Tập bài giảng Kỹ thuật cảm biến đo lường và điều khiển - Đào Thái Diệu

283 trang ngocly 2880

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tập bài giảng Kỹ thuật cảm biến đo lường và điều khiển - Đào Thái Diệu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

tap_bai_giang_ky_thuat_cam_bien_do_luong_va_dieu_khien_dao_t.pdf

Nội dung text: Tập bài giảng Kỹ thuật cảm biến đo lường và điều khiển - Đào Thái Diệu

BOÄ COÂNG THÖÔNG TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC COÂNG NGHIEÄP TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA CÔ KHÍ TAÄP BAØI GIAÛNG KYÕ THUAÄT CAÛM BIEÁN ÑO LÖÔØNG VAØ ÑIEÀU KHIEÅN Giaûng vieân: Ñaøo Thaùi Dieäu, TS. TP. HOÀ CHÍ MINH, 2008
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. DAÃN NHAÄP Taäp baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån” ñöôïc bieân soaïn theo chöông trình ñaøo taïo ñaïi hoïc caùc chuyeân ngaønh kyõ thuaät (naêm thöù ba ñaïi hoïc). Muïc tieâu bieân soaïn taäp baøi giaûng naøy nhaèm giuùp sinh vieân coù taøi lieäu hoïc taäp moân hoïc “Kyõ thuaät caûm bieán ño löôøng caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän” beân caïnh caùc taøi lieäu tham khaûo khaùc theo höôùng daãn cuûa giaûng vieân ñeå naém ñöôïc nhöõng noäi dung truyeàn ñaït treân lôùp moät caùch tích cöïc, keát hôïp nhöõng daãn giaûi vaø heä thoáng hoaù vaán ñeà cuûa giaûng vieân vôùi nhöõng nghieân cöùu thaûo luaän chuyeân ñeà seminar cuûa lôùp hoïc. Vôùi nhaän thöùc raèng moân kyõ thuaät caûm bieán ño löôøng lieân quan haàu heát caùc lónh vöïc kieán thöùc cô baûn maø sinh vieân caùc ngaønh ñaïi hoïc kyõ thuaät ñaõ hoaëc ñang tieáp thuï trong chöông trình hoïc, moät soá phaàn lieân quan chuû yeáu ñöôïc ñöa vaøo caùc phuï luïc cuoái taäp baøi giaûng naøy ñeå sinh vieân töï ñoïc oân laïi vaø heä thoáng hoaù kieán thöùc ñaõ hoïc trong nhöõng moân khaùc. Laø moät taäp baøi giaûng, taøi lieäu ñöôïc chia thaønh caùc baøi giaûng, döïa theo chöông trình giaûng daïy moân hoïc laø 3 tín chæ (töông ñöông 45 tieát leân lôùp vaø 45 tieát töï hoïc cuûa SV). Vieäc boá trí chöông trình giaûng daïy phuø hôïp laø tuøy ôû giaûng vieân, tuy nhieân, thôøi löôïng moãi baøi giaûng ôû ñaây tính cho 4 tieát leân lôùp (khoâng keå kieåm tra vaø oân luyeän). Vaø ñoù cuõng chæ coù tính chaát khuyeán nghò. Nhöõng noäi dung taäp hôïp trong taäp baøi giaûng naøy ñöôïc thöïc hieän treân cô sôû nhöõng taøi lieäu môùi vaø caäp nhaäp, neâu trong muïc “Taøi lieäu tham khaûo”, phuø hôïp vôùi nhöõng baøi giaûng treân lôùp theo chöông trình, ñeà cöông moân hoïc cuûa nhaø tröôøng. Tuy nhieân, do nhöõng haïn cheá nhaát ñònh, vieäc taäp hôïp trình baøy trong moät taäp saùch coù theå coøn nhieàu khieám khuyeát. Raát mong caùc ñoàng söï, ñoàng nghieäp giuùp ñôõ goùp yù chænh lyù vaø nhaát laø nhöõng sinh vieân maø taäp baøi giaûng naøy nhaèm höôùng tôùi. Ñaøo Thaùi Dieäu, 01.2008’. 1
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. TAØI LIEÄU THAM KHAÛO 1. Mess- und Regelungstechnik. K.Boether, H.Breckwoldt, H-J.Siedler, R.Wieting, Pflaum Verlag, Muenchen, 1995. Tieáng Ñöùc. 2. Position Sensing Angle and Distance Measurement for Engineers. H.Walcher, Butterworth Heinemann, 1994. Tieáng Anh. 3. Sensor Technology Handbook. Jon S. Winson, Ed.-in-Chief, Elsevier Inc., 2005. 4. Sensors and Actuators (A,B&C), Journal by Elsevier Science of Amsterdam, Netherlands. 5. Modern Control Technology – Components & System, 2nd Ed. 6. MEMSnet, online Web site: www.memsnet.org; Corporation for National Research Initiatives of Reston, Virginia, USA, and Nexus Association of Grenoble, France. 7. The Mechatronics Handbook, Robert H.Bishop, Ed.-in-Chief, CRC Press LLC, 2002, online Web site: www.crcpress.com. 8. Caùc boä caûm bieán trong kyõ thuaät ño löôøng vaø ñieàu khieån. Chuû bieân: Leâ Vaên Doanh, NXB KHKT, Haø Noäi, 2001. 9. Ño löôøng caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän (Taäp baøi giaûng). Nguyeãn Khaéc Haûi, Cuïc TCÑLCL, Haø noäi, 1992. 10. Kyõ thuaät ñieàu khieån töï ñoäng (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2007. 11. Töï ñoäng hoùa saûn xuaát (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2006. 12. Kyõ thuaät vi xöû lyù öùng duïng trong ño löôøng vaø ñieàu khieån (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2005. 13. Phaàn töû töï ñoäng (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2004. 14. Kyõ thuaät ño ñieän – ñieän töû (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2002. 15. Heä thoáng thoâng tin ño löôøng (Taäp baøi giaûng). Ñaøo Thaùi Dieäu, TP.HCM, 2000. WUX 2
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. BAØI 1. CÔ SÔÛ KYÕ THUAÄT CAÛM BIEÁN ÑO LÖÔØNG. CHÖÔNG 1. KHAÙI NIEÄM CHUNG. Muïc tieâu baøi naøy taäp trung vaøo nhöõng khaùi nieäâm cô baûn vaø nhöõng vaán ñeà toång quaùt cuûa kyõ thuaät caûm bieán ño löôøng öùng duïng – goàm chöông 1. Noäi dung cô baûn maø SV phaûi naém ñöôïc ôû baøi naøy laø nhöõng vaán ñeà troïng taâm sau: Khaùi nieäm toång quaùt veà heä thoâng tin ño löôøng vaø ñieàu khieån cuøng nhöõng phaàn töû caáu thaønh cô baûn cuûa noù, hoaït ñoäng chöùc naêng, caùc ñaëc tính kyõ thuaät, ñaëc ñieåm öùng duïng. Ñaëc bieät caàn naém vöõng vaø hieåu ñöôïc baûn chaát caùc ñònh nghóa khaùi nieäm, ñaëc tính vaän haønh, heä thoáng hoaù trong phaân loaïi phaàn töû, tö duy logic trong kyõ thuaät öùng duïng. Caùc vaán ñeà öùng duïng thöïc tieãn caùc phaàn töû caûm bieán trong heä thoâng tin ño löôøng vaø ñieàu khieån ñeå coù nhaän thöùc vaø reøn kyõ naêng toång hôïp, thieát keá vaø cheá taïo heä thoáng cuï theå trong thöïc teá moâi tröôøng öùng duïng. Caùc töø khoùa, thuaät ngöõ vaø yù nghóa cuûa noù trong phaàn naøy (vaø tieáp veà sau) ñoùng vai troø quan troïng trong nhöõng baøi kieåm tra vaø thi traéc nghieäm lyù thuyeát noùi chung. Thôøi löôïng baøi giaûng laø 04 tieát/45 tieát leân lôùp theo chöông trình moân hoïc laø 03TC (45 tieát) vaø 04 tieát töï nghieân cöùu. 1.1 – Khaùi nieäm heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån. Ngaøy nay, khoù coù moät ngaønh kyõ thuaät naøo khoâng bao goàm kyõ thuaät ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng, maø trong ñoù caùc phaàn töû caûm bieán ño löôøng thöôøng ñoùng vai troø tieân quyeát. ÖÙng duïng ñieån hình laø trong caùc daây chuyeàn coâng ngheä cô khí cheá taïo, caùc maùy töï ñoäng trong saûn xuaát, gia coâng goã, kim loaïi, nhöïa plastics, maùy moùc cheá bieán thöïc phaåm, caùc loaïi maùy in vaø ñoùng goùi saûn phaåm, vv Söï phaùt trieån cuûa kyõ thuaät ño löôøng vaø ñieàu khieån hieän ñaïi döïa treân cô sôû nhöõng tieán boä khoa hoïc cuûa nhieàu ngaønh lyù thuyeát cô baûn cuõng nhö nhöõng tieán boä coâng ngheä trong kyõ thuaät öùng duïng. Ñaëc bieät, tieán boä kyõ thuaät coâng ngheä ñaõ ñöa ñeán söï thoáng nhaát chuaån hoaù trong cheá xuaát caùc linh kieän, caùc phaàn töû töï ñoäng, caùc khoái chöùc naêng module Trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhau cuõng coù nhieàu tröôøng hôïp söû duïng nhöõng boä phaän, phaàn töû töï ñoäng chöùc naêng nhö nhau. Ví duï, caùc heä caûm bieán vò trí vaø ñieàu khieån caùc vaät theå dòch chuyeån vôùi ñoä chính xaùc cao ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong caùc ngaønh nhö giao thoâng vaän taûi, haøng haûi, haøng khoâng, cöùu hoä (ñònh vò taøu thuyeàn, xe maùy vaø maùy bay, ñieàu khieån caùc heä döï phoøng vaø truyeàn taûi naëng ), cuõng nhö trong caùc ngaønh thoâng tin lieân laïc vieãn thoâng, thieân vaên vuõ truï (duøng ñeå ñieàu chænh vò trí cuûa caùc anntena radio, radar, caùc heä vieãn voïng thieân vaên, ). Noùi chung, caùc phaàn töû caûm bieán khoâng hoaït ñoäng töï thaân. Chuùng laø moät boä phaän cuûa moät heä lôùn bao goàm caû caùc boä chuaån hoaù tín hieäu vaø caùc maïch xöû lyù tín hieäu soá vaø töông töï khaùc nhau. Noùi ví duï, heä thoáng coù theå laø heä ño löôøng, heä thu thaäp döõ lieäu, hay heä ñieàu khieån quaù trình coâng ngheä. ÔÛ 3
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. ñaây, chuùng ta taäp trung vaøo caùc phaàn töû caûm bieán trong heä ño löôøng vaø ñieàu khieån quaù trình coâng ngheä. Hình 1.1 giôùi thieäu moâ hình ñieàu khieån töï ñoäng quaù trình coâng ngheä, ñöôïc thöïc hieän bôûi moät heä thoâng tin ño löôøng ñieàu khieån. Hình 1.1 – Moâ hình ñieàu khieån töï ñoäng quaù trình coâng ngheä. Quaù trình coâng ngheä laø moät heä vaät lyù ñöôïc moâ taû bôûi caùc bieán traïng thaùi. Caùc bieán naøy ñaëc tröng ñònh tính qualitative vaø ñònh löôïng quantative cho quaù trình coâng ngheä bôûi caùc phöông trình moâ taû quan heä toaùn-lyù vaø caùc soá lieäu ño thöïc nghieäm. Quaù trình coâng ngheä ñöôïc ñieàu khieån (hoaëc ñieàu chænh) bôûi moät heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng, hoaït ñoäng theo moät chöông trình program ñònh saün, treân cô sôû caùc döõ lieäu thu nhaän ñöôïc töø caùc boä phaän, phaàn töû caûm bieán ño löôøng transducers vaø tính naêng cuûa caùc phaàn töû cô caáu taùc hoaït chaáp haønh actuators. Nhö vaäy, heä thoáng thoâng tin ño löôøng vaø ñieàu khieån laø taäp hôïp phöông tieän kyõ thuaät vôùi chöùc naêng chung vaø hoaït ñoäng theo moät chöông trình chung, thu nhaän thoâng tin töø ñoái töôïng (ño löôøng, bieán ñoåi, hieån thò hay löu tröõ) vaø xöû lyù tieáp theo ñeå thöïc hieän nhöõng muïc tieâu chöùc naêng heä thoáng (ñieàu khieån, hieäu chænh hay theo doõi giaùm saùt). Nhöõng naêm gaàn ñaây, söï phaùt trieån coâng ngheä ñieän töû–tin hoïc–vieãn thoâng ñaõ coù nhöõng böôùc tieán caên baûn veà hieäu suaát tính toaùn, dung löôïng nhôù, toác ñoä xöû lyù vaø truyeàn daãn döõ lieäu cuõng nhö nhöõng phaùt trieån phaàn meàm öùng duïng. Cuøng vôùi söï hình thaønh vaø phaùt trieån maïng vieãn thoâng Internet, caùc maïng maùy tính (cuïc boä vaø caû dieän roäng) cuõng ñöôïc söû duïng cho caùc heä ño löôøng vaø ñieàu khieån, öùng duïng chuû yeáu laø thu thaäp vaø xöû lyù döõ lieäu nhaèm töï ñoäng ñieàu chænh / ñieàu khieån quaù trình coâng ngheä cuõng nhö theo doõi giaùm saùt traïng thaùi quaù trình. Hình 1.2 giôùi thieäu caáu truùc ñieån hình cuûa moät heä caûm bieán ño löôøng vaø ñieàu khieån. Hình 1.2 – Caáu truùc ñieån hình moät heä caûm bieán ño löôøng vaø ñieàu khieån töï ñoäng. ÖÙng duïng caûm bieán trong moät heä ñieàu khieån quaù trình ñieån hình ñöôïc trình baøy trong hình 1.3. Giaû thieát thuoäc tính vaät lyù caàn ñieàu khieån laø nhieät ñoä. Ñaàu ra cuûa caûm bieán nhieät ñoä ñöôïc chuaån hoaù vaø 4
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. roài soá hoaù baèng chuyeån ñoåi ADC. Boä vi ñieàu khieån microcontroller hay maùy tính chuû xaùc ñònh lieäu nhieät ñoä coù cao hôn hay thaáp hôn giaù trò mong muoán, vaø xuaát tín hieäu tôùi chuyeån ñoåi soá–töông töï (DAC). Ñaàu ra DAC ñöôïc chuaån hoaù vaø ñieàu khieån cô caáu chaáp haønh actuator, trong tröôøng hôïp naøy laø moät boä gia nhieät heater. Löu yù raèng giao dieän giöõa trung taâm ñieàu khieån vaø quaù trình ñieàu khieån töø xa laø thoâng qua maïng tieâu chuaån coâng nghieäp 4-20 mA. Hình 1.3 – Maïch ñieàu khieån moät quaù trình coâng nghieäp ñieån hình. Kyõ thuaät soá ñaõ trôû thaønh phoå bieán trong vieäc xöû lyù caùc ñaàu ra caûm bieán trong thu thaäp döõ lieäu ño löôøng, ñieàu khieån quaù trình vaø caùc pheùp ño. Noùi chung, caùc vi ñieàu khieån 8-bit (ví duï 8051) coù toác ñoä vaø dung löôïng xöû lyù thích ñaùng ñoái vôùi haàu heát caùc öùng duïng. Baèng caùch goäp theâm chuyeån ñoåi A/D vaø tính naêng laäp trình vi ñieàu khieån töï beân trong caûm bieán, coù theå taïo neân moät caûm bieán linh hoaït “smart sensor” vôùi caùc tieän ích töï chuaån ñònh vaø tuyeán tính hoaù trong soá nhieàu tieän ích khaùc. Khi ñoù, moät caûm bieán linh hoaït coù theå giao dieän tröïc tieáp vôùi moät maïng coâng nghieäp nhö trình baøy trong hình 1.4. Hình 1.5 trình baøy caùc khoái caáu taïo cô baûn cuûa moät “caûm bieán linh hoaït”, ñöôïc caáu hình vôùi caùc vi maïch tích hôïp ña thaønh phaàn. Loaït saûn phaåm MicroConverter cuûa haõng Analog Devices bao goàm on-chip caùc boä ñoåi noái multiplexers tính naêng hoaït ñoäng cao, caùc chuyeån ñoåi töông töï–soá (ADCs) vaø soá–töông töï (DACs), gheùp vôùi boä nhôù Flash vaø moät loõi vi ñieàu khieån tieâu chuaån coâng nghieäp 8052, cuõng nhö giaûi phaùp maïch hoã trôï vaø vaøi caáu truùc coång noái tieáp tieâu chuaån. Ñoù laø nhöõng vi maïch tích hôïp ñaàu tieân thöïc söï laø nhöõng heä thu thaäp döõ lieäu caûm bieán linh hoaït (caùc maïch chuyeån ñoåi tín hieäu, vi ñieàu khieån, boä nhôù Flash tính naêng hoaït ñoäng cao) trong moät con chip ñôn (xem hình 1.6). 5
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Hình 1.4 – Tieâu chuaån hoaù giao dieän soá duøng caûm bieán linh hoaït. Hình 1.5 – Caùc phaàn töû cô baûn trong caûm bieán linh hoaït. Hình 1.6 – Moät caûm bieán thaäm chí coøn linh hoaït hôn. 1.2 – Caùc phaàn töû chuû yeáu cuûa heä thoáng. Söï gia taêng yeâu caàu veà ñoä chính xaùc, ñoä an toaøn chaát löôïng saûn phaåm vaø hieäu quaû coâng ngheä daãn tôùi nhöõng tieán boä kyõ thuaät cô baûn laøm taêng ñoä chính xaùc, ñoä tin caäy vaø toác ñoä taùc hoaït cao cuûa caùc phöông tieän kyõ thuaät ño löôøng vaø ñieàu khieån. Phöông tieän kyõ thuaät trong heä ño löôøng ñieàu khieån laø taäp hôïp caùc thieát bò töï ñoäng ño löôøng, töï ñoäng ñieàu khieån vaø töï ñoäng xöû lyù thoâng tin theo moät chöông trình nhaát ñònh, ñöôïc goïi chung laø caùc phaàn töû töï ñoäng. ÔÛ ñaây chuùng ta phaân bieät ba daïng phaàn töû töï ñoäng chuû yeáu: • Phaàn töû caûm bieán Transducer, trong ñoù goàm coù: o Phaàn töû caûm bieán tham soá (R,L,C); o Phaàn töû caûm bieán vaät lyù (nhieät-ñieän, quang-ñieän, aùp-ñieän, ). • Phaàn töû chaáp haønh Actuator, trong ñoù goàm coù: o Caùc phaàn töû chaáp haønh daïng maùy ñieän; o Caùc phaàn töû chaáp haønh daïng cô caáu ñieän-cô. o Caùc phaàn töû chaáp haønh thuûy-khí. • Phaàn töû thoâng tin, ñaëc tröng laø: o Tacho-generator; o Selsyn; 6
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. o Bieán aùp quay; o Caùc phaàn töû khuyeách ñaïi (khuyeách ñaïi töø, khuyeách ñaïi maùy-ñieän, khuyeách ñaïi ñieän töû, ). o Phaàn töû caûm bieán Transducers. Caûm bieán ño löôøng, ngaøy nay thöôøng goïi laø kyõ thuaät caûm bieán sensorstechnique, ñöôïc hieåu nhö kyõ thuaät thu nhaän vaø bieán ñoåi thoâng tin traïng thaùi, laø moät boä phaän thaønh phaàn quan troïng trong heä ñieàu khieån töï ñoäng. Caùc bieán traïng thaùi ñaëc tröng cho heä thoáng vaø quaù trình thöôøng laø caùc ñaïi löôïng khoâng ñieän, nhö nhieät ñoä, aùp suaát, öùng löïc, toác ñoä, moment vv Caùc phaàn töû caûm bieán nhaïy caûm ñoái vôùi nhöõng ñaïi löôïng vaät lyù khaùc nhau. Phaàn töû caûm bieán thu nhaän giaù trò cuûa ñaïi löôïng vaät lyù, vôùi söï bieán thieân theo thôøi gian cuûa noù, chuyeån ñoåi thaønh caùc ñaïi löôïng ñieän ñeå coù theå gia coâng xöû lyù, hieån thò hoaëc löu nhôù, truyeàn daãn vaø xöû lyù tieáp nhaèm ñieàu khieån quaù trình. Chuû yeáu ñaïi löôïng ñaàu ra cuûa caùc sensor laø ñieän aùp hoaëc doøng ñieän, nhöng cuõng coù theå laø taàn soá hay ñieän trôû, ñieän khaùng. ÔÛ ñaây, ta goïi chung laø phaàn töû caûm bieán. Theo nghóa roäng, phaàn töû caûm bieán transducer laø thieát bò hay boä phaän thieát bò caûm nhaän vaø ñaùp öùng vôùi caùc kích thích töø ñaïi löôïng ño, ñöôïc ñaëc tröng nhö moät khaâu chöùc naêng trong heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån, moät maïng hai cöûa noùi chung (hình 1.7). Caûm bieán vaø caùc maïch keát hôïp cuûa noù ñöôïc duøng ñeå ño löôøng caùc thuoäc tính vaät lyù khaùc nhau nhö nhieät ñoä, löïc, aùp suaát, löu löôïng doøng chaûy, vò trí, cöôøng ñoä saùng, vv Caùc tính chaát naøy taùc ñoäng nhö kích thích tôùi caûm bieán, vaø ñaàu ra cuûa caûm bieán ñöôïc chuaån hoaù vaø xöû lyù ñeå cung caáp soá ño phuø hôïp cuûa thuoäc tính vaät lyù ñoù. Caùc transducers hieän ñaïi thöôøng ñöôïc phoái gheùp boä phaän caûm bieán ño löôøng vôùi boä phaän chuaån hoaù tín hieäu conditioner vaø caùc boä phaän vi tính khaùc (nhö microprocessor hay microcontroller) ñeå hieäu chænh hoaëc tuyeán tính hoaù, xaùc ñònh caùc aûnh höôûng nhieãu, xaùc ñònh nguoàn sai soá vaø khöû hoaëc giaûm thieåu chuùng, cuõng nhö ñeå ñöa tôùi caùc boä phaän ñieàu khieån khaùc (nhö caùc phaàn töû chaáp haønh actuators ). Nhö vaäy, ñaàu ra cuûa caùc phaàn töû transducers thöôøng laø tín hieäu ñaõ ñöôïc chuaån hoaù, coù theå tröïc tieáp ñöa tôùi giao dieän vôùi caùc khoái caáu thaønh heä thoáng khaùc, thöôøng laø qua caùc tuyeán bus truyeàn daãn, hoaëc xöû lyù, hieån thò tröïc tieáp. Noùi moät caùch nghieâm chænh thì caûm bieán sensor laø moät duïng cuï chuyeån ñoåi tín hieäu kích thích (theå hieän moät thuoäc tính vaät lyù) thaønh tín hieäu ñieän; trong khi bieán caûm transducer laø boä chuyeån ñoåi moät daïng naêng löôïng thaønh naêng löôïng daïng khaùc. Tuy nhieân trong thöïc teá, caùc thuaät ngöõ naøy ñöôïc söû duïng moät caùch traùo ñoåi ñöôïc. Caùc phaàn töû caûm bieán ñöôïc phaân loaïi theo nhieàu tieâu chuaån khaùc nhau. Veà baûn chaát vaät lyù, caùc caûm bieán ñöôïc phaân loaïi laø phaàn töû caûm bieán tích cöïc hay thuï ñoäng. Caùc phaàn töû tích cöïc taùc hoaït nhö moät nguoàn (nguoàn aùp hay nguoàn doøng), khoâng phaûi cung caáp nguoàn naêng löôïng phuï. Nhöõng phaàn töû naøy ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng maïng hai cöûa coù nguoàn trong. Caùc phaàn töû tích cöïc ñieån hình laø caùc phaàn töû caûm bieán vaät lyù nhö caûm bieán nhieät-ñieän thermoelements, caëp nhieät ngaãu thermocouples, caùc heä ñieän-ñoäng electro-magnetic generators, phaàn töû quang-ñieän photoelements, tinh theå aùp-ñieän piezocristall, vv Caùc phaàn töû thuï ñoäng tieâu thuï naêng löôïng töø nguoàn phuï hoaëc laáy töø bieán kích thích ñaàu vaøo ñeå bieán ñoåi thaønh tín hieäu ñaàu ra. Nhöõng phaàn töû thuï ñoäng ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng maïng hai cöûa khoâng nguoàn, coù trôû khaùng trong phuï thuoäc kích thích ñaàu vaøo. Ñieån hình laø caùc phaàn töû caûm bieán tham soá nhö ñaàu doø bieán trôû (chieát aùp potentiometers, bieán trôû heä soá nhieät aâm hay döông NTC- / PTC-, baêng ño bieán daïng DMS, bieán trôû quang photoresistances, ); caûm bieán ñieän dung (tuï xoay / tuï baûn cöïc phaúng ); caûm bieán ñieän caûm; caûm bieán töø tính, vv 7
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Nhö vaäy, chuùng ta phaân loaïi daïng phaàn töû tích cöïc hay thuï ñoäng laø theo quan ñieåm bieán ñoåi naêng löôïng töï thaân cuûa phaàn töû caûm bieán. Ñieàu caàn löu yù laø cho tôùi nay, maëc duø söï phaân bieät veà tính tích cöïc vaø tính thuï ñoäng laø roõ raøng vaø khaù thoáng nhaát, nhöng trong caùc taøi lieäu khaùc nhau coù nhieàu caùch nhìn nhaän khaùc nhau (thaäm chí ngöôïc laïi) khi phaân loaïi ñoái töôïng laø thuï ñoäng hay tích cöïc. Ví nhö coù quan nieäm phaàn töû tích cöïc hay thuï ñoäng nhö sau [000]: Moät caûm bieán tích cöïc ñoøi hoûi moät nguoàn kích thích ngoaøi. Caùc caûm bieán treân cô sôû ñieän trôû nhö thermistors, RTDs (Resistance Temperature Detectors – caùc boä caûm bieán nhieät kieåu trôû khaùng), vaø caùc daây ño caêng (Strain Gages) laø nhöõng ví duï caûm bieán tích cöïc, bôûi vì doøng ñieän phaûi chaïy qua chuùng vaø ño ñieän aùp töông öùng ñeå xaùc ñònh giaù trò ñieän trôû (caùch khaùc laø maéc duïng cuï vaøo moät maïch caàu; tuy nhieân, trong tröôøng hôïp khaùc, ñoøi hoûi phaûi cung caáp doøng ñieän hay ñieän aùp töø ngoaøi). Maët khaùc, caùc caûm bieán thuï ñoäng (passive hay self-generating) taïo ra tín hieäu ñieän aùp ra cuûa chính chuùng maø khoâng ñoøi hoûi doøng hay aùp töø ngoaøi. Caùc ví duï veà caûm bieán thuï ñoäng laø caùc caëp nhieät ngaãu thermocouples vaø diodes quang photodiodes taïo ra ñieän aùp nhieät-ñieän vaø doøng quang-ñieän töông öùng, khoâng phuï thuoäc vaøo maïch ngoaøi. Nhö vaäy, ngöôøi ta phaân loaïi caûm bieán treân quan ñieåm chuaån hoaù tín hieäu, theo nhu caàu caàn thieát (hoaëc khoâng) giaûi phaùp maïch tích cöïc ngoaøi ñeå taïo tín hieäu ñieän ra töø caûm bieán. Ta neâu hai caùch phaân loaïi ñaëc tröng, chæ ñeå coù theå hieåu logic vaán ñeà (veà quan nieäm, khoâng neân vì theá maø nhaàm laãn veà thuaät ngöõ trong caùc taøi lieäu tham khaûo). Baûng 1.1 döôùi ñaây laø moät toång quan khaùi quaùt veà caûm bieán. Baûng 1.1 – Caùc caûm bieán ñieån hình vaø tín hieäu ra cuûa chuùng. Thuoäc tính Caûm bieán Tín hieäu ra Nhieät ñoä Caëp nhieät ngaãu Thermocouple Ñieän aùp Silicon Silicon Sensor Aùp / Doøng Kieåu ñieän trôû RTD Ñieän trôû Thermistor Thermistor Trôû khaùng Löïc / Aùp suaát Daây ño caêng Strain Gage Ñieän trôû Aùp-ñieän piezo- Piezoelectric Ñieän aùp Gia toác Maùy ño gia toác Accelerometer Ñieän dung Vò trí LVDT Ñieän aùp AC Cöôøng ñoä saùng Photodiode Photodiode Doøng ñieän Moät phöông caùch logic khaùc phaân loaïi caûm bieán laø phaân loaïi theo thuoäc tính vaät lyù maø caûm bieán ñöôïc thieát keá öùng duïng nhö caûm bieán nhieät ñoä, caûm bieán aùp suaát, caûm bieán chuyeån ñoäng, vv Nhö vaäy, theo nguyeân lyù bieán ñoåi coù theå phaân loaïi caùc caûm bieán nhö sau: Phaàn töû caûm bieán tham soá; Phaàn töû caûm bieán vaät lyù. Caùc phaàn töû caûm bieán döïa treân cô sôû nguyeân lyù hoaït ñoäng öùng duïng caùc hieäu öùng vaät lyù nhö ñieän- töø, quang-ñieän, piezo, vv bieán ñoåi caùc ñaïi löôïng thoâng soá traïng thaùi vaät lyù cuûa quaù trình coâng ngheä thaønh nhöõng thay ñoåi thoâng soá ñieän, ñöôïc goïi chung laø caùc caûm bieán vaät lyù noùi chung (xem theâm Phuï luïc 2 ). Trong ñoù, ñaëc bieät thoâng duïng caùc phaàn töû caûm bieán bieán ñoåi caùc ñaïi löôïngï vaät lyù (nhö nhieät ñoä hay aùnh saùng, chuyeån vò vaät theå hay taùc duïng löïc vaø öùng suaát ) tröïc tieáp thaønh nhöõng thay ñoåi tham soá ñieän (nhö ñieän trôû hay ñieän daãn, ñieän caûm hay hoã caûm, ñieän dung, ), ñöôïc goïi chung laø caùc caûm bieán tham soá (xem theâm Phuï luïc 1). 8
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Phaàn töû (cô caáu) taùc hoaït chaáp haønh Actuators. Trong caùc heä ño löôøng vaø ñieàu khieån, beân caïnh vieäc thu nhaän giaù trò caùc ñaïi löôïng vaät lyù, gia coâng xöû lyù chuùng thaønh caùc tín hieäu ñieän, laø vieäc bieán ñoåi tín hieäu thaønh nhöõng ñaïi löôïng khaùc (ví nhö cô hoïc, aâm thanh hay aùnh saùng ) cho nhöõng muïc ñích ñieàu khieån khoáng cheá tieáp theo. Caùc cô caáu bieán ñoåi naøy ñöôïc goïi laø cô caáu chaáp haønh. Ngaøy nay cuõng goïi chung laø caùc phaàn töû taùc hoaït chaáp haønh actuators. Phaàn töû taùc hoaït chaáp haønh ñöôïc ñaëc tröng nhö moät khaâu chöùc naêng trong heä thoáng caûm bieán ño löôøng vaø ñieàu khieån, moät maïng hai cöûa noùi chung (hình 1.7). Thoâng duïng caùc daïng phaàn töû taùc hoaït chaáp haønh sau: • Caùc phaàn töû chaáp haønh daïng maùy-ñieän, nhö ñoäng cô / maùy phaùt ñoàng boä / khoâng ñoàng boä, moät chieàu / xoay chieàu ; • Caùc phaàn töû chaáp haønh daïng cô caáu ñieän-cô, nhö rele, khôùp noái, khôûi ñoäng töø, • Caùc phaàn töû chaáp haønh thuûy-khí. Phaàn töû thoâng tin. Trong caùc heä ño löôøng vaø ñieàu khieån coøn coù moät kieåu daïng phaàn töû töï ñoäng khaù ñaëc bieät laø caùc phaàn töû thoâng tin. Nhöõng phaàn töû naøy coù tính naêng khaùc nhau, trong nhieàu tröôøng hôïp cuõng coù tính naêng caûm bieán (nhö tachogenerators, selsyn, moät soá loaïi bieán aùp quay, ), nhöng chung nhaát laø khaû naêng truyeàn ñaït thoâng tin ñieàu khieån tröïc tieáp, ñoàng boä giöaõ caùc boä phaän cuûa heä thoáng. Ñieån hình laø: • Tacho-generator; • Selsyn; • Bieán aùp quay; • Caùc phaàn töû khuyeách ñaïi (nhö khuyeách-ñaïi-töø, khuyeách ñaïi maùy-ñieän, khuyeách ñaïi thuaät toaùn, ) Cuøng vôùi transducers vaø actuators, caùc phaàn töû thoâng tin vaø maïch xöû lyù tieáp theo noùi chung taïo neân heä thoáng phöông tieän bieåu tröng traïng thaùi cuûa moät quaù trình kyõ thuaät hay coâng ngheä coù ñieàu khieån naøo ñoù trong moät heä ño löôøng ñieàu khieån thoáng nhaát. 1.3 – Caùc ñaëc tính cô baûn. Caûm bieán sensor laø moät duïng cuï chuyeån ñoåi moät hieän töôïng vaät lyù thaønh tín hieäu ñieän. Nhö vaäy, caûm bieán laø moät phaàn cuûa giao dieän giöõa theá giôùi vaät lyù vaø theá giôùi kyõ thuaät ñieän, cuõng nhö maùy tính ( laø moät phaàn cuûa giao dieän giöõa con ngöôøi vaø theá giôùi toaùn tính). Phaàn khaùc cuûa giao dieän naøy laø caùc cô caáu chaáp haønh actuators, chuyeån ñoåi tín hieäu ñieän thaønh tín hieäu vaät lyù. ÔÛ ñaây chuùng ta quan taâm ñeán khía caïnh giao dieän cuûa theá giôùi vaät lyù vaø heä ño löôøng ñieàu khieån cuøng nhöõng phaàn töû caáu thaønh cuûa noù. Ngaøy nay, naêng löïc xöû lyù moät khoái löôïng thoâng tin khoång loà ñaõ ñöôïc phaùt trieån trong ngaønh ñieän töû–maùy tính. Ví duï coù yù nghóa nhaát veà naêng löïc naøy laø maùy tính caù nhaân vaø söï toàn taïi cuûa caùc boä vi xöû lyù microprocessors, vi ñieàu khieån microcontroller, ñem laïi khaû naêng thieát keá cheá taïo nhöõng saûn phaåm gaén keát vôùi toaùn tính, töø coâng ngheä cheá taïo oâtoâ ñeán nhöõng thieát bò daân duïng nhö loø vi soùng, tôùi ñoà chôi treû em. Vaøi naêm laïi ñaây caùc phieân baûn cuûa nhöõng saûn phaåm naøy duøng vi xöû lyù trong caùc boä phaän ñieàu khieån chöùc naêng ñaõ trôû neân phoå bieán roäng raõi. Trong ngaønh cheá taïo oâtoâ nhöõng khaû naêng nhö theá raát caàn thieát ñeå ñaït ñöôïc nhöõng tính naêng phuø hôïp vôùi söï haïn cheá veà oâ nhieãm moâi tröôøng. Trong nhöõng tröôøng hôïp khaùc, moät caùch ñôn giaûn naêng löïc aáy ñem laïi nhöõng tieän ích khoâng maáy toán keùm. Taát caû nhöõng maïch xöû lyù tín hieäu, maïch bieán ñoåi töông hôïp tín hieäu – chuaån hoaù tín hieäu, keå caû caùc maïch toaùn tính tieáp theo, ñeàu caàn coù tín hieäu ñieän ñaàu vaøo ñeå nhaän maõ leänh vaø döõ lieäu thoâng tin. Nhö vaäy, cuøng vôùi söï saün coù caùc microprocessor reû tieàn, cô hoäi söû duïng caùc sensor ñaõ khoâng 9
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. ngöøng taêng leân trong haøng loaït saûn phaåm ño löôøng ñieàu khieån. Hôn nöõa, bôûi vì ñaàu ra cuûa sensor laø tín hieäu ñieän, cho neân caùc sensors coù xu höôùng ñaëc tröng nhö theå laø caùc linh kieän ñieän töû. Caùc baûn keâ döõ lieäu cuûa nhieàu sensor ñaõ ñöôïc laäp neân gioáng nhö baûn keâ cuûa caùc linh kieän ñieän töû. Tuy nhieân, ñoái vôùi caùc phaàn töû caûm bieán sensors cho tôùi nay chöa coù ñöôïc söï thoáng nhaát gaàn vôùi moät tieâu chuaån quoác teá daønh cho caùc ñaëc tính kyõ thuaät cuûa sensors. Ngöôøi thieát keá heä thoáng seõ baét gaëp moät loaït caùc caùch dieãn giaûi thoâng soá hoaït ñoäng cuûa caûm bieán, vaø noù coù theå gaây neân laàm laãn. Cho neân ôû ñaây chuùng ta ñieåm laïi moät soá ñònh nghóa khaùi nieäm cô baûn veà caùc ñaëc tính cuûa heä ño löôøng ñieàu khieån cuøng caùc phaàn töû cuûa noù. Trong caùc heä ño löôøng ñieàu khieån, phaàn töû töï ñoäng laø khaâu chöùc naêng cô baûn, ñöôïc moâ taû treân cô sôû moâ hình moät khoái kín vôùi vector tín hieäu ñaàu vaøo xv(t) vaø vector tín hieäu ñaàu ra yv(t) (hình 1.7). Khi ñoù, baûn chaát cuûa moâ hình toaùn hoïc naøy seõ chính laø aùnh xaï: v v T : x(t) a y(t) ; (1.1) hay coù theå vieát döôùi daïng: yv(t) = T{}xv(t) . (1.2) Treân quan ñieåm kyõ thuaät, thay vì tín hieäu vaøo-ra cuûa phaàn töû, ngöôøi ta thöôøng söû duïng khaùi nieäm kích thích vaø ñaùp öùng vôùi nghóa nhö sau: neáu kích thích phaàn töû baèng vector tín hieäu xv(t) thì seõ coù ñaùp öùng laø yv(t) . Vieäc khaûo saùt, phaân tích caùc ñaëc tính cuûa moät phaàn töû töï ñoäng thöôøng ñöôïc quy veà phaân tích moâ hình toaùn hoïc cuûa noù. Nhö vaäy, chæ caàn phaân tích, khaûo saùt ñaùp öùng cuûa phaàn töû vôùi moät vaøi kích thích ñieån hình, chaúng haïn nhö khaûo saùt ñaùp öùng cuûa phaàn töû vôùi kích thích laø tín hieäu xung Dirac δ (t) hay tín hieäu böôùc nhaûy ñôn vò Heaviside 1(t). Tuøy theo daïng tín hieäu ñöôïc bieåu dieãn trong mieàn thôøi gian hay mieàn aûnh Fourier, Laplace thì moâ hình seõ coù daïng laø phöông trình vi phaân, haøm truyeàn ñaït hay haøm ñaëc tính taàn. Haøm truyeàn ñaït. Haøm truyeàn ñaït chæ roõ quan heä chöùc naêng giöõa tín hieäu vaät lyù ñaàu vaøo vaø tín hieäu ñieän ñaàu ra. Thoâng thöôøng, quan heä naøy thöôøng ñöôïc bieåu dieãn baèng ñoà thò chæ ra moái quan heä giöõa tín hieäu ñaàu vaøo vaø ñaàu ra, vaø nhöõng chi tieát cuûa quan heä ñoù coù theå taïo thaønh söï moâ taû caùc ñaëc tính kyõ thuaät cuûa phaàn töû. Ñoái vôùi nhöõng phaàn töû chuyeân duïng, nhö laø nhöõng sensor ñaét tieàn, voán ñöôïc kieåm chuaån caù bieät, noù coù theå ôû daïng ñöôøng cong quy chuaån. Haøm truyeàn ñaït cuûa moät phaàn töû ñöôïc xaây döïng treân cô sôû moâ hình moâ taû quan heä vaät lyù beân trong phaàn töû vaø giao tieáp vôùi moâi tröôøng töông taùc beân ngoaøi. Caùc quan heä vaøo-ra naøy cuûa phaàn töû thöôøng ñöôïc moâ taû döôùi daïng phöông trình toaùn hoïc, nhö bieåu thöùc (1.1) chaúng haïn. Haøm truyeàn ñaït F(s) cuûa moät phaàn töû töï ñoäng ñöôïc ñònh nghiaõ nhö laø tyû soá giöõa ñaùp öùng Y(s) vôùi kích thích X(s). Y (s) F(s) = ; (1.3) X (s) ôû ñaây: Y(s) vaø X(s) laø aûnh Laplace cuûa ñaùp öùng y(t) vaø kích thích x(t) töø traïng thaùi ban ñaàu baèng 0. Haøm truyeàn ñaït (1.3) ñöôïc daãn xuaát töø phöông trình vi phaân moâ taû quan heä vaøo-ra cuûa phaàn töû, bieåu dieãn theo toaùn töû Laplace thaønh moät phöông trình ñaïi soá, coù theå coù daïng tuyeán tính, phi tuyeán, haøm loga, haøm luõy thöøa hay haøm muõ vv 10
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Hình 1.7 moâ taû moâ hình moät phaàn töû töï ñoäng baèng haøm truyeàn ñaït F(s), haøm troïng löôïng g(t) khi kích thích ñaàu vaøo laø tín hieäu Dirac δ (t) , hay haøm quaù ñoä h(t) khi kích thích ñaàu vaøo laø tín hieäu böôùc nhaûy Heaviside 1(t). Hình 1.7 – Moâ hình moät phaàn töû töï ñoäng ñöôïc moâ taû bôûi haøm truyeàn ñaït F(s). Ñoái vôùi caùc phaàn töû caûm bieán ño löôøng thì thoâng thöôøng kích thích ñaàu vaøo laø söï taùc ñoäng cuûa caùc ñaïi löôïng vaät lyù ñaëc tröng thoâng soá traïng thaùi cuûa quaù trình; coøn ñaùp öùng ñaàu ra laø tín hieäu ñieän töông öùng. Quan heä ñaùp öùng – kích thích cuûa boä caûm bieán, ñöôïc ñaëc tröng bôûi nhöõng ñaëc tính cô baûn cuûa phaàn töû caûm bieán trong aûnh höôûng cuûa raát nhieàu yeáu toá taùc ñoäng, do vaäy raát phöùc taïp. ÔÛ ñaây chuùng ta ñeà caäp ñeán nhöõng ñaëc tính cô baûn cuûa phaàn töû caûm bieán noùi chung, tröôùc tieân laø ñeå coù moät caùch nhìn khaùi quaùt vaø heä thoáng. Ñoä nhaïy. Ñoä nhaïy ñöôïc xaùc ñònh theo caùch noùi rieâng lieân quan tôùi moái quan heä giöõa tín hieäu vaät lyù ñaàu vaøo vaø tín hieäu ñieän ñaàu ra. Noùi chung, noù laø tyû soá giöõa söï thay ñoåi nhoû trong tín hieäu ñieän ñoái vôùi moät söï thay ñoåi nhoû trong tín hieäu vaät lyù. Nhö theá, noù coù theå ñöôïc theå hieän nhö moät daãn xuaát cuûa haøm truyeàn ñaït lieân quan vôùi tín hieäu vaät lyù. Ñôn vò ño löôøng ñieån hình laø volts/kelvin, millivolts/kilopascal, vv Moät nhieät keá coù “ñoä nhaïy cao” neáu nhö moät söï thay ñoåi nhoû cuûa nhieät ñoä ñaït keát quaû laø moät söï thay ñoåi ñieän aùp lôùn. Traïng thaùi beàn – Ñaëc tính tónh. Caùc ñaëc tính beàn moâ taû töông quan thöôøng oån stationary giöõa ñaïi löôïng ñaàu ra vaø ñaàu vaøo cuûa moät phaàn töû trong heä ño löôøng ñieàu khieån, thoâng qua caùc bieán traïng thaùi vaät lyù ôû traïng thaùi tónh hay traïng thaùi döøng. Moái töông quan naøy thöôøng ñöôïc bieåu dieãn baèng moät tröôøng caùc ñöôøng ñaëc tính tónh. Khi ñoù tính naêng truyeàn ñaït cuûa phaàn töû ñöôïc moâ taû bôûi quan heä haøm toaùn hoïc giöõa ñaïi löôïng vaät lyù ñaàu vaøo x (kích thích ñaàu vaøo) vaø tín hieäu ñaàu ra y (ñaùp öùng ñaàu ra) döôùi daïng bieåu thöùc (1.1), hay ñoà thò, hay baûng giaù trò soá. Chæ coù theå noùi ñeán tính beàn ñoái vôùi caùc phaàn töû coù ñaëc tính tham soá tónh, maïch caân baèng maø trong ñoù quaù trình bieán thieân ñaïi löôïng ñaàu vaøo x vaø ñaïi löôïng ñaàu ra y öùng vôùi traïng thaùi tónh hay döøng stationary. Vôùi nhöõng phaàn töû khoâng caân baèng (ñaïi löôïng ñaàu ra thay ñoåi khi ñaïi löôïng ñaàu vaøo laø haèng nhö phaàn töû ñoaïn maïch coù tính tích phaân) thì khoâng thuoäc daïng naøy. Ñoä tuyeán tính. Moät phaàn töû laø tuyeán tính trong moät daûi bieán thieân traïng thaùi ñaàu vaøo neáu trong daûi ñoù ñoä nhaïy cuûa caûm bieán (hay chuyeån ñoåi) khoâng phuï thuoäc vaøo giaù trò (ñoä lôùn) cuûa bieán ñaàu vaøo, töùc laø ñoä nhaïy laø haèng soá. Khi ñoù, ôû cheá ñoä tónh ñaëc tuyeán tónh laø tuyeán tính. ÔÛ cheá ñoä ñoäng, ñoä tuyeán tính bao goàm söï khoâng ñoåi cuûa ñoä nhaïy vaø cuûa caùc thoâng soá ñaùp öùng, nhö taàn soá dao ñoäng rieâng, heä soá suy giaûm cuõng khoâng phuï thuoäc vaøo bieán ñaàu vaøo. Trong thöïc teá, ñoä tuyeán tính ñöôïc duøng nhö laø ñoä phi tuyeán. Ta hieåu ñoù laø sai leäch toái ña so vôùi moät haøm truyeàn ñaït tuyeán tính bao truøm caû daûi ñoäng hoïc ñaëc tröng. Coù vaøi pheùp ño sai leäch ñoù. Chung nhaát laø so saùnh haøm truyeàn thöïc teá vôùi “ñöôøng thaúng nhaát” (xem hình 1.9), naèm giöõa hai ñöôøng song song bao toaøn boä haøm truyeàn trong suoát daûi ñoäng hoïc ñaëc tröng cuûa duïng cuï. Söï löïa choïn phöông phaùp so saùnh naøy laø phoå bieán bôûi vì noù laøm cho ña soá caùc caûm bieán troâng coù veû toát hôn. Coù theå duøng nhöõng ñöôøng tham chieáu khaùc, sao cho ngöôøi söû duïng cuõng seõ caån thaän khi so saùnh maø duøng cuøng tham chieáu aáy. 11
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Ñoä lôùn tín hieäu ñaàu vaøo. Laø giaù trò lôùn nhaát cuûa tín hieäu ñaàu vaøo maø sai soá cuûa phaàn töû khoâng vöôït ngöôõng cho pheùp. Thoâng thöôøng ngöôõng ñoäng cuûa kích thích ñaàu vaøo ñöôïc bieåu dieãn baèng dB, logarithm cuûa tyû soá coâng suaát hoaëc tyû soá ñieän aùp (baûng 1.2). P u 1dB = 10lg 2 = 20lg 2 . (1.4) P1 u1 Baûng 1.2 – Quan heä giöõa tyû soá coâng suaát, ñieän aùp theo dB. Decibel, dB 0,1 1,0 10 2030 40 50 60 70 80 90 100 3 4 5 6 7 8 9 10 P2 P1 1,023 1,26 10 100 10 10 10 10 10 10 10 10 3 2 4 4 5 u2 u1;(i2 i1 ) 1,012 1,12 3,16 10 31,6 100 316 10 316 10 3.10 10 Ñoä phaân giaûi. Ñoä phaân giaûi cuûa moät caûm bieán ñöôïc xaùc ñònh laø dao ñoäng tín hieäu nhoû nhaát coù theå phaân bieät ñöôïc. Bôûi vì nhöõng dao ñoäng thaát thöôøng laø hieän töôïng taïm thôøi, coù moái quan heä naøo ñoù giöõa thang ño thôøi gian ñoái vôùi dao ñoäng vaø bieân ñoä nhoû nhaát coù theå phaân bieät ñöôïc. Do ñoù ñònh nghóa cuûa ñoä phaân giaûi phaûi bao goàm thoâng tin naøo ñoù veà baûn chaát cuûa pheùp ño ñang thöïc hieän. Nhieàu loaïi caûm bieán bò giôùi haïn bôûi nhieãu coù phaân boá phoå traéng. Trong nhöõng tröôøng hôïp nhö vaäy, coù theå ñaëc tröng ñoä phaân giaûi theo ñôn vò ño cuûa tín hieäu vaät lyù / root (Hz) (caên baäc hai root). Khi ñoù, coù theå xaùc ñònh ñoä phaân giaûi thöïc teá ñoái vôùi töøng pheùp ño rieâng bieät baèng caùch nhaân soá löôïng ñoù vôùi caên baäc hai cuûa baêng taàn ño. Caùc baûn keâ döõ lieäu caûm bieán noùi chung xaùc ñònh ñoä phaân giaûi ôû ñôn vò ño tín hieäu / caên baäc hai (Hz) hoaëc cho tín hieäu nhoû nhaát coù theå phaân bieät ñöôïc ñoái vôùi pheùp ño ñaëc tröng. Neáu daïng nhieãu cuõng ñöôïc moâ taû ñaëc tính thì coù theå toång quaùt hoaù ñoä phaân giaûi naøy cho nhöõng pheùp ño baát kyø. Tính thôøi gian – Ñaëc tính ñoäng. Tính thôøi gian moâ taû moái töông quan bieán thieân theo thôøi gian giöõa caùc ñaïi löôïng ñaàu ra vaø ñaàu vaøo cuûa phaàn töû heä. Caùc phaàn töû trong heä ño löôøng ñieàu khieån thöôøng bieåu thò nhöõng tính chaát ñaùp öùng raát khaùc nhau ñoái vôùi söï bieán ñoäng ñaïi löôïng ñaàu vaøo (thöôøng keøm theo ñaïi löôïng nhieãu). Ñieàu naøy coù theå ñöôïc xaùc ñònh thoâng qua phaûn öùng ñoái vôùi söï bieán ñoäng ñaàu vaøo hoaëc aûnh höôûng nhieãu, seõ cho keát luaän veà caùc tính naêng truyeàn ñaït cuûa noù – ñaëc tính ñoäng cuûa moät phaàn töû töï ñoäng hay caûm bieán. Thöôøng thì ñaëc tính ñoäng cuûa phaàn töû ñöôïc ñaëc tröng bôûi haøm ñaëc tính taàn cuûa noù. Hieän töôïng treã. Moät soá phaàn töû caûm bieán sensor khoâng trôû veà cuøng moät trò soá ñaàu ra trong khi ñaàu vaøo coù xu höôùng dao ñoäng leân xuoáng. Ñoä roäng cuûa sai soá kyø voïng ñoái vôùi ñaïi löôïng ño ñöôïc xaùc ñònh nhö laø hieän töôïng treã. Ñôn vò ño löôøng ñieån hình laø kelvin hay laø phaàn traêm cuûa toaøn thang ño FSO. Daûi ñoäng hoïc (hoaëc ñoä roäng phaïm vi ñoäng hoïc). Phaïm vi bieán thieân cuûa caùc tín hieäu vaät lyù ñaàu vaøo coù theå chuyeån ñoåi thaønh caùc tín hieäu ñieän cuûa caûm bieán laø daûi ñoäng hoïc hay laø ñoä roäng phaïm vi ñoäng hoïc. Nhöõng tín hieäu ngoaøi phaïm vi naøy ñöôïc cho raèng seõ gaây neân söï maát chính xaùc khoâng chaáp nhaän ñöôïc. Ñoä roäng hoaëc daûi ñoäng hoïc thöôøng ñöôïc nhaø cung caáp caûm bieán ñaëc tröng nhö laø phaïm vi bao truøm maø caùc ñaëc tính hoaït ñoäng cuûa phaàn töû caûm bieán ñaõ neâu trong baûn keâ döõ lieäu cuûanoù hy voïng seõ coù taùc duïng. Caùc ñôn vò ño löôøng ñieån hình laø kelvin, pascal, newton, vv Ñoä taùc ñoäng nhanh. Laø khaû naêng ñaùp öùng theo thôøi gian taùc ñoäng cuûa bieán ñaàu vaøo (thôøi gian hoài ñaùp). Thôøi gian ñaùp öùng τ laø khoaûng thôøi gian bieán thieân tín hieäu ñaùp öùng ñaàu ra, töø thôøi ñieåm taùc ñoäng cuûa bieán ñaàu vaøo, cho ñeán khi chæ coøn khaùc giaù trò cuoái moät ngöôõng sai leäch quy ñònh ε [%]. Hình 1.8 bieåu dieãn ñaùp öùng cuûa moät phaàn töû töï ñoäng khi ñöôïc kích thích bôûi tín hieäu böôùc nhaûy ñôn 12
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. vò Heaviside 1(t): daïng A laø ñaùp öùng töùc thôøi; B – ñaùp öùng treã daïng haøm muõ; C – ñaùp öùng töùc thôøi coù suy giaûm; D – ñaùp öùng treã coù suy giaûm; E – ñaùp öùng dao ñoäng taét daàn. Hình 1.8 – Caùc daïng ñaùp öùng cuûa phaàn töû töï ñoäng ñoái vôùi taùc ñoäng ñaàu vaøo daïng böôùc nhaûy. Ñoä roäng baêng taàn. Moïi phaàn töû ñeàu coù thôøi gian ñaùp öùng nhaát ñònh ñoái vôùi söï thay ñoåi lieân tuïc cuûa kích thích. Ñoái vôùi caùc caûm bieán thì chuùng phaûi coù thôøi gian ñeå ñaùp öùng vôùi söï bieán thieân lieân tuïc cuûa tín hieäu vaät lyù ñaàu vaøo. Theâm vaøo ñoù, nhieàu caûm bieán coù thôøi gian toån hao, laø khoaûng thôøi gian caàn thieát sau bieán ñoäng daïng böôùc nhaûy trong tín hieäu vaät lyù ñeå ñaàu ra cuûa caûm bieán ñaït tôùi giaù trò thöïc cuûa noù (hình 1.8). Quan heä töông hoã cuûa nhöõng khoaûng thôøi gian naøy tuøy theo taàn soá töông öùng giôùi haïn treân hay döôùi. Ñoä roäng baêng taàn cuûa moät caûm bieán laø phaïm vi taàn soá giöõa hai taàn soá giôùi haïn aáy. Nhieãu. Moïi caûm bieán ñeàu coù ôû ñaàu ra moät soá nhieãu keát hôïp laïi trong tín hieäu ra. Trong vaøi tröôøng hôïp, nhieãu cuûa caûm bieán laø nhoû hôn nhieãu cuûa phaàn töû heä thoáng keà caän (phaàn töû / linh kieän ñieän töû), hoaëc nhoû hôn nhöõng dao ñoäng thaát thöôøng cuûa tín hieäu vaät lyù, maø trong tröôøng hôïp ñoù khoâng maáy quan troïng. Toàn taïi nhieàu tröôøng hôïp hôn, khi nhieãu cuûa caûm bieán laøm haïn cheá hoaït ñoäng cuûa heä voán döïa treân cô sôû caûm bieán. Thoâng thöôøng nhieãu ñöôïc moâ taû thoâng qua phoå taàn soá. Nhieàu nguoàn nhieãu thoâng thöôøng gaây neân phaân boá phoå nhieãu traéng maø coù theå noùi raèng maät ñoä phoå nhieãu cuõng gioáng nhö taát caû caùc taàn soá khaùc. Nhieãu Johnson trong ñieän trôû laø moät ví duï ñieån hình cuûa moâ taû nhieãu aáy. Ñoái vôùi nhieãu traéng, maät ñoä phoå nhieãu ñöôïc ñaëc tröng ôû ñôn vò volts/root-caên baäc hai(Hz). Coù moät caùch moâ taû baûn chaát töï nhieân aáy laø goäp theâm nhieãu vaøo pheùp ño coù bieân ñoä tyû leä vôùi caên baäc hai cuûa ñoä roäng baêng taàn daûi ño. Bôûi quan heä giöõa ñoä roäng baêng taàn vaø thôøi gian ño laø trò nghòch ñaûo cuûa nhau, neân coù theå noùi raèng nhieãu seõ giaûm theo caên baäc hai cuûa thôøi gian ño. Ñoä chính xaùc (hay ñoä baát ñònh) vaø sai soá. Noùi chung, ñoä baát ñònh ñöôïc ñònh nghóa nhö laø sai leäch lôùn nhaát coù theå xaûy ra giöõa caùc tín hieäu ra thöïc teá vaø tín hieäu ra lyù töôûng. Ñôn vò ño löôøng ñieån hình laø kelvin. Ñoâi khi ñöôïc daãn xuaát nhö laø moät phaàn (phaàn traêm) cuûa toaøn boä thang ño ñaàu ra hay laø moät phaàn cuûa chæ thò ñoïc ñöôïc. Ví duï, moät nhieät keá ñaûm baûo ñoä chính xaùc trong khoaûng 5% phaïm vi toaøn thang ño FSO (Full Scale Output). “Ñoä chính xaùc” ôû ñaây, noùi chung ñöôïc caùc caùn boä ño löôøng coâng nhaän, phaûi laø moät thuaät ngöõ ñònh tính, trong khi “ñoä baát ñònh” laø thuaät ngöõ coù tính ñònh löôïng. Ví duï: moät caûm bieán coù ñoä chính xaùc cao hôn caûm bieán khaùc neáu nhö ñoä baát ñònh cuûa noù laø 1% so vôùi nhöõng caûm bieán khaùc coù ñoä baát ñònh 3%. Ñoä chính xaùc cuûa caùc phaàn töû töï ñoäng noùi chung vaø caùc phaàn töû caûm bieán noùi rieâng tuøy thuoäc chuûng loaïi, nguyeân lyù, phöông phaùp vaø phöông tieän kyõ thuaät cho pheùp thu nhaän, bieán ñoåi hay taùi taïo ñaïi löôïng vaät lyù gaàn vôùi giaù trò thöïc tôùi möùc naøo (hình 1.9). Ñoái vôùi caùc phaàn töû caûm bieán trong 13
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. thöïc tieãn öùng duïng kyõ thuaät, ñoä chính xaùc caûm bieán ñöôïc ñaùnh giaù bôûi caùc pheùp ño ñònh löôïng, baèng kyõ thuaät ño löôøng, chuùng ñaëc tröng bôûi sai soá ño löôøng. Hình 1.9 – Haøm truyeàn vaø giôùi haïn sai soá cuûa caûm bieán lyù töôûng. Lyù thuyeát sai soá xaây döïng cô sôû ñeå nhaän bieát vaø ñaùnh giaù sai soá cuûa caùc pheùp ño thöïc nghieäm. Lyù thuyeát sai soá laø moät boä phaän cuûa thoáng keâ toaùn hoïc, coù nhieäm vuï xaùc ñònh trò soá cuûa nhöõng ñaïi löôïng chöa bieát theo keát quaû cuûa nhöõng pheùp ño thöïc nghieäm coù chöùa sai soá ngaãu nhieân. Coâng cuï toaùn hoïc xaùc suaát thoáng keâ laø cô sôû tìm ra quy luaät phaân boá caùc sai soá ngaãu nhieân, tìm caùch ñaùnh giaù caùc ñaïi löôïng chöa bieát theo caùc keát quaû quan saùt vaø xaùc ñònh sai soá cuûa caùc caùch ñaùnh giaù ñònh löôïng (löôïng giaù) chuùng. Sai soá tuyeät ñoái cuûa pheùp ño ñaïi löôïng caûm bieán X – laø ñoä leäch giöõa giaù trò ño ñöôïc X do vaø giaù trò thöïc X τ . ∆X = X do − X τ . (1.5) Sai soá töông ñoái cuûa caûm bieán: ∆X ε[%] = .100% . (1.6) X τ Ñoái vôùi phöông tieän ño, thoâng thöôøng sai soá tuyeät ñoái ñöôïc xaùc ñònh theo phaïm vi ño cuûa thieát bò (Pvd), ñöôïc goïi laø thang ño. Phaïm vi ño Pvd cuûa moät thieát bò ño laø giaù trò chuaån ñònh cuûa thang ño, baèng khoaûng khaùc bieät giöõa giaù trò ñaàu vaø giaù trò cuoái thang ño. Caáp chính xaùc Cl. (Class) cuûa phöông tieän ño ñöôïc ñònh chuaån theo sai soá töông ñoái quy ñoåi treân toaøn thang ño Pvñ: ∆X ε~[%] = .100% ; (1.7) Pvd Ñoä lôùn ε~ ñöôïc ñaùnh giaù nhö sai soá chuaån ñònh hay sai soá nhoû nhaát cuûa thieát bò ño coù theå ñaït tôùi, do vaäy maø caáp ñoä chính xaùc cuûa maùy ño ñöôïc ñònh kyø kieåm ñònh theo möùc sai soá ε~ ñoù. Trong thöïc teá, khi chöa bieát ñöôïc giaù trò thaät X τ vaø neáu giaù trò ño X do nhaän ñöôïc theo quan saùt treân moät maùy ño coù caáp chính xaùc Cl. naøo ñoù, (khi sai soá ño ñuû nhoû ε << 1, vaø pheùp ño ñöôïc coi nhö khoâng chòu aûnh höôûng cuûa sai soá ngaãu nhieân), thì keát quaû ño baèng: 14
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. ⎛ Pvd.Cl ⎞ X = (X do ± ∆X ) ≅ ⎜ X do ± ⎟ ; (1.8) ⎝ 100% ⎠ ôû ñaây: X do – giaù trò ño thu ñöôïc treân maùy ño; Pvd – phaïm vi thang ño; Cl. – caáp chính xaùc maùy ño, [%]. Khoâng theå loaïi tröø hoaøn toaøn ñöôïc sai soá, ngöôøi ta chæ coù theå ñaùnh giaù sai soá – noùi ñuùng hôn laø ñaùnh giaù ñöôïc giôùi haïn treân cuûa sai soá – maéc phaûi trong caùc pheùp ño vaø aûnh höôûng cuûa noù tôùi keát quaû ño. Tuøy tính chaát vaø nguyeân nhaân sai soá, tuøy theo caùch ñaùnh giaù maø giaûm thieåu hay loaïi tröø aûnh höôûng cuûa sai soá, ngöôøi ta phaân bieät hai loaïi sai soá: sai soá heä thoáng vaø sai soá ngaãu nhieân. Sai soá heä thoáng – laø nhöõng sai leäch coù trò soá gaàn nhö khoâng ñoåi hoaëc thay ñoåi theo moät quy luaät nhaát ñònh, trong moät loaït pheùp ño gioáng nhau (khoâng phuï thuoäc soá laàn ño laëp). Nguyeân nhaân coù theå laø: • Do nguyeân lyù caûm bieán, bieán ñoåi khoâng phuø hôïp; • Giaù trò ñaïi löôïng chuaån-so khoâng chính xaùc; • Do ñaëc tính kyõ thuaät cuûa caûm bieán khoâng töông thích; • Do ñieàu kieän vaø cheá ñoä söû duïng khoâng phuø hôïp; • Do xöû lyù keát quaû ño khoâng toát. Sai soá ngaãu nhieân – laø sai soá coù trò soá khoâng xaùc ñònh, bieán thieân baát thöôøng, sinh ra do nhieàu nguyeân nhaân khoâng roõ ñích xaùc. Nhöõng nguyeân nhaân thöôøng gaëp laø: • Do ñaëc tính kyõ thuaät cuûa cuûa caûm bieán thay ñoåi maø khoâng ñöôïc chuaån laïi; • Do taùc ñoäng nhieãu ngaãu nhieân; • Do aûnh höôûng nhöõng thay ñoåi moâi tröôøng (thöôøng laø ñieàu kieän ño). Sai soá heä thoáng thì coù theå loaïi tröø ñöôïc hoaëc coù theå tính ñöôïc ñeå hieäu chính, boå chính keát quaû ño moät caùch thích hôïp. Sai soá ngaãu nhieân laïi khoâng theå loaïi tröø, nhöng vaãn coù theå löôïng giaù ñöôïc ñoä lôùn (trò soá) vaø aûnh höôûng cuûa noù ñoái vôùi pheùp ño. Vieäc löôïng giaù giaù trò sai soá ngaãu nhieân döïa treân cô sôû toaùn hoïc xaùc suaát thoáng keâ, trong ñoù sai soá ngaãu nhieân ñöôïc ñaëc tröng bôûi caùc ñaëc tính cô baûn: • Ñònh luaät phaân boá sai soá vaø haøm maät ñoä phaân boá xaùc suaát sai soá; • Ñoä leäch trung bình bình phöông (phöông sai) vaø trò trung bình soá hoïc; • Khoaûng tin caäy vaø xaùc suaát tin caäy. Theo ñònh luaät phaân boá chuaån Gauss, thì trò trung bình soá hoïc µ (goïi laø giaù trò xaùc suaát kyø voïng) cuûa caùc keát quaû quan saùt leû X i trong moät pheùp ño laëp ñaïi löôïng caûm bieán X cho ta keát quaû pheùp ño X do ñöôïc coi laø gaàn giaù trò thaät X τ nhaát, vôùi ñoä sai leäch trung bình bình phöông (goïi laø sai leäch chuaån σ, hay goïi taét laø phöông sai). Töø ñoù tính ñöôïc ñoä tin caäy thoáng keâ (töùc laø xaùc suaát P) xuaát hieän moät giaù trò ño leû X i trong khoaûng giaù trò (phaïm vi tin caäy) naøo ñoù cho tröôùc X1 ≤ X i ≤ X2 . Giaù trò thaät voán khoâng nhaän bieát tröïc tieáp vaø ñích xaùc ñöôïc. Duø cho coù tieán haønh ño laëp nhieàu laàn (lyù thuyeát laø voâ soá laàn) giaù trò ño baèng moät phöông tieän ño trong cuøng moät ñieàu kieän ño, thì cuõng seõ cho caùc keát quaû quan saùt khoâng gioáng nhau, khoâng phuï thuoäc nhau vaø bieán ñoåi moät caùch ngaãu nhieân. Tuy vaäy, trong thöïc teá pheùp ño laëp cho pheùp ñaùnh giaù ñaïi löôïng caûm bieán theo caùc ñaëc tính cô baûn neâu treân cuûa pheùp toaùn tính xaùc suaát thoáng keâ. Chuaån tín hieäu giao dieän cuûa caùc boä caûm bieán. Noùi chung, ñoái vôùi caùc phaàn töû caûm bieán, tín hieäu ñaàu ra cuûa caùc caûm bieán vaät lyù thöôøng khoâng phuø hôïp, chöa töông thích vôùi caùc boä phaän cuûa caùc coâng ñoaïn keá tieáp caàn thieát, nhö xöû lyù döõ lieäu, löu ghi hieån thò, hay truyeàn daãn Nhaát laø ngaøy nay caùc boä phaän naøy chuû yeáu laø caùc phaàn töû linh kieän kyõ thuaät soá – maùy tính. Do vaäy caàn chuaån hoaù tín 15
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. hieäu, bieán ñoåi töông hôïp trong moät heä ño löôøng vaø ñieàu khieån chung (xem hình 1.2, 1.3) vaø ñöôïc thöïc hieän bôûi boä conditioner chuaån hoaù giao dieän giöõa caûm bieán vôùiø boä phaän keá tieáp. Ngaøy nay caùc sensors vaø transducers coù tín hieäu ñaàu ra laø tín hieäu ñieän (doøng hay aùp) ñöôïc xaùc ñònh bôûi nhöõng pheùp bieán ñoåi töông hôïp tín hieäu chuaån hoaù, trong kyõ thuaät ñieàu khieån töï ñoäng thöôøng laø: Ñieän aùp: 0 10 [V]; ± 10 [V]; Doøng ñieän: 0 10 [mA]; 4 20 [mA]; Tín hieäu doøng chuaån hoaù ( 4 ÷ 20 ) [mA] ñöôïc chaáp nhaän nhö moät chuaån coâng nghieäp ï Caùc ñaàu ra toaøn thang ño cuûa haàu heát caûm bieán laø ñieän aùp, doøng ñieän hay nhöõng thay ñoåi ñieän trôû töông ñoái nhoû, vaø do ñoù caùc ñaàu ra cuûa chuùng phaûi ñöôïc chuaån hoaù moät caùch thích hôïp tröôùc khi coù theå xöû lyù soá hay töông töï tieáp theo. Vì theá, ñaõ xuaát hieän caû moät lôùp maïch ñieän, noùi chung ñöôïc tham chieáu nhö laø caùc maïch chuaån hoaù tín hieäu. Khuyeách ñaïi, chuyeån möùc, ñieän ly, bieán ñoåi trôû khaùng, tuyeán tính hoaù, vaø loïc laø nhöõng chöùc naêng cô baûn chuaån hoaù tín hieäu coù theå caàn ñeán. Tuy nhieân, duø coù laáy baát kyø daïng chuaån hoaù naøo ñi nöõa thì giaûi phaùp maïch vaø vieäc thöïc hieän seõ ñöôïc chæ ñaïo bôûi ñaëc tính ñieän cuûa caûm bieán vaø ñaàu ra cuûa noù. Söï ñaëc tröng hoaù chính xaùc caûm bieán trong caùch noùi rieâng veà caùc thoâng soá öùng duïng, ví nhö ñoä nhaïy, möùc doøng vaø aùp, ñoä tuyeán tính, trôû khaùng, ñoä khuyeách ñaïi, thieân aùp, ñoä troâi, haèng soá thôøi gian, caùc cöïc trò veà ñieän, trôû khaùng treã vaø caùc ñaëc tính quan troïng khaùc coù theå noùi leân söï khaùc bieät giöõa sieâu chuaån vaø söï öùng duïng thaønh coâng cuûa duïng cuï, ñaëc bieät laø trong tröôøng hôïp ñoä phaân giaûi vaø ñoä chính xaùc cao, hoaëc caùc pheùp ño möùc ñoä thaáp ñöôïc thöïc hieän. Möùc ñoä tích hôïp cao cuûa caùc vi maïch tích hôïp IC ngaøy nay cho pheùp chuùng ñoùng vai troø ñaày yù nghóa trong lónh vöïc chuaån hoaù caû tín hieäu soá vaø tín hieäu töông töï. Caùc ADC (chuyeån ñoåi töông töï – soá) ñöôïc thieát keá chuyeân duïng cho caùc öùng duïng ño löôøng thöôøng bao goàm caùc boä khuyeách ñaïi laäp trình ñöôïc ñoä khuyeách ñaïi beân trong con chíp (PGAs – Programmable-Gain Amplifiers) vaø caùc maïch tieän ích khaùc nhö caùc nguoàn doøng ñeå ñieàu khieån caùc RTDs ñoàng thôøi giaûm thieåu nhöõng yeâu caàu veà maïch chuaån hoaù tín hieäu ngoaøi. Haàu heát caùc ñaàu ra cuûa caûm bieán laø phi tuyeán ñoái vôùi caùc kích thích, vaø caùc ñaàu ra cuûa chuùng phaûi ñöôïc tuyeán tính hoaù nhaèm mang laïi pheùp ño ñuùng. Coù theå duøng caùc kyõ thuaät töông töï analog ñeå thöïc hieän chöùc naêng ñoù. Tuy nhieân, ngaøy nay ñaõ coù caùc chuyeån ñoåi A/D coù tính naêng hoaït ñoäng cao cho pheùp thöïc hieän tuyeán tính hoaù moät caùch hieäu quûa vaø chính xaùc hôn nhieàu baèng caùc phaàn meàm vaø giôùi haïn söï caàn thieát phaûi coù nhöõng hieäu chuaån baèng tay phieàn phöùc baèng caùch söû duïng boä nhaân vaø ñoâi khi laø caùc maïch caét töông taùc trimpots. Caùc phaàn töû tích cöïc hay thuï ñoäng. Coù theå phaân loaïi caùc phaàn töû töï ñoäng theo daïng phaàn töû – linh kieän tích cöïc active hay thuï ñoäng passive. Nhö treân ñaõ neâu, coù hai caùch nhìn khaùc nhau veà vieäc ñoù. Ôû ñaây chuùng ta ñi theo caùch nhìn nhaän vaø caùch phaân loaïi chung nhaát, treân cô sôû nguyeân lyù bieán ñoåi naêng löôïng. Caùc phaàn töû tích cöïc taùc hoaït nhö moät nguoàn (nguoàn aùp hay nguoàn doøng), khoâng phaûi cung caáp nguoàn naêng löôïng phuï. Nhöõng phaàn töû naøy ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng maïng hai cöûa coù nguoàn trong. Caùc phaàn töû tích cöïc ñieån hình laø caùc phaàn töû caûm bieán vaät lyù nhö caûm bieán nhieät-ñieän thermoelements, caëp nhieät ngaãu thermocouples, caùc heä ñieän-ñoäng electro-magnetic generators, phaàn töû quang-ñieän photoelements, tinh theå aùp-ñieän piezocristall, vv Caùc phaàn töû thuï ñoäng tieâu thuï naêng löôïng töø nguoàn phuï hoaëc laáy töø bieán kích thích ñaàu vaøo ñeå bieán ñoåi thaønh tín hieäu ñaàu ra. Nhöõng phaàn töû thuï ñoäng ñöôïc bieåu dieãn döôùi daïng maïng hai cöûa khoâng nguoàn, coù trôû khaùng trong phuï thuoäc kích thích ñaàu vaøo. Ñieån hình laø caùc phaàn töû caûm bieán tham soá nhö ñaàu doø bieán trôû (chieát aùp potentiometers, bieán trôû heä soá nhieät aâm hay döông NTC- / 16
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. PTC-, baêng ño bieán daïng DMS, bieán trôû quang photoresistances, ); caûm bieán ñieän dung (tuï xoay / tuï baûn cöïc phaúng ); caûm bieán ñieän caûm; caûm bieán töø tính, vv Caùc phaàn töû lyù töôûng vaø thöïc teá. Caùc phaàn töû töï ñoäng, nhaát laø caùc phaàn töû caûm bieán, veà nguyeân lyù laø öùng duïng caùc hieäu öùng bieán ñoåi vaät lyù. Caùc phaàn töû caûm bieán coù chöùc naêng chung laø bieán ñoåi tín hieäu ñaàu vaøo coù baûn chaát naêng löôïng nhö cô naêng, ñieän naêng, hoùa naêng hay nhieät naêng, thaønh tín hieäu ñaàu ra daïng naêng löôïng ñieän. Caùc phaàn töû lyù töôûng thöïc hieän bieán ñoåi naøy maø khoâng toån hao. Ví duï, moät phaàn töû caûm bieán lyù töôûng duøng ño hay ñieàu chænh aùp löïc thì khoâng ñöôïc ñeå bò bieán daïng, do ñoù phaûi coù ñoä beàn cöùng lôùn voâ cuøng. Moät phaàn töû caûm bieán ñoä rung hay chaán ñoäng phaûi coù ñoä deûo cao voâ cuøng, ñeå coù theå laøm vieäc maø khoâng bò toån hao. Ñoái vôùi nhöõng tröôøng hôïp nhö vaäy, vieäc cheá taïo caùc phaàn töû töï ñoäng (lyù töôûng) töông thích vôùi yeâu caàu kyõ thuaät laø raát khoù khaên, nhöng laïi raát caàn thieát cho caùc coâng vieäc nghieân cöùu, khaûo saùt, phaân tích, thieát keá Haàu nhö heát thaûy caùc nguyeân lyù vaät lyù lyù thuyeát vaø öùng duïng maø coâng ngheä ñaït tôùi ñeàu ñöôïc ñem ra öùng duïng cho kyõ thuaät thieát keá vaø cheá taïo chuùng. Moãi öùng duïng kyõ thuaät laïi ñoøi hoûi phaûi coù nhöõng bieän phaùp caáu truùc phuø hôïp, do vaäy caùc ñaëc tính cuûa caùc phaàn töû töï ñoäng thöïc teá laø raát ña daïng. Noùi chung, ñoái vôùi töøng chuûng loaïi hay töøng phaàn töû töï ñoäng coù nhöõng yeâu caàu chuyeân bieät rieâng, chæ coù theå thoaû hieäp giöõa yeâu caàu lyù töôûng vaø naêng löïc hieän thöïc hoaù chuùng cuûa kyõ ngheä ñöông ñaïi. 1.4 – Cô sôû öùng duïng. Sau khi ñaõ ñieåm qua nhöõng khaùi nieäm ñònh nghóa cô baûn veà caùc ñaëc tính hoaït ñoäng cuûa caùc phaàn töû töï ñoäng noùi chung vaø caùc phaàn töû caûm bieán noùi rieâng, chuùng ta haõy tham khaûo moät ví duï laáy ñieån hình baûn keâ döõ lieäu cuûa moät phaàn töû cuï theå minh hoïa. 1.4.1 – Ñaëc tính vaän haønh cuûa moät caûm bieán cuï theå. Ñeå minh hoïa nhöõng khaùi nieäm ñònh nghóa treân ta löïa ra trò soá cuûa caùc thoâng soá aáy ñoái vôùi moät maùy ño saün coù, maùy ño gia toác ADXL150 cuûa haõng Analog Devices. Haøm truyeàn. Quan heä chöùc naêng giöõa ñieän aùp vaø gia toác ñöôïc neâu ra laø: mV V (Acc) = 1,5V + (Acc.167 ) ; (1.9) g ôû ñaây: Acc laø trò soá ño gia toác; V laø trò soá ñieän aùp ra. Coù theå duøng bieåu thöùc naøy ñeå hieäu chính ñaëc tính cuûa caûm bieán, vaø bao goàm caû thoâng tin veà ñoä nhaïy vaø ñieän aùp ñònh thieân offset ôû ñaàu ra cuûa caûm bieán. Ñoä nhaïy. Ñoä nhaïy cuûa caûm bieán ñöôïc cho bôûi daãn xuaát ñieän aùp ñoái vôùi gia toác taïi moät ñieåm vaän haønh nhaát ñònh. Ñoái vôùi duïng cuï naøy ñoä nhaïy laø 167 mV/g. Daûi ñoäng hoïc. Daûi ñoäng hoïc ñöôïc neâu ra ñoái vôùi ADXL322 laø ±2g. Ngoaøi phaïm vi naøy tín hieäu seõ tieáp tuïc taêng leân hay haï xuoáng, nhöng ñoä nhaïy khoâng coøn ñöôïc nhaø saûn xuaát ñaûm baûo laø 167 mV/g nöõa. Caûm bieán coù theå chòu ñöïng ñöôïc tôùi 3500g. Ñoä treã. Trong duïng cuï naøy khoâng coù nguoàn treã cô baûn naøo. Trong baûn keâ döõ lieäu khoâng noùi gì ñeán ñoä treã. Heä soá nhieät ñoä. Trong caûm bieán naøy ñoä nhaïy thay ñoåi theo nhieät ñoä, vaø söï thay ñoåi naøy ñöôïc ñaûm baûo nhoû hôn 0.025%/C. Ñieän aùp buø (ñònh thieân offset) khi khoâng coù gia toác (ñònh möùc laø 1,5V) cuõng thay ñoåi 17
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. trong khoaûng 2 mg/C. Bieåu dieãn baèng ñieän aùp, söï thay ñoåi ñieän aùp buø naøy khoâng lôùn hôn 0,3 mV/C. Ñoä tuyeán tính. ÔÛ tröôøng hôïp naøy, ñoä tuyeán tính laø söï khaùc bieät giöõa haøm truyeàn ñaït thöïc teá vaø ñöôøng thaúng nhaát trong suoát phaïm vi hoaït ñoäng ñaëc tröng. Ñoái vôùi duïng cuï naøy, noù ñöôïc neâu laø nhoû hôn 0.2% toaøn boä thang ño tín hieäu ra. Baûn keâ döõ lieäu cuõng cho ñoä sai leäch khoûi ñoä tuyeán tính coù theå coù. Nhieãu. Nhieãu ñöôïc bieåu dieãn nhö maät ñoä nhieãu vaø khoâng lôùn hôn 300 microg/root Hz. Ñeå bieåu thò soá lieäu ñoù theo ñieän aùp, ta nhaân noù vôùi ñoä nhaïy (167 mV/g) ñöôïc 0,5 microV/Rt Hz. Khi ñoù, söû duïng boä loïc thoâng taàn thaáp 10Hz, ta seõ coù nhieãu khoaûng 1,5 microV hieäu duïng, vaø sai soá veà gia toác khoaûng 1 milligr. Ñoä phaân giaûi. Baûn keâ döõ lieäu caûm bieán cho soá lieäu laø 300 miroG/Rt Hz. Ñoä roäng baêng taàn. Ñoä roäng baêng taàn cuûa caûm bieán naøy phuï thuoäc vaøo söï löïa choïn caùc tuï ñieän vaø ñieän trôû maïch ngoaøi. 1.4.2 – Caùc vaán ñeà öùng duïng. Caûm bieán chaát löôïng cao nhaát, caäp nhaät nhaát, ñöôïc hieäu chuaån chuaån xaùc nhaát vaø ñöôïc löïa choïn kyõ caøng nhaát vaãn coù theå cho nhöõng döõ lieäu hoaøn toaøn sai neáu khoâng ñöôïc aùp duïng phuø hôïp. ÔÛ ñaây xem xeùt moät vaøi vaán ñeà veà nhaän thöùc ñeå ñaûm baûo söû duïng caûm bieán moät caùch phuø hôïp, coù hieäu quaû, trong khi ñeà caäp ñeán caùc vaán ñeà caàn phaûi tìm hieåu vaø giaûi ñaùp trong quaù trình choïn löïa vaø aùp duïng baát kyø caûm bieán naøo. Thöôøng thì moät trong nhöõng nhieäm vuï khoù khaên maø moät kyõ sö ño löôøng ñieàu khieån phaûi ñoái maët laø vieäc choïn löïa moät heä ño löôøng thích hôïp. Tính thöïc duïng veà kinh teá vaø söùc eùp cuûa nhu caàu ñoái vôùi thieát bò phaàn cöùng hoaït ñoäng moät caùch thích öùng vaø an toaøn taïo neân moät yeâu caàu thieát thöïc veà vieäc thu nhaän döõ lieäu chính xaùc, thieát yeáu ñoái vôùi moãi moät pheùp ño. Maët khaùc, moãi öùng duïng seõ coù nhöõng ñaëc tröng khaùc bieät cuûa noùù, vaø chaéc seõ tuøy thuoäc vaøo nhöõng ñieàu kieän moâi tröôøng khaùc, vôùi nhöõng yeâu caàu khaùc veà döõ lieäu. Moät khi pheùp thöû nghieäm hay caùc chöông trình ño löôøng ñang chaïy, thì döõ lieäu thöôøng laø tuøy thuoäc caùc böôùc thao taùc, phaân tích vaø khaûo saùt töôøng taän. Trong moâi tröôøng naøy, coù theå ngöôøi kyõ sö ño löôøng khoâng coøn phuï thuoäc vaøo caùc heä ño löôøng chöùc naêng toång quaùt cuûa mình nöõa maø hy voïng coù ñöôïc döõ lieäu chaáp nhaän ñöôïc. Taát nhieân, anh ta phaûi phaân tích kyõ löôõng moïi maët pheùp thöû ñaõ thöïc hieän, khoaûn muïc thöû nghieäm, caùc ñieàu kieän moâi tröôøng, vaø, neáu nhö saün coù, caû nhöõng döï baùo duøng pheùp phaân tích. Trong ña soá caùc tröôøng hôïp, quaù trình naøy seõ chæ thò moät söï choïn löïa roõ raøng caùc thaønh phaàn cuûa moät heä chaáp nhaän ñöôïc. Trong vaøi tröôøng hôïp, nhöõng phaân tích naøy seõ chæ ra nhöõng thoaû hieäp khoâng theå traùnh khoûi hoaëc söï caân ñoái thoaû hieäp giöõa hai beân vaø caûnh baùo cho ngöôøi kyõ sö vaø khaùch haøng cuûa anh ta nhöõng thieáu huït coù khaû naêng xaûy ra trong keát quaû. Phaàn döôùi ñaây nhaèm trôï giuùp trong quaù trình löïa choïn moät heä ño löôøng chaáp nhaän ñöôïc. Trong khi hy voïng ñaït ñöôïc muïc tieâu, ta hieåu raèng khoâng theå nhaém tôùi moät caùch trieät ñeå moïi tình huoáng coù theå xaûy ra. Ta haõy xem xeùt moät vaøi tröôøng hôïp giaû thieát khi söï löïa choïn duïng cuï ñaõ ñöôïc laøm moät caùch caån thaän, nhöng nhöõng thöû nghieäm ñaõ hoûng. 1. Thöû nghieäm ñoøi hoûi thoâng tin veà taàn soá thaáp, troïng löïc g thaáp ñöôïc ño treân truïc oå bi xe löûa ñeå ñaùnh giaù traïng thaùi cuûa neàn ñöôøng saét. Sau khi löôïng giaù ñöôïc phaïm vi nhöõng ñieàu kieän phaûi ño, ñoä nhaïy cao, coäng höôûng thaáp, ngöôøi ta ñaõ choïn maùy ño gia toác aùp-ñieän piezoelectric. Nhöõng va 18
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. ñaäp dieãn ra khi baùnh xe chaïm caùc moái noái giöõa caùc phaàn ñöôøng laøm boä khuyeách ñaïi baõo hoaø, laøm cho noù khoâng coøn khaû naêng thu nhaän baát kyø döõ lieäu coù nghóa naøo. 2. Moät muïc thöû nghieäm phaûi boäc loä söï keát hôïp moâi tröôøng rung ñoäng vaø nhieät ñoä thay ñoåi nhanh. Ngöôøi kyõ sö choïn moät maùy ño gia toác cho phaïm vi nhieät ñoä cao maø khoâng tham khaûo yù kieán nhaø saûn xuaát. Tín hieäu nhieät ñaàu ra laøm traøn ngaäp döõ lieäu veà ñoä rung ñoäng. 3. Söï quan taâm caùc maïch ñieän cô baûn nhaéc tôùi söï choïn löïa moät maùy ño gia toác coù voû boïc caùch ly. Caáu truùc thöû nghieäm ñöôïc laøm töøng phaàn, töø caùc hôïp chaát nheï, vaø tröôøng hôïp cuûa vaøi maùy ño gia toác ñaõ khoâng ñöôïc tham khaûo moät caùch cô baûn. Ñieän dung kyù sinh cuûa nhieãu giao thoa phaùt xaï leân ñöôøng tín hieäu bao phuû caû luoàng döõ lieäu. Töø nhöõng ví duï treân, ta hy voïng nhaán maïnh ñöôïc raèng: ñoái vôùi taát caû caùc heä ño löôøng, chæ nhaän thöùc ñôn thuaàn nhöõng gì ta muoán ño laø ñieàu khoâng ñuû, khoâng töông xöùng. Treân thöïc teá, moãi hieän öôïng vaät lyù vaø hieän töôïng ñieän hieän höõu ñeàu caàn phaûi ñöôïc nhaän thöùc raèng ít ra chuùng ñeàu bò bao phuû, hay teä hôn, laøm oâ nhieãm moät caùch tinh vi caùc döõ lieäu cuûa ta. Ngöôøi söû duïng neân nhôù raèng moãi heä ño löôøng phaûi hoaøn toaøn töông öùng vôùi moâi tröôøng cuûa noù. 1.4.2 – Caùc vaán ñeà öùng duïng. Caùc ñaëc tính caûm bieán. Noùi chung, ngöôøi söû duïng noã löïc tìm caùch löïa choïn döïa treân cô sôû nhöõng ñaëc tính kyõ thuaät saün coù trong baûn keâ döõ lieäu saûn phaåm. Nhieàu ñaëc tính öùng duïng ñöôïc neâu trong baûn keâ döõ lieäu ñieån hình. Nhieàu nhaø saûn xuaát caûm thaáy raèng baûn keâ döõ lieäu phaûi cung caáp caøng nhieàu thoâng tin caøng toát. Khoâng may thay, söï dö thöøa döõ lieäu naøy coù theå taïo ra söï luùng tuùng naøo ñoù cho ngöôøi seõ söû duïng chuùng, nhaát laø ngöôøi môùi söû duïng. Do ñoù ngöôøi kyõ sö phaûi chaéc chaén raèng anh (hay coâ ta) hieåu bieát nhöõng ñaëc tính cô baûn vaø chuùng seõ aûnh höôûng theá naøo tôùi pheùp ño. Neáu ñieàu ñoù khoâng coøn nghi ngôø gì nöõa, thì neân tieáp xuùc vôùi nhaø saûn xuaát ñeå laøm roõ hôn. Caùc ñaëc tính cuûa heä. Caûm bieán vaø caùc boä chuaån hoaù tín hieäu phaûi ñöôïc löïa choïn ñeå laøm vieäc chung vôùi nhau nhö trong moät heä thoáng nhaát. Hôn nöõa, heä thoáng phaûi ñöôïc löïa choïn ñeå hoaït ñoäng toát trong muïc tieâu öùng duïng ñaõ ñònh. Ñoä chính xaùc toaøn phaàn cuûa heä thöôøng bò aûnh höôûng nhieàu nhaát bôûi caùc ñaëc tính cuûa caûm bieán nhö caùc aûnh höôûng cuûa moâi tröôøng vaø caùc ñaëc tính ñoäng hoïc. Caùc ñaëc tính khuyeách ñaïi nhö ñoä phi tuyeán, ñoä meùo daïng soùng haøi vaø ñoä phaúng cuûa ñöôøng cong ñaùp öùng taàn soá thöôøng laø khoâng ñaùng keå so vôùi caùc sai soá caûm bieán. Löïa choïn duïng cuï. Vieäc löïa choïn moät heä caûm bieán (hay heä chuaån hoaù tín hieäu) cho nhöõng pheùp ño coù ñoä chính xaùc cao ñoøi hoûi ngöôøi kyõ sö ñaày kyõ naêng vaø phaûi kyõ löôõng. Phaûi nhaän thöùc ñöôïc taát caû nhöõng ñieàu kieän moâi tröôøng, cô hoïc, kyõ thuaät ño. Vieäc laép ñaët phaûi ñöôïc leân keá hoaïch vaø thöïc hieän kyõ löôõng. Nhöõng höôùng daãn neâu döôùi ñaây nhö moät phöông tieän ñeå löïa choïn vaø laép ñaët caùc heä ño löôøng ñeå coù theå ñaït ñöôïc ñoä chính xaùc cao nhaát. Caûm bieán. Phaàn töû quan troïng nhaát trong heä ño löôøng laø caûm bieán sensor. Neáu döõ lieäu bò sai laïc hoaëc hö hoûng bôûi caûm bieán, thì thöôøng raát hieám coù khaû naêng chænh söûa laïi. Lieäu caûm bieán seõ hoaït ñoäng thoaû maõn trong moâi tröôøng ño hay khoâng? Kieåm thöû: Phaïm vi nhieät ñoä. Ñoä va ñaäp vaø rung ñoäng toái ña. Ñoä aåm. Aùp suaát. Möùc aâm thanh. 19
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Ñoä aên moøn daây ño. Töø tröôøng vaø tröôøng ñieän-töø RF. Phoùng xaï haït nhaân. Hôi buïi muoái. Nhieät daãn. Söùc caêng trong beà maët laép raùp. Lieäu caùc ñaëc tính caûm bieán coù cung caáp döõ lieäu vôùi ñoä chính xaùc mong muoán hay khoâng? Kieåm thöû: Ñoä nhaïy. Ñaùp öùng taàn soá. Taàn soá coäng höôûng. Coäng höôûng thöù caáp. Ñieän dung beân trong. Ñoä nhaïy xuyeân ngang. Bieân ñoä ñoä tuyeán tính vaø ñoä treã. Dao ñoäng nhieät ñoä. Troïng löôïng vaø kích thöôùc. Trôû khaùng trong ôû nhieät ñoä toái ña. Ñoâï chính xaùc hieäu chuaån. Ñoä nhaïy söùc caêng. Suy giaûm ôû caùc cöïc trò nhieät ñoä. Ñieåm 0 soá ño ñaàu ra. Ñoä troâi nhieät ñieåm 0. Ñaùp öùng nhieät daãn. Lieäu phöông phaùp laép ñaët duøng cho öùng duïng naøy coù phuø hôïp hay khoâng? Kieåm thöû: Coù caàn lôùp caùch ly (ñieän, nhieät) hay khoâng? Maïch tieáp ñòa. Moâ phoûng hieäu chuaån. Coù caàn chaát keát dính laép raùp khoâng? Kích thöôùc daøi, ñoä saâu vaø caáp baäc. Caùp noái. Caùc ñöôøng cable vaø ñaàu noái thöôøng laø moái lieân keát yeáu nhaát trong chuoãi heä ño löôøng. Lieäu ñöôøng caùp coù hoaït ñoäng thoaû maõn trong moâi tröôøng ño hay khoâng? Kieåm thöû: Phaïm vi nhieät ñoä. Caùc ñieàu kieän ñoä aåm. Lieäu caùc ñaëc tính kyõ thuaät cuûa caùp coù cung caáp döõ lieäu vôùi ñoä chính xaùc mong muoán hay khoâng? Kieåm thöû: Ñoä nhieãu taïp thaáp. Kích thöôùc vaø troïng löôïng. Tính linh hoaït. Coù ñoøi hoûi ñaàu noái nieâm kín hay khoâng? Nguoàn cung caáp. Lieäu nguoàn cung caáp hoaït ñoäng coù thoaû maõn trong moâi tröôøng ño hay khoâng? Kieåm thöû: 20
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Phaïm vi nhieät ñoä. Ñoä va ñaäp vaø rung ñoäng toái ña. Ñoä aåm. Aùp suaát. Möùc aâm thanh. Ñoä aên moøn daây ño. Töø tröôøng vaø tröôøng ñieän-töø RF. Phoùng xaï haït nhaân. Hôi muoái. Lieäu ñoù ñaõ phaûi laø nguoàn cung caáp phuø hôïp cho öùng duïng naøy chöa? Kieåm thöû: Ñieàu chænh ñieän aùp. Ñieàu chænh doøng ñieän. Söï tuaân thuû ñieän aùp. Ñieän aùp ra coù ñieàu chænh ñöôïc khoâng? Doøng ñieän ra coù ñieàu chænh ñöôïc khoâng? Ñöôøng truyeàn ra coù daøi khoâng? Söï caàn thieát caûm bieán ngoaøi. Caùch ñieän. Card kieåu thöùc mode, neáu yeâu caàu. Lieäu caùc ñaëc tính cuûa nguoàn coù cung caáp döõ lieäu vôùi ñoä chính xaùc mong muoán hay khoâng? Kieåm thöû: Ñieàu chænh taûi. Ñieàu chænh ñöôøng daãn. OÅn ñònh nhieät. Oån ñònh thôøi gian. Ñoä gôïn soùng vaø nhieãu. Trôû khaùng ra. Ñaùp öùng ñöôøng truyeàn. Nhieãu tôùi ñaát. Caùch ly ñieän moät chieàu DC. Boä khuyeách ñaïi. Boä khuyeách ñaïi phaûi cung caáp ñoä khuyeách ñaïi, phoái hôïp trôû khaùng, doøng ñieàu khieån ra, vaø caùc xöû lyù tín hieäu khaùc. Lieäu boä khuyeách ñaïi coù hoaït ñoäng thoûa maõn trong moâi tröôøng ño hay khoâng? Kieåm thöû: Phaïm vi nhieät ñoä. Ñoä va ñaäp vaø rung ñoäng toái ña. Ñoä aåm. Aùp suaát. Möùc aâm thanh. Ñoä aên moøn daây ño. Töø tröôøng vaø tröôøng ñieän-töø RF. Phoùng xaï haït nhaân. Hôi muoái. Ñaây ñaõ laø boä khuyeách ñaïi phuø hôïp vôùi öùng duïng naøy chöa? 21
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Kieåm thöû: Ñöôøng daây vaøo coù daøi khoâng? Söï caàn thieát boä khuyeách ñaïi naïp. Söï caàn thieát boä khuyeách ñaïi naïp töø xa. Ñöôøng daây ra daøi. Söï caàn thieát boä khuyeách ñaïi coâng suaát. Ñöôøng truyeàn khoâng trung. Caùc giôùi haïn veà kích thöôùc, troïng löôïng, coâng suaát. Lieäu caùc ñaëc tính khuyeách ñaïi coù cung caáp caùc döõ lieäu vôùi ñoä chính xaùc mong muoán hay khoâng? Kieåm thöû: Ñoä khuyeách ñaïi vaø ñoä oån ñònh khuyeách ñaïi. Ñaùp öùng taàn soá. Ñoä tuyeán tính. Ñoä oån ñònh. Ñoä dòch pha. Doøng vaø aùp ra. Nhieãu dö. Trôû khaùng vaøo. Ñaùp öùng chuyeån tieáp. Ñieän dung quaù taûi. Loaïi boû kieåu thöùc mode chung. Heä soá nhieät zero-. Heä soá nhieät khuyeách ñaïi. Thu nhaän döõ lieäu vaø chæ thò. Lieäu phaàn coøn laïi cuûa heä, bao goàm caû caùc khuyeách ñaïi phuï, caùc boä loïc, caùc thieát bò thu döõ lieäu vaø chæ thò, coù haïn cheá naøo ñoù laøm maát giaù trò caùc ñaëc tính cuûa phaàn caûm bieán – khuyeách ñaïi hay khoâng? Kieåm thöû: ALL cuûa caùc khoaûn muïc thöû nghieäm treân, coäng caû giaûi thuaät töông öùng. 1.4.3 – Laép ñaët. Thaäm chí moät heä ñaõ ñöôïc löïa choïn vaø hieäu chuaån moät caùch caån thaän vaø thoâng suoát nhaát vaãn coù theå taïo ra nhöõng döõ lieäu toài neáu ñöôïc laép ñaët moät caùch keùm hieåu bieát vaø khoâng caån thaän chu toaøn. Caûm bieán sensor. Lieäu boä phaän ñaõ ôû trong tình traïng toát vaø saün saøng ñeå söû duïng? Kieåm thöû: Caäp nhaät hieäu chuaån. Ñieàu kieän vaät lyù. Bao goùi. Beà maët laép raùp. Ñaàu noái. Laép raùp phaàn cöùng. Kieåm tra ñaàu laøm saïch. Ñieän trôû trong. Lieäu vieäc laép raùp phaàn cöùng ñaõ trong traïng thaùi toát vaø saün saøng ñeå söû duïng? Kieåm thöû: 22
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Ñieàu kieän beà maët laép raùp. Ñieàu kieän ñöôøng ren. Ñaùy khoan cuûa caùc khe caém. Ñaàu caùch ly. Ñieän trôû caùch ly. Hö haïi ñaàu noái bôûi löïc xoaén quaù möùc. Loã khoan vaø ñoä saâu ñöôïc ño ñuû löôïng. Hieäu chænh kích thöôùc laép raùp. Loã ñöôïc ñaët thaúng goùc thích hôïp vôùi beà maët laép raùp. Ñöôøng ren cuûa ñaàu noái ñaõ ñöôïc boâi trôn. Sensor ñaõ ñöôïc raùp vôùi ñoä xoaén khuyeán nghò. Gaén keát moái laép. Kieåm nghieäm: Beà maët laép raùp saïch vaø phaúng. Traùm cement choã beà maët loài loõm. Troän cement moät caùch thích hôïp. Sensor ñöôïc raùp vaøo ñaàu gaén cement vôùi löïc xoaén khuyeán nghò. Ñöôøng caùp. Ñöôøng caùp ñaõ trong tình traïng toát vaøsaün saøng ñeå söû duïng? Kieåm thöû: Ñieàu kieän vaät lyù. Xoaén daây caùp, eùp deïp. Caùc ñöôøng ren cuûa ñaàu noái, caùc chaân caém. Kieåm tra ñoä saïch cuûa caùc ñaàu noái. Tính lieân tuïc. Ñieän trôû caùh ly. Ñieän dung. Gaén chaët taát caû caùc ñaàu noái caùp. Caùp ñöôïc raûi caêng thích hôïp. Quaán phaàn caùp dö vaø coät laïi. Laép voøng cuoän cho thoaùt nöôùc ñoïng. Gaén kín caùc ñaàu noái vaø boïc kín, neáu caàn. Nguoàn cung caáp, khuyeách ñaïi, boä phaän chæ thò. Caùc boä phaän naøy ñaõ trong tình traïng toát vaø saün saøng ñeå söû duïng? Kieåm thöû: Caäp nhaät hieäu chuaån. Ñieàu kieän vaät lyù. Caùc ñaàu noái. Hoøm hoäp bao goùi. Caùc caùp ra. Kieåm tra ñoä saïch cuûa caùc ñaàu noái. Laép raùp cöùng vöõng. Gaén chaët taát caû caùc ñaàu noái caùp. Gaén kín voû hoäp khuyeách ñaïi, neáu caàn. 23
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Neân tieáp ñòa trong quaù trình söû duïng. Moät khi caùc vaán ñeà treân ñaõ ñöôïc giaûi ñaùp moät caùch thoûa ñaùng ñoái vôùi ngöôøi söû duïng, thì heä ño löôøng coù khaû naêng cao cung caáp caùc döõ lieäu chính xaùc. 1.4.4 – Keát quaû vaø chuaån hoaù. Caùc caûm bieán ñöôïc duøng moät caùch thoâng duïng nhaát ñeå laøm cho caùc pheùp ño coù khaû naêng ñònh löôïng, ngöôïc laïi vôùi söï khaùm phaù ñònh tính hoaëc söï hieän dieän caûm bieán. Do ñoù, roõ raøng laø nhöõng nhu caàu cuûa pheùp ño seõ xaùc ñònh söï löïa choïn vaø öùng duïng cuûa caûm bieán. Vaäy thì baèng caùch naøo ta coù theå ñònh löôïng ñöôïc nhöõng yeâu caàu cuûa pheùp ño ? Tröôùc tieân, ta phaûi nhaän thöùc caàn ño caùi gì. Treân thò tröôøng coù saün caùc caûm bieán ñeå ño baát kyø nhöõng gì maø anh coù theå nghó ra, vaø caû nhieàu thöù maø anh seõ khoâng bao giôø nghó tôùi (nhöng moät vaøi ngöôøi laïi nghó tôùi!). Aùp suaát, nhieät ñoä vaø löu löôïng coù leõ laø nhöõng pheùp ño thoâng thöôøng nhaát vì chuùng lieân quan tôùi vieäc kieåm tra vaø ñieàu khieån nhieàu quaù trình coâng ngheä vaø gia coâng vaät lieäu. Moät chuyeán tham quan ngaén vaøo trieån laõm Sensors Expo hay löôùt nhanh treân internet cuõng ñuû ñeå keâ teân haøng traêm, neáu khoâng laø haøng ngaøn, caùc ñaïi löôïng, ñaëc tính hay hieän töôïng coù theå ño löôøng ñöôïc baèng caùc caûm bieán sensors. Ñieàu thöù hai, ta phaûi löu yù quan taâm ñeán moâi tröôøng caûm bieán. Caùc hieäu öùng moâi tröôøng coù leõ laø ñoùng goùp lôùn nhaát cho caùc sai soá trong haàu heát caùc heä ño löôøng. Caùc caûm bieán, vaø döôøng nhö laø caû heä thoáng ño löôøng, phaûn öùng tôùi moâi tröôøng toång hôïp cuûa chuùng, khoâng chæ phaûn öùng vôùi ñoái töôïng ño. Trong nhöõng tröôøng hôïp cöïc ñoan, phaûn öùng ñoái vôùi toå hôïp caùc moâi tröôøng coù theå lôùn hôn phaûn öùng ñoái vôùi ñoái töôïng ño mong muoán. Moät trong nhöõng thaùch thöùc lôùn nhaát cuûa nhaø thieát keá caûm bieán laø giaûm thieåu phaûn öùng tôùi moâi tröôøng vaø laøm taêng toái ña phaûn öùng ñoái vôùi ñoái töôïng ño mong muoán. Vieäc ñaùnh giaù moâi tröôøng vaø öôùc löôïng hieäu öùng cuûa noù leân heä ño löôøng laø moät phaàn ñaëc bieät quan troïng cuûa quaù trình löïa choïn vaø öùng duïng caûm bieán. Moâi tröôøng khoâng chæ bao goàm caùc thoâng soá nhö nhieät ñoä, aùp suaát vaø ñoä rung ñoäng, maø coøn caû vieäc laép raùp hay gheùp keïp caûm bieán, caùc hieäu öùng ñieän-töø vaø tónh ñieän, vaø toác ñoä thay ñoåi cuûa nhöõng moâi tröôøng khaùc nhau. Ví duï: moät caûm bieán coù theå bò aûnh höôûng ít bôûi nhieät ñoä cao toät ñoä, nhöng coù theå taïo ra nhöõng sai soá khuûng khieáp khi nhieät ñoä bieán ñoäng nhanh (“ñoä nhaïy bieán thieân nhieät thoaùng qua”). Thöù ba laø ta phaûi xem xeùt caùc yeâu caàu veà ñoä chính xaùc (ñoä baát ñònh) cuûa pheùp ño. Thoâng thöôøng, ta mong ñaït tôùi ñoä baát ñònh nhoû nhaát coù theå, nhöng ñieàu ñoù coù theå khoâng khaû thi veà maët kinh teá, hoaëc thaäm chí laø caàn thieát. Thoâng tin ruùt ra töø pheùp ño seõ ñöôïc söû duïng nhö theá naøo? Cuoái cuøng thì ñoä baát ñònh laø 1% hay 1½% coù gì thöïc söï khaùc bieät ? Caùc döõ lieäu caûm bieán coù ñoä chính xaùc cao lieäu coù bò che khuaát bôûi söï thieáu chính xaùc trong quaù trình chuaån hoaù tín hieäu hay trong quaù trình ghi nhaän soá ño ? Maët khaùc, nhieàu heä thu thaäp döõ lieäu hieän ñaïi coù dung löôïng ñoä chính xaùc lôùn hôn nhieàu so vôùi caùc sai soá do pheùp ño gaây ra. Ngöôøi söû duïng seõ khoâng bò löøa doái bôûi yù nghó cho raèng ñoä phaân giaûi cao trong heä thu thaäp döõ lieäu seõ taïo ra döõ lieäu coù ñoä chính xaùc cao töø moät caûm bieán coù ñoä chính xaùc thaáp. Ñieàu cuoái cuøng, maø khoâng phaûi laø heát, laø ngöôøi söû duïng phaûi chaéc chaén raèng toaøn boä heä ñaõ ñöôïc hieäu chuaån vaø coù khaû naêng ñöôïc caáp chöùng chæ cuûa cô quan tieâu chuaån quoác gia (ví nhö Vieän tieâu chuaån vaø coâng ngheä quoác gia NIST ôû Hoakyø). Khoâng coù khaû naêng baèng chöùng ñöôïc coâng nhaän thì tính baát ñònh cuûa pheùp ño baát kyø cuõng khoâng bieát ñöôïc. Hoaëc laø moãi moät phaàn cuûa heä ño löôøng phaûi ñöôïc hieäu chuaån vaø tính ñoä baát ñònh ôû moïi choã, hoaëc phaûi hieäu chuaån toaøn boä heä nhö noù seõ ñöôïc ñöa vaøo söû duïng (”hieäu chuaån heä thoáng” hay “hieäu chuaån ñaàu naøy tôùi ñaàu kia”). Bôûi vì ña soá caùc caûm bieán khoâng coù khaû naêng hieäu chænh naøo ñeå “hieäu chuaån” theo coâng öôùc, thoâng thöôøng 24
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. nhaát ñoøi hoûi phaûi coù moät söï ñaëc tính hoaù hay söï ñaùnh giaù caùc thoâng soá cuûa caûm bieán sensor. Ñoái vôùi ñoä baát ñònh thaáp nhaát trong pheùp ño, söï ñaëc tính hoaù neân thöïc hieän vôùi söï laép raùp vaø moâi tröôøng caøng gioáng vôùi caùc ñieàu kieän ño löôøng thöïc teá caøng toát. Keát cuïc phaàn naøy coù theå noùi ngaén goïn: Caûm bieán phaûi ñöôïc nhìn nhaän vaø gaén keát moät caùch caån thaän vôùi, vaø ñöôïc tích hôïp vaøo, vôùi toaøn boä heä ño löôøng vaø moâi tröôøng cuûa noù. WUX 25
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. BAØI 2: KYÕ THUAÄT CAÛM BIEÁN AÙNH SAÙNG. CHÖÔNG 2. – CAÛM BIEÁN VAØ ÑO CAÙC ÑAÏI LÖÔÏNG AÙNH SAÙNG. Muïc tieâu baøi naøy taäp trung vaøo nhöõng khaùi nieäâm cô baûn vaø kyõ thuaät caûm bieán aùnh saùng öùng duïng trong ño löôøng vaø ñieàu khieån – goàm chöông 2. Noäi dung cô baûn maø SV phaûi naém ñöôïc ôû baøi naøy laø nhöõng vaán ñeà troïng taâm sau: Khaùi nieäm cô baûn veà aùnh saùng vaø nhöõng thoâng soá ñaëc tröng cuøa noù. Caùc loaïi phaàn töû caûm bieán aùnh saùng öùng duïng trong kyõ thuaät ño löôøng ñieàu khieån, keát caáu, hoaït ñoäng chöùc naêng, caùc ñaëc tính kyõ thuaät, ñaëc ñieåm öùng duïng. Caùc vaán ñeà öùng duïng thöïc tieãn caùc phaàn töû caûm bieán vaø phaùt xaï aùnh saùng trong heä thoâng tin ño löôøng vaø ñieàu khieån ñeå coù nhaän thöùc vaø reøn kyõ naêng toång hôïp, thieát keá vaø cheá taïo heä thoáng cuï theå trong thöïc teá moâi tröôøng öùng duïng. Thôøi löôïng baøi giaûng laø 04 tieát/45 tieát leân lôùp theo chöông trình moân hoïc laø 03TC (45 tieát) vaø 04 tieát töï nghieân cöùu. 2.1 – Nhöõng khaùi nieäm cô baûn veà aùnh saùng. 2.1.1 – Khaùi nieäm aùnh saùng. Aùnh saùng – laø böùc xaï soùng ñieän-töø phaúng, coù baûn chaát soùng vaø haït (hình 2.1). r Hình 2.1 – Soùng aùnh saùng hôïp vôùi vector cöôøng ñoä ñieän tröôøng E vaø r cöôøng ñoä töø tröôøng H thaønh moät tam dieän vuoâng goùc. Article I. AÙnh saùng coù baûn chaát laø böùc xaï dao ñoäng (soùng) ñieän-töø. Maët trôøi laø nguoàn saùng thieân nhieân lôùn nhaát. Ñeøn ñieän sôïi ñoát, ñeøn neon, ñeøn LED hay laser laø nhöõng nguoàn saùng nhaân taïo, do naêng löôïng ñieän chuyeån hoùa thaønh naêng löôïng aùnh saùng, hay coøn goïi laø naêng löôïng böùc xaï, theo nhieàu caùch khaùc nhau (ví duï: böùc xaï nhieät cuûa ñeøn sôïi ñoát). AÙnh saùng nhìn thaáy ñöôïc (khaû kieán – loaïi aùnh saùng thích hôïp vôùi maét ngöôøi) chæ laø moät phaàn nhoû trong daûi phoå raát roäng cuûa soùng ñieän- töø. Daûi phoå naøy (goïi laø daûi phoå nhìn thaáy ñöôïc – daûi khaû kieán) coù taàn soá töø raát thaáp (töông ñöông taàn soá ñieän coâng nghieäp), ñeán taàn soá cao coù theå phaùt ra vuõ truï. Nhöõng tính chaát quaqn troïng cuûa aùnh saùng laø phaûn xaï, khuùc xaï, giao thoa vaø phaân cöïc. Vaän toác aùnh saùng trong chaân khoâng khoaûng ba traêm ngaøn killomet/giaây, töùc laø c = 299792 [km/s] ≈ 3.105 [km/s]=3.108 [m/s]. Vaän toác lan truyeàn aùnh saùng trong moâi tröôøng coù chieát suaát n baèng: 26
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. c ϑ = . (2.1) n Quan heä giöõa vaän toác lan truyeàn aùnh saùng ϑ vôùi taàn soá ν vaø böôùc soùng λ cuûa aùnh saùng laø: ϑ λ = ; (2.2) ν vaø trong chaân khoâng thì aùnh saùng coù böôùc soùng: c 3.108 λ = ≅ ; [m]. (2.3) ν ν Phoå böùc xaï. Böùc xaï phaân ra: • Böùc xaï ñôn phoå – böùc xaï coù moät ñoä daøi böôùc soùng nhaát ñònh; vaø: • Böùc xaï ña phoå – goàm nhieàu böùc xaï thaønh phaàn ñôn phoå, daïng rôøi raïc hay lieân tuïc. Daûi böùc xaï ñieän-töø naèm giöõa böùc xaï Roentgen (tia töû ngoaïi) vaø böùc xaï voâ tuyeán hoàng ngoaïi goïi laø böùc xaï quang (370 ÷770 [mm]), coøn ñöôïc goïi laø aùnh saùng nhìn thaáy (daûi khaû kieán). Böùc xaï hoàng ngoaïi coù taùc duïng saáy noùng, ñoát noùng, duøng trong kyõ thuaät phim aûnh Böùc xaï töû ngoaïi coù taùc duïng sinh hoaù maïnh (baûng 2.1). Baûng 2.1 – Phoå aùnh saùng vaø caùc daûi maøu cuûa phoå. 0,01 0,358 0,370 0,435 0,490 0,575 0,580 0,650 0,760 0,770 µm Roentgen [Cöïc tím] [Tím] [Lam] [Luïc] [Vaøng] [Da cam] [Ñoû] [Hoàng ngoaïi] Voâ tuyeán cöïc ngaén Töû ngoaïi Aùnh saùng nhìn thaáy (khaû kieán) Hoàng ngoaïi Voâ tuyeán Tia ñoû (hoàng ngoaïi), vaø tia tím (töû ngoaïi) cuõng ñöôïc phaân loaïi laø böùc xaï soùng aùnh saùng, nhöng laø aùnh saùng khoâng nhìn thaáy baèng maét thöôøng cuûa ngöôøi ñöôïc. Ta thaáy maøu aùnh saùng phuï thuoäc ñoä daøi soùng. Tia ñoû (IR Infra-Red) coù ñoä daøi böôùc soùng λ töø 780 [nm] ñeán106 [nm], soùng aùnh saùng naøy coù theå thaáy ñöôïc döôùi daïng aùnh saùng maøu ñoû toái, giaùp caän döôùi daûi soùng voâ tuyeán LW (Low Wave). Tia cöïc tím (UV Ultra-Violet) coù ñoä daøi λ töø 10 [nm] ñeán 380 [nm], tia saùng naøy coù theå thaáy ñöôïc döôùi daïng aùnh saùng maøu tím thaãm, giaùp caän treân cuûa soùng coù λ ngaén hôn (tia Roentgen). Article II. Hình 2.2 minh hoaï daûiø phoå böùc xaï ñieän-töø ñöôïc theå hieän theo thang ñoä daøi soùng. Ñôn vò ñoä daøi thöôøng duøng ôû ñaây laø micron (1 [µm] = 1 x 10-6 [m]). Article III. Article IV. Hình 2.2 – Daûi phoå böùc xaï soùng ñieän-töø. Aùnh saùng töông taùc vôùi vaät chaát thoâng qua tính chaát haït cuûa noù – haït photon, maø naêng löôïng chæ tuøy thuoäc taàn soá: W = hν ; (2.4) −34 ôû ñaây: h - haèng soá Planck ( h = 6,6256.10 [J.s]). 27
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Khi chieáu saùng vaät chaát, caùc photon coù naêng löôïng ñuû cung caáp cho caùc ñieän töû hoaù trò trong nguyeân töû vaät chaát thì coù theå giaûi phoùng ñieän töû. Naêng löôïng ñoù töông ñöông böôùc soùng ngöôõng möùc chaën cuûa nguyeân töû vaät chaát: c 1,237 λ = h = . (2.5) max W W[eV ] Photon laø moät haït cô baûn ñaëc bieät, coù khoái löôïng nghæ baèng 0 (nghóa laø luoân luoân chuyeån ñoäng vôùi vaän toác aùnh saùng). Photon coù naêng löôïng ñuû lôùn khi va chaïm vôùi haït nhaân coù theå sinh ra caëp electron-positron (sinh caëp); ngöôïc laïi, khi haït gaëp phaûn haït thì huûy thaønh photon (huûy caëp). Photon coù theå bò nguyeân töû haáp thuï hoaøn toaøn (ñeå chuyeån sang moät möùc naêng löôïng cao hôn), vaø khi moät nguyeân töû chuyeån töø moät möùc naêng löôïng cao xuoáng möùc thaáp hôn, noù cuõng böùc xaï moät photon. Ñoù chính laø nguyeân lyù cô baûn ñöôïc öùng duïng trong taát caû caùc phaàn töû caûm bieán hay phaùt xaï aùnh saùng. 2.1.2 – Ñònh nghóa khaùi nieäm caùc ñaïi löôïng quang. • Quang naêng Q; tính baèng ñôn vò [J] Joule hoaëc [lm.s] – naêng löôïng phaùt xaï, lan truyeàn hoaëc bò haáp thuï döôùi daïng böùc xaï quang hoïc. Quang naêng laø ñaïi löôïng ñaëc tröng phaàn naêng löôïng aùnh saùng coù taùc duïng kích thích thaàn kinh thò giaùc trong moät chuøm saùng, coù trò soá baèng tích cuûa quang thoâng vôùi thôøi gian. • Quang thoâng Φ ; tính baèng [W] Watt hay [lm] Lumen – coâng suaát phaùt xaï, lan truyeàn hoaëc bò haáp thuï döôùi daïng naêng löôïng böùc xaï quang hoïc ñöôïc phaùt ra bôûi nguoàn saùng trong moät ñôn vò thôøi gian, ñöôïc xem laø coâng suaát böùc xaï hay thoâng löôïng böùc xaï, ñaëc tröng cho coâng suaát aùnh saùng toaøn phaàn cuûa nguoàn. dQ Φ = ; [lm]. (2.6) dt Quang thoâng laø ñaïi löôïng ñaëc tröng caûm giaùc veà aùnh saùng maø chuøm böùc xaï gaây cho maét ngöôøi, ñöôïc ñaùnh giaù theo taùc duïng cuûa aùnh saùng leân thò giaùc con ngöôøi, laø hieäu suaát aùnh saùng phoå töông ñoái K(λ) . Neáu böùc xaï laø ñôn phoå thì: Φ λ = CQλ K(λ) . (2.7) Neáu böùc xaï laø ña phoå rôøi raïc thì: 770 Φ = C Q K(λ) . (2.8) λ ∑370 λi Neáu laø böùc xaï ña phoå lieân tuïc, thì: 770 Φ λ = C Qλi K(λ)dλ . (2.9) ∫λ=370 K(λ) ñöôïc chuaån hoaù vôùi aùnh saùng ban ngaøy, neân quy ñoåi quang naêng ñôn phoå sang quang thoâng seõ laø: Φ λ = 683.Qλ K(λ) . (2.10) Thoâng löôïng böùc xaï coù thöù nguyeân cuûa coâng suaát, neân quang thoâng cuõng töông ñöông vôùi coâng suaát, nhöng khoâng hoaøn toaøn ñoàng nhaát vôùi coâng suaát, vì vaäy ñöôïc ño baèng moät ñôn vò rieâng (lumen). Moät boùng ñeøn sôïi ñoát 40[W]/220[V] cung caáp moät thoâng löôïng aùnh saùng (400 ÷ 450) lumens. Moät ñeøn huyønh quang 40 [W]/220[V] xaáp xæ 2000 ñeán 3000 lumens, tuøy töøng loaïi. • Cöôøng ñoä aùnh saùng I ; tính baèng [W/sr] Watt/steradian hay [cd] candela – laø quang thoâng phaùt xaï theo moät höôùng, döôùi moät ñôn vò goùc khoái Ω : dΦ I = . (2.11) dΩ 28
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Maät ñoä phaân boá quang thoâng trong khoâng gian theo caùc höôùng baèng tyû soá quang thoâng treân goùc khoái khoâng gian Ω (maët caàu) coù ñænh taïi nguoàn saùng ñieåm, maø trong phaïm vi giôùi haïn khoâng gian ñoù quang thoâng ñöôïc coi nhö phaân boá ñeàu, goïi laø cöôøng ñoä saùng. Hình 2.3 minh hoaï hình khoái maët caàu, dieän tích maët caàu 1[ m 2 ], baùn kính tôùi nguoàn laø 1[m]. Hình 2.3 – Minh hoaï hình khoái maët caàu. Cöôøng ñoä saùng cuûa moät nguoàn saùng laø ñaïi löôïng ñaëc tröng ñoä lôùn cuûa quang thoâng do nguoàn böùc xaï ra, coù ñoä lôùn baèng quang thoâng böùc xaï töø nguoàn trong moät ñôn vò goùc khoái. Khaùi nieäm naøy chæ ñuùng cho nguoàn saùng ñieåm (seõ neâu ôû phaàn döôùi). Goùc caàu laø tyû soá dieän tích maët caàu giôùi haïn bôûi goùc khoái vaø bình phöông baùn kính hình caàu: S Ω = [St] ; Ω = 4π . (2.12) R 2 max Candela – laø ñôn vò cöôøng ñoä saùng cuûa nguoàn saùng ñieåm theo moät höôùng naøo ñoù vôùi taàn soá böùc xaï 12 f λ = 540.10 [Hz] vaø cöôøng ñoä naêng löôïng baèng 1/683 [W/St]. Khi khoâng neâu roõ phöông thì thuaät ngöõ “cöôøng ñoä saùng” thöôøng chæ cöôøng ñoä saùng trung bình (cöôøng ñoä saùng cuûa moät nguoàn coù cuøng quang thoâng nhö moät nguoàn saùng ñieåm nhöng böùc xaï ñeàu theo moïi phöông), tính ñôn giaûn baèng quang thoâng toaøn phaàn cuûa nguoàn saùng chia cho 4π . • Ñoä choùi L; tính baèng [W/st. m 2 ] hay [cd/ m 2 ] – laø tyû soá cöôøng ñoä saùng phaùt xaï theo moät höôùng nhaát ñònh bôûi beà maët ngoaøi cuûa moät nguoàn saùng kích thöôùc höõu haïn coù dieän tích quy chieáu vuoâng goùc vôùi höôùng phaùt xaï dAn , treân dieän tích quy chieáu ñoù. dI L = . (2.13) dAn Ñoä choùi ñöôïc ñaùnh giaù theo taùc duïng thò giaùc cuûa noù, bôûi ñoä roïi leân voõng maïc maét phuï thuoäc vaøo maät ñoä quang thoâng. Töông öùng, dQ laø quang thoâng phaàn beà maët saùng chieáu leân con ngöôi maét; dA laø dieän tích aûnh cuûa phaàn beà maët naøy treân voõng maïc; τ laø heä soá xuyeân thaáu cuûa thuûy tinh theå. Hình 2.4 – Ñoä nhaïy cuûa maét theo böôùc soùng aùnh saùng. Trong vuøng aùnh saùng nhìn thaáy ñöôïc, maét ngöôøi caûm nhaän ñoä nhaïy aùnh saùng khaùc nhau ñoái vôùi nhöõng maøu saéc khaùc nhau. Hình 2.4 laø ñoä nhaïy cuûa maét ngöôøi theo böôùc soùng aùnh saùng; ñoä nhaïy cöïc ñaïi cuûa maét ngöôøi laø ñoái vôùi aùnh saùng coù böôùc soùng λ= 555 [nm], töông öùng vôùi aùnh saùng maøu 29
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. xanh döông hoaëc maøu vaøng. Ñoä nhaïy cuûa maét taïi λ = 555 [nm] öùng vôùi giaù trò baèng 1 nhö trong hình veõ. Ñoái vôùi böôùc soùng ngaén hoaëc daøi hôn thì ñoä nhaïy cuûa maét giaûm vaø tieán tôùi 0. Ñoä choùi laø ñaïi löôïng ñaëc tröng cho maät ñoä chieáu saùng veà dieän tích vaø caû theo höôùng. Quan heä giöõa thoâng löôïng aùnh saùng vaø ñoä choùi ñöôïc moâ taû trong hình 2.5. • Ñoä roïi E; tính baèng [W/ m 2 ] hay [lx] lux – laø tyû soá giöõa quang thoâng haáp thuï bôûi moät dieän tích beà maët, treân dieän tích beà maët ñoù. dΦ E = τ ; (2.14) dA trong ñoù: τ - heä soá xuyeân thaáu cuûa heä quang. Ñoä roïi laø ñaïi löôïng ñaëc tröng quang thoâng roïi leân beà maët ñöôïc chieáu saùng. Vì beà maët thöôøng loài loõm khoâng ñeàu, neân ñoä roïi khoâng ñaëc tröng cho toaøn boä beà maët maø chæ haïn cheá ñoä roïi cuûa ñieåm treân beà maët ñoù, coøn ñoái vôùi beà maët thì ñaëc tröng bôûi ñoä roïi trung bình. Lux [lx] laø ñoä roïi taïo bôûi nguoàn saùng coù quang thoâng 1[lm] chieáu ñeàu treân beà maët coù dieän tích 1[ m 2 ], töùc laø: 1[lx] = 1[lm/ m 2 ]. Hình 2.6 laø quan heä giöõa quang thoâng vaø ñoä roïi. r 2 =2× r1 r 1 Nguoàn böùc xaï Ee1 Ev1 Ee2=1/4Ee1 Ev2=1/4Ev1 Hình 2.5 – Quan heä giöõa thoâng löôïng vaø ñoä choùi (qui taéc hình vuoâng ngöôïc). 1 lumen 2 1 Lux 1m Hình 2.6 – Quan heä giöõa quang thoâng vaø ñoä roïi. Article V. Treân maët ñaát, aùnh saùng maët trôøi cung caáp ñoä choùi E = (50 ÷ 100).103 [lx]; ngaøy naéng thì coù theå hôn moät traêm ngaøn lux. Nhöng maët traêng chæ cung caáp E = 0,1[lx]; ñeâm traêng saùng coù theå ñeán 0,25[lx]. Thöôøng thì aùnh saùng cuûa moät caên hoä vaø nhaø xöôûng coù ñoä roïi laø 150[lx]; trong phoøng 30
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. laøm vieäc E = 300[lx] vaø coù theå ñaït moät ngaøn lux cho nhöõng nôi laøm vieäc toát; coøn ngoaøi phoá xaù thì chæ khoaûng vaøi lux (2 ÷4 [lx]). • Ñoä tröng M; tính baèng [lm/ m 2 ] – tyû soá quang thoâng böùc xaï hay phaûn xaï töø beà maët saùng hoaëc beà maët ñöôïc chieáu saùng, treân dieän tích phaàn beà maët ñoù: dQ M = . (2.15) dS Ñoä tröng ñaëc tröng cho khaû naêng böùc xaï cuûa moät nguoàn roäng, hieän töôïng beà maët saùng leân do aùnh saùng böùc xaï hay phaûn xaï bôûi maät ñoä quang thoâng cuûa beà maët phaùt saùng, chöù khoâng phaûi maät ñoä quang thoâng cuûa beà maët ñöôïc chieáu saùng. Moái lieân heä giöõa ñoä tröng M vaø ñoä roïi E laø: o neáu beà maët hoaøn toaøn phaûn xaï thì M = E; o neáu phaûn xaï moät phaàn (f[%] – heä soá phaûn xaï) thì M = fE; o neáu xuyeân thaáu vôùi heä soá xuyeân thaáu τ [%], thì M = τ E. Nhöng vieäc thay ñoåi dieän tích chieáu saùng cuõng raát quan troïng. Ñieàu naøy khaúng ñònh ñoä chieáu saùng hoaëc ñoä choùi cuûa beà maët thay ñoåi tæ leä dieän tích vaø khoaûng caùch beà maët tôùi nguoàn saùng. Neáu nguoàn coù ñoä choùi khoâng phuï thuoäc phöông (vaät böùc xaï toaøn phaàn) thì giöõa ñoä tröng M vaø ñoä choùi L coù heä thöùc ñôn giaûn: M = π.L . Moái quan heä naøy ñöôïc theå hieän trong hình 2.6 treân. 2.1.3 – Nguoàn saùng. Nguoàn saùng laø vaät töï phaùt ñöôïc aùnh saùng. Veà lyù thuyeát thì caùc nguoàn böùc xaï aùnh saùng ñöôïc coi laø nguoàn saùng ñieåm – moät nguoàn saùng coù tyû leä kích thöôùc cuûa baûn thaân nguoàn so vôùi khoaûng caùch töø noù tôùi moät vò trí nhaát ñònh naøo ñoù khoâng quaù 1/5 laàn, ñöôïc coi laø nguoàn saùng ñieåm. Tuy raèng caùc nguoàn saùng khoâng laø boä phaän caûm bieán, nhöng trong kyõ thuaät coâng ngheä vaø nhaát laø trong ño löôøng ñieàu khieån, caùc nguoàn naøy laïi thöôøng ñöôïc söû duïng nhö moät boä phaän phaàn töû töï ñoäng. Do ñoù ôû ñaây chuùng ta khaûo saùt nhöõng ñaëc ñieåm kyõ thuaät vaø öùng duïng chuû yeáu cuûa chuùng: o Nguoàn phaùt xaï sôïi ñoát (ñeøn sôïi ñoát Lamp); o Nguoàn phaùt xaï baùn daãn (ñeøn LED – Light Emitting Diode); o Nguoàn böùc xaï quang hoïc (LASER – Light Amplification by Stimulated Emission Radiation). Ñeøn sôïi ñoát – Lamp. Cho tôùi nay, maëc duø ñaõ coù söï xuaát hieän vôùi nhieàu öu theá hôn cuûa caùc diodes LED, trong nhieàu öùng duïng kyõ thuaät vaãn duøng ñeøn sôïi ñoát. Moät phaàn, ñoù laø do coâng ngheä phaùt trieån ñaõ taïo ñöôïc nhöõng ñeøn sôïi ñoát coù tuoåi thoï ñeán hôn 100 nghìn giôø; keát quaû laø nhöõng phaûn baùc gay gaét nhaát ñoái vôùi vieäc söû duïng ñeøn sôïi ñoát laø tuoåi thoï haïn cheá cuûa chuùng thì nay chæ ñuùng trong moät soá tröôøng hôïp. Vieäc löïa choïn ñeøn sôïi ñoát thöôøng ñöôïc thöïc hieän theo nhöõng tieâu chuaån sau: • Tuoåi thoï hoaït ñoäng cuûa ñeøn; • Hình daïng kích côõ ñeøn; • Cöôøng ñoä phaùt xaï; vaø • Nhieät ñoä maøu cuûa ñeøn. Coù coâng thöùc tính tuoåi thoï hoaït ñoäng LB cuûa ñeøn wolfram töông quan vôùi ñieän aùp nguoàn cung caáp U B so vôùi tuoåi thoï danh ñònh LN khi söû duïng vôùi nguoàn ñieän aùp danh ñònh U N laø: (13÷14) LB ⎛U N ⎞ = ⎜ ⎟ . (2.16) LN ⎝ U B ⎠ Trong coâng thöùc naøy, soá muõ 13 töông öùng vôùi tröôøng hôïp ñeøn chaân khoâng, coøn soá muõ 14 – ñeøn naïp khí. Coâng thöùc naøy ñuùng cho tröôøng hôïp nguoàn ñieän aùp cung caáp cho ñeøn naèm trong phaïm vi ± 20% ñieän aùp danh ñònh. Thoâng thöôøng, giaûm ñieän aùp laøm vieäc cuûa ñeøn ñi 5% coù nghiaõ laø taêng tuoåi thoï leân gaáp ñoâi, vaø neáu giaûm ñi 15% thì tuoåi thoï taêng leân caû chuïc laàn, trong khi ñoù doøng phaùt 31
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. saùng cuõng chæ giaûm chuùt ít. Hình 2.7 cho thaáy möùc ñoä thay ñoåi ñieän trôû sôïi ñoát, cöôøng ñoä doøng ñieän vaø naêng löïc phaùt xaï aùnh saùng cuûa ñeøn phuï thuoäc vaøo ñieän aùp cung caáp. Theo ñoù coù theå thaáy laø doøng khôûi ñoäng cuûa ñeøn sôïi ñoát coù theå lôùn gaáp möôøi laàn doøng ñieän khi ñeøn hoaït ñoäng, cho neân ñeøn sôïi ñoát hay bò chaùy khi môùi baät leân. Söï quaù taûi naøy coù theå khaéc phuïc baèng caùch haïn doøng, ñoàng thôøi nhö vaäy cuõng laøm taêng tuoåi thoï cuûa ñeøn. Hình 2.7 – Ñaëc tuyeán cuûa ñeøn sôïi ñoát khi ñieän aùp cung caáp nhoû hôn ñieän aùp danh ñònh. Veà hình daïng kích thöôùc cuûa ñeøn thì coù theå noùi raèng ñeøn caøng nhoû caøng toát. Ñieàu naøy ñöôïc khích leä bôûi söï phaùt trieån caùc loaïi ñeøn ñieän aùp thaáp, 6 hay 12 [V], naïp khí halogen vaø coù boùng ñeøn baèng vaät lieäu thuûy tinh thaïch anh. Sôïi ñoát daïng daây cuoán ngaén cho pheùp taïo nguoàn saùng ñieåm vôùi ñoä chính xaùc cao; coù quaùn tính nhieät lôùn hôn vaø do vaäy maø trong nhieàu tröôøng hôïp coù theå duøng nguoàn ñieän xoay chieàu maø cöôøng ñoä saùng vaãn khoâng dao ñoäng nhieàu tôùi möùc nhaän thaáy ñöôïc ôû ñieåm so. Ngoaøi ra, roõ raøng loaïi ñeøn ñieän aùp thaáp coù ñoä oån ñònh cô hoïc cao hôn laø caùc ñeøn ñieän aùp cao. Hình 2.8 – Quan heä phoå böùc xaï aùnh saùng vaø nhieät ñoä. Vaán ñeà cöôøng ñoä phaùt saùng phaûi töông thích vôùi boä taùch loïc aùnh saùng luoân luoân phaûi ñöôïc xem xeùt theo quan ñieåm töông thích phoå. Ñieàu naøy coù nghóa nhieät ñoä maøu laø moät ñaïi löôïng quan troïng. Maëc daàu nhieät ñoä maøu chæ moâ taû aán töôïng vaät lyù veà maøu saéc, nhöng noù cuõng cho moät söï moâ taû chính xaùc veà phoå böùc xaï khi söû duïng moät vaät böùc xaï nhieät nhö sôïi wolfram. Hình 2.8 veõ ñaëc tuyeán phaân boá phoå cuûa aùnh saùng phaùt xaï ñoái vôùi vaät ñen, vaät xaùm hay laø sôïi ñoát wolfram, ôû ñaây sôïi ñoát wolfram coù theå coi laø vaät xaùm. Ñaëc tuyeán phaân boá phoå ñöôïc xaùc ñònh theo ñònh lyù chuyeån vò Wien: −3 g max .T = 2,898.10 [mK] = const. (2.17) Ñieàu naøy noùi leân raèng khi nhieät ñoä taêng, cöôøng ñoä phaùt xaï aùnh saùng coù ñieåm cöïc ñaïi naèm ôû vuøng böôùc soùng thaáp. 32
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. LED – Light-Emitting-Diode. Khaùc vôùi caùc ñeøn sôïi ñoát, thaäm chí caû caùc loaïi ñeøn neon, LED taïo ra aùnh saùng bôûi hieäu öùng quang-ñieän beân trong vaät lieäu baùn daãn. Hieäu öùng quang-ñieän noäi trong baùn daãn laø hieäu öùng taùi toå hôïp caùc haït mang ñieän trong tieáp giaùp baùn daãn p-n khi phaùt xaï böùc xaï. Böôùc soùng böùc xaï cuûa caùc ñeøn LED tuøy thuoäc vaät lieäu chaát baùn daãn vaø chaát phuï gia kích thích. Vaät lieäu chung laø GaAs (Gallium Arsenide), GaAsP (Gallium Asenide Phosphide), vaø GaP (Gallium Phosphide). Diode GaAs phaùt xaï aùnh saùng trong mieàn hoàng ngoaïi infrared, coù phaïm vi phoå töø 0,88 ñeán 0,94 [ µ m], coù cöïc ñaïi ôû 0,9 [ µ m] (hình 2.9). Hình 2.9 – Caùc ñaëc tuyeán cuûa diode GaAs: a). Cöôøng ñoä phaùt xaï; b). Goùc ε giöõa truïc quang cuûa diode vaø höôùng ño; c).Ñaëc tuyeán V-A theo höôùng phaùt xaï. Phoå böùc xaï cuûa LED naèm trong vuøng nhaïy phoå nhaát cuûa caùc linh kieän caûm quang silicon (hình 2.10). Caùc diodes GaAsP phaùt xaï aùnh saùng ñoû hoaëc vaøng, coøn caùc diode GaP thì phaùt xaï aùnh saùng ñoû, vaøng hoaëc xanh laù caây. Bôûi söï phaùt xaï ñöôïc taïo ra töø hieäu öùng taùi toå hôïp caùc thaønh phaàn mang ñieän trong chaát baùn daãn, neân caùc diode LED phaùt xaï aùnh saùng laïnh (phaân bieät vôùi aùnh saùng cuûa caùc ñeøn sôïi ñoát). Hoaït tính cuûa caùc deøn LED phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä moâi tröôøng, cho neân ñoù chính laø lyù do khoâng aùp duïng caùc bieän phaùp taûn nhieät cho caùc diode naøy. ÔÛ traïng thaùi daãn, ñieän aùp treân diode laø khoaûng (1 ÷ 2)[V], doøng chaïy qua khoaûng (5 ÷ 10)[mA] ôû cheá ñoä laøm vieäc lieân tuïc, neân coâng suaát tieâu thuï khoaûng (30 ÷ 50)[mW]. Song, coâng suaát tieâu thuï nhoû so vôùi caùc ñeøn phaùt xaï sôïi ñoát laïi khoâng phaûi laø öu theá duy nhaát cuûa caùc ñeøn LED. Öu ñieåm chính laø ñaùp öùng haàu nhö töùc thôøi phaùt xaï khi coù doøng chaïy qua. Thôøi gian saùng vaø taét coù theå ñeám côõ nano-giaây, coù nghóa laø vieäc ñieàu bieán cheá ñoä saùng-taét coù theå thöïc hieän vôùi taàn suaát côõ GHz. Hình 2.10 – Phoå caùc nguoàn phaùt xaï khaùc nhau vaø ñoä nhaïy cuûa caùc linh kieän caûm quang silicon vaø maét ngöôøi. 33
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Taàn suaát saùng-taét cuûa LED phuï thuoäc trong phaïm vi roäng vaøo caùc chaát phuï gia kích thích. Ví duï, caùc diode GaAs coù theâm chaát keõm zinc taùc hoaït nhanh hôn laø caùc diode coù theâm silicon. Ñieån hình laø tuoåi thoï cuûa caùc ñeøn LED khoaûng 100 000 giôø, (haïn tuoåi thoï ñöôïc xaùc ñònh khi cöôøng ñoä phaùt xaï giaûm xuoáng ñeán moät nöûa trò soá danh ñònh). Cöôøng ñoä phaùt saùng bieán thieân gaàn nhö tuyeán tính vôùi cöôøng ñoä doøng ñieän, cho neân soá lieäu treân cuõng ñuùng cho caùc ñeøn LED noùi chung. Tuy nhieân, neân nhôù raèng möùc ñieän aùp suït treân LED phuï thuoäc raát nhieàu vaøo nhieät ñoä, coù nghóa laø toát nhaát neân duøng nguoàn cung caáp laø nguoàn doøng haèng. Nhöng, thaäm chí ngay caû khi söû duïng nguoàn doøng haèng, naêng löïc phaùt xaï seõ thay ñoåi theo nhieät ñoä, seõ giaûm xuoáng khoaûng 1 [%/ oC ] gaàn nhö tuyeán tính vôùi nhieät ñoä. Cuõng neân löu yù tôùi nhöõng öu ñieåm cuûa LED laø coù kích thöôùc nhoû, keùm nhaïy vôùi nhöõng va ñaäp vaø rung ñoäng. LASER. Tia laser coù öu theá vöôït troäi caùc nguoàn saùng khaùc laø noù hoaøn toaøn ñôn saéc, coù bieân ñoä khoâng ñoåi vaø gaén keát chaët cheõ thôøi gian vôùi khoâng gian. Ñôn saéc coù nghóa laø chæ taïo ra böùc xaï coù moät taàn soá nhaát ñònh. Ñeå coù theå hieåu ñöôïc nguyeân lyù vaø caùc ñaëc tính naøy cuûa laser, ta neân tìm hieåu caùc töông quan vaät lyù laser treân cô sôû laser chaát khí – cô caáu thieát bò laser ñaàu tieân maø con ngöôøi taïo ra. Ñieåm khôûi ñaàu laø maãu haønh nguyeân töû cuûa Bohr, moâ taû caùc traïng thaùi naêng löôïng cuûa ñieän töû trong nguyeân töû atom. Theo thuyeát naøy, caùc ñieän töû chuyeån ñoäng theo caùc ñöôøng cong quyõ ñaïo quanh haït nhaân nguyeân töû nucleus, vaø moãi ñöôøng quyõ ñaïo töông öùng vôùi moät traïng thaùi naêng löôïng ñaëc tröng cuûa ñieän töû. Ñieän töû caøng ôû xa haït nhaân thì naêng löôïng cuûa noù caøng lôùn. Baèng caùch haáp thuï theâm naêng löôïng, moät ñieän töû coù theå chuyeån töø quyõ ñaïo naøy sang quyõ ñaïo khaùc xa haït nhaân hôn, nhöng soá naêng löôïng maø ñieän töû haáp thuï ñöôïc chæ baèng moät soá löôïng nhaát ñònh caùc löôïng töû Planck h. Traïng thaùi kích thích coù theå coù ñöôïc laø do tieáp nhaän böùc xaï ñieän-töø, do nhieät löôïng hay do va ñaäp trong khoang phoùng khí. Neáu ñieän töû ñöôïc gia taêng naêng löôïng töø möùc thaáp nhaát cuûa noù (treân quyõ ñaïo nguyeân thuûy cuûa noù khi chöa nhaän theâm naêng löôïng) tôùi möùc cao hôn, thì noù seõ chæ ôû laïi trong traïng thaùi naêng löôïng cao naøy moät khoaûng thôøi gian ngaén (côõ (10−8 ÷10−3 )[s]). Roài rôùt trôû laïi traïng thaùi thöôøng oån cuûa noù, phaùt ra naêng löôïng döôùi daïng böùc xaï aùnh saùng. Taàn soá böùc xaï seõ tuøy thuoäc hieäu soá naêng löôïng giöõa hai möùc chuyeån dòch ñieän töû neâu treân. Khi moät nguyeân töû ñöôïc kích naêng löôïng, rôi trôû laïi traïng thaùi thöôøng oån cuûa noù moät caùch töï phaùt, thì khoâng lieân quan gì tôùi phase truyeàn soùng cuûa vaät theå böùc xaï, ví nhö ñoái vôùi caùc loaïi ñeøn sôïi ñoát. Hôn nöõa, soùng böùc xaï ñoù chæ coù moät böôùc soùng nhaát ñònh. Hieäu öùng laser taïo neân ñöôïc söï keát hôïp phase truyeàn soùng ñaëc tröng laø do nguyeân töû bò kích naêng löôïng, rôi trôû laïi traïng thaùi cuõ khoâng chæ moät caùch töï phaùt, maø coøn bôûi caùc aûnh höôûng beân ngoaøi taùc ñoäng, ví nhö töông taùc vôùi moät tröôøng ñieän-töø naøo ñoù beân ngoaøi (böùc xaï bôûi kích naêng löôïng). Do ñoù, taàn soá böùc xaï do kích naêng löôïng f L seõ töông öùng vôùi hieäu naêng giöõa hai möùc Ea vaø Eb cuûa ñieän töû bò kích thích: f L .h = Ea − Eb ; (2.18) ôû ñaây: h laø soá löôïng töû Planck cuûa böùc xaï. 34
Taäp Baøi giaûng “Kyõ thuaät Caûm bieán Ño löôøng vaø Ñieàu khieån”, Ñaøo ThaùiDieäu, TS., ÑHCN TP.HCM, 2006. Hình 2.11 – Caáu truùc nguyeân lyù cuûa moät laser He-Ne. a). Phaàn töû electrostrictive; b). Göông hình caàu; c). Cöûa soå cheá taùc; d). Thanh keát noái thaïch anh hoaëc invar; e). Boä oån taàn; f). Cathode; g). Anode; R – Boä ñieàu chænh töï ñoäng. Moät yeâu caàu nöõa cuûa hieäu öùng laser laø phaûi haáp thuï ñuû naêng löôïng ñeå chaéc chaén raèng ñaõ ñaûo ñöôïc möùc naêng löôïng cao hôn, cho neân phaàn naêng löôïng taïo böùc xaï laøm phaùt saùng phaûi lôùn hôn phaàn naêng löôïng bò haáp thuï. Trong laser chaát khí He-Ne, vieäc ñaûo leân caùc möùc naêng löôïng cao ñöôïc laáy töø söï phoùng khí. Vaät lieäu taùc hoaït laø neon, coù hai möùc naêng löôïng vaø hieäu naêng löôïng giöõa chuùng ñaït tôùi böùc xaï ôû böôùc soùng λ=0,6328 [µm] (töùc laø taàn soá böùc xaï f = 4,7.1014 [Hz]). Maëc duø nhö ñaõ bieát, helium He coù möùc naêng löôïng ña oån metastable ôû cuøng vò trí nhö neon, thì cuõng khoâng theå laøm roãng möùc naøy baèng böùc xaï kích thích. Tuy nhieân, söï va ñaäp khoâng ñaøn hoài giöõa caùc nguyeân töû helium bò kích thích vaø nguyeân töû neon coù theå ñem laïi söï chuyeån hoaù naêng löôïng maø töø ñoù taïo theâm nhöõng nguyeân töû nöõa bò kích thích. Do vaäy maø helium chæ duøng ñeå taïo ra nhöõng nguoàn kích thích môùi, gaây neân traïng thaùi ñaûo möùc naêng löôïng ôû neon. Tyû leä hôïp chaát He:Ne laø khoaûng 10:1. Ñoøi hoûi böùc xaï kích thích phaûi coù maät ñoä naêng löôïng cao laø ñeå ñaït ñöôïc söï nhaân boäi coâng suaát böùc xaï kích thích treân möùc böùc xaï roái loaïn hieän höõu (nhieãu loaïn). Maät ñoä naêng löôïng naøy ñaït ñöôïc baèng caùch hôïp nhaát khoái löôïng phoùng khí trong moät boä coäng höôûng quang hoïc goàm hai göông phaûn chieáu hoäi tuï töông hoã ñaët ñoái dieän nhau (hình 2.11). Moät göông phaûn chieáu haàu nhö 100%, trong khi göông kia cho xuyeân thaáu khoaûng (1÷2)%. Khi laser ñöôïc baät, thì thoaït ñaàu coù böùc xaï ngaãu nhieân vaø voâ höôùng ñöôïc taïo bôûi söï hôïp nhaát ion hoaù phuø hôïp vôùi böùc xaï roái loaïn cuûa nguyeân töû neon. Ña phaàn böùc xaï kích thích aáy bò maát ñi, ngoaïi tröø moät phaàn nhoû rôi vaøo göông phaûn chieáu hoäi tuï naèm song song vôùi truïc cuûa chuùng vaø do ñoù bò phaûn chieáu ngöôïc trôû laïi khoang phoùng khí. Phaàn böùc xaï naøy laïi taïo ra böùc xaï aùnh saùng tieáp theo coù cuøng phase vaø cuøng böôùc soùng baèng caùch gaây ra nhöõng nguyeân töû neon bò kích naêng löôïng. Trong khi böùc xaï aùnh saùng lan truyeàn song song vôùi ñöôøng böùc xaï kích thích, vaø do ñoù cuõng song song vôùi truïc khoang coäng höôûng, quaù trình naøy taêng tröôûng theo haøm muõ exponent cho tôùi khi ñaït ñöôïc söï caân baèng giöõa naêng löôïng kích thích vaø naêng löôïng bò maát. Söï phoùng khí taùc ñoäng gioáng nhö boä khuyeách ñaïi aùnh saùng coù böôùc soùng ñaëc tröng nhôø nhöõng phaûn öùng dieãn ra trong boä coäng höôûng quang hoïc. Chieàu daøi cuûa khoang coäng höôûng xaùc ñònh ñoä chính xaùc taàn soá maø laser dao ñoäng trong ñoù, nhö moät vaïch phoå coù ñoä roäng khoaûng 1,6 [GHz]. Vaïch phoå naøy thoaït ñaàu troâng coù veû cöïc kyø roäng, coù nghóa laø ñoä baát ñònh töông ñoái veà taàn soá laø 2,7.10−6 . Veà maët nguyeân lyù, ñieàu naøy ñöôïc xaùc ñònh baèng töông taùc giöõa caùc nguyeân töû theo hieäu öùng Doppler. Nhö laø keát quaû söï chuyeån ñoäng lieân tuïc cuûa caùc phaân töû khí, taàn suaát chuyeån dòch khaùc nhau dieãn ra töông öùng toác ñoä vaø höôùng chuyeån dòch cuûa caùc nguyeân töû khaùc nhau. Tuy nhieân, caùc aûnh höôûng beân ngoaøi, ví nhö nhieät ñoä, seõ laøm thay ñoåi böôùc soùng böùc xaï moät caùch khoâng theå chaáp nhaän ñöôïc, thaäm chí caû khi coù boä coäng höôûng. Do vaäy, ñoái vôùi caùc pheùp ño tuyeán tính, caàn ñoä oån taàn töông ñoái côõ 10−7 tôùi10−9 , chæ coù theå ñaït ñöôïc baèng nhöõng bieän phaùp oån taàn phuï. Ñoä oån ñònh naøy coù theå ñaït ñöôïc baèng caùch thay ñoåi cô hoïc khoaûng caùch giöõa hai göông phaûn chieáu. Moät trong hai göông ñöôïc laép treân moät phaàn töû aùp ñieän electrostrictive (ví duï laøm baèng goám aùp ñieän piezoelectric ceramics) maø ñoä daøi cuûa noù coù theå thay ñoåi ñöôïc baèng moät ñieän tröôøng ngoaøi. 35