Đang tải... (xem toàn văn)
TÀI LIỆU KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Bài 1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG. CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG THÔNG DỤNG 1.1 Lý luận chung về đo lường 1.1.1 Định nghĩa Định nghĩa đo lường rất quan trọng vì nó thể hiện quan điểm đối với kỹ thuật đo lường. Nó là tiền đề cơ bản cho mọi lý luận về thiết bị đo và hệ thống thông tin đo lường. Do đó ta có thể thống nhất về định nghĩa đo lường như sau: 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. Khái niệm về đánh giá định lượng ở đây có thể hiểu rất hẹp như phép đo biến đổi thẳng nhưng cũng có thể hiểu là quá trình thu thập và biến đổi tin tức hoặc quá trình ước lượng và đánh giá ước lượng của các quá trình ngẫu nhiên, kết quả đánh giá là một con số so với đơn vị thể hiện quá trình lượng tử hoá và mã hoá ra kết quả bằng số và một phép so với đơn vị. Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là: Biến đổi tín hiệu và tin tức So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị Vậy quá trình đo có thể viết dới dạng: Ax = XXo Trong đó: Ax : Là kết quả của đại lượng cần đo X : Đại lượng cần đo Xo : Đơn vị 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 gọi là Đo lường học Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áo dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là Kỹ thuật đo lường Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo 1.1.2 Phân loại phép đo Để thực hiện một phép đo người ta có thể thực hiện nhiều cách khác nhau. Ta có thể phân ra như sau: a. Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất. CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 2 Cách đo này nhận được kết quả ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết quả đo. Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét. Chúng ta thấy thực tế các phép đo đều sử dụng phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này. b. Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phố hợp kết quả của nhiều phép đo trự tiếp. Ví dụ: Đo điện trở dùng Vôn mét và ampe mét, sau đó ta tính ra điện trở. Cách đo này gặp phải sai số là tổng sai số của các phép đo. c. Đo hợp bộ: Cách đo mà kết quả đo sẽ được đưa ra cùng một lúc với nhau khi giải hệ phương trình. d. Đo thống kê Là cách đo mà ta đo nhiều lần sau đó lấy trung bình. Thực hiện khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo 1. 2 Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường Trong kỹ thuật đo lường chứa đựng các đặc trưng sau đây: đại lượng đo, điều kiện đo, phương pháp đo, thiết bị đo, người quan sát hoặc các thiết bị thu nhận kết quả đo. Các đặc trưng này là những yếu tố cần thiết không thê thiếu được của kỹ thuật đo lường. 1.2.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo) Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo. Theo tính chất thay đổi của đại lượng có thể chia ra: Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi theo thời gian của chúng, nhưng một hoặc nhiều thông số chưa biết, ví dụ : cần đo độ lớn( biên độ) Đại lượng đo thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vuông. Các thông số thường là biên độ, góc pha, tần số,... Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả. Nếu ta lấy bất kỳ đại lượng nào thì cũng là đại lượng ngẫu nhiên. Ta thấy trong thực tế đều là đại lượng ngẫu nhiên, nhưng trong chừng mực nào đó ta giả thiết trong suốt thời gian đo tì đại lượng đo không đổi hoặc thay theo quy luật hoặc thay đổi chậm. Nếu thay đổi theo tần số nhanh thì ta phải sử dụng phép đo thống kê. Theo cách biến đổi đại lượng đo: Đại lượng đo liên tục hay đại lượng đo tượng tự (analog) Đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo số ( digital) Theo bản chất của đại lượng: Đại lượng đo năng lượng: tín hiệu đô mà bản thân nó mang năng lượng. Ví dụ sức đện động, điện áp, dòng điệncông suất, năng lượng, từ thông, cường độ từ trường. CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 3 Đại lượng đo thông số: các thông số của mạch điện như điện trở, điện cảm, điện dung, hệ số từ trường. Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: như chu kỳ, tần số, góc pha,... Đại lượng đo không điện: cần chuyển đổi đo lường sơ cấp, nhờ vậy ta có tín hiệu ra Y tỉ lệ với tín hiệu cần đo: Y =f(X) Tín hiệu đo: là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lượng đo vì thế có khi người ta coi tín hiệu đo làm đại lượng đo. 1.2.2 Điều kiện đo Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng đo, do vậy khi đo phải tính đến sự ảnh hưởng của môi trường đến kết quả đo và khi dùng dụng cụ đo không được để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo Ví dụ : khi đo dòng điện cần yêu cầu RA phải rất nhỏ, càng nhỏ càng tốt để tránh sai số lớn. Ngoài ra môi trường ảnh hưởng rất lớn đo đó những yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ... cần nằm trong điều kiện chuẩn được quy định theo từng quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố trong suốt thời gian đo của dụng cụ vẫn đảm bảo chính xác. Đối với mỗi dụng cụ đều có khoảng tiêu chuẩn ghi trong các đặc tính kỹ thuật của nó. 1.2.3 Đơn vị đo Dùng hệ đơn vị quốc tế SI ( năm 1996) Xem phần cuối. 1.2.4 Thiết bị đo và phương pháp đo a. Thiết bị đo: là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Thiết bị đo gồm nhiều loại đó là: thiết bị mẫu, các chuyển đổi đo lường, các dụng cụ đo lường… b. Phương pháp đo gồm phương pháp đo biến đổi thẳng và phương pháp đo so sánh. 1.2.5 Người quan sát Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát là khi đo phải nắm được phương pháp, am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị cho phù hợp, chọn dụng cu đo phù hợp với sai số yêu cầu, điều kiện môi trường xung quanh. Biết điều khiển quá trình đo để cho kết quả mong muốn và nắm được phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công số liệu thu được sau khi đo. Biết xét đoán kết quả xem đã đạt hay chưa, có cần phải đo lại hay không. 1.2.6 Kết quả đo Kết quả đo ở một mức dộ nào đó có thể coi là chính xác . Mọi giá trị như vậy được gọi là giá trị ước lượng. Nghĩa là giá trị được xác định bởi thực nghiệm nhờ dụng cụ đo. Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong tự ghi CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 4 1.3 Phương pháp đo Tất cả bốn phép do ở mục 1.1.2 có thể đo theo các phương pháp khác nhau tuỳ thuộc vào độ chính xác yêu cầu, điều kiện thí nghiệm, thiết bị hiện có,... 1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng (có nghĩa là không có khâu phản hồi ) hình 1.1: Trước tiên đại lượng 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: 0 NX N Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức : X= 0 NX N X0 Dụng cụ đo biến đổi thẳng có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua khâu này sẽ có sai số bằng tổng các sai số các khâu. Vì thế sử dụng dụng cụ đo này để đo kiểm với độ chính xác không cao. 1.3.2 Đo so sánh Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng (có nghĩa là có khâu phản hồi) hình 1.2: SS B§ AD XX Xk X Nk H×nh 1.2 DA B§TG X CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 5 Trong hệ thống đo kiểu so sánh đại lượng vào X được biến thành đại lượng trung gian XX qua một phép biến đổi T: XX = T.X Sau đó XX được so sánh với đại lượng bù XK thực hiện một phép trừ: XX – XK = X Ta có thể căn cứ vào cách thực hiện thao tác so sánh trong quá trình đo để phân loại phương pháp đo: a. So sánh cân bằng. Đại lượng vào so sánh XX = const, đại lượng bù XK = const, X= 0, XX = XK. Ví dụ: Cầu đo, điện thế kế cân bằng,... b. So sánh không cân bằng (hay phương pháp vi sai) Giống trên nhưng X ≠ 0. Ví dụ: đo ứng suất, nhiệt độ,... c. So sánh không đồng thời. Đại lượng đo X gây ra trên thiết bị đo một trạng thái nào đó; sau đó thay bằng đại lượng mẫu XK và cũng tạo một trạng thái như vậy trên thiết bị đo. Trong điều kiện đó ta có X = XK mà không phụ thuộc điều kiện bên ngoài. d. So sánh đồng thời So sánh cùng một lúc nhiều điểm của X với XK; căn cứ vào điểm trùng nhau ta được đại lượng cần đo. 1.4 Sai số, cách biểu diễn kết quả đo. 1.4.1 Sai số của phép đo. Việc xác định sai số của phép đo là xác định độ tin tưởng của kết quả đo là mộ trong những nhiệm vụ cơ bản của đo lường. Theo cách thể hiện bằng số ta chia ra: a) Sai số tuyệt đối: giả sử X là giá trị đo được, Xth là giá trị thựccủa đại lượng cần đo, độ lệch giữa giá trị đo và giá trị thực gọi là độ sai lệch. = X Xth Qua nhiều lần đo, không vượt quá một giá trị là X thì X được gọi là saii số tuyệt đối của phép đo. Đói với một thiết bị đo sai số tuyệt đối được xác định khi kiểm tra nó là sai lệch lớn nhất giữa giá trị đo và giá trị chuẩn. X = max i Viết kết quả đo khi dùng một dụng cụ đo ta viết giá trị đo được bởi dụng cụ kèm theo một sự sai lệch bằng sai số tuyệt đối: X = Xđo X b) Sai số tương đối: Để đánh giá tính chính xác của một phép đo hay mộtj thiết bị đo ta dùng sai số tương đối. CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 6 = X X Lúc đo bằng một thiết bị cụ thể ta thấy sai số tuyệt đối vấp phải là sai số tuyệt đối của thiết bị đo, do vậy khi đo đại lượng X có giá trị nhỏ hơn so với giá trị định mức của thiết bị Xm thì sai số tương đối sẽ lớn Sai số tương đối không thể dùng đánh giá tính chính xác của một thiết bị đo. c) Sai số tương đối quy đổi, cấp chính xác. Được xác định: X m X ; % .100% X m X Xm là giá trị định mức của dụng cụ đo, cũng là giá trị lớn nhất của thang đo của thiết bị có sai số X. Sai số tương đối quy đổi không phụ thuộc vào đại lượng đo mà phụ thuộc vào dụng cụ. Do vậy có thể đánh giá tính chính xác của dụng cụ Thiết bị đo nào có sai số tương đối quy đổi % bé hơn giá trị quy định (thuộc từng nước) được xếp vào cấp chính xác của quy định đó. Ví dụ sai số là 1, có sai số tương đối quy đổi % ≤ 1% Độ chính xác của thiết bị đo A được xác định: X X A m 1 ; 1.4.2 Biểu diễn kết quả đo Phép đo nào cũng có sai số, vì thế không thể đo được giá trị đúng. Các thiết bị đo chỉ cho ta biết giá trị đúng nằm trong khoảng nào đấy. Viết kết quả đo là: X = Xth X; có nghĩa là giá trị đo được X nằm trong khoảng: Xth X ≤ X ≤ Xth + X Xử lý kết quả đo là xác định Xth, X và độ đáng tin cậy của phép đo đó hình 1.3. a) Xác định Xth. Trường hợp đại lượng đo chứa nhiều tính chất ngẫu nhiên hay bị ảnh hưởng nhiều của nhiễu: n X X X X X n th ... 1 2 Trường hợp đại lượng cần đo bằng const trong quá trình đo, ta lấy giá trị Xth là kết quả của một lần đo. b) Xác định X. Cần xác định sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên: CHƯƠNG 1. KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehygmail.com _ UTEHY. 2009 7 Xi = Xht + i; Xht : sai số hệ thống i : sai số ngẫu nhiên Với phép đo nhiều lần đo ta có sai số tuyệt đối trung bình: X M Xi M X ht M i M Xht là kỳ vọng của sai số hệ thống M i kỳ vọng của sai số ngẫu nhiên; sẽ bị triệt tiêu qua nhiều lần đo Như vậy sai số hệ thống sẽ bằng kỳ vọng của các sai số tuyệt đối của phép đo (sai số hệ thống có thể loai trừ hay hiệu chỉnh được theo quy luật sai số) 1.5 Các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo 1.5.1 Sai số của dụng cụ Có thể phân ra: Sai số hệ thống (sai số cơ bản): không đổi hay thay đổi theo quy luật. Sai số ngẫu nhiên (sai số phụ): giá trị thay đổi rất ngẫu nhiên do biến động môi trường (t0 , p, độ ẩm,...) 1.5.2 Độ nhạy Độ nhạy của một dụng cụ đo được tính bằng: X Y S Nêu nên sự biến thiên của đại lượng đầu ra Y so với sự biến thiên nhỏ ở đầu vào X. Trong trường hợp quan hệ giữa đại lượng ở đầu ra và đại lượng đầu vào là tuyến tính thì độ nhạy S = const và được gọi là độ nhạy của thiết bị đo. Trong trường hợp S là hàm của X thì quan hệ là phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo). Như vậy khi nói đến độ nhạy nghĩa là xác định S trong phạm vi nhỏ xung quanh X thì ta có quan hệ tuyến tính. X Y X H×nh 1.4 Y Y=f(X) Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu thì ta có: S = S1. S2 ....Sn. Theo lý thuyết thì xét quan hệ Y, X thì X nhỏ bao nhiêu cũng được nhưng thực tế cho thấy với X nhỏ đến một giá trị nào đấy (X ) thì Y không thể xác định được. Nguyên nhân do ma sát, hiện tượng trễ,..... : được gọi là ngưỡng nhạy (có thể nói đó là giá trị nhỏ nhất mà thiết bị đo có thể phân biệt người quan sát hay góc quay đủ lớn
CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Bài KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG THÔNG DỤNG 1.1 Lý luận chung đo lường 1.1.1 Định nghĩa Định nghĩa đo lường quan trọng thể quan điểm kỹ thuật đo lường Nó tiền đề cho lý luận thiết bị đo hệ thống thơng tin đo lường Do ta thống định nghĩa đo lường sau: Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Khái niệm đánh giá định lượng hiểu hẹp phép đo biến đổi thẳng hiểu trình thu thập biến đổi tin tức trình ước lượng đánh giá ước lượng trình ngẫu nhiên, kết đánh giá số so với đơn vị thể q trình lượng tử hố mã hố kết số phép so với đơn vị Với định nghĩa đo lường trình thể ba thao tác là: - Biến đổi tín hiệu tin tức - So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trình đo lường - Chuyển đơn vị, mã hố để có kết số so với đơn vị Vậy q trình đo viết dới dạng: Ax = X/Xo Trong đó: Ax : Là kết đại lượng cần đo X : Đại lượng cần đo Xo : Đơn vị đo Ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp để đo đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu đơn vị đo gọi Đo lường học Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu áo dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống gọi Kỹ thuật đo lường Để thực trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo độ xác yêu cầu phép đo 1.1.2 Phân loại phép đo Để thực phép đo người ta thực nhiều cách khác Ta phân sau: a Đo trực tiếp: cách đo mà kết nhận từ phép đo Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Cách đo nhận kết ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết đo Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét Chúng ta thấy thực tế phép đo sử dụng phép đo sử dụng cách đo trực tiếp b Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết đo suy từ phố hợp kết nhiều phép đo trự tiếp Ví dụ: Đo điện trở dùng Vơn mét ampe mét, sau ta tính điện trở Cách đo gặp phải sai số tổng sai số phép đo c Đo hợp bộ: Cách đo mà kết đo đưa lúc với giải hệ phương trình d Đo thống kê Là cách đo mà ta đo nhiều lần sau lấy trung bình Thực tín hiệu đo ngẫu nhiên kiểm tra độ xác dụng cụ đo Các đặc trưng kỹ thuật đo lường Trong kỹ thuật đo lường chứa đựng đặc trưng sau đây: đại lượng đo, điều kiện đo, phương pháp đo, thiết bị đo, người quan sát thiết bị thu nhận kết đo Các đặc trưng yếu tố cần thiết không thê thiếu kỹ thuật đo lường 1.2.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo) Là thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo Theo tính chất thay đổi đại lượng chia ra: - Đại lượng đo tiền định: đại lượng đo biết trước quy luật thay đổi theo thời gian chúng, nhiều thơng số chưa biết, ví dụ : cần đo độ lớn( biên độ) Đại lượng đo thường tín hiệu chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vng Các thơng số thường biên độ, góc pha, tần số, - Đại lượng đo ngẫu nhiên: đại lượng đo mà thay đổi theo thời gian không theo quy luật Nếu ta lấy đại lượng đại lượng ngẫu nhiên Ta thấy thực tế đại lượng ngẫu nhiên, chừng mực ta giả thiết suốt thời gian đo tì đại lượng đo không đổi thay theo quy luật thay đổi chậm Nếu thay đổi theo tần số nhanh ta phải sử dụng phép đo thống kê Theo cách biến đổi đại lượng đo: - Đại lượng đo liên tục hay đại lượng đo tượng tự (analog) - Đại lượng đo rời rạc hay đại lượng đo số ( digital) Theo chất đại lượng: - Đại lượng đo lượng: tín hiệu mà thân mang lượng Ví dụ sức đện động, điện áp, dịng điệncơng suất, lượng, từ thơng, cường độ từ trường Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG - Đại lượng đo thông số: thông số mạch điện điện trở, điện cảm, điện dung, hệ số từ trường - Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kỳ, tần số, góc pha, - Đại lượng đo không điện: cần chuyển đổi đo lường sơ cấp, nhờ ta có tín hiệu Y tỉ lệ với tín hiệu cần đo: Y =f(X) Tín hiệu đo: loại tín hiệu mang đặc tính thơng tin đại lượng đo có người ta coi tín hiệu đo làm đại lượng đo 1.2.2 Điều kiện đo Các thông tin đo lường gắn chặt với môi trường sinh đại lượng đo, đo phải tính đến ảnh hưởng môi trường đến kết đo dùng dụng cụ đo không để dụng cụ đo ảnh hưởng đến đối tượng đo Ví dụ : đo dịng điện cần yêu cầu RA phải nhỏ, nhỏ tốt để tránh sai số lớn Ngồi mơi trường ảnh hưởng lớn đo yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, cần nằm điều kiện chuẩn quy định theo quốc gia, khoảng biến động yếu tố suốt thời gian đo dụng cụ đảm bảo xác Đối với dụng cụ có khoảng tiêu chuẩn ghi đặc tính kỹ thuật 1.2.3 Đơn vị đo Dùng hệ đơn vị quốc tế SI ( năm 1996) - Xem phần cuối 1.2.4 Thiết bị đo phương pháp đo a Thiết bị đo: thiết bị kỹ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát Thiết bị đo gồm nhiều loại là: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo lường, dụng cụ đo lường… b Phương pháp đo gồm phương pháp đo biến đổi thẳng phương pháp đo so sánh 1.2.5 Người quan sát Đó người đo gia công kết đo Nhiệm vụ người quan sát đo phải nắm phương pháp, am hiểu thiết bị đo mà sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán khoảng đo để chọn thiết bị cho phù hợp, chọn dụng cu đo phù hợp với sai số yêu cầu, điều kiện môi trường xung quanh Biết điều khiển trình đo kết mong muốn nắm phương pháp gia công kết đo để tiến hành gia công số liệu thu sau đo Biết xét đoán kết xem đạt hay chưa, có cần phải đo lại hay không 1.2.6 Kết đo Kết đo mức dộ coi xác Mọi giá trị gọi giá trị ước lượng Nghĩa giá trị xác định thực nghiệm nhờ dụng cụ đo Kết đo số kèm theo đơn vị đo hay đường cong tự ghi Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 1.3 Phương pháp đo Tất bốn phép mục 1.1.2 đo theo phương pháp khác tuỳ thuộc vào độ xác yêu cầu, điều kiện thí nghiệm, thiết bị có, 1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng (có nghĩa khơng có khâu phản hồi ) hình 1.1: Trước tiên đại lượng đo X đưa qua hay nhiều khâu biến đổi cuối biến đổi thành số NX Còn đơn vị đại lượng đo X0 biến đổi thành số N0 (ví dụ khắc độ mặt dụng cụ đo tương tự) Quá trình gọi trình khắc độ theo mẫu N0 ghi nhớ lại Sau diễn q trình so sánh đại lượng cần đo với đơn vị chúng Quá trình thực phép chia: NX N0 Kết đo thể biểu thức : X= NX X0 N0 Dụng cụ đo biến đổi thẳng có sai số tương đối lớn tín hiệu qua khâu có sai số tổng sai số khâu Vì sử dụng dụng cụ đo để đo kiểm với độ xác khơng cao 1.3.2 Đo so sánh Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vịng (có nghĩa có khâu phản hồi) - hình 1.2: X B§TG XX X SS BĐ A/D Nk Xk D/A Hình 1.2 Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Trong hệ thống đo kiểu so sánh đại lượng vào X biến thành đại lượng trung gian XX qua phép biến đổi T: XX = T.X Sau XX so sánh với đại lượng bù XK thực phép trừ: XX – XK = X Ta vào cách thực thao tác so sánh trình đo để phân loại phương pháp đo: a So sánh cân Đại lượng vào so sánh XX = const, đại lượng bù XK = const, X= 0, XX = XK Ví dụ: Cầu đo, điện kế cân bằng, b So sánh không cân (hay phương pháp vi sai) Giống X ≠ Ví dụ: đo ứng suất, nhiệt độ, c So sánh không đồng thời Đại lượng đo X gây thiết bị đo trạng thái đó; sau thay đại lượng mẫu XK tạo trạng thái thiết bị đo Trong điều kiện ta có X = XK mà khơng phụ thuộc điều kiện bên d So sánh đồng thời So sánh lúc nhiều điểm X với XK; vào điểm trùng ta đại lượng cần đo 1.4 Sai số, cách biểu diễn kết đo 1.4.1 Sai số phép đo Việc xác định sai số phép đo xác định độ tin tưởng kết đo - mộ nhiệm vụ đo lường Theo cách thể số ta chia ra: a) Sai số tuyệt đối: giả sử X giá trị đo được, Xth giá trị thựccủa đại lượng cần đo, độ lệch giá trị đo giá trị thực gọi độ sai lệch = X - Xth Qua nhiều lần đo, không vượt giá trị X X gọi saii số tuyệt đối phép đo Đói với thiết bị đo sai số tuyệt đối xác định kiểm tra sai lệch lớn giá trị đo giá trị chuẩn X = max [i] Viết kết đo dùng dụng cụ đo ta viết giá trị đo dụng cụ kèm theo sai lệch sai số tuyệt đối: X = Xđo X b) Sai số tương đối: Để đánh giá tính xác phép đo hay mộtj thiết bị đo ta dùng sai số tương đối Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG = X X Lúc đo thiết bị cụ thể ta thấy sai số tuyệt đối vấp phải sai số tuyệt đối thiết bị đo, đo đại lượng X có giá trị nhỏ so với giá trị định mức thiết bị Xm sai số tương đối lớn Sai số tương đối khơng thể dùng đánh giá tính xác thiết bị đo c) Sai số tương đối quy đổi, cấp xác Được xác định: X X ; % 100% Xm Xm Xm giá trị định mức dụng cụ đo, giá trị lớn thang đo thiết bị có sai số X - Sai số tương đối quy đổi không phụ thuộc vào đại lượng đo mà phụ thuộc vào dụng cụ Do đánh giá tính xác dụng cụ - Thiết bị đo có sai số tương đối quy đổi % bé giá trị quy định (thuộc nước) xếp vào cấp xác quy định Ví dụ sai số 1, có sai số tương đối quy đổi % ≤ 1% Độ xác thiết bị đo A xác định: A Xm ; X 1.4.2 Biểu diễn kết đo Phép đo có sai số, đo giá trị Các thiết bị đo cho ta biết giá trị nằm khoảng Viết kết đo là: X = Xth X; có nghĩa giá trị đo X nằm khoảng: Xth - X ≤ X ≤ Xth + X Xử lý kết đo xác định Xth, X độ đáng tin cậy phép đo hình 1.3 a) Xác định Xth - Trường hợp đại lượng đo chứa nhiều tính chất ngẫu nhiên hay bị ảnh hưởng nhiều nhiễu: X th X X X X n n - Trường hợp đại lượng cần đo const trình đo, ta lấy giá trị Xth kết lần đo b) Xác định X Cần xác định sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên: Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Xi = Xht + i; Xht : sai số hệ thống i : sai số ngẫu nhiên Với phép đo nhiều lần đo ta có sai số tuyệt đối trung bình: X M X i M X ht M i M [Xht] kỳ vọng sai số hệ thống M [i] kỳ vọng sai số ngẫu nhiên; bị triệt tiêu qua nhiều lần đo Như sai số hệ thống kỳ vọng sai số tuyệt đối phép đo (sai số hệ thống loai trừ hay hiệu chỉnh theo quy luật sai số) 1.5 Các đặc tính dụng cụ đo 1.5.1 Sai số dụng cụ Có thể phân ra: - Sai số hệ thống (sai số bản): không đổi hay thay đổi theo quy luật - Sai số ngẫu nhiên (sai số phụ): giá trị thay đổi ngẫu nhiên biến động môi trường (t0, p, độ ẩm, ) 1.5.2 Độ nhạy Độ nhạy dụng cụ đo tính bằng: S Y X Nêu nên biến thiên đại lượng đầu Y so với biến thiên nhỏ đầu vào X - Trong trường hợp quan hệ đại lượng đầu đại lượng đầu vào tuyến tính độ nhạy S = const gọi độ nhạy thiết bị đo - Trong trường hợp S hàm X quan hệ phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo) Như nói đến độ nhạy nghĩa xác định S phạm vi nhỏ xung quanh X ta có quan hệ tuyến tính Y Y=f(X) Y X X H×nh 1.4 - Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu ta có: S = S1 S2 Sn Theo lý thuyết xét quan hệ Y, X X nhỏ thực tế cho thấy với X nhỏ đến giá trị (X ) Y khơng thể xác định Ngun nhân ma sát, tượng trễ, : gọi ngưỡng nhạy (có thể nói giá trị nhỏ mà thiết bị đo phân biệt - người quan sát hay góc quay đủ lớn) hình 1.5 Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Khả phân ly: R X max X D 1.5.3 Độ xác Tiêu chuẩn quan trọng thiết bị đo tính xác nó: A Xm D X X Với thiết bị sai số chủ yếu ngưỡng nhạy độ xác khả phân ly: A R D 1.5.4 Độ tác động nhanh - Thời gian hồi đáp Là thời gian để xác lập kết đo Cho phép đánh giá đại lượng đầu Y có theo kịp thời gian với biến thiên đại lượng đo không (đại lượng đầu vào X) hình 1.6 Thời gian hồi đáp (tr) đại lượng sử dụng để xác định giá trị độ nhanh Tốc độ đo: v ; T T khoảng thời gian ngắn hai lần đo ổn định 1.5.5 Điện trở - công suất tiêu thụ a) Điện trở vào: Mỗi dụng dụ đo có điện trở Điện trở lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tính chất đối tượng đo Điện trở vào phai lớn mà tín hiệu khâu trước dạng điện áp ( nghĩa dịng nhỏ cơng suất tiêu thụ nhất) Ví dụ vơnmét phải có RV >> tốt b) Điện trở ra: Xác định cơng suất truyền tải cho chuyển đổi Điện trở nhỏ công suất lớn 1.5.6 Độ tin cậy Phụ thuộc vào yếu tố: linh kiện, kết cấu, điều kiện làm việc Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 1.6 Cơ cấu thị dụng cụ đo tương tự Cơ sở chung: Dụng cụ đo điện loại thiết bị đo sử dụng lượng điện từ trường mạch đo thành lượng học làm quay phần động góc so với phần tĩnh Loại dụng cụ dụng cụ đo chuyển đổi thẳng Sơ đồ khối dụng cụ điện: hình 1.7 Y = fY(X) = f(X) = F(X); quan hệ , X tuyến tính hay phi tuyến tương ứng ta có thang đo hay khơng Phương trình đặc tính thang đo: - Mơ men quay: Khi có dịng điện qua cấu , cấu tích luỹ lượng điện từ trường We Năng lượng biến đổi thành làm quay phần động góc d Thực cơng học: dA = Mq.d Theo định luật bảo toàn lượng: dA = dWe Suy ra: M q dWe d + Trong tụ: We C.U - cấu tĩnh điện + Trong cuộn dây: We L.I - cấu điện từ + Năng lượng hỗ cảm hai cuộn dây: We = M1,2.I1.I2 - cấu, điện động - Mơ men cản hình 1.8: Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Dưới tác động Mq, khơng có cản phần động quay góc lớn có thể, khơng phụ thuộc mô men quay lớn hay bé Để xác M Mq Mc định quan hệ chặt chẽ góc quay mơ men quay Mq ( với đại lượng cần đo X) cần có mơ men tác động ngược chiều với mô men quay gọi mô men cản (Mc) Ta dễ dàng tạo c mô men tỷ lệ với nhờ lò xo xoắn, dây căng, dây H×nh 1.8 treo: Mc = D Trong đó: D - mơ men cản riêng lị xo (phụ thuộc vào vật liệu, kích thước) - Phương trình đặc tính thang đo: Dưới tác động đồng thời mô men quay mô men cản, phần động cấu đo dừng vị trí c Mq = Mc (c vị trí cân phần động) Ta có: dWe D. d Ta có phương trình đặc tính thang đo: dWe D d Phương trình đặc tính thang đo cho biết có thang đo hay khơng Nhưng khơng phải trường hợp đường cong Mq biểu diễn dạng giải tích Vì thực tế để xây dựng thang đo cấu người ta dùng phương pháp đồ thị Nội dung phương pháp: Bằng thực Mq Mc X=X nghiệm xây dựng đường cong mô men quay m X=0,8Xm Mq = f() với giá trị X khác Ví dụ với cấu điện từ ta xây dựng đừng cong 1;2;3;4 (hình 1.9) với giá trị X tương ứng 40;60;80 100% Xm (Xm - giá trị định mức làm kim lệch toàn thang) Giả sử Xm = I0 = 50mA; đường cong Mq cắt đường cong mô men cản X=0,6Xm X=0,4Xm c4 c3 c2 c1 Thang đo theo đ/vị X điểm A, B, C, D ta vị trí 1, 2, 3, 4 ứng với trị số trị số tương ứng X 20, 30, 40, 50mA Như ta có thang đo theo đơn vị đại lượng đầu vào Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 H×nh 1.9 10 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Hình 4.46: Các ý sử dụng Encoder 4.5.4 Ứng dụng Tính tốc độ quay trục Encoder Tần số xung: Tần số xung = Số vòng phút 60 x Số khe hở đĩa Tốc độ quay: Số vòng phút = Tần số xung Số khe hở đĩa x 60 4.5 Cảm biến hoả điện hồng ngoại (Pyroelectric Infrared Sensors) 4.5.1 Cơ sở nguyên lý 4.5.2 Cấu trúc 4.5.3 Ứng dụng 4.6 Vision sensor 4.6.1 Nguyên lý 4.6.2 Ứng dụng Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 202 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Bài Ghép nối cảm biến với mạch điện xử lý 5.1 Mục đích Mét tÝn hiƯu phản hồi chứa đựng thông tin trạng thái tình trạng hệ thống cần thiết cho hệ thống điều khiển điều chỉnh tự động Chỉ có thiết bị cảm biến làm đợc điều Do thiết bị xử lý điều khiển hệ thống cần phải có liên kết với cảm biến Nhng chúng đợc liên kết với nh lại phụ thuộc vào tính chất yêu cầu kỹ thuật thiết bị xử lý, khả đáp ứng yêu cầu cảm biến Vì lần lợt xem xét vấn ®Ị thĨ tiÕn hµnh kÕt nèi 5.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động H×nh 5.1: CÊu tróc hƯ thèng ®iỊu khiĨn tù ®éng 5.3 Các cách mắc cảm biến 5.3.1 Mắc nối tiếp H×nh 5.2: Sơ đồ mắc nối tiếp cảm biến loại PNP Nguyên lý làm việc đợc mô tả bảng trạng thái sau: Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 203 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Quy ước cảm biến có đối tượng tác động có giá trị 1, đối tượng tác động nhận giá trị đầu có trạng thái tương ứng Bảng 5.1 TT S1 S2 S3 Q 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 Với bảng trạng thái ta nhận thấy đầu Q có tín hiệu tất các cảm biến đầu có đối tượng tác động 5.3.2 Mc song song Hình 5.3: Sơ đồ mắc song song cảm biến loại PNP Nguyên lý làm việc đợc mô tả bảng trạng thái nh sau: Quy ớc cảm biến có đối tượng tác động có giá trị 1, đối tượng tác động nhận giá trị đầu có trạng thái tương ứng Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 204 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN B¶ng 5.2 TT S1 S2 S3 Q 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Với bảng trạng thái ta nhận thấy cần cảm biến có đối tượng tác động đầu Q có tín hiệu Trong sơ đồ diode mắc để bảo vệ tránh ảnh hưởng lẫn đầu cảm biến 5.4 Cỏc phng phỏp ghộp ni Căn vào yêu cầu kỹ thuật: - Nguồn điện áp - Mức điện áp tín hiệu - D¹ng tÝn hiƯu 5.4.1 Ghép trực tiếp, gián tiếp a) Ghép trực tiếp Khi mà nguồn điện áp thiết bị cảm biến thiết bị xử lý tương đương, không cần cách ly mát, tín hiệu điều khiển phù hợp Ví dụ thiết bị xử điều khiển khả lập trình PLC nguồn điện áp sử dụng 24V Thiết bị điều khiển LOGO, EASY điện áp nguồn 12VDC Còn cảm biến thờng sử dụng nguồn điện áp nằm khoảng từ 10 đến 30VDC Do có điểm tơng thích cho việc ghép nối trực tiếp nh sau: - Về mặt điện áp nguồn phù hợp - Mức điện áp tín hiệu cảm biến xấp xỉ 24V với nguồn sử dụng 24V, gần 12V với nguồn điện áp sử dụng 12V - Dạng tín hiệu tín hiệu dạng chuyển mạch rời rạc nên phù hợp - Một dạng tín hiệu khác cảm biến dạng biến thiên liên tục sử dụng cho đầu vào tương tự PLC, LOGO, EASY Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 205 CHƯƠNG 2: KỸ THUT CM BIN b) Ghép gián tiếp Khi cần có cách ly mát, mức tín hiệu điều khiển không tơng thích cao so với mức quy định, dạng tín hiệu không phù hợp Ví dụ với thiết bị xử lý sử dụng công nghệ số kỹ thuật vi điều khiển Mức nguồn điện áp sử dụng thiết bị thường thấp khoảng 5V Do tín hiệu điều khiển nhận với mức điện áp tối đa khoảng 5V mà Tuỳ theo thiết bị điều khiển làm việc với sườn xung tín hiƯu hay víi møc tÝn hiƯu mµ chóng ta sư dụng phơng pháp ghép khác nhau: Ghép quang điện, ghép biến áp(biến áp xung), phân áp, ghép A/D 5.5.2 Ghép thông qua chuyển đổi A/D (Analog to Digital) a) Sơ đồ chuyển đổi A/D 8bit (ADC0804) Hình 5.4: Cấu trúc chân ADC0804 b) Nguyên lý làm việc Chức chân: - Chân 1: /CS (Chip Select) Chän chÝp, dïng ®Ĩ ®iỊu khiĨn lùa chän cã nhiỊu IC cïng lµm viƯc lóc - Chân 2: /RD (Read) điều khiển đọc liệu đầu vào (chân 7) - Chân 3: /WR (Write) điều khiển ghi liệu vào mạch (Xuất liệu) - Chân 19: Tạo xung nhịp Clock 640 KHz - Chân 5: /INTR (Interup)Chân đa tín hiệu ngắt mạch xử lý - Chân đầu vào điện áp tín hiệu Analog cần chuyển đổi Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 206 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN - Chân 10: GND nối đất (0V) - Chân 9: Vref/2 tạo điện áp so sánh - Chân 11 – 18: bit d÷ liƯu kiĨu song song từ D0 đến D7 - Chân 20: Vcc Cung cấp nguồn điện áp 5V Nguyên lý: (Đo lường điều khiển máy tính Ngô Diên Tập) 5.6 Ghộp ni vi vi iu khin a) Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 AT89C51 Hình 5.5: IC 80C51/AT89C51 Chức chân tín hiệu sau: - P0.0 đến P0.7 chân cổng - P1.0 đến P1.7 chân cổng - P2.0 đến P2.7 chân cổng - P3.0 đến P3.7 chân cổng - RxD: NhËn tÝn hiƯu kiĨu nèi tiÕp - TxD: Trun tín hiệu kiểu nối tiếp - /INT0: Ngắt - /INT1: Ngắt Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 207 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN - T0: Chân vào Timer/Counter - T1: Chân vào Timer/Counter - /Wr: Ghi liệu vào nhớ - /Rd: Đọc liệu từ nhớ - RST: Chân vào Reset, tÝch cùc ë møc logic cao kho¶ng chu kỳ máy - XTAL1: Chân vào mạch khuyếch đại dao động - XTAL2: Chân từ mạch khuyếch đại dao động - /PSEN : Chân cho phép đọc nhớ chơng trình (ROM ngoài) - ALE (/PROG): Chân tín hiệu cho phép chốt địa để truy cập bé nhí ngoµi, Onchip xt byte thÊp cđa địa Tín hiệu chốt đợc kích hoạt mức cao, tÇn sè xung chèt = 1/6 tÇn sè dao động VĐK Nó đợc dùng cho Timer cho mục đích tạo xung Clock Đây chân nhận xung vào để nạp chơng trình cho Flash (hoặc EEPROM) bên On-chip nã ë møc thÊp - /EA/Vpp: Cho phÐp On-chip truy cập nhớ chơng trình /EA=0, /EA=1 On-chip làm việc với nhớ chơng trình nội trú Khi chân đợc cấp nguồn điện áp 12V (Vpp) On-chip đảm nhận chức nạp chơng trình cho Flash bên - Vcc: Cung cấp dơng nguồn cho On-chip (+ 5V) - GND: nối mát b) Phương pháp ghép nối Để ghép nối cảm biến với vi điều khiển cần phải lựa chọn cảm biến có mức điện áp tín hiệu đầu cho phù hợp với điện áp làm việc vi điều khiển Với tín hiệu xung điện áp cảm biến tõ møc 5VDC trë xng th× ta cã thĨ ghÐp trực tiếp với vi điều khiển, điện áp xung tín hiệu lớn 5VDC phải sư dơng bé phèi ghÐp quang ®iƯn ®Ĩ ghÐp nèi với vi điều khiển Với cảm biến mà tín hiệu biến đổi tương tự phải sử dụng chuyển đổi ADC để ghép nối víi vi ®iỊu khiĨn Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 208 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Tµi liệu tham khảo I Sách tham khảo: Đo lường đại lượng vật lý Phạm Thượng Hàn Kỹ thuật đo Nguyễn Ngọc Tân NXB KH&KT Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử - V Quý im - NXBKH&KT Giáo trình cảm biến Phan Quốc Phô ĐHBK HN NXB KH&KT Cảm biến ứng dụng Dương Minh Trí NXB KH&KT Các cảm biến KTĐL ĐK Lê Văn Doanh NXBKH&KT Sensoren Praxis – Guenther W.Schanz – Huenthig Verlag Germany Sensorik fuer Praktiker – Kleger – AZ Verlag Germany II T¹p chÝ: Tự động hoá ngày Hội khoa học công nghệ tự động Việt nam Sensor and Actuators Elektronik & Computertechnik – Elektor Verlag - Germany III §Üa CD Sensors – Crystal Books Programme – GTZ - Germany Sensor V2.0 – OMRON IV Catalog Sensor solutions for the automation industry – Baumer electric Selection Guide - Autonics VI Internet Component Sensor - http://users.pandora.be/educypedia/index.htm Sensorik Festo - http://www.stern.oszimt.de/osz/sensoren Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 209 MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Bài KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG CÁC CƠ CẤU ĐO LƯỜNG THÔNG DỤNG 1.1 Lý luận chung đo lường 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Phân loại phép đo 1 Các đặc trưng kỹ thuật đo lường 1.2.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo) 1.2.2 Điều kiện đo 1.2.3 Đơn vị đo 1.2.4 Thiết bị đo phương pháp đo 1.2.5 Người quan sát 1.2.6 Kết đo 1.3 Phương pháp đo 1.3.1 Phương pháp đo biến đổi thẳng 1.3.2 Đo so sánh 1.4 Sai số, cách biểu diễn kết đo 1.4.1 Sai số phép đo 1.4.2 Biểu diễn kết đo 1.5 Các đặc tính dụng cụ đo 1.5.1 Sai số dụng cụ 1.5.2 Độ nhạy 1.5.3 Độ xác 1.5.4 Độ tác động nhanh - Thời gian hồi đáp 1.5.5 Điện trở - công suất tiêu thụ 1.5.6 Độ tin cậy 1.6 Cơ cấu thị dụng cụ đo tương tự 1.6.1 Những phận, chi tiết chung cấu thị điện 12 1.6.2 Cơ cấu từ điện 13 1.6.3 Cơ cấu thị điện từ 15 1.6.4 Cơ cấu thị điện động 17 1.6.5 Cơ cấu thị kiểu cảm ứng 20 Bài ĐO DÒNG ĐIỆN 23 2.1 Đo dòng điện chiều 23 2.1.1 Mở rộng thang đo 23 2.2 Đo dòng xoay chiều 25 2.2.1 Ampemet từ điện đo dòng AC 25 2.3 Đo dòng điện nhỏ 28 2.4 Đo dòng điện lớn 28 2.4.1 Đo dòng chiều lớn 28 2.4.2 Đo dòng điện xoay chiều lớn 32 2.5 Ampemet điện tử đo dòng AC - DC 32 2.5.1 Đo dòng DC 32 2.5.2 Đo dòng AC 32 Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 210 MỤC LỤC 2.6 Ảnh hưởng Ampemet đến mạch đo 33 Bài ĐO ĐIỆN ÁP 34 3.1 Đo điện áp dùng dụng cụ đo tương tự .34 3.1.1 Đo điện áp chiều 34 3.1.2 Đo điện áp xoay chiều 35 3.1.3 Đo điện áp phương pháp so sánh 37 3.1.4 Đo điện áp DC phương pháp biến trở 40 3.1.5 ảnh hưởng Vonmét mạch đo điện áp 41 3.2 Volt mét điện tử đo điện áp DC .42 3.2.1 Dïng transistor .42 3.2.2 Mạch đo điện áp DC dùng transisto trường JFET 46 3.2.3 Mạch đo điện áp DC dùng khuếch đại thuật toán (operational amplifier - OA) 48 3.2.4 Mạch đo điện áp DC dùng phương pháp “Chopper” 50 3.3 Volt met điện tử đo điện áp xoay chiều (AC) 52 3.3.1 Khái quát .52 3.3.2 Phương pháp trị đỉnh 55 3.3.3 Phương pháp trị hiệu dụng thực 58 3.3.4 Phương pháp trị trung bình 60 Bài ĐO CÁC THÔNG SỐ MẠCH ĐIỆN .61 4.1 Phương pháp gián tiếp .61 4.1.1 Đo điện trở vônmét ampemét 61 4.1.2 Đo điện trở vôn mét điện trở mẫu Ro 62 4.1.3 Đo điện trở RX Ampemet địên trở mẫu R0 62 4.2 Đo trực tiếp 62 2.1 Đo điện trở trực tiếp Ômmét 62 4.2.2 Ơmmét kiểu lơgơmét 67 4.3 Cầu đo điện trở 67 4.3.1 Cầu đơn 67 4.3.2 Cầu đôi Kelvin .71 4.4 Đo điện trở lớn .72 4.4.1 Đo điện trở lớn dùng vôn mét mircoampe mét .72 4.4.2 Megommet chuyên dùng 73 4.5 Đo điện trở tiếp đất 74 4.5.1 Đo điện trở tiếp đất dùng Vôn met ampemet 75 4.5.2 Dùng cầu đo 76 4.6 Đo điện cảm, điện dung, hỗ cảm .77 4.6.1 Dùng vôn mét Ampe mét đo điện dung, điện cảm hỗ cảm .77 4.6.1.1 Đo điện dung C 77 4.6.1.2 Đo điện cảm L 78 4.6.1.3 Đo hệ số hỗ cảm M 78 4.6.2 Cầu đo điện dung điện cảm .79 4.6.2.1 Cầu Wheatstone xoay chiều 79 4.6.2.2 Cầu đơn giản đo C L .79 4.6.2.3 Cầu đo L, C phổ quát 80 Bài ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 84 5.1 Công suất lượng 84 Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 211 MỤC LỤC 5.2 Đo công suất DC mạch pha 84 5.2.1 Phương pháp dùng Vônmét Ampemét 84 5.2.2 Phương pháp đo dùng Watt mét 85 5.3 Đo công suất AC mạch pha 85 5.3.1 Phương pháp dùng Vônmét Ampemét 85 5.3.2 Dùng Watt mét điện động 86 5.3.3 Đo gián tiếp dùng biến dòng với Watt mét 86 5.3.4 Đo gián tiếp dùng biến dòng, biến áp phối hợp với Watt mét 87 5.4 Đo công suất tải ba pha 87 5.4.1 Nguyên lý chung 87 5.4.2 Các phương pháp đo công suất 88 5.5 Đo công suất phản kháng tải 91 5.5.1 Công suất phản kháng tải pha 91 5.5.2 Công suất phản kháng tải ba pha 91 5.6 Đo điện 92 5.6.1 Đo điện mạch xoay chiều pha công tơ pha 92 5.6.2 Đo điện tải ba pha 95 5.6.3 Công tơ điện tử 96 5.7 Đo hệ số công suất cos 96 5.7.1 Dùng Vômét 96 5.7.2 Dùng Vônmét, Ampemet, Wattmet 96 5.7.3 Dùng cấu điện động (Fazômét điện động) 97 5.8 Tần số kế 98 5.8.1 Tần số kế cộng hưởng điện từ (bản rung) 98 5.8.2 Tần số kế điện động, sắt điện động 99 Bài DAO ĐỘNG KÝ 101 6.1 ống phóng tia điện tử - CRT (Cathode Ray Tube) 101 6.2 Phân cực cho phận cho CRT (Hình 7.4) 103 6.3 Các khối chức dao động ký 103 6.3.1 Sơ đồ khối chung (Hình 7.5) 103 6.3.2 Khối khuếch đại quét dọc Y (Hình 7.6) 104 6.3.3 Khối khuếch đại quét ngang X (Hình 7.8) 105 6.4 Bộ tạo điện áp quét 106 6.4.1 Nguyên lý quét đường thẳng dao động ký 106 6.4.2 Bộ tạo điện áp quét cưa có chu kỳ 106 6.5 Sự trình bày tín hiệu OSC 107 6.5.1 Sự phối hợp tín hiệu y =f(t) x = K.t 107 6.5.2 Sự đồng hai tín hiệu quét dọc quét ngang 107 6.6 Bộ tạo trễ 108 6.7 Thanh đo 108 ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG 109 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CẢM BIẾN 120 Bài KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN 120 1.1 Định nghĩa phân loại cảm biến 120 1.2 Các đặc tính tĩnh động cảm biến 123 1.2.1 Độ nhạy 123 Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 212 MỤC LỤC 1.2.2 Điều kiện có tuyến tính .125 1.2.3 Độ nhanh thời gian hồi đáp 125 Bài CẢM BIẾN NHIỆT 128 2.1 Cặp nhiệt ngẫu (Thermocoupler) 128 2.1.1 Hiệu ứng nhiệt điện 128 2.1.2 Nguyên lý cấu tạo 128 2.1.3 Các dạng cấu tạo đặc tuyến 128 2.1.4 Thông số loại cặp nhiệt 130 2.1.5 Nguyên lý đo nhiệt 131 2.2 Nhiệt kế điện trở (Resistance thermometers) 132 2.2.1 Cơ sở nguyên lý cấu trúc 132 2.2.2 Cấu tạo 132 2.2.3 Các dạng mắc mạch 134 2.3 Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm NTC ( NTC Thermistor Resistance) 136 2.3.1 Khái niệm 136 2.3.2 Đặc tuyến .136 2.3.3 Mạch điện ứng dụng 136 2.4 Điện trở nhiệt dương PTC ( PTC Thermistor Resistance) 139 2.4.1 Khái niệm 139 2.4.2 Đặc tuyến 140 2.4.3 Mạch điện ứng dụng 141 2.5 IC cảm biến nhiệt độ 142 2.5.1 IC cảm biến nhiệt loại LM35 142 2.5.2 IC cảm biến nhiệt loại AD590 144 Bài CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN 145 3.1: Công tắc gới hạn (Limit SWITCH) 145 3.1.1 Phân loại, ký hiệu nguyên tắc hoạt động .145 3.1.2 Ứng dụng 145 3.1.3 Tạo tín hiệu điều khiển xử lý tín hiệu xung nhiễu 146 3.1.4 Hình dáng, cấu tạo vận hành số loại thực tế 149 3.2 Cảm biến điện trở .151 3.2.1 Khái niệm phân loại .151 3.2.2 Nguyên lý cấu tạo biến trở 152 3.2.3 Ưu nhược điểm cảm biến điện trở tiếp xúc trượt 153 3.2.4 Ứng dụng 154 3.3 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) 155 3.3.1 Cơ sở cảm biến tiệm cận điện cảm (cảm biến dòng điện Foucault) 155 3.3.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận điện cảm công nghiệp 156 3.3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến tiệm cận điện cảm .158 3.3.4 Lắp đặt ứng dụng 160 3.4 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) 163 3.4.1 Cơ sở cảm biến tiệm cận điện dung .163 3.4.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động .164 3.4.3 Sơ đồ kết nối cảm biến tiệm cận điện dung 166 3.4.4 Ứng dụng .166 Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 213 MỤC LỤC 3.5 Cảm biến từ Hall 167 3.5.1 Nguyên lý cảm biến từ Hall 167 3.5.2 Một số ứng dụng cảm biến từ Hall 169 3.6 Cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensor) 170 3.6.1 Nguyên lý hoạt động 171 3.6.2 Những ưu điểm cảm biến siêu âm 172 3.6.3 Các thuật ngữ 172 3.6.4 Lắp đặt bảo quản 173 Bài CẢM BIẾN QUANG HỌC 176 4.1 Ánh sáng phép đo quang 176 4.1.1 Tính chất ánh sáng 176 4.1.2 Các đơn vị đo quang 178 4.1.3 Nguồn sáng 179 4.2 Điện trở quang (Photoresistor) 180 4.2.1 Vật liệu để chế tạo cảm biến 180 4.2 Các đặc trưng điện trở quang 181 4.2.3 Ứng dụng quang trở 183 4.3 Điốt cảm quang Transistor quang (Photodiode & Phototransistor) 184 4.3.1 Cấu tạo đặc tuyến quang điện Photodiode 184 4.3.2 Nguyên lý hoạt động 186 4.3.3 Mạch ứng dụng Photodiot 186 4.3.4 Transistor quang (Phototransistor) 187 4.4 Cảm biến quang sử dụng công nghiệp (Cấu trúc, lắp đặt ứng dụng) 192 4.4.1 Cấu tạo 192 4.4.2 Các dạng cảm biến quang 193 4.4.3 Lắp đặt ứng dụng cảm biến quang công ngiệp 196 4.5 Encoder 199 4.5.1 Nguyên lý 199 4.5.2 Cấu trúc Encoder 200 4.5.3 Lắp đặt 201 4.5.4 Ứng dụng 202 Bài Ghép nối cảm biến với mạch điện xử lý 203 5.1 Mục đích 203 5.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 203 5.3 Các cách mắc cảm biến 203 5.3.1 Mắc nối tiếp 203 5.3.2 Mắc song song 204 5.4 Các phương pháp ghép nối 205 5.4.1 Ghép trực tiếp, gián tiếp 205 5.5.2 Ghép thông qua chuyển đổi A/D (Analog to Digital) 206 5.6 Ghép nối với vi điều khiển 207 TÀI LIỆU THAM KHẢO 209 Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 214 MỤC LỤC Measurement and Sensor Technology: ngocminh.utehy@gmail.com _ UTEHY 2009 215 - 216 - ... KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG Cách đo nhận kết ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết đo Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét Chúng ta thấy thực tế phép đo sử dụng phép đo sử dụng cách đo trực tiếp b Đo gián... phương trình d Đo thống kê Là cách đo mà ta đo nhiều lần sau lấy trung bình Thực tín hiệu đo ngẫu nhiên kiểm tra độ xác dụng cụ đo Các đặc trưng kỹ thuật đo lường Trong kỹ thuật đo lường chứa đựng... lượng đo, điều kiện đo, phương pháp đo, thiết bị đo, người quan sát thiết bị thu nhận kết đo Các đặc trưng yếu tố cần thiết không thê thiếu kỹ thuật đo lường 1.2.1 Đại lượng đo (hay tín hiệu đo)