Tài liệu Giáo trình Dụng cụ đo và cảm biến ppt

Giáo trình

Dụng cụ đo và cảm biến

1

Dụng cụ đo và cảm biến

BẢNG KÝ HIỆU

A= [aij ] : Ma trận n x m chiều.

AT : Ma trận chuyển vị của A.

A-1 : Ma trận nghịch đảo của A.

Rn

: Không gian thực n chiều.

g(.) : Hàm quan hệ phi tuyến vào ra.

f

-1 : Hàm ngược của hàm f.

W= [wik] : Ma trận trọng số liên kết n x m chiều.

1. BẢNG CHỮ VIẾT TẮT VÀ MỘT SỐ THUẬT NGỮ

Adaline : Adaptive Linear Element- Phần tử nơron tuyến tính

thích nghi, tên loại nơron do Windrow đề xuất năm 1960.

ART : Adaptive Resonance Theory- Thuyết cộng hưởng thích

nghi. Một loại mạng được xây dựng theo lý thuyết này.

BAM : Bidirection Associative Memory- Một loại mạng do

Kosko đề xuất năm 1988.

BP : Backpropagation - Thuật học lan truyền ngược.

CAM : Content Addressable Memory- Bộ nhớ nội dung được

địa chỉ hóa.

LMS : Least Mean Square - Tên một thuật học (trung bình bình

phương nhỏ nhất).

2

LVQ : Learning Vector Quantization - Thuật học lượng hóa

véctơ.

MIMO : Multi Input Multi Output - Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu

ra.

MNN : Artificial Neural Networks - Mạng nơron nhân tạo

SISO : Single Input Single Output - Hệ một đầu vào một đầu ra.

RBF : Radial Basis Functions - Tên một loại mạng do Moody

và Darken đề xuất năm 1989.

3

MỞ ĐẦU

Mô phỏng sinh học đã tạo ra những thành tựu khoa học kỹ thuật to lớn

cho cuộc sống và công cuộc chinh phục thế giới tự nhiên của loài người. Mô

phỏng mạng nơron sinh học là một trong những lĩnh vực đang được phát triển

mạnh mẽ để tạo ra những hệ thống thông minh có những khả năng như ghi

nhớ kinh nghiệm quá khứ, nhận dạng, điều khiển, ra quyết định, dự

đoán...tương tự như bộ não người. Việc nghiên cứu và phát triển lý thuyết

mạng nơron nhân tạo đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đo lường,

điều khiển, công nghệ rôbôt, truyền thông, giao thông vận tải, hàng

không.v.v...

Mạng nơron với những ưu điểm vượt trội so với các hệ thống tính toán

truyền thống như: cho phép xấp xỉ những ánh xạ phi tuyến tùy ý; là hệ thống

xử lý song song làm tăng tốc độ tính toán cho phép đáp ứng khả năng tính

toán thời gian thực và chính xác; là hệ học và thích nghi, khi mạng được huấn

luyện từ các dữ liệu quá khứ, đồng thời có khả năng khái quát hóa khi dữ liệu

vào bị thiếu hoặc không đầy đủ, phù hợp với các hệ thống nhận dạng, chuẩn

đoán kỹ thuật...

Với những ưu điểm trên việc ứng dụng mạng nơron để chế tạo các cảm

biến thông minh với độ chính xác cao là điều hoàn toàn cần thiết, có khả năng

thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật công nghệ nói chung và lĩnh vực đo lường

nói riêng.

Nội dung chủ yếu của luận văn là tập trung nghiên cứu ứng dụng mạng

nơron cho khắc độ dụng cụ đo và cảm biến thông minh. Luận văn bao gồm

năm chương, trong đó chương 1 là phần tổng quan về các phương pháp khắc

độ thiết bị đo bao gồm các phương pháp khắc độ cho dụng cụ đo tương tự,

dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính và các chuyển đổi đo lường

sơ cấp. Chương này cũng nêu ra các hướng ứng dụng mạng nơron cho việc xử

lý số liệu đo và hiệu chỉnh đặc tính thang đo của cảm biến.

4

Chương 2 trình bày phần lý thuyết cơ sở của mạng nơron cho việc

nghiên cứu ứng dụng trong việc xử lý số liệu nhằm giảm sai số ngẫu nhiên,

khắc độ tự động đặc tính và hiệu chỉnh sai số hệ thống của cảm biến.

Ở chương 3, tác giả đã tập trung vào việc nghiên cứu ứng dụng mạng

nơron nhân tạo để xử lý số liệu đo ngẫu nhiên nhằm giảm sai số ngẫu nhiên,

từ các giá trị lấy mẫu đã được xử lý để giảm sai số ngẫu nhiên bằng mạng

nơron chúng tôi đề xuất sử dụng hàm nội suy Lagrange để khắc độ tự động

đường đặc tính của cảm biến thông minh. Đồng thời chương này cũng đã

nghiên cứu việc ứng dụng mạng nơron để khắc độ tự động đặc tính của cảm

biến đảm bảo độ chính xác cao.

Chương 4 nghiên cứu ứng dụng mạng nơron để hiệu chỉnh đặc tính thang

đo của cảm biến đảm bảo giới hạn sai số cho phép.

Chương 5 đánh giá kết quả đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo dựa

trên những kết quả của đề tài.

5

Chương 1

TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC ĐỘ CỦA DỤNG CỤ ĐO

VÀ CẢM BIẾN

1.1 Phương pháp khắc độ dụng cụ đo tương tự

Dụng cụ đo tương tự là loại dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lượng

liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục. Trong dụng cụ đo tương tự người ta

thường dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín

hiệu ra là góc quay của phần động (kim chỉ) hoặc là di chuyển của bút ghi

trên giấy (dụng cụ tự ghi).

Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong máy đo các đại lượng như

dòng điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở.v.v . Những dụng cụ

này chính là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng. Tức là thực hiện việc biến năng

lượng điện từ thành năng lượng cơ học làm quay phần động một góc α so với

phần tĩnh. Như vậy α = F(x), với x là đại lượng điện ( dòng hay áp hoặc là

tích của hai dòng điện)

Đối với chỉ thị cơ điện ta có phương trình đặc tính thang đo

α

α

d

dw

D

1 e = ,

trong đó D là mômen cản riêng và We là năng lượng điện từ trường. Từ

phương trình này ta sẽ biết được đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu

chỉ thị. Do trong cơ cấu chỉ thị cơ điện tồn tại nhiều mômen như mômen ma

sát, mômen cản dịu, mômen động lượng nên để xác định dạng thang đo của

cơ cấu chỉ thị thường sử dụng phương pháp đồ thị. Bằng thực nghiệm ta xây

dựng các đường cong mômen quay Md = f(α) với các giá trị X khác nhau. Ví

dụ với cơ cấu chỉ thị điện từ ta xây dựng các đường cong mômen quay 1, 2, 3,

4 với các giá trị X tương ứng bằng 40, 60, 80 và 100% Xn (Xn- trị số dòng

điện định mức làm kim lệch toàn thang). Trong trường hợp ở đồ thị hình 1.1

Xn =In=50mA. Các đường cong mômen quay Mq cắt đường mômen cản Mc tại

các điểm A, B, C, D. Từ giao điểm A, B, C, D ta có các vị trí cân bằng α =

30°

, 50°

, 70°

, 90°

tương ứng với các giá trị X=20, 30, 40, 50 mA. Như vậy ta

có thang đo của cơ cấu chỉ thị điện từ theo đơn vị của đại lượng X đầu vào.

6

Tuỳ thuộc vào phương trình đặc tính thang đo mà thang đo có thể là

tuyến tính (ví dụ : cơ cấu chỉ thị từ điện) hoặc phi tuyến (ví dụ : cơ cấu chỉ thị

điện từ , điện động, tĩnh điện). Nếu thang đo phi tuyến ta thường để thang đo

đạt được tương đối đều.

Đối với cơ cấu chỉ thị từ điện ta có phương trình đặc tính thang đo là α=

BswI

D

1 = K.I [TL3]

Trong đó B- Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu

s- Diện tích khung dây

w- số vòng dây

α- góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu

Góc lệch α tỉ lệ thuận với dòng điện I nên đặc tính của thang đo đều.

Cơ cấu chỉ thị điện từ có phương trình đặc tính là α= 2

2

1 I

d

dL

D α

[TL3].

Góc quay tỉ lệ với bình phương dòng điện do đó thang đo không đều. Ngoài

Mq

0 α °

30°

50°

70°

90°

X=40%Xn (I= 20 mA)

X=60%Xn (I= 30 mA)

X=80%Xn (I= 40 mA)

X=100%Xn (I= 50 mA)

4

3

2

1

0 20 30 40 50

Hình 1.1 : Xác định thang đo bằng phương pháp đồ thị

X(mA)

7

ra đặc tính thang đo lại còn phụ thuộc vào tỉ số

dα

dL là một đại lượng phi

tuyến. Để cho đặc tính thang đo đều cần phải tính toán sao cho khi góc lệch α

thay đổi thì tỉ số

dα

dL thay đổi theo quy luật tỉ lệ nghịch với dòng điện. Như

vậy đường cong tổng hợp sẽ là đường tuyến tính với một độ chính xác nhất

định.

Cơ cấu chỉ thị điện động có phương trình đặc tính thang đo đối với

trường hợp dòng một chiều I1 và I2 : α= 1 2

12 I I

d

dM

α

[TL3]. Trong trường hợp

dòng xoay chiều ta có α= 1 2

12 cos I I

d D

dM ϕ

α

. Như vậy góc lệch α phụ thuộc vào

tích I1I2 nên thang đo không đều. Có thể thay đổi vị trí của các cuộn dây để

thay đổi tỉ số

dα

dM12 theo hàm ngược với I1I2 nhằm đạt được thang đo đều

(thường từ 20%÷100% thang đo có thể chia đều còn 20% đầu thang đo chia

không đều)

Đối với Lôgômét điện động ta có phương trình đặc tính thang đo α=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

cos( , )

cos( , )

2 2

1 1

I I I

I I I F [TL3]. Khi cos(I,I1)=cos(I,I2)=1 tức là dòng điện chạy qua

α

I, L

I

2

dα

dL Đặc tính thang đo ~

dα

dL I 2

Hình 1.2 : Đặc tính thang đo với

dα

dL đã điều chỉnh

8

cuộn động và cuộn tĩnh đồng pha thì α = ⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

2

1

I

I F . Như vậy góc lệch α tỉ lệ với

tỉ số hai dòng điện.

Cơ cấu chỉ thị sắt điện động có phương trình đặc tính thang đo :

α=k1s2 w2I1I2cos(I1,I2), góc lệch α tỉ lệ với tích hai dòng điện.

Đối với cơ cấu chỉ thị tĩnh điện ta có phương trình đặc tính thang đo α=

dα

U dC

2

2

[TL3]. Như vậy góc lệch α tỉ lệ với bình phương điện áp U. Đặc tính

thang đo không đều (bậc hai) và phụ thuộc vào tỉ số

dα

dC là một đại lượng phi

tuyến. Trong thực tế để cho đặc tính thang đo đều cần phải tính toán sao cho

khi góc lệch α thay đổi thì tỉ số

dα

dC thay đổi tỉ lệ nghịch với điện áp và đường

cong tổng hợp sẽ là đường tuyến tính với một độ chính xác nhất định. Giống

như trường hợp cơ cấu chỉ thị điện từ.

Đối với cơ cấu chỉ thị tự ghi đầu vào thường là dòng điện biến thiên theo

thời gian i(t) và đầu ra là đường quan hệ α(t). Đường ghi trên băng giấy là sự

phối hợp giữa hai chuyển động y=α=f(i) và x=Kt. Theo cách ghi có thể phân

loại cơ cấu tự ghi làm ba loại : loại thứ nhất là ghi các đường cong liên tục;

loại thứ hai là ghi các đường cong rời rạc; loại thứ ba là in số lên băng giấy.

Nhận xét : trong dụng cụ đo tương tự chỉ thị kim thì sai số phi tuyến

được đưa lên thang đo mà không nhất thiết phải tuyến tính hóa đặc tính phi

tuyến như dụng cụ đo số.

1.2 Phương pháp khắc độ dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy

vi tính [TL3]

Việc sử dụng vi xử lý trong lĩnh vực đo lường mở ra những hướng phát

triển và mang lại nhiều ưu điểm cho dụng cụ đo và hệ thống thông tin đo

lường như :