Tổng quan về biến đổi tín hiệu trong cảm biến đo lường

KS. Lướng Q. Tài

KS. Lương Quang Tài. Kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động nói chung và các phần tử cảm biến đo lường nói riêng đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống.

Các phần tử cảm biến này không hoạt động độc lập, mà là một bộ phận trong một hệ thống lớn. Trong các hệ thống đo lường – điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, lưu lượng… Phần tử cảm biến sẽ chuyển đổi các đại lượng này sang tín hiệu điện có thể đo và xử lý được. Tuy nhiên, tín hiệu điện từ cảm biến cần phải qua một quá trình gọi là biến đổi tín hiệu để có thể tối ưu hóa việc thu thập và xử lý tín hiệu, cũng như tăng cường độ chính xác trong đo lường.

Biến đổi tín hiệu bao gồm nhiều chức năng khác nhau, phụ thuộc vào từng loại cảm biến, nên không có một thiết bị nào có thể cung cấp đầy đủ việc biến đổi cho tất cả các cảm biến. Ví dụ, cặp nhiệt (thermocouple) có ngõ ra điện áp thấp, nên cần được tuyến tính hóa, khuếch đại và lọc; còn với strain gage và cảm biến đo gia tốc lại cần dòng điện kích thích. Các loại cảm biến khác không cần các chức năng trên, mà đòi hỏi cách ly với điện áp cao. Bài viết này sẽ cung cấp cho người đọc một cái nhìn tổng quan về biến đổi tín hiệu trong đo lường cảm biến.

CÁC LOẠI BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU PHỔ BIẾN

Khuếch đại

Khuếch đại làm tăng mức điện áp để phù hợp với khoảng làm việc của bộ biến đổi tương tự sang số (ADC), cũng như làm tăng độ phân giải và độ nhạy của phép đo. Các loại cảm biến cần có bộ khuếch đại là cặp nhiệt (thermocouple) và strain gage.

Suy hao

Suy hao là trái ngược với khuếch đại, cần thiết khi mức điện áp quá cao so với khoảng của bộ ADC. Bộ suy hao làm giảm cường độ tín hiệu ngõ vào để đưa vào bộ ADC. Suy hao thường gặp trong trường hợp đo điện áp lớn hơn 10V.

Lọc

Bộ lọc triệt tiêu tín hiệu nhiễu không mong muốn trong một khoảng tần số nhất định. Vì đo lường gia tốc và âm thanh (microphone) thường phân tích tín hiệu trong miền tần số, nên bộ lọc khử răng cưa rất phù hợp cho các ứng dụng đo âm thanh và rung động.

Cách ly

Tín hiệu điện áp nằm ngoài khoảng số hóa có thể gây hại cho hệ thống đo, nên việc cách ly và suy hao là cần thiết để bảo vệ hệ thống. Cách ly có thể cần thiết khi cảm biến ở vị trí khác với hệ thống đo, ví dụ như cặp nhiệt điện gắn trên động cơ.

Kích thích

Nhiều loại cảm biến hoạt động cần có dòng điện hoặc điện áp kích thích như strain gage, gia tốc kế, nhiệt điện trở, RTD. Dòng điện đưa vào RTD và nhiệt điện trở sẽ biến đổi trở kháng biến thiên sang điện áp có thể đo được. Gia tốc kế cần có dòng điện kích thích dùng cho bộ khuếch đại nội tuyến. Strain gage có trở kháng rất thấp, với cầu Wheatstone hoạt động nhờ một nguồn điện áp kích thích.

Tuyến tính hóa

Tuyến tính hóa cần thiết khi tín hiệu điện áp ngõ ra từ cảm biến không có quan hệ tuyến tính với đại lượng vật lý cần đo. Thermocouple là một trong những cảm biến cần tuyến tính hóa.

Bù cực lạnh (CJC)

CJC cần thiết cho các phép đo dùng thermocouple. Đo nhiệt độ với thermocouple là đo chênh lệch điện áp giữa 2 cực kim loại khác nhau. Tuy nhiên lại có một điện áp sinh ra giữa đầu nối thermocouple và thiết bị thu thập dữ liệu, làm sai lệch kết quả đo. CJC sẽ cung cấp nhiệt cho tiếp điểm này và tăng độ chính xác đo lường.

Bổ sung cầu Wheatstone

Bổ sung cầu Wheatstone cần dùng cho các cảm biến phần tư và bán cầu để có được một cầu Wheatstone hoàn chỉnh.

 

Khuếch đại

Suy hao

Cách ly

Lọc

Kích thích

Tuyến tính hóa

CJC

Bổ sung cầu

Cặp nhiệt điện

x

 

 

x

 

x

x

 

Nhiệt điện trở

x

 

 

x

x

x

 

 

RTD

x

 

 

x

x

x

 

 

Strain gage

x

 

 

x

x

x

 

x

Cảm biến tải trọng, áp suất, mô men xoắn (mV/V, 4-20mA)

x

 

 

x

x

x

 

 

Gia tốc kế

x

 

 

x

x

x

 

 

LVDT/RVDT

x

 

 

x

x

x

 

 

Điện áp cao

 

x

x

 

 

 

 

 

.

NHỮNG ĐIỀU CẦN QUAN TÂM KHI XÂY DỰNG HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU

  • Khả năng tích hợp của hệ thống biến đổi tín hiệu với các thành phần còn lại của hệ thống đo lường.
  • Kết nối tín hiệu với hệ thống biến đổi tín hiệu qua các tùy chọn phù hợp: đầu nối thermocouple, BNC, D-SUB, RJ45/50, mini-XLR, LEMO…
  • Khả năng mở rộng và nâng cấp hệ thống
  • Cách ly với điện áp cao hoặc tăng áp đột ngột để đảm bảo an toàn cho hệ thống
  • Băng thông: đảm bảo băng thông của hệ thống đủ để xử lý tất cả lượng dữ liệu (tính bằng mẫu/giây – Hz)
  • Phần mềm: dùng để phát triển ứng dụng cho hệ thống đo lường, chẳng hạn như LabVIEW
  • Cấu hình và cài đặt: đảm bảo việc vận hành hệ thống một cách dễ dàng
  • Hiệu chuẩn: đảm bảo độ chính xác của hệ thống, qua một thời gian sử dụng
  • Bảo trì và sửa chữa

Trên thị trường hiện nay, các hãng sản xuất đã tích hợp biến đổi tín hiệu vào trong bộ thu thập dữ liệu, ví dụ như hệ thu thập dữ liệu nền tảng CompactDAQ và PXI của NI (National Instruments). Các hệ thống này gồm có nhiều kênh biến đổi tín hiệu dạng module với ngõ vào tương tự, ngõ ra tương tự, ngõ vào/ra số, bộ đếm/định thời, chuyển mạch… Nền tảng NI CompactDAQ và PXI giúp đáp ứng yêu cầu của người dùng, tăng độ chính xác trong đo lường, giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống.