BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

TS. LÊ NGỌC TRÂN
Email:


Nội dung
Tổng quan về đo lường, điều khiển và giám sát tự
động

ĐO
LƯỜNG
CẢM
BIẾN

Các khái niệm, định nghĩa, nguyên lý của cảm biến

Cảm biến đo lường và ứng dụng


Một số khái niệm cơ bản về đo lường
ĐO LƯỜNG

𝑨 = 𝒌. 𝑩
Đại lượng cần đo

Giá trị đo (trị số kết quả đo)

Đơn vị đo

Ví dụ
I = 15 A
m = 150 kg
Phân loại đo lường theo các cơ sở sau
 Lĩnh vực đo : Đại lượng cơ học, đại lượng nhiệt, điện, hóa lý…
 Đặc tính đại lượng cần đo : Các đại lượng biến thiên chậm/ nhanh
 Mục đích đo : đo thực nghiệm/ dùng trong điều khiển tự động…
 Phương pháp đo : đo trực tiếp/ gián tiếp/đo hợp bộ/đo 1 lần…


Một số khái niệm cơ bản về đo lường
Điều kiện đo

 Điều kiện cần : Điều kiện để thực hiện đo lường
 Điều kiện đủ : Để phép đo có độ chính xác cao
Các hệ đơn vị đo khác nhau trên thế giới hiện nay

 CGS (centimeter Gramme Seccond)
 Hệ Anh (English)
 Hệ MKS (Meter Kilogram Second)
 Hệ MKSA (Meter Kilogram Second Ampere)

 Hệ Á Đông (thước, tấc, yến, tạ, sào, mẫu…)
 Hệ phi tổ chức (gang tay, sào đứng, bước chân …)
 Hệ đơn vị đo lường quốc tế SI (International System of Units)
Chiều dài
Khối lượng
Cường độ dòng điện
Cường độ ánh sáng

Lượng chất mol

mét
kilogam
Ampe
Candela
mol

m
kg
A
Cd
mol

Thời gian
Nhiệt độ
Góc phẳng
Góc khối

giây
Kelvin
radian
steradian

s
K
rad
Sr



Một số khái niệm cơ bản về đo lường
Từ các đơn vị đo cơ bản trên ta có các đơn vị kéo theo
Diện tích
Thể tích
Khối lượng riêng
Thể tích riêng
Tốc độ
Gia tốc
Lực
Áp suất
Công suất
Nhiệt dung riêng
Công, nhiệt lượng
Độ nhớt động lực học
Độ nhớt động học
Hệ số dẫn nhiệt
Hệ số cấp nhiệt

F
V


v


a
F
P
P
C

W






m2
m3
kg/m3
m3/kg
m/s
m/s2
N
Pa
W
J/kg.K
J
Pa.s
m2/s
W/m.K
W/m2.K


Tín hiệu đo và chuyển đổi tín hiệu đo
 Tín hiệu đo: Nhiệt độ, điện trở, cường độ dòng điện, áp suất, âm thanh…và có thể
chia làm 2 loại : Tin hiệu điện/ tín hiệu cơ.
Tín hiệu đo có thể chuyển sang 2 dạng hiển thị : Tín hiệu điện, tín hiệu cơ
 Chuyển đổi tín hiệu đo


Tín hiệu
không điện

Khuếch đại;
Chỉnh lưu;
cân bằng..

Tín hiệu
điện

Chuyển đổi
sơ cấp

Chuyển đổi
trung gian

 Cách thực hiện phép đo
o Đo trực tiếp / Đo gián tiếp
o Đo 1 lần / Đo nhiều lần
o Đo tiếp xúc/ Đo không tiếp xúc

Truyền tín
hiệu

Chuyển đổi
truyền tải

….



Cấu trúc của phương tiện đo
Cảm biến &
bộ chuyển đổi
sơ cấp

Mạch đo

Bộ hiển thị


Cấu trúc của phương tiện đo
 Mạch đo
o Mạch tỉ lệ
o Mạch khuếch đại
o Mạch gia công và tính toán
o Mạch so sánh
o Mạch tạo hàm
o Mạch biến đổi A/D, D/A

 Bộ hiển thị
o Hiển thị bằng kim chỉ thị
o Hiển thị bằng dụng cụ ghi
o Hiển thị bằng số


Định nghĩa Cảm biến
 Trong các HT điều khiển công nghiệp, các biến cần đo và giám sát là các đại
lượng vật lý như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức, lực,...Các đại lượng vật
lý này không có tính chất điện, trong khi các BĐK và Cơ cấu chỉ thị chỉ làm
việc với tín hiệu điện vì thế phải có thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý

không có tính chất điện thành các đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ
các tính chất của đại lượng vật lý cần đo. Thiết bị đó gọi là Cảm biến
(Thiết bị đo).

Các đại lượng
vật lý
(nhiệt độ, áp
suất, lưu
lượng,…)

Cảm biến

Các đại lượng
điện
(điện trở, điện
tích, điện áp,
dòng điện)


Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo

Sensor
Đại lượng đo
(Nhiệt độ, áp suất,
mức, lưu lượng,..)

Transducer

Thiết bị đo
PT. Cảm

biến

Bộ chuyển đổi
tín hiệu đo

Transmitter
Tín hiệu chuẩn
(4-20mA, 010V,...) Tín
hiệu bus

Chỉ báo

Indicator


Sai số thiết bị đo

Sai số tuyệt đối và sai số tương đối:
 Sai số tuyệt đối (ΔX): là hiệu giữa giá trị thực Xth và trị đo được của
các lần đo x.
| ΔX | = | Xth –x |

 Sai số tương đối (εx): là tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực tính
bằng phần trăm:
 Độ chính xác của phép đo:

Giá trị thực thì không thể tìm được, nhưng theo quy luật xác suất nếu đo nhiều lần thì trị trung
bình của phép đo càng gần với giá trị thực.

Ví dụ: khi đo nhiệt độ của 2 chất môi giới, chất thứ nhất có nhiệt độ

1000C, chất thứ 2 có nhiệt độ 3000C, nếu sai số tuyệt đối của 2 trường
hợp như nhau và bằng 20C. Trong trường hợp nào có độ chính xác cao
hơn?


Các tính chất của cảm biến
Độ chính xác: trong đo lường có 2 khái niệm về «độ chính xác» cần phải phân
biệt rỏ ràng: Độ chính xác của kết quả đo (Accuracy) và độ chính xác của thiết
bị (Precision).

Low precision
Low accuracy

High precision
Low accuracy

High precision
High accuracy

Độ nhạy: khi đại lượng cần đo ở đầu vào biến thiên thì đại lượng đo được ở
đầu ra của CB cũng biến thiên. Tỉ số giữa biến thiên ra của đại lượng đo được
ở đầu ra và biến thiên vào tương ứng của đại lượng cần đo ở đầu vào gọi là độ
nhạy của thiết bị đo.
Độ nhạy S bị ảnh hưởng bởi: điều kiện làm việc của CB,
 ra
hiệu ứng vật lý được sử dụng trong CB, vật liệu chế tạo,
S
 vào
nguồn nuôi,...



Phân loại cảm biến
Cảm biến tích cực là loại dựa vào các hiệu ứng, hiện tượng tự nhiên chuyển
đổi trực tiếp đại lượng không điện thành đại lượng điện mà không có nguồn
năng lượng bên ngoài cung cấp.
Ví dụ:
- Hiệu ứng nhiệt điện: chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện.
- Hiệu ứng quang điện: chuyển đổi trực tiếp cường độ ánh sáng thành dòng
điện trong chất bán dẫn.
- Hiệu ứng cảm ứng điện từ (Faraday): chuyển đổi tốc độ quay thành sức
điện động để đo tốc độ động cơ, hoặc chuyển đổi tốc độ chảy của lưu chất
thành sức điện động để đo lưu lượng,...
- Hiệu ứng áp điện: lực tác động lên vật liệu có tính chất áp điện làm xuất
hiện điện áp trên bề mặt vật liệu.
Cảm biến thụ động là loại cũng dựa vào các hiện tượng tự nhiên nhưng
chuyển đổi đại lượng không điện thành các đại lượng thụ động điện đó là điện
trở, điện dung, điện cảm. Để có tín hiệu điện ngõ ra thì cảm biến phải được
cung cấp nguồn điện bên ngoài.
Ví dụ: CB điện dung / điện cảm đo áp suất / dịch chuyển, áp điện trở, nhiệt
điện trở, quang trở,...


Phân loại cảm biến

Cảm biến tương tự là loại có tín hiệu điện ngõ ra là dạng
tương tự, tức là liên tục theo thời gian. Hầu hết cảm biến công
nghiệp là dạng này vì bản thân các đại lượng không điện trong
tự nhiên cũng là tương tự.
Cảm biến dạng số là loại có tín hiệu ngõ ra dạng số, xung
vuông, nhị phân, hoặc dạng các bước.

Ví dụ:
- Encoder đo tốc độ động cơ (có ngõ ra là chuỗi xung vuông).
- Cảm biến tiệm cận phát hiện có hay không có vật hay các
dạng công tắc quang (có ngõ ra On/Off) để điều khiển đóng
cắt mạch.


Nguyên lý hình thành cảm biến
Cảm biến là một thiết bị chuyển đổi các dạng năng lượng khác trong tự
nhiên thành năng lượng điện. Để làm được điều này, cảm biến phải ứng
dụng một số nguyên lý, hiệu ứng, hiện tượng có trong tự nhiên.
Đối tượng

Nguyên lý

Cảm biến

Ứng dụng

Khoảng cách, vị
trí, dịch chuyển,
mức, biến dạng

Sự giao thoa của sóng siêu âm,
sóng quang, thời gian truyền
sóng, điện trở

Giao thoa kế laser, Giao thoa kế
siêu âm, Các bộ thu phát, điện trở
tuyến tính, Encoder


Định vị/ điều
khiển vị trí, tốc độ

Tốc độ

Biến đổi tần số, sức điện động,
sự truyền nhiệt

Encoder, dynamo, hồng ngoại

Robot, đo tốc độ
gió

Lực, áp suất, mô
men xoắn

Sự biến dạng / điện trở, sự biến
dạng /lực điện động, biến vị

Áp điện trở, điện dung, điện cảm,
áp điện, lò xo

Độ sáng, màu sắc

Hiệu ứng điện từ trong chất
bán dẫn, sự khúc xạ

Kính quang phổ, CCD, PSD,
Transistor/diod


Nhiệt độ

Độ ẩm

Đo khối lượng vật,
cảm biến lực, áp
suất
Báo cháy, cảnh báo
xâm nhập

Sự giãn nở của chất khí, hiệu
ứng chất bán dẫn, sự phóng xạ
nhiệt

Cặp nhiệt, nhiệt điện trở, cảm biến
hồng ngoại, pin nhiệt điện

Lò sưởi, máy điều
hòa, trong công
nghiệp

Tính thấm nước, nhiệt hóa hơi,
sự hấp thụ tia hồng ngoại, sự
biến đổi dung lượng, độ dẫn
điện

Đầu / que dò độ ẩm, cảm biến độ
ẩm


Máy điều hòa


Nguyên lý hình thành cảm biến
Đối tượng

Nguyên lý

Cảm biến
Lưu kế điện từ, máy đo dạng phao,
dạng dung tích, dạng sai áp, dạng
cánh tua-bin

Ứng dụng

Lưu lượng

Biến đổi tốc độ - động lượng,
đo lường thể tích

Đo góc

Dưới dạng đo chiều dài

Encoder xoay

Gia tốc

Dưới dạng đo lực


Gia tốc kế

Dưới dạng đo áp suất

Microphone

Sóng âm, rung
động
Tính đàn hồi

Biến dạng đàn hồi, đo tốc độ âm
thanh

Độ cứng

Phản xạ sóng siêu âm

Nhiệt lượng

Dưới dạng đo nhiệt độ

Khói, hỏa hoạn

Kiểm tra phát hiện hồng ngoại,
phát hiện chất khí

Tỉ trọng, mật độ

Phương pháp so sánh, các quy
luật trọng lượng


Mùi, vị

Phản ứng hóa học

Không có cảm biến đặc thù, chuyên
dụng mà thông qua những cảm biến
đo các đại lượng vật lý khác

Lưu lượng kế


Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến
 Hiệu ứng hỏa điện:

 Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện (sulfate
triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào
nhiệt độ.
 Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó
tăng lên làm thay đổi phân cực điện.
 Hiệu ứng hỏa điện được sử dụng để chế tạo cảm biến đo
thông lượng bức xạ của ánh sáng.


Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến

 Hiệu ứng áp điện:

 Khi tác dụng một lực cơ học lên một vật làm bằng chất áp
điện (Thạch anh), sẽ làm vật đó biến dạng và làm xuất hiện

trên hai mặt đối diện của vật đó một lượng điện tích bằng
nhau nhưng trái dấu.
 Hiệu ứng này dùng để chế tạo các cảm biến đo lực, đo áp
suất, gia tốc,...


Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến
 Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

 Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện
một sức điện động tỷ lệ với biến thiên của từ thông nghĩa là
tỷ lệ với tốc độ của chuyển động của thanh dẫn.
 Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ
dịch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động cảm
ứng.


Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến
 Hiệu ứng quang điện:

 Bản chất của hiệu ứng quang điện là hiện tưởng giải phóng
các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ
ành sáng.
 Ứng dụng chế tạo cảm biến quang.


Một số hiệu ứng tạo thành cảm biến
 Hiệu ứng HALL:

Khi đặt một vật dẫn mang dòng điện vào trong một từ trường, một điện áp sẽ được tạo

ra vuông góc với cả hai dòng điện và từ trường. Nguyên lý này được gọi là hiệu ứng
Hall.

Một tấm vật liệu bán dẫn mỏng (phần tử Hall) có
dòng điện chạy qua nó. Kết nối ngõ ra vuông góc với
chiều của dòng điện. Khi không có từ trường đặt vào,
sự phân bố dòng sẽ không đổi và không có sự khác
biệt về điện áp ở ngõ ra.

Khi đặt một từ trường vuông góc thêm vào , một lực
Lorent tác dụng lên dòng điện. Lực này sẽ làm nhiễu
loạn sự phân bố dòng điện, kết quả là tạo sự khác biệt
về điện áp ở ngõ ra. Điện áp này được gọi là điện áp
Hall. Sự tương tác giữa từ trường và dòng điện được
chỉ ra như biểu thức dưới đây.
KH: là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước
hình học của tấm vật liệu


Một số nguyên lý mạch đo trong cảm biến
 Mạch cầu Wheatstone:

 R3
R2 
Vo  

 Vs
 R3  R4 R2  R1 
R1 R3  R2 R4
Vo 

Vs
( R3  R4 )( R2  R1 )
• Khi chọn R1/R2=R4/R3, ta có R1R3=R2R4 có nghĩa
là điện áp ra Vo=0. Đây được gọi là điều kiện cân
bằng của mạch cầu Wheatstone.

 Sử dụng rất phổ biến trong mạch cảm biến vì tính chất của mạch cầu
là rất nhạy với sự thay đổi.
 Sử dụng mạch cầu trong các trường hợp mắc vi sai sẽ cho một quan
hệ tuyến tính giữa điện áp ra và đại lượng biến đổi.
 Sử dụng mạch cầu giúp triệt tiêu nhiễu tác động lên phần tử cảm
biến.


Một số nguyên lý mạch đo trong cảm biến
 IC khuếch đại thuật toán Op-Amp (Operator Amplifier):
Công dụng: Khuếch đại (Amplifier), So sánh (Comparator),
thực hiện các phép toán (cộng, trừ, vi tích phân).
Ký hiệu:
Ngõ vào không đảo

In+

Đặc điểm:
Khi In+ > In- : Áp dương (>0)
Khi In+ = In- : 0V

InNgõ vào không đảo

Khi In+ < In- : Áp âm (<0)



Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán
 Ghép khuếch đại không đảo:
 Tín hiệu vào ngõ (+)
 Ngõ ra (-) nhận hồi tiếp qua R2, ta
nhận được tín hiệu ở ngõ ra mạnh
hơn và đồng pha với tín hiệu ở ngõ
vào.

* Nhận xét: Nếu giảm R1 và tăng R2 => sẽ làm tăng hệ số khuếch đại tín hiệu


Các mạch ứng dụng của IC khuếch đại thuật toán
 Ghép khuếch đại đảo dấu:

 Nếu ta ghép R2 hồi tiếp về ngõ vào (-) và tín hiệu cho vào ngõ vào (-)
thì ta nhận được tín hiệu ở ngõ ra mạnh hơn và ngược pha với tín
hiệu ở ngõ vào.