giáo trình kỹ thuật đo lường, đại học bách khoa đà nẵng

PHẦN I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG Chương Các khái niệm 1.1 Quá trình đo, định nghĩa phép đo • Định nghĩa phép đo: Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Kết đo lường đại lượng cần đo Ax giá trị số, định nghĩa tỉ số đại lượng cần đo (X) đơn vị đo (Xo) • Q trình đo: trình xác định tỉ số: X AX = (1.1) X0 Từ đó, phương trình phép đo: X = AX X , rõ so sánh đại lượng cần đo đơn vị đo, hay mẫu, cho kết đo số Như vậy, muốn đo giá trị đại lượng cần đo phải có tính chất so sánh Với đại lượng khơng có tính chất đó, chúng cần chuyển thành đại lượng so sánh trước đo Ví dụ 1: kết phép đo dòng điện I = 5A, có nghĩa đại lượng cần đo dịng điện I, đơn vị đo A(ampe), kết số Ví dụ 2: để đo ứng suất học ta phải biến đổi chúng thành thay đổi điện trở cảm biến lực căng Sau đó, mắc cảm biến vào mạch cầu đo điện áp lệch cầu có tác động ứng suất cần đo Ví dụ 3: để đo độ ẩm, ta cần biến đổi chúng thành thay đổi điện trở dựa phụ thuộc điện trở vào độ ẩm ẩm kế điện trở • Đo lường học: ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp để đo đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu đơn vị đo • Kĩ thuật đo lường: ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống Như trình đo lường cần phải quan tâm đến: đại lượng cần đo X (các tính chất nó), đơn vị đo X0, độ xác yêu cầu phép đo phép tính tốn để xác định tỉ số (1.1) để có phương pháp xác định kết đo lường AX thỏa mãn yêu cầu 1.2 Các đặc trưng kĩ thuật đo Mục đích q trình đo lường xác định giá trị A X đại lượng cần đo X Để thực trình đo lường cần nắm xững đặc trưng kĩ thuật đo lường: - Đại lượng cần đo - Điều kiện đo - Đơn vị đo - Phương pháp đo - Thiết bị đo - Kết đo - Người quan sát thiết bị thu nhận kết đo 1.3.1 Đại lượng đo • Định nghĩa: Đại lượng đo thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo Một đại lượng vật lý có nhiều thông số trường hợp cụ thể quan tâm đến thông số định Ví dụ: đại lượng vật lý cần đo dịng điện đại lượng cần đo giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng, tần số … • Phân loại đại lượng đo: phân loại theo chất đại lượng đo, theo tính chất thay đổi đại lượng đo, theo cách biến đổi đại lượng đo a) Phân loại theo chất đại lượng đo - Đại lượng đo điện: đại lượng đo có đặc trưng điện như: điện tích, điện áp, dịng điện… - Đại lượng đo khơng điện: đại lượng đo khơng có tính chất điện, ví dụ: nhiệt độ, độ dài, khối lượng - Đại lượng đo lượng: đại lượng đo mang lượng, ví dụ: sức điện động, điện áp, dịng điện, từ thông, cường độ từ trường … - Đại lượng đo thơng số: thơng số mạch điện, ví dụ: điện trở, điện cảm, điện dung … - Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kì, tần số … b) Phân loại theo tính chất thay đổi đại lượng đo - Đại lượng đo tiền định: đại lượng đo biết trước qui luật thay đổi theo thời gian Ví dụ: Cần đo tần số trị hiệu dụng tín hiệu hình sin - Đại lượng đo ngẫu nhiên: đại lượng đo có thay đổi theo thời gian không theo qui luật Trong thực tế đa số đại lượng đo đại lượng ngẫu nhiên, nhiên tùy yêu cầu kết đo tùy tần số thay đổi đại lượng đo xem gần đại lượng đo ngẫu nhiên tiền định suốt thời gian đo phải sử dụng phương pháp đo lường thống kê c) Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo - Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự - analog) : đại lượng đo biến đổi thành đại lượng đo khác tương tự Tương ứng có dụng cụ đo tương tự, ví dụ: ampe mét có kim thị, vơnmét có kim thị … - Đại lượng đo số (digital) : đại lượng đo biến đổi từ đại lượng đo tương tự thành đại lượng đo số Tương ứng có dụng cụ đo số, ví dụ: ampe mét thị số, vơnmét thị số… • Tín hiệu đo: Tín hiệu đo loại tín hiệu mang đặc tính thơng tin đại lượng đo, tức mang thông tin giá trị đại lượng đo Trong nhiều trường hợp xem tín hiệu đo đại lượng đo 1.3.2 Điều kiện đo Các thông tin đo lường chịu ảnh hưởng định mơi trường sinh Do vậy, tiến hành phép đo, phải tính đến ảnh hưởng môi trường lên kết đo, ảnh hưởng thiết bị đo lên kết đo Ngồi ra, yếu tơ mơi trường bên ngồi như: nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, từ trường bên ngoài, độ rung,… ảnh hưởng đến kết đo Để kết đo đạt yêu cầu, phép đo phải thực điều kiện chuẩn, điều kiện đo qui định theo tiêu chuẩn quốc gia, theo nhà sản xuất thiết bị đo Khi thực phép đo cần phải xác định điều kiện đo để có phương pháp đo phù hợp 1.3.3 Đơn vị đo - Định nghĩa: Đơn vị đo giá trị đơn vị tiêu chuẩn đại lượng đo quốc tế qui định mà quốc gia phải tuân thủ Đại lượng đo Chiều dài Khối lượng Thời gian Cường độ dòng điện Nhiệt độ Tên đơn vị Mét Kilogram Giây Ampe Kelvin/oC Kí hiệu m kg s A K Cường độ sáng Số lượng vật chất Candela Mol Cd Mol 1.3.4 Thiết bị đo phương pháp đo • Thiết bị đo: - Định nghĩa : thiết bị đo thiết bị kĩ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thơng tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát Chúng có tính chất đo lường học, tính chất có ảnh hưởng đến kết sai số phép đo - Phân loại : gồm thiết bị mẫu, chuyển đổi đo lường, dụng cụ đo lường, tổ hợp thiết bị đo lường hệ thống thông tin đo lường , loại thiết bị thực chức riêng trình đo lường • Phương pháp đo: - Định nghĩa : phương pháp đo việc phối hợp thao tác trình đo, bao gồm thao tác: xác định mẫu thành lập mẫu, so sánh, biến đổi, thể kết hay thị - Phân loại : thực tế thường phân thành hai loại phương pháp đo:  Phương pháp đo biến đổi thẳng  Phương pháp đo so sánh 1.3.5 Kết đo • Định nghĩa: kết đo số kèm theo đơn vị đo hay đường cong ghi lại trình thay đổi đại lượng đo theo thời gian Kết đo giá trị thực đại lượng cần đo mà coi giá trị ước lượng đại lượng cần đo, nghĩa xác định thực nghiệm nhờ thiết bị đo Giá trị gần với giá trị thực mà điều kiện coi giá trị thực Để đánh giá sai lệch giá trị ước lượng giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số phép đo, hiệu giá trị thực giá trị ước lượng Từ sai số đo, đánh giá phép đo có đạt u cầu hay khơng Kết đo gia cơng theo thuật tốn (angơrit) định tay máy tính để có kết mong muốn 1.3.6 Người quan sát • Định nghĩa: người thực phép đo gia cơng kết đo • Nhiệm vụ người quan sát - Trước đo: phải nắm phương pháp đo, am hiểu thiết bị đo sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp với sai số yêu cầu phù hợp với môi trường xung quanh - Trong đo: phải biết điều khiển q trình đo để có kết mong muốn - Sau đo: nắm phương pháp gia công kết đo để gia công kết đo Xem xét kết đo đạt yêu cầu hay chưa, có cần phải đo lại hay phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê 1.3 Phân loại phương pháp đo Tùy thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo độ xác yêu cầu phép đo mà người quan sát phải biết chọn phương pháp đo khác để thực tốt trình đo lường 1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng • Định nghĩa : phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa khơng có khâu phản hồi • Q trình thực : - Đại lượng cần đo X qua khâu biến đổi để biến đổi thành số N X, đồng thời đơn vị đại lượng đo X0 biến đổi thành số N0 - Tiến hành trình so sánh đại lượng đo đơn vị (thực phép chia NX /N0), - Thu kết đo: AX = X/X0 = NX/N0 Hình 1.1 Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng Quá trình gọi trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực trình gọi thiết bị đo biến đổi thẳng Tín hiệu đo X tín hiệu đơn vị X sau qua khâu biến đổi (có thể hay nhiều khâu nối tiếp), qua biến đổi tương tự-số A/D để có NX N0 , qua khâu so sánh có NX/N0 Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn tín hiệu qua khâu biến đổi có sai số tổng sai số khâu, dụng cụ đo loại thường sử dụng độ xác yêu cầu phép đo không cao 1.3.2 Phương pháp đo so sánh Đinh nghĩa: phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vịng, nghĩa có khâu phản hồi Q trình thực : - Đại lượng đo X đại lượng mẫu X biến đổi thành đại lượng vật lý thuận tiện cho việc so sánh - Quá trình so sánh X tín hiệu X K (tỉ lệ với X0) diễn suốt trình đo, hai đại lượng đọc kết XK có kết đo Q trình đo gọi trình đo kiểu so sánh Thiết bị đo thực trình gọi thiết bị đo kiểu so sánh (hay gọi kiểu bù) • • Hình 1.2 Lưu đồ q trình đo kiểu so sánh Tín hiệu đo X so sánh với tín hiệu X K tỉ lệ với tín hiệu mẫu X Qua so sánh ta có: ∆X = X − X K Tùy thuộc vào cách so sánh có phương pháp sau • Các phương pháp đo kiểu so sánh:  So sánh cân - Nguyên tắc: Đại lượng cần đo X đại lượng tỉ lệ với đại lượng mẫu X K so sánh cho ∆X = , tức X – XK = Từ suy : X = XK = NK.X0  Kết đo trở thành : AX = X/X0 = NK - Độ xác : Ta nhận thấy, kết đo đạt phép so sánh trạng thái cân ( ∆X = ) Do vậy, độ xác phép đo phụ thuộc độ xác X K độ nhạy thiết bị thị cân Ví dụ : Cầu đo, điện kế cân …  So sánh không cân - Nguyên tắc: Đại lượng tỉ lệ với mẫu XK không đổi biết, qua so sánh có ∆X = X − X K Đo ∆X xác định đại lượng cần đo X = X K + ∆X Từ suy kết đo: X + ∆X X AX = = K X0 X0 - Độ xác : độ xác phép đo chủ yếu độ xác X K định, ngồi cịn phụ thuộc vào độ xác phép đo ∆X, giá trị ∆X nhỏ so với X độ xác phép đo cao - Ví dụ: phương pháp thường dung đo đại lượng không điện ứng suất, nhiệt độ…  So sánh không đồng thời - Nguyên tắc : Dưới tác động đại lượng đo X gây trạng thái thiết bị đo Sau đó, thay X đại lượng mẫu XK cho thiết bị gây trạng thái X tác động Trong điệu kiện đó, ta có X = XK - Độ xác : phụ thuộc vào độ xác X K Phương pháp xác thay XK X trạng thái thiết bị đo giữ nguyên  So sánh đồng thời - Nguyên tắc : So sánh lúc nhiều giá trị đại lượng đo X đại lượng mẫu X K, vào giá trị suy giá trị đại lượng đo Trong thực tế thường sử dụng phương pháp để thử nghiệm đặc tính cảm biến hay thiết bị đo để đánh giá sai số chúng - Ví dụ : xác định inch mm: lấy thước có chia độ mm (mẫu), thước theo inch (đại lượng cần đo), đặt điểm trùng nhau, đọc điểm trùng là: 127mm inch, 254mm 10 inch, từ có : inch = 127/5 = 254/10 = 25,4 mm 1.4 Phân loại thiết bị đo Thiết bị đo phương tiện kĩ thuật để thực trình đo Thiết bị đo thể phương pháp đo khâu chức cụ thể Thiết bị đo chia thành nhiều loại tùy theo chức năng, thường gồm có: mẫu, dụng cụ đo, chuyển đổi đo lường, hệ thống thông tin đo lường 1.4.1 Mẫu Mẫu thiết bị đo để khôi phục đại lượng vật lí định Các dụng cụ mẫu phải đạt độ xác cao, tùy theo cấp, loại 1.4.2 Dụng cụ đo lường điện Dụng cụ đo lường điện dụng cụ đo lường điện để gia công thông tin đo lường, tức tín hiệu điện có quan hệ hàm với đại lượng cần đo Tùy theo cách biển đổi thị tín hiệu ta phân thành loại dụng cụ đo: - Dụng cụ đo tương tự : giá trị kết đo thu hàm liên tục trình thay đổi đại lượng đo - Dụng cụ đo thị số : giá trị kết đo thể số 1.4.3 Chuyển đổi đo lường Là thiết bị gia cơng tín hiệu thơng tin đo lường để tiện cho việc truyền biến đổi, gia công giai đoạn tiếp theo, cất giữ khơng cho kết trực tiếp Có loại chuyển đổi - Chuyển đổi đại lượng điện thành đại lượng điện khác : phân dòng, phân áp, biến áp, biến dòng … - Chuyển đổi đại lượng không điện thành đại lượng điện : loại chuyển đổi sơ cấp, phận đầu đo hay cảm biến Ví dụ : chuyển đổi lực căng, chuyển đổi nhiệt điện trở 1.4.4 Hệ thống thông tin đo lường • Định nghĩa: tổ hợp thiết bị đo thiết bi phụ để tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc chuyển dạng để tiện cho việc đo điều khiển • Phân loại : phân hệ thống thơng tin đo lường thành nhiều nhóm  Hệ thống đo lường : hệ thống để đo ghi lại đại lượng đo  Hệ thống kiểm tra tự động : hệ thống thực nhiệm vụ kiểm tra đại lượng đo, cho kết lớn hơn, nhỏ hay chuẩn  Hệ thống chẩn đoán kĩ thuật : hệ thống kiểm tra làm việc đối tượng để chỗ hỏng hóc cần sữa chữa  Hệ thống nhận dạng : hệ thống kết hợp việc đo lường, kiểm tra để phân loại đối tượng tương ứng với mẫu cho  Tổ hợp đo lường tính tốn : có chức bao qt toàn thiết bị trên, ghép nối hệ thống thơng tin đo lường với máy tính; tiến hành đo, kiểm nhận dạng, chẩn đốn điều khiển đối tượng Hệ thống thơng tin đo lường phục vụ cho đối tượng gần (khoảng cách 2km) phục vụ cho đối tượng xa, càn phải ghép nối vào kênh liên lạc Một hệ thống gọi hệ thống thông tin đo lường từ xa 1.5 Thiết bị chuẩn mẫu 1.5.1 Thiết bị chuẩn : • Chuẩn : đơn vị đo tiêu chuẩn : chuẩn chiều dài, chuẩn khối lượng, chuẩn dịng điện, chuẩn điện áp • Thiết bị chuẩn : thiết bị đo tạo chuẩn  Chuẩn dòng điện (cân dòng điện) : tạo thiết bị cân dịng điện Nó làm việc theo nguyên lí tác động tương hỗ dòng điện chạy qua cuộn dây đấu nối tiếp Một cuộn động nối với đòn cân, cuộn bất động Do tác động tương hỗ dòng điện mà cuộn dây xuất lực kéo cân với lực trọng trường cân 1.5.2 Thiết bị mẫu : • Định nghĩa: thiết bị mẫu thiết bị đo để khôi phục đại lượng vật lý định • Đặc điểm:  Thiết bị mẫu phải có độ xác cao từ 0,001% đến 0,1% tùy theo cấp, loại  Mẫu dụng cụ đo dùng để kiểm tra chuẩn hoá dụng cụ đo khác  Dụng cụ mẫu nói chung đắt tiền yêu cầu bảo quản, vận hành nghiêm ngặt nên sử dụng cần thiết  Các dụng cụ mẫu có cấp xác thấp dụng cụ chuẩn thường dùng để kiểm định dụng cụ đo sản xuất • Các loại dung cụ mẫu      Pin mẫu: thiết bị tạo điện áp chuẩn Nó có sức điện động ổn định theo thời gian có độ xác cao Để đảm bảo đặc tính pin mẫu, cẩn bảo vệ pin tránh q tải Dịng phóng pin khơng 1μA Nhiệt độ làm việc khoảng oC – 30oC Nhược điểm: điện áp nhỏ, hoạt động điều kiện chuẩn Nguồn ổn áp mẫu : để khắc phục nhược điểm pin mẫu Nguyên tắc ổn áp sử dụng pin khô qua hệ giao động nâng điện áp, sau qua chỉnh lưu ổn áp chiều thiết bị điện tử Nguyên lí ổn áp sử dụng cảm biến bán dẫn để so sánh điện áp chiều điện áp xoay chiều thông qua hiệu ứng nhiệt, nhờ mà nâng cao độ ổn định nguồn điện áp xoay chiều Điện trở mẫu : thường chế tạo vật liệu manganin Ưu điểm : điện trở suất lớn, phụ thuộc nhiệt độ, sức điện động nhiệt nhỏ Điện cảm hỗ cảm mẫu : Điện dung mẫu : sử dụng điện dung khơng khí điện dung có chất điện mơi, có góc tổn hao nhỏ (tức mát chất điện mơi ít) Điện trở cách điện lớn, phụ thuộc nhiệt độ không đáng kể điện dung phải không phụ thuộc tần số dạng đường cong tín hiệu Chương Sai số đo xử lí kết đo 2.1 Các loại sai số Ngoài sai số dụng cụ đo, việc thực trình đo gây nhiều sai số Nguyên nhân sai số gồm: - Phương pháp đo chọn - Mức độ cẩn thận đo Do kết đo lường không với giá trị xác đại lượng đo mà có sai số, gọi sai số phép đo Xác định sai số phép đo tức xác định độ tin tưởng kết đo Giá trị thực Xth : giá trị đại lượng đo xác định với độ xác Giá trị xác (giá trị đúng) đại lượng đo thường khơng biết trước, đánh giá sai số phép đo thường sử dụng giá trị thực Xth đại lượng đo Như ta có đánh giá gần kết phép đo Phân loại sai số phép đo sau: • Theo cách thể số Sai số tuyệt đối : hiệu đại lượng đo X giá trị thực Xth ∆X = X – Xth Sai số tương đối : γX tính phần trăm tỉ số sai số tuyệt đối giá trị thực  ∆X  ∆X  .100 ≈  γ X =  .100 % X X   th   Sai số tương đối đặc trưng cho chất lượng phép đo Nếu sai số có dấu (+), kết đo vượt giá trị thực Từ suy độ xác phép đo : X ε = th = ∆X γ X - Sai số phương pháp : sai số sinh không hồn thiện phương pháp đo khơng xác biểu thức lí thuyết, bao gồm sai số tác động dụng cụ đo lên đối tượng đo, sai số liên quan đến khơng xác thông số - Sai số thiết bị : sai số thiết bị đo, liên quan đến cấu trúc mạch đo dụng cụ đo - Sai số chủ quan : sai số gây người sử dụng - Sai số bên : gây ảnh hưởng điều kiện bên lên đối tượng đo dụng cụ đo Ví dụ : biến động nhiệt độ, độ ẩm bên vượt điều kiện tiêu chuẩn • Theo nguồn gây sai số - Sai số hệ thống : thành phần sai số phép đo, ln khơng đổi hay thay đổi có quy luật đo nhiều lần đại lượng đo Ví dụ: sai số hệ thống khơng đổi là: sai số khắc độ thang đo (vạch khắc độ bị lệch…), sai số hiệu chỉnh dụng cụ đo không xác (chỉnh đường tâm ngang sai dao động ký) … Sai số hệ thống thay đổi sai số dao động nguồn cung cấp (pin yếu, ổn áp không tốt…), ảnh hưởng trường điện từ… - Sai số ngẫu nhiên : thành phần sai số phép đo thay đổi không theo quy luật Do dấu giá trị sai số ngẫu nhiên xác định Như vậy, ∆X = sai số hệ thống + sai số ngẫu nhiên 2.2 Phương pháp loại trừ sai số 2.2.1 Phương pháp loại trừ sai số hệ thống - 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… - Q 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 2.2.2 Phương pháp loại trừ sai số ngẫu nhiên Dựa vào số lớn giá trị đo xác định qui luật thay đổi sai số ngẫu nhiên nhờ sử dụng phương pháp toán học thống kê lý thuyết xác suất 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 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 ước lượng kì vọng tốn học mX đại lượng đo: − mX = X = n X + X + + X n x =∑ i , n i =1 n giá trị trung bình đại số n kết đo * Tính độ lệch kết lần đo so với giá trị trung bình : − vi = xi − X ( vi gọi sai số dư ) * Tính khoảng giới hạn sai số ngẫu nhiên: tính sở đường phân bố chuẩn: ∆ = [ ∆1 , ∆ ] , thường chọn: ∆ = [ ∆1 , ∆ ] với: n ∆1 = ∆ = ∑v i −1 i n.(n − 1) với xác suất xuất sai số ngẫu nhiên khoảng 34% * Xử lý kết đo: kết đo có sai số dư vi nằm ngồi khoảng [ ∆1 , ∆ ] bị loại Hình 2-1: Lưu đồ thuật toán gia công kết quả đo 10 Chương 16 Đo đại lượng lực học 16.1 Khái niệm chung Các đại lượng lực học gồm có đo lực, ứng suất, áp suất momen có phạm vi đo rộng, từ phép đo tĩnh mà lực tác động đại lượng không đổi đến xung lực tác dụng với tốc độ cao Thực tế có lúc cần đo lực có trị số từ 10 ÷ 108N, có cần đo lực nhỏ 10 -5 ÷ 10-12N Khơng có thiết bị đo lực tồn dải đo từ 10 -12 ÷ 108N, nên người ta chia lực thành nhiều dải đo, dải đo sử dụng phương pháp thiết bị khác Đo lực, ứng suất áp suất dùng chuyển đổi khác với phương pháp khác nhau, thơng thường có phương pháp đo : Phương pháp đo trực tiếp phương pháp sử dụng chuyển đổi có đại lượng vào tương ứng với lực, ứng suất, áp suất cần đo Đại lượng biến thành tín hiệu điện, thông số mạch điện Mạch đo thị cho kết thông qua hệ dẫn truyền trung gian Phương pháp đo gián tiếp , sử dụng phần tử đàn hồi, hệ dẫn truyền biến lực, ứng suất, áp suất thành di chuyển Các chuyển đổi đo lượng di chuyển từ suy đại lượng cần đo Hai phương pháp sử dụng rộng rãi, tùy thuộc yêu cầu nhiệm vụ thực chúng Đo lực, ứng suất áp suất phần lớn đưa phép đo Δl Δl/l ∆l σ = l E l – chiều dài đối tượng đo Δl – độ biến thiên theo chiều dài σ – ứng suất học của vật liệu E – modun đàn hồi Mạch đo thường mạch cầu kết hợp với tầng khuếch đại chỉnh lưu Chỉ thị dụng cụ thị điện, tự ghi, điện tử dụng cụ số 16.2 Đo lực 16.2.1 Đo lực lực kế Khi đo lực chuyển đổi trực tiếp thường dùng phần tử điện áp áp từ Giới hạn đo dụng cụ phụ thuộc vào diện tích tác dụng chuyển đổi Ví dụ : ứng suất cho phép vật liệu áp từ σ không vượt σcp = 40N/mm2 Lực kế sử dụng phương pháp đo lực cách biến lực thành di chuyển đo di chuyển để xác định lực, thông qua chuyển đổi biến trở, điện cảm, điện dung, điện trở lực căng v.v Giới hạn đo loại lực kế phụ thuộc vào cấu trúc phần tử dẫn truyền, cách lắp ghép chúng Ví dụ lực kế dùng chuyển đổi biến trở, có sơ đồ hình 16-1 Hình 16-1 : Sơ đồ lực kế dùng chuyển đổi biến trở 210 Lực cần đo F tác động lên hai thép 2, hai gắn liền với khối Dưới tác dụng lực đo, mỏng bị biến dạng khối 3, di chuyển tương Trong trình di chuyển, khối gắn cần đẩy tay gạt làm trượt di chuyển biến trở dây Để tay gạt trở lại vị trí ban đầu khơng có lực tác dụng, tay gạt gắn lị xo đàn hồi Biến trở có 170 vịng, điện trở 500Ω, giới hạn đo khoảng 3kN Sai số dụng cụ ±3% Ưu điểm lực kế đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, độ tin cậy cao, khơng cần khuếch đại tín hiệu Nhược điểm dụng cụ không đo biến thiên nhanh tay gạt tác dụng lò xo thực với tần số khơng q 10 ÷ 20Hz Để đo lực tác động nhanh, dùng lực kế kiểu tenzo, điện cảm, điện dung, điện áp, áp từ Sơ đồ lực kế tenzo cho hình 16-2 Phần tử đàn hồi thép đặc dán điện trở tenzo Điện trở tenzo nối thành nhánh mạch cầu khơng cân Khi có lực tác động, phần tử đàn hồi bị biến dạng làm cho điện trở tenzo biến dạng theo Với lực biến thiên chậm, cầu cung cấp nguồn điện áp tần số 50Hz, thị thiết bị tự ghi Khi lực tác động nhanh, thị dao động kí Sơ đồ lực kế kiểu áp từ cho hình 16-3 Chuyển đổi áp từ (CĐ1) chuyển đổi làm việc, chịu lực tác động F, chuyển đổi áp từ (CĐ2) chuyển đổi phụ không chịu tác dụng lực, dùng để bù điện cảm ban đầu, bù yếu tố ảnh hưởng từ bên nhiệt độ, tần số nguồn cung cấp thay đổi Hai chuyển đổi mắc với điện trở thành mạch cầu Điện áp mạch cầu đo milivonmet thị đo điện áp Ưu điểm loại dụng cụ đo đo lực tác động lớn, thuận tiện đo trường, độ làm việc tin cậy, chắn Nhược điểm có độ trễ, độ xác khơng cao 16.2.2 Đo lực phương pháp bù Phương pháp đo nâng cao độ xác phép đo Sơ đồ lực kế kiểu bù cho hình 16-4 Hình 16-4 : Sơ đồ lực kế kiểu bù Hoạt động : Lực cần đo P tác động vào dẫn động truyền đến cánh tay đòn Đầu bên phải cánh tay đòn nối với phần ứng chuyển đổi hỗ cảm mắc kiểu vi sai Dưới tác động lực P phần ứng di chuyển làm xuất điện áp đầu biến áp Điện áp qua khuếch đại (KĐ) để khuếch đại tín hiệu, qua chỉnh lưu pha (CLP) Dòng điện sau chỉnh lưu chuyển đến cuộn dây chuyển đổi ngược kiểu cảm ứng đầu cánh tay đòn bên trái Dòng điện qua cuộn dây tạo lực đẩy F lên cánh tay đòn bù với lực cần đo P Mối quan hệ lực P dịng Ir thơng qua lực đẩy F F = kr.Ir = k.P ==> P = kr/k Ir 211 Đo dòng Ir ta suy lực cần đo P Chỉ thị khắc độ trực tiếp giá trị đo Sai số phép đo chủ yếu ma sát trục quay cánh tay đòn, tượng từ trễ chuyển đổi hỗ cảm Độ xác phép đo cao 0,05 ÷ 0,02% Tuy nhiên, phương pháp đo lực nhỏ, chuyển đổi điện từ ngược có trọng lượng 0,5kg đo lực tác dụng khoảng 2N Để đo lực khoảng 5-7N trọng lượng tăng đến ÷ 10kg 16.2.3 Lực kế thị số Để đo lực có độ xác cao, người ta thường dùng phương pháp tần số, tức biến đổi lực thành tần số, đo tần số suy giá trị lực cần đo Các chuyển đổi dùng đo lực theo phương pháp thường chuyển đổi điện cảm, chuyển đổi điện dung, kết hợp với máy phát tần số LC RC Hình 16-5 : Sơ đồ khối lực kế thị số Hoạt động : chuyển đổi điện cảm mắc kiểu vi sai (CĐ) cung cấp từ nguồn máy phát có tần số 40kHz Khi chưa có lực tác động vào chuyển đổi, tần số máy phát không thay đổi 40kHz Dưới tác dụng lực cần đo làm cho điện cảm chuyển đổi bị thay đổi làm cho máy phát có tần số tăng máy phát có tần số giảm Nhờ điều chế (ĐC) lọc, hiệu tần số máy phát tách ra, đưa đến nhân để nhân tín hiệu lên lần Tần số đưa đến tạo xung (TX) tạo thành xung vuông, xung đếm thị số suy tần số Chỉ thị khắc độ giá trị cần đo 16.3 Đo ứng suất biến dạng Đo ứng suất biến dạng thực chất một, đo Δl hay Δl/l Phép đo dùng loại chuyển đổi khác nhau, người ta thường dùng chuyển đổi điện trở lực căng Điện trở lực căng điện trở phía tẩm lớp cách điện mỏng dán dọc theo chiều biến dạng, tùy theo yêu cầu phép đo mà chọn vị trí, chiều đặt điện trở đối tượng đo để phản ánh biến dạng ứng suất ta muốn đo Ưu điểm chuyển đổi điện trở lực căng quán tính nhỏ, sử dụng dải tần rộng ÷ 100kHz Để đo biến dạng ứng suất cần thực số khâu ngun cơng sau : chọn vị trí đo, chuẩn bị bề mặt dán dán chuyển đổi Cụ thể nghiên cứu trạng thái ứng suất theo hướng đó, chuyển đổi dán theo hướng tác dụng ứng suất Lúc đo biến dạng chi tiết đo, ứng suất tính theo cơng thức : ε ε ε = R σ = Eε = E R k k k – hệ số độ nhạy tương đối εR – độ biến thiên tương đối điện trở chuyển đổi ε1 – độ biến thiên tương đối chiều dài tác dụng E – modun đàn hồi vật liệu 212 Ứng dụng chuyển đổi điện trở lực căng để đo lực uốn dầm chịu lực có biến dạng giống dầm cho hình vẽ Hình 16-6 : Đo lực uốn dùng chuyển đổi điện trở lực căng Khi có lực tác dụng, chuyển đổi RT nằm phía dầm chịu lực kéo, chuyển đổi R’ T nằm phía dầm chịu lực nén Trong trường hợp cầu cân bằng, điện áp đường chéo cầu có giá trị lớn gấp hai lần có chuyển đổi bị biến dạng có khả loại trừ sai số nhiệt độ môi trường Các chuyển đổi cần phải gắn chặt với đối tượng đo, chọn mạch đo, điện áp cung cấp thị kết Mạch đo dùng với chuyển đổi lực căng thường mạch cầu cân không cân Trong phép đo biến dạng tĩnh, yêu cầu độ xác cao thường dùng cầu cân hay cầu tự động cân Trong phép đo biến dạng động, độ xác yêu cầu không cao, mạch đo thường mạch cầu không cân bằng, điện áp đường chéo cầu tỉ lệ với độ biến dạng cần đo Nếu điện áp nhỏ, kết hợp với mạch cầu KĐ để tăng tín hiệu lên Ưu điểm phương pháp đo biến dạng, ứng suất dùng chuyển đổi điện trở lực căng, đo biến dạng tĩnh biến dạng động, chế tạo đơn giản, dễ hiệu chỉnh, bị nhiễu điện từ trường bên tác động Sơ đồ khối thiết bị đo biến dạng cho sơ đồ sau Hình 16-7 : Sơ đồ khối thiết bị đo biến dạng Cầu C cung cấp điện áp xoay chiều từ máy phát tần số chuẩn (MF) Tín hiệu mạch cầu đưa vào khuếch đại (KĐ) để tăng độ lớn, tín hiệu tiếp tục đưa đến chỉnh lưu nhạy pha (CL) qua lọc (L) đến thị (CT) Mạch khuếch đại máy phát tần số cung cấp nguồn N Để kiểm tra độ nhạy cầu cân , dùng thiết bị kiểm tra (KT) thiết bị cân (CB) Để đo biến dạng tĩnh, cân thường dùng mạch cầu tự động Một thiết bị cân tự động cho hình 16-8 Hai điện trở lực căng R1 R2 mắc vào nhánh cầu cân R điện trở làm việc R2 (R1 = R2) điện trở hiệu chỉnh nhiệt độ Hiệu chỉnh độ nhạy cầu điện trở Rhc , cân pha điện trở R 213 Hình 16-8 : Sơ đồ thiết bị cân tự động đo biến dạng Khi thiết bị làm việc, điện áp từ mạch cầu đưa vào khuếch đại (KĐ) chỉnh lưu (CL), sau đưa vào động thuận nghịch (Đ) Khi động quay kéo trượt biến trở R t đến cầu cân vị trí dừng lại Thiết bị có giới hạn đo 10 -2 đơn vị biến dạng tương đối làm việc với điện trở lực căng có trị số 70 ÷ 400Ω, độ nhạy k = 1,8 ÷ 2,25 16.4 Đo momen Một phương pháp hay sử dụng để đo momen phương pháp đo không tiếp xúc Minh họa thiết bị đo dùng momen cho hình 16-9a Hình 16-9a: Chuyển đổi cảm ứng đo tốc độ momen xoắn Trên trục cần đo momen xoắn gắn đĩa sắt từ có bánh Hai đĩa nối với chịu xoắn tốt có số xoắn biết trước Khi chịu lực xoắn đĩa lệch góc, đo góc lệch suy momen cần đo Để đo góc lệch người ta đo góc pha tín hiệu chuyển đổi cảm ứng Cấu tạo chuyển đổi cảm ứng sử dụng đo momen xoắn cho hình vẽ Chuyển đổi gồm có gông từ nam châm vĩnh cửu 2, đường sức từ vịng qua đĩa Khi gơng từ nằm đối diện với đĩa, khe hở mạch từ nhỏ Khi bánh quay, khe hở khơng khí tăng lên, từ thơng Φ móc vịng qua cuộn dây thay đổi sinh sức điện động cảm ứng với tần số f 214 f = n.a/60 Hình 16-9b: Chuyển đổi cảm ứng đo tốc độ momen xoắn Khi chưa có momen xoắn, hai đĩa đặt song song với nhau, sức điện động cảm ứng e e2 trùng pha Khi bị xoắn, đĩa lệch góc sức điện động cảm ứng e e2 lệch góc tỉ lệ với momen xoắn α ϕ= a với α – góc lệch đĩa 2π α = k.M Suy : M = K.φ Đo momen xoắn khắc độ theo góc pha φ Ưu điểm thiết bị không bị nhiễu, sai số phụ thuộc vào đàn hồi đầu nối chúng giảm 0,1 ÷ 0,2% Ngồi cịn có phương pháp đo momen khơng tiếp xúc điện trở lực căng, hình 16-10 Hình 16-10 : Thiết bị tần số - tương tự để đo momen Bốn điện trở dán lên trục cần đo, tạo thành mạch cầu nhánh (M) Mạch cầu cung cấp từ biến áp (BA), cuộn dây sơ cấp cố định, cuộn thứ cấp quay theo trục Điện áp xoay chiều cảu biến áp đưa đến chỉnh lưu (CL) để tạo thành dòng chiều cung cấp cho mạch cầu Biến áp (BA) lại cung cấp từ nguồn chiều qua biến đổi (BĐ) để biến thành xoay chiều Điện áp mạch cầu (U β) nhờ biến đổi áp tần (U β/fM) biến thành tần số khoảng ÷ 15kHz Tần số f đưa ngồi nhơ cổ góp K để KĐ qua biến đổi ngược biến tần số thành điện áp (fM/UM) Chỉ thị cho ta biết momen quay cần đo M Thiết bị đo có dải đo từ 10N.m ÷ 50kN.m, tần số dao động khơng q 8kHz dải đo từ ÷ 2kHz 215 Ngồi đo momen quay, thiết bị cịn đo tần số quay cách sử dụng chuyển đổi cảm ứng với quay theo trục hình vẽ Mỗi vịng quay chuyển đổi tạo 30 xung, độ di chuyển tương π/2 16.5 Đo áp suất Cũng đo lực, phương pháp đo áp suất theo hướng Đo áp suất chuyển đổi phản ánh trực tiếp đại lượng đo chuyển đổi áp điện, áp từ điện trở lực căng Hướng thứ biến áp suất thành di chuyển, đo độ di chuyển suy áp suất Phương pháp thường dùng chuyển đổi điện dung, điện cảm điện trở lực căng v.v Thực theo hướng yêu cầu cụ thể điều kiện đo thực tế Các dụng cụ dùng đo áp suất gọi áp kế 16.5.1 Áp kế điện trở lực căng Sơ đồ áp kế cho hình 16-11 Hình 16-11 : Sơ đồ áp kế điện trở lực căng Thiết bị gồm ống thép trịn rỗng, bề mặt ống có dán điện trở lực căng R T RK mắc với điện trở R tạo thành mạch cầu Khi có áp suất P x cần đo, bề mặt ống bị biến dạng Độ biến dạng biểu thức tính : P r εl = x E.h Px – áp suất đo r, h – đường kính chiều dày thành ống E – modun đàn hồi thép Độ biến dạng εl phản ánh nhờ điện trở lực căng RT , điện trở RK dán dọc ống dùng để bù nhiệt độ Khi điện áp cung cấp cho mạch cầu không đổi, điện áp đầu mạch cầu ΔU tỉ lệ với áp suất đo Để tăng tín hiệu người ta mắc thêm KĐ, miliampemet khắc độ giá trị áp suất cần đo Dải đo áp suất thiết bị 5.10 ÷ 107 bar Do qn tính nhỏ nên thiết bị dùng đo áp suất biến thiên nhanh tín hiệu ghi dao động kí khí quan sát dao động kí điện tử 16.5.2 Chuyển đổi áp điện đo áp suất Phần tử áp điện có ưu điểm đo áp suất biến thiên nhanh, dùng đo áp suất xi lanh động đốt Cấu tạo hoạt động : sơ đồ chuyển đổi cho hình 16-12 Đầu chuyển đổi có màng mỏng để nhận trực tiếp áp suất xi lanh Tần số riêng màng chọn thích hợp với tốc độ biến thiên áp suất Áp suất truyền qua đệm kim loại đến phần tử áp điện 3, phía phần tử áp điện điện tích lấy từ cực vỏ chuyển đổi 216 Hình 16-12 : Sơ đồ chuyển đổi áp điện đo áp suất Độ nhạy thạch anh không đổi nhiệt độ 200 oC nhiệt độ xi lanh lớn nhiều, nên cần thêm sơ mi tỏa nhiệt lỗ 5, 6, để dẫn nước chảy qua Điện trở chuyển đổi lớn 1013Ω nên yêu cầu điện trở cách điện dây dẫn điện trở vào khuếch đại phải lớn Với dải tần tương đối rộng, tốc độ biến thiên áp suất xi lanh lớn, phải dùng đầu rung dao động kí có tần số riêng cao độ nhạy lại thấp, yêu cầu hệ số khuếch đại phải lớn để đo áp suất từ ÷ 15MN/m2 16.5.3 Áp kế màng Trong thiết bị này, áp suất biến thành di chuyển, đo di chuyển suy áp suất Hình 16-13 : Sơ đồ áp kế màng Hoạt động : Áp suất cần đo P tác động lên màng qua phận dẫn truyền đẩy lò xo phẳng di chuyển Độ uốn lò xo tỉ lệ với áp suất P Ở hai phía lò xo người ta dán hai điện trở lực căng Khi lò xo bị uốn chuyển đổi chịu lực kéo, chuyển đổi chịu lực nén Thiết bị đo áp suất khoảng 0,1 ÷ 0,6 MN/m Sai số tương đối quy đổi ±1,5% làm việc với loại điện trở lực căng 16.5.4 Thiết bị cân đo áp suất dùng chuyển đổi điện dung Thiết bị sử dụng điện dung C1 C2 làm nhánh cầu, với điện trở R1 R2 tạo thành mạch cầu Sơ đồ thiết bị cho hình 16-14 Cấu tạo hoạt động : Trên phần động chuyển đổi điện dung, đặt điện áp chiều U Khi phần động vị trí lực F F2 tác dụng lên với trị số nhau, mạch cầu trạng thái cân 217 Hình 16-14 : Sơ đồ thiết bị đo áp suất phương pháp cân Khi có áp suất cần đo P tác dụng lên phần động làm di chuyển, cầu cân bằng, điện áp lấy ta từ đường chéo cầu đưa vào khuếch đại (KĐ) hai chỉnh lưu (CL1) (CL2) lọc (L) Điện áp chiều U0 + U1 U0 – U2 đặt lên phần động 1, lúc phần động chịu lực tác dụng 2 εs  U + U   U − U    −   F = F1 − F2 =   δ + ∆x   δ − ∆x     Trong : ε – số điện môi s – tiết diện cực δ0 – khe hở cực Δx – lượng di chuyển cực động, Δx