Kỹ thuật đo lường điện điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT F7G KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ \ TS Lưu Thế Vinh Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử -2- MỤC LỤC MỤC LỤC Lời nói đầu Chương I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG §1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Khái niệm đo lường: 1.2 Đơn vị, hệ đơn vị đo lường §2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT BỊ ÑO 2.1 Hệ thống đo kiểu biến đổi thẳng 10 2.1.1 Véc tơ lượng vào véc tơ lượng có số chiều (n) 11 21.2 Véc tơ lượng vào n chiều, véc tơ lượng chiều 11 2.1.3 Véc tơ lượng vào n chiều, véc tơ lượng m chiều 11 2.2 Hệ thống đo kiểu so sánh 11 2.1 Phương pháp so sánh cân 12 2.2.2 Phương pháp so sánh vi sai 12 2.2.3 Phương pháp mã hóa thời gian 12 2.2.4 Phương pháp mã hóa tần số xung 13 2.2.5 Phương pháp mã hóa số xung 13 2.2.6 Phương pháp mã hóa số xung ngược 14 2.2.7 Phương pháp đếm xung 14 2.2.8 Phương pháp trùng phùng 15 Đ CHặ THề KET QUA ẹO LệễỉNG 15 3.1 Chæ thị dạng tương tự 16 3.2 Chỉ thị dạng số 17 3.3 Chỉ thị đèn ống tia âm cực 22 3.3.1 Súng điện tử 22 3.3.2 Hệ thống điều tiêu 22 3.3.3 Hệ thống lái tia điện tử 23 3.3.4 Màn huỳnh quang 24 3.3.5 Điều chỉnh độ chói 24 3.4 Chỉ thị âm ánh sáng 24 3.5 Lưu trữ kết đo lường 25 3.5.1 Ghi liên tục: 25 3.5.2 Ghi gián đoạn: 25 DUÏNG CỤ ĐO DIỆN, SAI SỐ, CẤP CHÍNH XÁC 25 4.2 Sai soá 27 4.2.1 Sai số tuyệt đối: 27 4.2.2 Sai số tương ñoái: 27 4.3 Cấp xác đồng hồ đo điện 27 4.4 Các cách tính sai số 28 4.4.1 Sai số phép đo với thang đo khác nhau: 28 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử -3- 4.4.2 Sai số tương đối tổng đại lượng 28 4.4.3 Sai số tương đối tích đại lượng 28 4.4.4 Sai số tương đối thương 28 ChươngII: ĐO CÁC ĐẠI LƯNG ĐIỆN 29 § KHÁI NIEÄM CHUNG 29 § ĐỒNG HỒ ĐO ĐIỆN VẠN NAÊNG 29 2.1 Các tiêu chất lượng đồng hồ vạn 29 2.1.1 Độ nhạy γ 29 2.1.2 Cấp xác 30 2.1.3 Tính thăng 30 2.2 Mạch đo đồng hồ đo điện vạn 30 2.2.1 Mạch đo dòng điện chiều 30 2.2.2 Mạch đo điện áp chiều 33 2.3 Đo dòng điện điện aùp xoay chieàu 35 2.4 Mạch đo điện trở 36 2.4.1 Ôm kế có điện trở đo mắc nối tiếp 36 2.4.2 Ôm kế có điện trở đo maéc song song 37 2.5 Thang đo đề xi ben 38 § ĐO ĐIỆN ÁP BẰNG CÁC VÔN MÉT TƯƠNG TỰ 38 3.1 Đặc tính chung 38 3.2 Các vôn mét điện tử đo điện áp chiều 41 3.2.1 Vôn kế transistor tải emiter 41 3.2.2 .Mạch vôn kế tải emiter thực tế 42 3.3 Kế đầu vào JFET 45 3.3.1 Ta coù 46 3.3.2 Ở khoảng đo 10V, điện áp vào 7,5V thì: 46 3.4.Vôn kế transistor khuếch đại 46 3.4.1 Mạch vôn kế dùng khuếch đại vi sai 46 3.4.2 .Mạch vôn kế dùng khuếch đại hồi tiếp 48 3.5.Vôn kế sử dụng mạch khuếch đại thuật toán (OP- AMP) 50 3.5.1 Vôn kế dùng mạch khuếch đại lặp lại 50 3.5.2 .Vôn kế khuếch đại OP-AMP 50 3.5.3 Vôn kế sử dụng mạch biến đổi điện áp thành dòng điện 52 3.6 Đo điện áp xoay chiều 52 3.6.1 Các mạch tách sóng đỉnh 53 3.6.3 Vôn kế tách sóng hiệu dụng 58 § ĐO ĐIỆN ÁP BẰNG CÁC VÔN MÉT SỐ 61 4.1 Khái niệm chung 61 4.2 Phương pháp biến đổi điện áp sang tần số 62 4.2.1 Nguyên tắc 62 4.2.2 Sô đồ nguyên lý 62 4.2.3 Bộ biến đổi điện áp sang tần số (V/F) 63 4.2.4 Phân tích khả chống nhiễu sơ ñoà 64 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử -4- 4.2.5 Đo điện áp dấu nhờ đếm lên xuống 65 4.3 Phương pháp biến đổi điện áp sang khoảng thời gian (V-T) 66 4.3.1 Phương pháp tạo hàm dốc 66 4.3 Phương pháp tích phân sườn dốc (dual slope intergrator) 67 4.3.3 Phương pháp tạo hàm bậc thang 72 § BỘ ĐẾM ĐIỆN TỬ 73 5.1 Hệ đếm nhị phân 73 5.2 Mã hóa số thập phân 74 5.3 Bộ đếm 76 5.4 Bộ giải mã 76 § ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 78 6.1 Đo công suất điện chiều 78 6.2 Ño công suất điện pha Woát mét điện động 78 6.3 Đo công suất điện pha 79 6.3.1 Mạch pha dây 79 6.3.2 Maïch pha daây 79 6.4 Đo điện 80 6.4.1 Cơ cấu đo cảm ứng 80 6.4.2 Công tơ cảm ứng moät pha 81 6.4.3 Đo điện mạch điện pha 82 6.5 Biến dòng biến áp đo lường 85 6.5.1 Khái niệm chung 85 6.5.2 Bieán doøng TI 85 6.5.3 Biến áp đo lường TU 86 Chương III: QUAN SÁT VÀ GHI DẠNG TÍN HIỆU 88 DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 88 § TẦNG KHUẾCH ĐẠI KÊNH Y 89 § HIỆN HÌNH DẠNG SOÙNG 90 § BỘ TẠO GỐC THỜI GIAN 92 4.1 Bộ tạo dao động quét cưa 92 4.2 Bộ tạo gốc thời gian tự động 94 § DAO DỘNG KÝ NHIỀU KÊNH 96 § ĐẦU DÒ CỦA DAO ĐỘNG KÝ 98 6.1 Đầu dò 1:1 98 6.2 Đầu dò suy giảm 99 6.3 Đầu dò chủ động (Active probe) 100 § DAO DỘNG KÝ CÓ NHỚ 101 7.1 Dao động ký có nhớ dạng tương tự 101 7.2 Dao động ký có nhớ dạng số 102 § DỤNG CỤ GHI BIỂU ĐỒ 102 8.1 Máy ghi biểu đồ băng kiểu điện kế 102 8.2 Maùyï ghi biểu đồ băng kiểu chiết áp 104 8.3 Má ghi biểu đồ băng dùng điện cực rắn 106 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử -5- 8.4 Má ghi theo tọa độ xy 107 § KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG BẰNG DAO ĐỘNG KÝ 108 9.1 Đo biên độ, tần số pha điện áp tín hiệu 109 9.2 Đo tham số xung 110 9.3 Phương pháp hình Lissajou 112 Chương IV: MÁY TẠO SÓNG ĐO LƯỜNG 115 § KHÁI NIỆM CHUNG 115 § MÁY TẠO SÓNG SIN TẦN THẤP LF 115 § MÁY TẠO HÀM 118 3.1 Taàng dao động chủ 118 3.2 Bộ tạo hàm sin 120 § MAÙY PHAÙT XUNG 122 4.1 Đa hài phiếm định 122 4.2 Đa hài đơn ổn 124 4.3 Boä suy giảm dịch mức DC lối 126 § MÁY TẠO TÍN HIỆU RF 126 5.1 Sơ đồ khối máy tạo tín hiệu RF 126 5.2 Maïch dao ñoäng RF 127 5.3 Mạch điều biến biên độ điều biến tần số 128 5.3.1 Điều biến biên độ 128 5.3.2 Điều biến tần số 129 5.4 Tải máy tạo sóng 130 Chương V : ĐO CÁC ĐẠI LƯNG KHÔNG ĐIỆN 131 § KHÁI NIỆM CHUNG 131 § CHUYỂN ĐỔI CƠ ĐIỆN 132 2.1 Chuyển đổi điện trở R 132 2.1.1.Nguyên tắc 132 2.1.2.Cảm biến loại biến trở 132 2.1.3 Cảm biến điện trở biến dạng 133 2.2 Chuyển đổi điện cảm 134 2.2.1.Caûm biến kiểu điện cảm L 134 2.2.2.Cảm biến kiểu hỗ cảm M 136 2.2.3.Cảm biến cảm ứng 136 2.3 Chuyển đổi điện dung 138 2.4 Chuyeån đổi áp điện 141 § CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐIỆN 142 3.1 Cặp nhiệt điện 142 3.2 Nhiệt điện trở 143 3.3 Cảm biến nhiệt dùng tiếp giáp P-N bán dẫn 144 § CHUYỂN ĐỔI HÓA ĐIỆN 145 4.1 Cảm biến điện trở dung dịch 145 4.2 Caûm biến suất điện động ganvanic 146 4.2.1.Khái niệm độ pH 146 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử -6- 4.2.2.Điện điện cực 146 4.2.3.Cảm biến suất điện động Galoa 147 § CHUYỂN ĐỔI QUANG ĐIỆN 148 5.1 Tế bào quang điện 148 5.2 Quang trở 149 5.3 Pin quang điện 150 5.4 Photo diode 150 5.4.1.Chế độ photo-ganvanic (hình 5-24, b) 151 5.4.2 Chế độ photo diode (hình 5-24, c) 151 5.5 Photo transistor 152 TÀI LIỆU THAM KHAÛO 154 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kyõ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử -7- LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Kỹõ thuật đo lường điện – điện tử” nhằm cung cấp cho học sinh kiến thức phương pháp kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý; phương pháp kỹ thuật xây dựng hệ đo từ đơn giản đến phức tạp; xử lý kết đo lường; khảo sát thiết kế mạch đo điện, điện tử để đo đại lượng điện; Các thiết bị quan sát ghi dạng tín hiệu; Phương pháp đo đại lượng không điện phương pháp điện Tài liệu chia làm chương: Chương Tổng quan kỹ thuật đo lường Chương Đo đại lượng điện Chương Quan sát ghi dạng tín hiệu Chương Máy tạo sóng đo lường Chương Đo đại lượng không điện Yêu cầu học sinh sau học xong học phần: “kỹ thuật đo lường điện – điện tử” phải biết sử dụng thành thạo dụng cụ đo thiết bị đo điện tử quan trọng thực nghiệm vật lý Có kỹ phân tích thiết kế mạch đo đơn giản, từ có sở để phân tích thiết kế mạch đo hệ thống đo lường phức tạp Giáo trình tài liệu học tập tham khảo cho sinh viên vật lý chuyên ngành vật lý kỹ thuật Đà Lạt 2002 TS LƯU THẾ VINH Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử -8- CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG §1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Khái niệm đo lường: Trong Vật lý học, định luật vật lý phản ánh mối quan hệ mang tính quy luật tượng tự nhiên, chúng biểu diễn công thức toán học thông qua đại lượng vật lý Các đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất khác vật thể, tượng xảy theo thời gian Việc đánh giá định lượng tính chất vật thể (đối tượng) nghiên cứu thực cách đo đại lượng vật lý Quá trình đo lường thực nghiệm vật lý, thực phép so sánh đại lượng vật lý với đại lượng loại chọn làm đơn vị Phép đo thực nghiệm đơn giản, phức tạp Kết phép đo biểu diễn dạng số với đơn vị kèm theo Phương trình phép đo viết dạng (1.1) A = X Y (1.1) Trong đó: X - Đại lượng đo Y - Đơn vị đo A - Giá trị số Hay : X = A.Y ; Giá trị đại lượng đo A lần đơn vị đo Như ta định nghóa: Đo đại lượng vật lý trình đánh giá định lượng đại lượng đo để có kết số so với đơn vị 1.2 Đơn vị, hệ đơn vị đo lường Để biểu diễn đại lượng vật lý dạng số, phải chọn “cỡ” cho nó, nghóa lượng hóa nó, ta phải chọn đơn vị đo Về mặt nguyên tắc, theo (1.1) ta chọn đơn vị lượng tùy ý Tuy nhiên giá trị phải phù hợp với thực tế tiện lợi sử dụng Năm 1832, nhà toán học Đức K Gauss rằng, chọn đơn vị độc lập để đo chiều dài (L), khối lượng (M), thời gian (T) - sở đại lượng nhờ định luật vật lý, thiết lập đơn vị đo tất đại lượng vật lý Tập hợp đơn vị đo theo nguyên tắc Gauss đưa hợp thành hệ đơn vị đo Những đơn vị đo chọn cách độc lập chúng thể tính chất giới vật chất (khối lượng, thời gian, độ dài, ) gọi đơn vị Các đơn vị thành lập sở đơn vị nhờ công thức biểu diễn định luật vật lý gọi đơn vị dẫn suất Phần lớn đơn Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử -9- vị vật lý đơn vị dẫn suất Phương trình biểu diễn mối liên hệ đơn vị dẫn suất đơn vị gọi công thức thứ nguyên Đơn vị đại lượng biểu diễn qua phương trình thứ nguyên (1.2) dim X = Lp Mq Tr (1.2) (dim = dimension) Ví dụ, thứ nguyên vận tốc biểu diễn qua công thức v = l/t : [v] = [l] = L = LT - [t ] T (1.3) * Hệ SI ( System International) Năm 1960, Ủy ban quốc tế đo lường thức thông qua hệ đơn vị quốc tế SI Trong hệ SI có đơn vị bản, đơn vị bổ trợ, 27 đơn vị dẫn suất * Các đơn vị : - Chiều dài : mét (m) - Khối lượng : kilôgram (kg) - Thời gian : giây (s) - Nhiệt độ : độ kelvin (oK) - Cường độ dòng điện : Ampe (A) - Cøng độ sáng : candela (nến) (Cd) - Khối lượng phân tử gam : mol * Hai đơn vị bổ trợ là: - Đơn vị đo góc phẳng : radian (rad) - Đơn vị đo góc khối : steradian (sr) Ngoài hệ SI (còn gọi hệ MKS hay hệ mét), nước Anh, Mỹ số nước nói tiếng Anh dùng phổ biến hệ UK §2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT BỊ ĐO Đo lường trình so sánh đại lượng đo với đơn vị Phép đo phải thực thao tác chính: - Biến đổi tín hiệu tin tức - So sánh đại lượng đo với đơn vị (hay với mẫu) - Chỉ báo kết Thiết bị cho phép thực trình so sánh đại lượng đo với đơn vị (hay với mẫu) gọi dụng cụ đo Sơ đồ cấu trúc dụng cụ đo bao gồm khối chức : mạch đo, cấu đo khối thị (hình 1-1) MẠCH ĐO CƠ CẤU ĐO CHỈ THỊ Hình 1-1 Tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật cách thức tổ chức thiết bị đo mà ta có phương pháp đo khác Để có kết số so với đơn vị, thiết bị đo phải thực phép so sánh Nếu việc so sánh với đơn vị thông qua trình Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 10 - khắc độ thiết bị tạo nên hệ thống đo biến đổi thẳng Nếu so sánh với mẫu hay với đại lượng bù ta có hệ thống đo kiểu so sánh hay kiểu bù Trên hình 1-2 bảng CÁC HỆ THỐNG ĐO Hệ thống đo biến đổi thẳng Vào số chiều Hệ thống đo so sánh Vào n chiều m chiều Vào n chiều chiều Phương pháp SS cân Phương pháp SS vi sai Phương pháp m hóa th gian PP mã hóa tần số - xung PP mã hóa số xung PP mã hóa số xung ngược Phương pháp đếm xung Phương pháp trùng phùng phân loại hệ thống đo lường Hình 1-2 Các hệ thống đo lường Thiết bị đo hệ thống đại lượng đo lượng vào, lượng đại lượng thị thang độ (thiết bị đo Analog - loại tác động liên tục) số kèm đơn vị đo (thiết bị đo Digital - loại thị số) 2.1 Hệ thống đo kiểu biến đổi thẳng Hệ thống đo biến đổi thẳng thực theo nguyên tắc (1.4) Y = SX (1.4) Ở đây, X lượng vào, qua khâu biến đổi trung gian thành đại lượng Y, S toán tử thể cấu trúc thiết bị đo Nếu khâu biến đổi nối tiếp, ta biểu diễn (1.4) thành: (1.5) Y = Tn T n - T X Trong đó: T n T hàm truyền đạt khâu biến đổi (hình 1-3) X T1 T2 Tn Y Hình 1-3 Căn vào véc tơ lượng vào véc tơ lượng ta có hệ thống sau : Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 141 - Hàm truyền chuyển đổi xác định giá trị điện dung tương đương C1 C2 mắc nối tiếp Cx = Trong đó: a= C 1C2 a = C1 + C b + δ x (5-21) ε o ε 1ε ε2 S vaø b = d ε1 − ε ε1 − ε (5-22) 2.4 Chuyển đổi áp điện Chuyển đổi áp điện dựa sở hiệu ứng áp điện xảy số tinh thể thạch anh, tuốcmalin, titanat bari,… Có dạng: – Hiệu ứng áp điện thuận: Khi bị biến dạng, bề mặt tinh thể xuất điện tích trái dấu – Hiệu ứng áp điện nghịch: Tinh thể áp điện đặt điện trường biến thiên bị biến dạng Trong kỹ thuật đo lường thường sử dụng tinh thể thạch anh làm chuyển đổi Tinh thể thạch anh có dạng lục lăng với đầu hình chóp đối xứng hình 5-16, a, Mỗi tinh thể thạch anh có trục, mà trục có hiệu ứng đặc biệt gắn với tượng cơ, quang điện Trục quang học Z trục qua đỉnh hình chópï Trục điện X qua cạnh lăng trụ vuông góc với trục quang Trục Y trục hướng vuông góc với mặt bên lăng trụ a) b) c) Hình 5-16 Tinh thể thạch anh trục nó: trục quang Z, trục điện X trục Y Nếu cắt từ tinh thể thạch anh khối hình hộp, có cạnh định hướng theo trục X, Y hình 5-16, b tác dụng lực Px lên tinh thể dọc theo hướng trục điện X, bề mặt đối diện tinh thể xuất điện tích trái dấu (hiệu ứng dọc): Qx = D Px (5-23) -12 Trong đó: D – số áp điện Với thạch anh D = 2,3.10 C/N Nếu tác dụng lực học Py dọc theo trục Y, bề mặt tinh thể xuất điện tích (hiệu ứng ngang), ngược dấu với hiệu ứng dọc: Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử Q y = DPy - 142 Sy (5-24) Sx Trong Sy Sx tương ứng diện tích bề mặt tinh thể vuông góc với trục Y trục X Dấu điện tích xuất thay đổi chuyển từ biến dạng nén sang dãn ngược lại Cảm biến áp điện sử dụng dụng cụ đo chấn động, đo độ rung § CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐIỆN 3.1 Cặp nhiệt điện Nguyên lý: Hai kim loại A B khác chất hàn với Nếu đặt mối hàn nhiệt độ to t khác (hình 5-17), mạch xuất suất điện động nhiệt điện E, có giá trị tỷ lệ với hiệu số nhiệt độ chênh lệch E = f (t – to) (5-25) t A to to a) B A B A t t B to b) Hình 5-17 Cặp nhiệt điện c) Như vậy, giữ cố định nhiệt độ đầu mối hàn, đầu làm đầu dò nhiệt, đo suất nhiệt điện động ta xác định nhiệt độ cần đo Trong bảng 5-1 cho giá trị suất nhiệt điện động tạo kim loại khác với Platin nhiệt độ to = 0oC t = 100oC Bảng 5-1 Vật liệu Suất nhiệt điện E, (mV 100oC) Vật liệu Suất nhiệt điện E, (mV 100oC) Nicrom Mangan Đồng Crôm +2,2 +0,76 +0,76 +2,4 Constantan Coâpen Niken Alumen -3,4 -3,6 -1,5 -1,7 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 143 - Độ xác phép đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt phụ thuộc nhiều vào việc cố định xác nhiệt độ đầu không làm việc Trong thực tế, thường đặt đầu không làm việc nhiệt độ nước đá tan (0oC) Nhưng điều gây bất tiện sử dụng làm cồng kềnh thiết bi, người ta thường áp dụng biện pháp bổ trợ mạch điện để bù trừ nhiệt độ đầu không làm việc cách tự động Một phương pháp bù tự động đơn giản tiện lợi hình 5-18 Cặp nhiệt đồng hồ thị mắc đường chéo cầu đo điện trở R1, R2, R3 ,R4 Các điện trở R1, R2, R3 chế tạo từ mangan có hệ số nhiệt điện trở nhỏ R4 – từ đồng niken Cầu đo đặt chỗ với đầu không làm việc cặp nhiệt nhiệt độ to Ở nhiệt độ ban đầu to điều chỉnh để cầu cân nhờ R3 Trong trình đo nhiệt độ, nhiệt độ to tăng lên giá trị điện trở R4 tăng lên, giá trị điện áp xuất đường chéo cầu đo bù vào giảm suất nhiệt điện cặp nhiệt Độ xác phép bù theo sơ đồ cỡ 0,01mV với thay đổi 10oC nhiệt độ to t R1 R2 + R4 - R3 Hình 5-18 Sơ đồ bù tự động nhiệt độ đầu không làm việc Do giá trị suất nhiệt điện bé cỡ mV, nên đo phải sử dụng mạch khuếch đại 3.2 Nhiệt điện trở 3.2.1 Nhiệt trở kim loại (α > 0) Phần lớn kim loại Cu, Fe, Ni, Al, Pt … có hệ số nhiệt điện trở dương Trị số điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ theo hệ thức: Rt = Ro (1 + α ∆t ) vaø ρ t = ρ o (1 + α ∆t ) (5-26) Sử dụng nhiệt trở kim loại làm cảm biến nhiệt cho đặc tuyến truyền đạt tuyến tính Khoảng nhiệt độ làm việc số nhiệt trở như: Pt: –200 ÷ 1000 oC; Ni: –80 ÷ 300oC; Cu: –200 ÷ 200oC; Ni-Fe: –200 ÷ 250oC Thường sử dụng platin cho phép khoảng đo nhiệt rộng Hệ số nhiệt điện trở platin α = 0,00392 /oC Như giá trị điện trở thay đổi khoảng 0,3Ω/oC 3.2.2 Nhiệt trở bán dẫn – thermistor (α < 0) Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 144 - Nhiệt trở bán dẫn chế tạo từ oxýt kim loại MnO, ZnO, CuO Giá trị điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật: β RT = R∞ e β T ρT = ρ ∞ e T (5-26) Trong đó: R∞ – điện trở nhiệt độ vô lớn; β – hệ số phụ thuộc vào chất bán dẫn, có giá trị từ 10÷104 α = dρ β = − < ρ dt T (5-27) Nhiệt trở bán dẫn có β lớn nên độ nhạy cao Tuy nhiên hàm truyền phi tuyến nên đo phải dùng mạch bổ trợ để tuyến tính hóa đặc tuyến truyền đạt 3.3 Cảm biến nhiệt dùng tiếp giáp P-N bán dẫn Dựa sở phân cực cho tiếp giáp P-N bán dẫn (đối với diode transistor) phụ thuộc vào nhiệt độ, người ta chế tạo cảm biến nhiệt dùng diode transistor Ta biết điện phân cực VD = (0,2 ÷ 0,3)V diode Ge VD = (0,6÷0,7)V diode Si Tuy nhiên giá trị VD thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng phân cực giảm Biến thiên tương đối theo nhiệt độ VD : ∆VD = - (2,1 ÷ 2,5) mV/ o C ∆T (5-28) ⎛ ∆Vo R ⎞ = ∆VD ⎜⎜1 + ⎟⎟ ∆T R1 ⎠ ⎝ (5-29) Cảm biến nhiệt dùng diode mắc vào mạch đo theo sơ đồ hình 5-19, a Biến thiên tương đối lối theo nhiệt độ xác định theo hệ thức: Đối với transistor, điện áp phân cực VBE phụ thuộc vào nhiệt độ theo hệ thức: VBE = kT ⎛ I C ln ⎜ q ⎜⎝ I S ⎞ ⎟⎟ ⎠ (5-30) Trong đó: IS – dòng ngược bão hòa; IC – dòng colector K = 1,38.10-34J.s – Hằng số Bolzermant Vì giá trị dòng IC thay đổi theo nhiệt độ nên cần sử dụng nguồn dòng ổn để loại trừ trôi nhiệt Khi sử dụng thường ghép cặp transistor hình 5-19, b +V +V R3 10K Q2 VD Vo - R1 + D Vo 4K Q1 R1 VBE R2 R2 1K b) a) Hình 5-19 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử Từ hình vẽ ta có: Vo = - 145 - R1 + R2 VBE = 5VBE R2 Nhược điểm cảm biến nhiệt dùng diode transistor dãi đo nhiệt độ bị hạn chế khoảng từ –40oC đến 150oC Các cảm biến chế tạo công nghiệp FJT1000, FD300, FD200 dùng cho dãi đo từ 40oK đế 400oK Ngoài ra, cảm biến đo nhiệt độ chuyên dụng chế tạo dạng nguồn LM135, LM235,LM335 có hàm truyền tuyến tính với đáp ứng 10mV/oK Hoặc cảm biến dạng nguồn dòng AD590 cho ủaựp ửựng 1àA/oK Đ CHUYEN ẹOI HOA ẹIEN 4.1 Cảm biến điện trở dung dịch Ta có điện trở cột chất lỏng dung dịch chiều dài l cực S xác định theo hệ thức: R = ρ l S (5-31) Trong đó: ρ = 1/ γ – điện trở suất dung dịch, với γ gọi suất dẫn điện dung dịch tỉ lệ với hoạt tính đương lượng hóa học: γ=λfc=λa (5-32) Ở đây: f – Hệ số hoạt tính dung dịch; c – Nồng độ dung dịch; λ – Độ dẫn điện đương lượng dung dịch; a = f c – Hoạt tính dung dịch hay độ linh động ion Như vậy, giữ cho l, S không đổi điện trở dung dịch thay theo γ Nói cách khác điện trở hàm số nồng độ dung dịch c: R = ρ l l l = ⋅ = ⋅ = f (c ) S S λ fc S λa (5-33) Đo điện trở xác định nồng độ dung dịch Lưu ý: Suất dẫn điện dung dịch phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan heä: γ t = γ o [1 + (t − t o )β ] (5-34) Với axít: β = 0,016 độ-1; bazơ: β = 0,019 độ-1; muối: β = 0,024 độ-1 Khi bị điện phân muối tỏa nhiệt làm cho độ linh động a = fc tăng lên, dẫn tới γ tăng Do đó, đo nồng độ điện trở dung dịch cần quan tâm đến nhiệt độ, phải có biện pháp bổ Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 146 - 4.2 Cảm biến suất điện động ganvanic 4.2.1.Khái niệm độ pH pH = − lg10 a H + Theo định nghóa: (5-35) Trong a H + – độ hoạt tính ion hydro H+ Ta coù: H → H + + OH − Gọi k số phân ly, ta có dung dịch k số: k H2 = aH + × aOH − aH2O k H2 ⋅ aH2O = aH + × aOH − = 10 −14 (5-36) (5-37) Với dung dịch trung tính có: a H + = aOH − = 10 −7 ; pH = -lg10 10-7 = Neáu: pH < , dung dịch có tính axít; pH > , dung dịch có tính kiềm 4.2.2.Điện điện cực Bất kỳ điện cực nhúng vào dung dịch xuất điện cực E Khi nhúng vào dung dịch điện cực khác chất (2 kim loại khác nhau), chúng tồn hiệu xác định, nghóa có suất điện động ganvanic Điện điện cực dung dịch gọi điện điện cực Không thể đo trực tiếp điện điện cực, đặt điện cực thứ vào dung dịch điện cực dung dịch xuất điện cực tham gia mạch đo Do điện điện cực xác định so với điện cực chuẩn Điện cực chuẩn điện cực bạch kim (Pt) có khí hydro bám vào coi điện cực khí hydro cắm dung dịch H2SO4 có nồng độ chuẩn (a = 1g-dl/l) Thế điện cực kim loại khác so sánh với điện cực chuẩn: Ví dụ: Kali: E0 = -2,92 V; Keõm: E0 = -0,76 V; Đồng: E0 = +0,34 V; Bạc: E0 = +0,8 V v.v… Như phần tử ganvaníc hợp thành Zn Cu có suất điện động: E0 (Zn-Cu) = +0,34 – (–0,76) = 1,1 V Khi dung dịch có nhiệt độ nồng độ thay đổi, điện điện cực xác định theo phương trình Nezst E = Eo + Lưu Thế Vinh RT RT ln f c = E o + ln a nF nF (5-38) Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 147 - Eo – Thế tiêu chuẩn điện cực; R = 8,317 J/độ – Hằng số khí; n – số hóa trị ion; c – nồng độ dung dịch; F = 96500 C / g.mol – Hằng số Faraday; f – hệ số hoạt tính dung dịch; a = fc – Hệ số hoạt tính dung dịch Đổi từ lôga tự nhiên sang thập phân thay giá trị R F ta có: E = Eo + 0,058 lg( fc) n (5-39) Phương trình 5-39 cho ta nguyên tắc đo nồng độ dung dịch c cách đo suất điện động E 4.2.3.Cảm biến suất điện động Galoa Dùng điện cực giống A B nhúng dung dịch có nồng độ khác nhiệt độ (hình 5- 20) Zn C1 Zn B A C2 Hình 5-20 Điện điện cực cực theo phương trình Nezst: RT ln a1 nF RT E2 = Eo + ln a2 nF E1 = E o + Suất điện động Galoa hiệu điện điện cực: E = E1 − E = a RT (ln a1 − ln a2 ) = RT ln nF nF a2 (5-40) Độ hoạt tính dung dịch thường xác định a H + , viết: E= RT (a H + )1 ln nF (a H + ) Nếu chọn dung dịch dung dịch có nồng độ chuẩn, cho ( a H + )2 = suất điện động Galoa là: E= RT RT RT ln ( a H + )1 = 2,303 lg10 ( a H + )1 = −2,303 ⋅ pH F nF F Lưu Thế Vinh (5-41) Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử Với t = 18oC thì: - 148 - E = − 0,058 pH (5-42) Phương trình 5-42 cho ta nguyên tắc để chế tạo máy đo độ pH § CHUYỂN ĐỔI QUANG ĐIỆN Các chuyển đổi quang điện phần tử nhạy cảm với xạ, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang học lối vào thành tín hiệu điện lối Có nhiều loại cảm biến quang điện sau: – Tế bào quang điện; – Quang trở; – Pin quang điện; – Photo diode; Photo transistor 5.1 Tế bào quang điện Tế bào quang điện (TBQĐ) sử dụng hiệu ứng quang điện Khi chiếu ánh sáng có bước sóng thích hợp vào ca tốt, tức lượng fôton tới lớn công thoát bề mặt kim loại làm ca tốt: ε = hν ≥ eϕ, hiệu ứng quang điện xảy Các đặc tính TBQĐ là: – Đặc tính quang: IΦ = f(Φx) phụ thuộc dòng quang điện IΦ vào dòng quang thông Φx – Đặc tính vôn-ampe: IΦ = f(U) Φx = const – Đặc tính tần số – phụ thuộc tần số dòng IΦ vào tần số thay đổi Φx – Đặc tính phổ xác định độ nhạy tế bào quang điện chiều dài bước sóng ánh sáng tới Trên hình 5-21 nhóm ứng dụng TBQĐ a) b) D c) d) e) Hình 5-21 Các sơ đồ sử dụng tế bào quang điện Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 149 - Trên sơ đồ hình 5-21, a dòng quang thông Φx tạo vật thể xạ TBQĐ sử dụng pirômét (hỏa kế xạ), ví dụ để đo nhiệt độ lò luyện kim dựa sở phụ thuộc cøng độ dòng ánh sáng đặc tính phổ vào nhiệt độ vật xạ Trên sơ đồ 5-21, b, dòng quang thông tới TBQĐ bị điều chế kích thước vật thể D mà mà kích thước d cần phải đo kiểm tra Ứng dụng hệ thống đo lường kiểm tra tự động Sơ đồ hình 5-21, c dùng để kiểm tra chất lượng bề mặt (độ phẳng, độ chói, màu sắc…) Sơ đồ hình 5-21, d sử dụng rộng rãi để đo nhiều đại lượng không điện khác Dòng ánh sáng Φo từ nguồn chiếu qua đối tượng cần khảo sát, chẳng hạn chậu chất lỏng mà độ màu sắc cần kiểm tra, sau đập vào TBQĐ Như dòng quang thông Φx hàm số đại lượng cần kiểm tra Sơ đồ hình 5-21, e dùng phép đo tốc độ trục quay tốc kế quang điện 5.2 Quang trở Quang trở dụng cụ bán dẫn dựa hiệu ứng quang điện trong: Độ dẫn điện chất bán dẫn tăng (điện trở giảm) rọi sáng ánh sáng thích hợp Sơ đồ cấu trúc quang trở hình 5-22 Nền bán dẫn thường làm chất sunfit cadmi, selenit cadmi (nhạy Ánh vùng ánh sáng khả kiến); sunfit chì, antimonit indi (nhạy vùng hồng ngoại) Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt quang trở, ánh sáng tới thỏa mãn điều kiện ε ≥ ∆Ε (bề rộng vùng cấm theo thuyết Hình 5-22 Cấu tạo quang trở Lớp cảm quang, bán dẫn miền lượng), điện tử từ miền hóa Các điện cực trị nhảy lên miền trống (miền dẫn) trở thành điện tử tự (điện tử dẫn) Kết làm tăng electron dẫn bán dẫn, tức làm giảm điện trở nó, hay làm tăng độ dẫn Xuất độ dẫn phụ – quang dẫn Biểu diễn độ quang dẫn σ Φ: σ Φ = en Φ µ (5-43) Trong ñoù: nΦ = β Φ (5-44) Φ – quang thông tới; β1 – hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới vận tốc tái hợp điện tích mang Khi mắc quang trở vào mạch với nguồn suất điện động E (hình 5-22) Dòng quang điện mạch có dạng: I Φ = σ Φ ES (5-45) Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 150 - Trong đó: E – cường độ điện trường; S – diện tích tiết diện ngang quang trở; σΦ – độ quang dẫn – Ứng dụng: Quang trở sử dụng trắc quang, mạch điều khiển 5.3 Pin quang điện Pin quang điện thiết bị bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang – ganvanic Cấu tạo pin quang điện gồm lớp bán dẫn p-n (hình 5-23) Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt pin, fôton bị hấp thụ kích thích nguyên tử bán dẫn tạo cặp electron - lỗ trống Các phần tử mang khuếch tán qua lớp tiếp giáp p-n phân cách điện trường phụ thuộc vào dấu điện tích Trong miền n tích tụ electron thừa, miền p tích tụ lỗ trống thừa Kết quả, hai miền tích điện n (-) p (+) làm giảm hiệu tiếp xúc, làm xuất lớp tiếp giáp suất điện động quang điện A B Hình 5-23 Pin quang điện Độ lớn suất điện động quang điện: E = Trong đó: ⎞ kT ⎛⎜ I Φ + 1⎟ ln ⎜ Io ⎟ e ⎝ ⎠ (5-46) k – số bolzermant; T – nhiệt độ tuyệt đối; Io – dòng nhiệt; IΦ – dòng quang –Ứng dụng: ƒ Trong quang trắc, lux kế, lumen kế, lộ sáng kế ƒ Pin quang điện Si dùng đo nhiệt độ dãi 350÷2000oC nhạy với phổ hồng ngoại; ƒ Trong máy quay chiếu phim, truyền tín hiệu điều khiển tự động 5.4 Photo diode Photo diode diode bán dẫn hoạt động chế độ: chế độ quang – ganvanic pin quang điện chế độ photo diode mắc với nguồn Sơ đồ cấu trúc photo diode hình 5-24, a Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử a) - 151 - b) Hình 5-24 a) Cấu trúc photo diode; b) Chế độ photo-ganvanic; c) Chế độ photo diode c) 5.4.1.Chế độ photo-ganvanic (hình 5-24, b) : Không có nguồn điện áp Khi chiếu sáng đầu photo diode có hiệu điện U qua tải R có dòng: U I = = IΦ − Io R ⎛ eU ⎞ ⎜ e kT − 1⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (5-47) Trong Io – dòng nhiệt; IΦ – dòng quang điện 5.4.2 Chế độ photo diode (hình 5-24, c) Khi mắc nối tiếp với tải nguồn suất điện động E, mạch xuất dòng hiệu số dòng chảy qua tiếp giáp p-n: U+E I = = IΦ − Io R ⎛ e(U + E ) ⎞ ⎜ e kT − 1⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ (5-48) Đây phương trình xác lập chế độ làm việc photo diode với nguồn điện áp Trên hình 5-25 trình bày họ đặc tuyến vôn-ampe photo diode Góc phần tư thứ (I) ứng với chế độ phân cực thuận diode Góc phần tư thứ tư (IV) mô tả đặc tuyến công tác photo diode chế độ photo – ganvanic Điểm cắt đặc tuyến với trục dòng điện tương ứng với chế độ ngắn mạch lối photo diode, điểm cắt với trục điện áp chế độ không tải hở mạch nguồn U Góc phần tư thứ ba (III) đặc tuyến chế độ photo diode Đường đặc tuyến qua gốc tọa độ ứng với trường hợp không chiếu sáng diode, giống đặc tuyến vôn-ampe diode thường Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 152 - Hình 5-25 Ho đặc tuyến vôn-ampe photo Phạm vi phổ nhạy cảm photo diode phụ thuộc vật liệu cheỏ taùo: Loaùi Si: 0,6 ữ àm; Ge: 0,5 ÷ 1,7 µm Các photo diode có thời gian xác lập nhỏ so với quang trở Tần số giới hạn với photo diode thường cỡ 10 MHz – Ứng dụng: Trong trắc quang, quay chiếu phim, điện báo truyền ảnh, đưa thông tin lối vào máy tính điện tử 5.5 Photo transistor Photo transistor có cấu trúc giống transistor thường p-n-p n-p-n Cấu tạo ký hiệu photo transistor n-p-n với chiếu sáng vùng đáy hình 5-26 B E C C B B E C a) b) c) E Hình 5-26 Thực tế chiếu sáng miền transstor chiếu vào theo hướng song song theo hướng vuông góc với tiếp giáp p-n, hiệu ứng lớn xảy chiếu ánh sáng theo hướng vuông góc chiếu vào đáy transistor Photo transistor mắc sơ đồ đo giống transistor thông thường theo sơ đồ E chung, B chung C chung, đấu thành diode để hở cực Khi hoạt động giống photo diode Ký hiệu sơ đồ tương đương photo diode hình 5-26, b 5-26, c Như tiếp giáp base – colector transistor photo diode Từ sơ đồ tương đương ta thấy rằng: phạm vi độ nhạy photo transistor giống photo diode tương ứng Sơ đồ mắc photo transistor cảm biến quang học hình 5-27 +Vcc +Vcc +Vcc R Vo Vo R a) Lưu Thế Vinh b) c) Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 153 - Hình 5-27 Nếu dòng quang base – colector ký hiệu IΦ, ta có điện áp lối cảm biến là: Vo = Vcc – β IΦ R (sơ đồ 5-27, a) Vo = β IΦ R (sơ đồ 5-27, b) Cả sơ đồ (a, b) có nhược điểm điện dung tiếp giáp base-collector nạp dòng IΦ tương đối nhỏ Chúng dùng sơ đồ đo tần số chuyển mạch thấp Có thể đạt tần số cao sơ đồ c Điện trở R thay mA kế có nội trở nhỏ để không gây sụt áp đáng kể Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử 10 11 12 13 14 15 16 - 154 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Метрология и электрорадоизмерение в телекоммуникацион Lời nói đầu §1 Những khái niệm DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 88 § khái niệm cHUNG 115 § khái niệm cHUNG 131 ных системах: Учебник для вузов / В.И Нефёдов, В.И Хахин, Е.В Федорова и др.; Под ред В.И.Нефёдова – М.:Высш.шк., 2001 Измерения в электронике: Справочник / В.А Кузнецов, В.А Долгов, В.М Конев-ских и др.; Под ред.В.А Кузнецова — М.: Энергоатомиздат, 1987 Классен К Б Основы измерений Электронные методы и приборы в измерительной технике — М.: Постмаркет, 2000 Харт X Введение в измерительную технику — М.: Мир, 1999 Елизаров А.С Электрорадиоизмерения — Минск: Выш Шк., 1986 Сергеев А.Г., Крохин В.В Метрология — М.: Логос, 2000 Меерсон А.М Радиоизмерительная техника –Л.: Энергия, 1978 Хормой Б.П., Моисеев Ю Г Электрорадиоизмерения М.: Радио и связь, 1985 Карпов Р Г., Карпов Н Р Электрорадиоизмерения – М.: выш Школа, 1978 David A Bell Dụng cụ đo lường điện tử / Người dịch: Nguyễn hữu Ngọc, Trịnh Trung Thành, Đặng Văn Sử / N.x.b KHKT, Hà Nội, 1994 Vũ Quý Điềm Cơ sở kỹ thuật đo lường vô tuyến điện N.x.b ĐH & THCN, Hà Nội, 1978 Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Nhơn, Ngô Văn Ky Kỹ thuật đo Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh, 1995 Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Dương Dụng cụ đo điện N.x.b KHKT Hà Nội,1983 Hoàng Tư Giáp Đo thử hữu tuyến điện N.x.b Tổng cục bưu điện, Hà Nội 1979 Hoàng Thanh Chung Dụng cụ đo điện xách tay Nx.b Đại học trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1987 Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử Lưu Thế Vinh - 155 - Khoa Vật Lý ... quay); - Cơ cấu đo kiểu điện từ; - Cơ cấu đo kiểu điện động; Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện ? ?Điện tử - 26 - - Cơ cấu đo kiểu nhiệt điện; - Cơ cấu đo tónh điện; - Cơ cấu đo kiểu... Đo Lường Điện ? ?Điện tử -7 - LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình ? ?Kỹ? ? thuật đo lường điện – điện tử? ?? nhằm cung cấp cho học sinh kiến thức phương pháp kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý; phương pháp kỹ thuật xây... Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện ? ?Điện tử - 41 - 3.2 Các vôn mét điện tử đo điện áp chiều Các vôn kế từ điện bị số hạn chế là: – Trở kháng vào nhỏ, đo sơ đồ có trở kháng cao; – Độ nhạy thấp, nên đo điện