Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 1 - ThS. Trần Văn Lợi

Bài giảng Đo lường và cảm biến - Chương 1: Các khái niệm và đặc trưng cơ bản trong đo lường cảm biến trình bày về các khái niệm chung, chuẩn hóa trong đo lường, phương pháp đo, các đơn vị đo, các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo, phân loại cảm biến, chọn cảm biến trong ứng dụng. Để nắm vững nội dung chi tiết bài giảng mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 1 - ThS. Trần Văn LợiChương 1CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢNTRONG ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN1.1 Các khái niệm chungĐo lường là quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần đo. Ngành khoa học chuyênnghiên cứu để đo các đại lượng khác nhau được gọi là đo lường học. Ngành kỹ thuật chuyênnghiên cứu để áp dụng thành quả của đo lường học vào phục vụ vào sản xuất và đời sống gọi làkỹ thuật đo lường.Đại lượng đo là thông số xác định một quá trình vật lý nào đó, mỗi quá trình vật lý có thểcó một hay nhiều thông số, tùy trường hợp cụ thể mà ta cần quan tâm đến thông số nào. Dựa trêntính chất cơ bản của đại lượng đo, người ta phân thành hai loại cơ bản:§Đại lượng điện:--§Đại lượng điện tác động: là những đại lượng mang năng lượng, có thể cung cấpnăng lượng cho mạch đo như điện áp, dòng điện, công suất. Yêu cầu ở các mạch đocần thiết kế sao cho ít ảnh hưởng đến các đại lượng đó nhất.Đại lượng điện thụ động: là những đại lượng không mang năng lượng như điện trở,điện cảm, điện dung,… cần phải cung cấp năng lượng để đo. Cần lưu ý khi đo cácđại lượng này là đo phần tử độc lập hay đang nằm trên mạch, đo trên mạch dùngcách đo “nóng” (trong mạch đang hoạt động) hay đo “nguội” (trong mạch khônghoạt động).Đại lượng không điện: Là những đại lượng không mang đặc trưng điện như nhiệt độ,áp suất, trọng lượng,… Ngày nay, để dễ dàng kiểm soát và thiết lập các hệ thống tựđộng ở trong nhà cũng như nhà máy, người ta chuyển đổi các đại lượng này thành cácđại lượng điện.Với xu hướng chuyển tất cả các đại lượng đo về thành đại lượng điện, người ta phân loạicác đại lượng đo theo cách thức hoạt động: Đại lượng đo tiền định là đại lượng có quy luật thayđổi theo thời gian; và Đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng thay đổi theo thời gian mà không cóquy luật nhất định.Đo lường tự động (Auto Measurement) là một hệ thống đo lường thực hiện việc tự độngđo định lượng của đối tượng cần đo, hiển thị hay lưu trữ kết quả, tự động đo lại (Hình 1.1). Mỗilần đo được như vậy gọi là một lần lấy mẫu hay một chu trình đo.Đối tượngđo lườngSensorChuyểnđổi chuẩnhóaChuyểnđổi A/DBộ xử lý(Mp/Pc…)Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống đo lường tự động.Đo lường tự động thường sử dụng các bộ vi điều khiển, các mạch chuyển đổi… có vai tròquan trọng trong đời sống con người cũng như trong khoa học kỹ thuật. Ví dụ như đo các thôngsố độ cao, tốc độ, nhiệt độ, áp suất… trong máy bay.Bài giảng Đo lường và cảm biếnTrang 1Đo lường tự động điều khiển (ACM: Auto Controller Measurement) là một hệ thống đolường tự động chỉ khác ở chỗ giá trị của đối tượng cần đo khi đo được, kết quả đo sẽ được sosánh với một giá trị mẫu tùy theo sự chênh lệch này mạch điều khiển sẽ tự thực hiện chươngtrình đã định sẵn (Hình 1.2).Cơ cấuChấp hànhChuyển đổiA/DChuyển đổichuẩn hóaĐối tượngđo lườngD/ABộ xử lý(Mp/Pc…)Mạch điềukhiểnTạo mẫuHình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống đo lường tự động điều khiển.ACM được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong côngnghiệp. Ngày nay các khối sensor, chuyển đổi chuẩn hóa, AD thường được tích hợp thành mộtkhối chuyên dụng vì vậy trong các thiết kế ứng dụng chúng ta quan tâm đến vấn đề này.Cảm biến đo lường: là thiết bị đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu rathuận lợi cho việc xử lý, lưu trử. Phương trình y=f(x) mô tả cảm biến (Hình 1.3).x(t)y(t)W(t)Hình 1.3Trong đó:- x(t): Đại lượng vào (mong muốn) của đối tượng đo.- y(t): Đại lượng ra.- w(t): Hàm truyền đạt (cảm biến).Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị,đồ thị hoặc biểu thức toán học.- Hàm tuyến tính:y = ax + b- Hàm logarit:y = 1 + b.lnx- Hàm mũ:y = a.ekx- Hàm lũy thừa:y= a0 + a1kx- Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.Nhiễu: là đại lượng vào không mong muốn. Khi đó ta cóy=f(x,x1,x2,.) trong đó x1, x2,… lý tưởng chúng bằng không.Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số.Nhiễu không thể loại trừ hoàn toàn mà chỉ có thể phòng ngừalàm giảm ảnh hưởng của chúng. Nhiễu nội tại phát sinh dokhông hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tínhchất vật liệu… Nhiễu do truyền dẫn, do sóng điện từ, donguồn cung cấp…Tín hiệu ra yy0dydxx0Tín hiệu vào xHình 1.4Chuẩn cảm biến: (calibration) nhằm xác định dướiBài giảng Đo lường và cảm biếnTrang 2dạng đồ thị, giải tích mối quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cảcác yếu tố ảnh hưởng (Hình 1.4).Độ nhạy S: (sensitivity) là tỉ số giữa biến thiên ngõ ra theo biến thiên ngõ vào. Đối với tínhiệu vào x ta có độ nhạy chủ đạo Sx, với tín hiệu nhiễu xi ta có độ nhạy phụ thuộc Sxi. Cảm biếnchất lượng tốt có độ nhạy Sx càng lớn và Sxi càng nhỏ.Sx = limDx ® 0Dy ¶y=Dx ¶xSxi = limDx ®0Dy ¶y=Dxi ¶xiĐộ lựa chọn Ki: là tỉ số giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ thuộc. Cảm biến có Ki cànglớn ...