Giáo trình: Cảm biến và Cơ cấu chấp hành

Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… các biến trạng thái này thường là các quá trình ta cần thu thập thông tin , đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình: Cảm biến và Cơ cấu chấp hành Giáo trình:Cảm biến và Cơ cấu chấp hành Chương I: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN1.1 Định nghĩa Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi cácbiến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… các biến trạng thái này thường làcác quá trình ta cần thu thập thông tin , đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạngthái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứngvới các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ củacon người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đápứng với các tín hiệu và kích thích. Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài cóđặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh…trong các quá trình đo lường – điều khiển thông tin được truyền tải và xử lý dưới dạngđiện nhờ sự truyền tải của các điện tử. Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x ở bộ cảm biến có dạng : Y = f(x) (1.1) Quan hệ (1.1) thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đápứng – kích thích. Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín hiệuthường do máy tính đảm nhiệm. Trong sơ đồ hình 1.2 quá trình (đối tượng) được đặc trưng bằng các biến trạng thái vàđươc các bộ cảm biến thu nhận. đầu ra của các biến trạng thái được phối ghép với bộ vixử lý qua các giao diện. đầu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hànhnhằm tác động lên quá trình (đối tượng). đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đốitượng), trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số củahệ thống. bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình.1.2 Phân loại các bộ cảm biến.a. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.b. Theo dạng kích thích có thể phân chia các bộ cảm biến như sauc. Theo tính năng các bộ cảm biếnd. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biếne. Theo thông số của mô hình mạch thay thếo Cảm biến tích cực (có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.o Cảm biến thụ động (thông nguồn) được đặc trưng bằng các thông số R, L , C, M, … tuyến tính hoặc phi tuyến.1.3 Các đơn vị đo lường Các đơn vị đo lường cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI(IE Systems International d’ Unites)như trong bảng:1.4 Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến Theo quan điểm mô hình mạch tao coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đápứng – kích thích được điều diễn bằng phương trình (1.1) quan hệ này được đặc trưngbằng nhiều đại lượng cơ bản cửa bộ cảm biến. ta có thể định nghĩa các đại lượng đặctrưng cơ bản của bộ cảm biến như sau :a. Hàm truyền: Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị,graph hoặc biểu thức toán học. gọi x là kích thích, y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền chota quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyếntính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm lũy thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng : Y = a + bx (1.2) a là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, b là độ nhạy, y là một trongcác đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất củabộ cảm biến. Hàm truyền logarit có dạng: y = 1 + blnx (1.3) Dạng mũ : y = aekx (1.4) Dạng lũy thừa : y = ao + a1xk (1.5) K: hằng số Các bộ cảm biến phi tuyến không thể được đặc trưng bằng các hàm truyền kể trên,trong trường hợp này ta phải sử dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc cao. Trongnhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương pháp tuyếntính hóa từng đoạn.b. Độ lớn của tín hiệu vào: Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số màsai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyếnngưỡng động của kích thích thường được biểu diển bằng dexibel, bằng logarit của tỷ sốcông suất hoặc điện áp của tín hiệu ra vào tín hiệu vào : 1 dB = 10 lg P2/ P1 Quan hệ giữa các tỷ số công suất, tỷ số điện áp ( hoặc dòng điện) tính theo dexibelđược cho trong bảng:c. Sai số và độ chính xác: Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảmnhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đođược và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giátrị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng : ∆ δ% = . 100 ...