Mở đầu Cảm Biến Và đo Lường - 123doc

Viện Vật lý Y Sinh họcĐịnh nghĩa cảm biến: Cảm biến sensor là các công cụ thu nhận các tín hiệu, các đại lượng cần nghiên cứu và biến đổi chúng thành các tín hiệu có thể đo được

CẢM BIẾN VÀ KỸ

THUẬT ĐO LƯỜNG

Y SINH

(Bài mở đầu)

BÀI 1

KHÁI NIÊÊM VỀ CẢM BIẾN SỬ DỤNG TRONG

Y-SINH HỌC VÀ VIÊÊC HIÊÊU CHỈNH SAI SỐ

TRONG PHÉP ĐO

Viện Vật lý Y Sinh học

Định nghĩa cảm biến: Cảm biến (sensor) là các công cụ thu nhận các tín hiệu,

các đại lượng cần nghiên cứu và biến đổi chúng thành các tín hiệu có thể đo

được hoặc dùng để điều khiển các thiết bị

 Ví dụ về cảm biến trong tự nhiên

Tất cả các sinh vật sống có chứa các cảm biến sinh học với các chức năng

tương tự như của các thiết bị cơ khí Đa số đây là những tế bào đặc biệt nhạy cảm với:

• Các tác nhân vật lý của môi trường bên ngoài như ánh sáng, chuyển động,

nhiệt độ, từ trường, trọng lực, độ ẩm, rung động, áp lực, điện trường, âm

thanh

• Các tác nhân Vật lý của môi trường bên trong như sức căng, chuyển động

của các cơ quan, và vị trí của các thành phần phụ (proprioception).

• Môi trường phân tử, bao gồm các độc tố, chất dinh dưỡng, và pheromones

• Các tín hiệu bên trong phân tử như kích thích tố, dẫn truyền thần kinh…

• Sự khác nhau giữa các protein của các sinh vật và của môi trường hoặc

những sinh vật khác

 Ví dụ về cảm biến trong các thiết bị

- Trong các thiết bị đo lường

- Trong các thiết bị điều khiển

Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi

dùng trong Y-Sinh học (Tiếp theo)

Viện Vật lý Y Sinh học

Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi dùng

trong Y-Sinh học (Tiếp theo)

- Đối tượng được đo:

+ Bên trong cơ thể

+ Trên bề mặt

+ Phát ra từ cơ thể

+ Mẫu mô được lấy ra khỏi cơ thể

Viện Vật lý Y Sinh học

- Cảm biến: biến đổi một dạng năng lượng

sang tín hiệu điện.

+ Đặc điểm: chỉ cảm ứng với dạng năng lượng

đang hiện hữu trong đối tượng được đo,

không có tác dụng với tất cả các dạng khác

Khái niêÊm về các cảm biến và các bôÊ biến đổi dùng

trong Y-Sinh học (Tiếp theo)

- Xử lý tín hiệu:

+ Khuếch đại, lọc tín hiệu

+ Đưa tín hiệu ra bộ hiển thị

Viện Vật lý Y Sinh học

- Hiển thị:

+ Ở dạng số hay hình ảnh để con người nhận

biết được.

Phân loại các cảm biến dùng trong Kỹ thuật

 Phân loại theo nguyên tắc

biến đổi đối tượng cần

đo:

Dạng cảm biến Vâât ly

Cơ Nhiêât Điêân Quang Hóa học

Khi Điêân hóa

Sinh học

Viện Vật lý Y Sinh học

 Phân loại theo độ tiếp xúc của cảm biến:

Không tiếp xúc Noncontacting (noninvasive)

Tiếp xúc trên da Skin surface (contacting)

Đưa vào trong Indwelling (xâm lấn tối

thiểu - minimally invasive)

Đưa sâu vào trong Implantable (xâm lấn - invasive)

 Phân loại dựa trên bản chất của tín hiệu điện thu

được:

Chủ động

Thụ động

Phân loại các cảm biến dùng trong Kỹ

- Thuận tiện cho việc tìm hiểu nguyên lý hoạt động

của các dạng cảm biến

Phân loại trên cơ sở vật lý

Viện Vật lý Y Sinh học

- Chế độ trực tiếp – gián tiếp

- Đo ngắt quãng hoặc liên tục

- Chế độ tương tự và số hóa

- Chế độ thời gian thực và thời gian trễ

Các đặc tính của cảm biến

• Chức năng chuyển đổi :

- Biểu thị mối quan hệ giữa tín hiệu vật lý đầu

vào và tín hiệu điện đầu ra.

- Được biểu hiện qua đồ thị giữa các tín hiệu

• Độ nhạy

- Xác định bằng tỷ lệ giữa độ lớn của tín hiệu

điện đầu ra trên độ lớn của tín hiệu vật lý đầu vào

- Độ nhạy cao nếu thay đổi nhỏ của tín hiệu

vào đưa ra thay đổi lớn của tín hiệu ra

Viện Vật lý Y Sinh học

• Khoảng đo:

- Phạm vi của các tín hiệu vật lý đầu vào mà

cảm biến có thể nhận biết và chuyển thành

tín hiệu điện.

- Tín hiệu bên ngoài phạm vi này cho sai số

lớn.

- Thường được xác định bởi nhà cung cấp

trong bảng số liệu.

Các đặc tính của cảm biến

• Độ chính xác (sai số):

- Độ lệch lớn nhất có thể có giữa số đo thực tế

và số đo lý tưởng cho tín hiệu ra của cảm

biến.

- Độ chính xác chỉ chất lượng cảm biến, sai số

là chỉ số định lượng.

Viện Vật lý Y Sinh học

• Độ trễ:

- Biên độ lỗi khi giá trị đầu ra không quay trở

lại cùng một giá trị theo giá trị đầu vào.

• Tính đúng đắn:

- Thể hiện ở con số biểu diễn khác nhau kết

quả đo.

Các đặc tính của cảm biến

• Độ tuyến tính:

Viện Vật lý Y Sinh học

- Các cảm biến đều có nhiễu kèm theo tín hiệu đầu ra

- Một số trường hợp, giới hạn hiệu quả hoạt động

của cảm biến -> phải có phương pháp làm giảm

nhiễu.

+ sử dụng thành phần chỉ nhạy với tín hiệu cần đo.

+ hồi tiếp âm

+ lọc tín hiệu.

+ đưa thêm tín hiệu bù để triệt tiêu nhiễu.

Các đặc tính của cảm biến

biến có thể ghi nhận được.

rã của cảm biến

 Cân chỉnh nhiều bước

Sự dao động của nhiều tham số trong quá trình đo Một số các

tình huống cụ thể đòi hỏi cân chỉnh nhiều bước là:

- Nếu các tham số của cảm biến là các biến số thay đổi, chúng

ta xác định các kết quả như là một hàm của tần số;

- Trong một số trường hợp, đặc biệt là đối với nhiều cảm biến

cơ khí và nhiệt, khi các nhà sản xuất không cung cấp cho

hướng dẫn sử dụng, cân chỉnh thường được thực hiện theo

chỉ dẫn trên trang web sau khi cài đặt

Phát hiêÊn và hiêÊu chỉnh các lỗi trong quá

- Không sử dụng đúng cách: không ổn định vị trí đo,

không ổn định nhiệt độ môi trường, hoặc bản thân

cảm biến làm ảnh hưởng đến chế độ đo;

- Không đủ dữ liệu cho quá trình chuyển đổi: ví dụ

sai số trong quá trình tuyến tính hóa hoặc sai số

phát sinh trong khi khuếch đại tín hiệu

Các lỗi hệ thống nếu được xác định có thể loại trừ

bằng các phương pháp khác nhau như: cân chỉnh,

bù trừ

Viện Vật lý Y Sinh học

Sai số ngẫu nhiên : một số ví dụ các trường hợp thường gặp

nhất:

- Dao động của các nguồn điện cung cấp cho thiết bị đo lường

hoặc cho thiết bị ổn định điều kiện đo (chẳng hạn như biến

động của dòng điện trong cầu đo điện trở);

- Tín hiệu điện từ xuất hiện trong môi trường và được khuếch

đại bởi cảm biến và thiết bị đo;

- Biến động nhiệt, bao gồm cả nhiệt đối lưu trong thiết bị;

- Biến động của các tham số ảnh hưởng đến giá trị đo, v.v.

Sai số ngẫu nhiên được xác định bằng phương pháp thống kê