Đang tải... (xem toàn văn)
1 LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Đo lường điện tử” nhằm cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về phương pháp và kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý; phương pháp và kỹ thuật xây dựng một hệ đo từ[.]
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Đo lường 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 Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 45 gồm có: Chương 1: Đơn vị đo Chương 2: Sai số đo Chương 3: Thiết bị điện Chương 4: Đo độ tự cảm điện dung Chương 5: Đo điện trở Chương 6: Máy phát tín hiệu Chương 7: Đo lường máy sóng Trong q trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hồn thiện Các ý kiến đóng góp xin gửi Khoa Điện – Điện tử - Tin học, Trường Cao đẳng nghề số 20/QK3 Nam Định, tháng 11 năm 2016 Tham gia biên soạn Bùi Trung Kiên Trần Minh Quang CHƯƠNG ĐƠN VỊ ĐO CÁC ĐƠN VỊ CƠ HỆ SI 1.1 Các đơn vị Hệ đo lường quốc tế (viết tắt SI) hệ đo lường sử dụng rộng rãi Nó sử dụng hoạt động kinh tế, thương mại, khoa học, giáo dục công nghệ phần lớn nước giới ngoại trừ Mỹ, Liberia Myanma 1.1.1 Đơn vị đo chiều dài * Mét đơn vị đo khoảng cách, đơn vị hệ đo lường quốc tế (SI) Định nghĩa gần mét Viện Đo lường Quốc tế (Bureau International des Poids et Mesures) vào năm 1998 là: "khoảng cách mà ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian / 299 792 458 giây" Bội số Tên Kí hiệu Bội số Tên Kí hiệu 100 mét 101 đềcamét dam 10–1 đêximét dm 102 hêctômét hm 10–2 xentimét cm 103 kilômét km 10–3 milimét mm 106 mêgamét Mm 10–6 micrơmét µm 109 gigamét Gm 10–9 nanômét nm 1012 têramét Tm 10–12 picômét pm 1015 pêtamét Pm 10–15 femtômét fm 1018 examét 10–18 atômét 1021 zêtamét Zm 10–21 zéptômét zm 1024 yôtamét Ym 10–24 ctơmét ym m Em am 1.1.2 Đơn vị đo khối lượng * Kilôgam (viết tắt kg) đơn vị đo khối lượng, bảy đơn vị đo hệ đo lường quốc tế (SI), định nghĩa "khối lượng khối kilôgam chuẩn quốc tế, làm từ hợp kim platin-iridi, tổ chức BIPM lưu giữ điều kiện miêu tả theo BIPM 1998" * Khối kilôgam tiêu chuẩn lưu giữ BIMP chế tạo từ 90% platin 10% iridi thành hình trụ trịn đường kính 39 mm, cao 39 mm 1.1.3 Đơn vị đo thời gian * Trong khoa đo lường, giây (viết tắt s)là đơn vị đo thời gian, đơn vị hệ đo lường quốc tế (SI) * Định nghĩa quen thuộc giây vốn khoảng thời gian 1/60 phút, hay 1/3600 Định nghĩa xác gần Viện Đo lường Quốc tế (Bureau International des Poids et Mesures) vào năm 1998 là: Khoảng thời gian 192 631 770 lần chu kỳ xạ điện từ phát nguyên tử Ce 133 thay đổi trạng thái hai mức lượng đáy siêu tinh vi * 1s = 103ms = 106 µs = 109ns 1.1.4 Đơn vị đo cường độ dòng điện * Đơn vị đo cường độ dòng điện A định nghĩa từ năm 1948 dịng điện cố định, chạy hai dây dẫn song song dài vơ hạn có tiết diện khơng đáng kể, đặt cách mét chân không, sinh lực hai dây 2×10−7 niutơn mét chiều dài * Ampe tương ứng với dòng chuyển động 6,24150948 · 1018 điện tử e (1 culông) giây qua diện tích dây dẫn Ampe = culơng / giây A = C/s Bội số Tên gọi Ký hiệu Ước số Tên gọi Ký hiệu 100 Ampe 101 đêca Ampe daA 10–1 đêxi Ampe dA 102 héctô Ampe hA 10–2 xenti Ampe cA 103 kilô Ampe kA 10–3 mili Ampe mA 106 mêga Ampe MA 10–6 micrô Ampe µA 109 giga Ampe GA 10–9 nanô Ampe nA 1012 têra Ampe TA 10–12 picô Ampe pA 1015 pêta Ampe PA 10–15 femtô Ampe fA 1018 êxa Ampe EA 10–18 atô Ampe 1021 zêta Ampe ZA 10–21 zeptô Ampe zA 1024 ta Ampe YA 10–24 ctơ Ampe yA A aA 1.1.5 Đơn vị đo nhiệt độ: Đơn vị đo nhiệt độ độ Celsius hay Kelvin * Độ Celsius (°C hay độ C) Đơn vị đo nhiệt độ độ bách phân hay độ Celsius (C), có nghĩa thang thủy ngân điểm đóng băng điểm sơi nước nguyên chất chia thành trăm phần Nước sơi 100 độ Celsius nước đóng băng có độ Celsius Đây đơn vị đo lường nhiệt độ hệ mét sử dụng thông thường * Độ Kelvin (°K hay độ K): Mỗi độ K nhiệt giai Kenvin (1K) độ nhiệt giai Celsius (1 °C) °C ứng với 273,15K Nhiệt độ nhiệt giai Kelvin đơi cịn gọi nhiệt độ tuyệt đối, 0K ứng với nhiệt độ nhỏ mà vật chất đạt Tại 0K, lý thuyết, chuyển động nhiệt hỗn loạn ngừng 1.1.6 Đơn vị đo lượng chất mol * Mol số chứa 6,023×1023 hạt vi mơ phân tử, ngun tử ion * Khối lượng mol nguyên tử nguyên tố khối lượng mol (6,023×1023) nguyên tử nguyên tố đó; khối lượng mol phân tử chất khối lượng mol phân tử chất đó; vân vân (Số 6,023×10 23 gọi số Avogadro.) Thí dụ: khối lượng mol nguyên tử oxi 16 g; khối lượng mol phân tử oxi 32 g; khối lượng mol ion hydro g 1.1.7 Đơn vị đo cường độ sáng candela Candela hay gọi nến (Candle), đơn vị đo cường độ chiếu sáng, cường độ chiếu sáng theo hướng cho trước nguồn phát xạ đơn sắc với tần số 540×1012 héc cường độ xạ theo hướng 1/683 ốt Steradian 1.2 Đơn vị đo lực * Newton (viết tắt N) đơn vị đo lực hệ đo lường quốc tế (SI), lấy tên nhà bác học Isaac Newton Nó đơn vị dẫn xuất SI nghĩa định nghĩa từ đơn vị đo "cơ bản" Cụ thể lực khối lượng nhân gia tốc (định luật Newton) Newton lực gây cho vật có khối lượng kilơgam gia tốc mét giây bình phương Theo phương diện đại số: Một số ví dụ - N lực gây trọng lượng so với Trái Đất vật có khối lượng xấp xỉ 102 g (1⁄9.8 kg) (tương đương táo nhỏ) - Trên bề mặt Trái Đất, khối lượng kg sinh lực cỡ 9.81 N (hướng xuống) Một khối lượng kg tương ứng với 10 N khối lượng thường dùng đời sống hàng ngày kỹ thuật - Vì Newton lực nhỏ, người ta thường dùng đơn vị khác để biểu diễn lực kilonewtons hay kN, kN = 000 N - Trong điều kiện tiêu chuẩn, (1 000 kg) gây trọng lực 9.8 kN (hay 000 kgf) 1.3 Đơn vị công : * Đại lượng đo tích số lực quãng đường dịch chuyển điểm đặt lực gọi công * Đơn vị đo lường công Jun (viết tắt J) = 1Nm 1.4 Đơn vị lượng * Electronvolt hay electronvôn, ký hiệu eV, đơn vị đo lường lượng dùng nhiều vật lý hạt nhân vật lý lượng tử * eV định nghĩa lượng tương đương với tĩnh điện mà hạt tích điện dương với điện tích giá trị tuyệt đối điện tích electron có nằm điện V so với điểm làm mốc điện Trong SI: eV = 1e.1V = 1,602.10-19 C.V = 1,602.10-19 A.s.V = 1,602.10-19 W.s = 1,602.10-19 J Các bội số thường dùng keV, MeV, GeV * Liên hệ với tốc độ ánh sáng khối lượng (từ công thức E = m.c2) là: Năng lượng E = eV tương đương với khối lượng m=1eV/c2 = 1,8.10−36 kg Liên hệ với số Boltzmann nhiệt độ: 1eV/kB = 11604,505 K 1.5 Đơn vị công suất * Đơn vị đo công suất đơn vị đo đại lượng vật lý công suất Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo công suất Watt (viết tắt W), lấy tên theo James Watt Watt=1 J/s * Ngoài ra, tiền tố thêm vào đơn vị để đo công suất nhỏ hay lớn mW, MW Một đơn vị đo công suất hay gặp khác dùng để công suất động mã lực (viết tắt HP): HP = 0,736 kW * Trong truyền tải điện, đơn vị đo công suất hay dùng KVA (kilô Volt Ampe): KVA = 1000 VA = 1000 W Volt-Ampe, viết tắt VA, đơn vị đo cơng suất dịng điện Nó tính cách nhân hiệu điện tính theo Volt với cường độ dịng điện tính theo Ampere Đơn vị thường sử dụng cho công suất biểu kiến mạch điện xoay chiều Trong mạch điện chiều (DC), VA tương đương với Watt Tuy nhiên dòng điện xoay chiều, VA thường dùng để tính cơng suất biểu kiến, cịn Watt dùng để tính cơng suất thực Trên mạch điện xoay chiều, công suất biểu kiến thường có độ lớn lớn cơng suất thực; ví dụ lưu điện (UPS), VA công suất biểu kiến tương đương với khoảng 1,6 Watt cơng suất thực (hệ số cơng suất lúc 1/1,6 = 0,625) Khi thêm tiền tố SI, có đơn vị như: kVA = 1.000 VA (tiền tố k nghĩa kilo) MVA = 1.000.000 VA (tiền tố M nghĩa mega) Đơn vị kVA thường sử dụng cơng nghiệp để tính cơng suất truyền tải điện máy biến CÁC ĐƠN VỊ ĐIỆN HỆ SI 2.1 Các đơn vị dịng điện điện tích * Cường độ dịng điện - Cường độ dòng điện qua bề mặt định nghĩa lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đơn vị thời gian Nó thường ký hiệu chữ I Trong hệ SI, cường độ dịng điện có đơn vị ampe - Cường độ dịng điện trung bình khoảng thời gian định nghĩa thương số điện lượng chuyển qua bề mặt xét khoảng ∆𝑄 thời gian khoảng thời gian xét: 𝐼𝑡𝑏 = ∆𝑡 Trong : I tb cường độ dịng điện trung bình, đơn vị A (ampe) ΔQ điện lượng chuyển qua bề mặt xét khoảng thời gian Δt, đơn vị C (coulomb) Δt khoảng thời gian xét, đơn vị s (giây) Khi khoảng thời gian xét vơ nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời: I = dQ/dt * Mật độ dòng điện - Một cách tổng quát, mật độ dòng chảy cường độ dòng qua đơn vị diện tích mặt cắt vng góc với dịng đó, với dịng dịng điện, dịng nước, Đối với dòng điện, mật độ dòng gọi mật độ dòng điện - Cường độ dòng tổng quát liên hệ với mật độ dòng tổng quát bề mặt qua công thức: ∅ = 𝑗 𝐴 với: φ cường độ dòng Nếu dịng dịng điện, đo ampe A diện tích mà dịng qua, đo mét vng j mật độ dịng Nếu dịng dịng điện, đo A/m2 * Điện tích - Coulomb hay Culơng, kí hiệu C, đơn vị đo điện tích Q hệ SI, lấy tên theo nhà vật lí người Pháp Charles Augustin de Coulomb - Một Coulomb tương ứng với lượng điện tích chạy qua diện tích dây dẫn có cường độ dịng điện Ampère vịng giây - Một proton có điện tích 1,60219.10-19 Coulomb, hay +1e Một electron có điện tích -1,60219.10-19 Coulomb, hay -1e 2.2 Sức điện động, hiệu điện điện áp * Sức điện động nguồn: đại lượng vật lý có giá trị điện áp hở mạch nguồn, đo đơn vị “vôn” ký hiệu V * Điện đặc trưng cho điện trường phương diện tạo điện tích q: VM AM q Trong đó: VM điện điểm M AM là công điện trường dịch chuyển điện tích q từ điểm M đến vơ * Hiệu điện (còn gọi điện áp) mức chênh lệch điện điểm Khi có chênh lệch điện điểm (hiệu điện khác 0) điểm nối với vật dẫn điện có dịng điện qua vật dẫn (hiện tượng dẫn điện) Nếu khoảng cách điểm đủ gần hiệu điện điểm đủ lớn dịng điện phóng qua điểm mà khơng cần vật dẫn (hiện tượng phóng điện) 2.3 Điện trở điện dẫn * Điện trở đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện vật thể dẫn điện Nó định nghĩa tỉ số hiệu điện hai đầu vật thể với cường độ dịng điện qua nó: R=U/I Trong đó: U : hiệu điện hai đầu vật dẫn điện, đo vôn (V) I : cường độ dòng điện qua vật dẫn điện, đo ampe (A) R : điện trở vật dẫn điện, đo Ohm (Ω) Giá trị điện trở lớn độ dẫn điện Định nghĩa xác cho dịng điện chiều Đối với dòng điện xoay chiều, khái niệm cản trở dòng điện mở rộng thành trở kháng, điện trở phần trở kháng trở kháng tổng cộng - Điện trở dây dẫn Điện trở R dây dẫn tính sau: 𝑅 = 𝜌 𝐿 𝑆 L chiều dài dây dẫn, đo theo mét S tiết diện (diện tích xung quanh, xem mặt cắt hình trịn), đo theo m2 ρ (tiếng Hy Lạp: rô) điện trở suất (hay gọi điện trở riêng suất điện trở) vật liệu, đo ôm·met (Ω·m) Điện trở suất thước đo khả kháng lại dòng điện vật liệu - Điện trở suất (Electrical resistivity) đại lượng đặc trưng cho khả cản trở dòng điện chất Điện trở suất nói nên tính cản trở chuyển dời có hướng hạt mang điện chất Đơn vị điện trở suất hệ đơn vị chuẩn SI Ohm.met (Ω.m) Điện trở suất (thường ký hiệu ρ) chất định nghĩa điện trở khối chất có chiều dài m tiết diện m2, hay cách tổng 𝑆 qt, cho cơng thức:𝜌 = 𝑅 𝐿 với R điện trở, S tiết diện ngang, L chiều dài khối vật dẫn Điện trở suất số vật liệu: Kim loại Bạc Đồng Vàng Nhơm Sắt Bạch kim Chì Mangan Constantan Điện trở suất (Ωm) 1,59×10−8 1,72×10−8 2,44×10−8 2,82×10−8 1,0×10−7 1,1×10−7 2,2×10−7 4,4×10−7 4,9×10−7 Hệ số nhiệt điện trở 0,0038 0,0039 0,0034 0,0039 0,005 0,00392 0,0039 0,000002 0,00001 9,8×10−7 3,5×10−5 4,6×10−1 6,40×102 1010 to 1014 Thủy ngân Cacbon Gecmani Silic Thủy tinh 0,0009 -0,0005 -0,048 -0,048 -0,075 * Điện dẫn suất: khả dẫn điện vật liệu điện hay điện dẫn suất nghịch đảo điện trở suất: / Trong hệ SI: σ có đơn vị chuẩn S/m (Siemens mét), đơn vị biến đổi khác S/cm, m/Ω·mm² S·m/mm² thường dùng, với S/cm = 100 S/m m/Ω·mm² = S·m/mm² = 106 S/m 2.4 Từ thông cường độ từ thông * Từ thông thơng lượng đường sức từ qua diện tích bề mặt định * Từ thông liên hệ trực tiếp với mật độ từ thơng Từ thơng tích phân phép nhân vô hướng mật độ từ thơng với véctơ thành phần diện tích, tồn diện tích Theo ký hiệu tốn học: m B.dS S Với: m từ thông; B mật độ từ thông Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo từ thông Weber (Wb), đơn vị đo mật độ từ thông Weber mét vuông, hay Tesla 2.5 Độ tự cảm - Độ tự cảm hay gọi điên cảm đại lượng đặc trưng cho khả lưu giữ lượng dạng từ trường cuộn dây - Đơn vị độ tự cảm Henry (H) H =Ω.s = kg.m2.A-2.s-2 2.6 Điện dung - Để đặc trưng cho khả tích trữ lượng điện tụ điện, người ta đưa khái niệm điện dung tụ điện Điện dung cao khả tích trữ lượng tụ điện lớn ngược lại - Giá trị điện dung đo đơn vị Fara (kí hiệu F) F = Ω-1.s = A2.s4.kg-1.m-2 - Giá trị F lớn nên thông thường mạch điện tử, giá trị tụ đo giá trị nhỏ micro fara (μF), nano Fara (nF) hay picro Fara (pF) 1F=106μF=1 CHƯƠNG SAI SỐ ĐO ĐO LƯỜNG 1.1 Độ xác mức xác Độ xác mức độ gần mà giá trị đo đạt so với giá trị đại lượng cần đo 1.1.1 Độ xác độ lệch đầy thang - Thông thường, thiết bị đo điện tử tương tự thường có độ xác cho dạng phần trăm độ lệch toàn thang đo [fsd - full scale deflection] - Nếu đo điện áp đồng hồ điện áp [voltmeter], đặt thang đo 100V (fsd), với độ xác ± 4%, thị số đo điện áp 25V, số đo có độ xác khoảng 25V ± 4% phép đo, hay (25 - 4)V đến (25 + 4)V, tức khoảng 21V đến 29V Đây độ xác ± 16% 25V Điều gọi sai số giới hạn 1.1.2 Độ xác động thời gian đáp ứng - Một số thiết bị đo, công nghiệp dùng để đo đại lượng biến thiên theo thời gian Hoạt động thiết bị đo điều kiện gọi điều kiện làm việc động Do vậy, độ xác động độ gần mà giá trị đo giá trị mà dao động theo thời gian, khơng tính sai số tĩnh - Khi thiết bị đo dùng để đo đại lượng thay đổi, thuật ngữ khác gọi đáp ứng thời gian dùng để khoảng thời gian mà thiết bị đo đáp ứng thay đổi đại lượng đo Độ trì hỗn đáp ứng thiết bị đo gọi độ trễ [lag] 1.2 Các tiêu chuẩn * Khái niệm: Để thống quản lý đo lường, đảm bảo đo lường cho công nghiệp, thương mại, đời sống quốc gia tổ chức hệ thống mẫu chuẩn truyền chuẩn quốc gia Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 6165-1996 chuẩn đo lường định nghĩa sau: “ Chuẩn vật đo, phương tiện đo, mẫu chuẩn hệ thống đo để định nghĩa, thể hiện, trì tái tạo đơn vị hay nhiều giá trị đại lượng dùng để làm mốc so sánh” * Phân loại: - Chuẩn đầu (Primary standard): chuẩn định hay thừa nhận rộng rãi có chất lượng mặt đo lường cao giá trị chấp nhận không dựa vào chuẩn khác đại lượng - Chuẩn thứ (Secondary standard): chuẩn mà giá trị ấn định 10 cách so sánh với chuẩn đầu đại lượng - Chuẩn bậc I : chuẩn mà giá trị ấn định cách so sánh với chuẩn thứ đại lượng * Phân loại phạm vi quốc tế : - Chuẩn quốc tế (International standard) : chuẩn hiệp định quốc tế công nhận để làm sở ấn định giá trị cho chuẩn khác đại lượng có liên quan phạm vi quốc tế - Chuẩn quốc gia (National standard) : chuẩn định có tính chất quốc gia công nhận để làm sở ấn định giá trị cho chuẩn khác có liên quan nước - Chuẩn (Reference standard) : chuẩn thường có chất lượng cao mặt đo lường có địa phương tổ chức xác định mà phép đo dẫn xuất từ chuẩn - Chuẩn công tác (Working standard) : chuẩn dùng thường xuyên để hiệu chuẩn kiểm tra vật đo, phương tiện đo mẫu chuẩn - Chuẩn so sánh (Transfer standard) : chuẩn sử dụng phương tiện để so sánh chuần * Một số chuẩn mẫu đại lượng điện : - Chuẩn dòng điện - Chuẩn điện áp - Chuẩn điện trở - Chuẩn điện dung - Chuẩn tần số 1.3 Kỹ thuật đo 1.3.1 Khái niệm chung * Đo lường : Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Kết đo biểu diễn dạng: A = X/X0 X = A.X0 đó: A: số kết đo X: đại lượng cần đo Xo: đơn vị đo * Đo lường học: Đo lường học ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo 11 đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu đơn vị đo * Kỹ thuật đo lường (KTĐL) KTĐL ngành kỹ thuật chuyên môn nghiên cứu để áp dụng kết đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống xã hội 1.3.2 Phân loại cách thực phép đo * Đo trực tiếp cách đo mà kết nhận trực tiếp từ phép đo Nghĩa là, kết đo trị số đại lượng cần đo mà khơng phải tính tốn thơng qua biểu thức Nếu khơng tính đến sai số trị số đại lượng cần đo X kết đo A Phương pháp đo trực tiếp có ưu điểm đơn giản, nhanh chóng loại bỏ sai số tính tốn Ví dụ: Voltmet đo điện áp, ampemet đo cường độ dòng điện, oatmet đo công suất … * Đo gián tiếp cách đo mà kết đo suy từ phối hợp kết nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp Nghĩa là, kết đo trị số đại lượng cần đo, số liệu sở có từ phép đo trực tiếp sử dụng để tính trị số đại lượng cần đo thông qua phương trình vật lý liên quan đại lượng X = f(A1, A2, …An) Trong A1, A2 … An kết đo phép đo trực tiếp Ví dụ: để đo cơng suất (P) sử dụng voltmet để đo điện áp (U), ampe met đo cường độ dịng điện (I), sau sử dụng phương trình: P = U.I ta tính cơng suất Cách đo gián tiếp mắc phải nhiều sai số sai số phép đo trực tiếp tích luỹ lại Vì cách đo nên áp dụng trường hợp dùng dụng cụ đo trực tiếp mà * Đo tương quan phương pháp sử dụng trường hợp cần đo q trình phức tạp mà khơng thể thiết lập quan hệ hàm số đại lượng thơng số q trình nghiên cứu * Đo hợp phương pháp có kết đo nhờ giải hệ phương trình mà thơng số biết trước số liệu đo từ phép đo trực tiếp * Đo thống kê phương pháp sử dụng cách đo nhiều lần lấy giá trị trung bình để đảm bảo kết xác Cách sử dụng đo tín hiệu ngẫu nhiên kiểm tra độ xác dụng cụ đo 12 1.3.2 Các đặc trưng kỹ thuật đo lường * Khái niệm tín hiệu đo đại lượng đo - Tín hiệu đo lường tín hiệu mang thơng tin giá trị đại lượng đo lường - Đại lượng đo thơng số xác định q trình vật lý tín hiệu đo Do q trình vật lý có nhiều thơng số trường hợp cụ thể người ta quan tâm đến một vài thơng số định Ví dụ: để xác định độ rung xác định thơng qua thông số như: biên độ rung, gia tốc rung, tốc độ rung … - Có nhiều cách để phân loại đại lượng đo, số cách thơng dụng + Phân loại theo tính chất thay đổi đại lượng đo: Có hai loại đại lượng đo là: Đại lượng đo tiền định đại lượng đo biết trước quy luật thay đổi theo thời gian chúng Đại lượng đo ngẫu nhiên đại lượng đo mà thay đổi theo thời gian không theo quy luật định Nếu ta lấy giá trị tín hiệu ta nhận đại lượng ngẫu nhiên Chú ý: Trên thực tế, đa số đại lượng đo ngẫu nhiên Tuy nhiên, giả thiết suốt thời gian tiến hành phép đo đại lượng đo phải không đổi thay đổi theo quy luật biết trước, nghĩa tín hiệu dạng biến đổi chậm Cịn đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh cần sử dụng phương pháp đo lường thống kê + Phân loại theo cách biến đổi tín hiệu đo: Có hai loại tín hiệu đo tín hiệu đo liên tục hay tương tự tín hiệu đo rời rạc hay số Khi ứng với loại tín hiệu đo có hai loại dụng cụ đo dụng cụ đo tương tự dụng cụ đo số + Phân loại theo chất đại lượng đo Đại lượng đo lượng đại lượng mà thân mang lượng Ví dụ: điện áp, dịng điện, sức điện động, công suất … Đại lượng đo thông số đại lượng đo thơng số mạch Ví dụ: điện trở, điện dung, điện cảm … Đại lượng phụ thuộc vào thời gian Ví dụ: tần số, góc pha, chu kỳ … Đại lượng không điện Để đo đại lượng phương pháp điện cần biến đổi chúng thành đại lượng điện Ví dụ: để đo độ co giãn vật liệu sử dụng tenzo để chuyển thay 13 đổi hình dạng thành thay đổi điện trở đo giá trị điện trở để suy biến đổi hình dạng * Điều kiện đo Các thông tin đo lường gắn với môi trường sinh đại lượng đo Môi trường điều kiện mơi trường tự nhiên môi trường người tạo * Đơn vị đo Mỗi quốc gia có tập quán sử dụng đơn vị đo lường khác Để thống đơn vị người ta thành lập Hệ đơn vị đo lường quốc tế * Thiết bị đo phương pháp đo - Thiết bị đo thiết bị kỹ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thông tin đo dạng tiện lợi cho người quan sát - Thiết bị đo gồm: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo lường, dụng cụ đo lường, tổ hợp thiết bị đo lường hệ thống thông tin đo lường - Phương pháp đo chia làm loại chủ yếu phương pháp đo biến đổi thẳng phương pháp đo so sánh * Người quan sát Là người tiến hành đo gia công kết đo Yêu cầu nắm phương pháp đo, hiểu biết thiết bị đo lựa chọn dụng cụ hợp lý, kiểm tra điều kiện đo phải nằm chuẩn cho phép để sai số chấp nhận được) biết cách gia công số liệu thu sau đo * Kết đo - Giá trị xác định thực nghiệm gọi ước lượng đại lượng đo, giá trị gần giá trị thực mà điều kiện coi thực - Sử dụng phương pháp đánh giá sai số để đánh giá kết đo SAI SỐ * Sai số phép đo: biểu khơng xác kết đo lường so với giá trị xác đại lượng đo - Giá trị thực Xth đại lượng đo: giá trị đại lượng đo xác định với độ xác (thường nhờ dụng cụ mẫu có cấp xác cao dụng cụ đo sử dụng phép đo xét) - Giá trị xác (giá trị đúng) đại lượng đo thường khơng biết trước, đánh giá sai số phép đo người ta sử dụng giá trị thực Xth đại lượng đo 14 - Sai số đặc tính cố hữu kết đo lường, tránh khỏi mẫu chuẩn dùng để so sánh có sai số định dù cấp xác * Phân loại theo biểu thức - Sai số tuyệt đối hiệu số trị số tuyệt đối giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo X X X th với X giá trị đo Xth giá trị thực - Sai số tương đối tỷ số sai số tuyệt đối trị số thực đại lượng đo Sai số tương đối biểu thị đầy đủ sai số tuyệt đối X X 100% X th sai số tương đối chân thực X X 100% X sai số tương đối danh định - Cấp xác dụng cụ đo: giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc phải Người ta quy định cấp xác dụng cụ đo sai số tương đối quy đổi dụng cụ đo nhà nước quy định cụ thể (đơi người ta cịn gọi sai số tương đối chiết hợp, ghi trực tiếp lên mặt dụng cụ đo) x% Xm 100% Xm Xm sai số tuyệt đối cực đại Ví dụ minh hoạ: Một điện trở có giá trị khoảng 1,14k – 1,26k Tính sai số điện trở Biết R = 1,2k 250C, tính giá trị lớn 750C, hệ số nhiệt 500ppm/0C R 0,06k R 1,2 0,06 1,2k 5% 1,26.10 3.500 0,63 10 Khi nhiệt độ tăng 10C R tăng lượng: Vậy giá trị Rmax = 1,26 + 0,63.(75-25).10-3 = 1,2915k Một nguồn 12V mắc với điện trở 470 10% Điện áp nguồn đo vơn kế có khoảng đo 25V độ xác 3% Tính công suất điện trở sai số phép đo Ta có: P U2 R 15 Vì Vơn kế có độ xác 3% với khoảng đo 25V nên sai số tuyệt đối lớn gặp phải U tính bằng: U 25V 3% 0,75V U 12V 0,75V 12V 6,25% (U ) 2.6,25% 12,5% U2 ( ) 12,5% 10% 22,5% R Vậy: P 12 22,5% 470 Một Vôn kế có thang đo 30V độ xác 4%, ampe kế có thang đo 100mA độ xác 1% sử dụng để đo điện áp dòng điện qua điện trở R Kết đo 25V 90mA Hãy tính giá trị R Pmin Pmax U 30V 4% 1,2V U 25V 1,2V 25V 4,8% I 100mA.1% 1mA I 90mA 1mA 90mA 1,1% U 25 R (4,8 1,1)% 277,78 5,9% I 0,09 P U I 25.0,09 (4,8 1,1)% 2,25W 5,9% 2,25W 0,13W P 2,25 0,13 2,12W 2,25.(1 0,059) Vậy: P max 2,25 0,13 2,38W 2,25.(1 0,059) Sau số dạng sai số cụ thể 2.1 Sai số chủ quan - Sai số chủ quan sai số gây người sử dụng Ví dụ mắt kém, cẩu thả… - Sai số chủ quan lựa chọn phương pháp đo dụng cụ đo khơng hợp lý, trình độ người sử dụng thiết bị đo không tốt, thao tác không thành thạo… - Loại trừ sai số chủ quan trước đo phải lựa chon phương pháp đo, dụng cụ đo phù hợp với đại lượng cần đo, đồng thời người thực phép đo phải sử dụng thành thạo dụng cụ đo, phải biết cách xác định giá trị đo cách xác 2.2 Sai số khách quan - Sai số khách quan sai số gây ảnh hưởng điều kiện bên lên đối tượng đo dụng cụ đo Ví dụ nhiệt độ, độ ẩm… - Ngồi sai số khách quan dụng cụ đo lường khơng hồn hảo - Để loại trừ sai số khách quan ta sử dụng loại dụng cụ đo có độ 16 xác cao, thực đo lường điều kiện tiêu chuẩn 2.3 Sai số hệ thống * Khái niệm: Sai số yếu tố thường xuyên hay yếu tố có quy luật tác động Nó khiến cho kết đo có sai số lần đo nhau, nghĩa kết lần đo lớn hay bé giá trị thực đại lượng cần đo * Phân loại: Tuỳ theo nguyên nhân tác dụng, mà sai số hệ thống phân thành nhóm sau đây: - Do dụng cụ, máy móc đo chế tạo khơng hồn hảo Ví dụ: kim thị thiết bị thị không vị trí ban đầu, máy móc khơng chuẩn lại thang độ với máy chuẩn - Do phương pháp đo, cách chọn dùng phương pháp đo không hợp lý; xử lý kết đo, tính tốn đơn giản tự ý bỏ qua số yếu tố Ví dụ bỏ qua ảnh hưởng ghép ký sinh mạch đo - Do khí hậu, ví dụ nhiệt độ, độ ẩm tiến hành đo khác với điều kiện khí hậu tiêu chuẩn quy định quy trình sử dụng máy đo * Phương pháp loại trừ: Việc loại trừ sai số hệ thống tiến hành cách: - Chuẩn bị tốt trước đo: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước sử dụng; chuẩn bị trước đo; chỉnh "0" trước đo… - Quá trình đo có phương pháp phù hợp: tiến hành nhiều phép đo phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế… - Xử lý kết đo sau đo: sử dụng cách bù sai số ngược dấu (cho lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trường hợp sai số hệ thống khơng đổi loại cách đưa vào lượng hiệu chỉnh hay hệ số hiệu chỉnh: + Lượng hiệu chỉnh: giá trị loại với đại lượng đo đưa thêm vào kết đo nhằm loại sai số hệ thống + Hệ số hiệu chỉnh: số nhân với kết đo nhàm loại trừ sai số hệ thống Trong thực tế khơng thể loại trừ hồn tồn sai số hệ thống Việc giảm ảnh hưởng sai số hệ thống thực cách chuyển thành sai số ngẫu nhiên 2.4 Sai số ngẫu nhiên * Khái niệm: Sai số ngẫu nhiên sai số yếu tố biến đổi bất thường, 17 khơng có quy luật tác động Tuy ta cố gắng thực đo lường điều kiện chu đáo nhau, nhiều yếu tố khơng biết, không khống chế được, nên sinh loạt kết đo khác Ví dụ: - Do điện áp cung cấp mạch đo không ổn định - Do biến thiên khí hậu mơi trường chung quanh xảy trình đo lường * Phương pháp loại trừ: với sai số ngẫu nhiên, ta khơng thể xử lý Vì khơng biết giá trị sai số bao nhiêu, theo chiều hướng nào, lớn hay bé giá trị thực tế Để “định lượng” giá trị sai số ngẫu nhiên, tức đánh giá độ xác kết đo, người ta dùng cơng cụ tốn học lý thuyết xác suất thống kê Nhiệm vụ việc tính tốn sai số ngẫu nhiên rõ giới hạn thay đổi sai số kết đo thực phép đo nhiều lần, phép đo có kết với sai số ngẫu nhiên vượt giới hạn bị loại bỏ - Cơ sở tốn học: việc tính tốn sai số ngẫu nhiên dựa giả thiết sai số ngẫu nhiên phép đo đại lượng vật lý thường tuân theo luật phân bố chuẩn (luật phân bố Gauxơ-Gauss) Nếu sai số ngẫu nhiên vượt giá trị xác suất xuất khơng kết đo có sai số ngẫu nhiên bị loại bỏ - Các bước tính sai số ngẫu nhiên: Xét n phép đo với kết đo thu x1, x2, , xn + Tính trị số trung bình cộng n lần đo: mX X n x1 x x n x i n i 1 n xi kết đo thứ i, mà loại bỏ sai số hệ thống + Tính sai số trung bình bình phương: n ( xi X ) n i 1 Nếu tiến hành đo nhiều lần, coi số liệu kết đo được, để lại xét phân bố ngẫu nhiên tập hợp n kết đo X , ta có giá trị trung bình bình phương X là: X n n ( xi X ) n.(n 1) i 1 Để đảm bảo độ tin cậy phép đo ta thường lấy : THỊ SAI 18 X X 3. X 3.1 Khái niệm Thị sai góc hai đường thẳng qua hai điểm không gian đến vật thể quan sát Thị sai dùng để định nghĩa thay đổi vị trí biểu kiến điểm quan sát, quan sát từ hai vị trí khác Vật thể xa vị trí quan sát, thị sai nhỏ Một ví dụ đơn giản thị sai việc quan sát vật thể đặt gần mắt người quan sát mắt trái mắt phải Khi ảnh vật thể chuyển dời biểu kiến so với quan sát Vật thể đặt gần mắt chuyển dịch biểu kiến lớn Minh họa thị sai 3.2 Thị sai thiên văn học Thị sai P, vị trí quan sát a, b; vị trí biểu kiến A, B thiên thể o thiên cầu Thị sai thiên văn học góc hai hướng qua hai vị trí khác đến thiên thể quan sát Khoảng cách vật thể vũ trụ bề mặt Trái Đất tính tốn cách xác định thị sai, thị sai thiên văn học thường hiểu khoảng cách Thị sai xuất từ thay đổi vị trí biểu kiến vật thể thiên cầu, gây thay đổi điểm gốc hệ tọa độ gắn với người quan sát Vị trí tức thời thiên thể hình chiếu thiên thể thiên cầu, theo tia chiếu qua vị trí người quan sát Hình chiếu phụ thuộc vào vị trí người quan sát, từ vị trí khác bề mặt Trái Đất hay không gian, thiên thể chiếu vào nhiều hướng khác 19 Sự thay đổi vị trí quan sát thiên thể quan sát kết chuyển động xoay Trái Đất quanh trục mình, chuyển động Trái Đất quanh Mặt Trời chuyển động Hệ Mặt Trời không gian Những chuyển động tự nhiên tạo khoảng cách hai vị trí quan sát Khi khoảng cách lớn, thị sai lớn, ứng với khả xác định khoảng cách thiên thể cao 3.3 Thang khoảng cách vũ trụ Thị sai nấc thang thang khoảng cách vũ trụ Bằng cách đo khoảng cách đến số ngơi gần đó, nhà thiên văn học thiết lập mối liên hệ màu sắc độ sáng chất nó, ví dụ, độ sáng quan sát từ khoảng cách chuẩn Những sau trở thành "ngọn nến chuẩn" Sau ngơi q xa để đo thị sai nó, nhà thiên văn học so sánh màu sắc với quang phổ số nến chuẩn xác định độ sáng chất So sánh độ sáng với độ sáng biểu kiến, có phép đo tốt khoảng cách cách áp dụng quy luật Quy luật độ sáng biểu kiến nguồn sáng tỷ lệ thuận với bình phương khoảng cách Nếu bạn chiếu hình vng lên hình, sau di chuyển máy chiếu khoảng cách xa gấp đơi, ảnh có diện tích gấp bốn ( ) so với ảnh cũ Ánh sáng lan diện tích lớn lần, sáng 1/4 so với chiếu khoảng cách gần nửa Nếu bạn di chuyển máy chiếu xa gấp lần, ánh sáng che phủ sáng 1/9 mà Nếu đo cách đến phần cụm xa, giả định tất ngơi có khoảng cách, thêm chúng vào danh sách nến chuẩn 20 ... chuần * Một số chuẩn mẫu đại lượng điện : - Chuẩn dòng điện - Chuẩn điện áp - Chuẩn điện trở - Chuẩn điện dung - Chuẩn tần số 1.3 Kỹ thuật đo 1.3.1 Khái niệm chung * Đo lường : Đo lường trình đánh... thuật đo lường * Khái niệm tín hiệu đo đại lượng đo - Tín hiệu đo lường tín hiệu mang thơng tin giá trị đại lượng đo lường - Đại lượng đo thơng số xác định q trình vật lý tín hiệu đo Do q trình. .. định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Kết đo biểu diễn dạng: A = X/X0 X = A.X0 đó: A: số kết đo X: đại lượng cần đo Xo: đơn vị đo * Đo lường học: Đo lường học ngành khoa học