x, k1≠k2 =>
V
OUT
=(k
1
-k

2
)sin(ωt+ϕ)
• Dịch lên hay xuống được xác định bởi pha của
V
OUT
Ch3 - DAS
44
Inductive displacement sensors (cont)
• LVDT Characteristics
– Typical LVDTs run at 5V, 2kHz
– LVDTs can measure from mm down to μm
– Due to small variations in the windings, a small
residual voltage appears at the output when the coil
is in the central position
• Advantages of the LVDT over other
displacement sensors
– No mechanical wear ensures a long life
– Complete electrical isolation
– DC versions with integrated oscillators are
available
8/26/2012
23
Ch3 - DAS
45
Điện trở lực căng (Strain gauges)
• Strain gauges thay đổi R khi lực căng thay đổi
(piezo-resistive effect)
– Strain is a fractional change (ΔL/L) in the
dimensions of an object as a result of mechanical
stress (force/area)

– The resistance R of a strip of material of length L,
cross-section A and resistivity ρ is R=ρL/A
– Differentiating, the gauge factor G becomes
Ch3 - DAS
46
8/26/2012
24
Ch3 - DAS
47
Strain gauges
• Cấu tạo và sử dụng:
– Thường, strain gauges bao gồm lá kim loại
(foil) hoặc dây wire được phủ bởi 2 lá cách
điện (polyimide)
– Gauge được dán vào vật bằng keo dán
– Các đường dẫn dọc được sắp đặt theo chiều
của lực căng.
– Độ nhậy của sự biến dạng ngang có thể
được bỏ qua.
• Chú ý:
– Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến gauges bán
dẫn
• Để bù T, thường hay đặt thêm một
“dummy” gauges có cùng hiệu ứng T nhưng
không cho chịu lực, bù vi sai.
– Sự thay đổi R là rất nhỏ
• Strain gauges are almost invariable used in a
Wheatstone bridge
Ch3 - DAS
48

Force and acceleration sensors
• Force sensors
– The coupled-double-beam load cell
• Dumb-bell cut-out provides areas of
maximum strain for the gauges
• Cantilever beam bends in an S-shape
– This induces both compressive and
tensile strains that can be easily
measured in a bridge arrangement
• Acceleration sensors
– Spring-mass-damper accelerometer
• Covered in the previous lecture
– Cantilever-beam with strain gauges
• A seismic mass is attached to the end of
the cantilever
– Dampening is usually performed with
viscous fluids or permanent magnets
8/26/2012
25
Ch3 - DAS
49
Temperature sensors
• Thermo resistive sensors
– Resistive Temperature Devices (RTD)
– Thermistors
• Thermoelectric sensors
– The Seebeck effect
– The Peltier effect
– Thermocouples
• p-n junction sensors

– Covered in the Lab
Ch3 - DAS
50
Thermoresistive sensors