CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

Giá trị này gần với giá trị thực mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là giá trị thực Đế đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của ph

CHƯƠNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

1.1 Khái niệm chung về đo lường

Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo

Kết quả đo lường là giá trị bằng số của đại lượng cần đo Ax, nó bằng tỉ số của đại lượng cần đo X và đơn vị đo X0 Nghĩa là Ax chỉ rõ đại lượng đo lớn hơn (hay nhỏ hơn) bao nhiêu lần đơn vị đo của nó Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng:

Ví dụ: Để đo ứng suất cơ học ta phải biến đổi chúng thành sự thay đổi điện trở của

bộ cảm biến lực căng Sau đó mắc các bộ cảm biến này vào mạch cầu và đo điện áp lệch cầu khi có tác động của ứng suất cần đo

Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo được gọi là đo lường học

Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường

Mục đích của quá trình đo lường là tìm được kết quả đo lường Ax, tuy nhiên

để kết quả đo lường Ax thỏa mãn các yêu cầu đặt ra để có thể sử dụng được đòi hỏi phải nắm vững các đặc trưng của quá trình đo lường Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường bao gồm:

Đại lượng đo

Đại lượng đo là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo

Mỗi quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể chỉ quan tâm đến một thông số là một đại lượng vật lý nhất định Ví dụ: Nếu đại lượng vật lý cần đo là dòng điện thì đại lượng cần đo có thể là giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng…

Người ta có thể phân loại đại lượng đo theo các tiêu chí như

o Đại lượng đo điện: đại lượng đo có tính chất điện; tức là có đặc trưng mang bản chất điện Ví dụ: dòng điện, điện áp…

o Đại lượng đo thông số: là thông số của mạch điện Ví dụ như điện trở, điện cảm, điện dung…

o Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: Chu kỳ, tần số…

o …

 Theo tính chất thay đổi của đại lượng đo có thể phân thành

o Đại lượng đo tiền định: Đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian Ví dụ: dòng điện dân dụng I là đại lượng đo tiền định

do đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của nó là một hàm sin theo thời gian có tần số ω, biên độ I, góc pha ban đầu φ

o Đại lượng ngẫu nhiên: Có sự thay đổi theo thời gian, không theo quy luật Trong thực tế, đa số các đại lượng đo là đại lượng này

 Theo cách biến đổi đại lượng đo có thể phân thành

o Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự-analog): phải sử dụng các dụng cụ đo tương tự Ví dụ như ampe mét có kim chỉ thị, vôn mét

có kim chỉ thị…

o Đại lượng đo số (digital): Phải sử dụng các dụng cụ đo số Ví dụ như ampe mét chỉ thị số, vôn mét chỉ thị số

Điều kiện đo

Đại lượng đo chịu ảnh hưởng quyết định của môi trường sinh ra nó, ngoài ra kết quả đo phụ thuộc chặt chẽ vào môi trường khi thực hiện phép đo Các điều kiện môi trường bên ngoài như: nhiệt độ, từ trường, độ ẩm…ảnh hưởng rất lớn đến kết quả đo

Để kết quả đo đạt yêu cầu thì thường phép đo phải được thực hiện trong điều kiện chuẩn là điều kiện được quy định theo tiêu chuẩn quốc gia hoặc theo quy định của nhà sản xuất thiết bị đo Khi thực hiện phép đo luôn cần phải xác định điều kiện

đo để có phương pháp đo phù hợp

Đơn vị đo

Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế quy định mà mỗi quốc gia phải tuân thủ

Ví dụ: Nếu đại lượng đo là độ dài thì đơn vị đo có thể là m, inch, dặm…

Thiết bị đo và phương pháp đo

Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo

Phương pháp đo là việc phối hợp các thao tác cơ bản trong quá trình đo bao gồm các thao tác: xác định mẫu và thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể hiện kết quả hay chỉ thị Các phương pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phương pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố khác như đại lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện, sai

số, yêu cầu…

Người quan sát

Người quan sát là người thực hiện phép đo và gia công kết quả đo

Nhiệm vụ của người quan sát khi thực hiện phép đo:

 Chuẩn bị trước khi đo: Phải nắm được phương pháp đo, am hiểu vè thiết bị

đo được sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với môi trường xung quanh

 Trong khi đo: Phải biết điều khiển quá trình đo để có kết quả như mong muốn

 Sau khi đo: Nắm chắc các phương pháp gia công kết quả đo để gia công kết quả đo Xem xét xem kết quả đo đã đạt yêu cầu hay chưa

Kết quả đo

Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian Nó không phải là giá trị thực của đại lượng cần đo mà chỉ có thể coi là giá trị ước lượng của đại lượng cần đo Giá trị này gần với giá trị thực mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là giá trị thực

Đế đánh giá sai lệch giữa giá trị ước lượng và giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo là hiệu giữa giá trị ước lượng và giá trị thực Từ sai số này có thể đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay không

1.2 Phân loại phương pháp đo

Tùy thuộc vào độ chính xác yêu cầu, điều kiện thí nghiệm, thiết bị hiện có…Ta có thể phân loại phương pháp đo như sau:

1.2.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng

Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa là không

có khâu phản hồi

Trước tiên đại lượng cần đo X được đưa qua một hay nhiều khâu biến đổi và cuối cùng được biến đổi thành số Nx Còn đơn vị của đại lượng đo X0 cũng được biến đổi thành số N0 (ví dụ khắc độ trên mặt dụng cụ đo tương tự) Quá trình này được gọi là quá trình khắc độ theo mẫu N0 được ghi nhớ lại

Sau đó diễn ra quá trình so sánh giữa đại lượng cần đo với đơn vị của chúng Quá trình này được thực hiện bằng một phép chia Nx/N0 Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức được cụ thể hóa như sau:

0 0

X N

Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng các sai số của các khâu Vì thế thường sử dụng dụng cụ đo kiểu này ở các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp để đo và kiểm tra các quá trình sản xuất với độ chính xác yêu cầu không cao lắm

1.2.2 Phương pháp đo kiểu so sánh

Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng nghĩa là có khâu phản hồi

Trước tiên đại lượng đo X và đại lượng mẫu X0 được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó (ví dụ dòng hay áp chẳng hạn) thuận tiện cho việc so sánh Quá trình so sánh được diễn ra trong suốt quá trình đo Khi hai đại lượng bằng nhau ta đọc kết quả ở mẫu sẽ suy ra giá trị đại lượng cần đo Quá trình đo như vậy gọi là

Hình 1.2 Quá trình đo kiểu so sánh

X

o o o o

D/A

quá trình đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu

so sánh (hay thiết bị bù)

Hình vẽ trên chỉ rõ sơ đồ khối của một thiết bị đo như vậy Tín hiệu đo X được

so sánh với một tín hiệu XK tỉ lệ với đại lượng mẫu X0 Qua bộ biến đổi số - tương

tự D/A tạo ra tín hiệu XK Qua bộ so sánh ta có:

Tùy thuộc vào cách so sánh mà ta có các phương pháp sau đây:

 So sánh cân bằng: Là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu

X0 sau khi biến đổi thành đại lượng XK được so sánh với nhau sao cho luôn

có X = 0 tức là:

X – XK = 0; X = XK = NK.X0 (1.4) Như vậy thì XK là một đại lượng thay đổi sao cho khi X thay đổi luôn đạt được

kết quả ở (1.4) Nghĩa là phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng Trong trường

hợp này độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của XK và độ

nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng Ví dụ: Cầu đo, điện thế kế cân bằng…

 So sánh không cân bằng: Nếu đại lượng XK là một đại lượng không đổi, lúc

đó ta có:

Nghĩa là kết quả của phép đo được đánh giá theo đại lượng X Tức là biết trước XK, đo X có thể suy ra X = XK + X

Rõ ràng phép đo này có độ chính xác phụ thuộc vào phép đo X, mà giá trị

X càng nhỏ (so với X) thì độ chính xác phép đo càng cao

Phương pháp này thường được sử dụng để đo các đại lượng không điện như

đo nhiệt độ, đo ứng suất…

 So sánh không đồng thời: Việc so sánh được thực hiện như sau: Đầu tiên

dưới tác động của đại lượng đo X gây ra một trạng thái nào đó trong thiết bị

đo Sau đó thay X bằng đại lượng mẫu XK sao cho trong thiết bị đo cũng gây

ra đúng trạng thái như khi X tác động, trong điều kiện đó rõ ràng ta có

X = XK Khi đó độ chính xác của X hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác

của XK Phương pháp này chính xác vì khi thay XK bằng X ta vẫn giữ

nguyên mọi trạng thái của thiết bị đo và loại được mọi ảnh hưởng của điều

kiện bên ngoài đến kết quả đo

 So sánh đồng thời: Là phép so sánh cùng lúc nhiều điểm của đại lượng cần

kia theo insơ (cần do) Đặt điểm 0 trùng nhau sau đó đọc các điểm trùng nhau tiếp theo là: 127mm - 5insơ; 254mm - 10insơ; 381mm - 15insơ Từ đó

ta tìm được: 1insơ 25 , 4mm

15

381 10

254 5

1.3 Phân loại các thiết bị đo

Ta có thể chia thiết bị đo thành nhiều loại tùy theo chức năng của nó Gồm các loại chủ yếu sau:

1.3.1 Mẫu

Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định Những dụng cụ mẫu phải đạt độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo từng cấp, từng loại

Ví dụ: Điện trở mẫu cấp I với độ chính xác 0.,01% cấp II độ chính xác đến 0,1%

1.3.2 Dụng cụ đo lường điện

Là dụng cụ đo lường bằng điện để gia công các thông tin đo lường, tức là tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại lượng vật lý cần đo

Tùy theo cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị ta phân thành hai loại dụng cụ đo:

 Dụng cụ đo mà giá trị của kết quả đo thu được là một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại lượng đo gọi là dụng cụ đo lương tự Loại này bao gồm: Dụng cụ đo kim chỉ và dụng cụ đo tự ghi

 Dụng cụ đo mà giá trị của kết quả đo được thể hiện ra bằng số được gọi chung là dụng vụ đo chỉ thị số

1.3.3 Chuyển đổi đo lường

Là loại thiết bị để gia công tín hiệu thông tin đo lường để tiện cho việc truyền, biến đổi, gia công tiếp theo; cất giữ không cho ra kết quả trực tiếp

Có hai loại chuyển đổi:

 Chuyển đổi các loại điện thành các đại lượng điện khác Ví dụ: Các bộ chuyển đổi A/D – D/A, các bộ phân áp, biến áp…

 Chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện Đó là loại chuyển đổi sơ cấp là bộ phận chính của đầu đo hay cảm biến Ví dụ: Các chuyển đổi quang điện, nhiệt điện trở…

1.3.4 Hệ thống thông tin đo lường

Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ để tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc và chuyển nó về một dạng để tiện cho việc đo điều khiển

Có thể phân hệ thống thông tin đo lường thành nhiều nhóm:

 Hệ thống đo lường: Là hệ thống để đo và ghi lại các đại lượng đo

 Hệ thống kiểm tra tự động: Là hệ thống thực hiện nhiệm vụ kiểm tra các đại lượng đo Nó cho ra kết quả lớn hơn, nhỏ hơn hay bằng chuẩn

 Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật: Là hệ thống kiểm tra sự làm việc của đối tượng

để chỉ ra chỗ hỏng hóc cần sửa chữa

 Hệ thống nhận dạng: Là hệ thống kết hợp việc đo lường, kiểm tra để phân loại đối tượng tương ứng với mẫu đã cho Ví dụ: Máy kiểm tra và phân loại sản phẩm

 Tổ hợp đo lường tính toán: Với chức năng có thể bao quát toàn bộ các thiết

bị ở trên

Hệ thống thông tin đo lường có thể phục vụ cho đối tượng gần (khoảng cách dưới 2km) nhưng cũng có thể phục vụ cho đối tượng ở xa Lúc đó cần phải ghép nối vào các kênh liên lạc Một hệ thống như vậy được gọi là hệ thống thông tin đo lường từ xa

1.4 Đơn vị đo, chuẩn và mẫu

1.4.1 Khái niệm chung

Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ

Trên thế giới người ta chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn Lịch sử phát triển và hoàn thiện các chuẩn quốc tế bắt đầu từ năm 1881 tại hội nghị quốc tế ở Pari Đến năm 1908 tại Luân Đôn đã thành lập một ủy ban đặc biệt về việc chế tạo các chuẩn Một số chuẩn đã được ấn định ở đây Ví dụ: Chuẩn “

ôm quốc tế” của điện trở được coi là điện trở của một cột thủy ngân thiết diện 1mm2dài 106,300cm ở 00C có khối lượng 14,4521gam

Tuy nhiên theo thời gian càng ngày càng hoàn thiện kỹ thuật đo lường và nâng cao độ chính xác của phép đo Do đó mà các chuẩn ở các quốc gia có những giá trị khác nhau mặc dù phương pháp chế tạo như nhau Sai số nhiều khi vượt quá mức

độ cho phép Vì thế đến năm 1948 bắt đầu công nhận một chuẩn mới gọi là “chuẩn

Các chuẩn ngày nay là chuẩn được quy định theo hệ thống đơn vị SI là “hệ thống đơn vị quốc tế” thống nhất

1.4.2 Hệ thống đơn vị quốc tế SI

Bao gồm hai nhóm đơn vị sau:

 Đơn vị cơ bản: được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể đạt được

 Đơn vị kéo theo (đơn vị dẫn xuất): là đơn vị có liên quan đến các đơn vị đo

cơ bản thể hiện qua các biểu thức

Ta có bảng (1.1) giới thiệu một số đơn vị đo cơ bản và kéo theo trong một số lĩnh vực cơ, điện…

Bảng 1.1 Bảng các đơn vị đo cơ bản và dẫn xuất trong một số lĩnh vực

1 Các đại lượng cơ bản

Gia tốc Mét trên giây bình phương m/s2

3 Các đại lượng điện

Cường độ điện trường Vôn trên mét V/m

Bảng 1.2 Các bội số và ước số thường dùng của các đơn vị đo

Tên của tiếp đầu ngữ Giá trị ước số Ký hiệu

hệ thống SI như: Chuẩn đơn vị độ dài, chuẩn đơn vị khối lượng, chuẩn đơn vị thời gian, chuẩn đơn vị dòng điện, chuẩn đơn vị nhiệt độ…

Ta xét 2 chuẩn quốc gia các đơn vị cơ bản của hệ thống SI

 Chuẩn đơn vị thời gian: Năm 1967 hội nghị quốc tế thứ XIII về mẫu quy định: Đơn vị thời gian – giây (viết tắt là s) là khoảng thời gian của

9192631770 chu kỳ phát xạ, tương ứng với thời gian chuyển giữa hai mức gần nhất ở trạng thái cơ bản của nguyên tử Xêzi 133 Sự ổn định của tần số chuẩn Xêzi được bảo đảm bởi sự không đổi của năng lượng chuyển của các nguyên tử từ trạng thái năng lượng này đến trạng thái năng lượng khác khi không có từ trường ngoài

 Chuẩn đơn vị dòng điện: Bắt đầu từ hội nghị thứ IX về chuẩn và cân đưa ra quyết định về ampe – chuẩn đơn vị dòng điện như sau: Ampe viết tắt là A, là lực sinh ra của dòng điện không đổi khi chạy trong hai dây dẫn thẳng có thiết diện tròn không đáng kể đặt song song với nhau cách nhau 1m trong chân không Lực này bằng 2.10-7N trên mỗi mét chiều dài Sai số của chuẩn dòng điện có thể đạt tới 4.10-6A

1.5 Cấu trúc và các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo

1.5.1 Sơ đồ khối của dụng cụ đo

Sơ đồ cấu trúc chung của dụng cụ đo

Một dụng cụ đo cơ bản có ba bộ phận chính đó là chuyển đổi sơ cấp, mạch đo và cơ cấu chỉ thị

Ta lần lượt xét các khâu chức năng này:

 Chuyển đổi sơ cấp:làm nhiệm vụ biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện Đây là khâu quan trọng nhất của thiết bị đo

 Mạch đo: là khâu thu thập gia công thông tin đo sau chuyển đổi sơ cấp làm nhiệm vụ tính toán và thực hiện các phép tính trên sơ đồ mạch

Chuyển đổi

Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của dụng cụ đo

 Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ thể hiện kết quả đo dưới dạng con số so với đơn vị Có ba cách thể hiện kết quả đo đó là: chỉ thị bằng kim, chỉ thị bằng thiết bị tự ghi, chỉ thị dưới dạng con số

Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng

Việc biến đổi thông tin đo chỉ xảy ra trên một đường thẳng, tức là không có khâu phản hồi Theo sơ đồ trên thì đại lượng đo X được đưa qua các khâu chuyển đổi CĐ1 (sơ cấp), CĐ2,…, CĐn để biến thành đại lượng Yn tiện cho việc quan sát và chỉ thị Các đại lượng Y1, Y2, …Yn là các đại lượng trung gian

Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo kiểu so sánh

Dụng cụ đo này có mạch phản hồi với các bộ chuyển đổi ngược (CĐN) để tạo ra tín hiệu Xk so sánh với tín hiệu đo X Mạch đo là một mạch vòng khép kín Sau bộ

so sánh ta có tín hiệu ΔX = X - Xk

Khi ΔX = 0 ta có dụng cụ so sánh cân bằng Khác đi ta có dụng cụ so sánh không cân bằng

1.5.2 Các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo

Dụng cụ đo có nhiều loại tùy theo chức năng của chúng nhưng bao giờ cũng có những đặc tính cơ bản như sau:

hoặc 1 nguyên nhân nào đấy có tính quy luật hoặc cũng có thể là do các yếu

tố biến động ngẫu nhiên gây ra Trên cơ sở đó người ta phân biệt hai loại sai

số là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

o Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn luôn không đổi hay thay đổi có quy luật Sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được

o Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên

do các biến động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…) Sai số này còn gọi là sai số phụ

 Độ nhạy: Độ nhạy của dụng cụ đo được tính bằng F ( X)

dX

dY

S   với X là đại lượng vào và Y là đại lượng ra Nếu F(X) không đổi thì quan hệ vào ra của dụng cụ đo là tuyến tính Lúc đó thang đo sẽ được khắc độ đều Nếu một dụng cụ gồm nhiều khâu biến đổi, mỗi khâu có độ nhạy riêng thì độ nhạy của

toàn dụng cụ là: S = S1.S2…Sn=



n

i i S

1

 Điện trở của dụng cụ đo và công suất tiêu thụ

o Điện trở vào: là điện trở ở đầu vào của dụng cụ Điện trở vào của dụng cụ đo phải phù hợp với điện trở đầu ra của khâu trước đó của chuyển đổi sơ cấp

o Điện trở ra: Xác định công suất có thể truyền tải cho khâu tiếp theo Điện trở ra càng nhỏ thì công suất càng lớn

1.6 Sai số trong đo lường

Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai

số Những sai số này gây ra bởi những yếu tố như: Phương pháp đo được chọn, mức

độ cẩn thận khi đo…Do vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo mà có sai số Đó là sai số của phép đo

1.6.1 Phân loại sai số của phép đo

X th X

 Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo…

 Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng Ví dụ như do mắt kém, do cẩu thả…

 Sai số khách quan là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối tượng đo cũng như dụng cụ đo Ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm…

Theo quy luật xuất hiện của sai số

 Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo Việc phát hiện sai số hệ thống là rất phức tạp nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không còn khó khăn

 Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một

1.6.2 Quá trình xử lý, định giá sai số và xác định kết quả đo

CHƯƠNG II ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƯỜNG

Đo lường là một phương pháp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu được những thông tin về đặc tính số lượng của một đối tượng hay một quá trình cần nghiên cứu Nó được thực hiện bằng cách so sánh đại lượng cần đo với đại lượng đã chọn dùng làm tiêu chuẩn, làm đơn vị Kết quả đo đạc biểu thị bằng số hay biểu đồ; kết quả đo được này chỉ là giá trị gần đúng, nghĩa là phép đo có sai số Chương này

sẽ nghiên cứu về cách xử lý các trị số gần đúng đó tức là cần đánh giá được độ chính xác của phép đo

2.1 Nguyên nhân và phân loại sai số trong đo lường

2.1.1 Nguyên nhân gây sai số

Không có phép đo nào là không có sai số Vấn đề là khi đo cần phải chọn dùng phương pháp thích hợp, cũng như cần chu đáo, thành thạo khi thao tác , để hạn chế sai số các kết quả đo sao cho đến mức ít nhất

Các nguyên nhân gây sai số thì có nhiều, người ta phân loại nguyên nhân gây sai số là do các yếu tố khách quan và chủ quan gây nên

 Các nguyên nhân khách quan ví dụ như: dụng cụ đo lường không hoàn hảo, đại lượng đo được bị can nhiễu nên không hoàn toàn được ổn định

 Các nguyên nhân chủ quan, ví dụ như: do thiếu thành thạo trong thao tác, phương pháp tiến hành đo không hợp lý

Vì có các nguyên nhân đó và ta không thể tuyệt đối loại trừ hoàn toàn được nên kết quả của phép đo nào cũng chỉ cho giá trị gần đúng Ngoài việc cố gắng hạn chế sai số đo đến mức ít nhất, ta còn cần đánh giá được xem kết quả đo có sai số đến mức độ nào

2.1.2 Phân loại sai số

Các sai số mắc phải trong phép đo có nhiều cách phân loại Có thể phân loại theo nguồn gốc sinh ra sai số, theo quy luật xuất hiện sai số hay phân loại theo biểu thức diễn đạt sai số

2.1.2.1 Theo biểu thức diễn đạt sai số

 Sai số tuyệt đối là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth

 Sai số tương đối  X được tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và

 Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo…

 Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng Ví dụ như do mắt kém, do cẩu thả…

 Sai số khách quan là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối tượng đo cũng như dụng cụ đo Ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm…

2.1.2.3 Theo quy luật xuất hiện sai số

 Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo Việc phát hiện sai số hệ thống là rất phức tạp nhưng nếu đã phát hiện được thì việc đánh giá và loại trừ nó sẽ không còn khó khăn

 Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất

2.2 Ứng dụng phương pháp phân bố chuẩn để định giá sai số

Để đánh giá kết quả của phép đo, ta phải giới hạn, định lượng được sai số ngẫu nhiên Muốn làm được điều này, thì cần tìm được quy luật phân bố của nó Để tìm được, người ta dùng công cụ toán học cần thiết cho việc nghiên cứu sự phân bố

là lý thuyết xác suất và thống kê

Với sai số của mỗi lần đo riêng biệt, sau khi ta đã loại bỏ sai số hệ thống rồi thì nó hoàn toàn có tính chất của một sự kiện ngẫu nhiên Kết quả của lần đo này hoàn toàn không phụ thuộc gì với kết quả của lần đo khác, vì các lần đo đều riêng biệt, và đều chịu những yếu tố ảnh hưởng tới kết quả đo một cách ngẫu nhiên khác nhau Với mỗi lần đo chỉ cho ta một kết quả nào đó Như vậy, dùng phép tính xác suất để nghiên cứu, tính toán các sai số ngẫu nhiên, thì cần thực hiện các điều kiện sau:

 Tất cả các lần đo đều phải tiến hành với độ chính xác như nhau Nghĩa là không những cùng đo ở một máy, trong cùng một điều kiện, mà với cả sự thận trọng, chu đáo như nhau

 Phải đo nhiều lần Phép tính xác suất chỉ đúng khi có một số nhiều các sự kiện

Lập các số liệu trên thành biểu đồ phân bố tần xuất như hình 2.1 Trục hoành

là giá trị của các sai số x; trục tung là tần xuất v; diện tích của mỗi hình chữ nhật nhỏ biểu thị số lượng xuất hiện các sai số ngẫu nhiên có trị giá nằm trong khoảng khắc độ tương ứng trên trục hoành theo một tỷ lệ nào đó Giản đồ này cho ta hình ảnh đơn giản về sự phân bố sai số, nghĩa là quan hệ giữa số lượng xuất hiện các sai

số theo giá trị độ lớn của sai số

Nếu tiến hành đo nhiều lần, rất nhiều lần, tức số lần đo là n→∞, thì theo quy

Hàm số p(x) là hàm số phân bố tiêu chuẩn các sai số, (còn gọi là hàm số chính tắc) Gọi là hàm số phân bố tiêu chuẩn vì nó biểu thị theo quy luật phân bố tiêu chuẩn Trong phần lớn các trường hợp sai số trong đo lường điện tử thì thực tế là đều thích hợp với quy luật này Rất ít khi có trường hợp sử dụng quy luật phân bố đồng đều, quy luật phân bố cung sin hay quy luật phân bố tam giác, , nên ta không

đề cập đến các quy luật này

Hàm số p(x) còn gọi là hàm số Gauss Nó có biểu thức sau:

2 2 )

là xác suất các sai số có trị số bé thì lớn hơn Thiết bị đo lường nào ứng với đường cong có h lớn thì có độ chính xác cao; khi dùng thiết bị này để đo, thì sai số hay gặp phải là sai số có trị số bé Với ý nghĩa như vậy người ta gọi h là thông số đo chính xác

2.2.2 Hệ quả của sự nghiên cứu hàm mật độ phân bố sai số

Từ hàm phân bố của sai số, ta rút ra hai nhận xét về quy tắc phân bố:

 Xác suất xuất hiện của các sai số có trị số bé thì nhiều hơn xác suất xuất hiện các sai số có trị số lớn Đường biểu diễn trong trường hợp này có dạng hình chuông

 Xác suất xuất hiện sai số thì không phụ thuộc vào dấu, nghĩa là các sai số có trị số bằng nhau về trị số tuyệt đối nhưng khác dấu nhau, thì có xác suất xuất

hiện như nhau Đường biểu diễn trong trường hợp này đối xứng qua trục tung

Với hàm số phân bố p(x), ta có thể tính được số lượng sai số nằm trong một khoảng dx giữa hai trị số x và x+dx nào đó Ta biết rằng lượng này phải tỷ lệ với p(x), vì p(x) là mật độ phân bố sai số; phải tỷ lệ với n là tổng số các sai số (hay của các lần đo); và phải tỷ lệ với dx là khoảng trị số độ lớn sai số cần tính:

Chia hai vế cho n, thì ta có biểu thức vi phân xác suất phân bố sai số:

) ( ).

p n

dn

Thay p(x) ta có:

dx e

dx e

h x x x

x

x

2 2 2

1 )

Trị số này chính là diện tích giới hạn bởi đường cong và trục hoành với hai đường có hoành độ là x1 và x2 (như đã gạch chéo trong hình 2.4) Xác suất của các sai số có trị số không vượt quá một trị số xi nào đó cho trước, được biểu thị bằng diện tích gạch chéo trong hình 2.5:

h x x

x x P

0

2

)(

h x

h x x

2 2

Phân tích phần đầu của vế phải (2.9) chính là trị số xác suất sai số trong khoảng từ -∞ đến +∞ Nó chính là sự kiện tất yếu, và có trị số bằng 1 Phần tích phân thứ hai chính là biểu thức (2.8) Do vậy có thể viết: P(x x i)  1 P(x x i)

Biểu thức (2.8) còn được biểu diễn dưới dạng khác, bằng cách thay biến số

2

2

2 ) (

2.2.3 Sử dụng các đặc số phân bố để định giá kết quả đo và sai số đo

2.2.3.1 Sai số trung bình bình phương

Giả sử khi đo nhiều lần một đại lượng X, các kết quả nhận được là n trị số sai

số, có trị số nằm trong khoảng giới hạn từ x1÷x2 Tuỳ theo trị giá của h, mà xác suất của chúng khác nhau Trên hình dưới đây ta có xác suất cực đại ứng với h2, h2 được gọi là trị giá cực đại của h Với một loại trị số đo thì coi h là không đổi Khi đó xác suất sai số xuất hiện tại trị giá x1 và lân cận của x1 là:

1 1

2 2

dx e

x

e h

2 2

2 2

n x

x x h n

Để tìm trị số cực trị của h, trong biểu thức (2.11), coi h là thông số biến đổi

Ta đạo hàm (2.11) theo h rồi cho bằng không:

Sau khi đặt thừa số chung, ta có: n 2h2x i2  0 do đó:

n

x h

x i i

2 2

1 )



x e x

Xác suất các sai số có trị số nhỏ hơn M là:

Như vậy, có nghĩa là nếu đo 1000 lần một đại lượng nào đó, thì trong một

1000 lần đo đó, chỉ có 3 lần do có sai số vượt quá giá trị sai số M=3σ

và dùng nó cho biểu thức của kết quả đo Dĩ nhiên, để atb có được trị số có xác suất

lớn nhất thì tất cả các sai số x1, x2, xn cũng phải có xác suất lớn nhất:

k

x i  

 2 min

Vì atb là trị số gần bằng trị số thực của X, nên để tính atb có thể thay atb cho X

trong các biểu thức của xi:

x i2  a1a tb 2   a n a tb 2 Trị số atb tương ứng với k cực tiểu, tìm được bằng cách đạo hàm k theo atb rồi

cho bằng 0:

x i2 2a1a tb  2a n a tb

Do đó: atb=(a1+….+an)/n

Như vậy, atb có trị số bằng trung bình cộng của tất cả các lần đo, nó là trị số có

xác suất lớn nhất, tức là gần trị số thực nhất khi tiến hành đo nhiều lần một đại

lượng cần đo X

2.3 Cách xác định kết quả đo

2.3.1 Sai số dư

Trên thực tế tính toán, vì không biết X, nên ta không biết được các

xi: xi=ai-X (i=1,2, ,n) Ta chỉ biết được các sai số tuyệt đối của giá trị các lần đo ai

với atb, người ta gọi đó là sai số dư, và thường ký hiệu bằng ξ:

Qua nhiều biến đổi ta có công thức tính σ và d theo ξ với d là sai số trung bình

2.3.2 Độ tin cậy và khoảng chính xác

Ta đã coi X ≈ ath khi đánh giá kết quả của phép đo Vậy độ chính xác, độ tin

cậy của sự gần đúng này như thế nào, vấn đề này cũng cần phải xét đến Ta có:

Đây là phương pháp đánh giá theo cách cổ điển, nó có nghĩa là trong khoảng

a   sẽ có xác suất chứa đựng trị số thực của đại lượng cần đo

X là P=Ф(t) Như vậy, P gọi là độ tin cậy của phép đánh giá, và khoảng

a   là khoảng tin cậy

Như ở phần trên cũng đã trình bày (về giá trị sai số cực đại), trong kỹ thuật điện tử, để đảm bảo độ tin cậy là P=0,997; khi đó thì t=3 và biểu thức biểu thị khoảng tin cậy với độ tin cậy bằng 0,997 là:

(2.16) Nhược điểm của phương pháp đánh giá theo cách cổ điển là

2.4 Quá trình xử lý, định giá sai số và xác định kết quả đo

) (a i a

CHƯƠNG III

QUAN SÁT VÀ ĐO LƯỜNG DẠNG TÍN HIỆU

3.1 Giới thiệu

Máy hiện sóng điện tử hay còn gọi là dao

động ký điện tử (electronic oscilloscope) là một

dụng cụ hiển thị dạng sóng rất thông dụng Nó

chủ yếu được sử dụng để vẽ dạng của tín hiệu

điện thay đổi theo thời gian Bằng cách sử dụng

máy hiện sóng ta xác định được:

 Giá trị điện áp và thời gian tương ứng của

tín hiệu

 Tần số dao động của tín hiệu

 Góc lệch pha giữa hai tín hiệu

 Dạng sóng tại mỗi điểm khác nhau trên mạch điện tử

 Thành phần của tín hiệu gồm thành phần một chiều và xoay chiều như thế nào

 Trong tín hiệu có bao nhiêu thành phần nhiễu và nhiễu đó có thay đổi theo thời gian hay không

Một máy hiện sóng giống như một máy thu hình nhỏ nhưng có màn hình được

kẻ ô và có nhiều phần điều khiển hơn TV Dưới đây là panel của một máy hiện sóng thông dụng với phần hiển thị sóng; phần điều khiển theo trục X, trục Y, đồng bộ và chế độ màn hình; phần kết nối đầu đo …

Màn hình của máy hiện sóng được chia ô, 10 ô theo chiều ngang và 8 ô theo chiều đứng ở chế độ hiển thị thông thường, máy hiện sóng hiện dạng sóng biến đổi theo thời gian: trục đứng Y là trục điện áp, trục ngang X là trục thời gian Độ chói hay độ sáng của màn hình đôi khi còn gọi là trục Z

Máy hiện sóng có thể được dùng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau chứ không đơn thuần chỉ trong lĩnh vực điện tử Với một bộ chuyển đổi hợp lý ta có thể đo được thông số của hầu hết tất cả các hiện tượng vật lý Bộ chuyển đổi ở đây có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điện tương ứng với đại lượng cần đo, ví dụ như các bộ cảm biến âm thanh, ánh sáng, độ căng, độ rung, áp suất hay nhiệt độ …

Các thiết bị điện tử thường được chia thành 2 nhóm cơ bản là thiết bị tương

tự và thiết bị số, máy hiện sóng cũng vậy Máy hiện sóng tương tự (Analog oscilloscope) sẽ chuyển trực tiếp tín hiệu điện cần đo thành dòng electron bắn lên màn hình Điện áp làm lệch chùm electron một cách tỉ lệ và tạo ra tức thời dạng óng tương ứng trên màn hình Trong khi đó, máy hiện sóng số ( Digital osciloscope) sẽ lấy mẫu dạng sóng, đưa qua bộ chuyển đổi tương tự / số (ADC) Sau đó nó sử dụng các thông tin dưới dạng số để tái tạo lại dạng sóng trên màn hình Tuỳ vào ứng dụng

mà người ta sử dụng máy hiện sóng loại nào cho phù hợp

Thông thường, nếu cần hiển thị dạng tín hiện dưới dạng thời gian thực (khi chúng xảy ra) thì sử dụng máy hiện sóng tương tự Khi cần lưu giữ thông tin cũng như hình ảnh để có thể xử lý sau hay in ra dạng sóng thì người ta sử dụng máy hiện sóng số có khả năng kết nôí với máy tính và các bộ vi xử lý

3.2 Cấu tạo của dao động ký điện tử

Sơ đồ khối của dao động ký thông dụng

Tín hiệu Y được đưa vào qua bộ phân áp đến khuyếch đại Y và được đưa thẳng vào hai bản cực Y Mặt khác tín hiệu từ bộ khuyếch đại Y được đưa qua mạch đồng bộ để kích thích máy phát răng cưa sau đó qua bộ khuyếch đại X đưa vào bản cực X, cũng có thể đưa trực tiếp tín hiệu X vào bộ khuyếch đại X và nối với bản cực

X thông qua công tắc B3

Nếu sử dụng mạch đồng bộ ngoài thì qua B2 tín hiệu được đưa vào mạch đồng

bộ để kích cho máy phát quét làm việc

Khi đo điện áp, công tắc B1 chuyển sang khâu chuẩn biên độ và quan sát độ lệch của tia khỏi đường “0” ứng với biên độ chuẩn Sau đó chuyển B1 sang vị trí tín hiệu Y để tính biên độ cực đại của tín hiệu đo xem gấp bao nhiêu lần biên độ chuẩn

và tính độ lớn của tín hiệu Y theo chuẩn

Khi đo chu kỳ cần phải chuẩn thời gian, người ta sử dụng bộ chuẩn thời gian bằng cách đánh dấu từng khoảng thời gian ứng với giá trị chuẩn trên toàn tín hiệu

3.2.1 Cấu tạo của ống tia điện tử

Bộ phận chủ yếu của dao động ký là ống tia điện tử Về cấu tạo, ống tia điện

tử là một ống chân không có vỏ bằng thuỷ tinh, bên trong có chứa các điện cực Đầu

ống là hình trụ tròn, chứa súng điện tử và hai cặp phiến làm lệch Đầu cuối của ống

loe to thành hình dạng nón cụt, đáy hình nón là màn huỳnh quang, bên trong có quét

một vài lớp mỏng huỳnh quang Bên trong vách thành cuối ống có quét một lớp

than chì dẫn điện, suốt từ hai cặp phiến lệch tới gần màn huỳnh quang Hình dạng

bổ dọc của ống tia như hình dưới đây:

Cấu tạo của súng điện tử

Phân áp vào

Khuyếch đại Y

Chuẩn biên độ

Chuẩn thời gian

Mạch đồng bộ

Máy phát răng cưa

B1

Khuyếch đại X

B3 X

Y

Đồng bộ trong

Điều khiển tia

Súng điện tử gồm có: sợi đốt F, catốt K, lưới điều chế M, các anốt A1 và A2 Nhiệm vụ của súng điện tử là tạo nên một chùm tia điện tử nhỏ, gọn, và bắn tới màn huỳnh quang để gây tác dụng phát sáng Do tính chất này nên người ta đặt tên cho một tập hợp các điện cực đó là súng điện tử

Chùm tia điện tử được phát xạ từ catốt K, do được nung nóng nhờ sợi đốt F,

đi qua một số các lỗ tròn nhỏ của các điện cực M, A1, A2, tạo thành một chùm tia

có hình dạng nhọn bắn tới màn huỳnh quang Sở dĩ tạo nên được một chùm tia nhọn

là do các điện cực M, A1 và A2 có các điện thế khác nhau tạo thành một điện trường không đều tác động tới chùm tia và làm hội tụ chùm tia đó lại trên màn huỳnh quang

Về hình dạng của các điện cực được cấu tạo là các điện cực về bên trái có vành hẹp, các điện cực về bên phải có vành rộng hơn và các anốt đều có một hay hai vách ngăn Tác dụng của các vách này là ngăn lại các điện tử đi quá xa trục ống, tác dụng hội tụ dễ hơn và tạo nên một điện trường đặc biệt theo ý muốn, để tạo nên khả năng hội tụ lớn hơn phân kỳ

Như vậy là do cầu tạo hình dạng của các điện cực và điện áp đặt lên các điện cực, mà nó được bộ súng điện tử có khả năng phát ra chùm tia điện tử và tiêu tụ được chùm tia này trên màn huỳnh quang

Hệ thống cặp phiến làm lệch tia điện tử

Chùm tia điện tử nhỏ gọn được súng điện tử tạo nên, trước khi tới màn huỳnh quang thì có qua một hệ thống các cặp phiến làm lệch Hệ thống này gồm hai cặp phiến làm lệch đặt lần lượt trước sau và vuông góc với nhau bao quanh trục ống

Nếu trên một cặp phiến làm lệch có đặt một hiệu điện thế, thì khoảng không

gian giữa chúng có xuất hiện một điện trường Khi điện tử đi qua giữa hai phiến, do

bị tác dụng của điện trường này mà nó bị thay đổi quỹ đạo chuyển động Khoảng

cách lệch của điểm sáng do chùm tia tạo nên trên màn so với vị trí ban đầu phụ

thuộc vào cường độ điện trường và thời gian bay của điện tử qua khoảng không

gian giữa hai phiến

Trong một số trường hợp, khi ta muốn tăng độ nhạy mà không thể tăng chiều

dài, vì không thể tăng quá mức chiều dài của ống Nên thường cấu tạo cặp phiến

lệch có loe ở đầu cuối chứ không phải là một bản phẳng hoàn toàn

Màn huỳnh quang

Trên phía trong màn của ống tia điện tử được quét một vài lớp mỏng chất

huỳnh quang Khi có điện tử bắn vào, thì tại những vị trí bị bắn phá, chất huỳnh

quang sẽ phát sáng Sau tác dụng bắn phá của điện tử, thì tại nơi bắn phá, ánh sáng

còn được giữ lại một thời gian ngắn Thời gian này gọi là độ dư huy của màn hình Với sự cấu tạo của các chất huỳnh quang khác nhau, thì màn có độ dư huy

khác nhau Và tuỳ theo công dụng quan sát tín hiệu biến đổi nhanh hay chậm khác

nhau, mà dao động ký được dùng các ống tia có độ dư huy lớn hay bé

Về màu sắc ánh sáng, thì tuỳ theo chất huỳnh quang mà dao động ký có màu

tia sáng khác nhau Để dễ quan sát, thì ánh sáng thường dùng là màu xanh lá cây, vì

màu xanh thường thích nghi với sinh lý của mắt Với các dao động ký cần dùng để

chụp ảnh lại, thì màu tia sáng hay dùng là màu tím, vì màu tím bắt nhạy hơn với

phim ảnh Với các dao động ký để quan sát các quá trình biến đổi chậm thì dùng các

ống tia có độ dư huy cao

Vấn đề gây méo đồ thị dao động

Độ sáng của dao động đồ trên màn của dao động ký thì không những chỉ phụ

thuộc vào năng lượng của mỗi điện tử, mà còn vào tất cả số lượng điện tử được bắn

tới màn hình trong một đơn vị thời gian, (tức là phụ thuộc vào mật độ điện tử) Vì

thế, nếu thay đổi được mật độ của tín hiệu điện tử thì có thể thay đổi được độ sáng

của dao động đồ trên màn hiện sóng Thay đổi mật độ điện tử thì có thể thực hiện

một cách dễ dàng bằng cách thay đổi điện áp trên cực điều chế M Ta đã biết, giữa

M và A1 cũng có cấu tạo điện trường như giữa A1 và A2, để hội tụ tia điện tử Do

vậy, nếu thay đổi điện áp trên M thì độ tiêu tụ của tia điên tử cũng bị ảnh hưởng Đó

là lý do tại sao mà khi thực hiện điều chế độ sáng, ta chỉ dùng được điện áp có biên

độ bé thôi Vì nếu cực M có điện thế dương lớn thì không những độ sáng của dao

động đồ tăng mà còn gây méo cả dao động đồ trên màn do sự tiêu tụ bị giảm đi

Độ sáng của dao động đồ còn tăng khi ta tăng điện áp trên anốt A2 Nhưng khi tăng điện áp trên A2 thì độ nhạy bị giảm Để loại bỏ mâu thuẫn này, trong ống tia điện tử thường được cấu tạo thêm anốt A3 ở sau các phiến làm lệch Cấu tạo của anốt A3 là lớp than chì dẫn điện được quét lên xung quanh thành ống ở gần sát màn Điện áp trên A3 thường lớn gấp đôi điện áp trên A2 Dưới tác dụng của điện trường này, điện tử được gia tốc thêm nhưng độ nhạy hầu như không bị ảnh hưởng gì Tuy nhiên, điện tử cũng vẫn được tăng tốc khi đi qua các cặp phiến lệch do tác dụng của

UA3 , nhưng khoảng thời gian này không đáng kể so với khoảng thời gian điện tử đi

từ cặp phiến lệch đến màn hình Hơn nữa, sự giảm độ nhạy do UA3 có thể bù lại bằng cách giảm điện áp UA2

Độ nhạy và độ tiêu tụ của dao động ký còn bị ảnh hưởng bởi hiệu điện thế giữa A2 và với các cặp phiến làm lệch Để khử bỏ ảnh hưởng này, thì phải làm cho điện thế của A2 bằng điện thế ở giữa hai cặp phiến (tức điện thế trên đường trục của ống) Giữa K và A2 có điện áp khoảng 1,5-2kV; để dễ dàng thực hiện được điện thế trên A2 bằng điện thế giữa hai phiến lệch thì thường nối đất điện cực A2 mà không nối đất K Nếu lại không chú trọng một cách đầy đủ đến vấn đề trên, mà nối đất một phiến trong hai phiến của cặp, còn phiến kia thì đưa vào điện áp xoay chiều cần quan sát thì sẽ có hiện tượng méo dao động đồ Thật vậy, ứng với từng thời điểm khác nhau, điện thế ở giữa hai cặp phiến sẽ được phụ thêm một đại lượng bằng nửa điện áp xoay chiều cần quan sát Uy Nó trở thành một điện thế biến thiên tuỳ theo

Uy Ví dụ ứng với khi Uy có trị số dương thì điện thế tại điểm giữa phiến là

UA2+Uy/2 khi đó độ nhạy sẽ nhỏ nhất Khi ứng với Uy có trị số âm, thì điện thế tại điểm giữa phiến là : UA2-Uy/2 khi đó, độ nhạy lại có trị số lớn nhất Dao động đồ của Uy (ví dụ Uy là điện áp hình sin), sẽ không còn đối xứng đối với trị số trung bình nữa (hình vẽ dưới đây)

Vì độ hội tụ phụ thuộc vào điện trường giữa các phiến và A2, trong trường hợp này vì chúng có thay đổi, nên sự tiêu tụ chỉ thực hiện được tốt ứng với một thời điểm nào đó thôi Nên nếu như thực hiện tiêu tụ tốt ứng với khi điện thế giữa hai phiến không có điện áp phụ thêm, thì nó sẽ mất tiêu tụ nhất ứng với các thời điểm

Để khử hiện tượng méo dao động đồ này, thì người ta thực hiện cung cấp điện

áp cần quan sát vào cặp phiến lệch là điện áp đối xứng (đối xứng đối với điểm điện thế bằng không), tức điện áp trên hai phiến đồng thời có lệch pha nhau 1800 Như vậy thì điện thế tại các điểm giữa các cặp phiến là không đổi khi có điện áp cần quan sát đặt vào phiến lệch Để thực hiện như vậy, thì tầng khuếch đại điện áp tín hiệu cần quan sát trước khi đưa vào cặp phiến làm lệch thường dùng là kiểu khuếch đại đẩy kéo hay tự động đảo pha

3.2.2 Bộ tạo điện áp quét

 Nguyên lý quét đường thẳng trong dao động ký: Để có được hình dạng của tín hiệu dao động biến thiên theo thời gian trên màn của dao động ký thì người

ta phải đưa điện áp của tín hiệu cần nghiên cứu lên cặp phiến làm lệch Y, còn trên cặp phiến lệch X là điện áp quét răng cưa Điện áp quét răng cưa là điện

áp có hình dạng biến thiên bậc nhất theo thời gian như hình răng cưa Như vậy, do tác dụng đồng thời của cả hai điện trường lên hai cặp phiến, mà tia điện tử dịch chuyển cả theo phương trục x và phương trục y Quỹ đạo của tia điện tử dịch chuyển trên màn sẽ vạch ra hình dạng của điện áp nghiên cứu biến thiên theo thời gian

 Bộ tạo điện áp quét răng cưa có chu kỳ: Trong dao động ký thường dùng hai chế độ điện áp quét răng cưa là chế độ tạo quét liên tục và chế độ tạo quét đợi Chế độ quét liên tục dùng để quan sát các điện áp tín hiệu có chu kỳ, có

hệ số τ/T lớn (τ là độ rộng của thời gian duy trì tín hiệu, T là chu kỳ của tín hiệu) Có nhiều loại mạch tạo điện áp quét răng cưa đã được dùng trong dao động ký, trong đó, để nắm được nguyên lý và các tính năng kỹ thuật, ta chỉ xét tới vài loại hay gặp trong các dao động ký thông thường Mạch tạo quét liên tục sẽ bao phần tạo dao động liên tục và phần tạo ra điện áp quét

 Mạch tạo điện áp quét làm việc ở chế độ đợi: Các mạch tạo quét làm việc ở chế độ liên tục nói trên có thể chuyển thành mạch làm việc ở chế độ quét đợi, nghĩa là mạch chỉ tạo ra điện áp răng cưa khi nào có xung điện áp hiệu với cực tính và biên độ xác định kích động Sở dĩ phải thực hiện quét ở chế độ đợi, vì khi cần quan sát tín hiệu có hệ số τ/T bé, thì không thể dùng cách quét liên tục có chu kỳ được

3.2.3 Bộ khuếch đại của dao động ký

Hầu hết các dao động ký đều có bộ khuếch đại điện áp của cặp phiến lệch dọc Y Bộ khuếch đại này là khuếch đại dải rộng Độ rộng của dải thông tần của nó

Với các dao động ký đơn giản, thì bộ khuếch đại có dải thông tần khoảng chừng 150-200kHz (tính với mức 0,7) Với các dao động ký dùng để quan sát và đo lường các xung có độ rộng đến 1μs, thì chúng có dải thông tần khoảng từ 3-5MHz Với các dao động ký để quan sát xung có độ rộng nhỏ hơn nữa (<1μs), thì dải tần là 1-30MHz Đặc biệt với các dao động ký để ghi tín hiệu có tốc độ biến thiên nhanh, thì dải thông tần của bộ khuếch đại tới 90MHz

Hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại tuỳ thuộc vào dải thông tần, và chúng khác nhau với các loại dao động ký khác nhau Đặc điểm chất lượng của các

bộ khuếch đại dao động ký còn khác nhau ở chỗ chúng có hay không các tầng sau: tầng khuếch đại catốt ở đầu vào, tầng khuếch đại đẩy kéo hay tự động đảo pha ở đầu

ra Sở dĩ vậy, vì khuếch đại phụ tải catốt có điện trở vào lớn, điện dung vào nhỏ, như vậy khi quan sát dao động ký không gây nên tác dụng ghép trở lại với mạch điện được quan sát tín hiệu Có thực hiện đảo pha tín hiệu để cung cấp đối xứng ở cặp phiến lệch, thì độ tiêu tụ chùm tia mới tốt, độ nhạy mới đối xứng nhau đối với trục X, và không gây nên méo đồ thị dao động do cách cung cấp tín hiệu không đối xứng gây nên

Ngoài bộ khuếch đại Y, hầu hết các dao động ký còn dùng bộ khuếch đại X

Vì nhiệm vụ chủ yếu của khuếch đại X chỉ để khuếch đại điện áp răng cưa, nên dải thông tần cũng như hệ số khuếch đại của nó bé và hẹp hơn của bộ khuếch đại Y Bộ khuếch đại X còn được dùng để khuếch đại tín hiệu ngoài khi không dùng bộ tạo điện áp quét răng cưa Mạch điện khuếch đại X cũng như Y, đều có bộ phận để điều chỉnh độ khuếch đại Khi không có bộ khuếch đại X, mà chỉ cần khuếch đại tín hiệu theo cặp phiến X thì dùng bộ khuếch đại đồng bộ

Trong các dao động ký có quét đợi, thì bộ khuếch đại đồng bộ (để khuếch đại tín hiệu đồng bộ) cũng như khuếch đại X, thì cần dải thông tần hẹp, hệ số khuếch đại nhỏ và không thực hiện đảo pha ở đầu ra

Ở một vài loại dao động ký còn thêm bộ khuếch đại tín hiệu điều chế (khuếch đại này đôi khi còn gọi là khuếch đại Z), để điều chế độ sáng của đồ thị dao động trên màn huỳnh quang

3.3 Công dụng của dao động ký điện tử

3.3.1 Quan sát tín hiệu

Để quan sát tín hiệu dạng đường cong phụ thuộc thời gian của một tín hiệu (dưới dạng điện áp) ta có thể đặt vào đầu vào Y của dao động ký Đặt chế độ đồng

3.3.2 Đo điện áp và tần số của tín hiệu

Để đo điện áp trước tiên phải bật tín hiệu chuẩn điện áp qua công tắc B1 Sau khi đưa điện áp chuẩn vào quan sát độ lệch của tia điện tử ứng với điện áp chuẩn để tính độ nhạy Su = số vạch/độ lớn của điện áp chuẩn Sau đó không điều chỉnh độ nhạy nữa ta cho điện áp vào kênh y Đo được biên độ của tín hiệu là Ly=Su.2Umax

)(2

)/(2.0

*)(4

φ là góc lệch pha của hai tín hiệu

Ta đặt u1(t) và u2(t) vào các bản cực Y của hai kênh, điều chỉnh cho hai tín hiệu trùng nhau theo trục thời gian t và trên cùng 1 trục tọa độ Từ đó ta tính được góc lệch pha cần đo: 0

3.4 Dao động ký nhiều tia

Trong những trường hợp cần so sánh nhiều tín hiệu cần đo, ta phải khảo sát hai hay nhiều quá trình trên một dao động ký Vấn đề này được giải quyết bằng các biện pháp:

 Mỗi quá trình nghiên cứu được dùng một tia điện tử riêng biệt

 Chỉ dùng một tia điện tử để ghi cả hai quá trình nhưng làm cho tia điện tử thay đổi có chu kỳ để ghi từ quá trình này sang quá trình khác

Phương pháp thứ nhất phải dùng nhiều dao động ký khác nhau, mỗi dao động

ký nghiên cứu một quá trình riêng biệt Cách thực hiện như vậy thì rất tốn kém, vì phải dùng nhiều dao động ký Hơn nữa, vì độ nhạy của các ống tia điện tử khác nhau, tỷ lệ xích về thời gian không giống nhau, nên phương pháp này ít dùng Trên thực tế, người ta dùng dao động ký nhiều tia, mà phổ biến là loại hai tia Trong các loại dao động ký này, ống tia điện tử được cấu tạo theo hai cách

 Loại ống tia có ngăn đôi (hoặc nhiều hơn), hệ thống súng điện tử Những hệ thống này tạo nên hai tia điện tử (hay nhiều tia) tác dụng lên cùng một màn hình

 Loại ống có chia điện tử phát ra từ cùng một catốt ra một số tia

Cả hai loại ống trên đều có khó khăn trong chế tạo là làm sao để khử bỏ được tác dụng ảnh hưởng lẫn nhau của các tia điện tử Khó khăn này càng lớn khi số tia điện tử càng nhiều Vì vậy, thông thường thì chỉ có loại ống có hai tia Trong một số quá trình có cùng tần số, có thể khảo sát đồng thời trên màn của một dao động ký có ống tia điện tử có một tia Cách này được thực hiện theo biện pháp thứ hai đã nói ở trên; nó được kèm thêm một bộ phận phụ của dao động ký nữa là chuyển mạch điện

tử

Chuyển mạch điện tử là thiết bị dùng đèn điện tử hoặc đèn bán dẫn, đầu vào được đưa tới cả hai quá trình điện áp cần nghiên cứu Đầu ra của nó đưa tới cặp phiến lệch Y (hay bộ khuếch đại y) của dao động ký Tác dụng của chuyển mạch điện tử là làm cho tia điện tử chuyển đổi thời gian quét để ghi quá trình cần nghiên cứu này sang quá trình cần nghiên cứu khác Sự chuyển mạch trên được thực hiện

do sự khống chế dao động xung vuông đối xứng được tạo ra từ một bộ đa hài Điện

áp chuyển mạch cần yêu cầu dạng xung của nó gần vuông góc, có như vậy thì sự chuyển trạng thái mới tức thời, không gây mờ rối dao động đồ cần quan sát Xung điện áp này cần phải đối xứng, tức thời gian hai khoảng chu kỳ dương và âm phải bằng nhau, có như vậy thì độ sáng của hai dao động đồ mới bằng nhau

 Dao động ký có chức năng chung thông dụng là loại dao động ký phổ biến

nhất và thường được sử dụng để khảo sát các quả trình có tần số thấp, các tín hiệu xung để kiểm tra các thiết bị điện tử Dải tần số các loại dao động

ký này đến 100MHz Dải điện áp của tín hiệu từ milivôn đến hàng trăm vôn

 Dao động ký vạn năng là loại dao động ký này có nhiều ứng dụng bằng

cách có thể thay thế nhiều mảng khác nhau tùy thuộc vào chức năng mà ta muốn sử dụng Nó được sử dụng để khảo sát các tín hiệu đa hài cũng như tín hiệu xung Dải tần số các loại dao động ký này đến 100MHz Dải điện

áp của tín hiệu từ milivôn đến hàng trăm vôn Dải tần số các loại dao động

ký này có thể đạt tới hàng trăm MHz Dải điện áp của tín hiệu từ hàng chục micrôvôn đến hàng trăm vôn

 Dao động ký lấy mẫu là loại dao động ký dùng để ghi lại những tín hiệu

tuần hoàn trong dải tần rộng đến vài GHz Dải điện áp từ mV đến vài vôn

có thể ghi một lúc hai tín hiệu cần khảo sát

 Dao động ký có nhớ là loại dao động ký có thể khảo sát các loại tín hiệu

tức thời, tuần hoàn chậm, hay tín hiệu ngắn, tín hiệu quá độ…v.v Ở loại dao động ký này người ta sử dụng ống phóng tia điện tử có nhớ Dải tần số

có thể đến 150MHz với tốc độ ghi đến 4000km/s Dải điện áp của tín hiệu

từ hàng chục mV đến hàng trăm vôn Có thể ghi hai tín hiệu cùng một lúc

 Dao động ký số là loại dao động ký có nhớ số nguyên lý làm việc dựa trên

việc số hóa tín hiệu khảo sát nhờ bộ chuyển đổi A/D Các mẫu được ghi vào bộ nhớ, sau đó được biến trở lại thành tương tự cho các mục đích hiện hình

3.4.1 Dao động ký điện tử có nhớ tương tự

Như ta đã biết, vật liệu phốtpho dùng trên màn hình của máy hiện sóng thông thường chỉ phát sáng trong khoảng thời gian cỡ miligiây(gọi là sự lưu sáng) Hiện tượng trên có thể thỏa mãn với các tín hiệu có tần số đủ lớn Khi các tín hiệu có tần

số thấp do sự lưu sáng ngắn nên đồ thị được vẽ trên màn hình chỉ là những điểm sáng mà không phải là đường sáng liên tục Mặt khác, trường hợp dạng sóng chỉ xuất hiện một lần không lặp lại(ví dụ khi đóng nguồn điện) ta không thể quan sát được vì vậy cần thiết phải làm cho màn hình phát sáng liên tục dọc theo đường đi của sóng đã được vẽ ra (lưu sáng lâu) ta có thể quan sát dạng sóng dễ dàng hơn Muốn vậy thì cấu tạo của ống phóng tia điện tử cần có cấu tạo đặc biệt

Hình trên mô tả cấu tạo của ống phóng tia điện tử có nhớ với hai trạng thái ổn định (hiện hình hoặc không hiện hình) Trong đó màn hình có một lớp nhớ từ vật liệu phốtpho có khả năng phát xạ thứ cấp và có điện trở rất cao giữa các hạt (Sự phát xạ thứ cấp xuất hiện khi các điện tử năng lượng cao đập vào bề mặt khiến cho các điện tử phát ra từ bề mặt đó) Một màng kim loại được kết tủa giữa lớp kính của màn hình và lớp nhớ Ống chuẩn trực là màng kim loại kết tủa quanh cổ ống phóng Ngoài hệ thống katốt và các anốt để phóng tia điện tử và gia tốc các điện tử trong ống phóng tia điện tử có nhớ còn được bố trí thêm hai katốt phụ để tạo ra những điện tử có năng lượng thấp

Màng kim loại có điện thế từ +1V ÷ 3V so với đất Các đám mây điện tử do các katốt phụ phát ra bị hút về phía màn kim loại làm cho các đám mây đó tràn khắp màn hình Khi chưa có các chùm tia điện tử phát ra từ katốt chính, các đám mây điện tử bị ống chuẩn trực gom lại và trên màn hình không xuất hiện các vệt sáng Khi có các chùm tia điện tử phát ra từ katốt chính qua hệ thống anốt các điện tử đó đập vào lớp phốtpho với năng lượng đủ lớn để tạo ra sự phát xạ thứ cấp Các điện tử phát xạ thứ cấp được ống chuẩn trực gom lại

Mỗi điểm xuất hiện sự phát sự phát xạ thứ cấp trên màn hình lại trở thành điểm tích điện dương được vạch ra ở lớp nhớ có hình dạng của sóng đưa vào Các điện tử có năng lượng thấp phát ra từ các katốt phụ bị hút về phía màng kim loại