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
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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. 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) ME4511 7 Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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
Các thành phần cơ bản của một hệ Cơ điện tử ME4511 9 Các thành phần cơ bản của một hệ Cơ điện tử Cảm biến và Xử lý tín hiệu ME4511 10
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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 Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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). (a) (b) Minh họa dòng năng lượng qua cảm biến thụ động (a) và cảm biến tích cực (b) ME4511 13 Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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 dạng tín hiệu ra, cảm biến được phân loại thành cảm biến tương tự (analog) hay cảm biến số (digital). ME4511 14
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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 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 Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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 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
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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. ☺ 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
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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 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 Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo Các đặc tính cơ bản của cảm biến Các đặc tính động học (dynamic characteristics): ☺Tốc độ đáp ứng (speed of response) ME4511 23 Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo Các đặc tính cơ bản của cảm biến Các đặc tính khác: ☺Đặc trưng trở kháng và hiệu ứng tải (loading effect) ☺Độ tin cậy của cảm biến (reliability) ME4511 24
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo Các đặc tính cơ bản của cảm biến Nguồn: Sensors and Sinal Conditioning (2001) – Ramon Pallas Areny, John G. Webster ME4511 25 Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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
Giới thiệu chung về cảm biến và hệ thống đo 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
Biến đổi tương tự - số (ADC) 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. ☺Các mạch ADC có thể được chế tạo thành các IC độc lập, hoặc được tích hợp trong các vi điều khiển. ME4511 29 Biến đổi tương tự - số (ADC) Quá trình biến đổi ☺Lấy mẫu tín hiệu (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. ME4511 30
Biến đổi tương tự - số (ADC) Quá trình biến đổi ☺Lấy mẫu tín hiệu ‒ Tần số trích mẫu tối thiểu phải bằng 2 lần tần số lớn nhất trong tín hiệu. f 2 f s max ‒ 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). ME4511 31 Biến đổi tương tự - số (ADC) Quá trình biến đổi ☺Lượng tử hóa ME4511 32
Biến đổi tương tự - số (ADC) Quá trình biến đổi ☺Lượng tử hóa ‒ Trong trường hợp 1: V V Độ phân giải: q max min 2n Sai số lượng tử hóa: V q qmax ME4511 33 Biến đổi tương tự - số (ADC) Quá trình biến đổi ☺Lượng tử hóa ‒ Trong trường hợp 2: V V Độ phân giải: q max min 2n 1 Sai số lượng tử hóa: V q / 2 qmax ME4511 34
Biến đổi tương tự - số (ADC) 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 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. ME4511 36
Biến đổi tương tự - số (ADC) 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 Biến đổi tương tự - số (ADC) 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
Biến đổi tương tự - số (ADC) Các dạng bộ biến đổi ADC cơ bản ☺ADC kiểu xấp xỉ liên tiếp ME4511 39 Biến đổi tương tự - số (ADC) Các dạng bộ biến đổi ADC cơ bản ME4511 40
Biến đổi tương tự - số (ADC) Một số bộ ADC dạng IC ME4511 41 Biến đổi tương tự - số (ADC) 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
Hiển thị 20 trang đầu. Tải tài liệu để xem đầy đủ.
Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!
Bình luận (0)
Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!