Cảm biến đo lường và xử lý tín

Company
LOGO
PowerPoint Template
www.themegallery.com
Company
LOGO
Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu
Hà Nội-2011
CHƯƠNG I
CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN
1.1.Khái niệm và phân loại cảm biến
1.1.1.Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng
vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành
các đại lượng điện có thể đo và xử lý được
Đại lượng cần đo m
Cảm biến
Đại lượng điện s
s=F(m)
1.1.2.Phân loại cảm biến
Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau:
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích:
Hiện tượng vật lý : nhiệt điện,quang điện,quang từ,điện từ,quang đàn
hồi,từ điện,nhiệt từ…
Hóa học : biến đổi hóa học,biến đổi điện hóa,phân tích phổ…
Sinh học : Biến đổi sinh hóa,biến đổi vật lý,hiệu ứng trên cơ thể sống…
Phân loại theo dạng kích thích :
Âm thanh : Biên pha,phân cực,phổ,tốc độ truyền sóng…
Điện : Điện tích,dòng điện,điện thế,điện áp,điện
trường(biên,pha,phân cực,phổ),điện dẫn,hằng số điện môi…
Từ : Từ trường(biên,pha,phân cực, phổ),từ thông,cường độ từ

trường,độ từ thẩm…
Quang : Biên,pha,phân cực,phổ,tốc độ truyền,hệ số phát xạ,khúc xạ,hệ
số hấp thụ,hệ số bức xạ…
Cơ : Vị trí,lực,áp suất,gia tốc,vận tốc,ứng suất,độ cứng,mô
men,khối lượng,tỉ trọng,vận tốc chất lưu,độ nhớt…
Nhiệt : Nhiệt độ,thông lượng,nhiệt dung,tỉ nhiệt…
Bức xạ : Kiểu,năng lượng,cường độ….
Theo tính năng của bộ cảm biến :
Độ nhạy,độ chính xác,độ phân giải,độ chọn lọc,độ tuyến
tính,công suất tiêu thụ,dải tần,độ trễ,khả năng quá tải,tốc
độ đáp ứng,độ ổn định,tuổi thọ,điều kiện môi trường,kích
thước,trọng lượng…
Theo phạm vi sử dụng :
Công nghiệp,nghiên cứu khoa học,môi trường,khí tượng,thông tin,
viễn thông,nông nghiệp,dân dụng,giao thông,vũ trụ,quân sự…
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 được đạc trưng bằng các thông số
R,L,C,M…tuyến tính hoặc phi tuyến.
1.2.Đường cong chuẩn của cảm biến
1.2.1.Khái niệm
Biểu thị sự phụ thuộc của đại lượng điện điện (s) ở đầu ra với
đại lượng đo (m) ở đầu vào.
Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức dưới dạng s=F(m) ,hoặc
bằng đồ thị :
s
m
s
m
a)

b)
a)Đường cong chuẩn
b)Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
Dựa vào đường cong chuẩn của biến,ta có thể xác định chưa biết thông
qua giá trị đo được của s
i
m
i
s
Để dễ sử dụng,s=F(m) có dạng s=am + b với a,b là các hệ số
1.2.2.Phương pháp chuẩn cảm biến
Mục đích : Xác định quan hệ giữa giá trị s đo được cua đại
lượng m có tính đến ảnh hưởng .Khi chuẩn cảm biến ,với một
loạt giá trị đã biết chính xác của m,đo giá trị tương ứng
của s và dựng đường cong chuẩn.
i
m
i
s
m
s
m
m
s
s
Phương pháp chuẩn cảm biến
a)Chuẩn đơn giản : Đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác
động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với
tác động của các đại lượng ảnh hưởng.
Chuẩn trực tiếp : các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các

mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ
chính xác cao
Chuẩn gián tiếp : Kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn
đường cong chuẩn,cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc .
Chuẩn nhiều lần : Cho phép xác định đương cong chuẩn
theo cả hai hướng đo tăng dần và giảm dần.
Cách tiến hành :
Đặt lại điểm 0 của cảm biến : s=0,m=0
Đo giá trị đầu ra tăng dần theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực
đại.
1.3.Các đặc trưng cơ bản
1.3.1.Độ nhạy của cảm biến :
a)Khái niệm :
i
m
m
s






∆
∆
s=F(m)
i
m
m
s

S






∆
∆
=
: biến thiên của đại lượng đầu ra
:biến thiên đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị
sV
mV
i
m
b)Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh
Chế độ tĩnh: ứng với mi của m xác định được si của s
Độ nhạy trong chế độ tĩnh tại điểm làm việc Qi ( , )

i
m
i
s
i
Q
s
r
m
 

=
 ÷
 
i
r
: tỷ số chuyển đổi tĩnh không phụ thuộc vào Qi chỉ bằng S khi đặc trưng
tĩnh là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
c)Độ nhạy trong chế độ động :
Chế độ động : m(t) = mo + m1cosωt
s(t) = so + s1cos(ωt +Ψ)

Trong đó :
so : giá trị không đổi tương ứng với mo xác định điểm làm việc Qo trên đường cong
chuẩn ở chế độ tĩnh
s1 :biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần của đại lượng đo gây nên
Ψ : độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra
Độ nhạy trong chế động ở điểm dừng Qo:
Trong đó: s1,m1 lần lượt là biên độ của biến thiên đầu ra và đầu vào ứng với điểm làm
việc Qo
S=S(f) : phụ thuộc vào tần số đại lượng đo
o
Q
m
s
S









=
1
1
1.3.2.Độ tuyến tính
a)Khái niệm :
Cảm biến tuyến tính trong 1 dải gía trị của m nếu ở đó S không phụ thuộc m
Độ tuyến tính bao gồm sư không phụ thuộc của S(0) vào đại lượng đo,đồng thời tần
số riêng của dao động,hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo
0
f
b)Đường thẳng tốt nhất
Cảm biến tuyến tính :N điểm thực nghiệm (si,mi) không trên đường thẳng.
Chuẩn cảm biến tiến hành với N điểm,phương trình có dạng:
s=am+b
Trong đó :
( )
∑ ∑
−
∑ ∑ ∑
−
=
2
2
i
i
iiii
mmN

m.smsN
a
( )
∑ ∑
−
∑ ∑ ∑
−
∑
=
2
2
2
i
i
iii
i
i
mmN
m.msms
b
c)Độ lệch tuyến tính : độ lệch cực đại giữa đường thực nghiệm và đường lý
thuyết
1.3.3.Sai số và đọ chính xác
Cũng như các dụng cụ đo lường khác các bộ cảm biến cũng
có sai số ở đây là giá trị đo được và giá trị thực của đại
lượng cần đo.
[%]
.100
x
x

δ
=
V
Trong đó : :sai số tương đối của bộ cảm biến
:độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x
δ
xV
Hai loại sai số :
Sai số hệ thống :do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng,do đặc
tính của bộ cảm biến,do điều kiện và chế độ sử dụng,do xử lý kết quả
đo.
Sai số ngẫu nhiên : do sự thay đổi đặc tính thiết bị,do tín hiệu nhiễu
ngẫu nhiên,do cac đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi
chuẩn cảm biến.
1.3.4.Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời
gian của đại lượng vào biến thiên.Thời gian hồi đáp là đại lượng sử dụng để tính
toán độ nhanh.
Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng thay đổi đột ngột đến khi
biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới
hạn ξ tính bằng %
Thời gian hồi đáp xác định thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến
thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác cho
trước.Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm
của các thông số thời gian xác định chế độ này
Thời gian hồi đáp của hệ bậc nhất :
)t(mBs
dt
ds
A =+

Trong giải đo : m=0 khi t<0
m=m0 khi t
≥0
o
mBs
dt
ds
A =+












τ
−−=
t
expss
o
1
B
m
s
o

o
=
B
A
=τ
:Hằng số thời gian
Thời gian hồi đáp xác định trên đồ thị s/so = f(τ) hoặc từ biểu thức của s
Thời gian đáp ứng của hệ bậc hai
Phương trình vi phân của hệ bậc hai
)t(mCs
dt
ds
B
dt
sd
A =++
2
2
Trong dải đo : m=0 khi t<0
m=m0 khi t≥0
o
mCs
dt
ds
B
dt
sd
A =++
2
2

Điều kiện ban đầu : s=0 và ds/dt=0 khi t=0
Đặt :tần số riêng
:hệ số suy giảm

A/Cf
oo
=π=ω 2
CA
B
2
=ξ
Nghiệm của phương trình phụ thuộc giá trị của ξ
ξ<1 suy giảm yếu
ξ =1 suy giảm tới hạn
ξ >1 suy giảm mạnh
















ϕ+ωξ−
ξ−
ξω−
−= tsin.
)texp(
ss
o
o
o)t(
2
2
1
1
1
[ ]
)texp()t(ss
ooo)t(
ω−ω+−= 11
2
1 ξ−=ϕ arcsin












ω






−ξ+ξ−
−ξ
−ξ+ξ
−= texpss
oo)t(
1
12
1
2
2
2





+







ω






−ξ−ξ−
−ξ
−ξ−ξ
+ 11
12
1
2
2
2
texp
o
Nhận xét: - thời gian đáp ứng tỷ lệ nghịch với ωo
- tr tính từ các biểu thức (*) (**) (***)
*
**
***
1.3.5.Giới hạn sử dụng cảm biến
a) Vùng làm việc danh định: điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến
b)Vùng không gây nên hư hỏng: có sự thuận nghịch quay về chế độ ban đầu
⇒
không cần chuẩn lại cảm biến
c)Vùng không phá hủy: không có sự thuận nghịch quay về chế độ ban đầu

⇒
cần chuẩn lại cảm biến
1.4.Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực
Nguyên lý : Dựa trên các hiệu ứng vật lý chia làm hai loại : cảm biến tích
cực,cảm biến thụ động.
1.4.1.Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực
a. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn
b.Hiệu ứng hỏa điện
c.Hiệu ứng áp điện

F
F
e. Hiệu ứng Hall
1.4.2.Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động
Được chế tạo từ chở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo.
Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra chuyển động của phần tử chuyển
động hay biến dạng của cảm biến
Chọn vật liệu làm cảm biến.
Đại lượng
đo m
Đặc trưng
nhạy cảm
Vật liệu
Nhiệt độ ρ Pt, Ni, Cu
Bán dẫn (Si)
Biến dạng ρ, μ Hợp kim Ni, sắt từ, Si
pha tạp
Độ ẩm ρ
ε
LiCl

Al2O3
1.5.Mạch đo
1.5.1.Sơ đồ mạch đo
Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến ) cho phép xác định chính
xác các giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.
Ở đầu vào của mạch,cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo gây nên tín hiệu
điện mang theo thông tin về đại lượng cần đo.
Ở đàu ra của mạch,tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang dạng có thể đọc
trực tiếp giá trị cần đo.Việc chuẩn đo đảm bảo cho mỗi giá trị của đầu ra tương ứng với
một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào cảu mạch.
Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến,bộ phận chuyển đổi tín hiệu và thiết bị
chỉ thị,ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt nối trực tiếp với một milivoon kế.
Sơ đồ mạch đo nhiệt đọ bằng cặp nhiệt
FC (1)
D (2)
PA (3)
PC (4
ADC(6)
(5)
CPU(7)
Màn
hình
Máy in
Mạch đo điện thế bề mặt
1)Máy phát chức năng 2)Cảm biến điện tích 3)Tiền khuếch đại
4)So pha lọc nhiễu 5)Khuếh đại 6)Chuyển đổi tương tự 7)Máy tính
Thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi đo,mạch đo thường gồm nhiều thành phần trong đó
có các khối để rối ưu hóa việc thu thập và xử lý dữ liệu.
1.5.2.Một số phần tử cơ bản của mạch đo
a)Bộ khuếch đại thuật toán(KĐTT)

Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch đại dòng một chiều có hai đầu
vào và một đầu ra gồm hàng trăm trazinto và các điện trở,tụ điện ghép nối với nhau
Các đặc điểm cơ bản của bộ KĐTT
-Bộ KĐTT có 2 đầu vào : 1 đầu đảo (-),1 đầu không đảo (+).
-Điện trở vào rất lớn,cỡ hàng trăm M−µ đến G
-Điện trở ra rất nhỏ,cỡ vài chục
-Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ,cỡ vài nV
-Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100.000
-Dải tần làm việc rộng.
-Hệ số suy giảm nối chung CMRR vào khoảng 90dB.
-Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/µs
Ω Ω
Ω
b)Bộ khuếch đại đo lường IA
Bộ KĐ đo lường IA có 2 đầu vào 1 đầu ra.Tín hiệu
đầu vào tỉ lệ với hiệu của 2 điện áp đầu vào:
Ura =A(U+ -U- )=A. U
∆
Sơ đồ mạch KĐ đo lường gồm 3 KĐTT ghép nối điện trở
Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và tăng
điện trở vào của KĐTT.Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào biên độ nhưng
ngược chiều U và tạo nên dòng điện i= .Các điện áp đầu ra từ KĐTT. U1 =U2
ngược pha ,U3 biến đổi vi sai thành đầu ra đơn cực.Hệ số KĐ tổng IA : A=(1+ )
∆
a
U
R
V
3
1

R
R
2
a
R
R
c)Khử điện áp lệch.
Đối với các mạch KĐTT lý tưởng khi hở mạch phải có điện áp ra bằng 0 khi
2 đầu vào nối mát.Thực tế vì các điện áp bên trong nên tạo ra một điện áp
nhỏ( điện áp phân cực ) ở đầu KĐTT cỡ vài mV,nhưng khi sử dụng mạch kín
tạo nên diên áp khá lớn ở đầu ra.Để khử diện áp lệch có thể sử dụng sơ đồ
sau,bằng cách điều chỉnh biến trở R3
d)Mạch lặp lại điện áp
Sử dụng KĐTT làm việc ở chế độ không đảo với hệ số khuếch đaị bằng 1
Chức năng : Tăng điện trở đầu vào,do vậy thường dùng để nối giữa 2 khâu trong mạch
đo.
e)Mạch cầu
Cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ,áp
suất,từ trường…

Trong mạch cầu,điện áp ra là phi tuyến nhưng đối với biến đổi nhỏ ( <0.05 ) có
thể coi là tuyến tính.R1 =R2 và R3 =R4 độ nhạy của cầu là cực đại.Đặt K=R1
/R2 độ nhạy của cầu là :

∆
2
(1 )
U K
R k
α

=
+