Máy hiện sóng hiện nay đợc gọi là máy hiện sóng vạn năng vì không đơn thuần là hiển thị dạng sóng mà nó còn thực hiện đợc nhiều kỹ thuật khác nh thực hiện hàm toán học, thu thập và xử lý số liệu và thậm chí còn phân tích cả phổ tín hiệu ...
Trong phần này chúng ta chỉ nói tới những ứng dụng cơ bản nhất của một máy hiện sóng.
1. Quan sát tín hiệu
Để quan sát đợc tín hiệu chỉ cần thiết lập máy ở chế độ đồng bộ trong và điều chỉnh tần số quét và trigo để dạng sóng đứng yên trên màn hình. Khi này có thể xác định đợc sự biến thiên của tín hiệu theo thời gian nh thế nào. Các máy hiện sóng
hiện đại có thể cho phép cùng một lúc 2, 4 hoặc 8 tín hiệu dạng bất kỳ cùng một lúc và tần số quan sát có thể lên tới 400MHz.
2. Đo điện áp
Việc tính giá trị điện áp của tín hiệu đợc thực hiện bằng cách đếm số ô trên màn hình và nhân với giá trị VOLTS/DIV
Ví dụ: VOLTS/DIV chỉ 1V thì tín hiệu cho ở hình trên có: Vp = 2,7ô x 1V = 2,8V
Vpp = 5,4ô x 1V = 5,4V Vrms = 0,707Vp = 1.98V
Ngoài ra, với tín hiệu xung ngời ta còn sử dụng máy hiện sóng để xác định thời gian tăng sờn xung (rise time), giảm sờn xung (fall time) và độ rộng xung (pulse width) với cách tính nh hình bên
3. Đo tần số và khoảng thời gian
Khoảng thời gian giữa hai điểm của tín hiệu cũng đợc tính bằng cách đếm số ô theo chiều ngang giã hai điểm và nhân với giá trị của TIME/DIV
Việc xác định tần số của tín hiệu đợc thực hiện bằng cách tính chu kỳ theo cách nh trên. Sau đó nghịch đảo giá trị của chu kỳ ta tính đợc tần số.
Ví dụ: ở hình bên s/div là 1ms. Chu kỳ của tín hiệu dài 16ô, do vậy chu kỳ là
16ms ⇒ f = 1/16ms = 62,5Hz
4. Đo tần số và độ lệch pha bằng
phơng pháp so sánh
Ngoài cách đo tần số thông qua việc đo chu kỳ nh ở trên, có thể đo tần số bằng máy hiện sóng nh sau: so sánh tần số của tín hiệu cần đo fx với tần số chuẩn fo. Tín hiệu cần đo đa vào cực Y, tín hiệu tần số chuẩn đa vào cực X. Chế độ làm việc này của máy hiện sóng gọi là chế độ X-Y mode và các sóng đều có dạng hình sin. Khi đó trên màn hình sẽ hiện ra một đờng cong phức tạp gọi là đờng cong Lissajou.
Điều chỉnh tần số chuẩn tới khi tần số cần đo là bội hoặc ớc nguyên của tần số chuẩn thì trên màn hình sẽ có một đờng Lissajou đứng yên. Hình dáng của đờng
Lissajou rất khác nhau tuỳ
thuộc vào tỉ số tần số giữa hai tín hiệu và độ lệch pha giữa chúng. Xem hình bên. Ta có: n m fx fo = với n là số múi
theo chiều ngang và m là
số múi theo chiều dọc
(hoặc có thể lấy số điểm cắt
lớn nhất theo mỗi trục
hoặc số điểm tiếp tuyến với
hình Lissajou của mỗi trục)
Phơng pháp hình
Lissajou cho phép đo tần
số trong khoảng từ 10Hz tới tần số giới hạn của máy.
Nếu muốn đo độ lệch pha ta cho 2 tần số của hai tín hiệu bằng nhau, khi đó đờng Lissajou có dạng elip. Điều chỉnh Y-POS và X-POS sao cho tâm của elip trùng với tâm màn hình (gốc toạ độ). Khi đó góc lệch pha đợc tính bằng: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
) ( B A arctg =
Nhợc điểm của phơng pháp này là không xác định đợc dấu của góc pha và sai số của phép đo khá lớn (5 – 10%)
chơng 9:
Đo lờng các đại lợng không điện I. khái niệm chung
+ Đối tợng đo lờng là các đại lợng vật lý không điện nh nhiệt độ, áp suất,... là các đại lợng cần đo X. Sau khi tiến hành các quá trình thực nghiệm bằng cách sử dụng các phơng tiện điện tử để xử lý tín hiệu, ở đầu ra ta đợc một đại lợng tơng ứng. Sự biến đổi của đại lợng này chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết X, việc đo lờng đại lợng X thực hiện đợc là nhờ sử dụng các cảm biến (Sensor)
+ Định nghĩa cảm biến:
Cảm biến là một thiết bị dùng để biến đổi từ đại lợng vật lý này sang đại lợng vật lý khác mang bản chất điện với một độ chính xác nhất định. Quan hệ giữa đại l- ợng ra và đại lợng vào là quan hệ hàm đơn trị.
trong đó: X là đại lợng không điện cần đo
Y là đại lợng ra (đại lợng điện), là một hàm của đại lợng cần đo,
Y = F(X)
Việc đo lờng Y sẽ cho phép nhận biết giá trị của X; Y = F(X) là dạng lý thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo (kích thớc và hình dạng), vật liệu chế tạo cảm biến, đôi khi cả vào môi trờng và chế độ sử dụng (nhiệt độ, nguồn nuôi).
Vị trí của cảm biến trong thiết bị đo lờng chính là phần chuyển đổi sơ cấp
+ Lĩnh vực ứng dụng: cảm biến đợc sử dụng ở hầu hết các mặt của sản xuất cũng nh đời sống xã hội.
ví dụ: Viễn thông: trong các cơ cấu tự động cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy... của tổng đài, góp phần đảm bảo tổng đài hoạt động đợc liên tục; cảm biến tại các thiết bị đầu cuối để chuyển âm thanh, hình ảnh thành tín hiệu điện; tại các thiết bị truyền dẫn chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang và ngợc lại.
Tự động hoá: sử dụng cảm biến để biết đợc các thông số của đối tợng cần điều khiển (tốc độ động cơ, vận tốc của vật, xe cộ; hớng đi....) từ đó xây dựng phơng pháp điều khiển
...
+ Nguyên tắc: cảm biến thờng dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng
năng lợng nào đó (nhiệt, cơ, hoặc bức xạ) thành năng lợng điện. (xem lại phần
chuyển đổi sơ cấp).
II. Các loại cảm biến
Dới đây là một số kiểu cảm biến thông dụng nhất
1. Cảm biến kiểu biến trở
+ Cấu tạo: Gồm 3 phần: lõi, dây quấn và con trợt. Lõi:
Có hình dáng khác nhau:dạng hàm số, dạng nhảy cấp.
Chất liệu: làm bằng bakelit, sứ, kim loại có phủ lớp cách điện. Dây quấn:
Có đờng kính khoảng ∅=(0,02 ữ 0,07)mm.
Chất liệu: làm bằng đồng, niken, pratin, mangamin. Đối với loại mangamin thì điện trở là ổn định nhất.
Điện trở của dây: tuỳ từng loại có thể từ vài Ω đến 1000Ω. Con trợt: chế tạo bằng đồng faberin-fôtfo.
Cảm biến Y
Lực tì khoảng: 0,01 ữ 0,05 N. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Nguyên tắc làm việc: khi đại lợng không điện tác động vào con trợt làm con trợt di chuyển, điện trở của cảm biến sẽ thay đổi tơng ứng. Nghĩa là:
R = f(X)
Cảm biến điện trở chỉ cho ta phát hiện sự biến thiên điện trở bằng điện trở của một vòng dây tơng ứng với một di chuyển bằng khoảng cách giữa hai vòng dây.
+
ứ ng dụng:
Cảm biến biến trở thờng dùng để đo di chuyển nhỏ (2-3)mm, đo di chuyển góc, đo lực áp suất >0,01N
2. Cảm biến điện trở lực căng (tenzômet)
+ Cấu tạo: Hình bên là cấu tạo của cảm biến điện trở lực căng, bao gồm: 1. Tấm giấy mỏng.
Hình dáng th ờng gặp của cảm biến biến trở
a) W
R1 R2
R0
c) Quan hệ vào/ra của cảm biến biến trở R1 R2 R R0 0 x b) R1 R2 R0 w r1 r2 r3 r4 d) w R1 R2 R0 e) w R1 R2 R0 l0 a 1 2 3 98
2. Dây mảnh: Φ = 0,02 ữ 0,03mm.
Chế tạo bằng vật liệu constantan, nicrôm, hợp kim platin-iridi Thông thờng l0 = 8 ữ 15mm, khi cần kích thớc nhỏ l0 = 2,5mm. Chiều rộng a = 3 ữ 10mm
Điện trở thay đổi từ 10 ữ 150Ω. Khi chiều dài tác dụng không bị hạn chế l0
có thể dài tới 100mm. Điện trở từ 800 ữ 1000Ω.
3. Thanh dẫn là đờng tín hiệu, để nối với mạch đo
+Nguyên tắc làm việc: dựa trên hiệu ứng tenzô, có một số vật liệu mà khi nó bị biến dạng thì điện trở của nó thay đổi. Khi đo biến dạng ∆l/l , cảm biến đợc dán trên đối tợng đo, khi đối tợng đo bị biến dạng thì tenzô biến dạng theo và điện trở của tenzô thay đổi một lợng ∆R/R.
Tức là ∆R/R=f(∆l/l)
Qua việc xác định biến thiên R, ta có thể xác định đợc lợng biến thiên về chiều dài l
+
Phân loại: tenzômetchia làm các loại màng mỏng, lá mỏng, dây mảnh
+
ứ ng dụng:
Đo biến dạng.
Đo lực, đo áp suất, đo mômen quay, đo gia tốc và các đại lợng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn (1 ữ 2)107N/m2.
Loại cảm biến này có thể đo các đại lợng biến thiên tới vài chục KHz
3. Cảm biến kiểu điện cảm
+ Cấu tạo: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cảm biến điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí (mạch từ hở). Thông số của nó thay đổi dới tác động của đại lợng vào XV.
+ Nguyên tắc làm việc: Dới tác động của đại lợng đo XV làm cho phần ứng 3 di chuyển, khe hở không khí δ thay đổi làm thay đổi từ trở của lõi thép, do đó điện cảm và tổng trở của cảm biến cũng thay đổi theo. Điện cảm có thể thay đổi do tiết diện khe hở không khí thay đổi hoặc thay đổi do tổn hao dòng điện xoáy dới tác
động của đại lợng đo XV
Nếu bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và trở từ của lõi thép, ta có: L = W2.à0.s/δ
- W: số vòng dây của cuộn dây - δ: chiều dài khe hở không khí - à0: độ từ thẩm của không khí
- s: tiết diện thực của khe hở không khí ϕV ~ XV ~ b) 1 2 X V δ 3 X V δ1 δ2 1 2 ~ a) 100
+ Mạch đo: cũng sử dụng mạch cầu là chủ yếu
+ ứ
ng dụng:
Tuỳ từng loại cấu trúc của cảm biến mà cảm biến điện cảm có thể đo đợc các đại l- ợng vật lý khác nhau.
- Đo di chuyển từ vài trục àm đến vài trục cm (hình bên) - Đo chiều dày lớp phủ, đo độ bóng của chi tiết gia công … - Đo lực từ 1/10 N đến hàng chục, hàng trăm N.
- Đo áp suất với dải đo: 10 -3N/m2ữ 10.000 N/m2
- Đo gia tốc: 10 -2g ữ100g.
Cùng loại còn có Hỗ cảm, áp từ, cảm ứng chúng là nhóm các cảm biến dựa trên quy luật điện từ: Đại lợng không điện cần đo làm thay đổi điện cảm, hỗ cảm của cảm biến hay từ thông, độ từ thẩm của lõi thép.
4. Cảm biến kiểu áp điện
Sơ đồ cầu đo hai nhánh sử dụng cảm biến điện cảm
∆U≠ 0 C Chỉnh l u Khuyếch đại U0 ~ L-∆L L+∆ L R0 Rc R 2 R 1 CT Chỉ thị
+ Cấu tạo:
Vật liệu chế tạo: Tinh thể thạch anh tự nhiên (Si02),
Titanatbari BaTi03 nhân tạo, Muối xênhét
. . .
Cấu trúc một tinh thể thạch anh nh sau:
Gồm 3 trục: OX - trục điện,
OY - trục cơ, OZ - trục quang.
+ Nguyên tắc làm việc:
Nguyên tắc làm việc của cảm biến áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện (còn gọi là hiệu ứng piezô). Có một số vật liệu khi chịu tác động một lực cơ học biến thiên trên bề mặt của nó xuất hiện các điện tích q, khi lực tác động ngừng các điện tích q cũng biến mất, hiệu ứng trên gọi là hiệu ứng áp điện thuận. Ngợc lại, nếu đặt các vật liệu trên trong các điện trờng biến thiên, điện trờng tác động lên chúng làm biến dạng cơ học, hiện tợng đó gọi là hiệu ứng áp điện ngợc
Hiện tợng áp điện chỉ xẩy ra khi :
- Tác động theo trục X một lực Fx, sẽ gây ra hiệu ứng áp điện dọc với điện tích
q = d1.Fx, d1 là hằng số áp điện, điện tích sinh ra không phụ thuộc vào cấu trúc hình học của nó mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn của lực Fx. Dấu của điện tích thay đổi với sự thay đổi dấu của lực Fx.
- Khi tác động theo trục Y một lực Fy thì sinh ra hiệu ứng áp điện ngang với điện tích q = -( (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
x y )d
1Fy. Điện tích này phụ thuộc vào kích thớc hình học x, y là
kích thớc của chuyển đổi theo trục X và trục Y.
d1: là hằng số áp điện (còn gọi là mô đun áp điện). x, y: là kích thớc của phần tử áp điện theo trục X và Y.
Dấu của điện tích q với hiệu ứng áp điện dọc và ngang ngợc nhau nghĩa là lực Fx nén làm xuất hiện các điện tích cùng dấu với lực Fy kéo và ngợc lại.
- Khi tác động theo trục quang (OZ) thì q = 0, không có hiệu ứng áp điện.
Chú ý: Trờng hợp các cạnh của cảm biến không song song với các trục chính hoặc các lực tác động không song song với các trục thì điện tích sinh ra bé hơn
+ Tính chất của một số vật liệu áp điện:
a, Thạch anh (SiO2): là vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp có các tính chất sau:
a,Cấu trúc một tinh thể thạch anh
b) Mặt cắt của tinh thể thạch anh
a) b) X y Fx Fy Fy x Y Z X 102
Hằng số áp điện: d1 = 2,1.10-12( C/N). Hằng số điện môi: ε = 39,8.10-12(F/m). ứng suất cho phép: σ = 70 ữ 100 N/mm2.
Điện trở suất: ρ = 1016 Ω/m nhng phụ thuộc vào nhiệt độ và phụ thuộc vào
chiều trục (có giá trị khác nhau ở các chiều trục khác nhau). Từ 0 ữ 2000C thì d1 không phụ thuộc vào nhiệt độ. Từ 200 ữ 5000C thì d1 bị giảm đi.
Với 5730C thì tính chất áp điện không còn.
b, TitanatBari (BaTiO3): là loại vật liệu tổng hợp có tính chất sau: Hằng số áp điện: d1 = 107.10-12( C/N).
Hằng số điện môi: ε = 1240.103(F/m). Mô đun đàn hồi: E = 115.101(F/mm2).
Các tính chất của BaTiO3 không phụ thuộc vào độ ẩm nhng phụ thuộc vào tạp
chất, công nghệ chế tạo và điện áp phân cực.
Hệ số áp điện d1 không phải là hằng số. Nhiều trờng hợp giảm 20% sau 2 năm
sử dụng, tính chất áp điện của nó không ổn định theo nhiệt độ.
Do có hiện tợng trễ nên đặc tính q = f(F) không tuyến tính nhng loại vật liệu này có độ bền cơ học cao, rẻ tiền, chế tạo đợc các hình dáng bất kỳ nên dợc dùng rộng rãi.
Ngoài ra còn có vật liệu Titanat chì (PbTiO3) và Ziriconat chì (PbZnO3) có mô đun điện áp lớn gấp 4 lần BaTiO3.
+ Mạch điện ứng dụng:
Ví dụ sơ đồ cấu tạo của cảm biến áp điện để đo lực f(x). Cấu tạo gồm:
1. Phần tử áp điện. 2. Dây dẫn. 3. Cáp điện.
Khi lực F tác động có dạng F = Fmaxsinωt, thì điện áp ra sẽ là: Ur = . 1 1 1 . . 1 CoRo j Ro F d j Co j Ro Co j Ro I ω ω ω ω + = + + ứ ng dụng:
Dùng để đo lực biến thiên ( đến 10.000 N ). Đo áp suất ( 100 N/mm2)
Làm các gia tốc kế đo gia tốc tới 100g (g – gia tốc trọng trờng ) trong dải tần từ 0,5 ữ 100 kHz. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đo các biến dạng , các di chuyển nhỏ
5. Cặp nhiệt điện
+ Cấu tạo:
Gồm hai hay thanh kim loại khác nhau đợc hàn với nhau tại một đầu, điểm hàn ấy gọi là điểm công tác hai đầu còn lại gọi là đầu tự do.
x f X fV 1 2 3
Mạch đo của cảm biến áp điện
Ura C2 R2 R0 R 0 C 0 F i~
R0 , R2 , C0 , C2 là điện trở và điện dung thực của cảm biến và mạch khuyếch đại. Mạch KĐ
Để đảm bảo tránh h hỏng cơ học và ảnh hởng ngẫu nhiên của các đối tợng đo, các điện cực nhiệt đợc đặt trong các vỏ thép bảo vệ. Hình dới đây là cấu tạo của một loại điện kế chuẩn.
Trên hình vẽ ngời ta đặt các điện cực (3) trong vỏ bảo vệ (1) có chuỗi cách điện (4). Mối hàn (2) tiếp xúc với đáy vỏ bảo vệ hay có thể cách ly bằng đầu sứ.