Bài Giảng Kỷ Thuật Cảm Biến đo Lường Và điều Khiển - Tài Liệu Text

Có thể bạn quan tâm

Tải bản đầy đủ (.pdf) (283 trang)

Trang chủ

Kỹ Thuật - Công Nghệ

Tự động hóa

Bài giảng kỷ thuật cảm biến đo lường và điều khiển

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.81 MB, 283 trang )

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ TẬP BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Giảng viên: Đào Thái Diệu, TS. TP. HỒ CHÍ MINH, 2008 Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 1 DẪN NHẬP Tập bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển” được biên soạn theo chương trình đào tạo đại học các chuyên ngành kỹ thuật (năm thứ ba đại học). Mục tiêu biên soạn tập bài giảng này nhằm giúp sinh viên có tài liệu học tập môn học “Kỹ thuật cảm biến đo lường các đại lượng không điện” bên cạnh các tài liệu tham khảo khác theo hướng dẫn của giảng viên để nắm được những nội dung truyền đạt trên lớp một cách tích cực, kết hợp những dẫn giải và hệ thống hoá vấn đề của giảng viên với những nghiên cứu thảo luận chuyên đề seminar của lớp học. Với nhận thức rằng môn kỹ thuật cảm biến đo lường liên quan hầu hết các lónh vực kiến thức cơ bản mà sinh viên các ngành đại học kỹ thuật đã hoặc đang tiếp thụ trong chương trình học, một số phần liên quan chủ yếu được đưa vào các phụ lục cuối tập bài giảng này để sinh viên tự đọc ôn lại và hệ thống hoá kiến thức đã học trong những môn khác. Là một tập bài giảng, tài liệu được chia thành các bài giảng, dựa theo chương trình giảng dạy môn học là 3 tín chỉ (tương đương 45 tiết lên lớp và 45 tiết tự học của SV). Việc bố trí chương trình giảng dạy phù hợp là tùy ở giảng viên, tuy nhiên, thời lượng mỗi bài giảng ở đây tính cho 4 tiết lên lớp (không kể kiểm tra và ôn luyện). Và đó cũng chỉ có tính chất khuyến nghò. Những nội dung tập hợp trong tập bài giảng này được thực hiện trên cơ sở những tài liệu mới và cập nhập, nêu trong mục “Tài liệu tham khảo”, phù hợp với những bài giảng trên lớp theo chương trình, đề cương môn học của nhà trường. Tuy nhiên, do những hạn chế nhất đònh, việc tập hợp trình bày trong một tập sách có thể còn nhiều khiếm khuyết. Rất mong các đồng sự, đồng nghiệp giúp đỡ góp ý chỉnh lý và nhất là những sinh viên mà tập bài giảng này nhằm hướng tới. Đào Thái Diệu, 01.2008’. Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Mess- und Regelungstechnik. K.Boether, H.Breckwoldt, H-J.Siedler, R.Wieting, Pflaum Verlag, Muenchen, 1995. Tiếng Đức. 2. Position Sensing Angle and Distance Measurement for Engineers. H.Walcher, Butterworth Heinemann, 1994. Tiếng 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. Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển. Chủ biên: Lê Văn Doanh, NXB KHKT, Hà Nội, 2001. 9. Đo lường các đại lượng không điện (Tập bài giảng). Nguyễn Khắc Hải, Cục TCĐLCL, Hà nội, 1992. 10. Kỹ thuật điều khiển tự động (Tập bài giảng). Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2007. 11. Tự động hóa sản xuất (Tập bài giảng). Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2006. 12. Kỹ thuật vi xử lý ứng dụng trong đo lường và điều khiển (Tập bài giảng). Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2005. 13. Phần tử tự động (Tập bài giảng). Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2004. 14. Kỹ thuật đo điện – điện tử (Tập bài giảng). Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2002. 15. Hệ thống thông tin đo lường (Tập bài giảng). Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2000. WUX Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 3 BÀI 1. CƠ SỞ KỸ THUẬT CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG. CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM CHUNG. Mục tiêu bài này tập trung vào những khái niệâm cơ bản và những vấn đề tổng quát của kỹ thuật cảm biến đo lường ứng dụng – gồm chương 1. Nội dung cơ bản mà SV phải nắm được ở bài này là những vấn đề trọng tâm sau:  Khái niệm tổng quát về hệ thông tin đo lường và điều khiển cùng những phần tử cấu thành cơ bản của nó, hoạt động chức năng, các đặc tính kỹ thuật, đặc điểm ứng dụng. Đặc biệt cần nắm vững và hiểu được bản chất các đònh nghóa khái niệm, đặc tính vận hành, hệ thống hoá trong phân loại phần tử, tư duy logic trong kỹ thuật ứng dụng.  Các vấn đề ứng dụng thực tiễn các phần tử cảm biến trong hệ thông tin đo lường và điều khiển để có nhận thức và rèn kỹ năng tổng hợp, thiết kế và chế tạo hệ thống cụ thể trong thực tế môi trường ứng dụng.  Các từ khóa, thuật ngữ và ý nghóa của nó trong phần này (và tiếp về sau) đóng vai trò quan trọng trong những bài kiểm tra và thi trắc nghiệm lý thuyết nói chung. Thời lượng bài giảng là 04 tiết/45 tiết lên lớp theo chương trình môn học là 03TC (45 tiết) và 04 tiết tự nghiên cứu. 1.1 – Khái niệm hệ thống đo lường và điều khiển. Ngày nay, khó có một ngành kỹ thuật nào không bao gồm kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động, mà trong đó các phần tử cảm biến đo lường thường đóng vai trò tiên quyết. Ứng dụng điển hình là trong các dây chuyền công nghệ cơ khí chế tạo, các máy tự động trong sản xuất, gia công gỗ, kim loại, nhựa plastics, máy móc chế biến thực phẩm, các loại máy in và đóng gói sản phẩm, vv ... Sự phát triển của kỹ thuật đo lường và điều khiển hiện đại dựa trên cơ sở những tiến bộ khoa học của nhiều ngành lý thuyết cơ bản cũng như những tiến bộ công nghệ trong kỹ thuật ứng dụng. Đặc biệt, tiến bộ kỹ thuật công nghệ đã đưa đến sự thống nhất chuẩn hoá trong chế xuất các linh kiện, các phần tử tự động, các khối chức năng module … Trong nhiều lónh vực khác nhau cũng có nhiều trường hợp sử dụng những bộ phận, phần tử tự động chức năng như nhau. Ví dụ, các hệ cảm biến vò trí và điều khiển các vật thể dòch chuyển với độ chính xác cao được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như giao thông vận tải, hàng hải, hàng không, cứu hộ (đònh vò tàu thuyền, xe máy và máy bay, điều khiển các hệ dự phòng và truyền tải nặng ...), cũng như trong các ngành thông tin liên lạc viễn thông, thiên văn vũ trụ (dùng để điều chỉnh vò trí của các anntena radio, radar, các hệ viễn vọng thiên văn, ...). Nói chung, các phần tử cảm biến không hoạt động tự thân. Chúng là một bộ phận của một hệ lớn bao gồm cả các bộ chuẩn hoá tín hiệu và các mạch xử lý tín hiệu số và tương tự khác nhau. Nói ví dụ, hệ thống có thể là hệ đo lường, hệ thu thập dữ liệu, hay hệ điều khiển quá trình công nghệ. Ở Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 4 đây, chúng ta tập trung vào các phần tử cảm biến trong hệ đo lường và điều khiển quá trình công nghệ. Hình 1.1 giới thiệu mô hình điều khiển tự động quá trình công nghệ, được thực hiện bởi một hệ thông tin đo lường điều khiển. Hình 1.1 – Mô hình điều khiển tự động quá trình công nghệ. Quá trình công nghệ là một hệ vật lý được mô tả bởi các biến trạng thái. Các biến này đặc trưng đònh tính qualitative và đònh lượng quantative cho quá trình công nghệ bởi các phương trình mô tả quan hệ toán-lý và các số liệu đo thực nghiệm. Quá trình công nghệ được điều khiển (hoặc điều chỉnh) bởi một hệ thống đo lường và điều khiển tự động, hoạt động theo một chương trình program đònh sẵn, trên cơ sở các dữ liệu thu nhận được từ các bộ phận, phần tử cảm biến đo lường transducers và tính năng của các phần tử cơ cấu tác hoạt chấp hành actuators. Như vậy, hệ thống thông tin đo lường và điều khiển là tập hợp phương tiện kỹ thuật với chức năng chung và hoạt động theo một chương trình chung, thu nhận thông tin từ đối tượng (đo lường, biến đổi, hiển thò hay lưu trữ) và xử lý tiếp theo để thực hiện những mục tiêu chức năng hệ thống (điều khiển, hiệu chỉnh hay theo dõi giám sát). Những năm gần đây, sự phát triển công nghệ điện tử–tin học–viễn thông đã có những bước tiến căn bản về hiệu suất tính toán, dung lượng nhớ, tốc độ xử lý và truyền dẫn dữ liệu … cũng như những phát triển phần mềm ứng dụng. Cùng với sự hình thành và phát triển mạng viễn thông Internet, các mạng máy tính (cục bộ và cả diện rộng) cũng được sử dụng cho các hệ đo lường và điều khiển, ứng dụng chủ yếu là thu thập và xử lý dữ liệu nhằm tự động điều chỉnh / điều khiển quá trình công nghệ cũng như theo dõi giám sát trạng thái quá trình. Hình 1.2 giới thiệu cấu trúc điển hình của một hệ cảm biến đo lường và điều khiển. Hình 1.2 – Cấu trúc điển hình một hệ cảm biến đo lường và điều khiển tự động. Ứng dụng cảm biến trong một hệ điều khiển quá trình điển hình được trình bày trong hình 1.3. Giả thiết thuộc tính vật lý cần điều khiển là nhiệt độ. Đầu ra của cảm biến nhiệt độ được chuẩn hoá và Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 5 rồi số hoá bằng chuyển đổi ADC. Bộ vi điều khiển microcontroller hay máy tính chủ xác đònh liệu nhiệt độ có cao hơn hay thấp hơn giá trò mong muốn, và xuất tín hiệu tới chuyển đổi số–tương tự (DAC). Đầu ra DAC được chuẩn hoá và điều khiển cơ cấu chấp hành actuator, trong trường hợp này là một bộ gia nhiệt heater. Lưu ý rằng giao diện giữa trung tâm điều khiển và quá trình điều khiển từ xa là thông qua mạng tiêu chuẩn công nghiệp 4-20 mA. Hình 1.3 – Mạch điều khiển một quá trình công nghiệp điển hình. Kỹ thuật số đã trở thành phổ biến trong việc xử lý các đầu ra cảm biến trong thu thập dữ liệu đo lường, điều khiển quá trình và các phép đo. Nói chung, các vi điều khiển 8-bit (ví dụ 8051) có tốc độ và dung lượng xử lý thích đáng đối với hầu hết các ứng dụng. Bằng cách gộp thêm chuyển đổi A/D và tính năng lập trình vi điều khiển tự bên trong cảm biến, có thể tạo nên một cảm biến linh hoạt “smart sensor” với các tiện ích tự chuẩn đònh và tuyến tính hoá trong số nhiều tiện ích khác. Khi đó, một cảm biến linh hoạt có thể giao diện trực tiếp với một mạng công nghiệp như trình bày trong hình 1.4. Hình 1.5 trình bày các khối cấu tạo cơ bản của một “cảm biến linh hoạt”, được cấu hình với các vi mạch tích hợp đa thành phần. Loạt sản phẩm MicroConverter của hãng Analog Devices bao gồm on-chip các bộ đổi nối multiplexers tính năng hoạt động cao, các chuyển đổi tương tự–số (ADCs) và số–tương tự (DACs), ghép với bộ nhớ Flash và một lõi vi điều khiển tiêu chuẩn công nghiệp 8052, cũng như giải pháp mạch hỗ trợ và vài cấu trúc cổng nối tiếp tiêu chuẩn. Đó là những vi mạch tích hợp đầu tiên thực sự là những hệ thu thập dữ liệu cảm biến linh hoạt (các mạch chuyển đổi tín hiệu, vi điều khiển, bộ nhớ Flash tính năng hoạt động cao) trong một con chip đơn (xem hình 1.6). Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 6 Hình 1.4 – Tiêu chuẩn hoá giao diện số dùng cảm biến linh hoạt. Hình 1.5 – Các phần tử cơ bản trong cảm biến linh hoạt. Hình 1.6 – Một cảm biến thậm chí còn linh hoạt hơn. 1.2 – Các phần tử chủ yếu của hệ thống. Sự gia tăng yêu cầu về độ chính xác, độ an toàn chất lượng sản phẩm và hiệu quả công nghệ dẫn tới những tiến bộ kỹ thuật cơ bản làm tăng độ chính xác, độ tin cậy và tốc độ tác hoạt cao của các phương tiện kỹ thuật đo lường và điều khiển. Phương tiện kỹ thuật trong hệ đo lường điều khiển là tập hợp các thiết bò tự động đo lường, tự động điều khiển và tự động xử lý thông tin theo một chương trình nhất đònh, được gọi chung là các phần tử tự động. Ở đây chúng ta phân biệt ba dạng phần tử tự động chủ yếu: • Phần tử cảm biến Transducer, trong đó gồm có: o Phần tử cảm biến tham số (R,L,C); o Phần tử cảm biến vật lý (nhiệt-điện, quang-điện, áp-điện, …). • Phần tử chấp hành Actuator, trong đó gồm có: o Các phần tử chấp hành dạng máy điện; o Các phần tử chấp hành dạng cơ cấu điện-cơ. o Các phần tử chấp hành thủy-khí. • Phần tử thông tin, đặc trưng là: o Tacho-generator; o Selsyn; Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 7 o Biến áp quay; o Các phần tử khuyếch đại (khuyếch đại từ, khuyếch đại máy-điện, khuyếch đại điện tử, …). o … Phần tử cảm biến Transducers. Cảm biến đo lường, ngày nay thường gọi là kỹ thuật cảm biến sensorstechnique, được hiểu như kỹ thuật thu nhận và biến đổi thông tin trạng thái, là một bộ phận thành phần quan trọng trong hệ điều khiển tự động. Các biến trạng thái đặc trưng cho hệ thống và quá trình thường là các đại lượng không điện, như nhiệt độ, áp suất, ứng lực, tốc độ, moment vv… Các phần tử cảm biến nhạy cảm đối với những đại lượng vật lý khác nhau. Phần tử cảm biến thu nhận giá trò của đại lượng vật lý, với sự biến thiên theo thời gian của nó, chuyển đổi thành các đại lượng điện để có thể gia công xử lý, hiển thò hoặc lưu nhớ, truyền dẫn và xử lý tiếp nhằm điều khiển quá trình. Chủ yếu đại lượng đầu ra của các sensor là điện áp hoặc dòng điện, nhưng cũng có thể là tần số hay điện trở, điện kháng. Ở đây, ta gọi chung là phần tử cảm biến. Theo nghóa rộng, phần tử cảm biến transducer là thiết bò hay bộ phận thiết bò cảm nhận và đáp ứng với các kích thích từ đại lượng đo, được đặc trưng như một khâu chức năng trong hệ thống đo lường và điều khiển, một mạng hai cửa nói chung (hình 1.7). Cảm biến và các mạch kết hợp của nó được dùng để đo lường các thuộc tính vật lý khác nhau như nhiệt độ, lực, áp suất, lưu lượng dòng chảy, vò trí, cường độ sáng, vv… Các tính chất này tác động như kích thích tới cảm biến, và đầu ra của cảm biến được chuẩn hoá và xử lý để cung cấp số đo phù hợp của thuộc tính vật lý đó. Các transducers hiện đại thường được phối ghép bộ phận cảm biến đo lường với bộ phận chuẩn hoá tín hiệu conditioner và các bộ phận vi tính khác (như microprocessor hay microcontroller) để hiệu chỉnh hoặc tuyến tính hoá, xác đònh các ảnh hưởng nhiễu, xác đònh nguồn sai số và khử hoặc giảm thiểu chúng, cũng như để đưa tới các bộ phận điều khiển khác (như các phần tử chấp hành actuators …). Như vậy, đầu ra của các phần tử transducers thường là tín hiệu đã được chuẩn hoá, có thể trực tiếp đưa tới giao diện với các khối cấu thành hệ thống khác, thường là qua các tuyến bus truyền dẫn, hoặc xử lý, hiển thò trực tiếp. Nói một cách nghiêm chỉnh thì cảm biến sensor là một dụng cụ chuyển đổi tín hiệu kích thích (thể hiện một thuộc tính vật lý) thành tín hiệu điện; trong khi biến cảm transducer là bộ chuyển đổi một dạng năng lượng thành năng lượng dạng khác. Tuy nhiên trong thực tế, các thuật ngữ này được sử dụng một cách tráo đổi được. Các phần tử cảm biến được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau. Về bản chất vật lý, các cảm biến được phân loại là phần tử cảm biến tích cực hay thụ động. Các phần tử tích cực tác hoạt như một nguồn (nguồn áp hay nguồn dòng), không phải cung cấp nguồn năng lượng phụ. Những phần tử này được biểu diễn dưới dạng mạng hai cửa có nguồn trong. Các phần tử tích cực điển hình là các phần tử cảm biến vật lý như cảm biến nhiệt-điện thermoelements, cặp nhiệt ngẫu thermocouples, các hệ điện-động electro-magnetic generators, phần tử quang-điện photoelements, tinh thể áp-điện piezocristall, vv… Các phần tử thụ động tiêu thụ năng lượng từ nguồn phụ hoặc lấy từ biến kích thích đầu vào để biến đổi thành tín hiệu đầu ra. Những phần tử thụ động được biểu diễn dưới dạng mạng hai cửa không nguồn, có trở kháng trong phụ thuộc kích thích đầu vào. Điển hình là các phần tử cảm biến tham số như đầu dò biến trở (chiết áp potentiometers, biến trở hệ số nhiệt âm hay dương NTC- / PTC-, băng đo biến dạng DMS, biến trở quang photoresistances, …); cảm biến điện dung (tụ xoay / tụ bản cực phẳng …); cảm biến điện cảm; cảm biến từ tính, vv… Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 8 Như vậy, chúng ta phân loại dạng phần tử tích cực hay thụ động là theo quan điểm biến đổi năng lượng tự thân của phần tử cảm biến. Điều cần lưu ý là cho tới nay, mặc dù sự phân biệt về tính tích cực và tính thụ động là rõ ràng và khá thống nhất, nhưng trong các tài liệu khác nhau có nhiều cách nhìn nhận khác nhau (thậm chí ngược lại) khi phân loại đối tượng là thụ động hay tích cực. Ví như có quan niệm phần tử tích cực hay thụ động như sau [000]: Một cảm biến tích cực đòi hỏi một nguồn kích thích ngoài. Các cảm biến trên cơ sở điện trở như thermistors, RTDs (Resistance Temperature Detectors – các bộ cảm biến nhiệt kiểu trở kháng), và các dây đo căng (Strain Gages) là những ví dụ cảm biến tích cực, bởi vì dòng điện phải chạy qua chúng và đo điện áp tương ứng để xác đònh giá trò điện trở (cách khác là mắc dụng cụ vào một mạch cầu; tuy nhiên, trong trường hợp khác, đòi hỏi phải cung cấp dòng điện hay điện áp từ ngoài). Mặt khác, các cảm biến thụ động (passive hay self-generating) tạo ra tín hiệu điện áp ra của chính chúng mà không đòi hỏi dòng hay áp từ ngoài. Các ví dụ về cảm biến thụ động là các cặp nhiệt ngẫu thermocouples và diodes quang photodiodes tạo ra điện áp nhiệt-điện và dòng quang-điện tương ứng, không phụ thuộc vào mạch ngoài. Như vậy, người ta phân loại cảm biến trên quan điểm chuẩn hoá tín hiệu, theo nhu cầu cần thiết (hoặc không) giải pháp mạch tích cực ngoài để tạo tín hiệu điện ra từ cảm biến. Ta nêu hai cách phân loại đặc trưng, chỉ để có thể hiểu logic vấn đề (về quan niệm, không nên vì thế mà nhầm lẫn về thuật ngữ trong các tài liệu tham khảo). Bảng 1.1 dưới đây là một tổng quan khái quát về cảm biến. Bảng 1.1 – Các cảm biến điển hình và tín hiệu ra của chúng. Thuộc tính Cảm biến Tín hiệu ra Nhiệt độ Cặp nhiệt ngẫu Thermocouple Silicon Silicon Sensor Kiểu điện trở RTD Thermistor Thermistor Điện áp p / Dòng Điện trở Trở kháng Lực / p suất Dây đo căng Strain Gage p-điện piezo- Piezoelectric Điện trở Điện áp Gia tốc Máy đo gia tốc Accelerometer Điện dung Vò trí LVDT Điện áp AC Cường độ sáng Photodiode Photodiode Dòng điện Một phương cách logic khác phân loại cảm biến là phân loại theo thuộc tính vật lý mà cảm biến được thiết kế ứng dụng như cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến chuyển động, vv … Như vậy, theo nguyên lý biến đổi có thể phân loại các cảm biến như sau:  Phần tử cảm biến tham số;  Phần tử cảm biến vật lý. Các phần tử cảm biến dựa trên cơ sở nguyên lý hoạt động ứng dụng các hiệu ứng vật lý như điện-từ, quang-điện, piezo, vv… biến đổi các đại lượng thông số trạng thái vật lý của quá trình công nghệ thành những thay đổi thông số điện, được gọi chung là các cảm biến vật lý nói chung (xem thêm Phụ lục 2 ). Trong đó, đặc biệt thông dụng các phần tử cảm biến biến đổi các đại lượngï vật lý (như nhiệt độ hay ánh sáng, chuyển vò vật thể hay tác dụng lực và ứng suất …) trực tiếp thành những thay đổi tham số điện (như điện trở hay điện dẫn, điện cảm hay hỗ cảm, điện dung, …), được gọi chung là các cảm biến tham số (xem thêm Phụ lục 1). Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 9 Phần tử (cơ cấu) tác hoạt chấp hành Actuators. Trong các hệ đo lường và điều khiển, bên cạnh việc thu nhận giá trò các đại lượng vật lý, gia công xử lý chúng thành các tín hiệu điện, là việc biến đổi tín hiệu thành những đại lượng khác (ví như cơ học, âm thanh hay ánh sáng …) cho những mục đích điều khiển khống chế tiếp theo. Các cơ cấu biến đổi này được gọi là cơ cấu chấp hành. Ngày nay cũng gọi chung là các phần tử tác hoạt chấp hành actuators. Phần tử tác hoạt chấp hành được đặc trưng như một khâu chức năng trong hệ thống cảm biến đo lường và điều khiển, một mạng hai cửa nói chung (hình 1.7). Thông dụng các dạng phần tử tác hoạt chấp hành sau: • Các phần tử chấp hành dạng máy-điện, như động cơ / máy phát đồng bộ / không đồng bộ, một chiều / xoay chiều …; • Các phần tử chấp hành dạng cơ cấu điện-cơ, như rele, khớp nối, khởi động từ, … • Các phần tử chấp hành thủy-khí. Phần tử thông tin. Trong các hệ đo lường và điều khiển còn có một kiểu dạng phần tử tự động khá đặc biệt là các phần tử thông tin. Những phần tử này có tính năng khác nhau, trong nhiều trường hợp cũng có tính năng cảm biến (như tachogenerators, selsyn, một số loại biến áp quay, …), nhưng chung nhất là khả năng truyền đạt thông tin điều khiển trực tiếp, đồng bộ giưã các bộ phận của hệ thống. Điển hình là: • Tacho-generator; • Selsyn; • Biến áp quay; • Các phần tử khuyếch đại (như khuyếch-đại-từ, khuyếch đại máy-điện, khuyếch đại thuật toán,…) Cùng với transducers và actuators, các phần tử thông tin và mạch xử lý tiếp theo nói chung tạo nên hệ thống phương tiện biểu trưng trạng thái của một quá trình kỹ thuật hay công nghệ có điều khiển nào đó trong một hệ đo lường điều khiển thống nhất. 1.3 – Các đặc tính cơ bản. Cảm biến sensor là một dụng cụ chuyển đổi một hiện tượng vật lý thành tín hiệu điện. Như vậy, cảm biến là một phần của giao diện giữa thế giới vật lý và thế giới kỹ thuật điện, cũng như máy tính ( là một phần của giao diện giữa con người và thế giới toán tính). Phần khác của giao diện này là các cơ cấu chấp hành actuators, chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu vật lý. Ở đây chúng ta quan tâm đến khía cạnh giao diện của thế giới vật lý và hệ đo lường điều khiển cùng những phần tử cấu thành của nó. Ngày nay, năng lực xử lý một khối lượng thông tin khổng lồ đã được phát triển trong ngành điện tử–máy tính. Ví dụ có ý nghóa nhất về năng lực này là máy tính cá nhân và sự tồn tại của các bộ vi xử lý microprocessors, vi điều khiển microcontroller, đem lại khả năng thiết kế chế tạo những sản phẩm gắn kết với toán tính, từ công nghệ chế tạo ôtô đến những thiết bò dân dụng như lò vi sóng, tới đồ chơi trẻ em. Vài năm lại đây các phiên bản của những sản phẩm này dùng vi xử lý trong các bộ phận điều khiển chức năng đã trở nên phổ biến rộng rãi. Trong ngành chế tạo ôtô những khả năng như thế rất cần thiết để đạt được những tính năng phù hợp với sự hạn chế về ô nhiễm môi trường. Trong những trường hợp khác, một cách đơn giản năng lực ấy đem lại những tiện ích không mấy tốn kém. Tất cả những mạch xử lý tín hiệu, mạch biến đổi tương hợp tín hiệu – chuẩn hoá tín hiệu, kể cả các mạch toán tính tiếp theo, đều cần có tín hiệu điện đầu vào để nhận mã lệnh và dữ liệu thông tin. Như vậy, cùng với sự sẵn có các microprocessor rẻ tiền, cơ hội sử dụng các sensor đã không Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 10 ngừng tăng lên trong hàng loạt sản phẩm đo lường điều khiển. Hơn nữa, bởi vì đầu ra của sensor là tín hiệu điện, cho nên các sensors có xu hướng đặc trưng như thể là các linh kiện điện tử. Các bản kê dữ liệu của nhiều sensor đã được lập nên giống như bản kê của các linh kiện điện tử. Tuy nhiên, đối với các phần tử cảm biến sensors cho tới nay chưa có được sự thống nhất gần với một tiêu chuẩn quốc tế dành cho các đặc tính kỹ thuật của sensors. Người thiết kế hệ thống sẽ bắt gặp một loạt các cách diễn giải thông số hoạt động của cảm biến, và nó có thể gây nên lầm lẫn. Cho nên ở đây chúng ta điểm lại một số đònh nghóa khái niệm cơ bản về các đặc tính của hệ đo lường điều khiển cùng các phần tử của nó. Trong các hệ đo lường điều khiển, phần tử tự động là khâu chức năng cơ bản, được mô tả trên cơ sở mô hình một khối kín với vector tín hiệu đầu vào )(txvvà vector tín hiệu đầu ra )(tyv(hình 1.7). Khi đó, bản chất của mô hình toán học này sẽ chính là ánh xạ: )()(: tytxTvav; (1.1) hay có thể viết dưới dạng: {})()( txTtyvv=. (1.2) Trên quan điểm kỹ thuật, thay vì tín hiệu vào-ra của phần tử, người ta thường sử dụng khái niệm kích thích và đáp ứng với nghóa như sau: nếu kích thích phần tử bằng vector tín hiệu )(txvthì sẽ có đáp ứng là )(tyv. Việc khảo sát, phân tích các đặc tính của một phần tử tự động thường được quy về phân tích mô hình toán học của nó. Như vậy, chỉ cần phân tích, khảo sát đáp ứng của phần tử với một vài kích thích điển hình, chẳng hạn như khảo sát đáp ứng của phần tử với kích thích là tín hiệu xung Dirac )(tδ hay tín hiệu bước nhảy đơn vò Heaviside 1(t). Tùy theo dạng tín hiệu được biểu diễn trong miền thời gian hay miền ảnh Fourier, Laplace thì mô hình sẽ có dạng là phương trình vi phân, hàm truyền đạt hay hàm đặc tính tần. Hàm truyền đạt. Hàm truyền đạt chỉ rõ quan hệ chức năng giữa tín hiệu vật lý đầu vào và tín hiệu điện đầu ra. Thông thường, quan hệ này thường được biểu diễn bằng đồ thò chỉ ra mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra, và những chi tiết của quan hệ đó có thể tạo thành sự mô tả các đặc tính kỹ thuật của phần tử. Đối với những phần tử chuyên dụng, như là những sensor đắt tiền, vốn được kiểm chuẩn cá biệt, nó có thể ở dạng đường cong quy chuẩn. Hàm truyền đạt của một phần tử được xây dựng trên cơ sở mô hình mô tả quan hệ vật lý bên trong phần tử và giao tiếp với môi trường tương tác bên ngoài. Các quan hệ vào-ra này của phần tử thường được mô tả dưới dạng phương trình toán học, như biểu thức (1.1) chẳng hạn. Hàm truyền đạt F(s) của một phần tử tự động được đònh nghiã như là tỷ số giữa đáp ứng Y(s) với kích thích X(s). )()()(sXsYsF = ; (1.3) ở đây: Y(s) và X(s) là ảnh Laplace của đáp ứng y(t) và kích thích x(t) từ trạng thái ban đầu bằng 0. Hàm truyền đạt (1.3) được dẫn xuất từ phương trình vi phân mô tả quan hệ vào-ra của phần tử, biểu diễn theo toán tử Laplace thành một phương trình đại số, có thể có dạng tuyến tính, phi tuyến, hàm loga, hàm lũy thừa hay hàm mũ vv… Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 11 Hình 1.7 mô tả mô hình một phần tử tự động bằng hàm truyền đạt F(s), hàm trọng lượng g(t) khi kích thích đầu vào là tín hiệu Dirac )(tδ, hay hàm quá độ h(t) khi kích thích đầu vào là tín hiệu bước nhảy Heaviside 1(t). Hình 1.7 – Mô hình một phần tử tự động được mô tả bởi hàm truyền đạt F(s). Đối với các phần tử cảm biến đo lường thì thông thường kích thích đầu vào là sự tác động của các đại lượng vật lý đặc trưng thông số trạng thái của quá trình; còn đáp ứng đầu ra là tín hiệu điện tương ứng. Quan hệ đáp ứng – kích thích của bộ cảm biến, được đặc trưng bởi những đặc tính cơ bản của phần tử cảm biến trong ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố tác động, do vậy rất phức tạp. Ở đây chúng ta đề cập đến những đặc tính cơ bản của phần tử cảm biến nói chung, trước tiên là để có một cách nhìn khái quát và hệ thống. Độ nhạy. Độ nhạy được xác đònh theo cách nói riêng liên quan tới mối quan hệ giữa tín hiệu vật lý đầu vào và tín hiệu điện đầu ra. Nói chung, nó là tỷ số giữa sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu điện đối với một sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu vật lý. Như thế, nó có thể được thể hiện như một dẫn xuất của hàm truyền đạt liên quan với tín hiệu vật lý. Đơn vò đo lường điển hình là volts/kelvin, millivolts/kilopascal, vv … Một nhiệt kế có “độ nhạy cao” nếu như một sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ đạt kết quả là một sự thay đổi điện áp lớn. Trạng thái bền – Đặc tính tónh. Các đặc tính bền mô tả tương quan thường ổn stationary giữa đại lượng đầu ra và đầu vào của một phần tử trong hệ đo lường điều khiển, thông qua các biến trạng thái vật lý ở trạng thái tónh hay trạng thái dừng. Mối tương quan này thường được biểu diễn bằng một trường các đường đặc tính tónh. Khi đó tính năng truyền đạt của phần tử được mô tả bởi quan hệ hàm toán học giữa đại lượng vật lý đầu vào x (kích thích đầu vào) và tín hiệu đầu ra y (đáp ứng đầu ra) dưới dạng biểu thức (1.1), hay đồ thò, hay bảng giá trò số. Chỉ có thể nói đến tính bền đối với các phần tử có đặc tính tham số tónh, mạch cân bằng mà trong đó quá trình biến thiên đại lượng đầu vào x và đại lượng đầu ra y ứng với trạng thái tónh hay dừng stationary. Với những phần tử không cân bằng (đại lượng đầu ra thay đổi khi đại lượng đầu vào là hằng như phần tử đoạn mạch có tính tích phân) thì không thuộc dạng này. Độ tuyến tính. Một phần tử là tuyến tính trong một dải biến thiên trạng thái đầu vào nếu trong dải đó độ nhạy của cảm biến (hay chuyển đổi) không phụ thuộc vào giá trò (độ lớn) của biến đầu vào, tức là độ nhạy là hằng số. Khi đó, ở chế độ tónh đặc tuyến tónh là tuyến tính. Ở chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không đổi của độ nhạy và của các thông số đáp ứng, như tần số dao động riêng, hệ số suy giảm cũng không phụ thuộc vào biến đầu vào. Trong thực tế, độ tuyến tính được dùng như là độ phi tuyến. Ta hiểu đó là sai lệch tối đa so với một hàm truyền đạt tuyến tính bao trùm cả dải động học đặc trưng. Có vài phép đo sai lệch đó. Chung nhất là so sánh hàm truyền thực tế với “đường thẳng nhất” (xem hình 1.9), nằm giữa hai đường song song bao toàn bộ hàm truyền trong suốt dải động học đặc trưng của dụng cụ. Sự lựa chọn phương pháp so sánh này là phổ biến bởi vì nó làm cho đa số các cảm biến trông có vẻ tốt hơn. Có thể dùng những đường tham chiếu khác, sao cho người sử dụng cũng sẽ cẩn thận khi so sánh mà dùng cùng tham chiếu ấy. Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 12 Độ lớn tín hiệu đầu vào. Là giá trò lớn nhất của tín hiệu đầu vào mà sai số của phần tử không vượt ngưỡng cho phép. Thông thường ngưỡng động của kích thích đầu vào được biểu diễn bằng dB, logarithm của tỷ số công suất hoặc tỷ số điện áp (bảng 1.2). 1212lg20lg101uuPPdB == . (1.4) Bảng 1.2 – Quan hệ giữa tỷ số công suất, điện áp theo dB. Decibel, dB 0,1 1,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 12PP 1,023 1,26 10 100310 410510610710 810 910 1010)(;1212iiuu 1,012 1,12 3,16 10 31,6 100 3163102316 410 3.410510 Độ phân giải. Độ phân giải của một cảm biến được xác đònh là dao động tín hiệu nhỏ nhất có thể phân biệt được. Bởi vì những dao động thất thường là hiện tượng tạm thời, có mối quan hệ nào đó giữa thang đo thời gian đối với dao động và biên độ nhỏ nhất có thể phân biệt được. Do đó đònh nghóa của độ phân giải phải bao gồm thông tin nào đó về bản chất của phép đo đang thực hiện. Nhiều loại cảm biến bò giới hạn bởi nhiễu có phân bố phổ trắng. Trong những trường hợp như vậy, có thể đặc trưng độ phân giải theo đơn vò đo của tín hiệu vật lý / root (Hz) (căn bậc hai root). Khi đó, có thể xác đònh độ phân giải thực tế đối với từng phép đo riêng biệt bằng cách nhân số lượng đó với căn bậc hai của băng tần đo. Các bản kê dữ liệu cảm biến nói chung xác đònh độ phân giải ở đơn vò đo tín hiệu / căn bậc hai (Hz) hoặc cho tín hiệu nhỏ nhất có thể phân biệt được đối với phép đo đặc trưng. Nếu dạng nhiễu cũng được mô tả đặc tính thì có thể tổng quát hoá độ phân giải này cho những phép đo bất kỳ. Tính thời gian – Đặc tính động. Tính thời gian mô tả mối tương quan biến thiên theo thời gian giữa các đại lượng đầu ra và đầu vào của phần tử hệ. Các phần tử trong hệ đo lường điều khiển thường biểu thò những tính chất đáp ứng rất khác nhau đối với sự biến động đại lượng đầu vào (thường kèm theo đại lượng nhiễu). Điều này có thể được xác đònh thông qua phản ứng đối với sự biến động đầu vào hoặc ảnh hưởng nhiễu, sẽ cho kết luận về các tính năng truyền đạt của nó – đặc tính động của một phần tử tự động hay cảm biến. Thường thì đặc tính động của phần tử được đặc trưng bởi hàm đặc tính tần của nó. Hiện tượng trễ. Một số phần tử cảm biến sensor không trở về cùng một trò số đầu ra trong khi đầu vào có xu hướng dao động lên xuống. Độ rộng của sai số kỳ vọng đối với đại lượng đo được xác đònh như là hiện tượng trễ. Đơn vò đo lường điển hình là kelvin hay là phần trăm của toàn thang đo FSO. Dải động học (hoặc độ rộng phạm vi động học). Phạm vi biến thiên của các tín hiệu vật lý đầu vào có thể chuyển đổi thành các tín hiệu điện của cảm biến là dải động học hay là độ rộng phạm vi động học. Những tín hiệu ngoài phạm vi này được cho rằng sẽ gây nên sự mất chính xác không chấp nhận được. Độ rộng hoặc dải động học thường được nhà cung cấp cảm biến đặc trưng như là phạm vi bao trùm mà các đặc tính hoạt động của phần tử cảm biến đã nêu trong bản kê dữ liệu củanó hy vọng sẽ có tác dụng. Các đơn vò đo lường điển hình là kelvin, pascal, newton, vv … Độ tác động nhanh. Là khả năng đáp ứng theo thời gian tác động của biến đầu vào (thời gian hồi đáp). Thời gian đáp ứng τ là khoảng thời gian biến thiên tín hiệu đáp ứng đầu ra, từ thời điểm tác động của biến đầu vào, cho đến khi chỉ còn khác giá trò cuối một ngưỡng sai lệch quy đònh ε[%]. Hình 1.8 biểu diễn đáp ứng của một phần tử tự động khi được kích thích bởi tín hiệu bước nhảy đơn Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 13 vò Heaviside 1(t): dạng A là đáp ứng tức thời; B – đáp ứng trễ dạng hàm mũ; C – đáp ứng tức thời có suy giảm; D – đáp ứng trễ có suy giảm; E – đáp ứng dao động tắt dần. Hình 1.8 – Các dạng đáp ứng của phần tử tự động đối với tác động đầu vào dạng bước nhảy. Độ rộng băng tần. Mọi phần tử đều có thời gian đáp ứng nhất đònh đối với sự thay đổi liên tục của kích thích. Đối với các cảm biến thì chúng phải có thời gian để đáp ứng với sự biến thiên liên tục của tín hiệu vật lý đầu vào. Thêm vào đó, nhiều cảm biến có thời gian tổn hao, là khoảng thời gian cần thiết sau biến động dạng bước nhảy trong tín hiệu vật lý để đầu ra của cảm biến đạt tới giá trò thực của nó (hình 1.8). Quan hệ tương hỗ của những khoảng thời gian này tùy theo tần số tương ứng giới hạn trên hay dưới. Độ rộng băng tần của một cảm biến là phạm vi tần số giữa hai tần số giới hạn ấy. Nhiễu. Mọi cảm biến đều có ở đầu ra một số nhiễu kết hợp lại trong tín hiệu ra. Trong vài trường hợp, nhiễu của cảm biến là nhỏ hơn nhiễu của phần tử hệ thống kề cận (phần tử / linh kiện điện tử), hoặc nhỏ hơn những dao động thất thường của tín hiệu vật lý, mà trong trường hợp đó không mấy quan trọng. Tồn tại nhiều trường hợp hơn, khi nhiễu của cảm biến làm hạn chế hoạt động của hệ vốn dựa trên cơ sở cảm biến. Thông thường nhiễu được mô tả thông qua phổ tần số. Nhiều nguồn nhiễu thông thường gây nên phân bố phổ nhiễu trắng mà có thể nói rằng mật độ phổ nhiễu cũng giống như tất cả các tần số khác. Nhiễu Johnson trong điện trở là một ví dụ điển hình của mô tả nhiễu ấy. Đối với nhiễu trắng, mật độ phổ nhiễu được đặc trưng ở đơn vò volts/root-căn bậc hai(Hz). Có một cách mô tả bản chất tự nhiên ấy là gộp thêm nhiễu vào phép đo có biên độ tỷ lệ với căn bậc hai của độ rộng băng tần dải đo. Bởi quan hệ giữa độ rộng băng tần và thời gian đo là trò nghòch đảo của nhau, nên có thể nói rằng nhiễu sẽ giảm theo căn bậc hai của thời gian đo. Độ chính xác (hay độ bất đònh) và sai số. Nói chung, độ bất đònh được đònh nghóa như là sai lệch lớn nhất có thể xảy ra giữa các tín hiệu ra thực tế và tín hiệu ra lý tưởng. Đơn vò đo lường điển hình là kelvin. Đôi khi được dẫn xuất như là một phần (phần trăm) của toàn bộ thang đo đầu ra hay là một phần của chỉ thò đọc được. Ví dụ, một nhiệt kế đảm bảo độ chính xác trong khoảng 5% phạm vi toàn thang đo FSO (Full Scale Output). “Độ chính xác” ở đây, nói chung được các cán bộ đo lường công nhận, phải là một thuật ngữ đònh tính, trong khi “độ bất đònh” là thuật ngữ có tính đònh lượng. Ví dụ: một cảm biến có độ chính xác cao hơn cảm biến khác nếu như độ bất đònh của nó là 1% so với những cảm biến khác có độ bất đònh 3%. Độ chính xác của các phần tử tự động nói chung và các phần tử cảm biến nói riêng tùy thuộc chủng loại, nguyên lý, phương pháp và phương tiện kỹ thuật cho phép thu nhận, biến đổi hay tái tạo đại lượng vật lý gần với giá trò thực tới mức nào (hình 1.9). Đối với các phần tử cảm biến trong Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 14 thực tiễn ứng dụng kỹ thuật, độ chính xác cảm biến được đánh giá bởi các phép đo đònh lượng, bằng kỹ thuật đo lường, chúng đặc trưng bởi sai số đo lường. Hình 1.9 – Hàm truyền và giới hạn sai số của cảm biến lý tưởng. Lý thuyết sai số xây dựng cơ sở để nhận biết và đánh giá sai số của các phép đo thực nghiệm. Lý thuyết sai số là một bộ phận của thống kê toán học, có nhiệm vụ xác đònh trò số của những đại lượng chưa biết theo kết quả của những phép đo thực nghiệm có chứa sai số ngẫu nhiên. Công cụ toán học xác suất thống kê là cơ sở tìm ra quy luật phân bố các sai số ngẫu nhiên, tìm cách đánh giá các đại lượng chưa biết theo các kết quả quan sát và xác đònh sai số của các cách đánh giá đònh lượng (lượng giá) chúng. Sai số tuyệt đối của phép đo đại lượng cảm biến X – là độ lệch giữa giá trò đo được doX và giá trò thực τX. τXXXdo−=∆. (1.5) Sai số tương đối của cảm biến: %100.[%]τεXX∆= . (1.6) Đối với phương tiện đo, thông thường sai số tuyệt đối được xác đònh theo phạm vi đo của thiết bò (Pvd), được gọi là thang đo. Phạm vi đo Pvd của một thiết bò đo là giá trò chuẩn đònh của thang đo, bằng khoảng khác biệt giữa giá trò đầu và giá trò cuối thang đo. Cấp chính xác Cl. (Class) của phương tiện đo được đònh chuẩn theo sai số tương đối quy đổi trên toàn thang đo Pvđ: %100.[%]~PvdX∆=ε ; (1.7) Độ lớn ε~ được đánh giá như sai số chuẩn đònh hay sai số nhỏ nhất của thiết bò đo có thể đạt tới, do vậy mà cấp độ chính xác của máy đo được đònh kỳ kiểm đònh theo mức sai số ε~ đó. Trong thực tế, khi chưa biết được giá trò thật τXvà nếu giá trò đo doX nhận được theo quan sát trên một máy đo có cấp chính xác Cl. nào đó, (khi sai số đo đủ nhỏ 1<<ε, và phép đo được coi như không chòu ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên), thì kết quả đo bằng: Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 15 ⎟⎠⎞⎜⎝⎛±≅∆±=%100.)(ClPvdXXXXdodo; (1.8) ở đây: doX – giá trò đo thu được trên máy đo; Pvd – phạm vi thang đo; Cl. – cấp chính xác máy đo, [%]. Không thể loại trừ hoàn toàn được sai số, người ta chỉ có thể đánh giá sai số – nói đúng hơn là đánh giá được giới hạn trên của sai số – mắc phải trong các phép đo và ảnh hưởng của nó tới kết quả đo. Tùy tính chất và nguyên nhân sai số, tùy theo cách đánh giá mà giảm thiểu hay loại trừ ảnh hưởng của sai số, người ta phân biệt hai loại sai số: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số hệ thống – là những sai lệch có trò số gần như không đổi hoặc thay đổi theo một quy luật nhất đònh, trong một loạt phép đo giống nhau (không phụ thuộc số lần đo lặp). Nguyên nhân có thể là: • Do nguyên lý cảm biến, biến đổi không phù hợp; • Giá trò đại lượng chuẩn-so không chính xác; • Do đặc tính kỹ thuật của cảm biến không tương thích; • Do điều kiện và chế độ sử dụng không phù hợp; • Do xử lý kết quả đo không tốt. Sai số ngẫu nhiên – là sai số có trò số không xác đònh, biến thiên bất thường, sinh ra do nhiều nguyên nhân không rõ đích xác. Những nguyên nhân thường gặp là: • Do đặc tính kỹ thuật của của cảm biến thay đổi mà không được chuẩn lại; • Do tác động nhiễu ngẫu nhiên; • Do ảnh hưởng những thay đổi môi trường (thường là điều kiện đo). Sai số hệ thống thì có thể loại trừ được hoặc có thể tính được để hiệu chính, bổ chính kết quả đo một cách thích hợp. Sai số ngẫu nhiên lại không thể loại trừ, nhưng vẫn có thể lượng giá được độ lớn (trò số) và ảnh hưởng của nó đối với phép đo. Việc lượng giá giá trò sai số ngẫu nhiên dựa trên cơ sở toán học xác suất thống kê, trong đó sai số ngẫu nhiên được đặc trưng bởi các đặc tính cơ bản: • Đònh luật phân bố sai số và hàm mật độ phân bố xác suất sai số; • Độ lệch trung bình bình phương (phương sai) và trò trung bình số học; • Khoảng tin cậy và xác suất tin cậy. Theo đònh luật phân bố chuẩn Gauss, thì trò trung bình số học µ (gọi là giá trò xác suất kỳ vọng) của các kết quả quan sát lẻ iX trong một phép đo lặp đại lượng cảm biến X cho ta kết quả phép đo doX được coi là gần giá trò thật τX nhất, với độ sai lệch trung bình bình phương (gọi là sai lệch chuẩn σ, hay gọi tắt là phương sai). Từ đó tính được độ tin cậy thống kê (tức là xác suất P) xuất hiện một giá trò đo lẻ Xi trong khoảng giá trò (phạm vi tin cậy) nào đó cho trước X1 ≤ Xi ≤ X2 . Giá trò thật vốn không nhận biết trực tiếp và đích xác được. Dù cho có tiến hành đo lặp nhiều lần (lý thuyết là vô số lần) giá trò đo bằng một phương tiện đo trong cùng một điều kiện đo, thì cũng sẽ cho các kết quả quan sát không giống nhau, không phụ thuộc nhau và biến đổi một cách ngẫu nhiên. Tuy vậy, trong thực tế phép đo lặp cho phép đánh giá đại lượng cảm biến theo các đặc tính cơ bản nêu trên của phép toán tính xác suất thống kê. Chuẩn tín hiệu giao diện của các bộ cảm biến. Nói chung, đối với các phần tử cảm biến, tín hiệu đầu ra của các cảm biến vật lý thường không phù hợp, chưa tương thích với các bộ phận của các công đoạn kế tiếp cần thiết, như xử lý dữ liệu, lưu ghi hiển thò, hay truyền dẫn … Nhất là ngày nay các bộ phận này chủ yếu là các phần tử linh kiện kỹ thuật số – máy tính. Do vậy cần chuẩn hoá tín Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 16 hiệu, biến đổi tương hợp trong một hệ đo lường và điều khiển chung (xem hình 1.2, 1.3) và được thực hiện bởi bộ conditioner chuẩn hoá giao diện giữa cảm biến vớiø bộ phận kế tiếp. Ngày nay các sensors và transducers có tín hiệu đầu ra là tín hiệu điện (dòng hay áp) được xác đònh bởi những phép biến đổi tương hợp tín hiệu chuẩn hoá, trong kỹ thuật điều khiển tự động thường là: Điện áp: 0 ... 10 [V]; ±10 [V]; Dòng điện: 0 ... 10 [mA]; 4 ... 20 [mA]; Tín hiệu dòng chuẩn hoá (204 ÷) [mA] được chấp nhận như một chuẩn công nghiệp ï Các đầu ra toàn thang đo của hầu hết cảm biến là điện áp, dòng điện hay những thay đổi điện trở tương đối nhỏ, và do đó các đầu ra của chúng phải được chuẩn hoá một cách thích hợp trước khi có thể xử lý số hay tương tự tiếp theo. Vì thế, đã xuất hiện cả một lớp mạch điện, nói chung được tham chiếu như là các mạch chuẩn hoá tín hiệu. Khuyếch đại, chuyển mức, điện ly, biến đổi trở kháng, tuyến tính hoá, và lọc là những chức năng cơ bản chuẩn hoá tín hiệu có thể cần đến. Tuy nhiên, dù có lấy bất kỳ dạng chuẩn hoá nào đi nữa thì giải pháp mạch và việc thực hiện sẽ được chỉ đạo bởi đặc tính điện của cảm biến và đầu ra của nó. Sự đặc trưng hoá chính xác cảm biến trong cách nói riêng về các thông số ứng dụng, ví như độ nhạy, mức dòng và áp, độ tuyến tính, trở kháng, độ khuyếch đại, thiên áp, độ trôi, hằng số thời gian, các cực trò về điện, trở kháng trễ và các đặc tính quan trọng khác có thể nói lên sự khác biệt giữa siêu chuẩn và sự ứng dụng thành công của dụng cụ, đặc biệt là trong trường hợp độ phân giải và độ chính xác cao, hoặc các phép đo mức độ thấp được thực hiện. Mức độ tích hợp cao của các vi mạch tích hợp IC ngày nay cho phép chúng đóng vai trò đầy ý nghóa trong lónh vực chuẩn hoá cả tín hiệu số và tín hiệu tương tự. Các ADC (chuyển đổi tương tự – số) được thiết kế chuyên dụng cho các ứng dụng đo lường thường bao gồm các bộ khuyếch đại lập trình được độ khuyếch đại bên trong con chíp (PGAs – Programmable-Gain Amplifiers) và các mạch tiện ích khác như các nguồn dòng để điều khiển các RTDs đồng thời giảm thiểu những yêu cầu về mạch chuẩn hoá tín hiệu ngoài. Hầu hết các đầu ra của cảm biến là phi tuyến đối với các kích thích, và các đầu ra của chúng phải được tuyến tính hoá nhằm mang lại phép đo đúng. Có thể dùng các kỹ thuật tương tự analog để thực hiện chức năng đó. Tuy nhiên, ngày nay đã có các chuyển đổi A/D có tính năng hoạt động cao cho phép thực hiện tuyến tính hoá một cách hiệu qủa và chính xác hơn nhiều bằng các phần mềm và giới hạn sự cần thiết phải có những hiệu chuẩn bằng tay phiền phức bằng cách sử dụng bộ nhân và đôi khi là các mạch cắt tương tác trimpots. Các phần tử tích cực hay thụ động. Có thể phân loại các phần tử tự động theo dạng phần tử – linh kiện tích cực active hay thụ động passive. Như trên đã nêu, có hai cách nhìn khác nhau về việc đó. đây chúng ta đi theo cách nhìn nhận và cách phân loại chung nhất, trên cơ sở nguyên lý biến đổi năng lượng. Các phần tử tích cực tác hoạt như một nguồn (nguồn áp hay nguồn dòng), không phải cung cấp nguồn năng lượng phụ. Những phần tử này được biểu diễn dưới dạng mạng hai cửa có nguồn trong. Các phần tử tích cực điển hình là các phần tử cảm biến vật lý như cảm biến nhiệt-điện thermoelements, cặp nhiệt ngẫu thermocouples, các hệ điện-động electro-magnetic generators, phần tử quang-điện photoelements, tinh thể áp-điện piezocristall, vv… Các phần tử thụ động tiêu thụ năng lượng từ nguồn phụ hoặc lấy từ biến kích thích đầu vào để biến đổi thành tín hiệu đầu ra. Những phần tử thụ động được biểu diễn dưới dạng mạng hai cửa không nguồn, có trở kháng trong phụ thuộc kích thích đầu vào. Điển hình là các phần tử cảm biến tham số như đầu dò biến trở (chiết áp potentiometers, biến trở hệ số nhiệt âm hay dương NTC- / Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 17 PTC-, băng đo biến dạng DMS, biến trở quang photoresistances, …); cảm biến điện dung (tụ xoay / tụ bản cực phẳng …); cảm biến điện cảm; cảm biến từ tính, vv… Các phần tử lý tưởng và thực tế. Các phần tử tự động, nhất là các phần tử cảm biến, về nguyên lý là ứng dụng các hiệu ứng biến đổi vật lý. Các phần tử cảm biến có chức năng chung là biến đổi tín hiệu đầu vào có bản chất năng lượng như cơ năng, điện năng, hóa năng hay nhiệt năng, thành tín hiệu đầu ra dạng năng lượng điện. Các phần tử lý tưởng thực hiện biến đổi này mà không tổn hao. Ví dụ, một phần tử cảm biến lý tưởng dùng đo hay điều chỉnh áp lực thì không được để bò biến dạng, do đó phải có độ bền cứng lớn vô cùng. Một phần tử cảm biến độ rung hay chấn động phải có độ dẻo cao vô cùng, để có thể làm việc mà không bò tổn hao. Đối với những trường hợp như vậy, việc chế tạo các phần tử tự động (lý tưởng) tương thích với yêu cầu kỹ thuật là rất khó khăn, nhưng lại rất cần thiết cho các công việc nghiên cứu, khảo sát, phân tích, thiết kế … Hầu như hết thảy các nguyên lý vật lý lý thuyết và ứng dụng mà công nghệ đạt tới đều được đem ra ứng dụng cho kỹ thuật thiết kế và chế tạo chúng. Mỗi ứng dụng kỹ thuật lại đòi hỏi phải có những biện pháp cấu trúc phù hợp, do vậy các đặc tính của các phần tử tự động thực tế là rất đa dạng. Nói chung, đối với từng chủng loại hay từng phần tử tự động có những yêu cầu chuyên biệt riêng, chỉ có thể thoả hiệp giữa yêu cầu lý tưởng và năng lực hiện thực hoá chúng của kỹ nghệ đương đại. 1.4 – Cơ sở ứng dụng. Sau khi đã điểm qua những khái niệm đònh nghóa cơ bản về các đặc tính hoạt động của các phần tử tự động nói chung và các phần tử cảm biến nói riêng, chúng ta hãy tham khảo một ví dụ lấy điển hình bản kê dữ liệu của một phần tử cụ thể minh họa. 1.4.1 – Đặc tính vận hành của một cảm biến cụ thể. Để minh họa những khái niệm đònh nghóa trên ta lựa ra trò số của các thông số ấy đối với một máy đo sẵn có, máy đo gia tốc ADXL150 của hãng Analog Devices. Hàm truyền. Quan hệ chức năng giữa điện áp và gia tốc được nêu ra là: )167.(5,1)(gmVAccVAccV+=; (1.9) ở đây: Acc là trò số đo gia tốc; V là trò số điện áp ra. Có thể dùng biểu thức này để hiệu chính đặc tính của cảm biến, và bao gồm cả thông tin về độ nhạy và điện áp đònh thiên offset ở đầu ra của cảm biến. Độ nhạy. Độ nhạy của cảm biến được cho bởi dẫn xuất điện áp đối với gia tốc tại một điểm vận hành nhất đònh. Đối với dụng cụ này độ nhạy là 167 mV/g. Dải động học. Dải động học được nêu ra đối với ADXL322 là ±2g. Ngoài phạm vi này tín hiệu sẽ tiếp tục tăng lên hay hạ xuống, nhưng độ nhạy không còn được nhà sản xuất đảm bảo là 167 mV/g nữa. Cảm biến có thể chòu đựng được tới 3500g. Độ trễ. Trong dụng cụ này không có nguồn trễ cơ bản nào. Trong bản kê dữ liệu không nói gì đến độ trễ. Hệ số nhiệt độ. Trong cảm biến này độ nhạy thay đổi theo nhiệt độ, và sự thay đổi này được đảm bảo nhỏ hơn 0.025%/C. Điện áp bù (đònh thiên offset) khi không có gia tốc (đònh mức là 1,5V) cũng thay đổi Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 18 trong khoảng 2 mg/C. Biểu diễn bằng điện áp, sự thay đổi điện áp bù này không lớn hơn 0,3 mV/C. Độ tuyến tính. Ở trường hợp này, độ tuyến tính là sự khác biệt giữa hàm truyền đạt thực tế và đường thẳng nhất trong suốt phạm vi hoạt động đặc trưng. Đối với dụng cụ này, nó được nêu là nhỏ hơn 0.2% toàn bộ thang đo tín hiệu ra. Bản kê dữ liệu cũng cho độ sai lệch khỏi độ tuyến tính có thể có. Nhiễu. Nhiễu được biểu diễn như mật độ nhiễu và không lớn hơn 300 microg/root Hz. Để biểu thò số liệu đó theo điện áp, ta nhân nó với độ nhạy (167 mV/g) được 0,5 microV/Rt Hz. Khi đó, sử dụng bộ lọc thông tần thấp 10Hz, ta sẽ có nhiễu khoảng 1,5 microV hiệu dụng, và sai số về gia tốc khoảng 1 milligr. Độ phân giải. Bản kê dữ liệu cảm biến cho số liệu là 300 miroG/Rt Hz. Độ rộng băng tần. Độ rộng băng tần của cảm biến này phụ thuộc vào sự lựa chọn các tụ điện và điện trở mạch ngoài. 1.4.2 – Các vấn đề ứng dụng. Cảm biến chất lượng cao nhất, cập nhật nhất, được hiệu chuẩn chuẩn xác nhất và được lựa chọn kỹ càng nhất vẫn có thể cho những dữ liệu hoàn toàn sai nếu không được áp dụng phù hợp. Ở đây xem xét một vài vấn đề về nhận thức để đảm bảo sử dụng cảm biến một cách phù hợp, có hiệu quả, trong khi đề cập đến các vấn đề cần phải tìm hiểu và giải đáp trong quá trình chọn lựa và áp dụng bất kỳ cảm biến nào. Thường thì một trong những nhiệm vụ khó khăn mà một kỹ sư đo lường điều khiển phải đối mặt là việc chọn lựa một hệ đo lường thích hợp. Tính thực dụng về kinh tế và sức ép của nhu cầu đối với thiết bò phần cứng hoạt động một cách thích ứng và an toàn tạo nên một yêu cầu thiết thực về việc thu nhận dữ liệu chính xác, thiết yếu đối với mỗi một phép đo. Mặt khác, mỗi ứng dụng sẽ có những đặc trưng khác biệt của nóù, và chắc sẽ tùy thuộc vào những điều kiện môi trường khác, với những yêu cầu khác về dữ liệu. Một khi phép thử nghiệm hay các chương trình đo lường đang chạy, thì dữ liệu thường là tùy thuộc các bước thao tác, phân tích và khảo sát tường tận. Trong môi trường này, có thể người kỹ sư đo lường không còn phụ thuộc vào các hệ đo lường chức năng tổng quát của mình nữa mà hy vọng có được dữ liệu chấp nhận được. Tất nhiên, anh ta phải phân tích kỹ lưỡng mọi mặt phép thử đã thực hiện, khoản mục thử nghiệm, các điều kiện môi trường, và, nếu như sẵn có, cả những dự báo dùng phép phân tích. Trong đa số các trường hợp, quá trình này sẽ chỉ thò một sự chọn lựa rõ ràng các thành phần của một hệ chấp nhận được. Trong vài trường hợp, những phân tích này sẽ chỉ ra những thoả hiệp không thể tránh khỏi hoặc sự cân đối thoả hiệp giữa hai bên và cảnh báo cho người kỹ sư và khách hàng của anh ta những thiếu hụt có khả năng xảy ra trong kết quả. Phần dưới đây nhằm trợ giúp trong quá trình lựa chọn một hệ đo lường chấp nhận được. Trong khi hy vọng đạt được mục tiêu, ta hiểu rằng không thể nhắm tới một cách triệt để mọi tình huống có thể xảy ra. Ta hãy xem xét một vài trường hợp giả thiết khi sự lựa chọn dụng cụ đã được làm một cách cẩn thận, nhưng những thử nghiệm đã hỏng. 1. Thử nghiệm đòi hỏi thông tin về tần số thấp, trọng lực g thấp được đo trên trục ổ bi xe lửa để đánh giá trạng thái của nền đường sắt. Sau khi lượng giá được phạm vi những điều kiện phải đo, độ nhạy cao, cộng hưởng thấp, người ta đã chọn máy đo gia tốc áp-điện piezoelectric. Những va Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 19 đập diễn ra khi bánh xe chạm các mối nối giữa các phần đường làm bộ khuyếch đại bão hoà, làm cho nó không còn khả năng thu nhận bất kỳ dữ liệu có nghóa nào. 2. Một mục thử nghiệm phải bộc lộ sự kết hợp môi trường rung động và nhiệt độ thay đổi nhanh. Người kỹ sư chọn một máy đo gia tốc cho phạm vi nhiệt độ cao mà không tham khảo ý kiến nhà sản xuất. Tín hiệu nhiệt đầu ra làm tràn ngập dữ liệu về độ rung động. 3. Sự quan tâm các mạch điện cơ bản nhắc tới sự chọn lựa một máy đo gia tốc có vỏ bọc cách ly. Cấu trúc thử nghiệm được làm từng phần, từ các hợp chất nhẹ, và trường hợp của vài máy đo gia tốc đã không được tham khảo một cách cơ bản. Điện dung ký sinh của nhiễu giao thoa phát xạ lên đường tín hiệu bao phủ cả luồng dữ liệu. Từ những ví dụ trên, ta hy vọng nhấn mạnh được rằng: đối với tất cả các hệ đo lường, chỉ nhận thức đơn thuần những gì ta muốn đo là điều không đủ, không tương xứng. Trên thực tế, mỗi hiện ượng vật lý và hiện tượng điện hiện hữu đều cần phải được nhận thức rằng ít ra chúng đều bò bao phủ, hay tệ hơn, làm ô nhiễm một cách tinh vi các dữ liệu của ta. Người sử dụng nên nhớ rằng mỗi hệ đo lường phải hoàn toàn tương ứng với môi trường của nó. 1.4.2 – Các vấn đề ứng dụng. Các đặc tính cảm biến. Nói chung, người sử dụng nỗ lực tìm cách lựa chọn dựa trên cơ sở những đặc tính kỹ thuật sẵn có trong bản kê dữ liệu sản phẩm. Nhiều đặc tính ứng dụng được nêu trong bản kê dữ liệu điển hình. Nhiều nhà sản xuất cảm thấy rằng bản kê dữ liệu phải cung cấp càng nhiều thông tin càng tốt. Không may thay, sự dư thừa dữ liệu này có thể tạo ra sự lúng túng nào đó cho người sẽ sử dụng chúng, nhất là người mới sử dụng. Do đó người kỹ sư phải chắc chắn rằng anh (hay cô ta) hiểu biết những đặc tính cơ bản và chúng sẽ ảnh hưởng thế nào tới phép đo. Nếu điều đó không còn nghi ngờ gì nữa, thì nên tiếp xúc với nhà sản xuất để làm rõ hơn. Các đặc tính của hệ. Cảm biến và các bộ chuẩn hoá tín hiệu phải được lựa chọn để làm việc chung với nhau như trong một hệ thống nhất. Hơn nữa, hệ thống phải được lựa chọn để hoạt động tốt trong mục tiêu ứng dụng đã đònh. Độ chính xác toàn phần của hệ thường bò ảnh hưởng nhiều nhất bởi các đặc tính của cảm biến như các ảnh hưởng của môi trường và các đặc tính động học. Các đặc tính khuyếch đại như độ phi tuyến, độ méo dạng sóng hài và độ phẳng của đường cong đáp ứng tần số thường là không đáng kể so với các sai số cảm biến. Lựa chọn dụng cụ. Việc lựa chọn một hệ cảm biến (hay hệ chuẩn hoá tín hiệu) cho những phép đo có độ chính xác cao đòi hỏi người kỹ sư đầy kỹ năng và phải kỹ lưỡng. Phải nhận thức được tất cả những điều kiện môi trường, cơ học, kỹ thuật đo. Việc lắp đặt phải được lên kế hoạch và thực hiện kỹ lưỡng. Những hướng dẫn nêu dưới đây như một phương tiện để lựa chọn và lắp đặt các hệ đo lường để có thể đạt được độ chính xác cao nhất. Cảm biến. Phần tử quan trọng nhất trong hệ đo lường là cảm biến sensor. Nếu dữ liệu bò sai lạc hoặc hư hỏng bởi cảm biến, thì thường rất hiếm có khả năng chỉnh sửa lại. Liệu cảm biến sẽ hoạt động thoả mãn trong môi trường đo hay không? Kiểm thử: Phạm vi nhiệt độ. Độ va đập và rung động tối đa. Độ ẩm. p suất. Mức âm thanh. Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 20 Độ ăn mòn dây đo. Từ trường và trường điện-từ RF. Phóng xạ hạt nhân. Hơi bụi muối. Nhiệt dẫn. Sức căng trong bề mặt lắp ráp. Liệu các đặc tính cảm biến có cung cấp dữ liệu với độ chính xác mong muốn hay không? Kiểm thử: Độ nhạy. Đáp ứng tần số. Tần số cộng hưởng. Cộng hưởng thứ cấp. Điện dung bên trong. Độ nhạy xuyên ngang. Biên độ độ tuyến tính và độ trễ. Dao động nhiệt độ. Trọng lượng và kích thước. Trở kháng trong ở nhiệt độ tối đa. Đôï chính xác hiệu chuẩn. Độ nhạy sức căng. Suy giảm ở các cực trò nhiệt độ. Điểm 0 số đo đầu ra. Độ trôi nhiệt điểm 0. Đáp ứng nhiệt dẫn. Liệu phương pháp lắp đặt dùng cho ứng dụng này có phù hợp hay không? Kiểm thử: Có cần lớp cách ly (điện, nhiệt) hay không? Mạch tiếp đòa. Mô phỏng hiệu chuẩn. Có cần chất kết dính lắp ráp không? Kích thước dài, độ sâu và cấp bậc. Cáp nối. Các đường cable và đầu nối thường là mối liên kết yếu nhất trong chuỗi hệ đo lường. Liệu đường cáp có hoạt động thoả mãn trong môi trường đo hay không? Kiểm thử: Phạm vi nhiệt độ. Các điều kiện độ ẩm. Liệu các đặc tính kỹ thuật của cáp có cung cấp dữ liệu với độ chính xác mong muốn hay không? Kiểm thử: Độ nhiễu tạp thấp. Kích thước và trọng lượng. Tính linh hoạt. Có đòi hỏi đầu nối niêm kín hay không? Nguồn cung cấp. Liệu nguồn cung cấp hoạt động có thoả mãn trong môi trường đo hay không? Kiểm thử: Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 21 Phạm vi nhiệt độ. Độ va đập và rung động tối đa. Độ ẩm. p suất. Mức âm thanh. Độ ăn mòn dây đo. Từ trường và trường điện-từ RF. Phóng xạ hạt nhân. Hơi muối. Liệu đó đã phải là nguồn cung cấp phù hợp cho ứng dụng này chưa? Kiểm thử: Điều chỉnh điện áp. Điều chỉnh dòng điện. Sự tuân thủ điện áp. Điện áp ra có điều chỉnh được không? Dòng điện ra có điều chỉnh được không? Đường truyền ra có dài không? Sự cần thiết cảm biến ngoài. Cách điện. Card kiểu thức mode, nếu yêu cầu. Liệu các đặc tính của nguồn có cung cấp dữ liệu với độ chính xác mong muốn hay không? Kiểm thử: Điều chỉnh tải. Điều chỉnh đường dẫn. Ổn đònh nhiệt. n đònh thời gian. Độ gợn sóng và nhiễu. Trở kháng ra. Đáp ứng đường truyền. Nhiễu tới đất. Cách ly điện một chiều DC. Bộ khuyếch đại. Bộ khuyếch đại phải cung cấp độ khuyếch đại, phối hợp trở kháng, dòng điều khiển ra, và các xử lý tín hiệu khác. Liệu bộ khuyếch đại có hoạt động thỏa mãn trong môi trường đo hay không? Kiểm thử: Phạm vi nhiệt độ. Độ va đập và rung động tối đa. Độ ẩm. p suất. Mức âm thanh. Độ ăn mòn dây đo. Từ trường và trường điện-từ RF. Phóng xạ hạt nhân. Hơi muối. Đây đã là bộ khuyếch đại phù hợp với ứng dụng này chưa? Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 22 Kiểm thử: Đường dây vào có dài không? Sự cần thiết bộ khuyếch đại nạp. Sự cần thiết bộ khuyếch đại nạp từ xa. Đường dây ra dài. Sự cần thiết bộ khuyếch đại công suất. Đường truyền không trung. Các giới hạn về kích thước, trọng lượng, công suất. Liệu các đặc tính khuyếch đại có cung cấp các dữ liệu với độ chính xác mong muốn hay không? Kiểm thử: Độ khuyếch đại và độ ổn đònh khuyếch đại. Đáp ứng tần số. Độ tuyến tính. Độ ổn đònh. Độ dòch pha. Dòng và áp ra. Nhiễu dư. Trở kháng vào. Đáp ứng chuyển tiếp. Điện dung quá tải. Loại bỏ kiểu thức mode chung. Hệ số nhiệt zero-. Hệ số nhiệt khuyếch đại. Thu nhận dữ liệu và chỉ thò. Liệu phần còn lại của hệ, bao gồm cả các khuyếch đại phụ, các bộ lọc, các thiết bò thu dữ liệu và chỉ thò, có hạn chế nào đó làm mất giá trò các đặc tính của phần cảm biến – khuyếch đại hay không? Kiểm thử: ALL của các khoản mục thử nghiệm trên, cộng cả giải thuật tương ứng. 1.4.3 – Lắp đặt. Thậm chí một hệ đã được lựa chọn và hiệu chuẩn một cách cẩn thận và thông suốt nhất vẫn có thể tạo ra những dữ liệu tồi nếu được lắp đặt một cách kém hiểu biết và không cẩn thận chu toàn. Cảm biến sensor. Liệu bộ phận đã ở trong tình trạng tốt và sẵn sàng để sử dụng? Kiểm thử: Cập nhật hiệu chuẩn. Điều kiện vật lý. Bao gói. Bề mặt lắp ráp. Đầu nối. Lắp ráp phần cứng. Kiểm tra đầu làm sạch. Điện trở trong. Liệu việc lắp ráp phần cứng đã trong trạng thái tốt và sẵn sàng để sử dụng? Kiểm thử: Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường và Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006. 23 Điều kiện bề mặt lắp ráp. Điều kiện đường ren. Đáy khoan của các khe cắm. Đầu cách ly. Điện trở cách ly. Hư hại đầu nối bởi lực xoắn quá mức. Lỗ khoan và độ sâu được đo đủ lượng. Hiệu chỉnh kích thước lắp ráp. Lỗ được đặt thẳng góc thích hợp với bề mặt lắp ráp. Đường ren của đầu nối đã được bôi trơn. Sensor đã được ráp với độ xoắn khuyến nghò. Gắn kết mối lắp. Kiểm nghiệm: Bề mặt lắp ráp sạch và phẳng. Trám cement chỗ bề mặt lồi lõm. Trộn cement một cách thích hợp. Sensor được ráp vào đầu gắn cement với lực xoắn khuyến nghò. Đường cáp. Đường cáp đã trong tình trạng tốt vàsẵn sàng để sử dụng? Kiểm thử: Điều kiện vật lý. Xoắn dây cáp, ép dẹp. Các đường ren của đầu nối, các chân cắm. Kiểm tra độ sạch của các đầu nối. Tính liên tục. Điện trở cáh ly. Điện dung. Gắn chặt tất cả các đầu nối cáp. Cáp được rải căng thích hợp. Quấn phần cáp dư và cột lại. Lắp vòng cuộn cho thoát nước đọng. Gắn kín các đầu nối và bọc kín, nếu cần. Nguồn cung cấp, khuyếch đại, bộ phận chỉ thò. Các bộ phận này đã trong tình trạng tốt và sẵn sàng để sử dụng? Kiểm thử: Cập nhật hiệu chuẩn. Điều kiện vật lý. Các đầu nối. Hòm hộp bao gói. Các cáp ra. Kiểm tra độ sạch của các đầu nối. Lắp ráp cứng vững. Gắn chặt tất cả các đầu nối cáp. Gắn kín vỏ hộp khuyếch đại, nếu cần.

Tài liệu liên quan

Quản lý giảng dạy theo chương trình đào tạo tiên tiến t ại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- 110
- 786
- 0
Chuyên đề 5 - LTĐH Toán Phần tọa độ trong mặt phẳng - biên soạn theo chương trình chuẩn
- 23
- 807
- 0
Quản lý giảng dạy theo chương trình đào tạo tiên tiến tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- 107
- 362
- 0
Nghiên cứu xây dựng chuẩn kiến thức, kỹ năng các môn thể thao nâng cao theo chương trình đào tạo của trường Đại học Sư phạm Thể dục thể thao Hà Nội (dẫn chứng môn thể thao nâng cao điền kinh)
- 33
- 495
- 0
Quản lý giảng dạy theo chương trình đào tạo tiên tiến tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
- 27
- 284
- 0
Tài liệu ôn thi vào lớp 10 môn Tiếng Anh biên soạn theo chương trình mới
- 162
- 1
- 3
Xây dựng hệ thống bài tập thực hành môn Giáo dục học phổ thông theo chương trình đào tạo tín chỉ ở Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
- 12
- 125
- 1
Nâng cao chất lượng đào tạo tiếng Anh cho sinh viên ngành giáo dục tiểu học - trường Đại học Thủ đô Hà Nội đáp ứng chuẩn đầu ra của chương trình đào tạo
- 9
- 206
- 2
Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Khoa học giáo dục: Nghiên cứu xây dựng chuẩn kiến thức, kỹ năng các môn Thể thao nâng cao theo chương trình đào tạo của trường Đại học Sư phạm Thể dục Thể thao Hà
- 38
- 74
- 0
Bài tập vật lí đại cương biên soạn theo chương trình của bộ giáo dục và đào tạo ban hành năm 1990 tập 1
- 15
- 277
- 0