ĐẶC TRƯNG CỦA CẢM BIẾN

0

ĐẶC TRƯNG CẢM BIẾN


1

o Cảm biến có đặc trưng điện trở
  _ điện trở của vật liệu được định nghĩa : R =
l

Điện trở phụ thuộc vào thông số hình dạng R  a
 chiều dài của dây (l)
 diện tích mặt cắt (a)

 Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ
 số lượng điện tử tự do (n)
 thời gian thực giữa mối nối ()
 Điện trở thay đổi theo nhiệt độ dùng
làm cảm biến nhiệt :
 Một số loại có quan hệ gần như
tuyến tính giữa nhiệt độ T(°C)
và điện trở R (Ω)
 Thí dụ: nhiệt điện trở (PT100)
R = ( 1+ 0.0039 T ) 

R

l

m l



a

ne2 a


4

Hàm truyền cảm biến có kết hợp mạch gia công
Cảm biến khi kết hợp mạch gia công ( xử lý tín hiệu
điện ) sẽ tạo ra được tín hiệu có dạng chuẩn hóa
 Thí dụ : Pt 100 kết hợp với mạch phân áp tạo được ở ngõ ra
một điện áp DC

Vout 

R5 (3.01kΩ)
V1
(5V)

Rt, R0 = 100 Ω



RR
t

Vout

4
1
39.0810
t  
0

Rt
V1
Rt  R 5


Đặc trưng cơ bản

2

Cảm biến PT100
toàn tầm ngõ nhập : +200°C
toàn tầm ngõ ra :
3V
tầm đo:
-100°C +200°C
giai đo:
300°C , 2V






toàn tầm ngõ nhập : giá trị lớn nhất của ngõ nhập

toàn tầm ngõ ra : giá trị ngõ ra khi ngõ nhập có giá trị lớn nhất
tầm đo: các giá trị thấp nhất và cao nhất của đại lượng đo
giai đo: sai biệt đại số giữa các giá trị cao nhất và thấp nhất của ngõ
nhập hay của ngõ ra


3

truyền
 HàmVới
Pt 100

R = ( 1+ 39.08 x T )

 Hàm truyền tuyến tính : s = a + b∙m
s = 10 + 0.1∙m

m = (s – 10) / 0.1

 độ nhạy là sự thay đổi ngõ nhập để tạo ra sự thay đổi một đơn vị
trong ngõ ra .
 offset là giá trị đang có của ngõ ra khi ngõ vào đang là zero
 cảm biến có hàm truyền tuyến tính thường được lựa chọn sử dụng
 cân chuẩn đơn giản ( do chứa ít thông số không thể xác định)
 độ nhạy là hằng số (đơn giản cho mạch gia công)



5

Xác định hàm truyền cho một cảm biến cụ thể ?
cân chuẩn: là thực nghiệm cho việc xác định hàm truyền
 tiến trình cân chuẩn
 ráp cảm biến vào mạch điện đã biết
 đo Vout tại nhiệt độ đã biết
 lặp lại các phép đo tại các điểm nhiệt độ khác nhau
 thiết lập hàm truyền

R5 (3.01kΩ)
V1 (5V)
Rt, R0 = 100 Ω

Vout


6

truyền
 HàmVới
Pt 100

R = ( 1+ 39.08 x T )

 Hàm truyền tuyến tính : s = a + b∙m
s = 10 + 0.1∙m

m = (s – 10) / 0.1

 độ nhạy là sự thay đổi ngõ nhập để tạo ra sự thay đổi một đơn vị
trong ngõ ra . Hàm truyền tuyến tính độ nhạy chính là độ dốc đáp ứng

 offset là giá trị đang có của ngõ ra khi ngõ vào đang là zero
 cảm biến có hàm truyền tuyến tính thường được lựa chọn sử dụng
 cân chuẩn đơn giản ( do chúa ít thông số không thể xác định)
 độ nhạy là hằng số (đơn giản cho mạch gia công)



 Khái niệm tuyến tính hóa hàm truyền
Trong thực tế , rất hiếm có cảm biến có đặc trưng hàm truyền
tuyến tính . Nhưng nếu khi vẽ mối quan hệ vào/ ra đó là một
đường thẳng đi qua các điểm đặc biệt trong tầm hoạt động ,
thì cũng có thể qui về có hàm truyền tuyến tính .
Khi cần thiết ,có thể tuyến tính hóa hàm truyền bằng cách :
* đường thẳng được vẽ bằng cách nối điểm đầu và điểm
cuối của tầm đo
* tuyến tính hóa độc lập : đường thẳng được định vị bằng
cách tối thiểu hóa độ lệch giữa nó và hàm truyền thực .
Nhà sản xuất thường chọn cách này để đưa vào data sheet


Hàm
  truyền phi tuyến
Hàm truyền ở dạng :
_ hàm log
s = A + B. ln (m)
_ hàm mũ
s=A
_ hàm lũy thừa s = A + B
Các hàm đa biến sẽ được sử dụng khi các dạng trên không
mô tả được hàm truyền :

_ hàm bậc hai s = A + Bm + C
_ hàm bậc ba s = A + B + Cm + D
Mô hình toán được chọn theo yêu cầu cho độ chính
xác khi sử dụng cảm biến.
Trong trường hợp này ,độ nhạy sẽ thay đổi trong tầm đo và
sẽ chỉ được xác định qua phép tính đạo hàm.


Khi ngõ nhập bị ảnh hưởng điều chế
( modifying inputs)
Các phương thức tạo ra sự điều chế trong ngõ nhập
tạo ra ảnh hưởng đến sự tuyến tính và độ nhạy của cảm
biến. Thí dụ như nguồn cấp điện cho hoạt động cảm biến
là sự điều chế mạnh nhất ở ngõ nhập có thể điều chế
ngõ ra cảm biến và từ đó tiếp tục điều chế thông số độ
phân giải và độ nhạy .
Độ phân giải :
Còn được gọi là độ tách biệt (detection ) , là sự thay
đổi nhỏ nhất trong kích thích ngõ nhập đủ tao ra một sự
thay đổi ở ngõ ra có thể nhận biết được.
Đây là thông số luôn được cập nhật theo công nghệ ,
do đó trong thiết kế phải chú ý đọc kỹ data sheet để chọn
cảm biến luôn có độ phân giải thỏa mãn yêu cầu .


  Các đặc trưng không mong muốn có từ cảm biến
là các đặc trưng không thể mô tả chính xác được bằng
toán học hay đồ thị , công cụ nhận biết thường phải qua
phương pháp thống kê như sai số hoặc dung sai .
Dung sai : Nếu data sheet của cảm biến thông báo mức

độ dung sai cho phép là thì họ không thể bán các sản phẩm
có sai số ngoài tầm cho phép này .
Sai số : ( sẽ khảo sát phần sau )


Đặc trưng cảm biến dạng tích hợp
Khi chế tạo cảm biến cần phải dựa trên định luật vật
lý cho phép chuyển đổi đại lượng vật lý cần chuyển
đổi thành tín hiệu điện . Điều gì xảy ra khi chưa tồn
tại định luật này ?
Bằng cách sử dụng nguyên tắc trung gian , đại lượng
vật lý cần đo được chuyển đổi thành đại lượng sơ cấp ,
mà từ đại lượng này có thể dùng các cảm biến cơ bản
để chuyển đổi thành tín hiệu điện .
Thí dụ ; muốn có cảm biến đo trọng lực ( khối lượng )
ta sẽ cho khối lượng vật tác động trên một vật làm
chứng sẽ tạo ra sự biến dạng của nó theo đặc tính của
vật rắn đàn hồi . Dán một cảm biến biến dạng ( strain
gage ) trên vật chứng này để tạo ra tín hiệu điện là sự
thay đổi điện trở của cảm biến .