Cảm biến công nghiệp

ơn vị chỉ thị trên công tơ). Nc1, Nc2 - số trên chỉ thị công tơ tại thời điểm t1 và t2. Lưu lượng trung bình: ( ) 12 12v tb tt NNq t V Q − −=Δ Δ= (9.5) Lưu lượng tức thời: nq dt dN q dt dV Q vv === (9.6) Với dt dN n = là tốc độ quay trên trục công tơ. Để đếm số vòng quay và chuyển thành tín hiệu điện người ta dùng một trong ba cách dưới đây: - Dùng một nam châm nhỏ gắn trên trục quay của của công tơ, khi nam châm đi qua một cuộn dây đặt cố định sẽ tạo ra xung điện. Đếm số xung điện theo thời gian sẽ tính được tốc độ quay của trục công tơ. - Dùng tốc độ kế quang. - Dùng mạch đo thích hợp để đo tần số hoặc điện áp. V1 V2 2 1 Hình 9.1 S  nguyên lý công t th tích a) b) c) Giới hạn đo của công tơ loại này từ 0,01 - 250 m3/giờ, độ chính xác cao ±(0,5 - 1)%, tổn thất áp suất nhỏ nhưng có nhược điểm là chất lỏng đo phải được lọc tốt và gây ồn khi làm việc. động quay của tang được truyền đến cơ cấu đếm đặt bên ngoài vỏ công tơ. Công tơ khí kiểu quay có thể đo lưu lượng đến 100 - 300 m3/giờ, cấp chính xác 0,25; 0,5. 9.1.3. Công tơ tốc độ Hình 9.3 trình bày sơ đồ cấu tạo của một công tơ tốc độ tuabin hướng trục. Bộ phận chính của công tơ là một tuabin hướng trục nhỏ (2) đặt theo chiều chuyển động của dòng chảy. Trước tuabin có đặt bộ chỉnh dòng chảy (1) để san phẳng dòng rối và loại bỏ xoáy. Chuyển động quay của tuabin qua bộ bánh răng - trục vít (3) truyền tới thiết bị đếm (4). Tốc độ quay của công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy: kWn = Trong đó: k - hệ số tỉ lệ phụ thuộc cấu tạo công tơ. W- tốc độ dòng chảy. Lưu lượng thể tích chất lưu chảy qua công tơ: n k F WFQ == (9.7) Với: F - tiết diện dòng chảy. n - tốc độ quay của tuabin (số vòng quay trong một giây).  o lu lng dòng khí ngi ta s dng công t khí kiu quay. Công t (hình 9.2) gm v hình tr (1), các cánh (2,4,7,8), tang quay (3) và cam (6). Khi cánh (4)  v trí nh hình v , áp sut cht khí tác ng lên cánh làm cho tang (3) quay. Trong quá trình quay các cánh luôn tip xúc vi mt ngoài cam (6) nh các con ln (5). Trong mt vòng quay th tích cht khí bng th tích vành cht khí gia v và tang. Chuyn Hình 9.2 Công t khí kiu quay 1) V 2, 4,7&8) Cánh 3) Tang quay 5) Con ln 6) Cam 1 2 3 4 5 7 8 6 Hình 9.3 S  cu to công t tc  tuabin hng trc 1) B chnh dòng chy 2) Tuabin 3) B truyn bánh rng-trc vít 4) Thit b m 1 2 3 4 Nếu dùng cơ cấu đếm để đếm tổng số vòng quay của công tơ trong một khoảng thời gian từ t1 đến t2 sẽ nhận được thể tích chất lỏng chảy qua công tơ: ndt k F dQdtdV == ∫= 2 1 t t ndt k F V Hay: ( )12 NNk F V −= (9.8) Với ∫=− 2 1 t t 12 ndtk F NN Công tơ tốc độ tuabin hướng trục với đường kính tuabin từ 50 - 300 mm có phạm vi đo từ 50 - 300 m3/giờ, cấp chính xác 1; 1,5; 2. Để đo lưu lượng nhỏ người ta dùng công tơ tốc độ kiểu tiếp tuyến có sơ đồ cấu tạo như hình 9.4. Tuabin công tơ (1) đặt trên trục quay vuông góc với dòng chảy. Chất lưu qua màng lọc (2) qua ống dẫn (3) vào công tơ theo hướng tiếp tuyến với tuabin làm quay tuabin. Cơ cấu đếm liên kết với trục tuabin để đưa tín hiệu đến mạch đo. Công tơ kiểu tiếp tuyến với đường kính tuabin từ 15 - 40 mm có phạm vi đo từ 3 - 20 m3/giờ, cấp chính xác 2; 3. 9.1.4. Lưu lượng kế màng chắn a) Nguyên lý đo Các cảm biến loại này hoạt động dựa trên nguyên tắc đo độ giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua màng ngăn có lỗ thu hẹp. Trên hình 9.5 trình bày sơ đồ nguyên lý đo lưu lượng dùng màng ngăn tiêu chuẩn. Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn, vận tốc chất lưu tăng lên và đạt cực đại (W2) tại tiết diện B-B, do đó tạo ra sự chênh áp trước và sau lỗ thu hẹp. Sử dụng một áp kế vi sai đo độ chênh áp này có thể xác định được lưu lượng của dòng chảy. Giả sử chất lỏng không bị nén, và dòng chảy là liên tục, vận tốc cực đại của dòng chảy tại tiết diện B-B được xác định theo biểu thức: ( )21222 pp2m 1 W −ρμ−ξ = Trong đó: p1’, p2’ - áp suất tĩnh tại tiết diện A-A và B-B. ρ - tỉ trọng chất lưu. ξ - hệ số tổn thất thuỷ lực. m - tỉ số thu hẹp của màng ngăn, m = F0/F1. Hình 9.4 Công t tc  ki tuabin tip tuyn 1) Tuabin 2) Màng lc 3) ng dn 1 2 3 μ - hệ số thu hẹp dòng chảy, μ = F2/F0. Thường người ta không đo độ giảm áp Δp’ = p’1 - p’2 ở tiết diện A-A và B-B, mà đo độ giảm áp Δp = p1 - p2 ngay trước và sau lỗ thu hẹp. Quan hệ giữa Δp’ và Δp có dạng: 21 ' 2 ' 1 pppp −ψ=− Khi đó: ( )21222 pp2mW −ρμ−ξ ψ= và lưu lượng khối lượng của chất lưu: ( )210220222 pp2FmFWFWG −ρμ−ξ μψ=ρμ=ρ= Hay: ( )210 pp2FG −ρα= (9.9) Với 22mμ−ξ μψ=α gọi là hệ số lưu lượng. Từ các biểu thức trên và F0 = πd2/4, ta nhận được công thức xác định lưu lượng khối (G) và lưu lượng thể tích (Q) của dòng chất lưu: ( )212 pp24 d G −ρπα= (9.10) ( )212 pp24 d Q −ρ πα= (9.11) Trong trường hợp môi trường chất lưu chịu nén, thì khi áp suất giảm, chất lưu giản nở, làm tăng tốc độ dòng chảy so với khi không chịu nén, do đó phải đưa thêm vào hệ số hiệu chỉnh ε (ε < 1), khi đó các phương trình trên có dạng: ( )21 ppcG −ραε= (9.12) Hình 9.5 Phân b vân tc và áp sut ca mt dòng chy lý tng qua l thu hp F1 F0 F2 W1 W2 p’2 p’1 p’1 p’2 p2 Δp p1 w1 w2 p3’ δp w3 A B C ( )21 pp1cQ −ραε= (9.13) ở đây: ( ) 4/2c π= là hằng số. ρ - tỉ trọng chất lưu tại cửa vào của lỗ thu hẹp. Đối với các dòng chất lưu có trị số Reynol nhỏ hơn giá trị tới hạn, khi đo không thể dùng màng ngăn lỗ thu hẹp tiêu chuẩn vì khi đó hệ số lưu lượng không phải là hằng số. Trong trường hợp này, người ta dùng các màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt như màng ngăn có lỗ côn (hình 9.6a), giclơ hình trụ (hình 9.6b), giclơ cong (hình 9.6c) ... Trên cơ sở thực nghiệm người ta xác định hệ số lưu lượng cho mỗi lỗ thu hẹp và xem như không đổi trong phạm vi số Reynol giới hạn. b) Sơ đồ hệ thống đo Tuỳ theo yêu cầu sử dụng, người ta có thể sử dụng hệ thống đo thích hợp. Trên hình 9.7 trình bày sơ đồ khối của một số hệ thống đo dùng màng chắn. 9.1.5. Lưu lượng kế điện từ Nguyên lý của lưu lượng kế điện từ dựa trên định luật cảm ứng điện từ: khi có một dây dẫn chuyển động trong từ trường, cắt các đường sức của từ trường thì trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động cảm ứng tỉ lệ với tốc độ chuyển động của dây dẫn. Sơ đồ nguyên lý của lưu lượng kế điện từ biểu diễn trên hình 9.8. Hình 9.6 Cu to màng ngn l thu hp c bit dùng  o lu lng dòng chy cht lu có s Reynol nh a) b) c) 2 1 Q 3 1 Q 5 4 3 1 Q 4 6 8 7 3 1 Q 4 6 11 7 10 9 3 1 Q 4 6 7 9 12 Hình 9.7 S  h th g o lu l g dùng màng ngn 1) Màng ngn 2) Lu lng k vi sai 3) B bin i  gim áp 4) Dng c o th cp 5) B tích phân lu lng 6) Dng c tính khi lng cht lu 7) Thit b tính toán 8) Bin i t trng cht lu trong iu kin làm vic 9) B bin i nhit  10) B bin i áp sut 11) B bin i t trng trong iu kin nh mc 12) B bin i t trng cht lu a) b) c) d) ) Lưu lượng kế gồm ống kim loại không từ tính (3) bên trong có phủ lớp vật liệu cách điện (sơn êmay, thuỷ tinh hữu cơ) đặt giữa hai cực của một nam châm (5) sao cho trục ống vuông góc với đường sức của từ trường. Trong mặt phẳng vuông góc với đường sức, có hai điện cực (1) và (2) được nối với milivôn kế (4). Khi chất lưu có tính dẫn điện chảy qua ống, trong chất lưu xuất hiện một suất điện động cảm ứng (E) : Q D B4 BWDE π== (9.14) Trong đó: B - cường độ từ trường. W- tốc độ trung bình của dòng chảy. D - đường kính trong của ống. Q - lưu lượng thể tích của chất lưu. Khi B = const thì E sức điện động cảm ứng tỉ lệ với lưu lượng thể tích Q. Lưu lượng kế điện từ với từ trường không đổi có nhược điểm là trên các cực xuất hiện các sức điện động phụ (do phân cực) làm sai lệch kết quả đo. Để khắc phục nhược điểm trên, người ta dùng lưu lượng kế điện từ dùng nam châm điện xoay chiều, tuy nhiên từ trường xoay chiều lại làm méo tín hiệu ra. Lưu lượng kế điện từ được dùng để đo lưu lượng của chất lỏng có độ dẫn điện không nhỏ hơn 10-5 - 10-6 Simen/m. Chúng có ưu điểm: đo lưu lượng không cần phải đo tỉ trọng chất lỏng, các phần tử hạt, bọt khí và tác động của môi trường (như nhiệt độ, áp suất, ...) nếu chúng không làm thay đổi độ dẫn điện của chất lưu sẽ không ảnh hưởng đến kết quả đo. Lưu lượng kế điện từ với đường kính ống từ 10 - 1.000 mm có thể đo lưu lượng trong từ 1 - 2.500 m3/giờ với vận tốc dòng chảy từ 0,6 - 10 m/s với cấp chính xác 1; 2,5. 9.2. Cảm biến đo và phát hiện mức chất lưu 9.2.1. Mục đích và phương pháp đo Mục đích việc đo và phất hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối lượng chất lưu trong bình chứa. Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng. Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không. Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu: - Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện. - Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu. - Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu. 9.2.2. Phương pháp thuỷ tĩnh Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa. Trên hình 9.9 giới thiệu một số sơ đồ đo mức bằng phương pháp thuỷ tĩnh. N S 1 2 3 4 Hình 9.8 S  lu lng k in t 1 & 2) in cc 3) ng kim loi 4) Milivôn k 5) Nam châm 5 Trong sơ đồ hình 9.9a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5) bằng dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1) nâng lên hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu. Trong sơ đồ hình 9.9b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được treo bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu: gShPF ρ−= Trong đó: P - trọng lượng phao. h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao. S - tiết diện mặt cắt ngang của phao. ρ - khối lượng riêng của chất lưu. g - gia tốc trọng trường. Trên sơ đồ hình 9.9c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy bình chứa. Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra: ghpp 0 ρ+= Mặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh bình chứa. Chênh lệch áp suất p - p0 sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó biến dạng. Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa, được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp. 9.2.3. Phương pháp điện Các cảm biến đo mức bằng phương pháp điện hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện của chất lưu. Các cảm biến thường dùng là cảm biến dộ dẫn và cảm biến điện dung. a) Cảm biến độ dẫn Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50μScm-1). Trên hình 9.10 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng. Hình 9.9 S  o mc theo phng pháp thu tnh a) Dùng phao cu b) Dùng phao tr c) Dùng cm bin áp sut vi sai 1 2 3 4 6 5 1 2 h h p0 1 h h hmin a) b) c) Hình 9.10 Cm bin  dn a) Cm bin hai in cc b) Cm bin mt in cc c) Cm bin phát hin mc Sơ đồ cảm biến hình 9.10a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện. Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh hiện tượng phân cực của các điện cực). Dòng điện chạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng. Sơ đồ cảm biến hình 9.10b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa bằng kim loại. Sơ đồ cảm biến hình 9.10c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại,vị trí mỗi điện cực ngắn ứng với một mức ngưỡng. Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay đổi mạnh về biên độ. b) Cảm biến tụ điện Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa nếu thành bình làm bằng kim loại. Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng. Việc đo mức chất lưu được chuyển thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình chứa. Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi). Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai. 9.2.4. Phương pháp bức xạ Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo, ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh. Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2) đặt ở hai phía của bình chứa. Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ (nguồn 60Co hoặc 137Cs), bộ thu là một buồng ion hoá. ở chế độ phát hiện mức ngưỡng(hình 9.11a), nguồn phát và bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm tia của nguồn phát mảnh và gần như song song. Tuỳ thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến bộ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng thái so với mức ngưỡng. ở chế độ đo mức liên tục (hình 9.11b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một góc mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm travà bộ thu. 1 2 3 a) h 1 2 3 b) Hình 9.11 Cm bin o mc bng tia bc x Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu (2) sẽ bị suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo. Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa Chương X Cảm biến thông minh 10.1. Khái niệm về cảm biến thông minh Kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động hiện đại ngày nay có những tiến bộ vượt bậc nhờ việc sử dụng các vi mạch điện tử: vi xử lý (μP) và vi điều khiển (μC). Để nhận được những đặc tính mới cho dụng cụ đo như: tự động chọn thang đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số ... người ta phải sử dụng các bộ vi xử lý hay vi điều khiển kết hợp với các cảm biến khác nhau để tạo ra một loại cảm biến mới gọi là cảm biến thông minh (Intelligent Sensor). Các cảm biến thông minh có thể thực hiện được các chức năng mới mà các cảm biến thông thường không thể thực hiện được, đó là: - Chức năng thu thập số liệu đo từ nhiều đại lượng đo khác nhau với các khoảng đo khác nhau. - Chức năng chương trình hoá quá trình đo, tức là đo theo một chương trình định sẵn, chương trình này có thể thay đổi bằng thiết bị lập trình. - Có thể gia công sơ bộ kết quả đo theo các thuật toán đã định sẵn và đưa ra kết quả (hiển thị trên màn hình máy tính hoặc máy in). - Có thể thay đổi toạ độ bằng cách đưa thêm vào các thừa số nhân thích hợp. - Tiến hành tính toán đưa ra kết quả đo khi thực hiện các phép đo gián tiếp hay hợp bộ hoặc đo thống kê. - Hiệu chỉnh sai số của phép đo. - Bù các kết quả đo bị sai lệch do ảnh hưởng của sự biến động các thông số môi trường như: nhiệt độ, độ ẩm ... Điều khiển các khâu của dụng cụ đo cho phù hợp với đại lượng đo, ví dụ tự động chọn thang đo. - Mã hoá tín hiệu. - Ghép nối các thiết bị ngoại vi như màn hình, máy in, bàn phím hoặc với các kênh liên lạc để truyền đi xa theo chu kỳ hay địa chỉ. - Có khả năng tự động khắc độ. - Sử dụng μP có thể thực hiện các phép tính như: cộng, trừ, nhân chia, tích phân, vi phân, phép tuyến tính hoá đặc tính phi tuyến của cảm biến, điều khiển quá trình đo, điều khiển sự làm việc của các khâu khác như: chuyển đổi tương tự - số (A/D) hay các bộ dồn kênh (MUX)... - Sử dụng μP có khả năng phát hiện những vị trí hỏng hóc trong thiết bị đo và đưa ra thông tin về chúng nhờ cài đặt chương trình kiểm tra và chẩn đoán kỹ thuật về sự làm việc của các thiết bị đo. Các cảm biến thông minh, với sự kết hợp giữa μP và các bộ cảm biến thông thường, thực sự đã tạo ra một tiến bộ vượt bậc trong kỹ thuật đo. 10.2. Cấu trúc của một cảm biến thông minh Cấu trúc của một cảm biến thông minh có thể biểu diễn bằng sơ đồ khối như hình sau (hình 10.1): Từ đối tượng đo, qua các cảm biến sơ cấp S, các đại lượng đo và các đại lượng của yếu tố ảnh hưởng chuyển thành tín hiệu điện và được đưa vào các bộ chuyển đổi chuẩn hoá CĐCH. Các bộ chuyển đổi chuẩn hoá làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn, thường là điện áp từ 0 - 5V hoặc 0 - 10V để đưa vào bộ dồn kênh MUX. Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đưa các tín hiệu vào bộ chuyển đổi tương tự - số A/D trước khi vào bộ vi xử lý μP. Việc thực hiện một bộ cảm biến thông minh có thể tiến hành theo hai cách: - Cách 1: nếu bộ cảm biến ở đầu vào là loại cảm biến thông thường thì đầu ra của chúng được đưa vào một vi mạch công nghệ lai, bao gồm các CĐCH, MUX, A/D và μP trong một khối có đầu ra qua bộ ghép nối để truyền thông tin đi xa hay vào máy tính cấp trên hay bộ ghi chương trình cho EPROM. - Cách 2: nếu bản thân cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn những thiết bị sau đều được để trong một khối công nghệ lai. Cấu trúc trên là cấu trúc phổ biến của một cảm biến thông minh. Sự hoạt động của cảm biến là do μP đảm nhận, nó tổ chức sự tác động lẫn nhau giữa các khâu theo một thuật toán chọn tần suất xuất hiện của tín hiệu, xác định giới hạn đo của từng kênh, tính toán sai số của phép đo ... Trong quá trình hoạt động xẩy ra sự trao đổi lệnh giữa các khâu thông qua một ngôn ngữ chung (thường là hợp ngữ ASSEMBLY). Các chương trình phần mềm bảo đảm mọi hoạt động của cảm biến bao gồm: - Chương trình thu thập dữ liệu: khởi động các thiết bị như ngăn xếp, cổng thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào ADC, điều khiển hoạt động của MUX. S1 S1 Sn CCH1 CCH2 CCHn MUX D A μP 2  i t  ng  o Cm bin thông minh Hình 10.1. S  cu trúc mt cm bin thông minh ... - Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo: biến đổi các giá trị đo được thành mã BCD, mã 7 thanh, mã ASCII, các chương trình xử lý số liệu đo. - Chương trình giao diện: đưa hiển thị ra LED hay màn hình, máy in, đọc bàn phím và xử lý chương trình bàn phím, đưa kết quả ra cổng thông tin hay truyền vào mạng, hay gửi cho máy tính cấp trên. 10.3. Các khâu chức năng của cảm biến thông minh Ngoài các cảm biến thông thường đã đề cập, cảm biến thông minh còn bao gồm các khâu cơ bản sau: các chuyển đổi chuẩn hoá (CĐCH), bộ dồn kênh (MUX), chuyển đổi tương tự số (A/D) và bộ vi xử lý (μP). 10.3.1. Chuyển đổi chuẩn hoá Chuyển đổi chuẩn hoá làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là áp từ 0 - 5V hay 0 - 10V hoặc dòng 0 - 20 mA hay 4 - 20 mA. Giữa các cảm biến và chuyển đổi A/D rồi vào μP tín hiệu nhất thiết phải qua các CĐCH sao cho bất kể khoảng đo nào của các đại lượng đo thì cũng tương ứng với một giới hạn đo của CĐCH. Các chuyển đổi chuẩn hoá có thể phục vụ riêng cho từng cảm biến và đặt trước MUX hay cho một nhóm cảm biến giống nhau về loại và khoảng đo đặt sau MUX. Đặc tính ra của chuyển đổi chuẩn hoá thường là tuyến tính, tức là có dạng: kxyy 0 += (10.1) Thay các giá trị đầu vào và đầu ra của CĐCH ta có: ⎩⎨ ⎧ += += 20 10 kXyY kXy0 Giải ra ta được: ⎪⎪⎩ ⎪⎪⎨ ⎧ −= −= 12 12 1 0 XX Y k XX X Yy Khi qua CCH tín hiu c bin i t l, nu tín hiu vào x nm trong khong t X1 ÷ X2 thì tín hiu ra y phi là 0 ÷ Y (hình 10.2) CCH x y Hình 10.2 S  nguyên lý chuyn i chun hoá Thay vào (10.1) ta có đặc tính của CĐCH: x XX Y XX X Yy 1212 1 −+−−= (10.2) Chuyển đổi chuẩn hoá có đầu ra là tín hiệu một chiều (là dòng hay áp) được thực hiện qua hai bước: - Bước 1: Trừ đi giá trị ban đầu x = X1, để tạo ra ở đầu ra của CĐCH giá trị y = 0. - Bước 2: thực hiện khuếch đại (K > 1) hay suy giảm (K < 1). Để thực hiện việc trừ đi giá trị ban đầu người ta thường sử dụng khâu tự động bù tín hiệu ở đầu vào hoặc thay đổi hệ số phản hồi của bộ khuếch đại. Ta xét ví dụ sau đây sơ đồ CĐCH sử dụng cặp nhiệt, có đầu ra là áp một chiều (hình 10.3). Để đo nhiệt độ ta sử dụng cặp nhiệt ngẫu. ở nhiệt độ t0 của môi trường ta luôn có ở đầu ra của cặp nhiệt một điện áp V0 (tương đương giá trị X1 đầu vào CĐCH) nhưng yêu cầu ở đầu ra của CĐCH phải là y = 0, ta phải tạo được một điện áp - V0 để bù. Mặt khác khi t0 thay đổi thì V0 cũng thay đổi theo, do vậy ta phải sử dụng một cầu điện trở có một nhánh bù là nhiệt điện trở Rt để khi nhiệt độ đầu tự do t0 thay đổi thì nhiệt điện trở Rt cũng thay đổi theo sao cho điện áp xuất hiện ở đầu ra của cầu đúng bằng -V0. Kết quả là điện áp ở đầu vào khuếch đại bằng 0 khi ở nhiệt độ bình thường. Điện áp ở đầu ra của cầu được tính toán tương ứng với các loại cặp nhiệt khác nhau (Đ-P, C-A, C-K). Vra=0÷Vx Hình 10.3 B chuyn i chun hoá u ra là áp mt chiu -V0 V0 tx C-K C-A -P RtR1 R2 R3 Trong thực tế, để truyền đi xa người ta dùng nguồn dòng nên khi truyền tín hiệu trên đường dây, điện trở của dây có thay đổi cũng không gây ảnh hưởng đáng kể đến kết quả phép đo. Tín hiệu đầu ra của CĐCH là dòng từ 0 - 20mA hay 4 - 20mA. Với dòng 4 -20mA thì 4mA dùng để cung cấp cho mạch điện tử còn từ 0 - 16mA là tín hiệu đo. Nguồn dòng được tạo bởi bộ biến dòng (ví dụ dùng tranzito chẳng hạn). Sơ đồ một bộ chuyển đổi chuẩn hoá đầu ra là dòng một chiều được trình bày trên hình 10.4. Từ cảm biến qua bộ CĐCH tín hiệu đầu ra sẽ thay đổi theo độ lớn của tín hiệu sau cảm biến (0 - 16mA). Mạch điện tử được cấp dòng 4 mA qua bộ ổn áp. Dòng thay đổi từ 4 - 20 mA được đo bằng cách biến đổi dòng thành áp bằng cách cho dòng rơi trên một điện trở mẫu và đo điện áp đó suy ra đại lượng đo. 10.3.2. Bộ dồn kênh MUX (multiplexer) Nhiệm vụ của MUX là dồn kênh, biến tín hiệu song song từ các cảm biến thành nối tiếp để dưa vào A/D và μP. Để dảm bảo độ tác động nhanh, người ta phải sử dụng các khoá điện tử, tức là thực hiện việc đổi nối không tiếp xúc. Đổi nối này có ưu điểm là độ tác động nhanh cao (tần số đổi nối có thể đạt hàng chục MHz). Tuy nhiên chúng có nhược điểm là khi đóng mạch điện trở thuận khác 0 (có thể đến hàng trăm Ω) còn khi hở mạch điện trở ngược khác ∞ (cỡ vài trăm kΩ). Vì vậy các bộ dồn kênh thường được bố trí sau CĐCH, ở đó tín hiệu đã được chuẩn hoá. Bộ đổi nổi có hai chế độ làm việc: - Chế độ chu trình: tín hiệu các cảm biến sẽ lần lượt đưa vào A/D theo một chu trình. Tần số lặp lại của tín hiệu sẽ được lựa chọn tuỳ thuộc sai số của phép đo cho trước. - Chế độ địa chỉ: bộ đổi nổi làm việc theo một chương trình đã định sẵn. CCH S n áp 4 mA 4 - 20 mA Hình 10.4 Chuyn i chun hoá u ra là dòng mt chiu Do sai số của bộ dồn kênh tăng khi số lượng kênh tăng nên đối với các cảm biến thông minh người ta thường hạn chế số kênh sử dụng. Trên hình 10.5 là sơ đồ nguyên lý của một bộ đổi nối điện tử MUX 8 bit loại CD 4051. Các bit điều khiển từ μP được đưa đến bộ biến đổi mức logic để điều khiển register cho ra xung đóng mở tám khoá K0, K1, ..., K7 đưa tín hiệu từ tám kênh đầu vào dồn đến một đầu ra để đưa đến bộ chuyển đổi A/D. Ngày nay các loại MUX được sản xuất dưới dạng mạch IC rất tiện cho việc sử dụng vào thiết bị đo. Tuy nhiên như thế thường số lượng kênh vào là cố định, không thay đổi được theo yêu cầu thực tế. 10.3.3. Bộ chuyển đổi tương tự số A/D Bộ chuyển đổi A/D làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự thành số trước khi đưa thông tin vào μP. Có ba phương pháp khác nhau để tạo một bộ chuyển đổi A/D: - Phương pháp song song: Điện áp vào đồng thời so sánh với n điện áp chuẩn và xác định chính xác xem nó đang nằm ở giữa mức nào. Kết quả ta có một bậc của tín hiệu xấp xỉ. Phương pháp này có giá thành cao vì mỗi một số ta phải cần một bộ so sánh. Ví dụ trong phạm vi biến đổi từng nấc từ 0 - 100 cần đến 100 bộ so sánh. ưu điểm của phương pháp này là độ tác động nhanh cao. - Phương pháp trọng số: việc so sánh diễn ra cho từng bit của số nhị phân. Cách so sánh như sau: thoạt tiên ta xác định xem điện áp vào có vượt điện áp chuẩn Hình10.5 B dn kênh MUX 8 bit B bin i mc logic Thanh ghi 23 22 21 20 0 1 2 7 . .. Bit iu khin t μP u vào u ra n A/D K0 K1 K2 K7 của bit già hay không. Nếu vượt thì kết quả có giá trị “1” và lấy điện áp vào trừ đi điện áp chuẩn. Phần dư đem so sánh với các bit trẻ lân cận. Rõ ràng là có bao nhiêu bit trong một số nhị phân thì cần bấy nhiêu bước so sánh và bấy nhiêu điện áp chuẩn. - Phương pháp số: đây là phương pháp đơn giản nhất. ở trường hợp này ta tính đến số lượng các tổng số điện áp chuẩn của các bit trẻ dùng để biểu diễn điện áp vào. Nếu số lượng cực đại dùng để mô tả bằng n thì do đó cũng cần tối đa n bước để nhận được kết quả. Phương pháp này đơn giản, rẽ tiền nhưng chậm. Các chuyển đổi số trong công nghiệp rất đa dạng, dưới đây giới thiệu một số bộ điển hình. Trên hình 10.6 là sơ đồ một bộ chuyển đổi số MC 14433 sản xuất theo công nghệ CMOS của hãng MOTOROLA có đầu vào là điện áp một chiều DC INPUT. Loại A/D này có một đầu vào và đầu ra là số 4 bit. Trong thực tế người ta thường chế tạo kết hợp giữa hai bộ MUX và chuyển đổi A/D và cho vào cùng một vỏ. Đại diện cho linh kiện loại này là ADC 0809 (hình 10.7). Loại A/D này có đầu vào là tám kênh một chiều (0 - 5V) và đầu ra tám bit, số liệu có thể đưa lên BUS dữ liệu của μP. Sơ đồ khối của ADC 0809 trình bày trên hình 10.8. Để điều khiển hoạt động của A/D 0809, ba bit địa chỉ A, B, C được chốt và giải mã để chọn một trong tám kênh đường truyền tín hiệu tương tự và bộ so sánh. Khi có xung START và CLOCK thì quá trình so sánh bắt đầu xẩy ra. Điện áp vào được so sánh với điện áp do bộ khoá hình cây và bộ 256 R tạo ra. Khi quá trình biến đổi kết thúc, bộ điều khiển phát ra tín hiệu EOC (End of Converter). Số liệu được đưa ra thanh ghi đệm và chốt lại. μP DC INPUT 3 9 14 2 17 24 7 8 20 10 11 330K 15 21 22 23 6 5 4 13 1 VI DU EOC VRREP CIK1 CIK2 OR Q0 Q1 Q2 Q3 0,1μC + 2V + 5V - 5V MC1443 Hình 10.6 Chuyn i A/D MC 14433 muốn đọc số liệu từ A/D thì phải phát ra một tín hiệu vào chân OE (output - enable) quá trình đọc được tiến hành. Bộ chuyển đổi A/D 0809 là một chip gói theo tiêu chuẩn 28 chân chế tạo theo công nghệ CMOS. ADC 0809 không có mạch bù zêrô phụ và mạch chỉnh full-scale. ADC 0809 có ưu điểm là dễ dàng kết nối với μP hay μC vì được cung cấp chốt địa chỉ kênh và chốt TTL - TRISTATE ở đầu ra, có tốc độ cao, độ chính xác cao và ít phụ thuộc vào nhiệt độ, tiêu thụ công suất nhỏ. 10.4. Các thuật toán xử lý trong cảm biến thông minh Như đã đề cập ở trên, phương trình cơ bản của cảm biến bù y = f(x). Tuy nhiên ngoài đối số x là đại lượng đo còn có một số yếu tố khác ảnh hưởng đến kết quả đo, Hình 10.7 S  ADC 0809 u vào 8 kênh 26 27 28 1 4 3 5 VCC 10 15 ALE 25 EOC 7 22 IN0 IN1 REF + Clock ADD -C D0 G 2 + 5V ADC 0809 9 6 23 24 17 14 18 8 19 20 21 u ra 8 bit IN2 IN5 IN3 IN4 IN6 IN7 REF - START ENABLE ADD -B ADD -A D1 D2 D3 D4 D5D6 D7 MUX a ch K thi gian SAR B khoá cây 256 RESTOR Cht a ch 8 bit u ra 8 kênh vào So sánh START Clock Hình 10.8 S  khi A/D 0809 ALE A B C OE đó là các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, điện từ trường, độ rung ... nghĩa là y = f(x, a, b, c, ... ), trong đó a, b, c ...là các yếu tố ảnh hưởng cần loại trừ. Trong các cảm biến thông minh, người ta sử dụng khả năng tính toán của các bộ vi xử lý để nâng cao các đặc tính kỹ thuật của bộ cảm biến như nâng cao độ chính xác, loại trừ sai số phi tuyến, bù các ảnh hưởng của các yếu tố môi trường... Dưới đây trình bày một số phép xử lý được thực hiện trong cảm biến thông minh. 10.4.1. Tự động khắc độ Quá trình tự động khắc độ được tiến hành như sau: Đầu tiên người ta đo các giá trị của tín hiệu chuẩn và ghi vào bộ nhớ, sau đó đo các giá trị của đại lượng cần đo và bằng các công cụ toán học (dưới dạng thuật toán) có thể so sánh, gia công kết quả đo và loại trừ sai số. Công việc này có thể thực hiện cho từng cảm biến. Khi mắc các cảm biến vào hệ thống, μP làm nhiệm vụ điều khiển tín hiệu chuẩn thay đổi, bộ nhớ sẽ ghi lại các giá trị y ở đầu ra của cảm biến tương ứng. Khi đo, đại lượng đo x tác động vào cảm biến, tương ứng với giá trị nào của x bộ nhớ sẽ đưa ra giá trị tương ứng của tín hiệu chuẩn đã được ghi từ trước. Với cách đó chúng ta có thể loại trừ được sai số phi tuyến của đặc tính cảm biến mà dụng cụ số thông thường không thực hiện được. Phương pháp này đòi hỏi các cảm biến phải hoàn toàn giống nhau để trong trường hợp hỏng hóc cần phải thay thế sẽ không gây ra sai số đáng kể. Ngược lại nếu cảm biến thay thế không giống cảm biến đã khắc độ thì phải khắc độ lại với cảm biến mới. 10.4.2. Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn Trường hợp đặc tính của tín hiệu x sau cảm biến là một hàm phi tuyến của đại lượng đo ξ, tức là x(ξ) là một hàm phi tuyến. Thay vì khắc độ đặc tính đo vào bộ nhớ như đã đề cập ở trên, ta có thể thay x(ξ) bằng một đường gấp khúc tuyến tính hoá từng đoạn với sai số ε0 (hình 10.9). Phương pháp này gọi là phương pháp nội suy tuyến tính. x(ξ) ξ x*(ξ) x(ξ) ε0 ε0 ξ0 ξk Thuật toán để lựa chọn đoạn tuyến tính hoá được thực hiện như sau: - ở giá trị ξ0 của đại lượng đo, đường cong x(ξ) cho ta giá trị x0. - x0 được nhớ vào RAM của μP. - ở giá trị ξ1 ta có x1. - x1 được nhớ vào RAM của μP. - ở giá trị ξ2 ta có x2. - x2 được nhớ vào RAM của μP. - Tính tỉ số các gia số bậc một của đa thức nội suy Lagrange ( )ξ*1x đi qua hai điểm x0 và x1: ( ) 02 02 02 xx , ξ−ξ −=ξξ∇ - Tính giá trị của đa thức nội suy ở điểm ξ1: ( ) ( )( )010201*1 ,xx ξ−ξξξ∇+=ξ - Tính độ sai lệch ở điểm ξ1: ( ) ( )1*1111 xx ξ−=ξε - So sánh ε1(ξ1) với sai số đã cho ε0: nếu ε1(ξ1) < ε0 thì giá trị tín hiệu không được chấp nhận. - ở giá trị ξ3 ta có x3. - Nhớ x3 vào RAM của μP. - Tính tỉ số các gia số bậc một của đa thức nội suy Lagrange ( )ξ*2x : ( ) 03 03 03 xx , ξ−ξ −=ξξ∇ - Tính giá trị của đa thức nội suy ở điểm ξ1, ξ2: ( ) ( )( )010301*2 ,xx ξ−ξξξ∇+=ξ ( ) ( )( )020302*2 ,xx ξ−ξξξ∇+=ξ - Tính độ sai lệch của phép nội suy ở điểm ξ1, ξ2: ( ) ( )1*2112 xx ξ−=ξε ( ) ( )2*2222 xx ξ−=ξε - So sánh ε2(ξ1) vàε2(ξ2) với ε0: nếu ε2(ξ1) < ε0 và ε2(ξ2) < ε0 thì giá trị tín hiệu không được chấp nhận. - ở điểm ξk ta có xk mà đa thức nội suy sẽ là: ( ) ( )( )00k0* 1k ,xx ξ−ξξξ∇+=ξ− Với ( ) 0k 0k 0k xx , ξ−ξ −=ξξ∇ Mà ta có: ( ) ( ) 0j*kjj1k xx ε≥ξ−=ξε − Với j là một điểm nào đó nằm trong khoảng 0 đến k. - Khoảng nội suy khi đó sẽ bằng: 0kk ξ−ξ=ξ∇Δ Và giá trị xk sẽ được chấp nhận như là điểm cuối của đoạn thẳng của đường xấp xỉ hoá từng đoạn. - Với phép nội suy tuyến tính quá trình hồi phục sẽ được tiến hành theo cách nối liền các điểm bằng đoạn thẳng: ( ) ( )0 0k 0k 0 * xxxx ξ−ξξ−ξ −+=ξ Đoạn thẳng tiếp theo sẽ đi qua điểm xk. Tổng quát ta có đoạn thẳng thứ i của đường gấp khúc có dạng: ( ) ( )i i1i i1i i * i xx xx ξ−ξξ−ξ −+=ξ + + (10.3) để hồi phục giá trị đo ta chỉ việc tính ( )ξ*ix theo đối số ξ là các đại lượng đo được từ cảm biến. Các giá trị tính được theo đường nội suy tuyến tính luôn đảm bảo sai số cho phép là ε0. 10.4.3. Gia công kết quả đo Khi tính toán sai số ngẫu nhiên, người ta thường sử dụng các đặc tính của chúng, đó là kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương. Các đặc trưng thống kê này đủ để đánh giá sai số của kết quả đo. Việc tính các đặc tính số này là nội dung cơ bản trong quá trình gia công kết quả đo. Để tính kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương ta phải có số lượng phép đo rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế số lượng các phép đo n là có hạn, vì thế ta chỉ tìm được ước lượng của kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương mà thôi. Thường các ước lượng này đối với các đại lượng đo vật lý có các tính chất cơ bản là các ước lượng có căn cứ, không chệch và có hiệu quả. Nếu gọi ξ* là ước lượng của đặc tính thống kê ξ thì: - Nếu ta tăng số lượng N các giá trị đo và nếu với ε > 0 mà ta có: [ ] 0Plim * N =ε≥ξ−ξ∞→ (10.4) thì ước lượng ξ* được gọi là ước lượng có căn cứ. - Nếu lấy trung bình ước lượng mà ta có: [ ] ξ=ξ*M (10.5) thì ước lượng ξ* được gọi là ước lượng không chệch. - Nếy trung bình bình phương độ sai lệch (phương sai) của một ước lượng đã cho *1ξ nào đó không lớn hơn trung bình bình phương độ sai lệch *iξ của bất kỳ ước lượng thứ i nào: ( ) ( ) ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ ξ−ξ>⎥⎦⎤⎢⎣⎡ ξ−ξ 2*12*i MM (10.6) thì ước lượng đó được gọi là ước lượng có hiệu quả. Ví dụ: Kỳ vọng toán học của các giá trị một điểm đo X có ước lượng là *xm , ta có: [ ] ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡= ∑∑ == N 1i i N 1i i * x XMN 1 X N 1 MmM (10.7) [ ] xxN 1i i mm.N.N 1 XM N 1 === ∑ = Như vậy ước lượng kỳ vọng toán học *xm là ước lượng không chệch. Tương tự ta có thể chứng minh được rằng: [ ] 2xx*x DDM σ== (10.8) tức là ước lượng của phương sai *xD của các giá trị điểm đo X là một ước lượng không chệch. Giả sử ta tiến hành n phép đo cùng một giá trị X. Giá trị đáng tin nhất đại điện cho đại lượng đo X là giá trị trung bình đại số của dãy các phép đo như nhau X : ( ) ∑ = =++++++= n 1i i ni321 x n 1 n x...x...xxx X (10.9) Trong đó: x1, x2, . . . , xn - kết quả của các phép đo riêng biệt. n - số các phép đo. ước lượng kỳ vọng toán học của *xm của đại lượng đo sẽ bằng X . Nếu không có sai số hệ thống thì X sẽ là gía trị thực của đại lượng đo. Tất cả các giá trị đo sẽ phân tán xung quanh giá trị X này. Độ lệch kết quả mỗi lần đo so với giá trị trung bình (theo giá trị số và dấu) được xác định từ biểu thức: ii vXx =− (10.10) Với vi là sai số dư. Sai số dư có các tính chất sau đây: - Tổng các sai số dư bằng 0. 0v n 1i i =∑ = - Tổng của bình phương của chúng có giá trị nhỏ nhất: Minv n 1i 2 i =∑ = (10.11) Những tính chất này được sử dụng khi gia công kết quả đo để kiểm tra độ chính xác của việc tính X . Theo tổng bình phương của tất cả các sai số dư người ta xác định ước lượng độ lệch bình quân phương σ*, tiêu biểu cho mức độ ảnh hưởng của sai số ngẫu nhiên đến kết quả đo. Theo lý thuyết xác suất việc tính σ* được thực hiện theo công thức Besel: ∑ = −=σ n 1i 2 i * )1n/(v (10.12) ước lược này là không chệch, có căn cứ và có hiệu quả. Việc chia tổng bình phương sai số dư cho (n-1) thay cho n có thể chấp nhận được vì kết quả gần bằng nhau và n càng lớn thì sự sai lệch càng nhỏ. ước lượng độ lệch bình quân phương σ* đặc trưng cho độ chính xác của một dãy phép đo và được xác định bởi một tập các điều kiện đo (các đặc tính kỹ thuật của dụng cụ đo, các đặc điểm của người làm thí nghiệm, các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến phép đo). ước lượng σ* đặc trưng cho độ phân tán của kết quả đo xung quanh giá trị trung bình đại số của nó. Vì giá trị trung bình đại số còn có một sai số ngẫu nhiên nào đó, nên ta đưa ra khái niệm ước lượng độ lệch bình phương của giá trị trung bình đại số: ( ) ( ) ( ) n)1nn v )1nn xx * n 1i 2 i n 1i 2 i * X σ=−=− − =σ ∑∑ == (10.13) ước lượng này đặc trưng cho sai số đó của kết quả đo. ước lượng đã khảo sát trên đây được gọi là ước lượng điểm bao gồm: XX0 = , *Xσ , n. ước lượng điểm của sai số phép đo không hoàn chỉnh bởi vì * X σ chỉ thể hiện khoảng mà giá trị thực có thể nằm trong khoảng đó nhưng lại không nói gì về xác suất rơi của X0 vào khoảng đó. ước lượng điểm chỉ cho phép đưa ra một vài kết luận nào đó về độ chính xác của các phép đo mà thôi. Dưới đây ta khảo sát một khái niệm ước lượng khác là ước lượng khoảng. Đó là khoảng đáng tin mà trong giới hạn đó với một xác suất nhất định ta tìm thấy giá trị thực X0. Cho trước giá trị xác suất đáng tin P với đại lượng ngẫu nhiên có phân bố chuẩn và số lượng phép đo là vô hạn n→ ∞, thì theo bảng 10.1 ta tìm được hệ số k và như vậy tìm được khoảng đáng tin Δ1,2 = kσ*. Khi số lượng các phép đo có hạn (n ≥ 20) khoảng tin cậy đó có thể tính gần đúng theo biểu thức: * X2,1 kσ=Δ (10.14) Trong thực tế ta không thể tiến hành nhiều phép đo được, thường chỉ hạn chế trong 2 ≤ n ≤ 20, khi đó khoảng tin cậy được tính theo biểu thức sau: * Xst2,1 h σ=Δ (10.15) ở đây hst - hệ số phân bố Student phụ thuộc vào xác suất đã cho P và số lượng phép đo n được xác định theo bảng 10.1. Bảng 10.1 n 0,5 0,9 0,95 0,98 0,99 0,999 2 1,000 6,31 12,7 31,8 63,7 637 3 0,816 2,92 4,30 6,96 9,92 31,6 4 0,765 2,35 2,35 4,54 5,84 13,0 5 0,741 2,13 2,78 3,75 4,60 8,61 6 0,727 2,02 2,57 3,36 4,04 6,86 7 0,718 1,94 2,49 3,14 3,71 5,96 8 0,711 1,90 2,36 3,00 3,50 5,40 9 0,706 1,86 2,31 2,90 3,36 5,04 10 0,703 1,83 2,26 2,82 3,25 4,49 12 0,697 1,80 2,20 2,72 3,10 4,78 14 0,694 1,77 2,16 2,65 3,01 4,49 16 0,691 1,75 2,13 2,60 2,99 4,07 18 0,689 1,74 2,11 2,57 2,90 3,96 20 0,688 1,73 2,09 2,54 2,86 3,88 25 0,684 1,71 2,06 2,49 2,80 3,74 31 0,683 1,70 2,04 2,46 2,75 3,65 41 0,681 1,68 2,02 2,42 2,70 3,55 61 0,679 1,67 2,00 2,39 2,66 3,46 121 0,677 1,65 1,98 2,36 2,62 3,37 ∞ 0,674 1,64 1,96 2,33 2,58 3,29 Số liệu bảng này được tính theo công thức: ( ) ( )( ) ( )[ ] ( ) 2/n2 n/t1 1 . 2/1n.1n !2/n n;tS +−−π = (10.16) Trong đó: S(t;n) - mật độ phân bố Student. ( ) * x0 /XXt σ−= . n - số lần đo. Trường hợp n→ ∞ ( thực tế n ≥ 20) thì phân bố Student sẽ tiến đến phân bố chuẩn, lúc đó hst có thể thay thế bằng hệ số k như biểu thức 10.14. 10.4.4. Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp Khi tính toán các sai số ngẫu nhiên của phép đo gián tiếp cần phải nhớ rằng đại lượng cần đo Y có quan hệ hàm với một hay nhiều đại lượng đo trực tiếp X1, X2, . . . , Xn, tức là: ( )n21 X,...,X,XfY = (10.20) Vì thế mà sai số tuyệt đối của kết quả đo gián tiếp như sau: 2n 2 n 2 2 2 2 2 1 2 1 X X Y ...X X Y X X Y Y Δ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂++Δ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂+Δ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂=Δ (10.21) và sai số tương đối của kết quả đo sẽ là: 2 n 2 n 2 2 2 2 2 1 2 1 Y X Y Y X ... X Y Y X X Y Y X Y Y ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ ∂⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂++⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ ∂⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ ∂⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂=Δ=γ 2Xn2 2X 2 1X ... γ++γ+γ= (10.22) Trong đó 1X γ , 2X γ , . . ., nX γ - là sai số tương đối của các đại lượng đo trực tiếp X1, X2, . . . , Xn. Nếu các kết quả đo trực tiếp Xi được xác định với sai số bình quân phương nXσ , thì: 2X 2 n 2 X 2 21 2 X 2 1 n21 X Y ... X Y X Y σ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂++σ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂+σ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂=σγ (10.23) ở đây iX iX Y σ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ là sai số riêng của phép đo gián tiếp thứ i. Nh vy kt qu o vi c lng khong, nh có phân b Student có th vit di dng: ( ) ( )' 2,10' 2,1 XXX Δ+<<Δ− (10.17) T (10.17) ta thy rng xác sut ca  lch trung bình i s so vi giá tr thc ca i lng o không vt quá ' 2,1Δ . Khi thc hin gia công kt qu o ngi ta còn xác nh khái nim sai s bình quân phng tng i theo biu thc sau ây: 100. X * X X σ=γ (10.18) Quá trình gia công kt qu o c biu din theo s  thut toán hình 10.10. Quá trình gia công này có th thc hin trên máy tính vi bt k ngôn ng nào, kt qu cho ta giá tr thc XX0 = và khong áng tin ' 2,Δ . Vy kt qu o nhn c sau khi gia công s là: ' 2,1X Δ± (10.19) Bt u n phép o xi K vng toán hc [ ] XxM = Sai s d Xxv ii −= Tính 0v n 1i i =∑ = ∑ = n 1i 2 iv Tính ( )∑ = −=σ n 1i 2 i * 1n/v n/** x σ=σ Cho xác sut P tìm hst Khong áng tin * xst2,1 .h σ=Δ Kt qu o ' 2,1Δ±= Kt thúc Hình 10.10 S  thut toán gia công kt qu o ở bảng 10.2 trình bày biểu thức tính sai số tuyệt đối và sai số tương đối của một số hàm Y thường gặp nhất trong các phép đo gián tiếp. Bảng 10.2 Hàm Y Sai số tuyệt đối YΔ Sai số tương đối Y Y Y Δ=γ X1 + X2 ( ) ( )2221 XX Δ+Δ± ( ) ( )[ ] ( )2212221 XX/XX +Δ+Δ± X1.X2 ( ) ( )21222221 XXXX Δ+Δ± 2 2 2 2 1 1 X X X X ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ± 2 1 X X ( ) ( )[ ] 4222222121 XXXXX Δ+Δ± 2 2 2 2 1 1 X X X X ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ+⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ Δ± nX XnX 1n Δ± − ( )X/Xn Δ± 10.4.5. Bù sai số a) Bù sai số cộng tính Trong cảm biến có sai số cộng tính, ta có: aXX YXKY Δ+= (10.24) Với i1i i1i X XX YY K − −= + + . Giá trị aYΔ không thay đổi theo X là sai số cộng tính. (hình 10.11). Loại trừ sai số loại này bằng một bộ trừ (hình 10.12). Ta có: aiii YXKY Δ+= (10.25) Thực hiện phép trừ theo vế (10.24) và (10.25) và biến đổi ta có: ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − −−=− + + i1i i1i iXi YY XX YYXX (10.26) Bằng cách này ta đã loại trừ được sai số cộng tính aYΔ . b) Bù sai số nhân tính CB X Hình 10.11 S  nguyên lý cm bin có sai s cng tính YX = KXX + ΔYa Hình 10.12 Loi tr sai s cng tính X CB Xi Y Yi Nếu đại lượng vào là Xo, ta có: ( )k000 1KXY γ−= (10.28) Thực hiện phép chia theo vế (10.27) và (10.28) ta có: ( )( ) 0 X 0k0 kX 00 X K K X X 1K 1K X X Y Y =γ− γ−= Nhận được 0 X 0 0 X K K Y Y X = (10.29) c) Bù sai số do các yếu tố ảnh hưởng Một trong những sai số khó loại trừ nhất trong các cảm biến là sai số do các yếu tố ảnh hưởng (hay các yếu tố không mang thông tin). Khi nghiên cứu các cảm biến, người ta cũng đưa vào các biện pháp để loại trừ những yếu tố đơn nhưng trong nhiều cảm biến ảnh hưởng này rất khó loại trừ. Không những thế ở các cảm biến khác nhau cùng một công nghệ chế tạo, ảnh hưởng này cũng khác nhau, vì thế trong các cảm biến thông minh người ta thường bù ảnh hưởng của các yếu tố không mang thông tin ngay trên cảm biến sử dụng. Từ phương trình biến đổi của cảm biến ta có thể viết sai số: ...b b F a a F X X F Y +Δ∂ ∂+Δ∂ ∂+Δ∂ ∂=Δ (10.30) Trong đó a a F Δ∂ ∂ là ảnh hưởng của yếu tố a đến kết quả đo Y. Nhờ khả năng xử lý của máy tính ta có thể sai phân hoá và nội suy tuyến tính. Bằng thực nghiệm ta lập ra bảng yếu tố ảnh hưởng (bảng 10.3). Bảng 10.3 X1 X2 Xj Xn A X Hình 10.12 Loi tr sai s nhân tính X CB X0 YX Y0 Trong cm bin có sai s nhân tính, ta có: ( )kXX 1XKY γ−= (10.27) Trong ó kγ là sai s nhân tính. Mun bù sai s nhân tính ta dùng A1 Δ11 Δ12 . . . Δ1j Δ1n A2 Δ21 Δ22 . . . Δ2j Δ2n . . . Ai Δi1 Δi2 . . . Δij Δin Am Δm1 Δm2 .... Δmj Δmn Từ giá trị Ai nhận được do một cảm biến đo phụ và giá trị của đại lượng đo Xj, tra bảng nhận được giá trị Δij, sau đó nội suy ra giá trị phải bù để loại trừ sai số do ảnh hưởng của yếu tố A. Tài liệu tham khảo 1. Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân. Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường & điều khiển. NXB Khoa học và Kỹ thuật - 2001. 2. Phan Quang Phô, Nguyễn Đức Chiến. Giáo trình Cảm biến. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật - 2000. 3. Tạ Duy Liêm. Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - 1998. 4. Đỗ Xuân Thụ (chủ biên). Kỹ thuật điện tử. Nhà xuất bản Giáo dục - 2002. 5. S.C. Jomathon Lin. Computer Nummerical Control. Pelmar Publishers Inc. Mục lục Lời mở đầu 3 Chương I. Các khái niệm và đặc trưng cơ bản 1.1. Khái niệm và phân loại cảm biến 5 1.1.1. Khái niệm về cảm biến 5 1.1.2. Phân loại cảm biến 5 1.2. Đường cong chuẩn 7 1.2.1. Khái niệm 7 1.2.2. Phương pháp chuẩn cảm biến 8 1.3. Các đặc trưng cơ bản 9 1.3.1. Độ nhạy 9 1.3.2. Độ tuyến tính 11 1.3.3. Sai số và độ chính xác 12 1.3.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp 13 1.3.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến 14 1.4. Nguyên lý chế tạo cảm biến 15 1.4.1. Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 15 1.4.2. Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động 19 1.5. Mạch đo 20 1.5.1. Sơ đồ mạch đo 20 1.5.2. Một số phần tử cơ bản của mạch đo 21 Chương II. Cảm biến quang 2.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 24 2.1.1. Tính chất ánh sáng 24 2.1.2. Các đơn vị đo quang 25 2.2. Cảm biến quang dẫn 26 2.2.1. Hiệu ứng quang dẫn 26 2.2.2. Tế bào quang dẫn 29 2.2.3. Photodiot 33 2.2.4. Phototranzito 40 2.2.5. Phototranzito hiệu ứng trường 43 2.3. Cảm biến quang điện phát xạ 44 2.3.1. Hiệu ứng quang điện pháp xạ 44 2.3.2. Tế bào quang điện chân không 45 2.3.3. Tế bào quang điện dạng khí 46 2.3.4. Thiết bị nhân quang 46 Chương III. Cảm biến đo nhiệt độ 3.1. Khái niệm cơ bản 48 3.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ 48 3.1.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo 49 3.1.3. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ 50 3.2. Nhiệt kế giản nở 51 3.2.1. Nhiệt kế giản nở dùng chất rắn 51 3.2.2. Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng 51 3.3. Nhiệt kế điện trở 52 3.3.1. Nguyên lý chung 52 3.3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại 53 3.3.3. Nhiệt kế điện trở silic 56 3.3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn 56 3.4. Cảm biến nhiệt ngẫu 57 3.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện 57 3.4.2. Cấu tạo cặp nhiệt 59 3.4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp 62 3.5. Hoả kế 67 3.5.1. Hoả kế bức xạ toàm phần 67 3.5.2. Hoả kế quang điện 68 Chương IV. Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển 4.1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển 71 4.2. Điện thế kế điện trở 71 4.2.1. Điện thế kế điện trở dùng con chạy cơ học 71 4.2.2. Điện thế kế điện trở không dùng con chạy cơ học 73 4.3. Cảm biến điện cảm 75 4.3.1. Cảm biến tự cảm 75 4.3.2. Cảm biến hỗ cảm 78 4.4. Cảm biến điện dung 81 4.4.1. Cảm biến tụ đơn 81 4.4.2. Cảm biến tụ kép vi sai 83 4.4.3. Mạch đo 84 4.5. Cảm biến quang 84 4.5.1. Cảm biến quang phản xạ 84 4.5.2. Cảm biến quang soi thấu 85 4.6. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi 86 4.6.1. Nguyên lý đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi 86 4.6.2. Cảm biến sử dụng phần tử áp điện 87 4.6.3. Cảm biến âm từ 88 Chương V. Cảm biến đo biến dạng 5.1. Biến dạng và phương pháp đo 90 5.1.1. Định nghĩa một số đại lượng co học 90 5.1.2. Phương pháp đo biến dạng 91 5.2. Đầu đo điện trở kim loại 91 5.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 91 5.2.2. Các đặc trưng chủ yếu 93 5.3. Cảm biến áp trở silic 94 5.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 94 5.3.2. Các đặc trưng chủ yếu 95 5.4. Đầu đo trong chế độ động 96 5.4.1. Tần số sử dụng tối đa 96 5.4.2. Giới hạn mỏi 97 5.5. ứng suất kế dây rung 97 Chương VI. Cảm biến đo lực 6.1. Nguyên lý đo lực 99 6.2. Cảm biến áp điện 100 6.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 100 6.2.2. Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm 101 6.2.3. Cảm biến thạch anh nhiều thành phần 102 6.2.4. Sơ đồ mạch đo 102 6.3. Cảm biến từ giảo 104 6.3.1. Hiệu ứng từ giảo 104 6.3.2. Cảm biến từ thẩm biến thiên 105 6.3.3. Cảm biến từ dư biến thiên 106 6.4. Cảm biến dựa trên phép đo dịch chuyển 106 6.5. Cảm biến xúc giác 107 Chương VII. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung 7.1. Cảm biến đo vận tốc 108 7.1.1. Nguyên lý đo vận tốc 108 7.1.2. Tốc độ kế điện từ 108 7.1.3. Tốc độ kế xung 113 7.1.4. Máy đo góc tuyệt đối 115 7.1.5. Đổi hướng kế 116 7.2. Cảm biến đo rung và gia tốc 118 7.2.1. Khái niệm cơ bản 118 7.2.2. Cảm biến đo tốc độ rung 121 7.2.3. Gia tốc kế áp điện 122 7.2.4. Gia tốc kế áp trở 123 Chương VIII. Cảm biến đo áp suất chất lưu 8.1. áp suất và nguyên lý đo áp suất 126 8.1.1. áp suất và đơn vị đo 126 8.1.2. Nguyên lý đo áp suất 127 8.2. áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh 128 8.2.1. áp kế vi sai kiểu phao 128 8.2.2. áp kế vi sai kiểu chuông 129 8.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng 130 8.3.1. Phần tử biến dạng 131 8.3.2. Các bộ chuyển đổi điện 135 Chương IX. Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu 9.1. Cảm biến đo lưu lượng 142 9.1.1. Lưu lượng và đơn vị đo 142 9.1.2. Công tơ thể tích 142 9.1.3. Công tơ tốc độ 144 9.1.4. Lưu lượng kế màng chắn 146 9.1.5. Lưu lượng kế điện từ 149 9.2. Cảm biến đo và phát hiện mức chất lưu 150 9.2.1. Mục đích và phương pháp đo 150 9.2.2. Phương pháp thuỷ tỉnh 151 9.2.3. Phương pháp điện 152 9.2.4. Phương pháp bức xạ 153 Chương X. Cảm biến thông minh 10.1. Khái niệm về cảm biến thông minh 155 10.2. Cấu trúc của một cảm biến thông minh 156 10.3. Các khâu chức năng của cảm biến thông minh 157 10.3.1. Bộ chuyển đổi chuẩn hoá 157 10.3.2. Bộ dồn kênh MUX 159 10.3.3. Bộ chuyển đổi tương tự - số A/D 160 10.4. Các thuật toán xử lý trong cảm biến thông minh 163 10.4.1. Tự động khắc độ 163 10.4.2. Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn 163 10.4.3. Gia công kết quả đo 166 10.4.4. Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp 171 Tài liệu tham khảo 174 Mục lục 175