Khảo sát và thiết kế một số hệ cân bằng cảm biến khối lượng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.2 MB, 138 trang )
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Lý Anh Tú
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ..................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ..................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ - TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA,
Ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
1
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
ĐHBK TPHCM-2009
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
----------------
---oOo--Tp. HCM, ngày 01 tháng 02 năm 2009
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN QUANG TRƯỞNG
Phái: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 20-03-1979
Nơi sinh: Bình Định
Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật
MSHV: 01206275
1- TÊN ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT VÀ THIẾT KẾ MỘT SỐ HỆ CÂN BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
1. Khảo sát tổng quan về cảm biến trong đo lường, cơ sở lý thuyết về đo lường khối
lượng, các hệ cân điện tử.
2. Phân tích và đề xuất các linh kiện sử dụng, thiết kế phần cứng, các chương trình
điều khiển cũng như xây dựng phần mềm giao tiếp với máy tính.
3. Đo và phân tích các kết quả đạt được trên hệ cân bằng cảm biến khối lượng đã thiết
kế.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01-02-2009
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 20-12-2009
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Lý Anh Tú
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
2
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã truyền đạt kiến thức chuyên ngành, làm
nền tảng cho tơi hồn thành đề tài trong suốt thời gian tôi theo học Cao học tại Đại
học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Tơi cũng xin chân thành cảm ơn Thầy Huỳnh Quang
Linh đã tạo tiền đề cho tôi thực hiện luận văn này. Tơi xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến
Thầy Lý Anh Tú, đã động viên, cung cấp kiến thức và luôn tận tâm hướng dẫn tôi trong
suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi gửi những lời cảm ơn và những lời chúc tốt đẹp nhất đến tập thể các anh chị,
các bạn học viên cao học đã từng học chung với tôi trong những năm qua.
Tơi gửi lời tri ân đến gia đình, là những người luôn cận kề, động viên và tạo những
điều kiện thuận lợi nhất để tơi có thể hồn thành tốt luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009
Nguyễn Quang Trưởng
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
3
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Từ giữa sau thế kỷ XX, sự phát triển của công nghệ cảm biến cùng với các bộ vi xử
lý đã mang lại nhiều ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau của nhân loại.
Cảm biến trở thành một phần không thể thiếu trong các ứng dụng của khoa học, công
nghiệp và tiêu dùng. Các hệ thống số tuy phức tạp và thông minh, nhưng chúng chỉ có
thể nhận thơng tin từ thế giới bên ngoài nhờ các cảm biến. Các cảm biến là thiết bị giao
tiếp giữa các tín hiệu vật lý khác nhau và các mạch điện tử. Nói một cách khác, các bộ
cảm biến là mắt, tai và mũi của các bộ xử lý, robot công nghiệp, người máy, thiết bị
máy móc…. Trong đo lường, các cảm biến biến đổi các tín hiệu vật lý cần đo như nhiệt
độ, áp suất, lực,… thành tín hiệu điện để xử lý và tính toán bởi mạch điện tử. Với sự ra
đời của cảm biến khối lượng (load cells) kết hợp với mạch điện tử đã làm thay đổi lớn
trong việc xác định khối lượng so với các phương pháp cơ học trước kia. Nhờ tính linh
hoạt của vi mạch điện tử: bộ vi xử lý, ngày nay việc xác định khối lượng của một vật
không chỉ đơn giản là xác định khối lượng như các phương pháp cơ học mà nó cịn có
thể giao tiếp với máy tính, điều khiển các thiết bị khác,… Tuy nhiên, ở nước ta chưa tự
thiết kế và sản xuất được một sản phẩm thương mại nào. Đứng trước nhu cầu đó, việc
khảo sát và thiết kế một số hệ cân bằng cảm biến khối lượng là một việc làm rất cần
thiết. Khảo sát và thiết kế này là bước khởi đầu để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và
hoàn thiện để cho ra đời các sản phẩm thương mại sản xuất tại Việt Nam.
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
4
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
ABSTRACT
From latter haft of the 20th century, the growing of sensor technology along with
microprocessors has brought in many applications in verious fields of humankind.
Sensors have become an essential part of scientific, industrial and consumer
applications. Digital systems, however complex and intelligent they might be, must
receive information from the outside world by sensors. Sensors are interface devices
between various physical signals and electronic circuits. In other words, sensors are the
eyes, ears and noses of microprocessors, industry robot, high technology equipments…
In measurement, sensor transforms physical variable of interest (the measurand) such
as temperature, pressure, force… into electric signals for processing and computting.
With the invention of strain gage load cells and electronic circuit made the great
change of weight determined compare with mechanical balance method before. By the
flexibility of micro-chip: microprocessor, today the weight measurement of an object
is not only simple measure like mechanical methods but also connected with computer,
control other devices,… However, in our country we haven’t designed and
manufactured any weighing scale yet. Grasping the importance of that, we have studied
and designed some weighing scales which are necessary to do. This studying and
designing is the first base to the further research, develope and complete for trading
products which made in Vietnam.
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
5
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
MỤC LỤC
Trang
Đề mục
Trang bìa
Thơng tin luận văn.................................................................................................1
Nhiệm vụ luận văn.................................................................................................2
Lời cảm ơn..............................................................................................................3
Tóm tắt ...................................................................................................................4
Mục lục ...................................................................................................................6
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ..................................................................9
CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI ..............................12
PHẦN 2: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN TRONG ĐO LƯỜNG ............................................13
1. Cảm biến, tín hiệu và hệ thống .....................................................................13
2. Phân loại cảm biến ........................................................................................15
3. Đơn vị đo ......................................................................................................17
4. Các đặc tính của cảm biến ............................................................................19
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƯỜNG KHỐI LƯỢNG .........33
1. Đo lường chính xác.......................................................................................33
2. Khối lượng và trọng trượng ..........................................................................36
3. Sự thay đổi trong gia tốc trọng trường..........................................................37
4. Các tiêu chuẩn trong đo lường khối lượng ...................................................37
5. Cảm biến khối lượng strain gage ..................................................................38
6. Các dụng cụ, thiết bị đo khối lượng..............................................................48
CHƯƠNG 3: CÁC HỆ CÂN ĐIỆN TỬ ............................................................51
1. Hệ cân phân tích............................................................................................51
2. Hệ cân cơng nghiệp.......................................................................................52
3. Hệ cân định lượng và đóng gói sản phẩm.....................................................54
4. Các thơng số kỹ thuật của cân điện tử ..........................................................55
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
6
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THỰC HÀNH
CHƯƠNG 1. CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG THIẾT KẾ .................57
1. Họ vi điều khiển MCS-5 ...............................................................................57
2. Bộ chuyển đổi tương tự - số CS5513............................................................77
3. Bộ khuếch đại thuật toán OPA2277..............................................................82
4. Cảm biến tải (load cells) ...............................................................................85
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG...........................................................86
1. Sơ đồ khối .....................................................................................................86
2. Chức năng các khối.......................................................................................87
3. Thiết kế chi tiết .............................................................................................88
3.1. Khối nguồn.................................................................................................88
3.2. Khối bàn phím............................................................................................89
3.3. Khối xử lý và điều khiển............................................................................90
3.4. Khối hiển thị LED......................................................................................91
3.5. Khối cảm biến tải .......................................................................................93
3.6. Khối giao tiếp dữ liệu nối tiếp ...................................................................95
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH...................................................96
1. Giải thuật chương trình chính .......................................................................96
2. Giải thuật chương trình qt phím ................................................................98
3. Giải thuật chương trình đọc dữ liệu ADC...................................................100
4. Giải thuật chương trình tính tốn khối lượng hiện hành.............................101
5. Giải thuật chương trình hiệu chuẩn.............................................................102
6. Giải thuật chương trình quét LED ..............................................................104
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHẦN MỀM GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH ..105
1. Giải thuật chương trình truyền dữ liệu nối tiếp...........................................105
2. Chương trình truyền dữ liệu ra máy tính ....................................................106
3. Giao diện chương trình ...............................................................................113
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
7
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
CHƯƠNG 5: ĐO VÀ PHÂN TÍCH CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC TRÊN
HỆ CÂN BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG ĐÃ THIẾT KẾ..............114
1. Mơ hình thiết kế ..........................................................................................114
2. Sai số hiệu chuẩn. .......................................................................................115
3. Độ lặp lại.....................................................................................................115
4. Sai số góc ....................................................................................................117
5. Độ hồi sai và tuyến tính ..............................................................................117
PHẦN 4: KẾT LUẬN ............................................................................................119
1. Kết quả đạt được .............................................................................................119
2. Hướng phát triển .............................................................................................120
Tài liệu tham khảo .................................................................................................121
Phụ lục ....................................................................................................................123
Mã nguồn chương trình
Sơ đồ nguyên lý tổng thể của thiết kế
Sơ đồ mạch in
Lý lịch trích ngang .................................................................................................138
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
8
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của các ngành điện tử viễn thông,
công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu… đặc biệt của các bộ vi xử lý, các cảm biến
được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Theo thời gian, công nghệ
cảm biến đã đạt được sự phát triển vượt bậc. Độ nhạy của các bộ cảm biến ngày càng
cao hơn, thời gian đáp ứng nhanh hơn, kích thước trở nên nhỏ hơn, tính lựa chọn tốt
hơn và giá cả thấp hơn.
Phần lớn các ứng dụng được điều khiển bằng máy tính mà các bộ vi xử lý là một
thành phần chính. Vi xử lý , đơi khi cịn được gọi là bộ vi xử lý, là một linh kiện điện
tử máy tính được chế tạo từ các tranzito thu nhỏ tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp
đơn. Khối xử lý trung tâm (CPU) là một bộ vi xử lý được nhiều người biết đến nhưng
ngoài ra nhiều thành phần khác trong máy tính cũng có bộ vi xử lý riêng của nó, ví dụ
trên card màn hình (video card) chúng ta cũng có một bộ vi xử lý. Trước khi xuất hiện
các bộ vi xử lý, các CPU được xây dựng từ các mạch tích hợp cỡ nhỏ riêng biệt, mỗi
mạch tích hợp chỉ chứa khoảng vào chục tranzito. Do đó, một CPU có thể là một bảng
mạch gồm hàng ngàn hay hàng triệu vi mạch tích hợp. Ngày nay, cơng nghệ tích hợp
đã phát triển, một CPU có thể tích hợp lên một hoặc vài vi mạch tích hợp cỡ lớn, mỗi
vi mạch tích hợp cỡ lớn chứa hàng ngàn hoặc hàng triệu tranzito. Nhờ đó cơng suất tiêu
thụ và giá thành của bộ vi xử lý đã giảm đáng kể. Sự tiến hóa của các bộ vi xử lý một
phần nhờ vào việc chạy theo Định luật Moore và hiệu suất của nó tăng lên một cách ổn
định sau hàng năm. Định luật này phát biểu rằng sự phức tạp của một mạch tích hợp sẽ
tăng lên gấp đơi sau mỗi chu kỳ 18 tháng. Và thực tế, sự phát triển của các bộ vi xử lý
đã bám sát định luật này từ những năm 1970. Nhờ đó, từ máy tính mẹ (mainframe
computer) lớn nhất cho đến các máy tính xách tay hiện nay đều sử dụng một bộ vi xử
lý nhỏ nhắn tại trung tâm của chúng
Các bộ vi xử lý là các thiết bị số điều khiển bằng các mã nhị phân từ các tín hiệu
điện. Tuy nhiên, chúng ta sống trong một thế giới, nơi mà các chức năng, các thiết bị,
các đối tượng hầu như khơng phải là số. Hơn nữa, thế giới này nhìn chung không phải
là chỉ là điện (một phần từ mức phân tử, nguyên tử). Các hệ thống số tuy phức tạp và
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
9
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
thơng minh, chúng chỉ có thể nhận thơng tin từ thế giới bên ngoài nhờ các cảm biến.
Các cảm biến là các thiết bị giao tiếp giữa các tín hiệu vật lý khác nhau và các mạch
điện tử. Nói một cách khác, các bộ cảm biến là mắt, tai và mũi của các “chip silicon “:
robot công nghiệp, người máy, thiết bị máy móc …. Cảm biến trở thành một phần của
cả thế giới, của nhân loại.
Hầu hết các tín hiệu vật lý đều được phát hiện hoặc cảm nhận bởi các bộ cảm biến,
giám sát bởi các bộ khuếch đại, các mạch điện và sau đó được hiển thị hoặc được ghi
lại. Trong lĩnh vực đo lường, cảm biến là một bộ phận quan trọng không thể thiếu trong
các thiết bị đo. Các tín hiệu vật lý như ánh sáng, nhiệt độ, áp suất, lực, gia tốc, … được
chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ cảm biến. Từ đó có rất nhiều cảm biến khác
nhau nhưng chúng được phân thành hai loại chính là cảm biến tích cực và cảm biến thụ
động. Cảm biến tích cực là cảm biến có thể tạo ra tín hiệu mà khơng cần bất kỳ nguồn
cung cấp bên ngồi nào. Ví dụ như tế bào quang điện, cặp nhiệt điện và thiết bị áp điện
(piezoelectric). Còn lại các cảm biến thụ động cần nguồn cung cấp bên ngoài. Chúng
hoạt động bằng cách điều chế điện áp hoặc dòng điện cung cấp. Phân loại khác của
cảm biến thụ động đôi khi thường được gọi là bộ chỉnh sửa, sử dụng cùng dạng năng
lượng tại đầu ra như tại đầu vào.
Khối lượng là thước đo về lượng (nhiều hay ít) vật chất chứa trong vật thể. Đơn vị
tiêu chuẩn đo khối lượng ở Việt Nam, tuân theo hệ đo lường quốc tế, là kilơgam. Các
quốc gia khác trên thế giới có thể sử dụng đơn vị đo khác.
Khối lượng của một vật là một đại lượng vật lý đặc trưng cho mức độ qn tính của
vật đó. Vật có khối lượng lớn có sức ì lớn hơn và cần có lực lớn hơn để làm thay đổi
chuyển động của nó. Mối liên hệ giữa quán tính với khối lượng được Isaac Newton
phát biểu trong định luật 2 Newton. Khối lượng của một vật cũng đặc trưng cho mức
độ vật đó hấp dẫn các vật thể khác, theo định luật vạn vật hấp dẫn Newton. Vật có khối
lượng lớn tạo ra xung quanh trường hấp dẫn lớn. Theo thuyết tương đối rộng của
Albert Einstein hai khối lượng này là một.
Khối lượng là một trong 7 đại lượng vật lý cơ bản của hệ đo lường quốc tế SI do vậy
việc xác định khối lượng của một vật là rất quan trọng. Trước đây việc xác định khối
lượng của một vật được thực hiện bằng phương pháp cơ học trên cơ sở xác định độ
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
10
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
giãn của lò xo hoặc bằng phương pháp so sánh (balance). Chúng có nhược điểm thiết bị
cồng kềnh và độ chính xác khơng cao. Phương pháp đo lường khối lượng dựa vào các
cảm biến khối lượng (load cell), còn gọi là cân điện tử ra đời đã khắc phục những
nhược điểm trên. Khối lượng của vật được đo dựa vào việc xác định trọng lượng của
vật.
Trong lĩnh vực đo lường khối lượng, cân điện tử ngày càng được sử dụng rộng rãi
trong phịng thí nghiệm, cơng nghiệp và thương mại, chúng dần dần thay thế các cân cơ
học vì tính chính xác và gọn nhẹ. Ngồi ra, cân điện tử có thể kết nối với máy tính hoặc
máy in để đưa dữ liệu khối lượng ra ngoài, giúp cho việc lưu trữ và xử lý được dễ dàng.
Cũng giống như các thiết bị đo khác, tùy thuộc vào mục đích sử dụng để chọn các dải
đo và độ chính xác thích hợp. Vì vậy mà các bộ cảm biến cũng được chế tạo và sử
dụng công nghệ phù hợp cho từng lĩnh vực sử dụng. Từ đó có các hệ cân hay thiết bị
xác định khối lượng khác nhau được sản xuất.
Ở nước ta hiện nay cân điện tử cũng được sử dụng rộng rãi, nhưng chúng ta phải
nhập khẩu từ nước ngồi. Chưa có nhà máy nào sản xuất cân điện tử cũng như sản xuất
cảm biến khối lượng (load cell). Chúng ta chỉ đang ở mức độ lắp ráp hoặc gia công một
phần trong các hệ thống. Đứng trước nhu cầu đó, việc khảo sát và thiết kế một số hệ
cân bằng cảm biến khối lượng là một việc làm rất cần thiết. Khảo sát và thiết kế này là
bước khởi đầu để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện để cho ra đời sản phẩm
thương mại mang thương hiệu Việt Nam.
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
11
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
Với những cơ sở khoa học và thực tiễn nêu trên, luận văn được đề ra là: Khảo sát và
thiết kế một số hệ cân bằng cảm biến khối lượng. Mục tiêu của đề tài hướng đến là
phục vụ cho việc nghiên cứu, học tập và giảng dạy, tạo tiền đề nghiên cứu, phát triển
và hoàn thiện để cho ra đời sản phẩm thương mại mang thương hiệu Việt Nam cũng
như đẩy mạnh số lượng các cơng trình nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Với mục tiêu như trên, các nhiệm vụ của đề tài được xác định như sau:
Về lý thuyết:
-
Khảo sát tổng quan về cảm biến trong đo lường.
-
Khảo sát cơ sở lý thuyết về đo lường khối lượng.
-
Khảo sát các hệ cân điện tử.
Về thực hành:
-
Phân tích và đề xuất các linh kiện sử dụng trong thiết kế.
-
Thiết kế phần cứng.
-
Thiết kế chương trình.
-
Xây dựng phần mềm giao tiếp với máy tính.
-
Đo và phân tích các kết quả đạt được trên hệ cân bằng cảm biến khối
lượng đã thiết kế.
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
12
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
PHẦN 2: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN TRONG ĐO LƯỜNG
1. Cảm biến, tín hiệu và hệ thống [1, 3, 4]
Cảm biến thường được định nghĩa như một bộ phận nhận đáp ứng tín hiệu hoặc các
kích thích vật lý. Mục đích của cảm biến là đáp ứng các tính chất vật lý đầu vào (kích
thích) và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện thích hợp với các mạch điện tử. Chúng ta có
thể nói rằng một cảm biến là một bộ chuyển đổi chung của giá trị không điện thành giá
trị điện. Khi nói đến tín hiệu điện, chúng ta muốn nói đến một tín hiệu có thể được
phân kênh, khuếch đại, và chỉnh sửa bởi các thiết bị điện. Tín hiệu đầu ra của cảm biến
có thể ở dạng điện áp, dịng điện hoặc điện tích. Các tín hiệu này có thể diễn tả sâu xa
hơn nữa là thuật ngữ của biên độ, tần số, pha hoặc mã số hố. Các đặc tính này được
gọi là định dạng điện đầu ra. Chính vì vậy mà một cảm biến có tính chất đầu vào và
tính chất điện đầu ra.
Kích thích vật lý là đại lượng, thuộc tính hoặc điều kiện được cảm biến hoặc được
chuyển đổi thành tín hiệu điện. Nó có nghĩa giống như đại lượng đo, tuy nhiên nó nhấn
mạnh vào đặc tính đại lượng của sự cảm biến.
Một cảm biến khơng hoạt động một mình, nó ln là một phần của một hệ thống lớn
mà có thể được kết hợp với nhiều bộ thu khác, bộ chỉnh sửa tín hiệu, bộ xử lý tín hiệu,
bộ nhớ, bộ ghi dữ liệu. Cảm biến có thể được đặt bên trong hoặc bên ngồi thiết bị. Nó
có thể được đặt vào vị trí tại đầu vào của thiết bị để nhận biết các ảnh hưởng bên ngồi
và để tín hiệu hệ thống thay đổi theo kích thích vật lý bên ngồi. Nó cũng có thể là một
phần bên trong của thiết bị để giám sát trạng thái của chính thiết bị đó. Cảm biến ln
là một phần của các hệ thống thu thập dữ liệu. Thông thường, một hệ thống như vậy có
thể là một phần của một hệ thống điều khiển lớn hơn gồm nhiều các bộ cảm biến và
mạch điều khiển.
Để minh họa vị trí của cảm biến trong một hệ thống lớn, hình 2.1.1 biểu diễn sơ đồ
khối của một thiết bị thu thập dữ liệu và điều khiển. Đối tượng của hệ thống có thể là:
xe hơi, tàu vũ trụ, động vật hoặc con người, chất lỏng hoặc chất khí. Dữ liệu được tập
trung từ một vật bởi một số các cảm biến. Vài trong số chúng (2, 3 và 4) được đặt một
cách trực tiếp hoặc bên trong vật. Cảm biến 1 cảm nhận vật mà không tiếp xúc vật lý và
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
13
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
chính vì vậy gọi là cảm biến khơng tiếp xúc. Các ví dụ của cảm biến như vậy là đầu dò
bức xạ và TV camera. Mặc dù chúng ta nói “khơng tiếp xúc”, nhưng năng lượng truyền
ln ln tồn tại giữa cảm biến và vật đòi hỏi sử dụng thiết bị giao tiếp (bộ chỉnh sửa
tín hiệu). Cảm biến 1, 2, 3 và 5 là các cảm biến thụ động, chúng sinh ra điện mà không
cần cung cấp năng lượng từ mạch điện tử. Cảm biến 4 là tích cực, nó địi hỏi một tín
hiệu để hoạt động, điều này cung cấp bởi một mạch kích thích. Tín hiệu này được điều
Hệ thống thu dữ liệu
Thiết bị
ngoại vi
Cảm biến
Vật
Giao tiếp
Bộ
ghép
kênh
Giao tiếp
Máy
tính
Cảm biến
Mạch
kích thích
Kích thích
Hình 2.1.1. Vị trí của các cảm biến trong hệ thống thu thập dữ liệu.
chế bởi cảm biến cho phù hợp với thông tin được chuyển đổi. Một ví dụ của cảm biến
tích cực là nhiệt kế điện trở, là một điện trở cảm biến nhiệt độ. Nó có thể làm việc với
nguồn dịng điện là một mạch kích thích. Tùy thuộc vào tính phức tạp của hệ thống,
tổng số cảm biến có thể khác nhau từ một cảm biến (máy điều hồ trong gia đình) đến
hàng ngàn cảm biến (tàu vũ trụ).
Các tín hiệu điện từ các cảm biến được đưa vào bộ ghép kênh (MUX). Chức năng
của nó là kết hợp các cảm biến cùng lúc đến bộ chuyển đổi tương tự – số (A/D) nếu các
cảm biến tạo ra tín hiệu tương tự, hoặc trực tiếp đến máy tính nếu cảm biến tạo ra tín
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
14
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
hiệu ở định dạng số. Máy tính điều khiển bộ ghép kênh và bộ chuyển đổi A/D cho việc
tính tốn thời gian thích hợp. Nó cũng có thể gởi tín hiệu điều khiển đến các bộ điều
khiển, tác động lên vật. Ví dụ của các bộ điều khiển là mô tơ điện, cuộn dây, rơ le,…
Hệ thống chứa các thiết bị ngoại vi (chẳng hạn bộ ghi dữ liệu, màn hình, báo động, v.v)
và một số các thành phần mà khơng được biểu diễn trong sơ đồ. Chúng có thể là bộ lọc,
mạch lấy mẫu, bộ khuếch đại,…
Nói chung, các tín hiệu đầu vào cảm biến (kích thích vật lý) hầu như có thể nhận
biết bất kỳ tín hiệu vật lý hoặc hố học (ví dụ thơng lượng ánh sáng, nhiệt độ, áp suất,
rung động, dịch chuyển, vị trí, vận tốc, nồng độ ion,…). Việc đóng gói vào vỏ hộp đặc
biệt sẽ được thực hiện để thích hợp với ứng dụng thực tế. Chẳng hạn, một cảm biến áp
suất piezoresistive sẽ được đóng gói trong hộp kín để đo áp suất máu động mạch chủ
qua một ống dò niệu quản. Vài cảm biến được thiết kế đặc biệt để có thể chọn một dải
đặc biệt của các kích thích đầu vào và hồn tồn khơng bị ảnh hưởng bởi tín hiệu bên
ngồi của giới hạn mong muốn. Chẳng hạn, một bộ dò chuyển động cho hệ thống an
ninh sẽ nhạy với chuyển động của con người và không đáp ứng đối với chuyển động
của các động vật nhỏ, như chó và mèo.
2. Phân loại cảm biến [1, 4]
Sự phân loại cảm biến sắp xếp từ đơn giản đến phức tạp. Tùy thuộc vào mục đích
phân loại, các tiêu chuẩn phân loại khác nhau có thể được lựa chọn. Tất cả cảm biến có
thể được phân thành hai loại: thụ động và tích cực.
Cảm biến thụ động là loại cảm biến khơng có khả năng tự chuyển đổi năng lượng từ
dạng không điện thành năng lượng điện mà phải nhờ một nguồn năng lượng nào đó.
Cảm biết thụ động khơng có nguồn cung cấp năng lượng cho chúng hoạt động và trực
tiếp sinh ra tín hiệu điện đáp ứng với kích thích bên ngồi, năng lượng kích thích đầu
vào được chuyển đổi bởi cảm biến thành tín hiệu đầu ra. Các ví dụ là cặp nhiệt điện,
photodiode và cảm biến piezoelectric. Cặp nhiệt điện chuyển đổi nhiệt độ thành điện
áp, sự thay đổi nhiệt độ trong môi trường sinh ra một điện áp, điện áp này trở thành tín
hiệu ở đầu ra cảm biến.
Cảm biến tích cực là loại cảm biến có khả năng biến đổi từ các đại lượng không điện
thành các đại lượng điện mà không cần một nguồn năng lượng khác. Do vậy cảm biến
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
15
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
tích cực có nguồn cung cấp năng lượng cho chúng hoạt động, nguồn cung cấp này được
gọi là tín hiệu kích thích. Tín hiệu được điều chế bởi cảm biến để tạo ra tín hiệu ở đầu
ra. Ví dụ, một điện trở nhiệt điện (thermistor) là một điện trở cảm biến nhiệt độ. Nó
khơng sinh bất kỳ tín hiệu điện nào, nhưng khi đưa dịng điện qua nó (tín hiệu kích
thích), trở kháng của nó có thể được đo bởi sự thay đổi dòng điện hoặc điện áp qua
điện trở nhiệt điện. Sự thay đổi này (biểu diễn bằng Ohm) liên quan trực tiếp với nhiệt
độ qua một hàm đã biết. Một ví dụ khác của cảm biến tích cực là trở kháng strain gage
mà trở kháng này liên quan đến lực căng. Để đo trở kháng của cảm biến, dịng điện
phải được đưa vào nó từ một nguồn cung cấp bên ngoài.
Tùy thuộc vào tham chiếu lựa chọn, các cảm biến có thể được phân loại thành tuyệt
đối và tương đối. Cảm biến tuyệt đối nhận kích thích trong tham chiếu đối với thang đo
vật lý tuyệt đối mà điều này không phụ thuộc vào các điều kiện đo, trong khi đó cảm
biến tương đối tạo ra tín hiệu liên quan đến vài trường hợp đặc biệt. Một ví dụ của cảm
biến tuyệt đối là điện trở nhiệt điện. Trở kháng của nó liên quan trực tiếp đến thang
nhiệt độ tuyệt đối Kelvin. Cảm biến nhiệt độ thông dụng khác - cặp nhiệt điện là một
cảm biến tương đối. Nó tạo ra một điện áp là hàm của đường cong nhiệt độ qua dây cặp
nhiệt điện. Vì vậy, tín hiệu đầu ra cặp nhiệt điện khơng liên quan đến bất kỳ nhiệt độ
đặc trưng nào tham chiếu đến đường cong cơ bản đã biết. Một ví dụ khác của các cảm
biến tuyệt đối và tương đối là cảm biến áp suất. Một cảm biến áp suất tuyệt đối tạo ra
tín hiệu tham chiếu đối với chân khơng – zero tuyệt đối trên thang áp suất. Một cảm
biến áp suất tương đối tạo ra tín hiệu tương ứng với đường cơ bản được chọn, nó khơng
phải là áp suất zero (ví dụ đối với áp suất khơng khí).
Một cách khác để quan sát một cảm biến là xem xét tất cả các tính chất của nó,
chẳng hạn nó đo gì (tín hiệu vật lý), các đặc tính của nó là gì, hiện tượng vật lý mà nó
cảm nhận, sự chuyển đổi cơ học được sử dụng, nó được chế tạo từ vật liệu gì và lĩnh
vực ứng dụng của nó là gì.
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
16
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
Bảng 2.1.1 Các đại lượng vật lý thông dụng có thể chuyển đổi bởi cảm biến
Các đại lượng vật lý thông dụng
Lực
Độ dài
Nhiệt độ
Gia tốc
Vận tốc
Áp suất
Tần số
Điện dung
Trở kháng
........
Các đại lượng tín hiệu điển hình
Điện áp
Sự dịch chuyển
Dòng điện
Lực
Áp suất
Ánh sáng
Tần số
3. Đơn vị đo
Đơn vị đo lường là bất kỳ một đại lượng vật lý, hay tổng quát là một khái niệm,
nào có thể so sánh được, ở điều kiện tiêu chuẩn (thường không thay đổi theo thời gian)
dùng để làm mốc so sánh cho các đại lượng cùng loại trong đo lường.
Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn của một đại lượng đo nào đó được quốc tế,
hoặc quốc gia nào đó quy định mà mỗi cá nhân hoặc tổ chức của quốc gia đó đều phải
tuân thủ.
Ví dụ: nếu đại lượng đo là độ dài thì đơn vị đo có thể là m (mét), inch, …, đại lượng
đo là khối lượng thì các đơn vị đo là kg, ounce, pound, …
Trên thế giới người ta đưa ra những đơn vị tiêu chuẩn gọi là các chuẩn. Năm 1960,
hệ thống đơn vị chuẩn quốc tế được thành lập.
Các hệ thống đơn vị đo: hệ thống đơn vị đo bao gồm nhiều đơn vị đo khác nhau của
nhiều đại lượng đo khác nhau để có thể tiến hành đo các đại lượng trong thực tế.
Hệ thống đơn vị đo bao gồm hai nhóm đơn vị:
Đơn vị cơ bản: được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà
khoa học và 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 xuất cho tất cả các đại lượng vật lý.
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
17
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
Hiện nay trên thế giới hiện tại có nhiều hệ thống đơn vị đo khác nhau được sử dụng
tùy mỗi quốc gia, mỗi lĩnh vực áp dụng:
Hệ SI (System International).
Hệ CGS (Centimeter Gramme Second).
Hệ Anh (English).
Hệ MKS (Meter Kilogram Second).
Hệ MKSA (Meter Kilogram Second Ampere).
Hệ Á Đông (thước, tấc, yến, tạ, so, mẫu…).
Hệ phi tổ chức (gang tay, sào đứng, bước chân…).
Hệ đo lường được sử dụng phổ biến nhất là hệ đo lường quốc tế SI. Trong kỹ
thuật chúng ta dùng hệ SI để thống nhất các qui định về đơn vị đo khi đánh giá kết quả
cũng như chỉnh định các thông số trong dụng cụ đo.
Bảng 2.1.2. Các đơn vị cơ bản của hệ thống đơn vị đo SI.
Các đại lượng
Kí hiệu
Tên đơn vị
Độ dài
mét
m
Khối lượng
kilogam
kg
Thời gian
giây
s
Dịng điện
ampe
A
Nhiệt độ
Kelvin
K
Số lượng vật chất
mol
mol
Cường độ ánh sáng
Canđêla
Cd
Kilôgam (viết tắt là kg) là đơn vị đo khối lượng, một trong bảy đơn vị đo cơ bản của
hệ đo lường quốc tế (SI), được định nghĩa là "khối lượng của khối kilôgam chuẩn quốc
tế, làm từ hợp kim platin-iridi, được tổ chức BIPM (Bureau international des poids et
mesures ) lưu giữ trong điều kiện mô tả theo BIPM 1998" .
Khối lượng kilôgam tiêu chuẩn được lưu giữ tại BIMP được chế tạo từ 90% platin
và 10% iridi thành một hình trụ trịn đường kính 39 mm, cao 39 mm.
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
18
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
Đa phần mỗi quốc gia tuân thủ hệ đo lường quốc tế SI đều có bản sao của khối
kilơgam chuẩn, được chế tạo và bảo quản y hệt như bản chính, và được đem so sánh lại
với bản chính khoảng 10 năm một lần.
Định nghĩa kilôgam trên, xuất hiện từ năm 1889 cho đến nay, chưa dựa vào các tính
chất vật lý cơ bản của tự nhiên và phụ thuộc vào công nghệ bảo quản và sao chép khối
kilôgam chuẩn. Thí nghiệm cho thấy, khối lượng của khối kilơgam chuẩn và các bản
sao sai khác nhau khoảng 2 micrôgam. Hơn nữa khối lượng của khối kilôgam chuẩn đã
giảm 50 micrôgam trong 100 năm qua. Sai số này khiến định nghĩa trên có nhiều khả
năng sẽ bị thay thế bởi một định nghĩa chính xác hơn.
Tại Việt Nam, kilơgam cịn thường được gọi là cân trong giao dịch thương mại đời
thường.
4. Các đặc tính của cảm biến [1, 5]
Từ đầu vào đến đầu ra, một cảm biến có thể có vài bước chuyển đổi trước khi nó tạo
ra tín hiệu điện. Chẳng hạn, áp suất tác động lên cảm biến sợi quang kết quả đầu tiên
làm căng sợi quang, điều này làm sai lệch chỉ số chiết suất, kết quả làm thay đổi toàn
bộ việc truyền và điều chế ánh sáng. Cuối cùng, dòng photon được nhận và chuyển đổi
thành dịng điện. Trong phần này sẽ đề cập đến tồn bộ các đặc tính của cảm biến,
khơng quan tâm đến đặc tính vật lý tự nhiên của nó hoặc các bước yêu cầu thực hiện sự
chuyển đổi. Chúng ta chỉ quan tâm đến quan hệ giữa tín hiệu đầu ra và tín hiệu vật lý
đầu vào.
4.1 Hàm truyền đạt
Sự quan hệ lý tưởng hoặc lý thuyết giữa tín hiệu điện đầu ra và tín hiệu vật lý đầu
vào tồn tại đối với mỗi cảm biến. Nếu cảm biến được thiết kế và chế tạo lý tưởng (với
vật liệu lý tưởng bởi các công nhân lý tưởng sử dụng công cụ lý tưởng), khi đó đầu ra
của một cảm biến như vậy ln ln biểu diễn giá trị thực của tín hiệu vật lý đầu vào.
Các hàm lý tưởng có thể bắt đầu ở dạng một bảng các giá trị, đồ thị hoặc phương trình
tốn học. Một quan hệ lý tưởng tín hiệu điện đầu ra – tín hiệu vật lý đầu vào đặc trưng
bởi hàm truyền đạt. Hàm này được thiết lập phụ thuộc giữa tín hiệu điện S tạo ra bởi
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
19
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
cảm biến và tín hiệu vật lý s: S = f (s). Nó có thể là một quan hệ tuyến tính đơn giản
hoặc phụ thuộc khơng tuyến tính (chẳng hạn, hàm logarit, luỹ thừa, hoặc hàm công
suất). Trong nhiều trường hợp, sự quan hệ này chỉ là một hàm ngược. Một quan hệ
tuyến tính được biểu diễn bởi phương trình:
S = a + b.s
(2.1.1)
Đơi khi nó được gọi là độ nhạy. S là một trong những đặc tính của đầu ra tín hiệu
điện được sử dụng bởi thiết bị thu thập dữ liệu. Nó có thể là biên độ, tần số hoặc pha
thụ thuộc vào các tính chất của cảm biến.
Hàm logarit:
S = a + b ln s
(2.1.2)
S ae ks
(2.1.3)
S a 0 a1 s k
(2.1.4)
Hàm mũ:
Hàm cơng suất:
trong đó k là hằng số
Đối với các hàm truyền khơng tuyến tính, độ nhạy b khơng phải là một số cố định
như đối với quan hệ tuyến tính. Tại bất kỳ giá trị đầu vào đặc biệt, s0 có thể được định
nghĩa như sau:
b
dS (s 0 )
ds
(2.1.5)
Khi đầu ra cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiều hơn một tín hiệu vật lý đầu vào, ví dụ
hàm truyền của cảm biến bức xạ nhiệt (hồng ngoại). Hàm liên quan đến hai nhiệt độ
(Tb nhiệt độ tuyệt đối của vật đo và Ts nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt cảm biến) và đầu
ra điện áp V:
V G (Tb4 Ts4 )
(2.1.6)
Trong đó G là hằng số. Rõ ràng quan hệ giữa nhiệt độ của vật và điện áp đầu ra
(hàm truyền) khơng chỉ khơng tuyến tính mà cịn phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt của
cảm biến. Để xác định độ nhạy của cảm biến với nhiệt độ của vật tương ứng, một đạo
hàm từng phần sẽ được tính tốn như sau:
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
20
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
b
V
4GTb3
Tb
ĐHBK TPHCM-2009
(2.1.7)
Đồ thị biểu diễn hàm truyền đạt hai chiều của phương trình (2.1.6) được biểu diễn
trong hình 2.1.2. Nó có thể cho thấy rằng mỗi giá trị của điện áp đầu ra có thể được xác
định từ hai nhiệt độ đầu vào. Điều này nói rằng một hàm truyền đạt biểu diễn quan hệ
vào – ra. Tuy nhiên, khi một cảm biến được sử dụng cho việc đo hoặc nhận tín hiệu vật
lý, hàm nghịch đảo (ra – vào) cũng có thể được sử dụng.
Hình 2.1.2. Hàm truyền hai chiều của cảm biến bức xạ nhiệt.
4.2 Phạm vi đo (Full-scale Input)
Một dải động của kích thích vật lý mà cảm biến có thể chuyển đổi được gọi là phạm
vi đo hoặc tồn bộ thang đầu vào (FS). Nó biểu diễn khả năng cao nhất có thể của tín
hiệu đầu vào đưa vào cảm biến mà không gây ra sai số. Đối với các cảm biến với các
đặc tính rộng và đáp ứng khơng tuyến tính. Một dải động của đầu vào kích thích
thường được biểu diễn bằng decibe. Thang decibel biểu diễn biên độ tín hiệu bằng các
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
21
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
số nhỏ hơn nhiều, trong nhiều trường hợp thì nó thích hợp hơn. Dựa vào định nghĩa,
decibel bằng 10 lần log của tỷ số công suất.
1dB 10 log
P2
P1
(2.1.8)
Tương tự, decibel bằng 20 lần log của lực, dòng điện hoặc điện áp:
1dB 20 log
S2
S1
(2.1.9)
4.3 Toàn bộ dải đầu ra (Full-scale Output)
Toàn bộ dải đầu ra (FSO) là đại lượng khác nhau giữa tín hiệu điện đầu ra đo được
với kích thích đầu vào lớn nhất và kích thích đầu vào thấp nhất đưa vào. Điều này bao
gồm tất cả các độ lệch từ hàm truyền lý tưởng. Chẳng hạn, đầu ra FSO trong hình
2.1.3A được biểu diễn bởi SFS.
Đầu ra
Đầu ra
Hàm
truyền lý
tưởng
Đường cong
thực tế
Đường cong
hiệu chuẩn
Giới hạn
đặc tính
độ chính
xác
Hàm
truyền
thực tế
tế
Kích thích
Kích thích
Phạm vi đo
Hình 2.1.3. Hàm truyền đạt (A) và giới hạn độ chính xác (B)
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
22
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
4.4 Tính chính xác
Một đặc tính rất quan trọng của cảm biến là tính chính xác. Tính khơng chính xác
được đo như một giá trị độ lệch lớn nhất bởi cảm biến lý tưởng hoặc giá trị thực tại đầu
vào của nó. Giá trị thực là đặc tính đối với vật đo và được chấp nhận có đặc tính khơng
ổn định.
Độ lệch có thể được đề cập như sự khác nhau giữa giá trị được tính tốn từ điện áp
đầu ra và giá trị kích thích đầu vào. Ví dụ, một cảm biến dịch chuyển tuyến tính lý
tưởng sẽ tạo ra 1mV/1mm dịch chuyển, hàm truyền đạt của nó là tuyến tính với độ dốc
(độ nhạy) b = 1 mV/mm. Tuy nhiên, trong thí nghiệm, sự dịch chuyển s = 10 mm tạo ra
đầu ra S = 10.5 mV. Chuyển đổi số này thành giá trị dịch chuyển bằng cách sử dụng
nghịch đảo hàm truyền (1/b = 1mm/mV), chúng ta sẽ tính tốn sự dịch chuyển là
s x S / b 10.5 m, vì vậy sx – s = 0.5 mm lớn hơn thực tế. 0.5mm là độ lệch sai số
trong phép đo. Chính vì vậy, trong dải 10 mm độ khơng chính xác của cảm biến là 0.5
mm hoặc (0.5mm/10mm)x100% = 5%. Nếu chúng ta lặp lại thí nghiệm này mà khơng
có lỗi ngẫu nhiên và mỗi lần chúng ta quan sát lỗi 0.5 mm, chúng ta có thể nói rằng
cảm biến có độ khơng chính xác hệ thống 0.5mm tồn bộ khoảng 10 mm.
Hình 2.1.3A biểu diễn hàm truyền đạt lý tưởng hoặc lý thuyết. Trong thực tế, bất kỳ
cảm biến nào cũng hoạt động với vài kiểu sai sót. Một hàm truyền thực tế có thể được
biểu diễn bởi một đường nét đậm mà nhìn chung có thể là tuyến tính. Một hàm thực tế
hiếm khi phù hợp với hàm lý tưởng. Bởi vì sự biến đổi của vật liệu, lỗi thiết kế, sai số
sản xuất và các hạn chế khác, điều này có thể có một loạt hàm truyền thực tế, thậm chí
các cảm biến được kiểm tra dưới các điều kiện giống hệt nhau. Tuy nhiên, tất cả điểm
làm việc trên hàm truyền thực tế phải nằm trong giới hạn đặc tính chính xác. Các giới
hạn cho phép khác nhau đối với đường hàm truyền lý tưởng là . Hàm truyền thực tế
lệch so với lý tưởng là , trong đó .
Ảnh hưởng chính xác bao gồm sự kết hợp ảnh hưởng của các phần thay đổi, độ hồi
sai, dải chết, hiệu chuẩn và sai số độ lặp lại (sẽ được đề cập dưới đây). Giới hạn đặc
tính chính xác nói chung được sử dụng trong phân tích trường hợp xấu nhất. Hình
2.1.3B biểu diễn có thể gần với hàm truyền thực tế hơn, có nghĩa độ chính xác của
cảm biến tốt hơn. Điều này có thể được cải thiện bằng cách hiệu chuẩn nhiều điểm. Vì
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
23
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
vậy, giới hạn đặc tính chính xác được thiết lập khơng chỉ xung quanh hàm truyền lý
tưởng mà cịn xung quanh đường cong hiệu chuẩn. Điều này được xác định trong suốt
quá trình hiệu chuẩn thực tế. Lúc này, giới hạn cho phép trở nên hẹp hơn.
Ảnh hưởng của độ khơng chính xác có thể được biểu diễn ở một số dạng:
- Điều kiện của các giá trị đo trực tiếp ().
- Phần trăm của toàn dải đầu vào (full scale).
- Điều kiện của tín hiệu đầu ra.
Trong các cảm biến hiện đại, các đặc tính chính xác thường được thay thế bởi giá trị
bao quát hơn của tính khơng ổn định bởi vì tính khơng ổn định gồm có tất cả ảnh
hưởng méo cả hệ thống và ngẫu nhiên và không bị giới hạn của hàm truyền.
4.5 Hiệu chuẩn
Nếu dung sai của nhà sản xuất cảm biến và dung sai của mạch điện giao tiếp (điều
kiện tín hiệu) lớn hơn độ chính xác hệ thống yêu cầu, khi đó sự hiệu chuẩn cần được
thực hiện. Ví dụ, chúng ta cần đo nhiệt độ với độ chính xác 0.5% 0C. Tuy nhiên, một
cảm biến sẵn có có độ chính xác 1 0C. Có nghĩa là cảm biến đó khơng được sử dụng?
Nó có thể, nhưng cảm biến cần được hiệu chuẩn, hàm truyền đặc trưng của nó cần
được thành lập trong lúc hiệu chuẩn. Sự hiệu chuẩn có nghĩa xác định các đặc tính thay
đổi để diễn đạt tồn bộ hàm truyền. Ý nghĩa của toàn bộ mạch điện, bao gồm cảm biến,
mạch giao tiếp và bộ chuyển đổi A/D. Mơ hình tốn học của hàm truyền phải được biết
trước khi hiệu chuẩn. Nếu mơ hình là tuyến tính (phương trình 2.1.1), khi đó sự hiệu
chuẩn sẽ xác định các biến số a và b; nếu là hàm luỹ thừa (phương trình 2.1.3) các biến
a và k sẽ được xác định. Chúng ta xem xét một hàm truyền tuyến tính đơn giản. Bởi vì
hai điểm u cầu để xác định đường thẳng, tại ít nhất hai điểm hiệu chuẩn.
Đối với các hàm khơng tuyến tính, hơn hai điểm có thể được yêu cầu, tuỳ thuộc vào
biểu diễn toán học của hàm truyền. Bất kỳ hàm truyền nào có thể được biểu diễn bởi
một đa thức, và phụ thuộc vào độ chính xác địi hỏi, số điểm hiệu chuẩn sẽ được lựa
chọn. Bởi vì sự hiệu chuẩn có thể làm chậm quá trình sản xuất, để giảm giá cả sản xuất
trong việc chế tạo, điều này rất quan trọng để giảm số điểm hiệu chuẩn.
Một cách khác để hiệu chuẩn một hàm truyền khơng tuyến tính là sử dụng gần đúng
từng phần.
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
24
GVHD: TS Lý Anh Tú
THIẾT KẾ HỆ CÂN ĐIỆN TỬ BẰNG CẢM BIẾN KHỐI LƯỢNG
ĐHBK TPHCM-2009
Để hiệu chuẩn cảm biến, đó là yếu tố căn bản phải có và sự duy trì sự chính xác
hồn tồn và chuẩn vật lý chính xác của kích thích thích hợp. Ví dụ, để hiệu chuẩn cảm
biến nhiệt độ tiếp xúc, cả nhiệt độ được điều khiển trong nước và trên khô được yêu
cầu. Để hiệu chuẩn cảm biến hồng ngoại, buồng vật đen tuyệt đối sẽ cần thiết. Để hiệu
chuẩn máy đo độ ẩm, một lọ dung dịch muối bão hồ được u cầu để duy trì hằng số
độ ẩm trong thùng kín. Điều này được hiểu rõ ràng rằng hệ thống cảm biến chính xác
được gắn trực tiếp để chính xác bộ hiệu chuẩn.
4.6 Sai số hiệu chuẩn
Sai số hiệu chuẩn là tính khơng chính xác cho phép bởi nhà sản xuất khi một cảm
biến được hiệu chuẩn trong nhà máy. Sai số này là sai số hệ thống tự nhiên, có nghĩa là
nó cộng tất cả các hàm truyền thực tế có thể. Nó làm lệch tính chính xác của chuyển
đổi đối với mỗi điểm kích thích bằng một hằng số. Sai số này khơng đồng nhất trong
tồn bộ dải và có thể thay đổi tuỳ thuộc vào loại sai số trong sự hiệu chuẩn. Ví dụ xem
xét hai điểm hiệu chuẩn của một hàm truyền tuyến tính thực tế (đường nét đậm trong
hình 2.1.3). Để xác định độ dốc và giới hạn của hàm, hai kích thích s1 và s2 được đưa
vào cảm biến. Cảm biến đáp ứng hai tín hiệu đầu ra tương ứng A1 và A2. Đáp ứng đầu
ra được đo chính xác một cách tuyệt đối, tuy nhiên tín hiệu lớn hơn được đo bị sai số . Kết quả sai số này nằm trong độ dốc và giới hạn tính toán. Một giới hạn mới a1 sẽ
khác với giới hạn thực a bởi:
a a1 a
s 2 s1
(2.1.10)
và độ nghiêng sẽ được tính tốn theo sai số
b
HVTH: Nguyễn Quang Trưởng
s 2 s1
(2.1.11)
25
GVHD: TS Lý Anh Tú
