Luận văn
Dụng cụ đo và cảm biến 1

Luận văn : Dụng cụ đo và cảm biến
nghi. Một loại mạng được xây dựng theo lý thuyết này.
BAM : Bidirection Associative Memory- Một loại mạng do
Kosko đề xuất năm 1988.
BP : Backpropagation - Thuật học lan truyền ngượ
c.
CAM : Content Addressable Memory- Bộ nhớ nội dung được
địa chỉ hóa. 2
LMS : Least Mean Square - Tên một thuật học (trung bình bình
phương nhỏ nhất).
LVQ : Learning Vector Quantization - Thuật học lượng hóa
véctơ.
MIMO : Multi Input Multi Output - Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu
ra.
MNN : Artificial Neural Networks - Mạng nơron nhân tạo
SISO : Single Input Single Output - Hệ một đầu vào một đầu ra.
RBF : Radial Basis Functions - Tên một loại mạng do Moody
và Darken đề xuất năm 1989. 3
MỞ ĐẦU
Mô phỏng sinh học đã tạo ra những thành tựu khoa học kỹ thuật to lớn
cho cuộc sống và công cuộc chinh phục thế giới tự nhiên của loài người. Mô
phỏng mạng nơron sinh học là một trong những lĩnh vực đang được phát triển
mạnh mẽ để tạo ra những hệ thống thông minh có những khả năng như ghi
nhớ kinh nghiệm quá khứ, nhận d
ạng, điều khiển, ra quyết định, dự

nơron nhân tạo để xử lý số li
ệu đo ngẫu nhiên nhằm giảm sai số ngẫu nhiên,
từ các giá trị lấy mẫu đã được xử lý để giảm sai số ngẫu nhiên bằng mạng
nơron chúng tôi đề xuất sử dụng hàm nội suy Lagrange để khắc độ tự động
đường đặc tính của cảm biến thông minh. Đồng thời chương này cũng đã
nghiên cứu việc ứng dụng mạng nơron để khắc
độ tự động đặc tính của cảm
biến đảm bảo độ chính xác cao.
Chương 4 nghiên cứu ứng dụng mạng nơron để hiệu chỉnh đặc tính thang
đo của cảm biến đảm bảo giới hạn sai số cho phép.
Chương 5 đánh giá kết quả đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo dựa
trên những kết quả của đề tài.
5
Chương 1
TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC ĐỘ CỦA DỤNG CỤ ĐO
VÀ CẢM BIẾN
1.1 Phương pháp khắc độ dụng cụ đo tương tự
Dụng cụ đo tương tự là loại dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lượng
liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục. Trong dụng cụ đo tương tự người ta
thường dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín
hiệu ra là góc quay của phần động (kim chỉ) hoặc là di chuyển của bút ghi
trên giấy (dụng cụ tự ghi).
Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong máy đo các đại lượng như
dòng điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở.v.v . Những dụng cụ
này chính là dụng cụ đo chuyể
n đổi thẳng. Tức là thực hiện việc biến năng
lượng điện từ thành năng lượng cơ học làm quay phần động một góc α so với

n
- trị số dòng
điện định mức làm kim lệch toàn thang). Trong trường hợp ở đồ thị hình 1.1
X
n
=I
n
=50mA. Các đường cong mômen quay M
q
cắt đường mômen cản M
c
tại
các điểm A, B, C, D. Từ giao điểm A, B, C, D ta có các vị trí cân bằng α =
30
°
, 50
°
, 70
°
, 90
°
tương ứng với các giá trị X=20, 30, 40, 50 mA. Như vậy ta
có thang đo của cơ cấu chỉ thị điện từ theo đơn vị của đại lượng X đầu vào. 6


α
[TL3].
Góc quay tỉ lệ với bình phương dòng điện do đó thang đo không đều. Ngoài
M
q

α 0
°
30
°
50
°
70
°
90
°

X=40%X
n
(I= 20 mA)
X=60%X
n
(I= 30 mA)
X=80%X
n
(I= 40 mA)
X=100%X
n
(I= 50 mA)
4


Cơ cấu chỉ thị điện động có phương trình đặc tính thang đo đối với
trường hợp dòng một chiều I
1
và I
2
: α=
21
12
II
d
dM
α
[TL3]. Trong trường hợp
dòng xoay chiều ta có α=
21
12
cos
II
Dd
dM
ϕ
α
. Như vậy góc lệch α phụ thuộc vào

III
III
F
[TL3]. Khi cos(I,I
1
)=cos(I,I
2
)=1 tức là dòng điện chạy qua
α
I, L
I
2
α
d
dL

Đặc tính thang đo ~
α
d
dL
I
2

Hình 1.2 : Đặc tính thang đo với
α
d
dL

đã điều chỉnh


cos(I
1
,I
2
), góc lệch α tỉ lệ với tích hai dòng điện.
Đối với cơ cấu chỉ thị tĩnh điện ta có phương trình đặc tính thang đo α=
α
d
dCU
2
2
[TL3]. Như vậy góc lệch α tỉ lệ với bình phương điện áp U. Đặc tính
thang đo không đều (bậc hai) và phụ thuộc vào tỉ số
α
d
dC
là một đại lượng phi
tuyến. Trong thực tế để cho đặc tính thang đo đều cần phải tính toán sao cho
khi góc lệch α thay đổi thì tỉ số
α
d
dC
thay đổi tỉ lệ nghịch với điện áp và đường
cong tổng hợp sẽ là đường tuyến tính với một độ chính xác nhất định. Giống
như trường hợp cơ cấu chỉ thị điện từ.
Đối với cơ cấu chỉ thị tự ghi đầu vào thường là dòng điện biến thiên theo
thời gian i(t) và đầu ra là đường quan hệ α(t). Đường ghi trên băng giấ
y là sự
phối hợp giữa hai chuyển động y=α=f(i) và x=Kt. Theo cách ghi có thể phân
loại cơ cấu tự ghi làm ba loại : loại thứ nhất là ghi các đường cong liên tục;

- Điều khiển các khâu của dụng cụ đo cho phù hợp với đại lượng đo ví
dụ : tự động chọn thang đo.
- Mã hoá các tín hiệu đo
- Ghép nối với kênh liên lạc để truyền số liệu đi xa.
- Có thể ghép nối v
ới bộ nhớ để lưu giữ số liệu của kết quả đo hay các
giá trị tức thời của tín hiệu đo.
Ngoài ra dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính còn có khả
năng tự động khắc độ. Quá trình tự động khắc độ như sau :
- Đầu tiên người ta đo các giá trị của tín hiệu chuẩn, 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 các sai số. 10
Ví dụ : Trong một Vônmét thực hiện theo phương pháp này việc khắc độ
được thực hiện trước mỗi lần đo (ở chế độ đồng bộ trong). Việc bù sai số do
sự lệch không của bộ khuếch đại (sự trôi điểm không chẳng hạn) sẽ được thực
hiện bằng cách đo mức không (mức đất) của tín hiệu, sau đó bắt đầu đo đ
iện
áp chuẩn cố định từ nguồn mẫu (ví dụ như pin mẫu).
Sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính có thể thay thế cho một loạt các thao
tác mà trong dụng cụ tương tự không thực hiện được ví dụ như : phép nhân,
phép tuyến tính hoá, điều khiển quá trình đo, điều khiển sự làm việc của các
thiết bị vào ra v.v...
1.3 Phương pháp khắc độ các chuyển đổi đo lường s
ơ cấp
1.3.1 Chuyển đổi đo lường so cấp
Chuyển đổi đo lường là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa

Đường cong của chuyển đổi phải ổn định, nghĩa là không thay đổi theo thời
gian. Và tín hiệu ra của chuyển đổi phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ
đo, hệ thống đo và máy tính.
Đặc tính của chuyển đổi có thể là hàm tuyến tính hoặc phi tuyến, chẳng
hạn như hàm lôga-rít, hàm đa thứ
c, hàm mũ.
Đặc tính tuyến tính được mô tả bởi biểu thức :Y=a+bx
Đặc tính lôga-rít : Y=a+b.lnx
Đặc tính hàm mũ : Y=a.e
kx

Đặc tính hàm đa thức : Y=a
o
+ a
1
.x + a
2
x
2
+...+ a
n
x
n
Đặc tính quan trọng của chuyển đổi là sai số.
- Sai số cơ bản của chuyển đổi là sai số gây ra do nguyên lý của chuyển
đổi, sự không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo.
- Sai số phụ là sai số gây ra do biến động của điều kiện bên ngoài khác
với điều kiện tiêu chuẩn.
Sai số tương đối quy đổi:
%100
Các đường giới hạn sai số cho phép lệch với đường đặc tính lý t
ưởng
một khoảng
Δ±
và đường cong thực tế lệch với đường đặc tính lý tưởng một
khoảng
δ
±
, trong đó
Δ≤
δ
.
100% x
Y
100%
y
y’
z
z’

Y 13
Có nhiều phương pháp để tuyến tính hoá đường đặc tính của cảm biến.
Đối với đặc tính có thể tuyến tính bằng một đường thẳng người ta thường
dùng các phương pháp sau :
+ Phương pháp dùng điểm đầu và điểm cuối của đường đặc tính :
Ta xác định các giá trị đầu ra của cảm biến tại giá trị nhỏ nhất và lớn
nhất của đầu vào và vẽ đường thẳ
ng qua hai điểm này (đường 1 trên hình 1.5).
Gần các điểm đầu và điểm cuối thì sai số nhỏ và sai số lớn nhất rơi vào
khoảng giữa của đường đặc tính.

+ Phương pháp xấp xỉ bình phương cực tiểu :
Đo vài giá trị đầu ra Y (n giá trị) tương ứng với các giá trị đầu vào x
trong toàn thang đo. Sử dụng công thức sau để xác định các giá trị a và b củ
a
đường thẳng Y=a+b.x (đường 2 trên hình 1.5)
()
2
2
2
∑∑

Y
100%
0
Hình1.5 : Đường thẳng xấp xỉ đường cong phi tuyến
c
2
1
314
trong vùng nhiệt độ sốt của cơ thể từ 37 đến 38°C. Nó có thể kém chính xác ở
ngoài khoảng nhiệt độ đó. Cảm biến được hiệu chuẩn ở vùng yêu cầu độ
chính xác cao nhất . Do đó đường xấp xỉ có thể được vẽ qua điểm hiệu chuẩn
c (đường 3 trên hình 1.5). Sai số nhỏ ở gần điểm hiệu chuẩn và tăng lên về
phía hai đầu củ
a thang đo. Trong phương pháp này thì đường thẳng thường
được xác định như là tiếp tuyến của đường đặc tính tại điểm hiệu chuẩn.
+ Phương pháp dùng đường thẳng độc lập : đường thẳng xấp xỉ độc lập
là đường thẳng nằm giữa hai đường song song sát nhau và bao toàn bộ các giá
trị đầu ra trên đường đặc tính thực tế như hình 1.6. Đặc tính động củ

của các cảm biến.
1.3.2 Ứng dụng vi xử lý trong xử lý số liệu đo của cảm biến [TL3]
+Xử lý kh
ắc độ
Yêu cầu cơ bản nhất đối với chuyển đổi là tạo được đặc tính Y=f(x) với
Y
i
=K
i
X
i
. Động tác khắc độ hay chuẩn độ là xác định các K
i
với sai số của nó
là max
i
i
K
KΔ
≤
i
K
γ

Trong trường hợp cảm biến bị nhiều yếu tố ngẫu nhiên tác động thì K
i

được xác định bằng phương pháp thống kê.
m
K

kK
δ
=Δ
với xác suất P
i
KΔ
sai số tuyệt đối của K
i
có tính ngẫu nhiên
k
st
- hệ số tra ở bảng Student
*
i
X
δ
=
)1(
)(
2
−
−
nn
Xx
ii
là độ lệch bình quân phương
Bộ hệ số K
i
và
i

1
ix
ii
ii
YY
YY
XX
−
−
−
+
+

Ghi lại kết quả X cùng với K
i
và
i
i
K
K
K
i
Δ
=
γ

+Xử lý thống kê
Khi bản thân đối tượng đo biến đổi hoặc chịu tác động của nhiễu, gây ra
sai số ngẫu nhiên. Cảm biến thông minh có thể xử lý thống kê tức là đo với
tốc độ nhanh rồi tính giá trị trung bình, tính sai số thống kê của kết quả đo,


Đối
tượng
đo
CB1
CB2
CBn
CĐCH1
CĐCH2
CĐCHn
MUX
A/D
µ
C
Cảm biến thông minh
Hình 1.7:Cấu trúc Cảm biến thông minh 17
Cảm biến gồm những chuyển đổi sơ cấp dùng để biến đại lượng không
điện hoặc điện thành đại lượng điện. Các đại lượng này có thể là đại lượng

trong đó n là số điểm lấy mẫu. Thông thường sử dụng phương pháp tuyến tính
hoá để xây dựng đường xấp xỉ đường cong đặc tính trong một giới hạn sai số
cho phép. Mạng nơron có khả năng xấp xỉ hàm một hoặc nhiều biến với độ
chính xác tuỳ ý, do đó ta có thể sử dụng mạng nơron để thực hiện xấp xỉ hàm
X=f(Y) trên cơ sở
tập lấy mẫu đã có. 18

Y
X
0
Y
1
Y
2
Y
n
X
1
X
n
X
2
X
i
Y
i


W
{Y
i
}
{X
i
}
X=f(Y)

Chỉ thị
Hình 1.9 : Sơ đồ khắc độ tự động bằng mạng nơron

CĐCH
CB
A/D
VXL
MNN
Hiển thị
số

Đối
tượng
đo
x

x
đo
y

y

quả. Trước tiên ta xét sai số hệ thống thể hiện qua đường cong đặc tính c
ủa
Giá trị thực
Hình 1.11: Mô hình sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên
Sai số hệ
thống
Sai số
ngẫu
nhiên 21
cảm biến. Giả sử đường cong đặc tính của cảm biến có sai số vượt quá sai số
cho phép, ta có thể biểu diễn như trên hình 1.12.

Như vậy δ>
Δ
, tức là sai số vượt quá giới hạn cho phép. Có thể dùng
phương pháp tuyến tính hoá hoặc phương pháp biến đổi hàm để hiệu chuẩn
lại đường đặc tính của cảm biến đạt sai số trong giới hạn cho phép.
Để tuyến tính hoá đặc tính thực tế của cảm biến ta cần lấy mẫu nhiều
điểm với tần số lấy mẫu được tính theo công thức :
M
e

nhiều thì việc tuyến tính hoá cần khối lượng tính toán lớn, thủ công và mất rất
nhiều thời gian, công sức.

Δ−
Δ+

Đường giới hạn phải
Đường giới hạn trái Đường hiệu chuẩn
Đường đặc tính thực tế
Hình 1.12 : Đường đặc tính với sai số vượt quá giới hạn cho
hé
x
Y
-
δ
22

Giả sử phương trình đường đặc tính thực tế Y

1
=ϕ(X
2
) cũng có thể xấp xỉ chính xác
bằng mạng nơron.
Do các hàm Y
1
= φ(Y
2
) và X
1
=ϕ(X
2
) đều là hàm đơn trị, đồng biến hoặc
nghịch biến nên ta có thể sử dụng những mạng nơron khá đơn giản đủ để thoã
mãn yêu cầu bài toán đặt ra.
Đặc tính thực tế - (1)
Đường hiệu chuẩn (Đặc tính lý thuyết) – (2)
100% X
100% Y
0
X

Hình 1.13: Hiệu chỉnh đường đặc tính thực tế
Y
1

Y
2



Hình 1.14 : Xây dựng đường đặc tính của cảm biến
Theo lý thuyết thống kê giá trị đo thực X
k
sẽ nằm trong khoảng :
k
k
kk
k
XXXXX Δ+<<Δ−
. Như vậy giá trị trung bình
k
X
sẽ lệch với giá trị
thực X
k
một khoảng
kk
k
XXX
Δ≤−
.
X
Y
n
0
Y
1
Y
2

k
k
k
XXXX −<<−
ε
*
với
ε
nhỏ tuỳ ý cho trước. Khi
mạng nơron được huấn luyện để giá trị đầu ra của mạng
*
k
X
hội tụ về giá trị
thực X
k
thì đó là kết quả ước lượng tốt hơn giá trị trung bình
k
X
. Sau khi đã
có mạng nơron được huấn luyện để có đáp ứng gần với giá trị thực nhất thì
với một tập đầu vào số liệu đo ngẫu nhiên ta sẽ có giá trị đầu ra của mạng
*
k
X
. Các giá trị đầu ra
*
k
X
này có thể xem là giá trị thực để tiến hành thao tác