Bài giảng Hệ thống thu thập dữ liệu đo lường

g đo : Sai lệch của một giá trị đo thực của một đại lượng đầu vào so với giá trị đo lý tưởng mong muốn được gọi là sai số tĩnh . Các loại sai số tĩnh : 4 loại .+ Sai số điểm không : Xuất hiện khi đường đặc tính trượt từ bên ngoài hay bên trong .Nguyên nhân bên ngoài làm trượt điểm không do nguyên lý đo Sự ảnh hưởng nhiệt độ : là nguyên nhân hay gặp – Điểm 0 do nhiêt ( mV/K) – bù thích hợp .HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.2. Các thông số đặc trưng của cảm biến Đại lượng vào Đại lượng đo Đại lượng vào Đại lượng đo Sai số độ dốc Đại lượng vào Đại lượng vào Đại lượng đo Đại lượng đo Sai số độ tuyến tính Sai số trễ Sai số điểm không H. Sai số tĩnh của hệ thống đo Sai số ngẫu nhiên : Khi đại lượng ngẫu nhiên có giá trị trung bình bằng không chồng chất cộng với giá trị đo.(Ví dụ nhiễu từ bộ xử lý tương tự ) Sai số trong : Do chế tạo đầu đo . Sai số do tuổi thọ : khi giá trị đo trôi theo một hướng hay thay đổi qua lại do vật liệu cảm biến lão hóa . Sai số độ dốc : Sai số gây ra sự thay đổi độ dốc của đường đặc tính . Nguyên nhân do sự thay đổi của nhiệt độ hay lão hóa .HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.2. Các thông số đặc trưng của cảm biến Đại lượng vào Đại lượng đo Đại lượng vào Đại lượng đo Sai số độ dốc Đại lượng vào Đại lượng vào Đại lượng đo Đại lượng đo Sai số độ tuyến tính Sai số trễ Sai số điểm không H. Sai số tĩnh của hệ thống đo Sai số độ tuyến tính : Đường đặc tính của thiết bị đo không hoàn toàn tuyến tính, tức sai lẹch khoảng dung sai nhất định quanh đường đặc tính lý tưởng .+ Sai số độ tuyến tính : Được tính tỷ số độ rộng của khoảng dung sai và giá trị cuối của giãi đo.+ Ví dụ sai số độ tuyến tính : điển hình trong phép đo hiệu điện thế, khi con chạy di chuyển trên đường tiếp xúc (chổi than), tính không đồng nhất vật liệu làm xuất hiện nhiễu cục bộ của đường đặc tính HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.2. Các thông số đặc trưng của cảm biến Đại lượng vào Đại lượng đo Đại lượng vào Đại lượng đo Sai số độ dốc Đại lượng vào Đại lượng vào Đại lượng đo Đại lượng đo Sai số độ tuyến tính Sai số trễ Sai số điểm không H. Sai số tĩnh của hệ thống đo Sai số trễ : Đô lớn của tín hiệu ra Không chỉ phụ thuộc giá trị đầu vào mà phụ thuộc hướng thay đổi của chúng . Tín hiệu ra là hàm số của các tín hiệu đầu vào đã đo, Về mặt vật lý hiện tượng trễ luôn có liên quan đến sư tích tụ và chuyển đổi năng lượng ( thường là hao tán ). Hiện tượng trễ thường xuất hiện với cảm biến từ tính, bới khi đo có sự chuyển đổi năng lượng điện trường và từ trường cũng như đôi khi tích tụ năng lượng do từ hóa trong Vật liệu kim loại HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.3. Cảm biến đo chuyển vị và chuyển động Các nguyên tắc đo các đại lượng động học và đông lực học Đại lượng động học cơ bản :Quảng đường (S) ; Góc xoay (φ) ; Vân tốc V= dS/dt; Vận tốc góc : ω = dφ/dt ; gia tốc a=d2s/dt2 ; gia tốc góc : ε=dω/dt Đại lượng động lực học : Lực F và Momen M HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.3. Cảm biến đo chuyển vị và chuyển động Phân loại cảm biến dự trên nguyên tác bộ chuyển đổi ( Tranducer)+ Biến trở ( potentionmeter): Bộ chuyển đổi biến trở dùng nguyên lý thay đổi điện trở của vật liệu cảm biến .+ Điện dung ( Câpcitance) : Chuyển đổi điện dung dùng nguyên lý thay đổi điện dung giữa 2 bề mặt tấm lắp đặt .+Điện từ ( Inductance ) :Bộ chuyển đổi điện từ dự trên sự thay đổi điện từ khi thay đổi phần tiếp xúc của lõi vật liệu từ và cuộn dây .+ Áp điện ( Piezoelectric) : Bộ chuyển đổi áp điện dự trên nguyên lý tạo điện thế của tinh thể áp điên( thường Quart) khi chịu biến dạng .HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.3. Cảm biến đo chuyển vị và chuyển động 1. Bộ chuyển đổi điện trở Ơ đây : L : Hành trình thước đo + d : Chuyển vị đo + E : Điện thế của đầu đo biến trở+ V : Điện thế đầu ra ứng với chuyển vị d Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo chuyển vị bằng biến trở HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.3. Cảm biến đo chuyển vị và chuyển động 2. Bộ chuyển đổi điện dung Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo chuyển vị bằng điện dung Ở đây : K : hằng số điện dung + A : Diện tích tấm điện cực + d : Khe hở giữa 2 điện cực 3 cách thay đổi điện dung :+ thay đổi khoảng cách 2 điện cực+ Thay đổi diện tích tiếp xúc 2 bản cực + Thay đổi hằng số điện môi HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.3. Cảm biến đo chuyển vị và chuyển động 3. Đo bằng điện từ Chuyển động lõi nam châm làm thay đổi dòng điện cảm ứng từ qua cuộn dây Cầu điện AC dùng để dò thay đổi dòng điện cảm ứng qua cuộn dây .H. Sơ đồ nguyên lý đo chuyển vị bằng chuyển đổi điện tư Dùng đo chuyển vị thẳng và góc quay Được gọi là Bộ chuyển đổi vi phân tuyến tính ( linear variable differential transformer -LVDT)HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG LVDT bao gồm 3 cuộn dây (coils)Cuộn sơ cấp nối nguồn điện AC, và dẫn hiệu điện thế AC trên cuộn dây ( coils) 2 và 3Cuộn dây 2 và 3 được nối với nhau trên cùng một dãy nhưng chiều quấn ngược nhau Khi lõi ở vị trí giữa, Hiệu điện thế đầu ra zero Khi lõi chuyển động về 1 phía , Điện thế sẽ gia tăng và hiệu điện thê tạo ra do khoảng cách của lõi Bộ chuyển đổi vi phân tuyến tính(LVDT)Mạch điện của Bộ VPTT( LVDT) như hinh HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.4. Cảm biến số đo chuyển động Trục Encoder (Shaft Encoders)Encoder quang gia tăng đếm số (Incremental Optical Encoder)Encoder quang trị số tuyệt đối (Absolute Optical Encoder)Sai số Encode (Encoder Error)Độ phân dải Encode (Digital Resolvers)Tốc độ kế số (Digital Tachometers)Cảm biến hiệu ứng Hall (Hall Effect Sensors)Đo chuyển động (Measurement of Translatory MotionCông tắc hành trình (Limit Switches)HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG Nội dung : TỔNG QUAN : Định nghĩa : Bộ chuyển đổi số Bất kỳ bộ chuyển đổi mà thông tin dưới dạng tín hiệu rời rạc mạ không có sai số số lượng khi đọc và được biều diễn dưới dạng số thì được phân loại là bộ chuyển đổi số Định nghĩa Encoder :Bất kỳ bộ chuyển đổi mạ tạo ra mã hóa đại lượng đo được gọi là Encoder Đinh nghĩa trục Encoder : Bộ chuyển đổi số dùng để đo chuyển vị góc (Angular Displacement ) hoặc vận tốc góc ( Angular Velocite ) HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.4. Cảm biến số đo chuyển động Ứng dụng của trục Encoders1.Control of robotics manipulators2.Machine tools3.Digital tape-transport mechanisms4.Servo plotters5.Printers6.Satellite mirror positioning systemHỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.4. Cảm biến số đo chuyển động Phân loại Encoder Trục Encoder phân làm 3 loại chính 1. Encoder trị số gia tăng(Incremental Encoders) 2. Encoder quang trị số gia tăng(Incremental Optical Encoders) 3. Encoder quang trị số tuyệt đối (Absolute Optical Encoders)Encoder trị số gia tăng(Incremental Encoders ) 1.Phương pháp quang học (photosensor) 2.Phương pháp trượt (Electrical conducting) 3.Phương pháp từ cảm (Reluctance) HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.4. Cảm biến số đo chuyển động Phương pháp Encoder quang HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.4. Cảm biến số đo chuyển động R1 180Ώ+5V+5VR2 2.2KΏR1 180ΏH. Bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Sơ đồ nguyên lý Transitor quang Optical Encoder HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG Đĩa mã hóa gắn trên trục động cơ gồm các lỗ - trên hình đía có 12 lỗ . Đĩa đạt giữa nguồn tia hồng ngoại do Điot quangLED cung cấp và đầu thu là transito quang sẽ chuyển mạch nếu vị trí LED, lỗ, transito quang thẳng hàng . Khi đó Tranzito quang đưa điện áp trên R2 về mức thấp. Khi đĩa ngăn ánh sáng thì tránito quang bị khóa, kết quả điện áp trên R2 ở múc cao. Để xác định chiều quay thuận hay ngược cần sử dụng bộ cảm biến kép gồm có 2 LED và 2 transito quang, hai đĩa mã hóa. Khi đĩa quay tan nhận hai xung chữ nhật lệch pha nhau 90 0. Chiều quay xác định bằng vị trí tương đối của hai tín hiệu ra. Đĩa thủy tinh được chia vạch trên vòng tròn đồng tâm với các vết sáng/ tối, chúng sẽ mã hóa góc quayBộ mã hóa quang học có diện tích của vùng tối giữa các vùng sáng có diện tích bằng nhau. Hai đi ôt quang 1 và 2 thì ở 2 mặt đối diện nhau qua lêch pha 900Để có thông tin về hướng hai tín hiệu (hai dãy sung ) lêch pha 900 ( Ký hiệu A và B) được tạo ra đĩa vạch cố định đặc biệt và hai bộ thu nhận ảnh . Việc dánh giá thông tin dựa trên trạng thái Logic được biểu thị thông qua tương quan 2 dãy xung. Hình vẽ , khi sườn trái L/H của dãy xung A trùng với trạng thài H của dãy xung B sẽ có 1 chuyển động về trước .bộ đếm sẽ đếm gia tăng tương ứng với sương L/H của dãy A .Nếu trong thời điểm này dãy B nhận giá trị bằng L thì đối tượng đo đang đi lùi HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG Phương pháp đo gia tăng đếm sốHỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 360 0Bộ cảm biến quang tốc độ 2 chiều quay . Xác định chiều quay bằng xác định lệch pha 2 tín hiệu HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG Thông thường các bộ cảm biến quang tốc độ còn kèm theo khả năng xử lý sườn xung tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép tăng số lượng vạch đếm trong một vành đĩa lên 4 lần .Chuuooix xung A hoặc B được đưa vào của khâu đếm tiến, biết số xung chu kỳ ta tính số vòng quay động cơ ; Trong đó : Tn : Chu kỳ điều chỉnh tốc độ động cơ . Chu kỳ đếm xung tính bằng giây .+ N0 số xung trong một vòng – còn gọi độ phân giải của cảm biến tốc độ .+ N số xung trong đơn vị thời gian Nhiều bộ cảm biến quang không cấp xung chữ nhật mà cấp xung có dạng hình sin .HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG Phương pháp đo gia tăng đếm sốHỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.5 Cảm biến đo biến dạng Khái niệm chung về cảm biến biến dạng : Biến dạng ε : ε = Δl/l ( tỷ số biến thiên kích thước Δl và kích thước ban đầu l Moddun đàn hồi : Trong đó σ = F/S Hệ số Poission : ε┴ = µ. Ε11 Do ảnh hưởng của biến dạng . Điện trở cảm biến thay đổi một lượng ΔR theo biểu thức : Ta có :HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 2.6 Cảm biến đo áp trở Silic Hiệu ứng áp trở silic : là sự thay đổi điện trở vật rắn dưới tác dụng ứng suất được cho bởi phương trình . R : Điện trở ρ : Điện trở suất L : Chiều dài τ : Chiều day ω : Chiều rộng cảm biến [ E] = [r].[j] E : Vecto cường độ điện trường J : Vecto mật độ dòng [ Δr] = [π].[s][ Δr] Ma trận thay đổi điện trở suất [π] ma trận hệ số áp trở [s] Ma trận ứng suất HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU ĐO LƯỜNG 3. Cảm biến lực