Cảm biến và hệ thống đo

CHƯƠNG TRèNH MễN HỌC CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG ĐO Thời lượng: 45 tiết (3 tiết/tuần)- 30t LT,15t TH Đỏnh giỏ sinh viờn: 3 bài kiểm tra (Bài tập lớn) 1 bài thi (Khụng sử dụng tài liệu) Tài liệu giảng dạy: 1.Kỹ thuật đo lường – Lờ Quốc Huy 2.Measurement Systems - Esnest O.Doebelin Tài liệu tham khảo: 1. Cảm biến cụng nghiệp- Hoàng Minh Cụng 2. Đo lường điện tử - Dư Quang Bỡnh Giảng viờn: Nhữ Quý Thơ nhuquytho@yahoo.com nhuquytho@haui.edu.vn BÀI MỞ ĐẦU 1. Mục đớch mụn học Trang bị các kiến thức về kỹ thuật cảm biến và xử lý tín hiệu. Ph−ơng pháp tính toán các đại l−ợng biến đổi dựa trên đại l−ợng điện, ph−ơng pháp ghép nối cảm biến với máy tính và các bộ điều khiển. Nguyên lý và ph−ơng pháp sử dụng các thiết bị phần cứng chuyên dụng cũng nh− phần mềm máy tính trong đo l−ờng và xử lý tín hiệu thu đ−ợc từ các bộ cảm biến. Cấu trúc và công dụng của các bộ cảm biến thông dụng và các mạch điện nối ghép, các hệ thống đo l−ờng chuyên dụng, các phần mềm thu thập và xử lý số liệu. BÀI MỞ ĐẦU 2. Vai trò của môn học Các hệ thống cảm biến đ−ợc coi nh− các giác quan của các thiết bị điều khiển tự động có nhiệm vụ cảm nhận biến đổi của các sự kiện vật lý không phải điện và biến chúng thành đại l−ợng điện để các hệ thống điều khiển nhận biết đ−ợc, giúp chúng ta nhận dạng và đánh giá tình trạng cũng nh− điều khiển mọi trạng thái của thiết bị phù hợp. Hệ thống cảm biến có vai trò then chốt trong các hệ thống tự động đặc biệt là các hệ thống thông minh. Cảm biến là một bộ phận quan trọng hàng đầu không thể thiếu trong các hệ thống tự động đòi hỏi cần phải tiếp cận Môn học là một môn then chốt và bắt buộc đối với sinh viên ngành cơ điện tử. BÀI MỞ ĐẦU Phỏt hiện màng trong 3. Một số ví dụ ứng dụng trong công nghiệp: Phỏt hiện băng niờm phong trờn nắp lọ/hộp BÀI MỞ ĐẦU Phỏt hiện dấu/vết trờn nền Phỏt hiện dóy băng niờm phong trờn bao thuốc lỏ BÀI MỞ ĐẦU Cảm biến phỏt hiện màu Đo đường kớnh của ống BÀI MỞ ĐẦU Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhụm Phỏt hiện lon kim loại BÀI MỞ ĐẦU Phỏt hiện nắp lọ bị hỏng BÀI MỞ ĐẦU Phỏt hiện mức sữa/nước trỏi cõy bờn trong hộp Phõn biệt chiều cao của nắp BÀI MỞ ĐẦU Phỏt hiện nắp nhụm trờn chai nước Phỏt hiện nhón bằng plastic búng trờn giấy BÀI MỞ ĐẦU Phỏt hiện chai PET Phỏt hiện mẫu bỏnh trờn băng chuyền chương 1 các kháI niệm và đặc trưng cơ bản 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.1 Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại l−ợng vật lý và các đại l−ợng không có tính chất điện cần đo thành các đại l−ợng điện có thể đo và xử lý đ−ợc. Các đại l−ợng cần đo (m) th−ờng không có tính chất điện: Nhiệt độ, áp suất... tác động lên cảm biến cho ta một đặc tr−ng (s) mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại l−ợng đo. Đặc tr−ng (s) là hàm của đại l−ợng cần đo (m): s = F(m) (s) : Là đại l−ợng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến. (m): Là đại l−ợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại l−ợng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m). 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.2 Phân loại cảm biến Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.2 Phân loại cảm biến Phân loại theo dạng kích thích 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.2 Phân loại cảm biến Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.2 Phân loại cảm biến Phân loại theo phạm vi sử dụng 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 đ−ợc đặc tr−ng bằng các thông số R, L, C, M .... tuyến tính hoặc phi tuyến. 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.2 Phân loại cảm biến Ví dụ về cảm biến thụ động 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.2 Phân loại cảm biến Ví dụ về cảm biến tích cực 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.2 Phân loại cảm biến Các loại cảm biến hay đ−ợc sử dụng trong công nghiệp và dân dụng Các lĩnh vực ứng dụng *: Xếp theo số l−ợng các loại cảm biến bán đ−ợc tại Pháp năm 2002 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1.3 Đ−ờng cong chuẩn của cảm biến Khái niệm Đ−ờng cong chuẩn cảm biến là đ−ờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại l−ợng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại l−ợng đo (m) ở đầu vào. Đ−ờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số d−ới dạng: s = F(m) 1. Khái niệm và phân loại cảm biến Ph−ơng pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo đ−ợc của đại l−ợng điện ở đầu ra và giá trị m của đại l−ợng đo có tính đến các yếu tố ảnh h−ởng, trên cơ sở đó xây dựng đ−ờng cong chuẩn d−ới dạng t−ờng minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị t−ơng ứng si của s và dựng đ−ờng cong chuẩn. Cách chuẩn - Chuẩn đơn giản + Trực tiếp + Gián tiếp - Chuẩn nhiều lần 2. Các đặc tr−ng cơ bản của cảm biến 2.1 Độ nhạy (Sensitivity) Độ nhạy là tỷ số của độ thay đổi nhỏ nhất ở đáp ứng ra của thiết bị đo theo độ thay đổi nhỏ nhất ở đại lượng đầu vào. Ph−ơng trình cơ bản: Y= F(X,a,b,c...) F/X - Độ nhạy với x (Sensibility) F/ a - Độ nhạy của yếu tố anh h−ởng a hay nhiễu F/X = Kxt- Độ nhạy theo X ở Xt hay ng−ời ta còn ký hiệu là S Khi K= const -> X,Y là tuyến tính. K=f(X) -> X, Y là không tuyến tính - > sai số phi tuyến. Việc xác định K bằng thực nghiệm gọi là khắc độ thiết bị đo. Với một giá trị của X có thể có các giá trị Y khác nhau, hay K khác nhau. 2. Các đặc tr−ng cơ bản của cảm biến 2.1 Độ nhạy (Sensitivity) Trễ (Hysteresis) Lỗi lặp lại (Reapeatability) Dải chết (Dead-band zone) 2. Các đặc tr−ng cơ bản của cảm biến 2.2 Độ chính xác (Accuracy) Độ chính xác chỉ mức độ gần đúng mà giá trị đo được sẽ đạt so với giá trị đúng của đại lượng cần đo. Sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo gọi là sai số khi đo gồm: - Sai số thô: Do quy định về giới hạn đo và ng−ời đo - Sai số ngẫu nhiên - Sai số hệ thống Sai số của cảm biến mang tính chất −ớc tính vì không biết chính xác giá trị cần đo. 2.3 Độ phân giải (Resolution) Độ phân giải là sự thay đổi nhỏ nhất ở các giá trị đo được (không phải là giá trị 0) mà một thiết bị đo có thể đáp ứng để cho một số đo xác định. Độ phân giải th−ờng là giá trị vạch chia nhỏ nhất trên thang chia độ lệch. 2. Các đặc tr−ng cơ bản của cảm biến 2.5 Giới hạn của thiết bị đo (Span/Full Scale/Range) - Giới hạn về thang đo. - Độ mở rộng thang đo. - Giới hạn về cụng suất. - Giới hạn về tần số. - Giới hạn về trở kháng. 2.4 Độ tuyến tính (Linearlization) Một cảm biến đ−ợc gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dảI chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại l−ợng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại l−ợng đo.