Bài giảng kỹ thuật đo và
cảm biến trong công nghiệp
xi măng Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]


2

Chương 1. KỸ THUẬT ĐO

1.1. Định nghĩa và phân loại phép đo
1.1.1. Định nghĩa
+ Đo lường: là quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết bằng số
so với đơn vị đo
A
x
= X/X
0
+ Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng
khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo được gọi là đo lường học
+ Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của đo lường học
vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường
1.1.2. Phân loại phép đo
+ Phép đo trực tiếp
+ Phép đo gián tiếp
+ Phép đo thống kê

1.2. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường
1.2.1. Đại lượng đo
+ Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo
+ Phân loại theo sự biến đổi của tín hiệu:
+ Đại lượng tiền định
+ Đại lượng gần tiền định
+ Đại lượng ngẫu nhiên
+ Phân loại theo đặc tính của tín hiệu
+ Đại lượng số

Kết quả đo trong nhiều trường hợp là tương đối, có thể đúng với hoặc sai tuỳ theo
yêu cầu về độ chính xác của phép đo

1.3. Tín hiệu đo
Tín hiệu là diễn biến của 1 đại lượng vật lí chứa đựng tham số thông tin, dữ liệu
và có thể truyền dẫn được
Tín hiệu đo là tín hiệu mang các đặc tính thông tin đo

1.4. Chuẩn và mẫu
- Chuẩn cấp I được gọi là chuẩn, bảo đảm tạo ra những đại lượng có đơn
vị chính xác nhất của một quốc gia
- Các thiết bị chuẩn và mẫu dùng để khôi phục một đại lượng vật lí nhất
định. Chúng thường có độ chính xác cao tuỳ theo từng cấp

1.5. Sai số của phép đo và gia công kết quả đo
1.5.1. Sai số của phép đo
+ Phân loại sai số theo cách thể hiện bằng số: sai số tuyệt đối, tương đối
+ Phân loại sai số theo nguồn gây ra sai số: sai số phương pháp, thiết bị, chủ
quan, bên ngoài
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

4

+ Phân loại sai số theo quy luật suất hiện của sai số: sai số hệ thống, sai số ngẫu
nhiên
1.6. Các cơ cấu hiển thị
1.6.1. Hiển thị tương tự

+ Chuyển đổi đo lường: Là chuyển đổi làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý
này sang đại lượng vật lý khác theo một quan hệ hàm. Mối quan hệ giữa đại
lượng vào và ra có thể tuyến tính hoặc phi tuyến.
y = f(x)
Trong đó: x: Đại lượng vật lý tác động
y: Đại lượng vật lý khác
f: Là một hàm có tính chất đơn trị, phi tuyến hoặc tuyến tính
+ Chuyển đổi đo lường sơ cấp: là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vào là
đại lượng không điện và đại lượng ra là đại lượng điện hoặc mang thông tin về
điện.

y = f(x)
Trong đó: x: Đại lượng vào không điện
y: Đại lượng ra là điện

2.1.2. Cảm biến đo lường
Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và
đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Nói cách khác cảm biến chính là các
chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một vỏ hộp có kích thước và hình dáng rất khác
nhau phù hợp với chỗ đặt của điểm đo để tạo thành cảm biến hay còn gọi là
sensor.
+ Đầu ra của cảm biến thường được ghép với các bộ vi xử lý thông qua các mạch
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

6

giao diện thích hợp.

- Vận hành đúng

2.2.2. Độ nhạy
- Giả sử sensor có mối liên hệ y=f(x)
Độ nhạy:
dx
dy
S 
- Độ nhạy: có tác dụng quyết định cấu trúc mạch đo để đảm bảo cho phép đo có
thể bắt nhạy với những biến động nhỏ của đại lượng đo.
2.2.3. Đặc tính của cảm biến.
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

7

Để làm rõ các đặc tính cơ bản của cảm biến ta xét dựa trên mô hình thiết bị đo
(TBĐ) sau
Mô hình của TBĐ đơn giản
Chúng được mô tả trên hình 2.1

Hình 2.1. Mô hình một TBĐ đơn giản
Trong đó, quá trình vật lý cần đo nằm ở bên trái của hình vẽ và đại lượng cần đo
được mô tả bởi đại lượng vật lý có thể quan sát được X (biến đo lường). Tuy
nhiên, đại lượng quan sát được X không nhất thiết phải là đại lượng cần đo,
nhưng lại có quan hệ với đại lượng cần đo theo một cách nào đó. Chẳng hạn khối
lượng được đo bởi quá trình cân, trong đó đại lượng cần đo là khối lượng, nhưng
đại lượng đo vật lý (measurement) là lực hút của trái đất trong trường lực hấp dẫn


Hình 2.2. Thiết bị đo ghép nối PC

Tín hiệu ra sau khuếch đại có thể được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc được ghi
lại, tuỳ thuộc vào từng ứng dụng đo. Trong một số trường hợp TBĐ cần tín hiệu ra
là số để giao tiếp với hệ thống thu thập dữ liệu hoặc hệ thống giao tiếp trên máy
tính(computer-based). Hình 2.2 đúng trong trường hợp Sensor không cho tín hiệu
đầu ra là số.
Việc lưu trữ và hiển thị thông tin đo trên máy tính ngày nay đang là một giải pháp
rất hiệu quả. Bởi máy tính cho phép hiển thị linh hoạt đồng thời nhiều giá trị đo
của các điểm đo khác nhau, đồng thời máy tính cũng hỗ trợ mạnh mẽ trong lưu
trữ số liệu, quản lí thông tin đo…

Sensor tích cực và thụ động
Như đã trình bày ở trên, sensor biến các đại lượng vật lý thành các tín hiệu.
Sensor có thể chia làm 2 loại chính tuỳ thuộc vào cách mà chúng tương tác với
môi trường chúng đo. Sensor thụ động (Passive sensor) không nhận thêm năng
lượng như là một phần của quá trình đo nhưng lại có thể mất mát năng lượng
trong quá trình đo đó. Chẳng hạn với cặp nhiệt điện nhiệt, ở đó nhiệt độ vật lý
được biến đổi thành tín hiệu điện áp. Trong trường hợp này, gradient nhiệt độ
trong môi trường đo tạo nên một điện áp nhiệt điện và trở thành tín hiệu.
Sensor tích cực (Active sensor) là loại sensor nhận năng lượng từ môi trường như
là một phần của quá trình đo. Một ví dụ về sensor tích cực là hệ thống radar, ở đó
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

9



10Hình 2.4. Mô hình đo lường có tính đến tác động của nhiễu
Nhiễu đầu vào Y làm cho sensor phản ứng như là sự xếp chồng tuyến tính của Y
và X. Do đó, tín hiệu ra đo được cũng phải là sự kết hợp của X và Y, trong đó Y
gây nhiễu lên đại lượng cần đo X. Các đầu vào hiệu chỉnh có thể làm thay đổi
hoạt động của sensor, theo đó sẽ làm thay đổi quan hệ vào/ra và khắc độ của
thiết bị.
Sai số và lỗi
Sai số của phép đo được xác định bằng hiệu của giá trị đúng của đại lượng cần
đo và giá trị đo được hiển thị trên TBĐ. Thông thường, giá trị đúng được xác định
dựa trên các chuẩn. Bất kỳ một phép đo nào cũng có sai số bao gồm sai số hệ
thống và sai số ngẫu nhiên. Sự kết hợp giữa sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên
có thể hình dung như trong hình 2.5. Ta sẽ xem xét cụ thể các nguồn gây ra sai
số.

Hình 2.5. Minh họa lỗi hệ thống và lỗi ngẫu nhiên
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

11Các nguồn sai số hệ thống
Có rất nhiều loại nguyên nhân gây nên sai số hệ thống của phép đo. Một trong
những lớp nguyên nhân đó làm thay đổi đáp ứng vào/ ra của sensor và kết quả là

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

12

Các nguồn sai số ngẫu nhiên
Ta đã biết sai số hệ thống có thể loại bỏ khỏi phép đo, tuy nhiên cũng có những
sai số mà nó luôn được duy trì do các nguồn sai số ngẫu nhiên làm ảnh hưởng
đến độ chính xác của phép đo. Sai số ngẫu nhiên đôi khi còn được gọi là ồn (một
kiểu tín hiệu mang thông tin không có ích). Nếu một phép đo có một lượng sai số
ngẫu nhiên nhất định được lặp đi lặp lại nhiều lần thì sẽ xuất hiện phân bố Gauss
như minh hoạ trong hình 2.6.

Hình 2.6. Minh họa về phân bố Gauss

Phân bố Gauss được tập trung xung quanh giá trị đúng (bỏ qua sai số hệ thống)
nên giá trị trung bình của tất cả các phép đo sẽ phản ánh một ước lượng của giá
trị đúng.
Độ chính xác của phép đo được xác định bằng độ lệch chuẩn σ. Đó chính là độ
rộng của phân bố Gauss. Nếu số phép đo là 69% tổng số phép đo thì độ chính
xác là ±1σ, nếu 95% thì độ chính xác là ±2σ, nếu 99.7% thì độ chính xác là ±3σ.
Độ lệch chuẩn càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. Trong rất nhiều ứng dụng, độ
lệch chuẩn thường dùng là 2σ. Tuy nhiên, cũng có một số ứng dụng, chẳng hạn
như trong ngành hàng hải, người ta thường lấy là 3σ.
Có rất nhiều loại nguồn nhân tố ngẫu nhiên có thể làm suy giảm độ chính xác của
phép đo, bắt đầu với sự lặp đi lặp lại nhiều lần cùng một phép đo.
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội



® 03.2007. [email protected]

14

- Cảm biến áp suất
- Cảm biến nhiệt độ
- Cảm biến lưu lượng
- Cảm biến mức
- Cảm biến hình ảnh
Các ứng dụng của chúng rất đa dạng trong công nghiệp và trong đời sống xã hội,
các ứng dụng này được phân tích trong các trường hợp cụ thể của từng loại cảm
biến.
2.4. Vấn đề nhiễu loạn
2.4.1 Nhiễu nội tại
Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế
tạo, tính chất vật liệu của bộ cảm biến, do đó đáp ứng có thể bị méo so với chuẩn.
2.4.2 Nhiễu do truyền dẫn
Nguồn nhiễu:
- Từ trường tĩnh điện
- Quá độ trong nguồn nuôi
- Trường điện từ tần số radio
- Biến thiên nhiệt
- Dao động
- Lực hấp dẫn
- Độ ẩm
- Bức xạ ion
- Tác nhân hoá học, mạch phối ghép
- Điện dung
- Từ trường

phủ lớp cách điện
- Dây quấn điện trở: thường được làm từ maganin, niken, crom hoặc
vonfram. Đường kính dây từ 0.02mm đến 0.1mm. Điện trở của dây có thể thay đổi
từ vài chục đến vài ngàn ôm. Các dây được tráng êmay cách điện để có thể quấn
sát nhau
- Con trượt: thường được chế tạo bằng hợp kim platin-iridi hoặc platin-berin
để có độ đàn hồi và tiếp xúc tốt, lực tì giữa con trượt và lõi rất nhở (cỡ 0.01-0.1N)
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

16

Nguyên lý hoạt động
Khi đại lượng đầu vào thay đổi sẽ tác động vào con trượt thông qua bộ phận
truyền động. Như vậy con trượt sẽ dịch chuyển tỉ lệ với tác động đầu vào và
chúng được mô tả theo phương trình:
y = f(x
v
)
Trong đó y là đại lượng đầu ra sau chuyển đổi. nó có thể là điện trở hoặc điện áp
nếu có tính đến việc cung cấp nguồn cho biến trở, x
v
là đại lượng đầu vào.
Trên hình 1 ta thấy việc đo các vị trí dịch chuyển góc hay dịch chuyển thẳng có
thể lựa chọn kiểu biến trở loại vòng xuyến hoặc loại tuyến tính.

Ví dụ 1: Một tay máy chuyển động có gắn cảm biến biến trở như hình 2. Biến trở
có nguồn cung cấp là 10V và góc quay được đặt là 82
® 03.2007. [email protected]

17

điện trở đầu vào mà nó không lớn lắm. Khi điều này sảy ra dòng chảy qua con
trượt là nguyên nhân gây ra sai số. Để giải quyết vấn đề này, một bộ đệm trở
kháng cao sẽ được sử dụng. Sai số của tải là sự khác nhau giữa đầu ra không tải
và đầu ra có tải và được đưa ra như sau:
Sai số tải = V
NL
- V
L

Trong đó: - V
NL
là điện áp đầu ra không tải
- V
L
là điện áp đầu ra có tải

Để làm rõ vấn đề này chúng ta xét ví dụ sau:
Ví dụ 2: Một biến trở 10K được sử dụng làm cảm biến vị trí (mô tả trên hình 3).
Giả sử con trượt nằm giữa giải đo. Hãy xác định sai số tải khi:
- Mạch giao diện (Interface circuit) sử dụng điện trở vào là vô cùng
- Mạch giao diện sử dụng điện trở vào là 100K Hình 3.3. Sai số tải

 K
x
KK 76.4
100
5
1005
100//5
Như vậy điện áp đầu ra của biến trở là:
VxVV
pot
88.4
76.45
76.4
10 


Sai số tải sẽ là: 5V – 4.88V = 0.12V
Sai số tải cực đại xuất hiện khi biến trở làm việc ở trên 2/3 giải đo. Nếu chúng ta
cho biến trở làm việc với phần nhỏ hơn của giải đo sai số tải sẽ giảm. Điều này
cho thấy ảnh hưởng của sai số tải là không tuyến tính.
Trong nhiều ứng dụng, tổng các dịch chuyển quay được đo được là ít hơn giá trị
quay thực tế của đối tượng cần đo. Hãy xem một tay máy như hình 4, nó dịch
chuyển một góc 90
0
. Qua một hệ bánh răng truyền động thì biến trở đã quay 270
0
,
như vậy với cách đo này đã làm tăng độ phân giải của phép đo.

 R
tot
Điện trở tổng của biến trở
Khi biến trở được sử dụng làm cảm biến vị trí, điện áp đầu ra sẽ tỉ lệ với góc quay
của trụ, vì vậy sai số tuyến tính có thể được xác định như sau:
tot
tt
x
S


100


Trong đó:
  Sai lệch góc cực đại (tính theo độ)
 
tot
Dải đo tổng của biến trở

Hình 3.5. Sai số tuyến tính của cảm biến biến trở

Ví dụ 3: Một biến trở quay (góc quay cực đại là 350
0
) có sai số tuyến tính là 0.1%,
nó được kết nối với một nguồn 5V. Xác định sai số góc cực đại.
Giải: Dựa vào công thức trên dễ dàng tính được sai số góc cực đại:
0
0

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

20

Giải: Điện trở tổng được xác định:


 1000
.
100
10
in
xinR
tot

Biến trở có 200 vòng, như vậy sự tăng nhỏ nhất sẽ là 1 vòng dây. Điện trở của
một vòng dây được xác định là: 1000/200 vòng = 5/ vòng
Độ phân giải của biến trở là:
%5.0
1
1005
100Re% 


x
x
R

21

Do hệ số chia của bánh răng là 2:1 nên khi biến trở ở vị trí 20
0
tức là cách tay máy
ở vị trí 10
0
ta tính điện áp tại vị trí này:
Vx
V
V
pot
29.020
350
5
0
0

Ta chuyển từ giá trị điện áp này sang dạng số (lưu ý ADC này là loại 8 bit)
bin
Vx
V
11110000158.1429.0
5
255

Ta tính độ phân giải ứng với nguồn cung cấp là 5V

statearm
V

0
thì điện áp phải là 5Vx(350
0
/240
0
) = 7.3V. Độ phân giải
sẽ được tính là:
statearm
V
x
V
pot
x
pot
arm
/470.0
255
5
3.7
350
2
1
0
0
0
0


Kết quả này phù hợp với yêu cầu đặt ra


o

/256= 1.4
o
/ 1 trạng thái và 10 rãnh (1024 trạng thái) ứng với 360
o
/1024 = 0.35
o
/
1 trạng thái.

Hình 3.9. Encoder tuyệt đối cho tín hiệu ra trực tiếp dạng nhị phân

Hình 3.10. Encoder quang tuyệt đối chỉ ra trường hợp một cảm biến quang đặt
lệch và gây ra một trạng thái lỗi.
Với chú ý miền tối cho tín hiệu logic 1 và miền sáng cho tín hiệu logic 0
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội ® 03.2007. [email protected]

23 Thuận lợi của loại encoder này là dạng tín hiệu đầu ra là ở dạng tín hiệu số
nhưng chỉ là góc mà đĩa đã quay được. Nó ngược với loại encoder tăng sẽ được
chỉ ra dưới đây mà nó có thể xác định được góc quay của đĩa cả về và giá trị và
hướng. Cái không thuận lợi của Encoder tuyệt đối là giá thành đắt vì cần rất nhiều
cảm biến quang và các rãnh phải được khắc rất chính xác.
Nếu đĩa quang kiểu tuyệt đối không khắc chính xác, nó có thể đưa ra dữ liệu bị lỗi.

cảm biến quang đếm được 100 rãnh theo chiều kim đồng hồ, 30 rãnh theo chiều
ngược chiều kim đồng hồ, rồi 45 rãnh theo chiều kim đồng hồ. Vậy vị trí hiện tại
của đĩa là bao nhiêu?
Giải:
Nếu đĩa có 360 rãnh, vậy mỗi rãnh tương ứng với 1 độ quay. Bắt đầu từ điểm
tham chiếu, đầu tiên quay 100
o
theo chiều kim đồng hồ, rồi quay ngược 30
o
đến
vị trí 70
o
, và cuối cùng lại quay ngược lại 45
o
, do đó chúng ta sẽ có góc quay là
115
o
( theo chiều kim đồng hồ) từ vị trí tham chiếu.

Hình 3.12. Bộ mã hoá quang tăng
Với chỉ một cảm biến quang thì ta không thể xác định được đĩa đã quay theo
hướng nào, tuy nhiên 1 hệ thống thông minh sử dụng 2 cảm biến. Trong hình
3.13, 2 cảm biến V1 và V2 được đặt liên tiếp nhau trên cùng 1 rãnh. Trong ví dụ
này, V1 lúc bắt đầu đang tắt (off) trong khi V thì đang bật (on). Hãy tưởng tượng
đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ, đầu tiên có thể nhận thấy là V1 ở trạng thái
hoàn toàn bật trong khi V2 đang bật. Đĩa quay thêm 1 chút, V2 chuyển sang trạng
thái tắt và tiếp sau đó V1 tắt. Trong hình 3.13b chỉ ra dạng tín hiệu của V1 và V2.
Bây giờ tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ( Bắt
đầu từ vị trí được chỉ ra trong hình 3.13a), ở đây V1 ở trạng thái tắt hoàn toàn và
V2 vẫn ở trạng thái bật trong 1 nửa rãnh, rồi mới tắt. Sau đó V1 bật rồi đến V2