8/26/2012
1
Ch3 - DAS
1
Ch. 3 DAS
DATA ACQUISITION SYSTEMS
• DAS overview
• Measurement, sensors, transducers
• Conditioners, các bộ chuẩn hóa tín hiệu
• MUX, S&H, ADCs
• Microcontrollers and Data Processing
• Database
• Case studies: monitoring systems
Ch3 - DAS
2
3.1. DAS Overview
• Define:
– Data Acquisition System: The system for acquiring
data (status, metric information) from industrial
processes (or environment) then update to
database, one of importance part of a SCADA,
DCS…
– The collection of sensors and communication links
to sample or collect and then return data to a
central location for further processing, display, or
archiving.
• Structure: next
8/26/2012
2
Ch3 - DAS
3

– Distance/wide area
– Rate of signal
– Address of application and type of information:
• Industrial fields: level, flow, temperature, pressure,… in
cement, paper, textile, steel mill, mechanical factories…
• Civil engineering: dams, bridges, underground/ under-
water constructions, high building… => constructions
supervision system
• Environmental supervision system
3.1. DAS Overview
8/26/2012
4
Ch3 - DAS
7
• Transportation: Vehicles, ship, aero plane: velocity,
accelerate, gasoline ratio, safety equipment,
Navigation…; Traffic signals
• Bio-medicine: Cardiograph, Monitoring, smart garden
and growth
• Defense: DGPS,
• Entertainment:
• Smart house: temperature, lighting, air conditioning
(heating/ freezing), plant watering, auto-answering,
smart cooking… iBMS
3.1. DAS Overview
Ch3 - DAS
8
• Questions and Answers
• Student’s examples
3.1. DAS Overview

11
Measurement:
Ch3 - DAS
12
• Mô hình đo lường đơn giản:
– Giá trị quan sát được X đọc được từ đối tượng đo
• X liên hệ với phép đo trong một số phương pháp đã biết (i.e.,
measuring mass)
– Sensor phát ra tín hiệu thay đổi và được xử lý theo nhiều
kiểu, truyền dẫn hoặc hiển thị
– Trong ví dụ trên, tín hiệu đo được đưa qua bộ hiển thị và
đưa đến thiết bị đo.
• Phép đo (Measurement)
– Là quá trình so sánh đại lượng chưa biết với giá trị chuẩn có
cùng đơn vị (đo độ dài, khoảng cách) hoặc giá trị chuẩn của
nhiều các đại lượng liên quan (đo vận tốc, gia tốc)
Measurements:
8/26/2012
7
Ch3 - DAS
13
• Là quan hệ giữa đại
lượng đo vật lý (X) và giá
trị tín hiệu (S)
• Sensor hoặc thiết bị đo
được khắc độ bởi việc thu
thập các tín hiệu đã biết.
Khắc độ (Calibration)
Ch3 - DAS
14

– The properties of the system transient response to an input
• Zero order systems
• First order systems
• Second order systems
Ch3 - DAS
16
Accuracy, discrimination and precision
• Accuracy is the capacity of a measuring instrument to give
RESULTS close to the TRUE VALUE of the measured
quantity
– Độ chính xác (accuracy) được xác định bằng độ lệch của 1 tập các phép
đo so với giá trị thực
– Độ chính xác/sai số được thể hiện giá trị tuyệt đối và tương đối
ABSOLUTE ERROR = RESULT – TRUE VALUE
RELATIVE ERROR = ABS ERROR/TRUE VALUE (%)
• Resolution (Discrimination) is the minimal change of the
input necessary to produce a detectable change at the
output
– Độ phân ly: DISCRIMINATION hay RESOLUTION
– When the in/discrimination is from zero, it is called THRESHOLD
(ngưỡng)
8/26/2012
9
Ch3 - DAS
17
Precision (độ lặp lại)
• Là khả năng của thiết bị cho ra cùng 1 giá trị khi lặp
lại phép đo cùng 1 đại lượng trong cùng 1 điều kiện:
– Độ lặp lại được hiểu là sự nhất quán giữa các lần đo liên
tiếp cùng 1 đại lượng, nó không nói lên giá trị đó gần với

– Quá trình đo làm thay đổi đối tượng đo. (i.e., loading
errors, electro-mechanic Voltmeter)
– Khi truyền dẫn làm thay đổi tín hiệu (i.e., suy giảm, méo)
– Sai số chủ quan (i.e., quan sai: sai do mắt nhìn, quan niệm
của mỗi người)
– Sai số hệ hệ thống có thể được bù trừ bằng các phương
pháp khác nhau (như phản hồi, lọc)
Ch3 - DAS
20
• Sai số ngẫu nhiên:
– Còn được gọi là nhiễu: tín hiệu không chứa thông tin đo
– Sai số ngẫu nhiên thực sự (ồn trắng - white noise) có phân
bố Gauss
– Nguồn nhiễu ngẫu nhiên:
• Độ lặp lại của chính đối tượng đo (i.e., height of a rough surface)
• Nhiễu môi trường (i.e., background noise picked by a microphone)
• Nhiễu đường truyền (i.e., 60Hz)
– Tỷ số tín hiệu/nhiễu nhỏ. Thường thì SNR phải >>1
– Khi biết đặc tính của tín hiệu thì có thể tách ra khỏi nền
nhiễu với điều kiện SNR>>1 (i.e., understanding speech in a
loud environment)
Accuracy and errors:
8/26/2012
11
Ch3 - DAS
21
Example: systematic and random errors
Ch3 - DAS
22
Các đặc tính tĩnh khác:

– Impulse, step, ramp, sinusoidal, white noise…
Ch3 - DAS
24
Các mô hình động (Dynamic models)
• Đáp ứng động của sensor (typically) được
coi như tuyến tính
– Như vậy, có thể mô hình hóa bởi phương trình vp
tuyến tính hệ số hằng
- Thực tế, những mô hình này giới hạn về dạng
ptvp zero, first and second order. Những mô hình
cao hơn ít dùng.
8/26/2012
13
Ch3 - DAS
25
Dynamic models
• Những mô hình động thường được phân
tích theo biến đổi Laplace, biến đổi ptvp
thành đa thức
– Biểu diễn Laplace như 1 dạng mở rộng của
Fourier transform
• Phân tích Fourier được giới hạn cho sinus signals
– x(t) = sin(ωt) = e
-jωt
• Phân tích Laplace cũng có thể được thực hiện theo kiểu
hàm mũ
– x(t) = e
-σt
sin(ωt) = e
-(σ +jω)t

15
Ch3 - DAS
29
Pole location and dynamic behavior
Ch3 - DAS
30
Zero-order sensors
• Quan hệ giữa Input & output
bởi phương trình dạng:
– Zero-order là dạng đáp ứng
mong muốn của sensor
• Không trễ
• Bandwidth không xác định
• Sensor chỉ thay đổi biên độ tín hiệu
vào
– Zero-order systems: không chứa
phần tử kho điện
– Example of a zero-order sensor
• A potentiometer used to measure
linear and rotary displacements
– Mô hình này không thích hợp với
hệ đo dịch chuyển biến thiên
nhanh
8/26/2012
16
Ch3 - DAS
31
First-order sensors
• Quan hệ giữa Inputs &
outputs bởi ptvp bậc nhất

• A mercury thermometer
immersed into a fluid
– What type of input was applied to the
sensor?
– Parameters
• C: thermal capacitance of the mercury
• R: thermal resistance of the glass to heat
transfer
• θF: temperature of the fluid
• θ(t): temperature of the thermometer
– The equivalent circuit is an RC
network
Ch3 - DAS
34
Example of a first-order sensor
8/26/2012
18
Ch3 - DAS
35
3.2.2. Nguyên lý sensor
• Phân loại sensors
• Sensors cơ
• Sensors nhiệt
• Sensors hóa
Ch3 - DAS
36
Phân loại sensors:
• Sensors được phân loại theo các cách sau:
– Power supply requirements: Passive and active
– Nature of the output signal: Digital and analog

• Analog sensors:
– Cho ra tín hiệu liên tục cả về biên
độ và thời gian hoặc không gian
– Hầu hết các đối tượng vật lý, theo
tự nhiên, là tín hiệu analog.
• Examples: Temperature,
displacement, light intensity
• Digital sensors:
– Đưa ra dạng tín hiệu là rời rạc,
các bước hoặc trạng thái 1/0
• Digital signals are more repeatable,
reliable and easier to transmit
– Examples: Shaft encoder, contact
switch
8/26/2012
20
Ch3 - DAS
39
Operational modes
• Chế độ so lệch (Deflection mode)
– Sensor hay thiết bị đo tạo ra đáp ứng là
độ lệch hay sự sai khác với giá trị ban
đầu
– Độ lệch tỷ lệ với đại lượng đo
• Chế độ cân bằng (Null mode)
– Sensor hoặc thiết bị đo tạo ra sự đối
trọng với đối tượng đo
• The influence and measurand are balanced
(typically through feedback) until they are
equal but opposite in value, yielding a null

Capacitive displacement sensors
• The capacitance of a parallel plate capacitor is
d is the separation between the plates, A is the area of the plates, ε0 is the
permitivity of air and εr is the relative permitivity of the dielectric
• A moving object is attached to the dielectric or the plates to generate
capacitance changes
Notes
- Variable distance (d) sensors operate over a range of a few millimeters
- Cross-sensitivity to temperature and humidity (specially if the dielectric is air)
- Capacitive sensors are also commonly used to measure pressure
“Condenser” microphones measure changes in air pressure of incoming sound
waves
8/26/2012
22
Ch3 - DAS
43
Sensor đo dịch chuyển kiểu điện cảm
• Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear
Variable Differential Transformer -
LVDT)
– Sự dịch chuyển của lõi từ làm thay đổi hỗ cảm
của 2 cuôn thứ cấp (phụ thuộc vào sơ cấp)
• Primary coil voltage: V
S
sin(ωt)
• Secondary coil induced emf: V
1
=k
1
sin(ωt+ϕ)

2
)sin(ωt+ϕ)
• Dịch lên hay xuống được xác định bởi pha của
V
OUT
Ch3 - DAS
44
Inductive displacement sensors (cont)
• LVDT Characteristics
– Typical LVDTs run at 5V, 2kHz
– LVDTs can measure from mm down to μm
– Due to small variations in the windings, a small
residual voltage appears at the output when the coil
is in the central position
• Advantages of the LVDT over other
displacement sensors
– No mechanical wear ensures a long life
– Complete electrical isolation
– DC versions with integrated oscillators are
available
8/26/2012
23
Ch3 - DAS
45
Điện trở lực căng (Strain gauges)
• Strain gauges thay đổi R khi lực căng thay đổi
(piezo-resistive effect)
– Strain is a fractional change (ΔL/L) in the
dimensions of an object as a result of mechanical
stress (force/area)

Force and acceleration sensors
• Force sensors
– The coupled-double-beam load cell
• Dumb-bell cut-out provides areas of
maximum strain for the gauges
• Cantilever beam bends in an S-shape
– This induces both compressive and
tensile strains that can be easily
measured in a bridge arrangement
• Acceleration sensors
– Spring-mass-damper accelerometer
• Covered in the previous lecture
– Cantilever-beam with strain gauges
• A seismic mass is attached to the end of
the cantilever
– Dampening is usually performed with
viscous fluids or permanent magnets
8/26/2012
25
Ch3 - DAS
49
Temperature sensors
• Thermo resistive sensors
– Resistive Temperature Devices (RTD)
– Thermistors
• Thermoelectric sensors
– The Seebeck effect
– The Peltier effect
– Thermocouples
• p-n junction sensors