Mục lục bài họcĐang ở d07-b3
Sensors, Analogue-to-Digital Conversion, Sampling and Data Logging
The world is analogue; the computer is digital. Temperature, pressure, light, sound and position vary continuously. A sensor converts a physical quantity into an electrical signal, usually a voltage that varies continuously with the quantity. A computer cannot store a continuously varying voltage; it needs a number. An analogue-to-digital converter (ADC) measures the voltage at an instant and outputs a binary number. On the way back out, a digital-to-analogue converter turns a number into a voltage that drives an actuator — a motor, heater, valve or speaker. The full chain is: physical quantity → sensor → ADC → processor → DAC → actuator, and every control system, from a thermostat to a self-driving car, is built on it.
Two parameters, two kinds of error. Sampling rate is how many times per second the ADC takes a reading. Sample too slowly and a short peak between two samples is missed entirely; the rule is to sample at least twice as fast as the fastest change you need to capture. Resolution is the number of bits per sample, which sets how many distinct levels can be distinguished: 8 bits give 256 levels, 12 bits give 4 096. A range of 0–100 °C at 8 bits has a step of about 0.4 °C, so every reading is rounded to the nearest step — quantisation error. Raising either parameter improves accuracy but multiplies the data produced and the power consumed, which matters on a battery. The correct choice depends on the phenomenon: a room's temperature once a minute is enough; vibration in a machine bearing needs thousands of samples a second.
Data logging. A data logger combines sensors, a clock and memory, and records readings at set intervals without a person present — for hours, months or years. It is used where humans cannot stay (a river gauge, a weather station on a mountain), where readings must be continuous (a patient monitor), or where the phenomenon is slow (glacier movement). Advantages over manual recording: no gaps, no transcription errors, readings at night and in hazardous places, timestamps that are exact, and data that is already digital for analysis. Costs: equipment, calibration, and the risk that a faulty sensor produces plausible-looking wrong data for months before anyone notices — which is why loggers are checked against a manual reading periodically.
Sensor limitations to mention. Every sensor has a range outside which it saturates, an accuracy (how close to the true value), a precision (how repeatable), a response time (a thermometer takes seconds to follow a change), and drift over time that requires recalibration. Noise from electrical interference adds random error, which is reduced by averaging several samples — at the cost of slower response. An answer that names the sensor and its limitation, and then says what the system does about it, is what the mark scheme rewards.
Thế giới là tương tự; máy tính là số. Nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, âm thanh và vị trí biến đổi liên tục. Cảm biến chuyển một đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, thường là điện áp biến đổi liên tục theo đại lượng đó. Máy tính không lưu được điện áp biến đổi liên tục; nó cần một con số. Bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) đo điện áp tại một thời điểm và cho ra một số nhị phân. Ở chiều ngược lại, bộ chuyển đổi số sang tương tự biến một con số thành điện áp điều khiển cơ cấu chấp hành — động cơ, bộ sưởi, van hay loa. Chuỗi đầy đủ là: đại lượng vật lý → cảm biến → ADC → bộ xử lý → DAC → cơ cấu chấp hành, và mọi hệ điều khiển, từ bộ điều nhiệt tới xe tự lái, đều xây trên chuỗi này.
Hai tham số, hai loại sai số. Tần số lấy mẫu là số lần mỗi giây ADC đọc một giá trị. Lấy mẫu quá chậm thì một đỉnh ngắn giữa hai mẫu bị bỏ lỡ hoàn toàn; quy tắc là lấy mẫu ít nhất nhanh gấp đôi thay đổi nhanh nhất cần bắt. Độ phân giải là số bit mỗi mẫu, quyết định bao nhiêu mức phân biệt được: 8 bit cho 256 mức, 12 bit cho 4 096. Dải 0–100 °C với 8 bit có bước khoảng 0,4 °C, nên mọi giá trị đọc bị làm tròn về bước gần nhất — sai số lượng tử. Tăng tham số nào cũng cải thiện độ chính xác nhưng nhân lên lượng dữ liệu và điện tiêu thụ, điều quan trọng khi chạy pin. Lựa chọn đúng phụ thuộc hiện tượng: nhiệt độ phòng mỗi phút là đủ; rung động trong ổ bi máy cần hàng nghìn mẫu mỗi giây.
Ghi dữ liệu. Bộ ghi dữ liệu kết hợp cảm biến, đồng hồ và bộ nhớ, ghi giá trị theo chu kỳ định sẵn mà không cần người có mặt — hàng giờ, hàng tháng hay hàng năm. Nó dùng ở nơi người không ở được (trạm đo sông, trạm khí tượng trên núi), nơi phải đo liên tục (máy theo dõi bệnh nhân), hoặc nơi hiện tượng rất chậm (băng hà dịch chuyển). Ưu điểm so với ghi tay: không khoảng trống, không lỗi chép, đo được ban đêm và nơi nguy hiểm, dấu thời gian chính xác, và dữ liệu đã ở dạng số để phân tích. Chi phí: thiết bị, hiệu chuẩn, và rủi ro một cảm biến hỏng cho ra dữ liệu sai trông có vẻ hợp lý suốt nhiều tháng trước khi ai đó nhận ra — đó là lý do bộ ghi được đối chiếu định kỳ với một lần đo tay.
Giới hạn của cảm biến cần nêu. Mọi cảm biến có dải đo mà ngoài đó nó bão hoà, độ chính xác (gần giá trị thật tới đâu), độ lặp lại (đo lại có giống không), thời gian đáp ứng (nhiệt kế mất vài giây để theo kịp thay đổi), và trôi theo thời gian đòi hiệu chuẩn lại. Nhiễu điện thêm sai số ngẫu nhiên, được giảm bằng cách lấy trung bình nhiều mẫu — với cái giá là đáp ứng chậm hơn. Bài làm gọi tên cảm biến và giới hạn của nó, rồi nói hệ thống làm gì với giới hạn đó, là bài được thang điểm thưởng.
Chọn tần số lấy mẫu và độ phân giải, có lý do, cho: (a) bộ ghi nhiệt độ kho lạnh chạy pin một năm, dải −30 tới +10 °C, cần phát hiện lệch 0,5 °C; (b) máy đo điện tim; (c) cảm biến rung để phát hiện ổ bi hỏng sớm trong động cơ quay 3 000 vòng mỗi phút.
(a) Kho lạnh — chậm và thô. Nhiệt độ một kho lạnh thay đổi trong nhiều phút, không phải mili giây, nên lấy mẫu mỗi 1–5 phút là đủ để bắt mọi sự cố có nghĩa, và mỗi lần đo thiết bị thức vài mili giây rồi ngủ — điều quyết định để pin sống một năm. Độ phân giải: dải 40 °C cần phân biệt 0,5 °C, tức 80 mức; 8 bit cho 256 mức, bước khoảng 0,16 °C, dư đủ. Dùng 12 bit không sai nhưng tốn bộ nhớ và điện vô ích.
(b) Điện tim — trung bình cả hai. Tín hiệu tim có các gai nhọn kéo dài vài chục mili giây; để vẽ đúng hình dạng chúng cần vài trăm mẫu mỗi giây, thường 250–500. Độ phân giải 12 bit trở lên vì tín hiệu rất nhỏ (mili vôn) và bác sĩ đọc các chi tiết biên độ; 8 bit làm tròn mất chi tiết chẩn đoán. Cắm điện nên pin không phải ràng buộc.
(c) Rung động — rất nhanh. 3 000 vòng mỗi phút là 50 vòng mỗi giây, và ổ bi hỏng tạo dao động ở bội số cao của tần số quay, thường vài kilohertz. Theo quy tắc gấp đôi, cần hàng chục nghìn mẫu mỗi giây; lấy mẫu chậm hơn sẽ bỏ lỡ hoàn toàn dấu hiệu hỏng hoặc tạo tần số giả. Độ phân giải 16 bit để bắt dao động nhỏ chồng lên rung động lớn. Dữ liệu khổng lồ nên thiết bị phân tích tại chỗ và chỉ gửi kết quả, thay vì ghi thô.
Nguyên tắc chung. Bắt đầu từ hiện tượng: thay đổi nhanh nhất cần bắt quyết định tần số, khác biệt nhỏ nhất cần phân biệt quyết định số bit, và pin cùng bộ nhớ đặt trần cho cả hai. Bài chỉ nói càng cao càng tốt mất điểm vì bỏ qua cái giá.
Một trạm đo chất lượng không khí ghi nồng độ bụi mỗi 10 phút. Sau ba tháng người ta phát hiện toàn bộ dữ liệu của một cảm biến thấp hơn thực tế khoảng 40% nhưng vẫn dao động theo ngày đêm rất tự nhiên. Giải thích cách điều này xảy ra, vì sao không ai nhận ra, và thiết kế để tránh.
Cơ chế. Cảm biến bụi quang học bị bám bẩn dần trên cửa sổ đo, nên lượng ánh sáng tán xạ đo được giảm, và mọi giá trị bị nhân với một hệ số nhỏ hơn 1. Vì hệ số áp lên mọi mẫu, dao động ngày đêm vẫn nguyên hình dạng — chỉ biên độ nhỏ đi. Đây là trôi hệ thống, khác với nhiễu ngẫu nhiên: nhiễu làm dữ liệu trông xấu, trôi làm dữ liệu trông đẹp mà sai.
Vì sao không ai nhận ra. Bộ ghi làm đúng việc của nó: ghi đều, không khoảng trống, dấu thời gian chính xác. Không có lỗi phần mềm nào để báo, và dữ liệu vẫn hợp lý — cao ban ngày, thấp ban đêm, tăng khi tắc đường. Người xem biểu đồ không có gì để nghi. Đây chính là rủi ro đặc trưng của ghi dữ liệu tự động: nó thay thế con người kể cả ở khâu nghi ngờ.
Thiết kế để tránh. Một, đối chiếu định kỳ với một thiết bị tham chiếu hoặc đo tay — hằng tuần — và ghi hệ số hiệu chuẩn vào nhật ký. Hai, cảm biến dự phòng: hai cảm biến cùng loại tại một điểm, và cảnh báo khi chúng lệch nhau quá ngưỡng — trôi hiếm khi xảy ra giống hệt trên cả hai. Ba, kiểm tra hợp lý tự động: so với trạm lân cận, và cảnh báo khi trung bình tuần giảm dần trong khi trạm bên cạnh không giảm. Bốn, lịch bảo trì vật lý lau cửa sổ đo, vì nguyên nhân là cơ học chứ không phải phần mềm. Câu trả lời tốt nêu rõ: bộ ghi dữ liệu không loại bỏ nhu cầu con người, nó đổi việc của con người từ ghi sang kiểm.
Bẫy 2 — nhầm độ phân giải với độ chính xác. 12 bit cho bước nhỏ, nhưng cảm biến lệch 2 độ vẫn lệch 2 độ.
Bẫy 3 — coi bộ ghi dữ liệu là không cần người. Trôi cho dữ liệu đẹp mà sai; phải đối chiếu định kỳ.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Control (HL) gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.