Đề tài Nghiên cứu: Dynamic pressure sensor 2011v

Trường Đại Học Công Nghệ Khoa: Công Nghệ Cơ Điện Tử -----š›&š›----- Đề Tài Nghiên Cứu: Dynamic pressure sensor 2011V Giảng viên hướng dẫn: Đoàn Thị Hương Giang Nhóm sinh viên: Nhóm 5 Lớp: K55M Hà Nội – 5/2013 CÁC THÀNH VIÊN: Nguyễn Văn Chương Phan Văn Đức Nguyễn Ngọc Thịnh Nguyễn Trung Hiếu Đỗ Khắc Phượng Nguyễn Công Quỳnh Nguyễn Khắc Cao Báo Cáo Đo Lường Cảm Biến Nội dung chính: Khái niệm về cảm biến Đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến Phương pháp đo áp suất Các loại cảm biến đo áp suất Đầu đo áp suất-mức nước I:Khái niệm về cảm biến Trong các hệ thống đo lường điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen... Các cảm biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Để điều khiển các quá trình thì ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các cảm biến thực hiện chức năng này chúng thu nhận, đáp ứng và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Cảm biến là dụng cụ có thể cảm nhận trị số tuyệt đối hoặc độ biến thiên của một đại lượng vật lý (ví dụ: nhiệt độ, áp suất tốc độ dòng chảy, độ pH, cường độ ánh sang, âm thanh hoặc sóng vô tuyến, vv...) và biến đổi thành một tín hiệu đầu vào hữu hiệu cho một hệ thống thu thập và xử lý thông tin. Trong mô tả mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa, trong đó đầu vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x: Phương trình mô tả giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng: y=f(x) Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý dữ liệu thường do máy tính đảm nhiệm. Trong sơ đồ hình 1.1, quá trình (đối tượng) được đặc trưng bởi các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận rồi đưa đến bộ xử lý. 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, 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 ảnh về một số loại cảm biến: II.Đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến. 1.Hàm truyền. Gọi X là tín hiệu kích thích, y là đáp ứng của bộ cảm biến. 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, logarit, hàm lũy thừa hay hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng: y = ax + b trong đó: a là hằng số,a bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, b là độ nhạy. y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra, y có thể là biên độ hoặc pha tuỳ theo tính chất của bộ cảm biến. Hàm truyền dạng logarit: y = 1 + blnx Dạng mũ: y = ae kx Dạng luỹ thừa: y = a0 + a1Xk với k là hàng số. Các bộ cảm biến phi tuyến không được đặc trưng bởi các hàm truyền kể trên đây mà ta phải dùng đến các hàm gần đúng bậc cao. Đối với hàm truyền phi tuyến thì độ nhạy b được định nghĩa theo biểu thức: b=dy(x0)dx Trong một số trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn. 2.Độ lớn của tín hiệu vào. Là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. 3.Sai số và độ chính xác. Cũng như các ứng dụng đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) bộ cảm biến còn chịu nhiều tác động của bộ cảm biến gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị của đại lượng cần đo. Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo được và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính theo công thức: ∆%=∆xx.100 Có hai loại sai sổ thường dùng là: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên: - Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi rất chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số này thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo hoặc do điều kiện sử dụng không tốt. - Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện thay đổi theo số lần đo, có độ lớn và chiều không xác định. 4.Một số điều về cảm biến nối tiếp và cách ghép nối. - Nhìn chung, cảm biến là một thiết bị được thiết kế thu thập thông tin về một đối tượng và chuyên đổi thành tín hiệu điện. Một cảm biến cổ điển có thể bao gồm 4 khối như hình 1.2: Thành phần Xử lý tín hiệu Chuyển đổi Bus giao tiếp Máy tính cảm nhận A/D Hình 1.2. Cảm biến tích hợp - Khối đầu tiên là khối cảm nhận (ví dụ: điện trở, điện dung, bán dẫn, vật liệu áp điện, photodiot, cầu điện trở, ...). Tín hiệu từ khối này thường bị nhiễu, do có cần có các kĩ thuật xử lý tín hiệu như khuếch đại, tuyến tính hoá, bù và lọc để giảm thiểu những tác động của nhiễu. - Trong trường hợp thu thập dữ liệu, tín hiệu từ cảm biến có dạng nối tiếp hay song song. Chức năng này có thể nhận ra bởi bộ biến đổi tương tự - số hoặc tần số - số. - Khối bus giao tiếp nối tất cả các dữ liệu nguồn với các nơi nhận, hệ thống bus điều khiển tất cả các dữ liệu truyền và được nối với một giao tiếp phù hợp mà cảm biến có thể gửi dữ liệu tới máy tính. - Sơ đồ giao tiếp giữa cảm biến với vi điều khiển được thể hiện ở hình 1.3: Hình 1.3. Sơ đồ giao tiếp điển hình giữa vi điều khiển và cảm biến nối tiếp -Có hai loại cảm biến cơ bản là cảm biến tương tự và cảm biến số. Cảm biến tương tự thường đưa tín hiệu tương tự dạng vòng điện hay điện áp về vi điều khiển, sau đó vi điều khiển phải thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi mới đọc dữ liệu. Tín hiệu từ cảm biến truyền đi là tín hiệu tương tự rất dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Cảm biến số ngay bản thân nó đã thực hiện việc chuyển đổi tương tự - số rồi đưa giá trị đã chuyển đổi về vi điều khiển dưới dạng xung thể hiện giá trị của cảm biến, Như vậy cảm biến số có ưu thế hơn cảm biến tương tự ở chỗ cảm biến số có khả năng chống nhiễu tốt hơn do nó sử dụng đường truyền số nên rất khó bị ảnh hưởng bởi nhiễu lúc truyền dữ liệu. III. Các phương pháp đo áp suất 1. Tổng quan về áp suất Áp suất là đại lượng đặc trưng cho cường độ lực nén trung bình tác động theo phương vuông góc trên bề mặt vật thể,được xác định bằng tỉ số giữa lực phân bố đều và diện tích bề mặt bị tác động: Trong đó: P là áp suất F là lực phân bố đều trên bề mặt diện tích S Đơn vị của lực F là Newton (N), đơn vị của diện tích là m2, trong hệ SI áp suất có đơn vị là N/m2 Đơn vị dẫn suất của áp suất là Pascal (Pa). 1 Pa tương ứng với áp suất áp suất đồng dạng do lực 1 N tác dụng lên bề mặt phẳng có diện tích bằng 1 m2 1 Pa = 1 N/m2 Áp suất 1 Pa tương đối nhỏ, trong công nghiệp người ta thường dung đơn vị áp suất là bar ( 1 bar = 105 Pa) Một đơn vị cũng hay được dùng trong y tế là mmHg hay torr. Mối quan hệ tương đối giữa các đơn vị đo áp suất hay được sử dụng cho trong bảng 1.1. 2. Nguyên tắc và phương pháp đo áp suất. Có rất nhiều phương pháp đo áp suất. Một phương pháp cổ điển là dùng áp suất kế Torricielli (hình 1.4). Áp suất kế Torricielli là một ống thủy tinh bịt kín, đầu phái trên được úp xuống một bể đựng thủy ngân (Hg). Khi đó, áp suất tác dụng lên bề mặt thủy ngân trong bể bằng độ lớn cột thủy ngân trong ống. Đơn vị đo áp suất sử dụng áp kế suất là mmHg. Ngày nay, với nhiều công nghệ khác nhau, rất nhiều loại cảm biến áp suất ra đời. Để đo áp suất, người ta đo lực F tác dụng lên diện tích S của một thành bình phân chia hai môi trường, trong đó môi trường chứa chất lưu là đối tượng cần đo áp suất. Cách đo này có thể chia làm ba trường hợp chính sau: Đo áp suất lấy qua một lỗ có diện tích tròn được khoan trên thành bình Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên. Đo bằng một cảm biến áp suất để chuyển tín hiệu đầu vào là áp suất thành tín hiệu đầu ra chứa thông tin liên quan đến giá trị của áp suất cần đo và sự thay đổi của nó theo thời gian. Cách đo thứ nhất phải sử dụng một cảm biến đặt ngay gần sát thành bình, sai số của phép đo sẽ nhỏ với điều kiện là thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất. Trường hợp thứ hai người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình, biến dạng này là một hàm của áp suất. Cách thứ ba đo bằng cảm biến áp suất với các vật trung gian thường là các phần tử đo lực có một thông số. Thông số này có khả năng thay đổi dưới tác dụng của lực F = P.S, phổ biến nhất là sử dụng màng. Màng (duaphrahm) là một tấm mỏng, thường là chất bán dẫn, có khả năng bị biến dạng khi có áp suất đặt lên. Khi áp suất bên ngoài tác dụng lên màng , tùy thuộc vào sự chênh lệch áp suất cần đo và áp suất chuẩn so sánh mà màng bị biến dạng. Độ biến dạng của màng phụ thuộc vào độ lớn của áp suất tác dụng vào. Cảm biến áp suất kiểu màng có một số cấu trúc như sau: Hình 1.5: Các loại cảm biến áp suất kiểu màng. Cảm biến áp suất tuyệt đối. Cảm biến áp suất tương đối. Cảm biến áp suất vi sai. Người ta có thể biến đổi độ biến dạng của màng mỏng thành các tín hiệu điện thông qua sự biến thiên độ tự cảm, biến thiên điện dung sử dụng hiệu ứng áp điện, dao động cơ điện, dung phương pháp quang điện, phương pháp transistor áp điện … Nguyên lý hoạt động của cảm biến: khi không có áp suất đặt lên màng cầu điện trở ở trạng thái cân bằng, điện thế lối ra bằng không. Khi có áp suất đặt lên, màng mỏng sẽ bị biến dạng, áp lực phân bố trên màng bị thay đổi dẫn tới các giá trị của các điện trở trong mạch cầu bị thay đổi do hiệu ứng áp điện trở, cụ thể là nếu các điện trở song song với cạnh màng có giá trị giảm đi thì các điện trở vuông góc với cạnh màng sẽ tang và ngược lại. Kết quả là cầu sẽ bị mất cân bằng và điện áp lối ra là khác không. Sự thay đổi giá trị điện trở phụ thuộc vào độ biến dạng của màng, tức phụ thuộc vào áp suất, do đó độ lớn của tín hiệu lối ra cũng phụ thuộc vào áp suât. Bằng cách đo điện thế lối ra ta có thể đo được độ lớn tương ứng của áp suất đặt lên màng. IV.Các loại cảm biến đo áp suất 1.Áp kế dùng dịch thể Vi áp kế kiểu phao + Đo áp suất tĩnh < 25Mpa + Cấp chính xác cao (1;1,5) + Chứa chất lỏng độc hại Vi áp kế kiểu chuông + Độ chính xác cao + Đo được áp suất thấp chân không 2.Áp kế đàn hồi Áp kế lò xo + Dải đo rộng tùy thuộc vào chất liệu lò xo + Nếu dùng thép gió có thể đo được > 1000mPa Áp kế màng + Phần tử biến dạng là màng mỏng được chia ra 2 loại: màng đàn hồi và vàng dẻo. + Đo áp suất nhỏ dùng màng dẻo hình tròn hoặc uốn nếp Áp kế ống trụ: Dạng ống hình trụ thành tròn Áp kế áp trở + Sử dụng bộ chuyển đổi kiểu áp trở + Làm việc ở nhiệt độ từ -40*C đến 125*C Áp kế điện + Sử dụng bộ chuyển đổi kiểu áp điện làm việc theo nguyên tắc hiệu ứng áp điện + Giới hạn đo 2.5 – 100Mpa + Cấp chính xác 1,5;2 Áp kế điện dung + Sử dụng bộ chuyển đổi kiểu điện dung + Đo được áp suất tới 120Mpa Áp kế điện cảm kiểu vi sai + Sử dụng bộ chuyển đổi kiểu biến áp vi sai V . Dynamic pressure sensor 2011V Dải đo : 0 – 2000 Psi ( 1kPa = 0.145 Psi ) Khoảng điện áp ra : 0 – 5 V. THÔNG SỐ KĨ THUẬT GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ CÂN NẶNG 13 GRAMS CỠ (HEX X HEIGHT) 0.375 × 1.88 INCHES KHUNG CUNG CẤP 3/8-24 UNF-2A MALE THREAD CONNECTOR, AXIALLY MOUNTED AT TOP 10-32 UNF-2A VẬT LIỆU VẬT THỂ, ĐẦU NỐI THÉP KHÔNG RỈ, CỨNG 17-4 PH VẬT LIỆU MÀNG CHẮN THÉP KHÔNG RỈ 17-5 PH ĐỘ NHẠY 5 mV/Psi PHẠM VI ĐẦY ĐỦ VỚI NGUỒN RA 5 V 1000 Psi ÁP SUẤT TỐI ĐA 2000 Psi KHUNG TẦN SỐ CỘNG HƯỞNG 130 KHz THỜI GIAN TỐI THIỂU TĂNG LÊN CỦA XUNG ÁP SUẤT VÀO 2 µSEC HẰNG SỐ PHÓNG ĐIỆN THỜI GIAN 4.0 SEC DAO ĐỘNG TỐI ĐA 1000 G’s RMS VA CHẠM TỐI ĐA 3000 G’ s PEAK KHOẢNG NHIỆT ĐỘ -100 TO +250 °F NHIỆT ĐỘ TỨC THỜI CỦA MÀNG 3000 °F HỆ SỐ NHIỆT CỦA ĐỘ NHẠY 0.03 %/°F DẤU HIỆU MÔI TRƯỜNG KÍN MỐI HÀN/KÍNH ĐẾN KIM LOẠI KHOẢNG ĐIỆN THẾ KÍCH THÍCH (YÊU CẦU) +18 TO +30 VDC KHOẢNG DÒNG ĐIỆN KÍCH THÍCH 2 TO 20 mA TRỞ KHÁNG ĐẦU RA 100 Ohms TÍN HIỆU ĐẦU RA KHI TĂNG ÁP SUẤT TIẾN TRIỂN TÍCH CỰC 1) Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc của cảm biến dựa trên hiệu ứng áp điện thuận a. Hiệu ứng áp điện Khi tác dụng một lực cơ học lên 1 vật làm bằng vật liệu áp điện như thạch anh, muối tualatine … thì sẽ làm cho vật đó biến dạng và kết quả là trên 2 bề mặt đối diện xuất hiện điện tích trái dấu. Có thể ứng dụng hiệu ứng này để xác định lực , áp suất,...thông qua việc xác định điện áp trên 2 bản cực tụ. b. Hiệu ứng áp điện thuận Vật liệu khi chịu tác động của một lực cơ  học biến thiên thì trên bề mặt của nó xuất hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì các điện tích biến mất. Vật liệu dùng chế tạo các chuyển đổi áp điện là các tinh thể thạch anh (SiO2), muối BariTitanat (BaTiO3), muối xênhét, tuamalin… Hình a: Cấu trúc của một tinh thể thạch anh: gồm có 3 trục chính:trục quang Z; trục điện X; trục cơ Y Hình b: Chuyển đổi áp điện Nếu cắt tinh thể áp điện thành hình khối có 3 cạnh ứng với 3 trục quang, cơ, điện thì ta được chuyển đổi áp điện như hình b. Lực Fx tác động theo trục điện X: gây ra hiệu ứng điện dọc với điện tích: qx=d1.Fx  với d1là hằng số áp điện (còn gọi là mô đun áp điện). Điện tích sinh ra này không phụ thuộc kích thước hình học của chuyển đổi mà chỉ phụ thuộc độ lớ n của lực tác động Fx, dấu của điện tích thay đổi theo dấu của lực Fx.  Cảm biến áp điện biến đổi trực tiếp ứng lực dưới tác động lực F do áp suất gây nên thành tín hiệu điện.Áp suất P gây lên lực Fy tác động nên các bản áp điện làm xuất hiện trên hai mặt của bản áp điện một điện tích Q tỷ lệ với lực tác dụng: Q=k.Fy Với: F=P.S, do đó Q=k.P.S Trong đó:K: hằng số áp điện S: diện tích hữu ích của màng Để tăng điện tích Q, người ta ghép song song một số bản cực với nhau.   Theo nguyên lí của cảm biến áp điện, trên cở sở hiệu ứng áp điện thuận, nếu phần tử áp điện chịu lực tác động biến thiên thì trên 2 bề mặt của phần tử xuất hiện các điện tích trái dấu. Vậy độ lớn điện tích này sẻ tỷ lệ với lực tác động (biên độ rung). Hình A2: Cảm biến áp điện cấu tạo sơ đồ đo 2. Ứng dụng Có rất nhiều ứng dụng thực tế của cảm biến áp suất, một trong đó là ứng dụng trong lốp xe ô tô để cung cấp trạng thái hoạt động của xe và tình trạng lốp khi sử dụng. Cảm biến có tác dụng đo giá trị áp suất tức thời tại 1 thời điểm khi xe đang chạy. Từ đó người lái xe sẽ có thể tránh được cũng như xử lí kịp thời các tình huống đột ngột như nổ lốp khi đang hoạt động. Cảm biến được gắn trong lốp xe ô tô 3. Sơ đồ nguyên lý 4. Thiết kế mạch đo mô phỏng /***************************************************** Project : DO LUONG VA CAM BIEN Version : 1.1 Date : 4/16/2013 Company : DAI HOC CONG NGHE - DAI HOC QUOC GIA HA NOI Comments: BAN DEMO Chip type : ATmega8 Program type : Application AVR Core Clock frequency: 8.000000 MHz Memory model : Small External RAM size : 0 Data Stack size : 256 *****************************************************/ #include #include // Alphanumeric LCD functions #include #define ADC_VREF_TYPE 0x00 // Read the AD conversion result unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(100); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; } void lcd_putnum(unsigned int N) { unsigned int Nghin, Tram, Chuc, Donvi; Nghin = N/1000; Tram = (N%1000)/100; Chuc = (N%100)/10; Donvi = N%10; lcd_putchar(Nghin + 48); lcd_putchar(Tram + 48); lcd_putchar(Chuc + 48); lcd_putchar(Donvi + 48); } // ============================================================== void adc() { unsigned int i; i = read_adc(0); lcd_gotoxy(0,0); lcd_puts(" GIA TRI ADC:"); lcd_gotoxy(6,1); lcd_putnum(i); } // Declare your global variables here void main(void) { // Declare your local variables here // Input/Output Ports initialization // Port B initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTB=0x00; DDRB=0x00; // Port C initialization // Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTC=0x00; DDRC=0x00; // Port D initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTD=0x00; DDRD=0x00; // Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer 0 Stopped TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; // Timer/Counter 1 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer1 Stopped // Mode: Normal top=0xFFFF // OC1A output: Discon. // OC1B output: Discon. // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter 2 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off MCUCR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x00; // USART initialization // USART disabled UCSRB=0x00; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC Clock frequency: 1000.000 kHz // ADC Voltage Reference: AREF pin ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x83; // SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization // TWI disabled TWCR=0x00; // Alphanumeric LCD initialization // Connections are specified in the // Project|Configure|C Compiler|Libraries|Alphanumeric LCD menu: // RS - PORTB Bit 0 // RD - PORTB Bit 1 // EN - PORTB Bit 2 // D4 - PORTB Bit 4 // D5 - PORTB Bit 5 // D6 - PORTB Bit 6 // D7 - PORTB Bit 7 // Characters/line: 8 lcd_init(16); lcd_clear(); lcd_puts(" pressure sensor "); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts(" start "); delay_ms(500); lcd_clear(); while (1) { // Place your code here adc(); } }