Giáo trình Đặc tính cảm biến - Chương 2: Xử lý tín hiệu cảm biến

Chương 2: XỬ LÝ TÍN HIỆU CẢM BIẾN Các phương pháp xử lý tín hiệu liên tục Tín hiệu đơn (single-ended signal ) Tín hiệu có một cực có điện thế không đổi (L) Tín hiệu vi sai (differential signal ) Tín hiệu có hai cực điện thế thay đổi đồng thời cùng biên độ nhưng trái dấu. So với tín hiệu đơn thì tín hiệu vi sai loại được nhiễu cách chung (common-mode noise), không có sai số do vòng đất ( ground loop) chênh lệch điện áp giữa các ground. Khuếch đại tín hiệu đơn và vi sai Trở kháng của nguồn tín hiệu nguồn áp nguồn dòng Điều kiện : trở kháng tải(thiết bị đo) nếu không sẽ gây nhiễu làm sai số, có thể hư cảm biến Điều kiện : trở kháng tải(thiết bị đo) nếu không sẽ gây nhiễu làm sai số, có thể hư cảm biến Tín hiệu ngõ ra của cảm biến Ngõ ra logic: Switches: ngõ ra đơn giản nhất của sensor là các tiếp điểm NO và NC của relay: Ngõ ra cực thu hở – open collector: NPN/Sinking Sensor: PNP/Sourcing Sensor Kết nối: Ký hiệu: Ngõ ra push - pull Ngõ ra 3 trạng thái Ngõ ra liên tục Ngõ ra là điện áp: 0 - 5V, 0 – 10V, -5V – 5V, -10V – 10V Ngõ ra là dòng điện: 0 – 20mA, 4 – 20mA (2-wire sensnor, 4-wire sensnor), -10mA – 10mA, -20mA – 20mA Giới thiệu vòng dòng điện 4 – 20mA: Số hóa tín hiệu liên tục ADC (Analog Digital Converter) Tần số lấy mẫu: các điểm lấy mẫu điện áp Tần số lấy mẫu: Định lý lấy mẫu Shannon: : tần số lấy mẫu : tần số max của tín hiệu vào Thực tế tần số lấy mẫu lớn hơn 4 lần , nếu tần số lấy mẫu nhỏ sẽ gây sai số giá trị thực của tín hiệu (aliasing). 9 mẫu được lấy trong 7 chu kỳ tín hiệu 2.3.2 Các phương pháp biến đổi AD Phương pháp Tốc độ Độ phân giải Chống nhiễu Chi phí Successive approximation Trung bình 10-16bits Xấu Thấp Ramp/counting Chậm 14-24bits Tốt Trung bình Flash/parallel Nhanh 4-8bits Không Cao Integrating Chậm 12-18bits Tốt Thấp Bộ biến đổi AD xấp xỉ liên tiếp (Successive approximation) Đây là bộ biến đổi được dùng rộng rãi nhất trong các bộ biến đổi AD. Đơn vị điều khiển sửa đổi từng bit của thanh ghi bắt đầu từ bit MSB, đầu tiên so sánh áp vào có vượt điện áp chuẩn của bit MSB, nếu vượt thì MSB có giá trị 1 và lấy điện áp vào trừ đi điện áp chuẩn, phần dư đem so sánh với các bit trẻ lân cận. Rõ ràng có bao nhiêu bit trong một số nhị phân thì cần bấy nhiêu bước so sánh và bấy nhiêu điện áp chuẩn. Bộ biến đổi AD theo hàm dốc (Ramp/counting) Đây là bộ biến đổi đơn giản nhất. Ở trường hợp này ta tính đến số lượng các tổng số điện áp chuẩn (dùng bộ couter) của các bit trẻ dùng để diễn đạt điện áp vào. Nếu tổng số bit mô tả bằng n thì cũng cần n bước để nhận được kết quả. Phương pháp này rẻ nhưng chậm. Bộ biến đổi Flash AD (Flash/parallel) Điện áp vào đồng thời so sánh với n điện áp chuẩn và xác định chính xác nó đang nằm ở mức nào, kết quả có một bậc của tín hiệu xấp xỉ, giá thành cao, tốc độ nhanh. Bộ biến đổi AD theo tích phân (Integrating) Bộ biến đổi loại này là một trong những bộ có thời gian biến đổi chậm nhất, rẻ. Ưu điểm chống nhiễu và sự trôi nhiệt. Nguyên tắc chính là dựa vào quá trình nạp và xả tuyến tính của tụ với dòng hằng. Đầu tiên, tụ được nạp trong một khoảng thời gian xác định từ dòng hằng rút ra từ điện áp vào. Vì vậy, ở cuối thời điểm nạp, tụ sẽ có một điện áp tỷ lệ với điện áp vào. Cũng vào lúc này, tụ được xả tuyến tính với một dòng hằng rút ra từ điện áp tham chiếu chính xác Vref. Khi điện áp trên tụ giảm về 0 thì quá trình xả kết thúc. Trong suốt khoảng thời gian xả này, một tần số tham chiếu được dẫn đến một counter và bắt đầu đếm. Do khoảng thời gian xả tỷ lệ với điện áp trên tụ lúc trước khi xả nên ở cuối thời điểm xả, counter sẽ chứa một giá trị tỷ lệ với điện áp trên tụ trước khi xả, tức là tỷ lệ với điện áp vào. Truyền tín hiệu đi xa, lọc nhiễu Truyền dữ liệu cảm biến đi xa a. Tín hiệu tương tự: Truyền dữ liệu bằng đường truyền 2 dây chuẩn công nghiệp 4-20mA. Sử dụng nguồn dòng có ưu điểm so với nguồn áp là điện trở của đường dây không ảnh hưởng đến dòng điện trong mạch vì điện trở nguồn dòng rất lớn, nguồn dòng còn cung cấp công suất cho tải. Tín hiệu áp rơi trên tải thích hợp với mạch xử lý tiếp theo cho các mạch điện tử. b. Chuẩn HART trong đo lường: Ngoài ngõ ra chuẩn 2 dây 4 – 20mA, thiết bị còn dùng phương pháp điều chế tần số FSK (Frequency Shift Keying) để cảm biến truyền các thông số nhận diện cảm biến. Hart signal superimposed on the analog current signal Connection of HART master devices c. Tín hiệu số : Sensor Xử lý tín hiệu analog Biến đổi AD Xử lý tín hiệu digital Truyền tín hiệu digital Lọc nhiễu: nhiễu nội tại và nhiễu truyền dẫn a. Nhiễu nội tại Phát sinh do công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu, linh kiện, xử lý tín hiệu b. Nhiễu truyền dẫn Nguồn nhiễu: quá độ trong nguồn nuôi, từ trường-tĩnh điện, trường điện từ tần số cao radio, biến thiên nhiệt, lực hấp dẫn, dao động, độ ẩm, bức xạ ion hóa, tác nhân hóa học Các biện pháp khắc phục: kỹ thuật vi sai, cách ly nguồn nuôi, lọc, màn chắn, màn từ, vỏ bọc về điện cho cáp tín hiệu, nối đất hệ thống Các mạch khuếch đại, ổn định điểm làm việc, tuyến tính hóa Lưu ý: Các mạch khuếch đại không chỉ nhằm mục đích duy nhất là nâng cao biên độ tín hiệu mà nó còn có thể là mạch phối hợp trở kháng, mạch nâng cao tỉ lệ tín hiệu/nhiễu, mạch lọc, mạch cách ly giữa ngõ vào và ngõ ra. Khuếch đại thuật toán, ổn định điểm làm việc Các mạch khuếch đại trong đo lường phần lớn là khuếch đại thuật toán (op-amp): khuếch đại DC, có hệ số KĐ lớn (104 – 106), tổng trở vào rất lớn (hàng trăm MΩ – GΩ), tổng trở ra rất bé (Ω). Một số mạch KĐ thường gặp: a. Mạch KĐ đảo: b. Mạch KĐ không đảo c. Mạch đệm (chuyển đổi tổng trở) Nguồn điện áp ra Vo có trở kháng nhỏ gần bằng 0 (nguồn điện áp lý tưởng). d. Mạch trừ với bộ KĐ Electrometer Các điện áp offset của U1A và U1B bù trừ lẫn nhau, mạch KĐ vi sai loại được nhiễu cách chung. Chú ý: ổn định điểm làm việc liên quan sự trôi và thay đổi trị số của linh kiện điện tử do môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, hơi nước ) và thời gian. Do đó đòi hỏi phải cân chỉnh lại các thông số cảm biến và hệ thống đo lường nói chung sau một thời gian sử dụng. Mạch cầu (Wheatstone bridge), tuyến tính hóa a. Mạch cầu cơ bản: b. Ứng dụng mạch cầu vào cảm biến strain gage, RTD, thermistor Nguồn áp (1) (2) (2) (4) không tuyến tính tuyến tính (1): một thành phần thay đổi (RTD, thermistor) (2): hai thành phần thay đổi (pressure, flow sensor) (4): bốn thành phần thay đổi (strain gages) Độ nhạy cầu s (sensitivity): giả sử nguồn cung cấp , điện áp ngõ ra toàn thang (full-scale FS) ứng với giá trị , s = 1mV/V, độ nhạy thường nằm trong khoảng 1mV/V - 10mV/V Nguồn dòng không tuyến tính tuyến tính 2.5.3 Khuếch đại, tuyến tính hóa ngõ ra cầu điện áp: (1): một thành phần thay đổi (2): hai thành phần thay đổi Tuyến tính hóa đặc tuyến theo nhiệt độ: thremistor có đặc tuyến phi tuyến theo nhiệt độ dùng phương pháp tuyến tính hóa. Có 2 phương pháp: nối thêm điện trở song song hoặc nối tiếp. Tuyến tính hóa quanh điểm làm việc (điểm uốn). T a b b a Chọn sao cho Chọn sao cho Dùng phương pháp nội suy tuyến tính để tuyến tính hoá từng đoạn ( cảm biến thông minh có ). Charge Amplifiers Mạch kích thích Truyền tín hiệu 2.7.1 Cấu hình 2 dây 2.7.2 Cấu hình 4 dây 2.7.2 Cấu hình 6 dây