Bài giảng Thế nào là cảm biến và chuyển đổi

11.THẾ NÀO LÀ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI Cảm biến là gì ? Chuyển đổi là gì ? Chúng quan hệ như thế nào? 1.THẾ NÀO LÀ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI - Chuyển đổi ( transducer) là bộ phận biến đổi năng lượng vào thành năng lượng ra,thường thì chúng khác nhau,nhưng giữa chúng có mối quan hệ với nhau. Chuyển đổi là phần dùng cùng với cảm biến để biến đổi đại lượng vật lý thành dạng sử dụng thích hợp (Ví dụ điện thế ) “ -Chuyển đổi được dùng cùng với cảm biến để biến đổi các biến vật lí thành dạng phù hợp hơn - Cảm biến (Sensor) là device để phát hiện các đại lượng vật lý là tập hợp con của chuyển đổi, và được định nghĩa như sau cảm biến là chuyển đổi để nhận tín hiệu vào hoặc sự kích thích và các đáp ứng là tín hiệu điện có quan hệ đã biết với tín hiệu vào Hoặc cũng có định nghĩa khác là biến đổi thông số vật lý thành tín hiệu điện ở đầu ra ( ví dụ chuyển đổi microphone) -Chuyển đổi: bao gồm cảm biến và cơ cấu chấp hành, cảm biến là tín hiệu vào của chuyển đổi, còn cơ cấu chấp hành là tín hiệu ra của chuyển đổi. - Cơ cấu chấp hành (Actuator) Biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu ở dạng vật lý ở đầu ra (ngược với cảm biến) 2Chuyển đổi (Transducer) là phần tử đầu tiên để nhận sự biến thiên của đại lượng đo Biến đổi thông tin 1.THẾ NÀO LÀ CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ĐỔI Phần tử cảm nhận đầu tiên Thành dạng tín hiệu phù hợpQuá trình vật lý Truyền dữ liệu Thể hiện kết quả Người quan sát Các cảm biến được phân loại theo những nguyên tắc sau ƒ Yêu cầu của nguôn năng lượng cung cấp - Bị động và chủ động ƒ Dạng của tín hiệu ra 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN - Số và tương tự ƒ Mode hoạt động của việc đo - Lệch (Deflection) và Không (null ) ƒ Quan hệ động học giữa tín hiệu vào/ tín hiệu ra - Bậc không, bậc 1, bậc 2, v.v... ƒ Measurand - Mechanical, thermal, magnetic, radiant, chemical ƒ Physical measurement variable - Resistance, inductance, capacitance, etc. 32.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN ¾Chuyển đổi bị động: tạo ra tín hiệu điện trực tiếp để đáp ứng các tác động từ bên ngoài mà không yêu cầu cung cấp năng lượng từ bên ngoài nhưng năng lượng a/ PHÂN LOẠI THEO NGUỒN NĂNG LƯỢNG CUNG CẤP , bắt nguồn từ viện đo . ¾ Có thể bị bóp méo ( distort) đại lượng đo. ¾ Đơn giản trong thiết kế. ¾Tin cậy ¾Giá thành thấp ¾Ví dụ: cảm biến cặp nhiệt điện, cảm biến áp điện. 13 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN a/ PHÂN LOẠI THEO NGUỒN NĂNG LƯỢNG CUNG CẤP Chuyển đổi chủ động: Là chuyển đổi yêu cầu năng lượng từ bên ngoài. Ví dụ cảm biến Strain gauges, cảm biến laser 13 4b/DẠNG RA CỦA TÍN HIỆU ƒ Các cảm biến dạng tương tự ¾ Cung cấp tín hiệu liên tục ( độ lớn theo thời gian hoặc không gian) ¾ Hầu hết các đại lượng vật lý là ở dạng tương tự 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN ¾ Số các cảm biến có tín hiệu ra ở dạng tương tự nhiều hơn dạng tín hiệu ra ở dạng số ¾ Bộ biến đổi A/D là cần thiết để nối với CPU ¾ Ví dụ : Microphone, analog infrared distance sensor, analog compass, barometer sensor b/DẠNG RA CỦA TÍN HIỆU ƒ Các cảm biến dạng số ¾ Tín hiệu ra của nó ở dạng bước rời rạc hoặc ở dạng trạng thái 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN ¾ Các tín hiệu dạng số có khả năng lặp lại nhiều, tin cậy và dễ dàng truyền Ví dụ: các encoder đếm số vòng quay của các trục, các công tắc tiếp xúc 5¾Digital transducer is any measuring device that produces a digital output • 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN b/DẠNG RA CỦA TÍN HIỆU Các cảm biến dạng số ¾ In analog sensors (transducers) both sensing and transducer stages are analog. But since physical systems are typically continuous time systems, the sensing stage of a digital measuring device is analog. ¾ The transducer stage generates the discrete output signal such as pulse trains or encoded data ¾Digital transducers do not introduce quantization error ¾When the output is a pulse signal, a counter is used to count the pulses or to count the clock cycles over the pulse duration ¾ The count is represented as a digital word according to some code - Binary, BCD (Binary Coded Decimal), ASCII ¾ The output of the transducer may be available in a coded form c/ Mode LÀM VIỆC ƒ Mode Lệch (Deflection mode) - cảm biến hoặc dụng cụ sẽ tạo ra sự đáp ứng với độ lệch hoặc dao độnfg do tình trạng ban đầu của dụng cụ 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN -Độ lệch tỉ lệ với đại lượng cần đo 6c/ Mode LÀM VIỆC ƒ Mode không (Null mode) - Cảm biến hoặc dụng cụ sử dụng ảnh hưởng của hệ thống đo để tác động ngược lại với đại lượng đo -Ảnh hưởng của hệ thống đo và đại lượng cần đo được cân bằng ( thông thường là 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN qua hệ thống phản hồi) - Đối với phương pháp này dụng cụ có độ chính xác rất cao nhưng không nhanh d/ THEO THÔNG SỐ ĐO ƒ Đo dịch chuyển - CẢm biến điện trở Cả biế điệ d 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN - m n n ung - Cảm biến điện cảm…. ƒ Đo lực và gia tốc - Strain gauges - Cảm biến dạng dầm…… ƒ Đo nhiệt độ - Điện trở - Cặp nhiệt điện - Giãn nở ƒ V.v… 7e/THEO NGUYÊN LÝ 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN 2.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN g/ Theo quan hệ với thời gian Tĩnh – Không thay đổi theo thời gian Động: Thay đổi theo thời gian Ổn định theo chu kỳ . Không lặp lại hoặc tạm thời. rời rạc (xung) Liên tục (ngẫu nhiên) 8CÁC DẠNG TÍN HIỆU Tín hiệu t ầ hò Time u n an liên tục Tí hiệ t ần u u n hoàn rời rạc Tín hiệu liên tục không CÁC DẠNG TÍN HIỆU theo chu kỳ Tí hiệ hấtn u n thời rời rạc 9Tín hiệu ngẫu nhiên liên tục CÁC DẠNG TÍN HIỆU Tín hiệu ngẫu nhiên rời rạc. Chú ý loại này tương tự tức thời rời rạc nhưng đặc tính của chúng là khác nhau VIỆC LỰA CHỌN CẢM BIẾN Khi lựa chọn cảm biến thường dựa vào những yếu tố sau: Phạm vi làm việc Chuyển đổi cần phải có phài có phạm vi yêu cầu nằm trong hé i h hé ủ ó à ó độ hâ iải tốtp p v c o p p c a n v c p n g Độ nhậy Chuyển đổi cần phải có đủ độ nhậy để để cho phép tín hiệu ra có hiệu quả Tần số đáp ứng và resonant frequency Is the transducer flat over the needed range? Will the resonant frequency be excited? 18 Môi trường làm việc Nhiệt độ, chất lỏng ăn mòn, áp suất, rung động, và sự tiếp xúc của nó với đối tượng, kích thước …..? 10 Độ nhậy tối thiểu Chuyển đổi phải có độ nhậy tối thiểu để có thể nhậy với các kích thích ( tác nhân ) đo. Độ chính xác VIỆC LỰA CHỌN CẢM BIẾN Chuyển đổi có thể có sai số về độ lặp lại và sai số hiệu chỉnh cũng như các sai số khác nhậy với các kích thích đo Usage & ruggedness The ruggedness both of mechanical and electrical intensities of the transducer versus its size and weight must be considered. Who will be installing and using the transducer? 19 Electrical What length and type of cable is required? What are the signal-to-noise rations when combined with amplifiers and frequency-response limitations?