Bài giảng Hệ thống cơ điện tử - Chương 2: Thành phần đầu vào của cơ điện tử
Tín Hiệu Số
- Bộ đệm (buffer): là bộ nhớ ngoài, gọi là bộ đệm, để lưu trữ tạm thời tín hiệu.
- Đối với phần đệm đầu vào, dữ liệu được truyền khỏi nó với tốc độ quyết định bởi bộ vi xử lí.
- Với phần đệm đầu ra, tốc độ truyền được quyết định bởi thiết bị được cấp.
- Khả năng của bộ đệm phụ thuộc vào dung tích bộ nhớ và chênh lệch trong tốc độ truyền đầu vào và đầu ra.
54 trang |
Chia sẻ: Tiểu Khải Minh | Ngày: 19/02/2024 | Lượt xem: 77 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Hệ thống cơ điện tử - Chương 2: Thành phần đầu vào của cơ điện tử, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Thành Phần Đầu Vào Của Hệ
Thống Cơ Điện Tử
GV: TS. Ngô Hà Quang Thịnh
Khoa: Cơ-Điện
Mô Đun Môi Trường
Mô Đun Môi Trường
Môđun môi trường hình thành từ điều kiện biên hoặc các tiêu
chuẩn, quy tắc thực tế và chức năng thực hiện của hệ thống.
Môđun môi trường vừa đóng vai trò đầu vào vừa đóng vai trò
đầu ra của hệ thống sản phẩm.
Ví dụ: xe tải có bộ giảm xóc thông minh, bộ giảm xóc này có
thể chỉnh sao cho xe có thể chạy trên đường xóc, khi quẹo hoặc
chuyển động trên đường khập khễnh vv cũng y như chạy trên
đường bằng phẳng. Trường hợp này độ nhấp nhô mặt đường là
điều kiện biên.
Mô Đun Môi Trường
► Liên quan đến
các thông số bên
ngoài
► Vừa đóng vai trò
đầu vào, đầu ra
► Không hiện diện
trong sản phẩm cơ
điện tử
► Đặc biệt đối với
các hệ thống điều
khiển trong công
nghiệp chú ý môi
trường điện từ
trường và nhiễu tín
hiệu do đột biến áp
khi kích hoạt động
cơ ba pha nối tam
giác
Mô Đun Đo Lường
Mô Đun Đo Lường
Cảm biến: cảm nhận đại lượng đang được đo bằng cách sinh
tại đầu ra của nó một tín hiệu tương ứng.
Xử lý tín hiệu: chuyển đổi các tín hiệu từ cảm biến thành trạng
thái phù hợp để hoặc hiển thị hoặc vào mô đun xử lí.
Hệ thống hiển thị: nơi tín hiệu ra từ bộ xử lý tín hiệu được thể
hiện dưới dạng con số so với đơn vị đo( hiển thị số) hoặc dạng
biểu đồ ( hiển thị tương tự).
Mô Đun Đo Lường
Khi thiết kế hệ thống đo, lưu ý các yêu cầu sau:
Nhận dạng bản chất các yêu cầu của phép đo: vùng giá trị, độ
chính xác, tốc độ phép đo,độ tin cậy và môi trường đo.
Nhận dạng đầu ra: dạng hiển thị yêu cầu, thông số đo là một
phần của hệ thống điều khiển ( ví dụ: các ứng dụng điều khiển
có thể yêu cầu dòng điện từ 4-20mA).
Nhận dạng các sai lệch của cảm biến: toàn thang đo, độ chính
xác, tính tuyến tính, tốc độ đáp ứng, độ tin cậy, khả năng duy trì,
tuổi thọ, nguồn cấp.
Chọn giải pháp xử lý tín hiệu phù hợp.
Mô Đun Đo Lường
Bộ Cảm Biến & Bộ Chuyển Đổi
Bộ Cảm Biến
Cảm Biến Đo Chuyển Vị
Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của
một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có
liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển
Cảm Biến Đo Tốc Độ
Cảm biến này có thể đo tốc độ góc và độ tịnh tiến, đó là các bộ
mã hóa quang học gia số (incremental encoder) và bộ đo tốc độ
góc (tachognerator).
Cảm Biến Đo Lực & Áp Suất
Cảm biến đo lực: đo lực có thể xác định qua các đại lượng
trung gian như khoảng cách dịch chuyển khi dung tế bào đo lực
tenxơ.
Cảm biến đo áp suất: thông qua biến dạng dẻo do chênh
lệch áp tại hai phía màng ngăn, đầu chặn hoặc ống nhờ một số
sensor do chuyển dịch.
Cảm Biến Đo Lưu Lượng & Mức
Cảm biến đo lưu lượng: dạng tấm có lỗ thông qua biến trung
gian áp suất hoặc dạng tua-bin thông qua sự quay của roto (vận
tốc góc tỉ lệ thuận với tốc độ lưu lượng.
Cảm biến đo mức chất lỏng: nguyên lí kiểm soát chuyển
động của phao hoặc chênh lệch áp lực.
Cảm biến đo mức chất lỏng
Cảm Biến Nhiệt
Cảm biến nhiệt: ở đây sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự giãn
hoặc co vật chất rắn, lỏng hoặc khí, tạo nên sự thay đổi điện trở
của dây dẫn hoặc bán dẫn. Cảm biến nhiệt có thể sử dụng
nguyên lí của bimental, cảm biến nhiệt điện trở, điện trở nhiệt,
cặp nhiệt ngẫu.
Điện trở nhiệt Cặp nhiệt ngẫu
Cảm Biến Tiếp Xúc
Cảm biến tiếp xúc: đây là các công tắc giới hạn hành trình
được dùng trong chuyển động bàn máy của các máy công cụ tự
động nhỏ để đóng tiếp xúc.
Cảm Biến Không Tiếp Xúc
Cảm biến không tiếp xúc: như công tắc lưỡi từ (magnetic
reed sensor), cấu tạo bởi 2 tiếp điểm vật liệu feromagnetic được
đóng kín trong một ống thủy tinh nhỏ chứa đầy khí trơ- nitơ.
Đây là một sensor nhận dạng không tiếp xúc, thường được sử
dụng để cảm nhận vị trí của tay đòn piston xi lanh khí nén và góc
quay trong các thành phần kích truyền động tròn như tốc kế góc
(tachometer).
Cảm Biến Nhận Dạng Điện Cảm
Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor)
Loại cảm biến này dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kim
loại. Thành phần chính: cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt,
mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, và công tắc bán dẫn.
Cảm Biến Nhận Dạng Điện Cảm
Những ứng dụng:
Cảm Biến Nhận Dạng Điện Dung
Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor)
Loại cảm biến tiếp cận này dùng cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng
tích điện của đối tượng. Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả
các loại đối tượng (kim loại cũng như phi kim, e.g. gỗ, giấy, nước, nhựa ).
Thành phần chính: mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, 1 bản cực nội, và
công tắc bán dẫn.
Cảm Biến Nhận Dạng Điện Dung
Một số ứng dụng
Cảm Biến Nhận Dạng Quang Điện
Cảm biến nhận diện quang điện (photoelectric proximiti
sensor) : còn được gọi là cảm biến tiệm cận, dùng để phát hiện
sự có mặt của một vật thể, khoảng cách nhận dạng có thể lên
đến 100m.
Xử Lý Tín Hiệu
Mạch Giao Tiếp
Hệ đo Vi Xử LýXử Lý Tín HiệuInput Output Input
Thuật ngữ mạch giao tiếp (interface) được sử dụng để chỉ
những sự kết nối giữa thiết bị và một cổng.
Đó có thể là những đầu ra từ các cảm biến, các đóng ngắt,
các bảng chuyển mạch và các đầu ra tới màn hiển thị hoặc hệ
kích truyền động.
Quá Trình Xử Lý Tín Hiệu
Tránh hư hại thiết bị khỏi dòng hoặc điện áp
cao như điện trở giới hạn dòng, cầu chì,
mạch giới hạn điện áp và bảo vệ cực.
Bảo vệ
(protection)
Chuyển tín hiệu thành điện áp hoặc dòng
AC, DC.
Đưa tín hiệu về
đúng dạng (right
type of signal)
Đưa tín hiệu về
đúng mức (level)
Điều hòa tín hiệu về mức cần thiết thông
qua các mạch xử lí như mạch khuếch đại.
Loại hoặc giảm
nhiễu (eliminate
/reduce noise)
Sử dụng các mạch lọc.
Bộ Khuếch Đại Thuật Toán
Op-Amp thường Op-Amp lý tưởng
Một Op-Amp có các ngõ vào (Input signal) và các ngõ ra
(Output signal) có quan hệ như sau:
Output signal = A x Input signal
Trong đó A là hệ số khuếch đại
Tùy thuộc vào tín hiệu vào và tín hiệu ra, có 4 loại sau: điện áp
ra/ điện áp vào, dòng điện ra/ dòng điện vào, điện áp ra/ dòng
điện vào, dòng điện ra/ điện áp vào.
Bộ Khuếch Đại Thuật Toán
LM741 là một bộ khuếch đại thuật toán thông dụng hoạt động
theo các chuẩn công nghiệp hiện nay.
Một số đặc tính của Op-amp LM741 như sau:
• Điện áp nguồn: ±18V
• Công suất tiêu thụ: 500mW
• Tín hiệu ngõ vào tối đa: ±15V
• Tín hiệu vi sai ngõ vào tối đa: ±30V
Bộ Khuếch Đại Thuật Toán
5 giả thiết về đặc tính làm việc lý tưởng của Op-amp trong vùng làm việc tuyến tính
• Hệ số khuếch đại vô cùng lớn, A = ∞
v1 = v2
• Trở kháng vào vô cùng lớn: Rin = ∞
i1 = i2 = 0
• Trở kháng ra vô cùng bé: Rout = 0
Không tiêu hao năng lượng
• Băng thông vô cùng lớn
Không giới hạn tần số làm việc
• Đường đặc tuyến luôn đi qua điểm gốc tọa độ
Vout = 0 (khi v1 = v2)
Đặc tính làm việc của các mạch Op-amp ứng dụng (hệ số khuếch đại, trở kháng, và đáp
ứng tần số) đều được xác định bởi các linh kiện (điện trở, tụ điện) được nối trong mạch.
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
• Mạch so sánh
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
• Mạch lặp điện áp
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
• Mạch khuếch đại đảo
Thí dụ: một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra
biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo
thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Thiết
kế mạch khuếch đại đảo để tạo ra một tín hiệu
ra biến thiên từ 0 đến -5 V.
Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50
Chọn
Lưu ý: giá trị của Ri thường được chọn sao cho:
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
• Mạch khuếch đại không đảo
Thí dụ: một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra
biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo
thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động. Thiết
kế mạch khuếch đại không đảo để tạo ra một tín
hiệu ra biến thiên từ 0 đến 5 V.
Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50
Chọn
Lưu ý: giá trị của Ri và Rf thường được chọn sao cho:
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
• Mạch tổng
Thí dụ: Theo thước đo về sự thoải mái, hệ thống điều hòa của một tòa nhà sẽ hoạt động
khi tổng giá trị trả về từ bộ cảm biến nhiệt độ và bộ cảm biến độ ẩm là 1 V. Điện áp
ngưỡng để kích hoạt hệ thống điều hòa là 5 V. Thiết kế mạch giao tiếp để kết nối tín hiệu
của hai bộ cảm biến với hệ thống điều hòa.
Nếu
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
Giải: Hệ số khuếch đại: A = Rf / Ri = 5
Chọn
Một mạch đảo dấu (với A = 1) được dùng để đảm bảo tín hiệu ra có giá trị dương
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
• Mạch khuếch đại vi sai
Nếu và
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
• Mạch tích phân
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
Thí dụ: Tín hiệu hằng số 100 mV áp vào một mạch tích phân. Mạch có trở kháng là 10 k
và điện dung là 1 F.
• Xác định biểu thức của tín hiệu ngõ ra ở thời điểm t2.
• Nếu t1 = 5 s và vout(t1) = +10 V, xác định thời điểm t2 khi Op-amp đạt đến trạng thái
bảo hòa (ở giá trị -16 V).
Giải:
Các Mạch Op-amp Cơ Bản
• Mạch vi phân
Mạch Bảo Vệ
Tại đường vào các mạch bảo vệ có thể sử dụng loạt điện trở
giới hạn dòng đến mức chấp nhận hoặc cầu chì ngắt nếu dòng
vượt quá.
Trường hợp muốn cách li mạch hoàn toàn và loại bỏ các mối
nối điện giữa chúng có thể sử dụng cách li bằng quang (opto
isolator).
Cách ly bằng transitor quang
Mạch Lọc
Lọc là quá trình thực hiện loại bỏ số dải tần số nhất định chỉ cho
phép một số giải truyền qua bộ lọc.
Ranh giới giữa hai dãy này gọi là tần số cắt đứt (cut off-
frequence).
Thông thấp Thông cao
Thông dải Chặn dải
Cầu Watson
Cầu Watson
Một số cảm biến sơ cấp chuyển đổi giá trị của tín hiệu được đo
thành giá trị điện trở.
Mạch cầu Watson là phương pháp phổ biến để xác định sự
thay đổi nhỏ về điện trở của một phần tử.
Cầu Watson
Ứng dụng để thực hiện mạch bù nhiệt độ (Temperature compensation) bù nhiệt ngẫu
(Thermocuple compensation).
Mạch cầu cân bằng:
Thí dụ: Một mạch cầu Watson được dùng để đo
một giá trị điện trở chưa biết (Rs như hình trên).
Biến trở R3 được cân chỉnh cho đến khi mạch
cầu cân bằng. Khi mạch cầu cân bằng, R2 = 500
, R3 = 226 , và R4 =1000 . Xác định giá trị
Rs.
Giải:
Tín Hiệu Số
Tín Hiệu Số
Chuyển đổi tương tự số (analog to digital converter):
Một nhóm các bit gọi là
từ, chiều dài từ có n bit
toàn thang đầu tương tự
VFS sẽ được chia thành
2n mẫu.
VD: Một bộ chuyển đổi
tương tự số có chiều dài
là 10 bit và tín hiệu tương
tự ở toàn thang là 10V,
khi đó độ phân dải sẽ là
10/210 =9, 8mV.
Tín Hiệu Số
Chuyển đổi số tương tự (digital to analog converter):
Tín Hiệu Số
Bộ dồn kênh (multiplexer): thực chất là một thiết bị đảo mạch,
cho phép mỗi một tín hiệu đầu vào có thể lần lượt được lấy mẫu.
Tín Hiệu Số
Bộ đệm (buffer): là bộ nhớ ngoài, gọi là bộ đệm, để lưu trữ tạm
thời tín hiệu.
Đối với phần đệm đầu vào, dữ liệu được truyền khỏi nó với tốc
độ quyết định bởi bộ vi xử lí.
Với phần đệm đầu ra, tốc độ truyền được quyết định bởi thiết bị
được cấp.
Khả năng của bộ đệm phụ thuộc vào dung tích bộ nhớ và
chênh lệch trong tốc độ truyền đầu vào và đầu ra.
Điều Biến
Điều Biến
Điều Biến (modulation): là truyền tín
hiệu lần lượt (không truyền trực tiếp).
Khi truyền các tín hiệu DC mức thấp
từ các sensor và được xử lí bởi bộ
khuếch đại thuật toán có thể xảy ra
hiện tượng trôi (drift) tín hiệu.
Sau khi được truyền, các tín hiệu đã
điều biến được giải biến để trả về
trạng thái tín hiệu ban đầu.
Hệ Thống Hiển Thị
Hệ Thống Hiển Thị
Hệ Thống Hiển Thị
Hệ Thống Hiển Thị Tương Tự Hệ Thống Hiển Thị Số
Cơ Cấu Hiển Thị Cơ Cấu Chỉ Thị
Tự Ghi
Cơ Cấu Hiển Thị Cơ Cấu Chỉ Thị
Tự Ghi
Chỉ thị từ điện( dụng
cụ dây di động-
moving coil meter),
điện động và tĩnh
điện( thiết bị điện kế
- gavanometric hoặc
phân kế-
potentionetric
Loại tốc độ thấp, loại
tốc độ cao( máy hiện
sóng- tia điện tử
(cathode-ray
oscilloscope))
Bộ hiển thị số LED 7
vạch, màn hình số
quang học, màn hình
tinh thể lỏng, máy in
Thiết bị ghi từ
(magnet media),
thiết bị ghi dữ liệu
(data logger) gồm:
bộ đồn tín hiệu
(multiplexer), phân
nhỏ và giữ (sample
& hold) và bộ biến
đổi tương tự- số
(analog to digital
converter
CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 2
1. Cảm biến là gì ? Phân loại các loại cảm biến thường dùng
2. Mô đun đo lường có chức năng gì ? Vẽ sơ đồ khối của một
mô đun đo lường
3. Xử lý tín hiệu là gì ? Nêu các phương pháp xử lý tín hiệu
thường dùng trong cơ điện tử
Các file đính kèm theo tài liệu này:
bai_giang_he_thong_co_dien_tu_chuong_2_thanh_phan_dau_vao_cu.pdf