›
›

Bài giảng Thí nghiệm điều khiển tự động - Đồng Sỉ Thiên Châu

pdf 124 trang ngocly 690
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Thí nghiệm điều khiển tự động - Đồng Sỉ Thiên Châu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_thi_nghiem_dieu_khien_tu_dong_dong_si_thien_chau.pdf

Nội dung text: Bài giảng Thí nghiệm điều khiển tự động - Đồng Sỉ Thiên Châu

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ # " MÔN HỌC THÍ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG GIẢNG VIÊN: ThS. ĐỒNG SỈ THIÊN CHÂU
  2. CHƯƠNG I: CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA ĐO LƯỜNG - Dụng cụ đo lường (instrument) là một thiết bị biến đổi đại lượng vật lý cần đo (measurand) thành một đại lượng thích hợp tương đương có thể ghi lại được (measurement). Đại lượng đo thường được sử dụng trong một hệ thống đơn vị (units) tiêu chuẩn để có thể so sánh giữa dụng cụ đo này với dụng cụ đo khác. VD: Dụng cụ đo: thước đo chiều dài. Đại lượng cần đo: chiều dài của đối tượng. Đại lượng đo được: số đo theo đơn vị chiều dài (mm, cm, m ) biểu diễn chiều dài của đối tượng.
  3. 1. MÔ HÌNH DỤNG CỤ ĐO ĐƠN GIẢN: Hình 1.1 biểu diễn mô hình thông thường của một dụng cụ đo đơn giản. Nó bao gồm đại lượng vật lý cần đo và đại lượng đo được được biểu diễn bởi biến vật lý có thể quan sát được X. Biến vật lý X không nhất thiết phải là đại lượng cần đo nhưng có mối liên hệ với đại lượng cần đo theo một mối quan hệ nào đó.
  4. Phần tử chức năng chủ yếu của mô hình dụng cụ đo trong hình 1.1 là cảm biến (sensor), nó có chức năng biến đổi đại lượng ngõ vào vật lý thành một biến tín hiệu ngõ ra (signal variable output). Các biến tín hiệu có tính chất là chúng có thể được thao tác trong một hệ thống truyền, như một mạch điện hay một hệ thống cơ khí. Bởi tính chất này nên biến tín hiệu có thể được truyền tới thiết bị ngõ ra hay thiết bị ghi ở gần hay xa bằng phương pháp vô tuyến hay hữu tuyến từ cảm biến. Trong các mạch điện, tín hiệu điện áp là tín hiệu phổ biến. Trong các hệ thống cơ khí, độ dịch chuyển hay lực là tín hiệu thường được sử dụng phổ biến.
  5. Bảng 1.1 trình bày các biến vật lý và các biến tín hiệu thường gặp. Tín hiệu ngõ ra từ cảm biến có thể được hiển thị, được ghi lại hay được truyền tới một thiết bị hay hệ thống thứ cấp khác. Trong một dụng cụ đo cơ bản, biến tín hiệu thượng được hiển thị, ghi lại mà con người có thể quan sát được. Ngõ ra được quan sát gọi là M. Có nhiều kiểu thiết bị hiển thị, từ các cân trọng lượng đơn giản đến các thiết bị hiển thị phức tạp trên máy tính. Tín hiệu cũng có thể sử dụng trực tiếp bởi một số hệ thống lớn hơn mà dụng cụ đo là một phần tử trong hệ thống đó. Ví dụ: tín hiệu ngõ ra của cảm biến là tín hiệu ngõ vào của một hệ thống điều khiển vòng kín (closed loop control system).
  6. Nếu tín hiệu ngõ ra từ cảm biến nhỏ (dòng, áp ), cần phải khuếch đại tín hiệu như trong hình 1.2. Tín hiệu ngõ ra sau khi đã khuếch đại được đưa tới các thiết bị hiển thị hay thiết bị ghi tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Trong nhiều trường hợp, tín hiệu này phải được biến đổi thành tín hiệu số để có thể giao tiếp với máy tính hay các hệ thống vi điều khiển khác. Nếu tín hiệu ngõ ra của cảm biến là tín hiệu analog, cần thực hiện biến đổi thành tín hiệu số sử dụng bộ biến đổi ADC như trong hình 1.2.
  7. II. CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG (PASSIVE) VÀ CẢM BIẾN TÍCH CỰC (ACTIVE) - Cảm biến (sensor) thông thường là các bộ chuyển đổi (transducers), trong đó nó là các thiết bị chuyển đổi từ một dạng năng lượng ngõ vào thành một dạng năng lượng ngõ ra khác. Cảm biến có thể được chia thành 2 loại: cảm biến thụ động và cảm biến tích cực phụ thuộc vào cách chúng tương tác với môi trường hoạt động của chúng. - Cảm biến thụ động (passive sensors): không cần cung cấp thêm năng lượng trong quá trình đo nhưng có thể loại bỏ năng lượng trong hoạt động của chúng. VD: Thermocouple: biến đổi nhiệt độ thành điện áp. Trong trường hợp này, gradient nhiệt độ được biến đổi thành điện áp nhiệt điện, chính là ngõ ra của cảm biến này. Một VD khác là pressure gage, áp suất Ỉ lực tác động vào hệ thống cơ khí Ỉ gây nên độ dịch chuyển, đây chính là tín hiệu ngõ ra của cảm biến. - Cảm biến tích cực (Active sensors): cần cung cấp thêm năng lượng trong quá trình đo. VD: trong một hệ thống Radar hay siêu âm, khoảng cách tới một số đối tượng được đo bằng cách gửi đi một sóng radio hay sóng siêu âm và thu sóng phản xạ về từ đối tượng, từ đó đo khoảng cách từ đối tượng tới cảm biến.
  8. III. CHUẨN HÓA CẢM BIẾN (CALIBRATION) Mối quan hệ giữa ngõ vào vật lý với ngõ ra của cảm biến được xem như chuẩn của cảm biến. Thông thường, một cảm biến được định chuẩn bằng cách cung cấp một tín hiệu ngõ vào đã biết và đo tín hiệu ngõ ra. Dữ liệu đo được và đặc tuyến chuẩn của cảm biến được vẽ trên cùng một đồ thị như hình sau:
  9. Trong VD này, cảm biến có một đáp ứng gần như tuyến tính đối với các ngõ vào có giá trị nhỏ hơn X0. Độ nhạy (Sensitivity) của thiết bị được xác định bởi độ dốc (slope) của đường đặc tuyến. Trong VD trên, với các giá trị ngõ vào lớn hơn X0, độ dốc của đường đặc tuyến trở nên nhỏ hơn cho đến khi nó đạt một giới hạn của ngõ ra. Trường hợp này được gọi là bão hòa (saturation), và lúc này cảm biến không thể sử dụng để biến đổi những giá trị lớn hơn giá trị bão hòa của nó. Trong một số trường hợp, cảm biến không đáp ứng với các giá trị ngõ vào rất nhỏ. Hiệu của giá trị ngõ vào lớn nhất và giá trị ngõ vào nhỏ nhất mà cảm biến làm việc hiệu quả được gọi là tầm động (dynamic range) của cảm biến.
  10. IV. HIỆU CHỈNH VÀ GIAO THOA NGÕ VÀO Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến sẽ bị ảnh hưởng do các tín hiệu ngõ vào không phải là đối tượng cần đo. Trong hình 1.4, X là tín hiệu ngõ cần đo, Y là tín hiệu ngõ vào giao thoa (interfering input) và Z là ngõ vào hiệu chỉnh (modifying input). Ngõ vào Y sẽ làm ảnh hưởng, gây ra sai số ở ngõ ra do cảm biến đáp ứng với cả tín hiệu ngõ vào X và Y. ngõ vào hiệu chỉnh Z làm thay đổi hoạt động của cảm biến hay hệ thống đo, do đó hiệu chỉnh mối quan hệ giữa ngõ vào và ngõ ra và định chuẩn hoạt động của thiết bị.
  11. Hình 1.5 minh họa ảnh hưởng của ngõ vào hiệu chỉnh với các giá trị khác nhau. Do đó, cần chọn lựa ngõ vào Z phù hợp nhằm triệt tiêu ảnh hưởng của ngõ vào giao thoa ở ngõ vào, chuẩn hóa hoạt động của thiết bị.
  12. V. ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ SAI SỐ: Độ chính xác của thiết bị được định nghĩa là sự khác biệt giữa giá trị đúng của đại lượng cần đo và giá trị đo được của đại lượng đó bởi dụng cụ đo. Đối với bất kỳ dụng cụ đo nào cũng có sai số gây ra do sai số hệ thống (systematic error) hay sai số ngẫu nhiên (random error).
  13. + Các nguồn sai số hệ thống: Có rất nhiều các yếu tố có thể gây ra sai số hệ thống. Một trong các nguyên nhân gây ra là làm thay đổi đáp ứng ngõ vào – ngõ ra của cảm biến. Các ngõ vào hiệu chỉnh và các ngõ vào giao thoa cũng có thể gây ra sai số cho cảm biến. VD: Nếu nhiệt độ là một ngõ vào hiệu chỉnh, sử dụng cảm biến ở một nhiệt độ khác với nhiệt độ chuẩn hóa cũng có thể gây ra sai số hệ thống. Trong một số trường hợp, nếu sai số hệ thống đã biết, có thể khử nó bằng cách sử dụng phương pháp bù (compensation methods). Có các yếu tố khác cũng có thể làm thay đổi đáp ứng của cảm biến gây ra sai số hệ thống. Trong một số cảm biến, tuổi thọ của linh kiện cũng có thể làm thay đổi đáp ứng của nó. Do đó, để tránh sai số hệ thống, cảm biến phải được định chuẩn theo chu kỳ. + Các nguồn gây sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên có thể được xem là nhiễu. Nếu trong một quá trình đo lường với giá trị sai số ngẫu nhiên đúng được lặp lại một số lớn lần, phân bố đó được gọi là phân bố Gaussian
  14. CHƯƠNG II ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ z I. CẢM BIẾN NHIỆT ĐIỆN TRỞ z * Giới thiệu: z Một phương pháp phổ biến để đo lường nhiệt độ là sử dụng Bộ phát hiện nhiệt điện trở (RTD: Resistive Temparature Detector). Đây là một loại dụng cụ đo nhiệt điện cung cấp độ chính xác cao: Các RTD công nghiệp đơn giản được sử dụng trong một quá trình chế tạo có độ chính xác ±0.10C, trong khi các cảm biến nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn có độ chính xác là ±0.00010C. z Điện trở của các kim loại dùng để chế tạo cảm biến thay đổi theo một quy luật đã biết trước, phụ thuộc vào việc tăng hay giảm của nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, điện trở của kim loại tăng. Khi nhiệt độ giảm, điện trở của kim loại giảm. Các RTD sử dụng các tính chất này làm cơ sở để thực hiện đo lường nhiệt độ.
  15. Phần quan trọng nhất của RTD là một cuộn dây có đường kính nhỏ, có tính đồng nhất cao, thường được chế tạo từ platin, đồng hay niken. - Trong số các vật liệu dùng để chế tạo cuộn dây cho RTD, platin là vật liệu tốt nhất do tính ổn định lâu dài của nó theo thời gian ở nhiệt độ cao, khả năng chống oxi hóa, và tầm nhiệt độ làm việc rất lớn. - Trong dụng cụ đo sử dụng RTD, có 1 dòng điện không đổi chạy qua RTD, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm thay đổi điện trở của RTD, do đó sẽ làm thay đổi điện áp đo được trên RTD. Sau đó điện áp được biến đổi trở lại thành giá trị nhiệt độ bằng cách tính toán dựa vào mối quan hệ của chúng.
  16. -Các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của cảm biến: đồng chất, biến dạng, độ căng của dây quấn. - Với mỗi RTD có cấu tạo từ các kim loại khác nhau, nó có độ nhạy, độ chính xác và tầm nhiệt độ khác nhau. Độ nhạy của RTD được định nghĩa là độ thay đổi điện trở của cảm biến trên độ thay đổi của nhiệt độ. Với một số kim loại thông dụng dùng để chế tạo RTD độ nhạy của nó biến đổi theo quy luật sau:
  17. Độ chính xác của RTD lớn hơn rất nhiều so với cảm biến nhiệt Thermocouple trong phạm vi nhiệt độ làm việc bình thường của RTD (-188.440C đến 648.880C). RTD cũng có độ ổn định và độ chính xác lặp cao, do đó nó thường được ứng dụng trong các lĩnh vực cần độ chính xác cao và dùng để định chuẩn cho các thiết bị khác.
  18. Hệ số nhiệt điện trở: - Với mỗi kim loại dùng để chế tạo RTD có độ thay đổi của điện trở theo nhiệt độ khác nhau. Hệ số nhiệt điện trở được định nghĩa như sau: R100 − R0 α = 0 100 CxR0 R100: Điện trở của cảm biến ở 100 độ C. R0: Điện trở của cảm biến ở 0 độ C. - Với hệ số nhiệt càng lớn thì độ thay đổi của điện trở theo nhiệt độ càng lớn. Trong các vật liệu thường dùng để chế tạo RTD, nikel có hệ số nhiệt điện trở cao nhất, Đồng (copper) có hệ số nhiệt nhỏ nhất.
  19. Cấu tạo RTD: - Cảm biến nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn (SPRT: Standard Platinium Resister Thermometer) là loại RTD có độ chính xác cao nhất, chúng rất dễ vỡ, mỏng manh và được sử dụng chủ yếu trong phòng thí nghiệm. Do nó mỏng manh, điện trở bị dao động nên nó không đủ độ bền để sử dụng trong môi trường công nghiệp. SPRT có độ chính xác lặp cao, độ trôi thấp nhưng giá thành nó rất cao do vật liệu chế tạo và công nghệ chế tạo kỹ thuật cao. Trong SPRT, dây Platin được sử dụng có đường kính lớn, có độ đồng chất cao. Các đầu dây bên trong được chế tạo từ hỗn hợp Platin, Thạch Anh và Silic. SPRT được sử dụng trên tầm nhiệt độ rất rộng, từ -2000C đến hơn 10000C. Với các SPRT có nhiệt độ cao nhất khoảng 6600C, R0 khoảng 25.5Ω. Với các SPRT có tầm nhiệt độ cao hơn, R0 khoảng 2.5Ω hoặc 0.25Ω. SPRT có thể có độ chính xác ±0.00010C nếu được sử dụng hợp lý. - Với loại Cảm biến nhiệt điện trở Platin tiêu chuẩn thứ cấp (Secondary SPRT), chúng cũng thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm. Cấu tạo của chúng cũng giống như SPRT, tuy nhiên vật liệu dùng để chế tạo rẻ hơn, vỏ kim loại và kết hợp với sứ cách điện. Các đầu dây bên trong thường sử dụng hợp kim nickel.
  20. II. CẢM BIẾN NHIỆT THERMOCOUPLE 1. Thermocouple đơn giản -Mặc dù có nhiều loại cảm biến nhiệt được phát minh, chế tạo và ứng dụng vào thực tế, nhưng Thermocouple (cặp nhiệt điện) vẫn là loại cảm biến nhiệt được sử dụng phổ biến nhất để đo lường nhiệt độ trong mọi lĩnh vực do: tính linh hoạt, đơn giản, dễ sử dụng và giá thành vừa phải. Bất kỳ một cặp dây dẫn điện và một vật liệu nhiệt điện khác loại đều có thể được ghép với nhau để tạo thành cặp nhiệt điện. - Hoạt động của cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Seebeck. Theo hiệu ứng này, nhiệt độ không đồng nhất giữa các phần tử nhiệt sẽ tạo ra một điện áp, dựa vào mối quan hệ của điện áp này với nhiệt độ, ta có thể tính ra được nhiệt độ tương ứng. Tuy nhiên, cặp nhiệt điện cũng là một nguồn gây nhiễu tần số thấp trong các mạch điện tử xung quanh nó.
  21. - Trong các ứng dụng đơn giản, đồng hồ đo nhiệt sử dụng cặp nhiệt dễ dàng sử dụng như các đồng hồ vạn năng thông thường. Hiện nay, trong một số đồng hồ đo vạn năng có tích hợp thêm đầu dò đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt. Các đầu dò đo nhiệt này được thiết kế phù hợp để đo lường nhiệt độ bề mặt lẫn nhiệt độ bên trong của đối tượng cần đo.
  22. 2. Các hiệu ứng nhiệt Có 3 hiệu ứng nhiệt điện là Seebeck, Peltier và Thompson. Trong 3 hiệu ứng này, chỉ có hiệu ứng Seebeck là biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện và tạo ra điện áp được sử dụng trong các đồng hồ đo nhiệt. Các hiệu ứng Peltier và Thompson chỉ vận chuyển nhiệt bởi dòng điện và phân phối lại trong một mạch điện. Hiệu ứng Seebeck Hiệu ứng Seebeck là sự xuất hiện của một nguồn sức điện động, gọi là sức điện động Seebeck tuyệt đối , giữa 2 điểm trong bất kỳ vật liệu dẫn điện riêng biệt nào do sự khác biệt về nhiệt độ giữa chúng. Sức điện động Seebeck xuất hiện mà không cần phải trên 2 vật liệu khác biệt nhau. Nó không phải là một hiện tượng tiếp xúc, cũng không liên quan đến điện thế tiếp xúc Volta.
  23. Các tính chất Seebeck tuyệt đối: -Hệ số Seebeck tuyệt đối biểu diễn độ nhạy đo lường [V/đơn vị nhiệt độ] của hiệu ứng Seebeck. Nó được định nghĩa trên bất kỳ miền nhiệt điện đồng nhất nào của một vật dẫn riêng biệt nào đó. Hệ số Seebeck biểu diễn tính chất vận chuyển của tất cả các vật liệu dẫn điện. Với ΔΕ là độ biến thiên sức điện động giữa 2 điểm với bất kỳ khoảng cách nào, giữa chúng có độ chênh lệch về nhiệt độ là
  24. Ỉ Sức điện động Seebeck của mỗi loại vật liệu chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ở 2 điểm và không phụ thuộc vào gradient nhiệt độ của 2 điểm.Hệ số Seebeck là một hàm phi tuyến theo nhiệt độ, không phải là một hằng số. Đối với các đồng hồ đo nhiệt chính xác, hệ số Seebeck chỉ phụ thuộc duy nhất vào nhiệt độ. σ(T) không thể thay đổi dọc theo một phần tử nhiệt, cũng như không được thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian sử dụng. Ngoài ra, các đồng hộ đo nhiệt chính xác phải không bị ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như sức căng, áp suất, từ trường - Gọi σ M ( T ) là hệ số Seebeck tuyệt đối của một vật liệu M. Nguồn điện áp tương ứng trong vật liệu đó là sức điện động Seebeck tuyệt đối E M ( T ) là một yếu tố vật lý tồn tại nhưng không thể dễ dàng quan sát. Hệ số Seebeck tuyệt đối có thể xác định gián tiếp bằng cách đo hệ số Thompson τ của vật liệu đó và sử dụng mối quan hệ Kelvin, nhằm mục đích giảm các tính toán động học nhiệt liên quan đến hệ số Seebeck.
  25. Các tính chất Seebeck tương đối: Sự khác nhau giữa sức điện động Seebeck của 2 phần tử nhiệt, là 2 vật liệu A và B của một cặp nhiệt với một tiếp xúc chung ở nhiệt độ Tm, và cả 2 đầu cuối của chúng ở một nhiệt độ chuẩn vật lý, Tf, là sức điện động Seebeck tương đối, Hệ số Seebeck tương đối tương ứng là Các giá trị tương đối này có thể quan sát trực tiếp, do đó nó thường được sử dung trong các đồng hồ đo nhiệt. Các giá trị tương đối này thường được biểu diễn ở dạng bảng của sức điện động Seebeck theo nhiệt độ cần đo, Tm, với một nhiệt độ chuẩn Tf nào đó. Trong thực tế, Tf thường sử dụng o là , với T0 = 0 C
  26. 3. Các mạch cặp nhiệt thực tế Cặp nhiệt thường được biểu diễn ở dạng một cặp phần tử nhiệt làm bằng 2 vật liệu khác nhau, được nối với nhau bởi 2 tiếp xúc trong một vòng kín. Một tiếp xúc ở nhiệt độ Tm, gọi là tiếp xúc đo, còn tiếp xúc còn lại ở nhiệt độ Tf, gọi là tiếp xúc chuẩn. Sức điện động Seebeck tỷ lệ với sự khác biệt nhiệt độ giữa 2 tiếp xúcvà tỷ lệ với hệ số tương đối của 2 vật liệu. Đặc tính của hiện tượng Seebeck sẽ không còn đúng khi xuất hiện dòng điện trong vòng kín. Tính chất đúng của hiện tượng Seebeck là xuất hiện một nguồn sức điện động, trong các đồng hồ đo chính xác, phải được đo ở chế độ vòng hở. Trong đồng hồ đo nhiệt thực tế, mạch cặp nhiệt không chỉ có 2 vật liệu khác nhau mà có một số vật liệu, và tạo ra một số sức điện động Seebeck. Các mạch đo nhiệt phổ biến nhất có 2 tiếp xúc chuẩn riêng biệt.
  27. -Với các cặp nhiệt sử dụng nhiệt độ chuẩn Tf khác T0, cần phải cộng thêm một sức điện động tương đương vào sức điện động của cặp nhiệt. -Trong thực tế, có 2 loại cặp nhiệt thường được sử dụng phổ biến là: cặp nhiệt 1 tiếp xúc chuẩn và cặp nhiệt 2 tiếp xúc chuẩn.
  28. II. CẢM BIẾN NHIỆT SỬ DỤNG TIẾP XÚC BÁN DẪN 1. Giới thiệu - Có thể chế tạo cảm biến nhiệt với công nghệ xử lý bán dẫn bằng cách sử dụng các đặc tính nhiệt của tiếp xúc PN - Ưu điểm của loại cảm biến này là giá thành rất thấp, tuy nhiên vẫn đảm bảo về mặt chất lượng của cảm biến. - Hầu hết các loại cảm biến nhiệt ở dạng này sử dụng một Transistor lưỡng cực được kết nối dạng Diode (ngắn mạch tiếp xúc Collector – Base). Một nguồn dòng không đổi chạy qua tiếp xúc Base-Emitter tạo ra 1 điện áp tiếp xúc (Vbe), điện áp này là một hàm tuyến tính của nhiệt độ tuyệt đối. Toàn bộ điện áp rơi thuận có hệ số nhiệt xấp xỉ
  29. - So với RTD hoặc cặp nhiệt điện, cảm biến nhiệt bán dẫn có hệ số nhiệt lớn hơn, tuy nhiên giá trị của nó vẫn còn nằm trong phạm vi nhỏ. Điện áp thuận của cảm biến nhiệt bán dẫn có một giá trị offset thay đổi đáng kể từ điểm này so với điểm khác. Tuy nhiên, điện áp tiếp xúc bán dẫn theo nhiệt độ thì tuyến tính hơn nhiều so với RTD và cặp nhiệt. Ngoài ra, phần tử cảm ứng nhiệt, mạch có thể dễ dàng tích hợp để tạo ra một cảm biến nhiệt đơn khối, dễ dàng giao tiếp với các phần tử điều khiển hoặc các ứng dụng khác.
  30. 2. Sử dụng Transistor làm cảm biến nhiệt -
  31. 3. Các tính chất nhiệt của Bán dẫn
  32. 3. Cảm biến nhiệt tích hợp
  33. CHƯƠNG III: CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN I. CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ - Cảm biến đo độ dịch chuyển dạng điện trở (potentiometers), thường gọi tắt pots. Pot là 1 loại thiết bị cơ điện chứa 1 cây cọ (wiper) dẫn điện trượt dọc theo 1 phần tử điện trở cố định tương ứng với vị trí hay góc của một trục bên ngoài.
  34. -Xét về điện, phần tử điện trở được chia ở điểm tiếp xúc của nó với wiper. Để đo độ dịch chuyển, cảm biến dạng này được thiết kế theo cấu hình chia áp. Ngõ ra của mạch là một hàm theo vị trí của wiper, là một điện áp analog. Từ điện áp này có thể tính được độ dịch chuyển dựa vào mối quan hệ của điện áp này và vị trí của wiper.
  35. Pot chính xác: - Pot có nhiều dạng, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà chúng có những thiết kế khác nhau. Pot sử dụng để đo lườngvịtríyêucầucóchấtlượngcao, có các chức năng mở rộng. - Pot chính xác có thể ở dạng quay, dạng di chuyển tuyến tính và dạng chuỗi. Pot chuỗi dùng để đo chiều dài mở rộng của cáp được chịu tải bằng lò xo. Pot quay có thể ở dạng quay 1 vòng hay nhiều vòng, phổ biến là 3, 5 hay 10 vòng. Pot di chuyển tuyến tính hoạt động trong phạm vi từ 5mm đến hơn 4m. Pot chuỗi có thể đo độ dịch chuyển tối đa là 50m. Nhà chế tạo thường cung cấp các thông tin về kiểu pot, chất liệu phần tử điện trở, các tham số điện và cơ khí và các phương pháp lắp đặt.
  36. - Phần tử điện trở trong Pot thường ở dạng dây quấn (wirewound) hoặc không phải dây quấn (nonwirewound). Loại dây quấn chứa các cuộn dây điện trở nhỏ đo lường lượng tử theo độ tăng theo từng bước. Ngược lại, loại không dây quấn chứa các phiến vật liệu điện trở liên tiếp, và kết quả đo dựa trên độ phân giải của các phiến vật liệu. -Trước khi chọn Pot và tích hợp nó vào một hệ thống đo lường, cần phải xem xét các đặc tính điện sau đây: + Đầu cuối kết nối + Độ tuyến tính + Tải điện + Độ phân giải + Công suất định mức + Hệ số nhiệt + Điện trở + Nguồn điện áp sử dụng + Đường chạy của điện
  37. Ngoài các đặc tính về điện, cần phải lưu ý một số đặc tính về cơ khí như: Tải cơ khí, đường chạy cơ khí, nhiệt độ làm việc, chấn động, tốc độ di chuyển, tuổi thọ làm việc
  38. II. CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM - Cảm biến dịch chuyển dạng điện cảm được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp và trong rất nhiều các ứng dụng khác. Chúng rất bền và gọn gàng, ít bị ảnh hưởng của môi trường. - Cảm biến điện cảm chủ yếu dựa trên nguyên lý của mạch từ. Chúng được phân thành 2 loại là tích cực và thụ động. Loại tích cực sử dụng nguyên lý phát điện; đó là khi có sự chuyển động tương đối giữa dây dẫn điện và từ trường, một điện áp được cảm ứng vào dây dẫn điện, hoặc khi từ trường biến thiên kết hợp với dây dẫn điện cố định sẽ tạo ra điện áp trong dây dẫn điện. Trong các ứng dụng đo lường, từ trường có thể biến thiên ở một số tần số trong khi dây dẫn điện có thể di chuyển ở cùng thời điểm. Với cảm biến dạng thụ động, nó yêu cầu nguồn công suất bên ngoài. Trong trường hợp này, hoạt động của nó đơn giản chỉ là sự điều chế của tín hiệu kích thích.
  39. - Mạch từ bao gồm một lõi làm bằng vật liệu sắt từ, có chiều dài l và một cuộn dây n vòng quấn trên nó. Cuộn dây hoạt động như một nguồn lực từ chuyển động (mmf: magnetomotion), nó lái từ thông Φ qua mạch từ. Giả sử khe hở không khí (air gap) bằng 0, phương trình mạch từ được biểu diễn như sau:
  40. Trong đó, từ trở giới hạn từ thông Φ trong mạch từ giống như điện trở giới hạn dòng trong một mạch điện. Từ thông của mạch từ: Tổng từ thông: Điện cảm: Có nghĩa là điện cảm của một phần tử cảm ứng có thể tính được bởi tính chất của mạch từ. Biểu diễn theo kích thước:
  41. - Cấu hình trong hình trên là cấu hình cơ bản của cảm biến điện cảm nếu khe hở không khí được cho phép thay đổi. Khi đó, lõi sắt từ được tách thành 2 phần bởi khe hở không khí. Tổng từ trở của mạch lúc đó bao gồm từ trở của lõi và từ trở của khe hở không khí. Độ thẩm từ tỷ đối của không khí =1, trong khi độ thẩm từ tỷ đối của sắt từ lên tới vài ngàn, do đó, sự xuất hiện của khe hở không khí sẽ tạo ra một lượng tăng lớn về từ trở của mạch và qua đó làm giảm từ thông. Hầu hết các cảm biến điện cảm đều dựa trên nguyên lý hoạt động này.
  42. CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM BIẾN ĐỔI TUYẾN TÍNH VÀ QUAY
  43. - Cảm biến dịch chuyển kiểu điện cảm sử dụng để đo lường độ dịch chuyển cũng như vận tốc, loại cảm biến này có nhiều dạng khác nhau, tùy vào từng ứng dụng- cụ thể. Cảm biến điện cảm thay đổi tuyến tính 1 cuộn dây. Loại này bao gồm 3 phần: 1 lõi sắt từ có hình bán khuyên, 1 khe hở không khí biến đổi và 1 phiến sắt từ. Tổng từ trở của mạch từ là tổng của các từ trở riêng biệt. - Mỗi từ trở có thể được xác định dựa vào các tính chất của vật liệu liên quan, trong trường hợp trên: Trong phương trình trên, tất cả mọi tham số đều cố định, ngoại trừ 1 tham số phụ thuộc là khe hở không khí. Do đó, có thể biểu diễn:
  44. Điện cảm có thể biểu diễn: Giá trị phụ thuộc vào dạng hình học của lõi và độ từ thẩm của môi trường.
  45. Cảm biến điện cảm dạng vi sai: - Với cảm biến điện cảm 1 cuộn dây, mối quan hệ của điện cảm và kh hở không khí là phi tuyến. Để khắc phục nhược điểm này Ỉ sử dụng cảm biến điện cảm dạng vi sai.
  46. - Cảm biến này bao gồm 1 bộ phận di chuyển giữa 2 lõi giống nhau, cách nhau 1 khoảng cách cố định là 2d. Dựa vào loại 1 cuộn dây: - Mặc dù mối quan hệ trên vẫn là phi tuyến, cảm biến có thể được kết hợp vào cầu đo AC để có được ngõ ra tuyến tính với sự thay đổi nhỏ.
  47. III. Cảm biến Điện dung - Cảm biến điện dung được sử dụng rất phổ biến trong CN và trong các lĩnh vực khoa học. Nguyên lý của chúng là dựa trên sự thay đổi của điện dung khi có sự dịch chuyển. - Cảm biến điện dung có độ tuyến tính lớn và phạm vi rộng. Phần tử cảm ứng cơ bản của cảm biến điện dung bao gồm 2 cực của một tụ điện có điện dung C. Điện dung là một hàm của khoảng cách d giữa 2 cực của tụ điện, diện tích bản cực A và hằng số điện môi. - Do đó, có 3 phương pháp để tạo ra cảm biến dịch chuyển dạng điện dung bằng cách thay đổi: d, A, ε.
  48. Cảm biến điện dung khoảng cách biến thiên - Loại cảm biến này tạo ra từ 2 bản cực phẳng cách nhau một khoảng cách x có thể thay đổi được. Do đó, điện dung của tụ điện là:
  49. - Điện dung của loại cảm biến này biến thiên phi tuyến theo độ dịch chuyển x. - Độ nhạy: - Độ nhạy tăng khi khoảng cách tăng. Ỉ Tỷ lệ thay đổi của C tỷ lệ với độ thay đổi của x. Kiểu cảm biến này thường sử dụng để đo dịch chuyển có độ tăng nhỏ mà không cần tiếp xúc với đối tượng cần đo.
  50. Cảm biến điện dung diện tích bản cực biến thiên - Độ dịch chuyển có thể đo bởi cảm biến điện dung có diện tích bản cực biến thiên.
  51. - Ngõ ra loại cảm biến này tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x. loại cảm biến này thường được thực hiện như một tụ điện quay để đo độ dịch chuyển góc. Cảm biến điện dung điện môi biến thiên - Độ dịch chuyển có thể đo dùng cảm biến điện dung dựa trên sự dịch chuyển tương đối của vật liệu điện môi giữa các bản cực.
  52. - Ngõ ra loại cảm biến này cũng tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x. Loại cảm biến này thường được sử dụng để đo mức của chất lỏng trong thùng. Với điều kiện chất lỏng không dẫn điện dạng điện môi.
  53. Cảm biến điện dung Vi sai - Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến điện dung biến thiên phi tuyến với độ dịch chuyển. Điều này có thể khử được bằng cách sử dụng cảm biến điện dung dạng vi sai. - Cảm biến điện dung loại này thường có 3 bản cực. Tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà cảm biến loại này có thể có cấu tạo khác nhau. Cảm biến điện dung loại này tuyến tính hơn nhiều so với cảm biến điên dung 2 bản cực. Tuy nhiên, trong thực tế vẫn tồn tại một số thành phần phi tuyến do những khuyết điểm trong cấu trúc. Do đó, ngõ ra cảm biến loại này cần phải được xử lý cẩn thận nhằm thu được ngõ ra tối ưu.
  54. Xử lý tín hiệu ngõ ra của cảm biến điện dung: Cảm biến điện dung yêu cầu mạch bên ngoài tương đối phức tạp so với các loại cảm biến khác. Tuy nhiên, nó có ưu điểm là đơn giản về cơ khí. Để xử lý tín hiệu, ngõ ra cảm biến này thường được đưa vào một mạch cầu AC hay các mạch dao động. Trong thực tế, các cảm biến điện dung không thuần dung, nó có thêm thành phần điện trở ký sinh biểu diễn tổn hao trong điện môi. Xử lý tín hiệu sử dụng Khuếch đại thuật toán Phương pháp này khử tính phi tuyến của mối quan hệ giữa biến vật lý và điện dung C.
  55. Ỉ Điện áp ngõ ra tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x giửa 2 bản cực của tụ điện. Tuy nhiên, mạch thực tế yêu cầu thêm một số điện trở để giới hạn trôi ở ngõ ra.
  56. IV. Cảm biến vị trí Encoder quang - Đo độ dịch chuyển góc hoặc tuyến tính là một chức năng cơ bản của nhiều hệ thống như các máy công cụ, robot công nghiệp, nhiều dụng cụ khác, trong chuột máy tính . - Encoder quang được sử dụng để đo vị trí góc hay tuyến tính. Chúng sử dụng tín hiệu quang làm phương tiện để biến đổi sự dịch chuyển thành tín hiệu điện. En coder được chia làm 2 loại: absolute và Incremental.
  57. 74LS04 74LS00 74LS74 74LS08
  58. CHƯƠNG IV: ĐO ÁP SUẤT I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN - Aùp suất được định nghĩa là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích trên bất kỳ bề mặt nào. Aùp suất được phân thành 3 loại: + Aùp suất tuyệt đối biểu diễn độ chênh lệch áp suất giữa điểm đo và chân không. + Aùp suất Gage biểu diễn độ chênh lệch áp suất giữa điểm đo và môi trường xung quanh. + Aùp suất vi sai biểu diễn độ chênh lệch áp suất giữa 2 điểm, trong đó 1 điểm được chọn làm chuẩn. Có thể áp suất ở cả 2 điểm đều thay đổi, nhưng chỉ có độ chênh lệch áp suất mới được quan tâm.
  59. Đơn vị đo áp suất và quy đổi Trong hệ SI, đơn vị của áp suất là pascal (Pa), tương ứng 1 Newton/m2. 1 Pa là một đơn vị áp suất rất nhỏ, do đó bội số của Pa thường được sử dụng để chỉ các giá trị áp suất cao (kilopascal, megapascal ). 1psi (pound per square inch) = 6.9KPa
  60. Nguyên lý đo áp suất: Phần tử cảm biến: Do áp suất được định nghĩa là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích, do đó cách đo áp suất phổ biến nhất là cách ly một diện tích trên một phần tử đàn hồi về cơ khí và đo lực tác dụng lên đó. Sự biến dạng của phần tử cảm ứng tạo ra độ dịch chuyển và độ căng, từ đó có thể đo lường được đại lượng áp suất. Yêu cầu chủ yếu đối với một phần tử cảm ứng áp suất là phương tiện để cách ly 2 áp suất lỏng (áp suất cần đo và áp suất chuẩn) và phần đàn hồi để biến đổi sự khác biệt áp suất thành sự biến dạng của phần tử cảm ứng. Hiện nay có rất nhiều dạng cảm ứng áp suất, chúng được nhóm lại thành các dạng: màng (diaphragm), capsule, ống (bellows, tube).
  61. Cảm biến áp suất điện dung: Nhiều cảm biến áp suất chính xác cao (tốt hơn 0.1%) được sử dụng ngày nay sử dụng phương pháp phát hiện điện dung. Cảm biến điện dung có thể bao phủ một phạm vi áp suất rất rộng. Cả cảm biến điện dung áp suất cao với áp suất full-scale trên và các cảm biến chân không (manometer điện dung) đều có thể sử dụng để đo lường áp suất dưới Nguyên lý hoạt động: - Màng kim loại hoặc silicon được sử dụng làm phần tử cảm ứng áp suất và tạo thành một bản cực của tụ điện. Điện cực còn lại là có định, tạo thành bởi một lớp hợp kim trên một nền sứ hay thuỷ tinh. Aùp suất tác động vào màng, làm thay đổi khoảng cách giữa 2 bàn cực, qua đó làm thay đổi điện dung của tụ điện. - Với thiết kế vi sai, màng cảm ứng được đặt giữa 2 bản cực cố định.
  62. Cảm biến áp suất áp trở (piezoresistive): Các cảm biến áp suất áp trở (thường gọi là strain gage) là kiểu cảm biến áp suất được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Hiệu ứng áp trở làm thay đổi điện trở của một vật liệu khi chịu tác động của sức căng. Độ nhạy của strain gage được biểu diễn bởi hệ số gage của nó. Hệ số này được định nghĩa là tỷ lệ thay đổi của điện trở trên một đơn vị sức căng:
  63. CHƯƠNG V: ĐO LỰC VÀ KHỐI LƯỢNG - Lực là 1 đại lượng Vector, là một hoạt động có thể tạo ra gia tốc của một vật nào đó. 1. CÁC KHÁI NIỆM CHUNG - Xác định hay đo lực cần phải hiểu các khái niệm cơ bản về Lực như sau: Nếu lực tác động lên một vật mà không tạo ra gia tốc, chúng ở dạng Hệ thống lực cân bằng. Lúc đó, hệ thống ở trạng thái cân bằng tĩnh. Lực tác động lên một vật được chia thành 2 loại: Nội lực và ngoại lực. Các phương pháp cơ bản để đo lực Một lực chưa biết có thể đo bằng các phương pháp sau: 1. Cân bằng lực chưa biết với một đối tượng tập trung tiêu chuẩn 2. Đo gia tốc. 3. Cân bằng nó với 1 lực từ được tạo ra bởi sự tương tác của một cuộn dây có dòng điện chạy qua và từ trường. 4. Phân phối lực trên một diện tích xác định để đo áp suất. 5. Biến đổi lực tác động thành sự biến dạng của một phần tử đàn hồi.
  64. 2. CẢM BIẾN LỰC - Sử dụng cảm biến lực yêu cầu phải có hiểu biết cơ bản về đáp ứng của hệ thống. Cảm biến lực được sử dụng để theo dõi các lực tác động trong công nghiệp xe hơi. Cánh tay robot và các công cụ lắp ráp được điều khiển bằng cách phát hiện các lực được tạo ra. Đo lực trực tiếp thuận lợi trong việc điều khiển nhiều hệ thống cơ khí. - Một số kiểu cảm biến lực dựa trên việc đo sự biến dạng gây ra bởi lực. Các tính chất đàn hồi rất tốt của lò xo xoắn ốc làm cho nó thường được sử dụng trong các cảm biến lực để biến đổi tải được đo thành sự biến dạng. - Mối quan hệ giữa lực và sự biến dạng trong miền đàn hồi được chứng minh trong định luật Hook. Các cảm biến lực sử dụng các phần tử Strain gage hoặc tinh thể áp điện có sử dụng vi điện tử bên trong cũng được sử dụng rất phổ biến. Cả các lực đột biến và các lực biến thiên chậm đều có thể được theo dõi sử dụng các loại cảm biến này. - Một kỹ thuật đo lực hiện nay thường được sử dụng rất phổ biến đó là load cell. Load cell thường có một cấu trúc cứng ở bên ngoài. Load cell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm. Độ chính xác thông thường của load cell thường khoảng 0.1% full scale. Có một số trường hợp load cell được thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của load cell.
  65. Load cell Strain gage: Load cell strain gage bao gồm một cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực và một mạng strain gage tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này. Strain gage: Strain gage sử dụng một sợi dây gage dài để tạo ra điện trở mong muốn (thường là 120 Ω) theo dạng một cuộn dây phẳng. Cuộn dây này sau đó được luyện bằng bột than giữa 2 phiến mỏng cách ly bằng giấy hay nhựa. Gage này không thể sử dụng trực tiếp để đo sự biến dạng. Đầu tiên nó phải được cố định thích hợp trong một cấu trúc có thể bị biến dạng. Sau đó chúng được nung ở nhiệt độ khoảng để loại bỏ hơi ẩm. Phủ bên ngoài bằng sáp ong hoặc nhựa thông để bảo vệ về mặt cơ khí. Điện trở giữa cấu trúc và bản thân gage tối thiểu là 50 Ω. Tổng diện tích của tất cả dây dẫn phải nhỏ, sao cho dễ dàng truyền lực tác động thành sự biến dạng của dây. Khi có lực tác động, diện tích tiết diện chéo bị thu hẹp, làm tăng điện trở của gage. Khi sử dụng Strain gage cần phải xem xét kỹ về các tính chất độ cứng và môi trường. Trong thiết kế của nó, strain gage có độ dài ngắn hơn chịu được tác động của lực có tần số lớn hơn (VD: gage 0.2mm có thể chịu tác động của lực có tần số 660KHz, còn gage 60mm chỉ có thể chịu tác động của lực có tần số 200KHz). Điều kiện môi trường chủ yếu là nhiệt độ của gage. Do điện trở là một hàm của nhiệt độ, do đó gage cũng bị ảnh hưởng của nhiệt độ.
  66. Cấu hình lưới của strain gage điện trở dạng foil kim loại được tạo thành từ quá trình khắc ảnh (photo – etching). Strain gage ngắn nhất hiện tại có chiều dài 0,2mm, dài nhất là 102mm. Điện trở strain gage tiêu chuẩn là 120 Ω và 350 Ω. Load cell kiểu Beam (Beam – type): Thường được sử dụng để đo các tải cấp thấp.
  67. CHƯƠNG VI: ĐO MỨC VÀ LƯU LƯỢNG -Mức được định nghĩa là chiều cao của một chất lỏng hay một vật liệu nào đó trong 1 thùng chứa, bồn chứa Thông thường, vị trí của bề mặt được đo tương đối với một mặt bằng chuẩn, thường là đáy của thùng chứa. Nếu bề mặt của vật liệu không phẳng (vd như bọt, do dao động, sóng ), mức thường được lấy là chiều cao trung bình của phần không phẳng ở trên. - Có thể phân biệt 2 loại đo mức: (1) đo mức liên tục (chỉ định mức: level indication LI), (2) đo mức thay đổi đột ngột (level switches LS). Mọi hệ thống liên tục đều có thể được đo bởi các công tắc có thể lập trình. Nhiều thiết bị mức được gắn trên đỉnh của thùng và đo khoảng cách d giữa vị trí của chúng và bề mặt của vật liệu, từ đó tính ra chiều cao của vật liệu trong thùng.
  68. 1. Đo lường sử dụng hiệu ứng tỷ trọng Bộ đo khoảng cách: Bộ đo khoảng cách đo độ nổi của một vật rắn được chìm một phần trong chất lỏng. Thực hiện đo sự thay đổi theo khối lượng. Mặt cắt ngang A của thiết bị đo giả sử không đổi trên chiều dài b của nó.
  69. Tỷ trọng của vật đo phải cao hơn tỷ trọng của chất lỏng, phạm vi thực hiện đo bị giới hạn. - Với một dạng khác, sử dụng servo-gage di chuyển bộ đo lên và xuống để phát hiện tác động giữa không khí và chất lỏng hoặc giữa 2 chất lỏng khác nhau, nhằm đo sự thay đổi về độ nổi của vật.
  70. 2. Đo sử dụng phương pháp thời gian truyền Là một phương pháp đo mức gián tiếp bằng cách đo thời gian truyền của sóng qua không khí trên bề mặt chất lỏng hoặc chất rắn. Phương pháp này thực ra là đo khoảng cách, từ đó tính ra mức. Phương pháp này được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống đo lường công nghiệp mà không được can thiệp vào hệ thống cần đo. Nguyên lý cơ bản: Mặc dù có nhiều kiểu sóng vật lý khác nhau (sóng âm thanh hay sóng điện từ) được sử dụng, nhưng về cơ bản, các phương pháp này có nguyên lý giống nhau: một tín hiệu đã điều chế được phát về phía mặt của vật liệu cần đo, bị phản xạ ở bề mặt của nó và được thu bởi cảm biến (bộ chuyển đổi siêu âm-áp điện, anten radar ). Thời gian truyền của tín hiệu: v là vận tốc truyền sóng.
  71. * Sóng siêu âm: Sóng siêu âm là sóng âm thanh dọc cótần sốtrên 20Khz. Sóng âm thanh truyền với vận tốc 340m/s trong không khí. Nhưng giá trị này cao phụ thuộc vào nhiệt độ và hỗn hợp của không khí, áp suất của khí Trong chân không, sóng âm thanh không thể truyền đi. Trong thực tế, tỷ lệ phản xạ gần 100% ở bề mặt của vật liệu cần đo. Một kiểu khác là truyền sóng trong chất lỏng bởi một cảm biến được gắn ở đáy của thùng. Vận tốc của âm thanh trong chất lỏng phải biết trước, xem xét sự phụ thuộc vào nhiệt độ và kiểu của chất lỏng. Phương pháp này tương tự như một bộ tạo echo dùng trên các tàu biển để đo độ sâu của nước.
  72. * Sóng vi ba: Sóng vi ba được hiểu là sóng điện từ có tần số trên 2GHz và bước sóng nhỏ hơn 15cm. Với các mục đích kỹ thuật, tần số sóng vi ba có thể lên đến 120GHz. Trong thực tế, phạm vi tần số có thể lên đến 10GHz. Sóng vi ba được sử dụng trong đo mức tương tự các hệ thống dựa vào nguyên lý của RADAR. RADAR thường sử dụng các sóng có bước sóng cực ngắn để phát hiện khoảng cách của đối tượng, xác định vị trí và sự di chuyển của chúng. Đối với các hệ thống đo mức, thường sử dụng các góc bức xạ nhỏ nhằm tránh các phản xạ giao thoa gây ra do thành của thùng chứa. Dựa vào phương trình của RADAR:
  73. Một phương pháp khác là sử dụng sóng điện từ truyền trên dây cáp. Tại vị trí mà hằng số điện môi của bề mặt môi trường thay đổi, một phần sóng bị phản xạ. Phương pháp này cũng có thể sử dụng để xác định mặt ranh giới. Phương pháp này gọi là phản xạ kế miền thời gian (TDR Time Domain Reflectometry).
  74. * Laser/Aùnh sáng: Diode Laser và các diode phát quang tạo ra sóng điện từ có bước sóng cực ngắn. Có thể sử dụng để đo mức, tương tự như sóng viba. Các hệ thống laser rất chính xác, có thể đạt đến độ chính xác <1mm. Vì các chùm tia laser rất hẹp, các hệ thống đo mức có thể lắp đặt mà không bị ảnh hưởng của bên trong thùng. Một số bất lôi khi sử dụng laser trong đo mức là: (1) có thể gây sai nếu bị dơ bẩn, khói (2) nó nhạy với dơ bẩn trên các cảm biến quang và (3) thiết bị rất đắt tiền.
  75. CHƯƠNG VII: CẢM BIẾN THÔNG MINH 1. Khái niệm -Cảm biến thông minh hiện nay tích hợp các thuật toán xử lý tín hiệu số bên trong. Trước đây, việc tính toán hoàn toàn thực hiện ở một bộ điều khiển trung tâm. Tuy nhiên, hiện nay các công việc này hoàn toàn được tích hợp bên trong bản thân mỗi cảm biến. - Các ưu điểm của cảm biến thông minh: + Không có suy hao chất lượng tín hiệu giữa cảm biến và bộ xử lý. + Tín hiệu từ cảm biến được xử lý trước và được lọc trên chip. + Thuật toán được tích hợp trên chip. + Cấu hình riêng biệt. + Nhiều cảm biến thông minh có thể kết nối tới trung tâm xử lý qua một bus chung. + Cho phép truyền với khoảng cách xa giữa cảm biến và host. + Giảm giá thành trong toàn hệ thống. Từ các thuận lợi này dẫn đến khái niệm hệ thống cảm biến thông minh (Intelligent Sensor System ISS) và đã phát triển rất nhanh.
  76. Một hệ thống cảm biến thông minh bao gồm: + Một cảm biến analog hoặc số được kết nối bên ngoài hay on-chip. + Bộ tiền khuếch đại và ADC. + Bộ lọc số và các thuật toán xử lý. + Giao tiếp để cảm biến truyền dữ liệu, cấu hình, điều khiển hay lái trực tiếp thiết bị. Các phần này có thể kết hợp với nhau theo nhiều tổ hợp khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu của hệ thống.
  77. Để thấy rõ các ưu điểm của hệ thống cảm biến thông minh, ta khảo sát một ví dụ về một máy sản xuất công nghiệp. Trong hệ thống này, sử dụng cảm biến thông minh nhằm quan sát các bộ phận di chuyển trong máy này. Toàn bộ quá trình xử lý được tích hợp toàn bộ trong một chip ASIC đơn. Các phần khảo sát: + Xu hướng + Sự thông minh + Các thủ tục tự kiểm tra + Các thủ tục tự định chuẩn + Phần mềm + Kết luận
  78. 1. Xu hướng Khi mật độ của các transistor trên một chip liên tục tăng lên trong khi giá thành giảm xuống, cảm biến thông minh trở thành một giải pháp nhằm khắc phục các nhược điểm của cảm biến trước đây. Dựa vào công nghệ ASIC, các linh kiện thông minh tích hợp không chỉ liên quan đến cảm biến mà còn cung cấp các giải pháp tốt hơn cho truyền thông của cảm biến. Mặc dù hiện nay, chế tạo dựa vào công nghệ ASIC tương đối đắt, tuy nhiên, việc ứng dụng ASIC vào cảm biến thông minh sẽ có hiệu quả về giá thành trong tương lai gần. Khi công nghệ silicon trở nên phổ biến, sự tiến bộ về công nghệ, sản xuất, đóng gói, liên kết, kiểm tra và đặc biệt là giá thành giảm, cảm biến thông minh đã phát triển rất nhanh.
  79. 2. Sự thông minh Khả năng tự kiểm tra, tự định chuẩn là một đặc điểm quan trọng nhất của cảm biến thông minh. Trong Cảm biến thông minh, ngõ ra analog thường được biến đổi thành tín hiệu số để xử lý.
  80. 3. Thủ tục tự kiểm tra Một số kiểm tra cơ bản có thể thực hiện để tránh các lỗi thường gặp trong các hệ thống đo lường: + Kiểm tra offset: Các ngõ vào bộ khuếch đại được kết nối tới mass bằng cách thiết lập SW 5 on. Khi đó, ngõ ra bộ khuếch đại biểu diễn giá trị trị offset, cung cấp vào ADC qua SW 6. Ngõ ra của ADC được lưu trữ trong hệ thống phụ số (digital sub-system) như giá trị trôi offset để trừ vào các giá trị đọc sau đó. + Kiểm tra độ lợi: một điện áp chuẩn được tạo ra bên trong được sử dụng như tín hiệu ngõ vào qua SW3. Ngõ ra ADC sẽ được đo và từ đó tính được độ lợi. Bằng cách sử dụng điện áp chuẩn trong một khoảng thời gian, hệ thống có thể thực hiện tự kiểm tra độ lợi của nó.