Chương 7: CẢM BIẾN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN 2.3.1. Khái niệm cơ bản về cảm biến Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các trạng thái. Các trạng thái này thường là các đại lượng không điện. nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được đònh nghóa theo nghóa rộng là thiết bò cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình vẽ) trong đó cửa vào là biến trạng thái cần Bộ cảm biến Kích thích Đáp ứng x y đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x. Hình 2.4. Mô hình mạch của bộ cảm biến Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng: y=f(x) (2.1) Phương trình quan hệ này thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng – kích thích. Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm. t1 t2 tn t tt nt2t1 s m Cảm biến Đại lượng cần đo (nồng độ dầu, Cđ) Đại lượng điện (s) Hình 2.5. Sự biến đổi của đại lượng cần đo m và phản ứng s theo thời gian Một vấn đề quan trọng là khi thiết kế và sử dụng cảm biến là làm sao cho độ nhạy s của chúng không đổi, nghóa là s không phụ thuộc vào các yếu tố sau:  Giá trò của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số thay đổi của nó (dải thông).  Thời gian sử dụng (độ già hoá).  nh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. Trong sơ đồ hình 2.6 quá trình được đặc trưng bằng các trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của bộ cảm biến được phối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. Đầu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, Bộ vi xử lý Chương trình Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến Quá trình (các trạng thái) trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình. Hình 2.6. Hệ thống điều khiển tự động quá trình Theo quan điểm mô hình mạch ta coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp ứng – kích thích được biểu diễn bằng phương trình (2.1). Quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản của bộ cảm biến. Ta có thể đònh nghóa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau: 2.3.2. Hàm truyền Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trò, đồ thò hoặc biểu thức toán học. Gọi x là kích thích, y là tín hiệu điện áp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng: Y = a + bx ở đây a là hằng số bằng tính hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, b là độ nhậy, y là một trong những đặc trưng của tín hiệu ra của bộ cảm biến. Hàm truyền logarit có dạng: Y = 1+ blnx dạng mũ: y = ae kx dạng luỹ thừa: y = a 0 + a 1 x k ở đây k là hằng số. . đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình. Hình 2.6. Hệ thống điều khiển tự động quá trình Theo quan điểm mô. hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp. cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, Bộ vi xử lý Chương trình Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến Quá trình (các trạng thái) trong đó bộ cảm biến đóng