TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN K THUT ĐO V TIN HỌC CÔNG NGHIỆP
o0o
Đ TI:
ĐO ÁP SUẤT SỬ DỤNG CẢM BIẾN MPX5100
TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
GV hướng dẫn : TS. Nguyễn Thị Lan Hương
SVTH : Võ Tá Hoàng 20093469
Nguyễn An Hoan 20091097
Lớp : THCN_Kỹ sư chất lượng cao

Khóa : 54 H Ni, 12/2013
ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
2
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54
MỤC LỤC
Lời cảm ơn 3
Mở đầu 3
Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất 4

Việc đo và xác định áp suất đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống giám sát điều
khiển động cơ, điều khiển quá trình hay chuyển đổi áp suất. Các cảm biến đo áp suất còn
được sử dụng trong các nhà máy để kiểm soát mức áp suất hợp lý cho các hệ thống, ví dụ
trong các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy có hệ thống nung hay nén vật liệu đều cần
giám sát áp suất chặt chẽ …
Với những ứng dụng rất phổ biến như đã nêu trên, việc nghiên cứu về cảm biến nói
chung, và cảm biến áp suất nói riêng rất quan trọng đối với người kỹ sư. Qua học phần
Thiết bị đo và cảm biến thông minh, chúng em được nhận đề tài “Đo áp suất dùng
cảm biến MPX5100 và tự động chuẩn độ”. Đây là một loại cảm biến thông mình vì thế
việc thực hiện mạch đo mà không cần trải qua khâu khuếch đại tín hiệu.
Đề tài được chia làm 3 chương:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất
Chương 2: Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100
Chương 3: Thiết kế mạch đo áp suất sử dụng cảm biến MPX5100

ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
4
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54
Chương 1: Cơ sở lý thuyết của phép đo áp suất

1. Áp suất
Trong vật lý học, áp suất (thường được viết tắt là p) là một đại lượng vật lý, thể hiện
cường độ thành phần lực tác động vuông góc trên một đơn vị đo diện tích của một vi
thành phần bề mặt vật chất.
p =
F
S

0
là áp suất khí quyển
ρ là khối lượng lượng riêng chất lưu
g là gia tốc trọng trường
h là độ sâu tính từ điểm áp suất tới mặt thoáng chất lưu.
Trong trường hợp chất lưu chuyển động, áp suất gồm 2 thành phần: áp suất tĩh (p
t
) và áp
suất động (p
đ
)
p = p
t
+ p
đ
trong đó: p
đ
=
2
v


v là vận tốc chuyển động của chất lưu.

1.1. Một số loại hình chuyển đổi áp suất
a. Cảm biến áp suất kiểu màng phẳng
b. Cảm biến áp suất kiểu màng gấp nếp
c. Cảm biến kiểu khoang kín
d. Cảm biến kiểu ống thẳng
e. Cảm biến kiểu vành khuyên

ứng suất ở biên: ϭ
b
= -0,75
2
2
PR
d

Di chuyển tạo nên ở tâm màng: δ = 0,17.
4
3
PR
Ed

ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
6
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54

Hình 3: Biến dạng ɛ dưới tác dụng của P

2. Cảm biến thông minh
Người ta sử dụng các bộ vi xử lý hay các vi điều khiển kết hợp với các loại cảm biến
khác nhau để tạo ra cảm biến thông minh có các đặc tính mới như: tự động chọn thang
đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số …

Hình 4: Sơ đồ kết cấu của một cảm biến thông minh
Các bộ cảm biến thông minh thường có một bộ chuyển đổi chuẩn hóa (CĐCH) làm
nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là điện áp 0-5V
hoặc 0-10 V hoặc dòng 0-20mA hoặc 4-20 mA.
Bộ chuyển đổi này lấy tín hiệu từ cảm biến, biến đổi về dạng chuẩn trên rồi cho

1
/(X
2
– X
1
) ; K = Y/(X
2
-X
1
)
Thay vào công thức (1) ta có hàm đặc tính của CĐCH là:
Y = -Y.X
1
/(X
2
– X
1
) + Y/(X
2
-X
1
).x
Là một hàn tuyến tính theo x thỏa mãn yêu cầu của một CĐCH.
 CĐCH có đầu ra là một tín hiệu một chiều (là dòng hay áp) được thực hiện theo 2
bước:
 Bước 1: Trừ đi giá trị ban đầu x=X
1
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

0
(ngược dấu với
U
0
) ở đầu ra của cầu và bù lại. Kết quả 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 (P-P,
C-A, C-K). Chương 2 : Tìm hiểu cảm biến áp suất MPX5100 1. Giới thiệu MPX5100
MPX5100 được thiết kế từ nguyên khối silicon dành cho một loạt các ứng dụng,
nhưng đặc biệt người sử dụng có thể ghép nối với một vi xử lý hoặc vi điều khiển có kèm
theo một bộ A/D. Bộ thiết kế tiên tiến với màng mỏng metallization, lưỡng cực để cung
cấp một tín hiệu tương tự với độ chính xác cao tỉ lệ với áp lực đặt vào.
MPX5100 có thể ứng dụng vào: điều khiển quá trình, điều khiển động cơ, chuyển đổi áp
suất.

2. Các đặc trưng của MPX5100
 Sai số tối đa là 2,5% ở nhiệt độ từ 0
o
đến 85
o
C
 Rất thích hợp cho hệ thống nền tảng vi xử lý hoặc vi điều khiển
Sau đây là một số dòng cảm biến MPX5100:


Hình : Sơ đồ mạch tích hợp cảm biến áp suất cho gói Small Outline

3. Bù nhiệt độ trên chíp
 Quan hệ giữa tín hiệu ra của cảm biến và áp suất đầu vào được biểu diễn theo đường
đặc tính dưới đây:
ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
11
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54 Hình 7: Đường đặc tính của cảm biến MPX5100
Đường đặc tính của tín hiệu ra chuẩn, minimum và maximum được biểu diễn trên hình
trên trong vùng nhiệt độ từ 0 đến 85 độ C.
 Nguồn cấp và tín hiệu ra

Hình 8: Sơ đồ nguồn cấp được tách và lọc tín hiệu ra
 Mặt cắt của các loại cảm biến vi sai và cảm biến tuyệt đối. Hình 9: Mặt cắt ngang của 2 loại cảm biến
Một chất keo thành phần silic và flo dùng để cách ly bề mặt chết và dây điện từ môi
trương , trong lúc đó vẫn cho phép tín hiệu áp suất truyền tới màng cảm biến.
Các dòng cảm biến MPX5100 sử dụng không khí khô làm phương tiện truyền dẫn áp
suất.
ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
12
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54

4. Sai số do nhiệt độ (MPX5100D, MPX5100G, MPXV5100G)


tại 5V thì giá trị ADC ra là 1023.
Với mức áp suất từ 0 đến 100 kPa, nếu thay đổi áp suất 1 kPa cho LCD thay đổi 1 đơn
vị , khi đó có 100 mức nhảy áp suất. Trong khi đó, ADC cho phép đến 2
10
-1 = 1023 mức.
Tính toán bước nhảy đơn vị : n = 5V/1023 = 0.00489 V . Vì vậy sử dụng bo mạch
Arduino là hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu bài toán.
Cũng như vậy, 0.2 V tương đương giá trị ra của ADC là 41 và 4.9 V tương đương giá
trị ra của ADC là 1002. Tuy nhiên không phải lúc nào tín hiệu thu được từ cảm biến
cũng ở thang đo như thế này, vì thế mà mỗi lần đo ta cần chuẩn độ lại cho phù hợp với
từng môi trường đo, để tránh các sai số phi tuyến.
 Tự động chuẩn độ:
Quá trình tự động chuẩn độ được tiến hành như sau:
Đầu tiên, ta đo các giá trị của tín hiệu chuẩn ghi vào bộ nhớ của vi xử lý, 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. Khi mắc cảm biến vào hệ thống, uP sẽ làm
nhiệm vụ điều khiển tín hiệu chuẩn thay đổi , bộ nhớ sẽ ghi lại các giá trị ở đầu ra của
cảm biến (giá trị y) 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.
ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
14
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54
Với cách đó chúng ta có thể loại bỏ được sai số phi tuyến của đặc tính của 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 sai số đáng kể. Ngược lại nến cảm biến thay thế không giống cảm biến đã
chuẩn độ thì phải chuẩn độ lại với cảm biến mới.

 Với cảm biến áp suất MPX5100, chúng em ứng dụng chương trình tự động chuẩn

// bật đèn LED để báo hiệu bắt đầu chuẩn đ
ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
15
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54
pinMode(13, OUTPUT);
digitalWrite(13, HIGH);

// chuẩn đ trong 5 giây đầu tiên
while (millis() < 5000) {
sensorValue = analogRead(sensorPin);

// ghi lại giá trị lớn nhất của cảm biến
if (sensorValue > sensorMax) {
sensorMax = sensorValue;
}
// ghi lại giá trị nhỏ nhất của cảm biến
if (sensorValue < sensorMin) {
sensorMin = sensorValue;
}
}
// tắt LED khi kết thúc quá trình chuẩn đ
digitalWrite(13, LOW);
}

void loop() {
// đọc cảm biến
sensorValue = analogRead(sensorPin);
// áp dụng các giá trị chuẩn đ để đưa đọc cảm biến
sensorValue = map(sensorValue, sensorMin, sensorMax, 0, 255);
// so sánh với thang đo 0 đến 255 xem giá trị cảm biến thuc thang đo không

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý để chuẩn độ MPX5100 dùng ARDUINO UNO

ĐO ÁP SUẤT BẰNG CẢM BIẾN MPX5100 VÀ TỰ ĐỘNG CHUẨN ĐỘ
17
Võ Tá Hoàng – Nguyễn An Hoan – THCN _ KSCLC_K54

Kết luận
Với những đặc trưng riêng của mỗi loại cảm biến, tùy thuộc vào các ứng dụng mà
người ta có thể chọn được những cảm biến khác nhau để đảm bảo độ có được những
thông số cần thiết cho các ứng dụng đó.
Với tốc độ công nghiệp hóa phát triển ngày càng nhanh, nhu cầu tự động hóa xí
nghiệp công nghiệp ngày càng cao thì vai trò của các cảm biến đo áp suất cũng ngày càng
quan trọng hơn. Vì thế, người ta càng ngày càng chú trọng để cải tiến các loại cảm biến
đo áp suất tối ưu hóa và đạt được độ chính xác cao.
Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Lan Hương đã nhiệt
tình chỉ bảo và hướng dẫn để chúng em có thể hoàn thành báo cáo này.
Tài liệu tham khảo

1. Slide bài giảng cảm biến đo lường thông minh, cô Nguyễn Thị Lan Hương
2. Kỹ thuật đo lường tự động điều khiển, Phạm Văn Tuấn (cb)
3. Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển , Lê Văn Doanh, Phạm
Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạnh Sơm, Đoàn Văn Tân
4. Fundamentals of Industrial Instrumentation and Process Control, William C.Dunn
5. Website Arduino: