Tin học Vật lý - Bài 2 Hệ thu thập dữ liệu |
![]() |
![]() |
Viết bởi Vu Anh Minh | |||
Thứ tư, 11 Tháng 3 2009 04:49 | |||
Các bộ chuyển đổi tương tự / số nối liền khoảng cách giữa thế giới tín hiệu số và tương tự. Một hệ thống tương tự / số điển hình lối vào hệ thống nhận các kích thích vật lý, hoá học hay sinh học; bộ chuyển đổi chuyển những tín hiệu này ra dạng tín hiệu điện tương tự (sensor áp suất, nhiệt độ, ánh sáng ...). các tín hiệu được sinh ra do bộ chuyển dổi thường tương đối nhỏ và cần được khuyếch đại lên ( đến mức điện áp yêu cầu ) trước khi được chuyển đổi sang dạng tín hiệu số tương đương. Các giá trị số đại diện cho tín hiệu sau đó sẽ được các máy tính hay bộ vi xử lý lưu trữ hay xử lý rồi được tái tạo lại thành các tín hiệu điện nhờ bộ chuyển đổi số / tương tự DAC.
2/ CÁC HỆ THU THẬP DỮ LIỆU (DATA AQUISITION)
2.1/ CHUYỂN ĐỔI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ THÀNH TÍN HIỆU SỐ Các bộ chuyển đổi ADC ( tương tự / số ) nối liền khoảng cách giữa thế giới tín hiệu số và tương tự. Hình vẽ dưới đây biểu diễn một hệ thống tương tự / số điển hình. Lối vào hệ thống nhận các kích thích vật lý, hoá học hay sinh học; bộ chuyển đổi chuyển những tín hiệu này ra dạng tín hiệu điện tương tự ( sensor áp suất, nhiệt độ, ánh sáng ...). các tín hiệu được sinh ra do bộ chuyển dổi thường tương đối nhỏ và cần được khuyếch đại lên ( đến mức điện áp yêu cầu ) trước khi chuyển sang dạng tín hiệu số tương đương. Bộ chuyển đổi tương tự / số (ADC ) chuyển tín hiệu dạng tương tự này thành tín hiệu dạng số. Máy tính hay bộ vi xử lý sau đó sẽ cất hay xử lý các giá trị số này để tạo ra các tín hiệu điện qua bộ chuyển đổi số / tương tự DAC. Lưu ý rằng tất cả các hệ thống tương tự / số không nhất thiết phải có cả các lỗi vào và các lối ra. Nó có thể chỉ có các lối vào tương tự hoặc các lối ra tương tự. Máy tính số : Là một thiết bị thu thập và xử lý tín hiệu số, trong khi các tín hiệu đo từ các quá trình gồm cả tín hiệu tương tự. Vì vậy sơ đồ khối đầy đủ của việc xử lý tín hiệu bằng tính số trong các thực nghiệm như sau : Tín hiệu tương tự từ thực nghiệm đưa vào bộ lọc thông thấp LF1, được lấy mẫu qua bộ trích và giữ mẫu S&H (sample and hold) thành tín hiệu rời rạc. Sau đó được đưa qua bộ biến đổi tương tự số ADC (Analog – digital-converter) để thành tín hiệu số và đưa vào máy tính PC để xử lý. Tín hiệu số sau khi đã xử lý được biến đổi trở lại thành tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi số tương tự DAC (Digital-analog-converter) rồi lại đưa qua bộ lọc thông thấp LF2 để thành tín hiệu lối ra. Tác dụng của hai bộ lọc thấp LF1 và LF2 sẽ được nói rõ sau. Tuy nhiên tín hiệu số khi đưa vào máy tính xử lý không nhất thiết phải lấy ra từ ADC mà có thể được lấy trực tiếp từ các quá trình số khác. Cũng như vậy, tín hiệu số sau khi xử lý không bắt buộc phải qua bộ biến đổi DAC để chuyển đổi lại thành tín hiệu tương tự mà có thể được lấy ra ngay để điều khiển các quá trình số khác. Hình vẽ - Hệ thống tương tự-số
Thiết bị chuyển đổi những tín hiệu tương tự biến đổi liên tục từ các thiết bị theo dõi các điều kiện như sự chuyển động, nhiệt độ, cường độ sáng, âm thanh ...thành các số nhị phân dùng trong máy tính. Có thể là một chip đơn hay một mạch điện thiết kế cùng một chíp gọi là bộ chuyển đổi tương tự số (Analog Digital Converter).
Vai trò của các bộ chuyển đổi là chuyển dạng này của năng lượng ( ánh sáng, nhiệt độ ... ) ra thành các dạng khác ( tín hiệu điện ).
Câu hỏi :
2.2/ CÁC BỘ CẢM BIẾN
2.2.1/ PHÉP ĐO NHIỆT ĐỘ : Có nhiều phương pháp để chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện như : cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, sensor hồng ngoại và các IC nhiệt độ. a/Cặp nhiệt điện : Là một đầu dò hai kim loại hàn liền với nhau. Số các điện tử tự do trong kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ và loại vật liệu. Nếu hai kim loại khác nhau hàn với nhau thì tại chỗ tiếp xúc sẽ sinh ra một thế hiệu thay đổi theo nhiệt độ ( trên một khoảng xác định ).
Sensor kiểu này thường gồm hai đầu, một đầu đo và một đầu tham chiếu ( đầu nóng và đầu lạnh ). Hiệu thế gây ra do chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu.
Biều diễn một cặp nhiệt điện điển hình. Trường hợp này hệ số chuyển đổi là 50oC trên 2mV hay 25oC/mV. Lối ra cặp nhiệt điện thường được khuyếch đại lên đến giải 0 - +5V. Có ba kiểu cặp nhiệt điện chính thường được dùng : - kiểu K ( -50oC đến + 1000oC ) - kiểu T ( - 1000C đến +325oC ) là hợp kim đồng / đồng-niken - kiểu J ( -25oC đến +625oC ) hợp kim sắt/ đồng – niken hay niken - crom/niken-nhôm Độ chính xác của cặp nhiệt điện kiểu này khoảng +- 1oC b/ Nhiệt điện trở
Là những điện trở được thiết kế đặc biệt có sự thay đổi điện trở có thể dự kiến trước trong một khoảng biến thiên nhiệt độ tương đối rộng. Chúng có hệ số nhiệt độ âm (ntc ) hay hệ số nhiệt độ dương (ptc). Hầu hết các chất bán dẫn có tính chất ntc hay điện trở của chúng tăng lên khi nhiệt độ giảm và ngược lại. Với phép đo điện trở so sánh với bảng cho trước của nhiệt điện trở để xác định nhiệt độ của phép đo. Nhiệt điện trở nói chung thường có dạng kiểu giọt ( trong một vỏ thuỷ tinh hay kim loại ) hoặc kiểu đĩa. Chúng thường được xác định như giá trị điện trở của chúng ở 25oC. Các nhiệt điện trở thường thấy là : 1K, 4.7 K, 10 K, 47 K, 220 k, 470 K và 350 K. Mỗi loại có một bảng chỉnh nhiệt độ chuẩn phản ánh sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ. Ví dụ 1K điển hình có trở 100K ở -60oC, 10K ở - 30oC, 1K ở 25oC và 100 ở +100oC. Sai số đặc trưng vào khoảng +-10%.
c/ Sensor hồng ngoại :
Nếu một kim loại đàn hồi bị biến dạng sẽ thay đổi độ dài và một tiết diện thay đổi một chút, như trên hình vẽ . Điện trở của kim loại sẽ thay đổi trực tiếp với độ dài. và sự thay đổi này cũng xảy ra với độ biến dạng, Tính chất này được sử dụng hữu ích trong phép đo áp suất. lực, momen xoắn và chuyển động. ví dụ như dạng vành lá kim loại mỏng ( nhôm, đồng – niken ) dán trên nhựa. Một bộ khuyếch đại độ biến dạng chuyển đổi sựu thay đổi điện trở ra thành mức điện thế. Các kim loại thường dùng để chế tạo lá kim loại là hợp kim đồng - nhôm có điện trở thay đổi tỷ lệ với độ biến dạng. 2.2.3/ BIẾN ĐỔI ĐIỆN DUNG : Chuyển đổi điện dung điển hình được dùng trong các sensor áp xuất. Nếu một đĩa cố định và cái kia có thể chuyển động thì điện dung thay đổi theo áp suất tác dụng lên tấm. Cũng tương tự với độ chuyển đổi độ cảm ứng, phụ thuộc vào từ trường tác dụng. Phương pháp này thường ít tuyến tính hơn phương pháp điện dung và thường được dùng để phát hiện sự có mặt của các đối tượng kim loại. 2.2.6/ ÂM THANH 2.2.7/ VẬN TỐC VÀ GIA TỐC :
2.2.9/ TẾ BÀO QUANG DẪN :
Điện trở của tế bào quang điện thay đổi theo số tia sáng tới. Kiểu sensor này thường được dùng trong các hệ thống chiếu sáng tự động. Tế bào Photo-gavanic Thế hiệu được sinh ra nhờ tế bào photo-gavanic thay đổi theo số tia tới. Có thể được chế tạo từ selenium và dùng trong các camera đo độ sáng. 2.2.10/ ĐO DÒNG CHẢY : Có ba phương pháp chính đo dòng chảy : - Phương pháp turbin – gồm một trục turbin nối với một đầu đo cảm ứng từ. Tần số lối ra đầu đo thay đổi theo tốc độ dòng chảy. Có thể chuyển đổi thành thế hiệu qua bộ chuyển đổi tần số - điện thế. - Điện từ – hoạt động trên cơ sở định lý Faraday cảm ứng. Thế cảm ứng giữa hai điện cực cô lập thay đổi khi tốc độ của chất lỏng truyền qua chúng. ưu điểm của phương pháp này là không làm cản trở dòng chảy nhưng đòi hỏi kích thước điện cực phải tương đối lớn. ngoài ra chất lỏng cũng phải có độ dẫn điện tốt. Hiệu ứng Dopler. Đầu dò Dopler hoạt động trên cơ sở độ dịch tần số để phát hiện tốc độ dòng chảy. Hiệu tần số phát đi và phản xạ sóng siêu âm được dùng để đo tốc độ dòng chảy
2.3/ SO SÁNH GIỮA KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ VÀ SỐ :
Ưu điểm chính của kỹ thuật số so với tương tự là tín hiệu số ít bị ảnh hưởng bởi ồn. Các tín hiệu nhiễu không mong muốn cộng vào với tín hiệu gọi là ồn nguyên nhân có thể do các thiết bị ngoài sinh ra tĩnh điện trong không khí, từ các tín hiệu khác dọc theo đường truyền tín hiệu (chéo nhau ), từ bên trong các linh kiện điện tử, từ quá trình ghi và đọc từ,... Hình vẽ dưới đây biểu diễn tín hiệu số bị ảnh hưởng của ồn.
Dùng một bộ so sánh có lối ra bằng 1 nếu thế hiệu vào lớn hơn thế ngưỡng và bằng 0 khi nhỏ hơn. Nếu thế ồn nhỏ hơn thế ngưỡng thì ồn sẽ bị loại trừ khỏi tín hiệu. Cả khi ồn lớn hơn thế ngưỡng cũng có những kỹ thuật để giảm ảnh hưởng của ồn. Ví dụ các bít bổ xung có thể thêm vào số liệu để phát hiện lỗi hay chữa các bít lỗi.
2.4/ LÝ THUYẾT LẤY MẪU TÍN HIỆU: 2.4.1/ LƯỢNG TỬ HOÁ
Trước khi mã hoá một tín hiệu tương tự thành dạng số trước hết cần lượng tử hoá nó thành các mức riêng biệt về biên độ. Khi đã lượng tử hoá, các giá trị tức thời của tín hiệu tương tự không bao giờ có thể khôi phục lại chính xác nữa. Điều này dẫn đến các lỗi ngẫu nhiên còn gọi là lỗi lượng tử hoá. hình vẽ biểu diễn quá trình lượng tử hoá. Lưu ý rằng các mẫu thứ 11 và 12 được mã hoá như các giá trị nhị phân 0001 mặc dầu chúng hơi khác nhau về biên độ. 2.4.2/ MÃ HOÁ MẪU 2.4.3/ LỖI LƯỢNG TỬ :
Câu hỏi :
|
|||
Lần cập nhật cuối ( Thứ hai, 22 Tháng 3 2010 17:58 ) |