giáo trình đo lường

giáo trình đo lường

http://www.ebook.edu.vn Phần1 Lý thuyết cơ bản đo lờng vô tuyến điện Chơng 1 Các khái niệm cơ bản 1.1. Khái niệm cơ bản về phép đo và phơng tiện đo 1.1.1. Đại lợng vật lý và phép đo Đại lợng vật lý: l thuộc tính của một hiện tợng, vật thể hoặc chất có thể phân biệt đợc về mặt định tính v xác định về mặt định lợng. Đại lợng đo: l đại lợng vật lý m giá trị của chúng cần xác định bằng phép đo. Đại lợng vật lý đợc đánh giá bằng số ghi kèm đơn vị. Đại lợng vật lý v phép đo l những khái niệm chủ yếu trong đo lờng: - Đại lợng vật lý l đối tợng của phép đo. - Phép đo sử dụng để xác định giá trị của đại lợng vật lý. *Phép đo: l tập hợp các thao tác để xác định giá trị của các đại lợng theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6165 năm 1996. * Phân loại phép đo: - Phép đo trực tiếp; - Phép đo gián tiếp; - Phép đo tơng quan. 1.1.2. Phơng tiện và đặc tính cơ bản của chúng. a. Phơng tiện đo - Phơng tiện đo: l thiết bị dùng độc lập hoặc cùng với các thiết bị phụ trợ để thực hiện phép đo. - Phân loại phơng tiện đo: + Phơng tiện đo đơn giản: Mẫu đo, thiết bị so sánh, chuyển đổi đo lờng. + Phơng tiện đo phức tạp: Dụng cụ đo (máy đo), thiết bị đo tổng hợp, hệ thống thông tin đo lờng. b. Các đặc tính cơ bản của phơng tiện đo - Hm biến đổi của phơng tiện đo + Định nghĩa: Tơng quan hm số giữa đại lợng đầu ra v đại lợng đầu vo: Y= f(X) + Các dạng hm biến đổi: * Biểu thức toán học * Đồ thị * Bảng giá trị http://www.ebook.edu.vn + Các yêu cầu với hm biến đổi: . Đơn vị . Tuyến tính hoặc phi thuyến + Hai loại hm biến đổi của phơng tiện đo (độ lệch của hai hm biến đổi ny đặc trng cho độ chính xác của phơng tiện đo). . Hm biến đổi danh định . Hm biến đổi thực tế - Độ nhạy của dụng cụ đo + Định nghĩa: độ nhạy của dụng cụ đo l tỷ số giữa biến thiên của tín hiệu ra với biến thiên của tín hiệu vo của phơng tiện đo. S = Y X hoặc chính xác hơn S = dy dx + Độ nhạy cng lớn thì phơng tiện đo cng có khả năng phát hiện đợc những biến đổi nhỏ của đại lợng đo. + Phân loại: * Độ nhạy tuyệt đối. * Độ nhạy tơng đối (thờng dùng) l tỷ số biến thiên đại lợng ra với biến thiên tơng đối của đại lợng vo: S = Y X - Phạm vi đo v phạm vi chỉ thị: + Phạm vi đo : phạm vi thang đo gồm những giá trị m sai số cho phép của phơng tiện đo đối với các giá trị đo đã đợc quy định. + Phạm vi chỉ thị: phạm vi chỉ thị l phạm vi thang đo giới hạn bởi giá trị đầu v giá trị cuối của thang đo. - Cấp chính xác của phơng tiện đo. + Định nghĩa: đặc tính tổng quát của phơng tiện đo xác định giới hạn sai số cơ bản v sai số phụ cho phép cũng nh các tính chất khác của phơng tiện đo có ảnh hởng đến cấp chính xác. + Cơ sở quy định v kí hiệu cấp chính xác của phơng tiện đo l độ lớn của sai số cơ bản cho phép đo v hình thức biểu hiện sai số đo. c. Phơng pháp đo và phân loại phơng tiện đo - Định nghĩa: phơng pháp đo l trình tự logic của các thao tác đợc mô tả một cách tổng quát để thực hiện phép đo. - Phân loại phơng tiện đo: + Phơng pháp đánh giá trực tiếp: giá trị của đại lợng đo đợc xác định trực tiếp theo chỉ thị của dụng cụ đo. * Đặc điểm của phơng pháp đo trực tiếp l đơn giản, đo nhanh, độ chính xác không cao. Ví dụ: đo điện áp bằng Vôn kế http://www.ebook.edu.vn + Phơng pháp so sánh: đại lợng cần đo đợc so sánh với đại lợng mẫu cùng loại. * Đặc điểm của phơng pháp so sánh l phức tạp, đo mất nhiều thời gian hơn, độ chính xác cao. * Phân loại các phơng pháp so sánh Phơng pháp vi sai l đại lợng cần đo so sánh với đại lợng mẫu cùng loại, sau đó đo hiệu giữa hai đại lợng đo. Phơng pháp chỉ thị 0 l đại lợng cần đo đợc so sánh với đại lợng mẫu cùng loại, sau đó điều chỉnh sao cho hiệu giữa hai đại lợng đó bằng 0 Phơng pháp thế l đại lợng cần đo đợc thay thế bằng đại lợng cùng loại. 1.2. Một số khái niệm chung 1.2.1. Các thông số của tín hiệu vô tuyến điện - Các thông số về cờng độ: dòng điện, điện áp, công suất; - Dạng tín hiệu: dạng tín hiệu điều ho, dạng tín hiệu xung; - Các thông số về thời gian của tín hiệu: tần số, chu kỳ, góc lệch pha giữa hai tín hiệu.v.v - Độ méo phi tuyến của tín hiệu; - Hệ số điều chế của tín hiệu điều chế (điều biên, điều pha, điều tần, điều chế tín hiệu số); 1.2.2. Các thông số của mạch vô tuyến điện - Thông số của các linh kiện tuyến tính v phi tuyến trong các mạch điện có tham số tập trung: + Điện trở + Điện dung + Điện cảm + Hỗ cảm + Thông số của các linh kiện điện tử, bán dẫn, vi mạch - Thông số các linh kiện tuyến tính v phi tuyến trong các mạch điện có tham số phân bố: + Chiều di bớc sóng + Trở kháng + v.v 1.3. Sai số và sử lý sai số trong đo lờng 1.3.1. Mở đầu: Không có linh kiện hoặc dụng cụ điện tử no hon to n chính xác; tất cả đều có một sai số hoặc độ không chính xác no đó. Điều quan trọng l cần hiểu rõ những sai số đó v chúng kết hợp với nhau nh thế no để tạo ra sai số lớn hơn http://www.ebook.edu.vn trong các hệ thống đo. Mặc dù trong một số trờng hợp, các sai số có thể triệt tiêu lẫn nhau gần nh hon ton, song luôn phải giả định những tổ hợp sai số lớn nhất. Ngoi sai số do thiết bị đo, thì không thể tránh khỏi một sai số no đó do ngời điều khiển hoặc ngời quan sát đọc kết quả gây ra. Cũng nh vậy, ngay khi các sai số của thiết bị l rất nhỏ, song hệ thống sử dụng dụng cụ vẫn có thể gây ra một sai số hệ thống. Sai số có nguồn gốc không thể giải thích đợc đợc gọi l sai số ngẫu nhiên. Chỗ no cần độ chính xác cực cao thì có thể giảm đến mức tối thiểu các sai số bằng cách đo nhiều lần bằng dụng cụ đo v xác định trị số trung bình. Khi tiến hnh một phép đo bất kỳ ít nhiều đều phạm phải sai số, các nguyên nhân gây sai số gồm nhiều loại xong có thể quy ra hai loại tổng quát nh sau: a. Sai số do khách quan - Do nguồn điện áp cung cấp cho máy thay đổi đột biến . - Do ảnh hởng của sấm, chớp hoặc trên vũ trụ sinh ra tia lửa điện gây can nhiễu cho các phép đo. - Do những nguyên nhân tự biến đổi bất thờng không có tính quy luật (nguyên nhân ngẫu nhiên) khi thực hiện phép đo ta không lờng trớc đợc. - Để hạn chế các sai số do nguyên nhân khách quan gây nên thì quá trình đo phải tiến hnh đo đi đo lại nhiều lần rồi dùng lý thuyết xác suất để tìm ra khoảng trống m từ đó tính ra trị số của đại lợng cần đo. b. Sai số do chủ quan - Do các yếu tố thờng xuyên hay các yếu tố có tính quy luật tác động đến phép đo lm cho kết quả phép đo có sai số lớn hơn hoặc nhỏ hơn trị số thực của đại lợng cần đo. - Ví dụ: Dụng cụ đo không đợc quy chuẩn trớc khi đo; cấp máy đo không chính xác; phơng pháp đo không hợp lý; quá trình sử lý kết quả đo đã tự ý bỏ qua một số yếu tố phụ (nh lấy tròn số); do khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm) của môi trờng, thực hiện phép đo không đúng môi trờng tiêu chuẩn theo quy định của máy. Tóm lại: nói về đặc điểm nguyên nhân chủ quan l tạo nên sai số có tính hệ thống (quy luật) cho nên kết quả của phép đo ngời ta chỉ việc cộng vo ( hoặc trừ đi) một lợng sai lệch no đó. c. Cách khắc phục và hạn chế sai số - Dùng bộ ổn áp để ổn định nguồn cung cấp cho máy đo. - Thực hiện các phép đo trong phòng có bọc kim v đợc nối đất. - Chọn máy đo có độ chính xác cao v quy chuẩn trớc khi đo. - Chọn phơng pháp đo phù hợp. 1.3.2. Các khái niệm về sai số đo a. Sai số tuyệt đối http://www.ebook.edu.vn Định nghĩa: l trị số tuyệt đối giữa đại lợng đo đợc với giá trị thực của đại lợng cần đo. Công thức: x aX= Trong đó: a l giá trị đo đợc, X l giá trị thực. Để xác định đợc x thì phải biết a v X. Trong thực tế X l đại lợng cha biết cho nên phải dùng biện pháp nh dùng máy đo có độ chính xác cao, chọn phơng pháp đo thích hợp, thực hiện nhiều lần đo. Từ đó tìm ra x max đem so sánh với x m x < x max thì lấy x l sai số tuyệt đối. Ví dụ: Nếu biết điện trở 100 v nó có sai số 10 thì 10 l sai số tuyệt đối. b. Sai số tơng đối Định nghĩa: l tỷ số giữa sai số tuyệt đối v trị số thực của đại lợng cần đo. Công thức: x x X = 100%. Trong đó: x l sai số tuyệt đối, X l giá trị thực của đại lợng cần đo. Trong thực tế X cha xác định đợc, nếu x << X có thể coi X a thì có công thức mới l: x x a = 100% . Đây l sai số tơng đối danh định. Ví dụ 1: Một điện trở 100 , sai số 10% thì sai số tơng đối của điện trở l 10%. Nh vậy điện trở đó có thể ghi nh sau: 100 1/10 hoặc 100 10%. Ví dụ 2: Khi một điện áp đợc đo 100V bằng cách sử dụng dụng cụ biết đợc sai số 1% thì phép đo điện áp thờng đợc nói chính xác tới 1%, nghĩa l có sai số khả dĩ 1% trong 100V đo đợc. Một biểu thị sai số khác l theo phần triệu (PPM; ppm) của đại lợng ton phần. Ví dụ, hệ số nhiệt độ của một điện trở có thể đợc nói nh 100 phần triệu trên độ bách phân, thờng đợc viết 100 ppm/ 0 C. Giả sử có điện trở 1M , một phần triệu của 1M l 1 ; do đó, 100ppm của 1M l 100 . Do vậy điện trở 1M với hệ số nhiệt độ 100 ppm/ 0 C sẽ tăng hoặc giảm điện trở 100 khi nhiệt độ thay đổi 1 0 C. c. Sai số tơng đối triết hợp Định nghĩa: l một dạng của sai số tơng đối v nó đợc dùng để đánh giá cấp chính xác của các loại đồng hồ chỉ thị bằng kim. Công thức: x x A = . Trong đó : A l giới hạn cực đại của thang đo đồng hồ (máy đo) Từ khái niệm về sai số tơng đối v sai số tơng đối triết hợp nhận thấy: + Nếu chia thang đo của đồng hồ (hoặc băng tần của các loại máy) cng hẹp thì sai số tơng đối trong từng băng cng đồng đều. + Khi chọn thang đo bao giờ cũng phải chọn sao cho trị số cực đại của thang bằng 2 lần trị số cực đại của đại lợng cần đo để kim đồng hồ chỉ thị ở giữa mặt độ số. * ý nghĩa của các sai số - Sai số tuyệt đối: để đánh giá độ chính xác của phép đo. http://www.ebook.edu.vn - Sai số tơng đối: dùng để so sánh độ chính xác giữa các phép đo với nhau. d. Sai số quan sát Sai số quan sát đợc hiểu đơn giản nhất l đọc sai giá trị kim chỉ chính xác trên một dụng cụ đo độ lệch. Ngay kể cả khi có mặt thang bằng gơng v kim lỡi dao thì hai ngời quan sát vẫn có thể không nhất trí về vị trí chính xác của kim. Sai số quan sát nghiêm trọng hơn có thể xuất hiện khi ngời dùng máy đo lại đọc vị trí của kim trên một thang đo sai đối với dụng cụ nhiều thang đo. Đôi khi một máy đo đã đợc đọc đúng, song số đọc lại ghi sai, hoặc ghi vo cột sai. Bất kỳ ai vo lúc no đó cũng phạm những sai lầm nh vậy. Rõ rng, chỉ có thể tránh đợc những sai số đó khi sử dụng v đọc cẩn thận mọi dụng cụ đo v để ý xem mỗi số đọc có ý nghĩa hay không. e. Độ chính xác, độ rõ và độ phân giải Giả sử một Ampe với sai số 1% ton thang đo chỉ chính xác 1A của ton thang đo. Giá trị thực của dòng đo đợc nằm đâu đó giữa 1A 1% v 1A +1% nghĩa l giữa 0,99 A v 1,01 A. Nh vậy độ chính xác (accyracy) 1% của phép đo cho biết số đo gần với giá trị thực tới mức no. Độ rõ (percision) l khái niệm hơi khác xo với độ chính xác mặc dù độ chính xác v độ rõ có liên quan với nhau. Khi một dụng cụ có thang đo gơng v kim lỡi dao thì vị trí của kim có thể đợc đọc rất rõ (percision). Ví dụ, trên thang đo 10V vị trí kim có thể đọc đợc trong khoảng một phần t vạch chia nhỏ nhất của thang đo. ở khoảng đo 10V vạch chia nhỏ nhất của thang đo biểu thị 0,2V, do vậy trong trờng hợp ny điện áp có thể đọc đợc trong khoảng 0,2V/4 ( hoặc 0,05V). Giá trị (0,05V) đó đợc coi l độ rõ của phép đo; tuy nhiên nó không tính tới độ chính xác của dụng cụ. Giả sử Vôn kế có độ chính xác danh nghĩa 2%, khi đó nếu hiệu điện thế 10V đợc đọc độ rõ 0,05V thì phép đo vẫn chỉ chính xác tới 2% của 10V, tức l tới 0,2V. Các dụng cụ đo đã xem xét ở trên nếu trong một khoảng thời gian no đó không đợc hiệu chỉnh thì độ chính xác của nó có thể xấu hơn 2% danh nghĩa. Mặt khác, trớc khi sử dụng m không điều chỉnh mức 0 chính xác thì có thể sai số còn lớn hơn, mặc dù vị trí kim của nó vẫn có thể đợc đọc rõ nh trớc. Rõ rng con số đọc rõ của đại lợng không đúng thì ít có giá trị. Ta thấy rằng phép đo rõ có thể không phải bao giờ cũng l những phép đo chính xác, mặc dù độ rõ l cần thiết cho độ chính xác. Độ phân giải có liên quan đến độ rõ, v do vậy nó cũng liên quan đến độ chính xác. Trong trờng hợp thang đo 10V của dụng cụ đo có thể đọc rõ tới 0,05V thì có thể nói rằng độ phân giải của thang đo l 0,05V. Một cách diễn đạt tơng tự l nói rằng có thể quan sát đợc mức thay đổi 0,05V của điện áp. Nếu đúng nh vậy thì có thể nói rằng Vôn kế nhạy với mức thay đổi 0,05 của điện áp, mặc dù độ nhạy của Vôn kế l khái niệm khác (độ nhạy của Vôn kế l đại lợng nghịch đảo của dòng điện ton thang đo). f. Sai số hệ thống http://www.ebook.edu.vn Các sai số do hệ thống đo đang sử dụng, hoặc do độ không chính xác của dụng cụ, đợc gọi l sai số hệ thống. Ví dụ, khi dùng Vôn kế đo điện áp giữa hai điểm trong một mạch thì tác dụng hiệu ứng phân tải của Vôn kế có thể lm thay đổi điện áp. Đó l sai số hệ thống, tơng tự nh khi đo dòng điện trong mạch thì điện trở của Ampe kế có thể lm thay đổi dòng điện trong mạch đo v do vậy nó gây nên một sai số hệ thống. Sai số do độ chính xác danh nghĩa của dụng cụ cũng l sai số hệ thống, cũng giống nh hiệu chỉnh không chính xác hoặc do điều chỉnh mức 0 cẩu thả trớc khi đo. Những sai số hệ thống phụ có thể xuất phát từ độ không chính xác của dụng cụ khi nhiệt độ quá cao, độ ẩm quá lớn, v những điện, từ trờng tạp tán gây nên. Rõ rng, trong các phép đo không thể tránh khỏi một sai số hệ thống. Những sai số khác có thể giảm tối thiểu bằng cách sử dụng cẩn thận dụng cụ v những biện pháp phòng ngừa nh dùng Vôn kế có điện trở cao ở những phép đo m có thể xuất hiện hiệu ứng gây tải của Vôn kế. ở chỗ no thực hiện nhiều phép đo, hoặc ở chỗ no cần dùng nhiều dụng cụ đo thì các sai số do độ không chính xác của dụng cụ có xu hớng tích tụ lại. Khi đó sai số ton bộ của phép đo thờng lớn hơn sai số bất kỳ dụng cụ no. Khi ớc tính sai số do nhiều nguồn thì luôn luôn phải giả định rằng các sai số kết hợp với nhau theo cách khả dĩ bất lợi nhất. g. Sai số ngẫu nhiên Sai số ngẫu nhiên l kết quả của những biến cố ngẫu nhiên hoặc bất ngờ. Chúng có thể l sai số do con ngời mệt mỏi gây ra, chúng có thể xuất hiện do những tình huống nh điện áp nuôi tăng vọt, hoặc tần số thay đổi. Khi no có phép đo rất quan trọng thì hầu nh có thể loại bỏ đợc hon ton các sai số ngẫu nhiên bằng cách lấy nhiều số v tìm trị số trung bình. Khi xác định trị số trung bình của một số lớn lần đọc thì đôi khi ta thấy một hoặc hai số đo khác với giá trị trung bình một lợng lớn hơn nhiều so với những số đo khác. Trong trờng hợp đó có thể giả thiết rằng vi số đọc đó do nhầm chứ không phải l sai số ngẫu nhiên. Có thể bỏ những số đọc nhầm đó đi v tính trung bình từ các số đo khác. Ta chỉ có thể lm nh vậy khi no có một vi số đọc có vẻ sai số lớn hơn nhiều so với số đo khác. Khi no có nhiều số đo khác xa với trị số trung bình thì có lẽ l điều kiện thí nghiệm, hoặc điều kiện đo không thoả đáng v phải đo lại ton bộ cả chuỗi những số đó. Khi tính trị số trung bình của một số lớn các số đo thì phải áp dụng các phơng pháp thống kê để xác định sai số xác suất trong kết quả. Tuy nhiên, ngay khi đã lm nh vậy v xác định đợc sai số xác suất rất nhỏ thì hệ thống sai số vẫn không thay đổi. Sai số hệ thống (hoặc sai số khả dĩ cực đại) ở kết quả vẫn phụ thuộc vo hệ thống đo đang sử dụng. http://www.ebook.edu.vn Chơng 2 Cơ sơ kỹ thuật đo lờng 2.1. Giới thiệu chung a, Yêu cầu với kỹ thuật đo lờng hiện đại - Số đại lợng đo tăng nhanh: máy đo phải có nhiều đầu vo. - Đo đợc nhiều đại lợng đồng thời: cho phép nhiều tín hiệu vo cùng một lúc. - Thông tin đo v cần sử lý lớn: có thể kết hợp với máy vi tính hoặc lu trữ dữ liệu bằng thẻ nhớ. - Khả năng lu trữ v truyền tải đi xa: lu trữ kết quả các phép đo phục vụ cho việc sử lý các phép đo từ xa có liên quan. b, u điểm của kỹ thuật đo lờng số - Độ chính xác cao: sai số ít hơn, phạm vi đọc sau đơn vị thứ nguyên đến hng triệu. Ví dụ, khi đo điện áp chỉ thị 3,201347892V - Độ nhạy lớn: trở kháng vo rất lớn, có thể đạt Rv = . - Không có sai số do ngời đo: kết quả đo hiện số nên không có sai số do đọc. Ví dụ, 220,97V; 100,82 ; v.v - Tốc độ nhanh: sử dụng các bộ đếm có tốc độ cao. - Tự động hoá hon ton quá trình đo: sử dụng công nghệ tự động hoá. - Kết quả đo dạng số phù hợp với truyền đi xa, lu trữ v sử lý tiếp. 2.2. Những khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đo lờng số 2.2.1. Hệ đếm và mã dùng trong kỹ thuật đo lờng số. - Hệ đếm l tập hợp các kí hiệu ở dạng chữ số để biểu diễn thông tin số lợng. - Phân loại: + Hệ đếm không vị trí: trị số của tín hiệu không phụ thuộc vo vị trí. + Hệ đếm vị trí: trị số của kí hiệu phụ thuộc vo vị trí của nó. - Hệ đếm thờng dùng: + Hệ đếm 1(1) không vị trí; ví dụ: số 5N(1) =11111 + Hệ đếm 2 (0 v1) vị trí + Hệ đếm 10 (0,1,2,9) vị trí - Biểu diễn một số N bất kỳ trong hệ đếm h nh sau: 1201 11 1 . . . . . m mm i mm i Nah a h ah ah = =+ ++= Trong đó: h l hệ đếm; i l thứ tự hng; m l thứ tự hng lớn nhất; a i nhận các thứ tự từ 0 đến (h-1); http://www.ebook.edu.vn - Mã l lợng thông tin đợc biểu diễn trong một hệ đếm theo một quy luật nhất định. - Các mã thờng dùng trong kỹ thuật đo lờng số: + Mã 1 + Mã 2 + Mã 10 + Mã 2-10 + Mã Grey Bảng mã 2, mã 10 v mã Grey Mã 10 Mã 2 Mã Grey 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 0110 5 0101 0111 6 0110 0101 7 0111 0100 8 1000 1100 9 1001 1101 2.2.2. Máy đo lờng số và quá trình số hoá - Khái niệm: máy đo lờng số l máy đo tự động đa ra các tín hiệu rời rạc thông tin đo lờng v giá trị của thông tin đo lờng đợc biểu diễn dới dạng số. - Quá trình số hoá thông tin đo lờng bao gồm: + Rời rạc hoá: biến đổi thông tin liên tục thnh đại lợng rời rạc. + Mã hoá: biến đổi đại lợng rời rạc dới dạng mã. - Quá trình rời rạc hoá + Lợng tử hoá theo giá trị (hình 2.1) Đại lợng liên tục X(t) đợc thay thế bởi dãy các giá trị cách nhau một bớc lợng tử Xn = n. k (n = 1,2, ). http://www.ebook.edu.vn Hình 2.1 Quá trình lợng tử hoá theo giá trị + Rời rạc hoá theo thời gian (hình 2.2) Hình 2.2 Quá trình rời rạc hoá theo thời gian Đại lợng liên tục X(t) bằng một dãy các giá trị X 1 , X 2 , X 3 , X n tơng ứng với các thời gian nhất định cách nhau một bớc gián đoạn t i = t i t i-1 . 2.2.3. Sai số của máy đo lờng số - Sai số của máy đo lờng số phụ thuộc vo các yếu tố sau: + Sai số của các bộ phận. + Mối liện hệ giữa các bộ phận. - Sai số đặc trng cho máy đo lờng số l sai số lợng tử gây ra trong quá trình rời rạc lm mất thông tin. - Sai số lợng tử bao gồm: + Sai số khi lợng tử hoá theo giá trị. + Sai số khi lợng tử hoá một khoảng thời gian.