bai giang mon co so do luong dien tu nguyen trung hieu 996

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÀI GIẢNG MÔN CƠ SỞ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ Giảng viên: KS Nguyễn Trung Hiếu Điện thoại/E-mail: 0916566268; trunghieutq@gmail.com Bộ môn: Kỹ thuật điện tử - Khoa KTDT1 Học kỳ/Năm biên soạn: Học kỳ 1/2009-2010 Sách tham khảo Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử, Vũ Quý Điềm, nhà xuất KHKT, 2001 Đo lường điện-vô tuyến điện, Vũ Như Giao Bùi Văn Sáng, Học viện kỹ thuật quân sự, 1996 Electronic Test Instruments, Bob Witte, 2002 Radio Electronic Measurements, G.Mirsky, Mir Publishers, Moscow, 1978 Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MƠN KTĐT NỘI DUNG • • • • • • • • • CHƯƠNG Giới thiệu chung đo lường điện tử CHƯƠNG Đánh giá sai số đo lường CHƯƠNG Các cấu thị máy đo CHƯƠNG Máy sóng CHƯƠNG Đo tần số, khoảng thời gian độ di pha CHƯƠNG Đo dòng điện điện áp CHƯƠNG Đo cơng suất CHƯƠNG Phân tích phổ CHƯƠNG Đo tham số mạch điện Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MƠN KTĐT CHƯƠNG • Định nghĩa • Các phương pháp đo • Phương tiện đo đặc tính phương tiện đo • Phân loại máy đo Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử 1.1 Định nghĩa Đo lường: khoa học phép đo, phương pháp công cụ để đảm bảo phương pháp đo đạt độ xác mong muốn Đo lường điện tử: đo lường mà đại lượng cần đo chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện mang thơng tin đo tín hiệu điện xử lý đo lường dụng cụ mạch điện tử 1.2 Các phương pháp đo Phương pháp đo trực tiếp: dùng máy đo hay mẫu đo (các chuẩn) để đánh giá số lượng đại lượng cần đo Kết đo trị số đại lượng cần đo X =a - VD: đo điện áp vôn-mét, đo tần số tần số-mét, đo công suất oát-mét, - Đặc điểm: đơn giản, nhanh chóng, loại bỏ sai số tính tốn Đo gián tiếp: kết đo trị số đại lượng cần đo, mà số liệu sở để tính trị số đại lượng X = F (a1 , a2 , , an ) Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử VD: đo công suất vơn-mét ampe-mét, đo hệ số sóng chạy dây đo, - Đặc điểm: nhiều phép đo thường không nhận biết kết đo Phương pháp đo thống kê: thực đo nhiều lần đại lượng đo với thiết bị đo điện kiện đo, kết đo tính giá trị trung bình thống kê của lần đo - Đặc điểm: cho phép loại trừ sai số ngẫu nhiên thường dùng kiểm chuẩn thiết bị đo Phương pháp đo tương quan: dùng để đo q trình phức tạp, khơng thể thiết lập quan hệ hàm số đại lượng thông số trình nghiên cứu VD: tín hiệu đầu vào đầu hệ thống - Thực cách xác định khoảng thời gian kết số thuật tốn có khả định trị số đại lượng thích hợp - Đặc điểm: cần hai phép đo mà thông số từ kết đo chúng không phụ thuộc lẫn Độ xác xác định độ dài khoảng thời gian trình xét Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử Các phương pháp đo khác: • Phương pháp đo thay thế: Phép đo tiến hành hai lần, lần với đại lượng cần đo lần với đại lượng đo mẫu Điều chỉnh để hai trường hợp đo có kết thị • Phương pháp hiệu số: Phép đo tiến hành cách đánh giá hiệu số trị số đại lượng cần đo đại lượng mẫu (phương pháp vi sai, phương pháp thị khơng, phương pháp bù) • Phương pháp đo thẳng: kết đo định lượng trực tiếp độ thiết bị thị Tất nhiên khắc độ thang độ lấy chuẩn trước với đại lượng mẫu loại với đại lượng đo • Phương pháp thị số: đại lượng cần đo biến đổi thành tin tức xung rời rạc Trị số đại lượng cần đo tính số xung tương ứng Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử 1.3 Phương tiện đo đặc tính Phương tiện đo phương tiện kĩ thuật để thực phép đo, chúng có đặc tính đo lường qui định - Phương tiện đo đơn giản: mẫu, thiết bị so sánh, chuyển đổi đo lường - Phương tiện đo phức tạp: máy đo (dụng cụ đo), thiết bị đo tổng hợp hệ thống thông tin đo lường + Mẫu: phương tiện đo dùng để lại đại lượng vật lí có giá trị cho trước với độ xác cao Chuẩn mẫu có cấp xác cao Chuẩn phương tiện đo đảm bảo việc giữ đơn vị tiêu chuẩn + Thiết bị so sánh: phương tiện đo dùng để so sánh đại lượng loại để xem chúng “ = ”, “ > ”, “ < ” + Chuyển đổi đo lường: phương tiện đo dùng để biến đổi tín hiệu thông tin đo lường dạng thuận tiện cho việc truyền tiếp, biến đổi tiếp, xử lí tiếp giữ lại người quan sát nhận biết trực tiếp (VD: KĐ đo lường; biến dòng, biến áp đo lường; quang điện trở, nhiệt điện trở, ) Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử + Dụng cụ đo: phương tiện đo dùng để biến đổi tín hiệu thơng tin đo lường dạng mà người quan sát nhận biết trực tiếp (VD: vônmét, ampe mét, ) Dụng cụ đo Mức độ tự động hóa Dụng cụ đo không tự động Dụng cụ đo tự động Dạng tín hiệu Dụng cụ đo tương tự Dụng cụ đo số Các đại lượng đầu vào Phương pháp biến đổi Dụng cụ đo biến đổi thẳng Dụng cụ đo biến đổi cân Dụng cụ đo dòng điện Dụng cụ đo tần số Hình 1.1 – Sơ đồ phân loại tổng quan thiết bị đo + Thiết bị đo tổng hợp phương tiện đo phức tạp, đa dùng để kiểm tra, kiểm chuẩn đo lường tham số phức tạp + Hệ thống thông tin đo lường: Hệ thống mạng kết nối nhiều thiết bị đo, cho phép đo lường điều khiển từ xa, đo lường phân tán Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử Các đặc tính phương tiện đo • Các đặc tính tĩnh: xác định thơng qua q trình chuẩn hố thiết bị + Hàm biến đổi: tương quan hàm số đại lượng đầu Y đại lượng đầu vào X phương tiện đo, Y=f(X) + Độ nhạy: tỷ số độ biến thiên tín hiệu đầu Y phương tiện đo với độ biến thiên đại lượng đo đầu vào X tương ứng Ký hiệu: S= dY dX + Phạm vi đo: phạm vi thang đo bao gồm giá trị mà sai số cho phép phương tiện đo giá trị đo qui định + Phạm vị thị : phạm vi thang đo giới hạn giá trị đầu giá trị cuối thang đo + Cấp xác: xác định giá trị lớn sai số thiết bị đo Thường tính tốn giới hạn sai số tương đối quy đổi + Độ phân giải: Chính độ chia thang đo hay giá trị nhỏ phân biệt thang đo (mà phân biệt biến đổi thang đo) Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 10 Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử • Các đặc tính động: Phần lớn thiết bị đo không đáp ứng tức thời đại lượng đo thay đổi (do quán tính, nhiệt dung điện dung…) → hoạt động trạng thái động trạng thái giao thời thiết bị đo quan trọng trạng thái tĩnh + Đối với đại lượng đo có dạng thay đổi sau: ¾ Thay đổi có dạng hàm bước theo thời gian ¾ Thay đổi có dạng hàm tuyến tính theo thời gian ¾ Thay đổi có dạng hàm điều hịa theo thời gian + Đặc tuyến động thiết bị đo: ¾ Tốc độ đáp ứng ¾ Độ trung thực ¾ Tính trễ ¾ Sai số động + Gồm: ¾ Đáp ứng động bậc Zero (bậc khơng) ¾ Đáp ứng động bậc ¾ Đáp ứng động thiết bị bậc Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 11 Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử 1.3 Phân loại máy đo a) Máy đo thông số đặc tính tín hiệu: VD: Vơn mét điện tử, tần số mét, MHS, máy phân tích phổ, Tín hiệu mang thơng tin đo x(t) Mạch vào Thiết bị biến đổi Thiết bị thị Nguồn cung cấp Hình 1.2 – Cấu trúc máy đo tham số đặc tính tín hiệu - x(t): tín hiệu cần đo đưa tới đầu vào máy - Mạch vào: truyền dẫn tín hiệu từ đầu vào tới Thiết bị biến đổi Thực tiền xử lý tín hiệu vào tiền khuếch đại, suy giảm, giới hạn băng tần, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng,… không làm thông tin đo Mạch vào thường KĐ tải catốt (Zvào cao), thực phối hợp trở kháng Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 12 Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử - Thiết bị biến đổi: thực so sánh phân tích Có thể tạo tín hiệu cần thiết để so sánh tín hiệu cần đo với tín hiệu mẫu Có thể phân tích tín hiệu đo biên độ, tần số, hay chọn lọc theo thời gian Thường mạch KĐ, tách sóng, biến đổi dạng điện áp tín hiệu, chuyển đổi dạng lượng, - Thiết bị thị: biểu thị kết đo dạng thích hợp với giác quan giao tiếp sinh lí người hay với tin tức đưa vào phận điều chỉnh, tính tốn, VD: Các cấu thị , Ống tia điện tử, cấu thị số dùng LED đoạn hay LCD đoạn… - Nguồn cung cấp: cung cấp lượng cho máy làm nguồn tạo tín hiệu chuẩn b) Máy đo đặc tính thơng số mạch điện: Mạch điện cần đo thông số: mạng cực, mạng cực, phần tử mạch điện Sơ đồ khối chung: cấu tạo gồm nguồn tín hiệu thiết bị thị, (hvẽ) VD: máy đo đặc tính tần số, máy đo đặc tính độ, máy đo hệ số phẩm chất, đo RLC, máy thử đèn điện tử, bán dẫn IC; máy phân tích logic; máy phân tích mạng cực… Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 13 Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử Nguồn tín hiệu thử Thiết bị biến đổi, xử lý tín hiệu Nguồn cung cấp Thiết bị thị Mạch cần đo tham số, đặc tính (a) – Cấu trúc máy đo tham số đặc tính mạch có nguồn tín hiệu thử Nguồn tín hiệu thử Mạch cần đo tham số, đặc tính Mạch vào Thiết bị biến đổi, xử lý tín hiệu Nguồn cung cấp Thiết bị thị (b) – Cấu trúc máy đo tham số đặc tính mạch có nguồn tín hiệu thử độc lập Hình 1.3 – Cấu trúc máy đo tham số đặc tính mạch điện Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 14 Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử c) Máy tạo tín hiệu đo lường: Bộ tạo sóng chủ Bộ biến đổi Bộ điều chế Nguồn cung cấp Mạch x(t) Thiết bị đo Hình 1.4 – Cấu trúc máy tạo tín hiệu đo lường - Bộ tạo sóng chủ: xác định đặc tính chủ yếu tín hiệu dạng tần số dao động, thường tạo sóng hình sin hay xung loại - Bộ biến đổi: nâng cao mức lượng tín hiệu hay tăng thêm độ xác lập dạng tín hiệu, thường KĐ điện áp, KĐ công suất, điều chế, thiết bị tạo dạng xung, Các máy phát tín hiệu siêu cao tần thường khơng có Bộ biến đổi đặt Bộ tạo sóng chủ đầu ra, mà dùng Bộ điều chế trực tiếp để khống chế dao động chủ Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 15 Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử - Mạch ra: để điều chỉnh mức tín hiệu ra, biến đổi Zra máy Nó thường mạch phân áp, biến áp phối hợp trở kháng, hay phụ tải Catốt - Thiết bị đo: kiểm tra thông số tín hiệu đầu Nó thường vơn mét điện tử, thiết bị đo công suất, đo hệ số điều chế, đo tần số, - Nguồn: cung cấp nguồn cho phận, thường làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều mạng lưới điện thành điện áp chiều có độ ổn định cao d) Các linh kiện đo lường: gồm linh kiện lẻ, phụ thêm với máy đo để tạo nên mạch đo cần thiết Chúng điện trở, điện cảm, điện dung mẫu; hay linh kiện để ghép phận mạch đo (VD: suy giảm, dịch pha, phân mạch định hướng, ) Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MƠN KTĐT 16 CHƯƠNG • Khái niệm nguyên nhân gây sai số • Phân loại sai số: theo cách biểu diễn sai số, theo phụ thuộc sai số vào đại lượng đo, theo vị trí sinh sai số, theo qui luật xuất sai số • Ứng dụng phương pháp phân bố chuẩn để định giá sai số • Cách xác định kết đo • Sai số phép đo gián tiếp Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 17 Chương Đánh giá sai số đo lường 2.1 Khái niệm & nguyên nhân sai số: * Khái niệm sai số: độ chênh lệch kết đo giá trị thực đại lượng đo Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thiết bị đo, phương thức đo, người đo… * Nguyên nhân gây sai số: - Nguyên nhân khách quan: dụng cụ đo khơng hồn hảo, đại lượng đo bị can nhiễu nên khơng hồn tồn ổn định, - Nguyên nhân chủ quan: thiếu thành thạo thao tác, phương pháp tiến hành đo không hợp lí, 2.2 Phân loại sai số * Theo cách biểu diễn sai số: - Sai số tuyệt đối: hiệu kết đo với giá trị thực đại lượng đo ΔX = X − X thuc - Sai số tương đối chân thực: giá trị tuyệt đối tỉ số sai số tuyệt đối giá trị thực đại lượng đo ΔX δ ct = 100% X thuc Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 18 Chương Đánh giá sai số đo lường - Sai số tương đối danh định: δ dd = ΔX 100% X - Sai số tương đối qui đổi: giá trị tuyệt đối tỷ số sai số tuyệt đối giá trị định mức thang đo δ qd = ΔX 100% Ỉ cấp xác đại lượng đo X dm Xdm= Xmax -Xmin : giá trị định mức thang đo Nếu giỏ tr thang o: 0ữXmaxặ Xdm=Xmax * Theo s ph thuộc sai số vào đại lượng đo: - Sai số điểm (sai số cộng) sai số không phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo - Sai số độ nhạy (sai số nhân) sai số phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 19 Chương Đánh giá sai số đo lường * Theo vị trí sinh sai số ta có sai số phương pháp sai số phương tiện đo: - Sai số phương pháp sai số phương pháp đo khơng hồn hảo - Sai số phương tiện đo sai số phương tiện đo không hoàn hảo Gồm: sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên, sai số điểm 0, sai số độ nhậy, sai số bản, sai số phụ, sai số động, sai số tĩnh Sai số phương tiện đo sai số phương tiện đo sử dụng điều kiện tiêu chuẩn Sai số phụ phương tiện đo sai số sinh sử dụng phương tiện đo điều kiện không tiêu chuẩn Sai số tĩnh sai số phương tiện đo đại lượng đo không biến đổi theo thời gian Sai số động sai số phương tiện đo đại lượng đo biến đổi theo thời gian Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, PTIT www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 20 ... điện-vô tuyến điện, Vũ Như Giao Bùi Văn Sáng, Học viện kỹ thuật quân sự, 1996 Electronic Test Instruments, Bob Witte, 2002 Radio Electronic Measurements, G.Mirsky, Mir Publishers, Moscow, 1978... thời gian ¾ Thay đổi có dạng hàm tuyến tính theo thời gian ¾ Thay đổi có dạng hàm điều hịa theo thời gian + Đặc tuyến động thiết bị đo: ¾ Tốc độ đáp ứng ¾ Độ trung thực ¾ Tính trễ ¾ Sai số động... www.ptit.edu.vn KS NGUYỄN TRUNG HIẾU, BỘ MÔN KTĐT 12 Chương Giới thiệu chung đo lường điện tử - Thiết bị biến đổi: thực so sánh phân tích Có thể tạo tín hiệu cần thiết để so sánh tín hiệu cần đo