Luận văn : ứng dụng mạng nơron để chế tạo các cảm biến thông minh

LINK DOWNLOAD MIỄN PHÍ TÀI LIỆU "Luận văn : ứng dụng mạng nơron để chế tạo các cảm biến thông minh": http://123doc.vn/document/570092-luan-van-ung-dung-mang-noron-de-che-tao-cac-cam-bien-thong-minh.htm

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 chuyể
n 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
e
1
=
,
trong đó D là mômen cản riêng và W
e
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 M
d
= 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% X
n
(X
n
- trị số dòng
điện định mức làm kim lệch toàn thang). Trong trường hợp ở đồ thị hình 1.1
X
n
=I
n
=50mA. Các đường cong mômen quay M
q
cắt đường mômen cản M
c
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 v
ới 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
M
q

α 0
°
30
°
50
°
70
°
90
°

X=40%X
n
(I= 20 mA)
X=60%X
n
(I= 30 mA)
X=80%X
n
(I= 40 mA)
X=100%X
n
(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
α
d
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
α
d
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 I
1
và I
2
: α=
21
12
II
d
dM
α
[TL3]. Trong trường hợp
dòng xoay chiều ta có α=
21
12
cos
II
Dd
dM
ϕ
α
. Như vậy góc lệch α phụ thuộc vào
tích I
1
I
2
nên thang đo không đều. Có thể thay đổi vị trí của các cuộn dây để
thay đổi tỉ số
α
d
dM
12
theo hàm ngược với I
1
I
2
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(
22
11
III
III
F
[TL3]. Khi cos(I,I
1
)=cos(I,I
2
)=1 tức là dòng điện chạy qua
α
I, L
I
2
α
d
dL

Đặc tính thang đo ~
α
d
dL
I
2

Hình 1.2 : Đặc tính thang đo với
α
d
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=k
1
s
2
w
2
I
1
I
2
cos(I
1
,I
2
), 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=
α
d
dCU
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
α
d
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
α
d
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 giấ
y 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 nh
ư 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 :


9
- Có thể ghép nối thiết bị đo với bàn phím cho phép nhập thông tin bằng
bàn phím số hoặc đặt trước giá trị đo lường hay kiểm tra của một thông số nào
đó.
- Có thể ghép nối với màn hình để đọc kết quả và sai số
- Có thể gia công kết quả đo theo các thuật toán đã định sẵn và đưa ra
màn hình.
- Có thể nối với máy in để in kết quả
đo hay tự động vẽ lại các đường
cong sau khi đã gia công kết quả bằng phép xây dựng đường cong thực
nghiệm.
- Thay đổi toạ độ bằng cách đưa thêm vào các hệ số nhân thích hợp.
- Tiến hành tính toán khi thực hiện phép đo gián tiếp hay hợp bộ hoặc đo
lường thống kê.
- Hiệu chỉnh được sai số của phép đo
- Bù các kết quả đo bị sai l
ệch do ảnh hưởng của sự biến động các thông
số như nhiệt độ, độ ẩm, tần số….
- Điều khiển các khâu của dụng cụ đo cho phù hợp với đại lượng đo ví
dụ : tự động chọn thang đo.
- Mã hoá các tín hiệu đo
- Ghép nối với kênh liên lạc để truyền số liệu đi xa.
- Có thể ghép nối v
ới bộ nhớ để lưu giữ số liệu của kết quả đo hay các
giá trị tức thời của tín hiệu đo.
Ngoài ra dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính còn có khả
năng tự động khắc độ. Quá trình tự động khắc độ như sau :
- Đầu tiên người ta đo các giá trị của tín hiệu chuẩn, ghi vào bộ nhớ, sau
đó đo các giá trị
của đại lượng cần đo và bằng các công cụ toán học (dưới
dạng thuật toán) có thể so sánh, gia công kết quả đo và loại trừ các sai số.


10
Ví dụ : Trong một Vônmét thực hiện theo phương pháp này việc khắc độ
được thực hiện trước mỗi lần đo (ở chế độ đồng bộ trong). Việc bù sai số do
sự lệch không của bộ khuếch đại (sự trôi điểm không chẳng hạn) sẽ được thực
hiện bằng cách đo mức không (mức đất) của tín hiệu, sau đó bắt đầu đo đ
iện
áp chuẩn cố định từ nguồn mẫu (ví dụ như pin mẫu).
Sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính có thể thay thế cho một loạt các thao
tác mà trong dụng cụ tương tự không thực hiện được ví dụ như : phép nhân,
phép tuyến tính hoá, điều khiển quá trình đo, điều khiển sự làm việc của các
thiết bị vào ra v.v
1.3 Phương pháp khắc độ các chuyển đổi đo lường s
ơ cấp
1.3.1 Chuyển đổi đo lường so cấp
Chuyển đổi đo lường là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa
hai đại lượng vật lý với một độ chính xác nhất định.
Như vậy chuyển đổi đo lường làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý
này sang đại lượng vật lý khác. Mối quan hệ hàm có thể là tuy
ến tính hay phi
tuyến. Tuy nhiên trong kỹ thuật đo lường người ta cố gắng tạo ra các chuyển
đổi tuyến tính để nâng cao độ chính xác của phép đo.
Chuyển đổi đo lường sơ cấp là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng
vào là đại lượng không điện và đại lượng ra của nó là đại lượng điện.
Phương trình đặc tính của chuyển đổi Y=f(X)
Trong đó X-là đại lượng không
điện cần đo
Y-đại lượng điện sau chuyển đổi
Hàm đặc tính của chuyển đổi là một hàm đồng biến hoặc nghịch biến.
Khi chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một vỏ hộp có kích thước và hình
dáng phù hợp với vị trí điểm đo hoặc có khi tích hợp với mạch đo để tạo
thành một dụng cụ được gọi là
đầu đo, bộ cảm biến hoặc là sensor.
Để có được đặc tính của chuyển đổi sơ cấp người ta thường làm thực
nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa X và Y. Mối quan hệ này thường là phi


11
tuyến, nhưng để nâng cao độ chính xác của thiết bị đo người ta tìm cách tuyến
tính hoá nó bằng các mạch điện tử hay dùng các thuật toán khi gia công số
liệu đo bằng máy tính hoặc vi xử lý.
Trong thực tế tín hiệu ra Y của chuyển đổi không những phụ thuộc vào
X mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài Z : Y=f(X,Z)
Đặc tính của chuyển đổi phải là hàm đơn trị, nghĩa là với đường cong hồi
ph
ục của chuyển đổi ứng với một giá trị X ta chỉ nhận được một giá trị Y.
Đường cong của chuyển đổi phải ổn định, nghĩa là không thay đổi theo thời
gian. Và tín hiệu ra của chuyển đổi phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ
đo, hệ thống đo và máy tính.
Đặc tính của chuyển đổi có thể là hàm tuyến tính hoặc phi tuyến, chẳng
hạn như hàm lôga-rít, hàm đa thứ
c, hàm mũ.
Đặc tính tuyến tính được mô tả bởi biểu thức :Y=a+bx
Đặc tính lôga-rít : Y=a+b.lnx
Đặc tính hàm mũ : Y=a.e
kx

Đặc tính hàm đa thức : Y=a
o
+ a
1
.x + a
2
x
2
+ + a
n
x
n
Đặc tính quan trọng của chuyển đổi là sai số.
- Sai số cơ bản của chuyển đổi là sai số gây ra do nguyên lý của chuyển
đổi, sự không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo.
- Sai số phụ là sai số gây ra do biến động của điều kiện bên ngoài khác
với điều kiện tiêu chuẩn.
Sai số tương đối quy đổi:
%100
max
N
n
X
X
Δ
=
γ
, với X
N
là giá trị cực đại của
thang đo, cần phải nhỏ hơn hoặc bằng cấp chính xác. Sai số tuyệt đối được
tính bằng hiệu của giá trị đo được với giá trị thực. Ví dụ một sensor đo
khoảng cách tuyến tính lý tưởng sẽ tạo ra 1 mV trên 1mm dịch chuyển. Tuy
nhiên trong thực tế một dịch chuyển 10 mm tạo ra 10.5 mV, từ 10.5 mV tính
ngược lại (1mm trên 1 mV) ta được 10.5 mm, lớn hơn 0.5 mm so vớ
i thực tế.


12
0.5mm này là sai số tuyệt đối và do đó trong khoảng 10 mm sai số tương đối
quy đổi của sensor là 0.5mm/10 mm x 100% =5%.
Để cảm biến đạt cấp chính xác nhất định thì đường cong đặc tính thực tế
phải nằm trong hai đường giới hạn sai số cho phép như biểu diễn trên hình 1.3
và hình 1.4 .
















Các đường giới hạn sai số cho phép lệch với đường đặc tính lý t
ưởng
một khoảng
Δ±
và đường cong thực tế lệch với đường đặc tính lý tưởng một
khoảng
δ
±
, trong đó
Δ≤
δ
.
100% x
Y
100%
y
y’
z
z’
x
x’
-
δ

+
Δ

-
Δ

Đường đặc tính
thực tế
Đường đặc tính
lý tưởng
Đường giới hạn
Y
FS
Hình 1.3 : Đường cong đặc tính của cảm biến
Δ−
Δ+
-
δ


Đường giới hạn phải
Đường giới hạn trái Đường hiệu chuẩn
Đường đặc tính thực tế
Hình 1.4 : Đường giới hạn độ chính xác
x
Y


13
Có nhiều phương pháp để tuyến tính hoá đường đặc tính của cảm biến.
Đối với đặc tính có thể tuyến tính bằng một đường thẳng người ta thường
dùng các phương pháp sau :
+ Phương pháp dùng điểm đầu và điểm cuối của đường đặc tính :
Ta xác định các giá trị đầu ra của cảm biến tại giá trị nhỏ nhất và lớn
nhất của đầu vào và vẽ đường thẳ
ng qua hai điểm này (đường 1 trên hình 1.5).
Gần các điểm đầu và điểm cuối thì sai số nhỏ và sai số lớn nhất rơi vào
khoảng giữa của đường đặc tính.







+ Phương pháp xấp xỉ bình phương cực tiểu :
Đo vài giá trị đầu ra Y (n giá trị) tương ứng với các giá trị đầu vào x
trong toàn thang đo. Sử dụng công thức sau để xác định các giá trị a và b củ
a
đường thẳng Y=a+b.x (đường 2 trên hình 1.5)
()
2
2
2
∑∑
∑∑∑∑
−
−
=
xxn
xYxxY
a

()
2
2
∑∑
∑∑∑
−
−
=
xxn
YxxYn
b

Trong đó
∑
là tổng của n số hạng.
Trong một vài ứng dụng thì độ chính xác cao nhất cần phải đạt được ở
trong một khoảng nhỏ nhất định. Ví dụ nhiệt kế y tế phải có độ chính xác cao
Điểm đầu và điểm
cuối
L2
L1
100% x
Y
100%
0
Hình1.5 : Đường thẳng xấp xỉ đường cong phi tuyến
c
2
1
3


14
trong vùng nhiệt độ sốt của cơ thể từ 37 đến 38°C. Nó có thể kém chính xác ở
ngoài khoảng nhiệt độ đó. Cảm biến được hiệu chuẩn ở vùng yêu cầu độ
chính xác cao nhất . Do đó đường xấp xỉ có thể được vẽ qua điểm hiệu chuẩn
c (đường 3 trên hình 1.5). Sai số nhỏ ở gần điểm hiệu chuẩn và tăng lên về
phía hai đầu củ
a thang đo. Trong phương pháp này thì đường thẳng thường
được xác định như là tiếp tuyến của đường đặc tính tại điểm hiệu chuẩn.
+ Phương pháp dùng đường thẳng độc lập : đường thẳng xấp xỉ độc lập
là đường thẳng nằm giữa hai đường song song sát nhau và bao toàn bộ các giá
trị đầu ra trên đường đặc tính thực tế như hình 1.6.








Đặc tính động củ
a chuyển đổi là khi cho tín hiệu đo vào chuyển đổi
thường xuất hiện quá trình quá độ. Quá trình này có thể nhanh hay chậm tuỳ
thuộc vào dạng chuyển đổi. Đặc tính này được gọi là độ tác động nhanh. Độ
tác động nhanh hay chậm tức là thời gian trễ nhỏ hay lớn của đáp ứng tín hiệu
ra so với sự thay đổi của tín hiệu vào.
Phương trình cơ bản của cảm biến có dạng :
Y=f(x, a, b, c…)
Trong đ
ó x là đại lượng đo hay còn gọi là đại lượng chủ, các đại lượng a,
b, c… được gọi là các yếu tố ảnh hưởng cần được loại bỏ. Yêu cầu của cảm
biến là tạo được đặc tính Y=f(x) và quan hệ này được lặp lại với một giá trị
Hình1.6 : Đường thẳng xấp xỉ độc lập
Đường thẳng xấp xỉ
-
δ

100% x
Y
100%
0
+
δ

c