me4511_-_cam_bien_va_xu_ly_tin_hieu_đo_(handouts)_2.6m.pdf

BÀI GIẢNG MÔN HỌC
CẢM BIẾN VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO
(ME4511)
Nội dung
Giảng bài:
Các khái niệm cơ bản về cảm biến và hệ thống đo
Các nhóm cảm biến thông dụng
Xử lý tín hiệu sau cảm biến
Bài tập lớn: Thiết kế một hệ thống đo dựa trên vi điều khiển và một số cảm biến
thông dụng
Đánh giá:
Thảo luận trên lớp (10%)
Báo cáo bài tập lớn (40%)
Thi cuối kỳ (50%)
ME4511 3

Tài liệu tham khảo
David G. Alciatore (2019). Introduction to Mechatronics and Measurement
Systems, Fifth Edition. McGraw-Hill Education.
Paul P.L. Regtien (2012). Sensors for Mechatronics, Elsevier.
Ramon Pallàs-Areny, John G. Webster (2001). Sensors and Signal
Conditioning, John Wiley & Sons, Inc.
ME4511 4
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo
Khái niệm cơ bản về tín hiệu và xử lý tín hiệu
☺Tín hiệu là một hàm biểu diễn sự thay đổi của một đại lượng vật lý theo các
tham số độc lập.
A signal is a function that represents the variation of a physical quantity with
respect to any parameter.
☺Tham số độc lập thường là thời gian hoặc không gian.
☺Trong các hệ thống điện và điện tử, tín hiệu thường là sự thay đổi của các đại
lượng điện, như điện áp hoặc dòng điện, theo thời gian.
ME4511 6

Cảm biến là thiết bị tạo ra được một tín hiệu điện khi nhận kích thích từ một đại
lượng vật lý. Tín hiệu điện có quan hệ hàm số với đại lượng vật lý, và có thể
được xử lý tiếp để xác định giá trị của đại lượng vật lý.
Cảm biến (sensor) thường gồm một phần tử nhạy cảm với kích thích từ đại
lượng vật lý và thành phần chuyển đổi tín hiệu (transducer) – giúp chuyển đổi tín
hiệu tạo ra từ phần tử nhạy cảm thành tín hiệu điện mà các hệ thống đo và thu
thập dữ liệu có thể xử lý.
ME4511
Nội dung khóa học xem xét
các cảm biến như những thiết
bị hoàn chỉnh (được đóng vỏ
và có các đầu dây để kết nối
với các thiết bị khác)
7
Các hệ thống và thiết bị nhân tạo (man-made systems) thường phải thu thập dữ
liệu từ môi trường xung quanh, xử lý và thực hiện các tác vụ dựa trên dữ liệu thu
được.
Cảm biến (sensor) được sử dụng để thu thập dữ liệu từ môi trường. Thông tin từ
cảm biến có thể được hiển thị hoặc được tiếp tục xử lý.
Các hệ thống càng phức tạp thì càng cần tới nhiều cảm biến để thực hiện các
chức năng của nó.
ME4511 8

ME4511 9
Các thành phần cơ bản của một hệ Cơ điện tử
ME4511 10
Các thành phần cơ bản của một hệ Cơ điện tử
Cảm biến và
Xử lý tín hiệu

Bạn đã từng sử dụng loại cảm biến nào chưa?
Hãy kể tên loại cảm biến mà bạn đã từng sử dụng?
Bạn thấy việc sử dụng cảm biến khó hay dễ?
ME4511 11
Chất lượng của cảm biến ?
☺Cảm biến cần có độ nhạy cao với tín hiệu đo, nhưng không nhạy (hoặc có độ
nhạy thấp) với các tín hiệu khác từ môi trường đo.
☺Khi cảm biến tương tác với tín hiệu đo cần phải không ảnh hưởng (hoặc ảnh
hưởng rất ít) tới tín hiệu đo.
☺Các thông số làm việc của cảm biến cần phải rõ ràng và chính xác, được cung
cấp bởi nhà sản xuất (datasheet).
☺Cảm biến cần được hiệu chuẩn bởi nhà sản xuất.
☺Thân thiện, dễ sử dụng.
☺Tiêu thụ năng lượng ?
☺Khả năng ghép nối mạng (sensor network) ?
ME4511 12

Phân loại cảm biến
Có rất nhiều loại cảm biến được sử dụng trong các hệ thống đo lường, điều khiển,
và các hệ cơ điện tử.
Cần phân loại cảm biến theo một số tiêu chí.
☺ Dựa trên việc có cần tới nguồn điện bên ngoài để hoạt động hay không, cảm
biến được phân loại thành cảm biến tích cực (active sensors, modulating
sensors) và cảm biến thụ động (passive sensors, self-generating sensors).
ME4511 13
Minh họa dòng năng lượng qua cảm biến thụ động (a) và cảm biến tích cực (b)
(a) (b)
☺ Dựa trên dạng tín hiệu ra, cảm biến được phân loại thành cảm biến tương tự
(analog) hay cảm biến số (digital).
ME4511 14

☺ Dựa trên chế độ hoạt động, cảm biến được phân loại thành cảm biến lệch
không (deflection sensor) hoặc cảm biến cân bằng (null-type sensors).
Cảm biến cân bằng thường có độ chính xác tốt hơn cảm biến lệch không.
Tuy nhiên, cảm biến cân bằng thường chậm hơn cảm biến lệch không.
ME4511 17
☺ Dựa trên quan hệ vào-ra, cảm biến được phân loại thành cảm biến bậc
không, bậc một, bậc hai, hay bậc cao.
Cách phân loại này có ý nghĩa quan trọng khi cảm biến được sử dụng trong
các hệ thống điều khiển vòng kín.
ME4511 18

☺ Cảm biến có thể được phân loại theo đại lượng cần đo, thành cảm biến
nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, …
Cách phân loại như vậy có nhược điểm là tạo ra số nhóm lớn.
ME4511 19
ME4511 20

☺ Dựa trên đại lượng điện đầu ra, cảm biến được phân loại thành cảm biến
điện trở, cảm biến điện dung, cảm biến điện cảm. Hoặc cảm biến sinh áp,
cảm biến sinh dòng, cảm biến điện tích.
☺ Cảm biến dựa trên tiếp giáp p-n.
☺ Cảm biến dựa trên bức xạ.
☺ …
ME4511 21
Các đặc tính cơ bản của cảm biến
Các đặc tính tĩnh (static characteristics):
☺Dải đo
☺Độ chính xác (Accuracy)
‒ Được xác định trong quá trình hiệu chuẩn cảm biến.
‒ Khái niệm đường chuẩn của cảm biến (calibration curve).
‒ Sai số tuyệt đối và sai số tương đối.
☺Độ nhạy (Sensitivity, Scale Factor)
ME4511 22

Các đặc tính động học (dynamic characteristics):
☺Tốc độ đáp ứng (speed of response)
ME4511 23
Các đặc tính khác:
☺Đặc trưng trở kháng và hiệu ứng tải (loading effect)
☺Độ tin cậy của cảm biến (reliability)
ME4511 24

ME4511 25
Nguồn: Sensors and Sinal Conditioning (2001) – Ramon Pallas Areny, John G. Webster
Khái quát về các yêu cầu xử lý tín hiệu sau cảm biến
☺Tín hiệu ra từ cảm biến thường cần xử lý trước khi sẵn sàng cho các yêu cầu
truyền dẫn, hiển thị giá trị đo, lưu trữ, hoặc tương thích với các thiết bị tiếp nhận.
☺Các yêu cầu xử lý tín hiệu sau cảm biến có thể bao gồm: khuếch đại, chuyển
mức, lọc, phối hợp trở kháng, điều chế, giải điều chế, ...
☺Trong các hệ thống đo sử dụng các loại cảm biến tương tự, thường phải sử
dụng các bộ biến đổi tương tự - số (ADC), nhằm tạo ra tín hiệu tương thích với
các thiết bị xử lý số trong hệ thống (máy tính, vi điều khiển, ...).
ME4511 26

Yêu cầu thực hiện bài tập lớn: Thiết kế một hệ thống đo dựa trên vi điều khiển
và một số cảm biến thông dụng
☺Gợi ý một số loại cảm biến có thể sử dụng: cảm biến nhiệt độ (không sử dụng
cảm biến LM35), encoder, load-cell, cảm biến phân biệt màu, cảm biến đo
khoảng cách, cảm biến gia tốc, ...
☺Không sử dụng các loại cảm biến logic.
☺Tùy chọn loại vi điều khiển (8051, AVR, PIC, …).
☺Hiển thị giá trị đại lượng đo.
☺Yêu cầu khi báo cáo bài tập lớn:
☺ Thuyết minh về loại cảm biến sử dụng và các thông số đặc trưng;
☺ Thuyết minh về các vấn đề ghép nối, xử lý tín hiệu, tính toán giá trị đại lượng
đo (phần cứng và phần mềm);
☺ Thuyết minh về độ chính xác của cảm biến (và hệ thống đo)
ME4511 27
Biến đổi tương tự - số (ADC)
Tín hiệu tương tự và tín hiệu số
ME4511 28

Giới thiệu
☺Bộ biến đổi tương tự - số (ADC) là mạch điện tử với chức năng chuyển đổi từ tín
hiệu tương tự thành tín hiệu số.
☺Tín hiệu tương tự dưới dạng điện áp (hoặc dòng điện) được chuyển đổi thành
một mã nhị phân (digital code) với số bit xác định.
ME4511 29
☺Các mạch ADC có thể được chế tạo thành các IC độc lập, hoặc được tích hợp
trong các vi điều khiển.
Quá trình biến đổi
☺Lấy mẫu tín hiệu
ME4511 30
(a) (b) (c)
☺ Việc lấy mẫu tín hiệu được thực hiện bởi mạch trích và giữ mẫu (Sample-and-
Hold, S/H), được đặt tại lối vào của mạch ADC.

☺Lấy mẫu tín hiệu
‒ Tần số trích mẫu tối thiểu phải bằng 2 lần tần số lớn nhất trong tín hiệu.
ME4511 31
max
2
s
f f

‒ Trong thực tế, tần số trích mẫu có
thể bằng 5-10 lần tần số lớn nhất
trong tín hiệu.
‒ Phía trước bộ ADC có thể có một
bộ lọc thông thấp (low pass filter)
gọi là bộ lọc chống trùng phổ
(anti-aliasing filter).
☺Lượng tử hóa
ME4511 32

‒ Trong trường hợp 1:
ME4511 33
Độ phân giải:
Sai số lượng tử hóa:
max min
2n
V V
q


max
q
V q
  
‒ Trong trường hợp 2:
ME4511 34
Độ phân giải:
Sai số lượng tử hóa:
max min
2 1
n
V V
q



max / 2
q
V q
  

Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng biến đổi tương tự - số
☺Độ phân giải và sai số lượng tử hóa
☺Tốc độ lấy mẫu
ME4511 36
Hình bên minh họa kết quả
biến đổi tương tự - số được
cải thiện nếu tăng độ phân giải
và/hoặc tăng tốc độ lấy mẫu.

Các tham số quan trọng của một bộ biến đổi ADC
☺Độ phân giải (resolution) hay số bit đầu ra (word length)
☺Thời gian biến đổi (conversion time) hoặc Tốc độ biến đổi (conversion rate)
☺Sai số biến đổi (conversion error)
☺Dải cho phép của điện áp tương tự đầu vào (Analog voltage input range)
☺…
ME4511 37
Các dạng bộ biến đổi ADC cơ bản
☺ADC kiểu biến đổi song song (Flash ADC)
☺ADC kiểu Delta-Sigma
☺ADC kiểu 2 sườn xung (Dual slope ADC)
☺ADC kiểu xấp xỉ liên tiếp (Successive approximation ADC)
ME4511 38

☺ADC kiểu xấp xỉ liên tiếp
ME4511 39
ME4511 40

Một số bộ ADC dạng IC
ME4511 41
Yêu cầu sinh viên tìm hiểu thêm
☺Tìm hiểu bộ ADC tích hợp trên một vi điều khiển thông dụng
☺Gợi ý vi điều khiển:
☺ AVR: Atmega 8 hoặc Atmega 328
☺ PIC: 16F886
ME4511 42

Khuếch đại thuật toán (op-amp)
Khuếch đại thuật toán, hay op-amp, là một loại mạch khuếch đại điện áp vi sai.
Các chân cơ bản của một op-amp gồm lối vào không đảo (+), lối vào đảo (-) và
lối ra. Ngoài ra, op-amp còn có thêm các chân cấp nguồn, và một số chân chức
năng khác.
ME4511
 Op-amp được chế tạo với 3 tính chất quan
trọng:
☺ Trở kháng vào rất lớn.
☺ Trở kháng ra rất nhỏ.
☺ Hệ số khuếch đại rất lớn.
 Op-amp được chế tạo dưới dạng IC, và là
một thành phần quan trọng của nhiều
mạch điện tử.
 Một số IC op-amp: LM741, LM318, LM324,
LF411, OP-07A, TL072, TL082, ...
Ký hiệu op-amp
-
+
lối vào đảo
lối vào
không đảo
lối ra
43
Đặc tính vào – ra của op-amp.
ME4511 44
☺Do có hệ số khuếch đại
(vòng hở) rất lớn, tín hiệu ra
của op-amp tỉ lệ với tín hiệu
vào vi sai trong một phạm vi
rất nhỏ.
☺Bên ngoài phạm vi tuyến
tính, tín hiệu ra có giá trị bão
hòa.

Hệ số khuếch đại vòng hở của op-amp phụ thuộc tần số tín hiệu.
ME4511 45
Op-amp thường kết hợp với các linh kiện khác để tạo thành các mạch hữu ích.
Các mạch sử dụng op-amp thường đưa một phần hoặc toàn bộ tín hiệu trên lối
ra về lối vào đảo, tạo thành mạch phản hồi âm. Mạch phản hồi âm có các tác
dụng:
☺ Tạo ra hệ số khuếch đại vòng kín ổn định và có giá trị nhỏ hơn nhiều so với
hệ số khuếch đại vòng hở của op-amp.
☺ Mở rộng phạm vi làm việc tuyến tính và giảm méo tín hiệu ra.
☺ Cải thiện đáp ứng tần số.
ME4511 46

Mô hình op-amp lý tưởng
☺Khi phân tích các mạch sử dụng op-
amp có phản hồi âm thường sử dụng
các giả thiết lý tưởng sau đây:
 Trở kháng vào lớn vô cùng.
 Trở kháng ra bằng 0.
 Hệ số khuếch đại lớn vô cùng.
☺2 quy tắc quan trọng được áp dụng với
mô hình op-amp lý tưởng:
 Quy tắc 1: Điện thế trên hai lối vào
của op-amp lý tưởng bằng nhau
(khi op-amp chưa bão hòa).
 Quy tắc 2: Dòng điện đi tới hai lối
vào của op-amp lý tưởng bằng 0.
ME4511 47
Mô hình op-amp lý tưởng
Một số mạch op-amp cơ bản
☺Mạch khuếch đại đảo (inverting amplifier)
ME4511 48
in
V
out
V
1
R
2
R
Phân tích mạch:
 Hệ số khuếch đại điện áp:
 Trở kháng vào:
2
1
out
in
V R
V R
 
(Nhận xét: Hệ số khuếch đại của
mạch không phụ thuộc vào hệ số
khuếch đại vòng hở của op-amp)
1
in
Z R


☺Mạch khuếch đại không đảo (non-inverting amplifier)
ME4511 49
in
V
out
V
1
R
2
R
Phân tích mạch:
(Nhận xét: Hệ số khuếch đại của
mạch không phụ thuộc vào hệ số
khuếch đại vòng hở của op-amp)
2
1
1
out
in
V R
V R
 
in
Z  
☺Mạch lặp (voltage follower)
ME4511 50
in
V
out
V
Phân tích mạch:
 Có thể xem như mạch khuếch đại
không đảo với các điều kiện:
1
out
in
V
V

1 2
; 0
R R
  
 Trở kháng ra: 0
out
Z 
in
Z  
Mạch lặp thường được sử
dụng như mạch đệm phối hợp
trở kháng.

Một số tham số thực của op-amp 741
☺Input bias current: Là dòng trung bình đi tới hai lối vào khi mà điện áp lối ra bằng
0. Dòng bias của op-amp 741 khoảng 80nA. Dòng bias gây suy giảm điện áp tín
hiệu đi tới lối vào của op-amp.
☺Input offset current: Là dòng chênh lệch trên hai lối vào khi mà điện áp lối ra
bằng 0. Dòng offset của op-amp 741 khoảng 20nA.
☺Input offset voltage: Là điện áp bù trên lối vào nhằm giữ điện áp trên lối ra bằng
0 khi không có tín hiệu vào.
ME4511 51
ME4511 52
Sources of Output Error Voltage

Ví dụ: Tính điện áp trên lối ra của mạch khuếch đại đảo dưới đây, khi điện áp
vin=0?
ME4511 53
ME4511 54

☺Common-mode rejection ratio (CMRR):
ME4511 55
 
10
20log d
c
A
CMRR dB
A

Trong đó, Ad là hệ số khuếch đại tín hiệu vi sai, Ac là hệ số khuếch đại tín hiệu
đồng pha.
☺Slew rate: Là tốc độ thay đổi nhanh nhất của tín hiệu ra khi tín hiệu vào có dạng
bước nhảy.
ME4511 56

Các cảm biến điện trở
Giới thiệu
☺Có rất nhiều loại cảm biến hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vật liệu
vào giá trị của đại lượng đo. Các cảm biến này được gọi chung là cảm biến điện
trở.
☺Khi tham gia trong một mạch điện, các cảm biến này hoạt động như một phần tử
điện trở (với giá trị thay đổi theo giá trị của đại lượng đo).
☺Các đại lượng có thể đo dựa trên các hiệu ứng điện trở rất phong phú, như:
khoảng cách, góc, lực, mô-men, nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, …
☺Các cảm biến điện trở có nhiều ưu điểm, như: cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao,
điều chỉnh được độ phân giải, …
ME4511 57
Các loại cảm biến điện trở điển hình
ME4511 58

Biến trở con chạy (potentionmeter)
☺Biến trở con chạy là một thiết bị được sử dụng phổ
biến để đo chuyển dịch (tịnh tiến hoặc quay) của
một vật thể.
☺Biến trở con chạy hoạt động dựa trên sự phụ
thuộc của điện trở dây dẫn vào chiều dài dây dẫn.
ME4511 59
(b) Biến trở con chạy kiểu quay
(a) Biến trở con chạy kiểu tịnh tiến
, ( )
x
l x
R x
A A l
 
 
  
☺ Phương trình trên mô tả quan hệ lý tưởng giữa giá
trị điện trở Rx và chuyển dịch x.
☺Khi mắc với nguồn điện bên ngoài theo cấu hình mạch chia áp (voltage divider),
biến trở con chạy tạo ra tín hiệu điện áp tỉ lệ với khoảng chuyển dịch tịnh tiến
hoặc quay.
ME4511 60
r
out x
V
V R
R

r
V
x
l

Vr
Vout
l
R
x
Rx
+

☺Quan hệ giữa điện áp ra và khoảng dịch chuyển có thể phi tuyến do ảnh hưởng
của nội trở nguồn và điện trở vào của mạch xử lý tín hiệu phía sau.
ME4511 61
Biến trở con chạy (potentionmeters)
☺Giải pháp hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng tải
ME4511 62

ME4511 63
ME4511 64

☺Một số ứng dụng:
‒ Đo góc (đặc biệt trong trường hợp đo góc nhỏ với yêu cầu độ phân giải
cao).
‒ Đo dịch chuyển thẳng
‒ Đo gián tiếp các đại lượng có thể biến đổi về dịch chuyển góc hoặc dịch
chuyển thẳng (ví dụ, đo lực bằng cách kết hợp lò-xo với biến trở con chạy,
...).
ME4511 65
Cảm biến đo biến dạng (strain gauge)
Giới thiệu
☺Cảm biến đo biến dạng (strain gauge) là loại cảm biến thông dụng để đo biến
dạng (strain) và các đại lượng như ứng suất (stress), lực, mô-men, gia tốc, ...
☺Cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi giá trị điện trở của dây kim loại hoặc
bán dẫn khi dây bị biến dạng (trong giới hạn đàn hồi).
Xét một dây điện trở có chiều dài L, tiết diện A, và điện trở suất . Giả sử dây
chịu tác động và chiều dài bị thay đổi thành (L+∆L).
ME4511 66
L
R
A


R R R
R L A
L A


  
      
  
R L A
R L A


   
  
A L
A L
 

L
L


 

R L
G G
R L

 
 
(1)
(2)
(3)
(4)
Dẫn tới:
(G là hệ số độ nhạy của cảm biến)
;

Giới thiệu
☺Cảm biến đo biến dạng (strain gauge) thường được chế
tạo dưới dạng dây điện trở được sắp xếp thành hình
zig-zag trên một màng mỏng bằng vật liệu cách điện.
☺Khi sử dụng, cảm biến được dán trên vật chịu tác dụng
gây biến dạng, và cũng bị biến dạng theo.
ME4511 67
(Phương tác dụng chính)
(Phương có
độ nhạy thấp)
Tính điện trở cảm biến
☺Giá trị điện trở phụ thuộc biến dạng đàn hồi:
ME4511 68
   
0 0 0
( , ) ( ) 1 ( ) (1 ) 1 ( )
R T R T T R G T T
    
      
0
( ) (1 )
R R G
 
 
☺ Giá trị điện trở phụ thuộc biến dạng đàn hồi và nhiệt độ:
Trong đó, R0 là điện trở của cảm biến khi không có biến dạng đàn hồi (ε=0). Các
giá trị thường gặp của R0 là 120 Ω, 350 Ω, 700 Ω, 1000 Ω.
Với α là hệ số nhiệt điện trở, phụ thuộc loại vật liệu chế tạo dây điện trở.

Ví dụ: Cảm biến đo biến dạng có kích thước như hình dưới, được chế tạo từ vật
liệu constantan với điện trở suất tại 20 ºC là ρ=0.5 (Ω.mm2/m) và hệ số nhiệt
điện trở là α=10-5 K-1. Độ dày của lớp vật liệu constantan là 5 μm. Bỏ qua sự giãn
nở nhiệt của vật liệu. Coi thể tích không thay đổi khi dây điện trở bị biến dạng.
a) Tính điện trở cảm biến tại 25 ºC khi không có biến dạng đàn hồi.
b) Tính điện trở cảm biến khi có lực tác dụng gây ra biến dạng ε=0.001.
c) Từ các kết quả trên, hãy ước lượng giá trị độ nhạy G.
ME4511 69
Gợi ý: Ký hiệu điện trở là hàm phụ thuộc biến dạng và nhiệt độ, R(ε,T).
a) Dây điện trở có hình zig-zag, gồm 10 đoạn dài (phương ngang) và 9 đoạn ngắn
(phương dọc). Khi không có biến dạng đàn hồi:
ME4511 70
3
9 0.9 10 0.0081 ( )
v
L m

   
Tính tiết diện dây điện trở: 3 3 2
0.2( ) 5 10 ( ) 10 ( )
A mm mm mm
 
   
Tính điện trở cảm biến tại 20 ºC khi không có biến dạng đàn hồi:
(0,20) 125 4.05 129.05 ( )
h v
L L
R
A A
 
     
Tính điện trở cảm biến tại 25 ºC khi không có biến dạng đàn hồi:
  5
(0,25) (0,20) 1 (25 20) 129.05 (1 10 5) 129.05 1.00005 129.05
R R  
          
Nhận xét: Điện trở hầu như không thay đổi, do nhiệt độ không thay đổi nhiều!
Tổng chiều dài 10 đoạn nằm ngang: 3
10 25 10 0.25 ( )
h
L m

   
Tổng chiều dài 9 đoạn nằm dọc:

b) Chỉ có các đoạn nằm ngang bị biến dạng đáng kể khi chịu lực tác dụng. Phần
chiều dài thay đổi là:
ME4511 71
( )
(0.001, ) 129.3 ( )
h v
L L L
R T
A A A
 
 
   
 
0.25 0.001 0.00025 ( )
h
L L m

     
Khi chiều dài thay đổi thì tiết diện dây điện trở trên các đoạn nằm ngang cũng thay
đổi, do thể tích không thay đổi. Tiết diện trên đoạn nằm ngang khi có biến dạng:
3 2
4 2
0.25( ) 10 ( )
9.99 10 ( )
0.25( ) 0.00025( )
h
h
L A m mm
A A mm
L L m m



     
  
Điện trở của cảm biến khi có biến dạng:
c) Ước lượng giá trị độ nhạy G:
129.3 129.05
2
125 0.001
h
R
G
R 
 
  

Với 125 ( )
h
h
L
R
A

  
Quan hệ ứng suất – biến dạng
☺Giả sử dây điện trở chịu lực kéo/nén F theo phương vuông góc với tiết diện A.
☺Ứng suất, hay sức căng (stress):
ME4511 72
F
A
 
☺Định luật Hooke: E
 

(Với E là suất đàn hồi Young)

Ví dụ: Một cảm biến đo biến dạng có điện trở danh định là 350 Ω và hệ số độ
nhạy G=2.1. Cảm biến được dán lên một ống nhôm với tiết diện như hình. Tiết
diện có đường kính ngoài là 50 mm, đường kính trong là 47.5 mm. Ống nhôm có
suất Young E=73 Gpa. Tính giá trị điện trở thay đổi khi ống nhôm đỡ vật có khối
lượng 1000 kg.
ME4511 73
Gợi ý:
ME4511 74
F
R RG RG
AE

  
2 2 2 2
2
( ) (50 47.5 )
191 ( )
4 4
D d
A mm
 
 
  
9800 ( )
F mg N
 
0.52 ( )
R
  

Một số dạng cảm biến đo biến dạng
ME4511 75
Một số thông số điển hình
ME4511 76

Một số ý tưởng sử dụng cảm
biến đo biến dạng để đo các
đại lượng trong cơ khí.
ME4511 77
Mạch cầu Wheatstone
Mạch cầu Wheatstone được sử dụng rộng rãi để đo sự biến đổi tương đối của
điện trở.
Cấu trúc mạch cầu Wheatstone gồm 4 điện trở và 1 nguồn điện áp. 4 điện trở
mắc thành mạch cầu, nguồn điện áp được đưa tới một đường chéo của cầu. Khi
đó, điện áp trên đường chéo còn lại sẽ phụ thuộc vào biến thiên của các điện trở
trong mạch.
ME4511 78
  
3
2
1 2 3 4
1 3 3
1 2 4
1 2 3 4 1 2 3 4
out in
in
R
R
V V
R R R R
R R R
R R R
V
R R R R R R R R
 
 
 
 
 
 

  
    
 
   

Một số cấu hình mạch cầu Wheatstone:
ME4511 79
Độ nhạy của mạch cầu Wheatstone phụ thuộc điện áp tham chiếu. Nếu tăng điện
áp tham chiếu thì sẽ tăng được độ nhạy của mạch cầu Wheatstone.
Tuy nhiên, không thể tăng điện áp tham chiếu quá lớn, do hiệu ứng tỏa nhiệt của
các điện trở.
ME4511 80
Điện áp tham chiếu có thể tăng lên đáng kể nếu được cấp cho mạch cầu
Wheatstone dưới dạng xung điện áp.

Cảm biến nhiệt điện trở
Cảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD)
☺Là loại cảm biến đo nhiệt độ được chế tạo từ kim loại (như Pt), dựa trên sự thay
đổi giá trị điện trở phụ thuộc nhiệt độ,
ME4511 81
2
0 1 0 2 0 0
1 ( ) ( ) ... ( )n
n
R R T T T T T T
  
 
       
 
☺ Công thức đơn giản:
 
0 1 0
1 ( )
R R T T

  
Cảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD)
Ví dụ: Cảm biến PT100 có hệ số tản nhiệt trong không khí là 6 mW/K và trong
nước là 100 mW/K. Tính dòng điện lớn nhất có thể cho đi qua cảm biến mà không
gây ra sai số do hiệu ứng tự tỏa nhiệt lớn hơn 0.1 ºC.
ME4511 82
2
P I R
T
 
  
T
I
R

 


Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn (thermistor)
☺Điện trở của vật liệu bán dẫn thường giảm khi nhiệt độ tăng.
ME4511 83
☺Công thức xấp xỉ Steinhart-Hart:
ME4511 84

Ví dụ:
ME4511 85
Cảm biến số và cảm biến thông minh
Cảm biến Encoder
ME4511 86

ME4511 87
ME4511 88

Đo vị trí với encoder:
☺ Độ phân giải cơ bản
☺ Giải pháp tăng độ phân giải lên gấp đôi ?
Nếu encoder cung cấp 02 dãy xung lệch pha 90º:
☺ Có thể tăng độ phân giải lên gấp 4,
☺ Đồng thời, có thể phân biệt được chiều quay.
ME4511 89
Đo tốc độ với encoder:
☺ Ý tưởng 1: Liên hệ bài toán đo tần số.
☺ Ý tưởng 2: Liên hệ bài toán đo chu kỳ, hoặc đo khoảng thời gian.
ME4511 90

☺ Liên hệ với bài toán đo tần số.
ME4511 91
Công thức cơ bản: N = fx.T0
☺ Liên hệ với bài toán đo tần số.
ME4511 92
(Sinh viên nghiên cứu thêm về ví dụ này từ trang 477, sách “Sensor and Signal Conditioning”).
Ví dụ: Một loại cảm biến được sử dụng trong ứng dụng điều khiển giao thông, có tín
hiệu ra dạng điện cảm. Cảm biến được chôn tại vị trí thích hợp để phát hiện được tín
hiệu có xe ô-tô đi qua. Khi có xe ô-tô đi qua vị trí đặt cảm biến, điện cảm của phần tử
cảm biến giảm 10% so với khi không có xe ô-tô đi qua. Cảm biến được mắc trong một
mạch dao động LC, với tần số cộng hưởng có thể điều chỉnh trong khoảng từ 20 kHz
đến 150 kHz. Bằng cách đo tần số cộng hưởng của mạch LC, ta có thể phát hiện xe
ô-tô đi qua khi tần số thay đổi do điện cảm của cảm biến thay đổi.
Giả sử hệ thống đo tần số cộng hưởng sử dụng bộ đếm 8 bit để đếm số xung.
Tính thời gian đo lớn nhất sao cho không xảy ra trường hợp tràn bộ đếm.

☺ Có liên hệ với bài toán đo tần số.
ME4511 93
☺ Có liên hệ với bài toán đo tần số.
ME4511 94

Encoder tuyệt đối
ME4511 95
Encoder tuyệt đối
ME4511 96

Một số cảm biến khác
Nhóm cảm biến đo vị trí, tốc độ
☺ Cảm biến tiệm cận (proximity)
ME4511 97
ME4511 98

ME4511 99
Cảm biến quang điện trở (LDR)
Cảm biến quang điện trở là các cảm biến hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của
điện trở vật liệu bán dẫn vào bức xạ quang học (bức xạ điện từ với bước sóng từ
1 mm tới 10 nm).
ME4511 100
Ký hiệu cảm biến
LDR theo chuẩn IEC
Hình ảnh một loại
cảm biến LDR

Cảm biến quang điện trở (LDR)
ME4511 101
Đặc trưng của cảm biến LDR
Cảm biến quang điện trở
ME4511 102

Trong điều kiện không được chiếu sáng, điện trở của LDR có thể lớn trên 10
MΩ. Khi được chiếu sáng (với độ rọi khoảng 1000 lux) thì điện trở của LDR giảm
nhanh, chỉ còn khoảng 30 – 300 Ω, tùy loại.
Thời gian đáp ứng từ điều kiện tối sang sáng khoảng 10 ms, từ sáng sang tối
khoảng 1.5 s.
Cảm biến LDR thường được sử dụng trong các ứng dụng không đòi hỏi độ chính
xác cao (chỉ cần phân biệt điều kiện tối – sáng).
ME4511 103
Tham khảo sơ đồ mạch dưới đây.
(Nguồn: https://www.electronics-tutorials.ws/blog/wheatstone-bridge.html)
ME4511 104
 Trong sơ đồ mạch trên, op-amp 741 được sử dụng với cấu hình vòng hở (open-loop). Tín hiệu ra
của op-amp sẽ ở trạng thái bão hòa dương hoặc bão hòa âm.
 Để việc chuyển đổi giữa hai trạng thái bão hòa ổn định hơn, có thể sử dụng thêm 01 mạch chia áp
mắc với op-amp theo cấu hình phản hồi dương, để tạo thành mạch trigger Schmitt.

Các cảm biến điện dung
Điện dung và hằng số điện môi
ME4511 105
0 r
A A
C
d d
  
  0
( 8.85 / )
pF m
 
ME4511 106

ME4511 107
Ghép nối với cảm biến điện dung:
☺ Đo trở kháng (sử dụng cấu hình mạch cầu)
☺ Đo dòng – áp
☺ Đo tần số (điện dung C xác định tần số mạch dao động LC)
☺ Đo thời gian (thời gian tụ phóng – nạp phụ thuộc C)
ME4511 108

ME4511 109
Một số ứng dụng của cảm biến điện dung:
☺ Đo dịch chuyển, góc quay, tốc độ, gia tốc
☺ Khi kết hợp với các phần tử đàn hồi có thể đo được lực, mô-men, áp suất,
khối lượng.
☺ Và một số ứng dụng khác
ME4511 110

Các cảm biến điện cảm
Sinh viên đọc chương 4 của tài liệu tham khảo "Ramon Pallàs-Areny, John G.
Webster (2001): Sensors and Signal Conditioning" và tìm hiểu thêm về các cảm
biến điện cảm.
ME4511 111
ME4511 112
Questions & Answers

me4511_-_cam_bien_va_xu_ly_tin_hieu_đo_(handouts)_2.6m.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to me4511_-_cam_bien_va_xu_ly_tin_hieu_đo_(handouts)_2.6m.pdf

Similar to me4511_-_cam_bien_va_xu_ly_tin_hieu_đo_(handouts)_2.6m.pdf (20)

me4511_-_cam_bien_va_xu_ly_tin_hieu_đo_(handouts)_2.6m.pdf