Bài giảng kỹ thuật đo lường điện tử

Hà nội 6/ 2005
Đỗ Lơng Hùng
Phạm Thanh Huyền
Đào Thanh Toản


Bài giảng
kỹ thuật đo lờng điện tử
Chuyên ngành: KTVT, KTTT, ĐKH-THGT



+
-


BomonKTDT-ĐHGTVT


2



Lời nói đầu:

Kỹ thuật Đo lờng Điện tử là môn học nghiên cứu các phơng pháp đo các
đại lợng vật lý: đại lợng điện: điện áp, dòng điện, công suất, và đại lợng
không điện: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc
Bài giảng Kỹ thuật Đo lờng Điện tử đợc biên soạn dựa trên các giáo trình

và tài liệu tham khảo mới nhất hiện nay, đợc dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh
viên các ngành: Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Thông tin, Tự động hoá, Trang thiết
bị điện, Tín hiệu Giao thông.
Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã đợc các đồng nghiệp đóng góp
nhiều ý kiến, mặc dù cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách đợc hoàn chỉnh
hơn, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế. Chúng tôi mong
nhận đợc các ý kiến đóng góp của bạn đọc.
Xin liên hệ:




DTT_PTH_DLH


3




BomonKTDT-ĐHGTVT


4

Chơng 1:

Khái niệm cơ bản trong
kỹ thuật đo lờng

I. Định nghĩa và khái niệm cHung về đo lờng
1. Định nghĩa về đo lờng, đo lờng học và KTĐL
a. Đo lờng
Đo lờng là một quá trình đánh giá định lợng về đại lợng cần đo để có đợc
kết quả bằng số so với đơn vị đo.
Kết quả đo đợc biểu diễn dới dạng:
XoAX
Xo
X
A .==
trong đó: A: con số kết quả đo
X: đại lợng cần đo
Xo: đơn vị đo
b. Đo lờng học
Đo lờng học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo các đại lợng khác
nhau, nghiên cứu mẫu và đơn vị đo.
c. Kỹ thuật đo lờng (KTĐL)
KTĐL là ngành kỹ thuật chuyên môn nghiên cứu để áp dụng kết quả của đo
lờng học vào phục vụ sản xuất và đời sống xã hội.
2. Phân loại cách thực hiện phép đo
a. Đo trực tiếp là cách đo mà kết quả nhận đợc trực tiếp từ một phép đo duy nhất.
Nghĩa là, kết quả đo đợc chính là trị số của đại lợng cần đo mà không phải tính
toán thông qua bất kỳ một biểu thức nào.
Nếu không tính đến sai số thì trị số đúng của đại lợng cần đo X sẽ bằng kết
quả đo đợc A.
Phơng pháp đo trực tiếp có u điểm là đơn giản, nhanh chóng và loại bỏ
đợc sai số do tính toán.
ví dụ: Vônmet đo điện áp, ampemet đo cờng độ dòng điện, oatmet đo công suất .
b. Đo gián tiếp là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều
phép đo dùng cách đo trực tiếp. Nghĩa là, kết quả đo không phải là trị số của đại

lợng cần đo, các số liệu cơ sở có đợc từ các phép đo trực tiếp sẽ đợc sử dụng để
tính ra trị số của đại lợng cần đo thông qua một phơng trình vật lý liên quan giữa
các đại lợng này.
X = f(A1, A2, An)
Trong đó A1, A2 An là kết quả đo của các phép đo trực tiếp.
ví dụ: để đo công suất (P) có thể sử dụng vôn met để đo điện áp (U), ampe met đo
cờng độ dòng điện (I), sau đó sử dụng phơng trình: P = U.I ta tính đợc công suất
Cách đo gián tiếp mắc phải nhiều sai số do sai số của các phép đo trực tiếp
đợc tích luỹ lại. Vì vậy cách đo này chỉ nên áp dụng trong các trờng hợp không
thể dùng dụng cụ đo trực tiếp mà thôi.
c. Đo tơng quan là phơng pháp đợc sử dụng trong trờng hợp cần đo
các quá trình phức tạp mà ở đây không thể thiết lập một quan hệ hàm số nào giữa
các đại lợng là các thông số của các quá trình nghiên cứu.



Chơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL

5
d. Đo hợp bộ là phơng pháp có đợc kết quả đo nhờ giải một hệ phơng trình mà
các thông số đã biết trớc chính là các số liệu đo đợc từ các phép đo trực tiếp.
e. Đo thống kê là phơng pháp sử dụng cách đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình
để đảm bảo kết quả chính xác. Cách này đợc sử dụng khi đo tín hiệu ngẫu nhiên
hoặc kiểm tra độ chính xác của dụng cụ đo.
II. Các đặc trng của KTĐL
KTĐL gồm các đặc trng sau: đại lợng cần đo, điều kiện đo, đơn vị đo, thiết
bị đo và ngời quan sát hay thiết bị nhận kết quả đo
1. Khái niệm về tín hiệu đo và đại lợng đo
a. Tín hiệu đo lờng là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại lợng đo lờng.
b. Đại lợng đo là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu đo. Do quá trình

vật lý có thể có nhiều thông số nhng trong mỗi trờng hợp cụ thể ngời ta chỉ quan
tâm đến một hoặc một vài thông số nhất định.
ví dụ: để xác định độ rung có thể xác định thông qua một trong các thông số nh:
biên độ rung, gia tốc rung, tốc độ rung
Có nhiều cách để phân loại đại lợng đo, dới đây là một số cách thông dụng.
* Phân loại theo tính chất thay đổi của đại lợng đo:
Có hai loại đại lợng đo là:
+ Đại lợng đo tiền định là đại lợng đo đã biết trớc quy luật thay đổi theo
thời gian của chúng.
+ Đại lợng đo ngẫu nhiên là đại lợng đo mà sự thay đổi theo thời gian
không theo một quy luật nhất định nào. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu ta
đều nhận đợc đại lợng ngẫu nhiên.
Chú ý: Trên thực tế, đa số các đại lợng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên, có thể giả
thiết rằng trong suốt thời gian tiến hành phép đo đại lợng đo phải không đổi hoặc
thay đổi theo quy luật đã biết trớc, nghĩa là tín hiệu ở dạng biến đổi chậm. Còn khi
đại lợng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh thì cần sử dụng phơng pháp đo
lờng thống kê.
* Phân loại theo cách biến đổi tín hiệu đo
Có hai loại tín hiệu đo là tín hiệu đo liên tục hay tơng tự và tín hiệu đo rời
rạc hay số. Khi đó ứng với 2 loại tín hiệu đo này có hai loại dụng cụ đo là dụng cụ
đo tơng tự và dụng cụ đo số.
* Phân loại theo bản chất của đại lợng đo
+ Đại lợng đo năng lợng là đại lợng mà bản thân nó mang năng lợng.
ví dụ: điện áp, dòng điện, sức điện động, công suất
+ Đại lợng đo thông số là đại lợng đo các thông số của mạch
ví dụ: điện trở, điện dung, điện cảm
+ Đại lợng phụ thuộc vào thời gian
ví dụ: tần số, góc pha, chu kỳ
+ Đại lợng không điện. Để đo các đại lợng này bằng phơng pháp điện cần
biến đổi chúng thành các đại lợng điện

ví dụ: để đo độ co giãn của vật liệu có thể sử dụng tenzo để chuyển sự thay đổi của
hình dạng thành sự thay đổi của điện trở và đo giá trị điện trở này để suy ra sự biến
đổi về hình dạng.
2. Điều kiện đo
Các thông tin đo lờng bao giờ cũng gắn với môi trờng sinh ra đại lợng đo.
Môi trờng ở đây có thể điều kiện môi trờng tự nhiên và cả môi trờng do con
ngời tạo ra.


BomonKTDT-ĐHGTVT


6
Khi tiến hành phép đo cần tính đến ảnh hởng của môi trờng tự nhiên đến
kết quả đo và ngợc lại. Ví dụ: các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ rung
Khi sử dụng dụng cụ đo phải không làm ảnh hởng đến đối tợng đo. Ví dụ
với phép đo cờng độ dòng điện thì cần sử dụng ampe kế có điện trở trong càng nhỏ
càng tốt nhng khi đo điện áp thì cần dùng vôn kế có điện trở trong càng lớn càng
tốt.
3. Đơn vị đo
Mỗi một quốc gia có một tập quán sử dụng các đơn vị đo lờng khác nhau. Để
thống nhất các đơn vị này ngời ta thành lập Hệ đơn vị đo lờng quốc tế. Ngày 20-
1-1950 Chủ tịch Hồ Chí Minh đã ký sắc lệnh số 8/SL quy định hệ thống đo lờng
Việt nam theo hệ SI, và ngày 20/1 hằng năm là ngày Đo Lờng Việt nam.
Theo Pháp lệnh Đo lờng ngày 06 tháng 10 năm 1999, đơn vị đo lờng hợp
pháp là đơn vị đo lờng đợc Nhà nớc công nhận và cho phép sử dụng. Nhà nớc
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam công nhận Hệ đơn vị đo lờng quốc tế (viết tắt
là SI). Chính phủ quy định đơn vị đo lờng hợp pháp phù hợp với Hệ đơn vị đo
lờng quốc tế.
Hệ đơn vị đo lờng quốc tế SI bao gồm 7 đơn vị cơ bản:

Đơn vị chiều dài met m
Đơn vị khối lợng kilogram kg
Đơn vị thời gian second s
Đơn vị cờng độ dòng điện Ampe A
Đơn vị nhiệt độ Kelvin K
Đơn vị cờng độ sáng Candela Cd
Đơn vị số lợng vật chất mol mol

Các đơn vị khác đợc định nghĩa thông qua các đơn vị cơ bản gọi là các đơn
vị dẫn xuất. (xem chi tiết trong Nghị định của chính phủ số 65/2001 NĐ-CP về việc
Ban hành hệ thống đơn vị đo lờng hợp pháp của nớc Cộng hoà xã hội chủ nghĩa
Việt Nam)
Dới đây là một số đơn vị dẫn xuất điện và từ

Đơn vị
Đại lợng
Tên Ký hiệu
Công suất oát W
Điện tích, điện lợng culông C
Hiệu điện thế, điện thế, điện áp, suất điện
động
von V
Điện dung fara F
Điện trở ôm

Điện dẫn simen S
Độ tự cảm Henry H
Thông lợng từ (từ thông) vebe Wb
Mật độ từ thông, cảm ứng từ tesla T

Cờng độ điện trờng von trên met V/m
Cờng độ từ trờng ampe trên met A/m
Năng lợng điện electronvon eV




Chơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL

7
Ước và bội thập phân của các đơn vị SI

Chữ đọc Ký hiệu Hệ số nhân
yotta Y 10
24

zetta Z 10
21

exa E 10
18

peta P 10
15

tera T 10
12
giga G 10
9

mega M 10
6

kilo k 10
3

hecto h 10
2

deka da 10
deci d 10
-1

centi c 10
-2

milli m 10
-3

micro
à
10
-6

nano n 10
-9

pico p 10
-12

femto f 10
-15

atto a 10
-18

zepto z 10
-21

yocto y 10
-24


4. Thiết bị đo và phơng pháp đo
Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo
thành dạng tiện lợi cho ngời quan sát.
Thiết bị đo gồm: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo lờng, dụng cụ đo lờng, tổ hợp
thiết bị đo lờng và hệ thống thông tin đo lờng. (xem chi tiết ở phần sau)
Phơng pháp đo đợc chia làm 2 loại chủ yếu là phơng pháp đo biến đổi
thẳng và phơng pháp đo so sánh. (xem chi tiết ở phần sau)
5. Ngời quan sát
Là ngời tiến hành đo hoặc gia công kết quả đo. Yêu cầu nắm đợc phơng
pháp đo, hiểu biết về thiết bị đo và lựa chọn dụng cụ hợp lý, kiểm tra điều kiện đo
(phải nằm trong chuẩn cho phép để sai số chấp nhận đợc) và biết cách gia công số
liệu thu đợc sau khi đo.
6. Kết quả đo
Giá trị xác định bằng thực nghiệm đợc gọi là ớc lợng của đại lợng đo, giá
trị gần giá trị thực mà ở điều kiện nào đó có thể coi là thực.
Sử dụng các phơng pháp đánh giá sai số để đánh giá kết quả đo. (xem chi tiết
ở phần sau)

III. Các phơng pháp đo
1. Phơng pháp đo biến đổi thẳng
Là phơng pháp đo có cấu trúc kiểu biến đổi thẳng, không có khâu phản hồi.
Quá trình đo là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo gọi là thiết bị biến đổi thẳng.






BomonKTDT-ĐHGTVT


8







BĐ là bộ biến đổi; SS là bộ so sánh;
A/D là bộ chuyển đổi tơng tự / số; CT là cơ cấu chỉ thị.
Đại lợng cần đo X đợc đa qua các khâu biến đổi và thành con số Nx. Đơn
vị đo Xo cũng đợc biến đổi thành No sau đó so sánh giữa đại lợng cần đo với đơn
vị đo qua bộ so sánh. Kết quả đo đợc thể hiện bởi phép chia Nx/No
Kết qủa đo: Xo
No
Nx
X .=

2. Phơng pháp đo kiểu so sánh
Phơng pháp này có sử dụng khâu hồi tiếp
Trong đó:
SS là bộ so sánh; BĐ là bộ biến đổi;
A/D là bộ chuyển đổi tơng tự / số; D/A là bộ chuyển đổi số /
tơng tự;
CT là cơ cấu chỉ thị.
Tín hiệu X đợc đem so sánh với một tín hiệu X
k
tỉ lệ với đại lợng mẫu Xo.
Khi đó qua bộ so sánh ta có

X = X X
k

Có hai cách so sánh là so sánh cân bằng và so sánh không cân bằng.
a. So sánh cân bằng
Phép so sánh đợc thực hiện sao cho

X = 0 và khi đó: X = X
k
= N
k
.Xo
Nh vậy đại lợng mẫu X
k
chính là một đại lợng thay đổi bám theo X sao
cho khi X thay đổi luôn đợc kết quả nh trên. Phép so sánh luôn ở trạng thái cân
bằng (đôi khi ngời ta còn gọi phơng pháp này là phơng pháp cân).
Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của X

k
và độ nhạy của
thiết bị chỉ thị cân bằng (thờng là thiết bị chỉ thị 0)
Các dụng cụ đo theo phơng pháp so sánh cân bằng thờng là các cầu đo và
điện thế kế cân bằng.
b. So sánh không cân bằng
Nếu X
k
là đại lợng không đổi, khi đó ta có: X = X
k
+

X
Nghĩa là kết qủa đo đợc đánh giá thông qua

X với X
k
là đại lợng mẫu đã
biết trớc. Phơng pháp này đợc sử dụng để đo các đại lợng không điện nh nhiệt
độ, áp suất .
c. So sánh không đồng thời
SS BĐ A/D CT
D/A
X
N
k

X
k
BĐ A/D SS

X
Xo
X
Xo
Nx
No
Nx/No
CT



Chơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL

9
Với phơng pháp này, đại lợng X và X
k
không đợc đa vào thiết bị cùng
một lúc. X
k
đợc đa vào trớc để xác định giá trị trên thang khắc độ, sau đó thông
qua thang độ xác định đại lợng đo.
ví dụ: các thiết bị đánh giá trực tiếp nh ampe kế, vôn kế . chỉ thị kim
d. So sánh đồng thời
Là phơng pháp so sánh cùng một lúc đại lợng cần đo X và đại lợng mẫu
X
k
. Khi X và X
k
trùng nhau thì thông qua X
k

sẽ xác định đợc giá trị của X.

3. Các thao tác cơ bản khi tiến hành phép đo
1) Thao tác tạo mẫu: là quá trình lập đơn vị tạo ra mẫu biến đổi hoặc khắc trên
thang đo của thiết bị đo.
2) Thao tác biến đổi: là quá trình biến đổi đại lợng đo (hay đại lợng mẫu)
thành những đại lợng khác tiện cho việc đo hay xử lý, thực hiện các thuật toán, tạo
ra các mạch đo và gia công kết quả đo
3) Thao tác so sánh: là quá trình so sánh đại lợng đo với mẫu hay giữa con số
tỉ lệ với đại lợng đo và con số tỉ lệ với mẫu.
4) Thao tác thể hiện kết quả đo: là quá trình chỉ thị kết quả đo dới dạng
tơng tự hoặc con số, có thể ghi lại kết qủa đo trên giấy hay bộ nhớ.
5) Thao tác gia công kết quả đo: là quá trình xử lý kết qủa đo bằng tay hoặc
máy tính.
IV. Phân loại thiết bị đo
Thiết bị đo là sự thể hiện phơng pháp đo bằng các khâu chức năng cụ thể.
Thiết bị đo gồm các loại sau:
1. Mẫu
Là thiết bị để khôi phục một đại lợng vật lý nhất định. Những dụng cụ mẫu
phải đạt độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tuỳ theo từng cấp chính xác và
từng loại thiết bị. Mẫu đợc sử dụng để chuẩn hoá lại các dụng cụ đo lờng.

* Chuẩn hoá thiết bị đo lờng:
Yêu cầu chuẩn hoá thiết bị đo lờng là rất quan trọng và cần thiết vì mỗi quốc
gia có tập quán sử dụng các đơn vị đo lờng riêng và có rất nhiều công ty sản xuất
các thiết bị đo lờng. Hơn nữa, việc sử dụng các đơn vị đo lờng khác nhau, kiểu
mẫu khác nhau sẽ đem lại những bất tiện không thể tránh khỏi cho ngời dùng.
Ngoài ra, vì mục đích sử dụng của các thiết bị đo lờng rất khác nhau nên ngoài
việc quy ớc sử dụng một hệ thống quốc tế chung (hệ SI) thì độ chính xác của các
thiết bị cũng đợc quy định một cách chặt chẽ. Nếu lấy tiêu chí là độ chính xác thì

thiết bị đo lờng đợc chia làm 4 cấp:
+ Cấp 1- chuẩn quốc tế (International standard), các thiết bị đo chuẩn quốc tế
đợc đặt tại trung tâm đo lờng quốc tế- tại PARIS -Pháp
+ Cấp 2- chuẩn quốc gia (National standard) là chuẩn đo lờng có độ chính
xác cao nhất của quốc gia đợc dùng làm gốc để xác định giá trị các chuẩn còn lại
của lĩnh vực đo lờng. Chuẩn quốc gia đợc đặt tại các viện đo lờng quốc gia,
chúng đợc chuẩn hoá định kỳ theo chuẩn quốc tế hoặc qua các chuẩn quốc gia của
nớc ngoài.
+ Cấp 3- chuẩn khu vực (Zone standard) là chuẩn cho các trung tâm khu vực,
nó tuân theo chuẩn quốc gia.
+ Cấp 4- chuẩn phòng thí nghiệm (Lab-standard) đây là cấp chuẩn để chuẩn
hoá các thiết bị đo lờng dùng cho sản xuất công nghiệp, nó tuân theo cấp nào thì sẽ
mang chuẩn cấp đó (cấp 2,3)



BomonKTDT-ĐHGTVT


10
Cấp chính xác của thiết bị đo
Các thiết bị đo lờng trên thị trờng là các thiết bị đã đợc kiểm nghiệm
chất lợng theo các cấp nh trên, kết quả kiệm nghiệm sẽ xác định đợc cấp chính
xác. Chúng thờng đợc ghi trên vỏ máy, cataloge giới thiệu sản phẩm, hoặc tra
trong sổ tay kỹ thuật, thông thờng chỉ những trờng hợp đặc biệt ta mới quan tâm
tới thông số này.
Tại Trung tâm đo lờng Nhà nớc Việt Nam có đại lợng chuẩn:
1. Độ dài
2. Góc
3. Khối lợng

4. Khối lợng riêng
5. Dung tích
6. Độ nhớt
7. pH
8. Lực
9. Độ cứng
10. áp suất
11. Điện áp DC
12. Dòng DC
13. Điện trở
14. Điện dung
15. Điện cảm
16. Công suất
17. Điện năng
18. Điện áp cao tần
19. Công suất cao tần
20. Mức
21. Độ suy giảm
22. Thời gian
23. Tần số
24. Nhiệt độ
Tại Cục Tiêu chuẩn - Đo lờng - Chất lợng Bộ Quốc Phòng có 2 đại lợng
chuẩn:
1. Cờng độ sáng 2. Quang thông.
Tại Viện năng lợng nguyên tử Việt Nam có 2 đại lợng chuẩn:
1. Hoạt độ phóng xạ 2. Liều lợng phóng xạ.
Cơ quan quản lý Nhà nớc về đo lờng các cấp có trách nghiệm tổ chức xây
dựng các cấp có trách nhiệm tổ chức xây dựng các cơ sở có đủ điều kiện thực hiện
việc kiểm định, ta đã có các đơn vị kiểm định từ Trung ơng đến địa phơng bao
gồm các cơ sở kiểm định thuộc các cơ quan quản lý nhà nớc về đo lờng và các cơ

sở đợc uỷ quyền kiểm định. Trung tâm đo lờng nhà nớc và các trung tâm tiêu
chuẩn kỹ thuật đo lờng chất lợng ba miền Bắc, Trung, Nam thực hiện việc kiểm
định đối với chuẩn đo lờng, những phơng tiện đó có yêu cầu kỹ thuật cao nhất.
Các cơ sở kiểm định thuộc Chi cục Tiêu chuẩn, Đo lờng, Chất lợng tỉnh, thành
phố thực hiện việc kiểm định đối với những phơng tiện thông dụng, phổ biến đợc
sử dụng với số lợng lớn gắn với đời sống nhân dân.
Cơ sở pháp lý là các văn bản: Pháp lệnh đo lờng số 16/1999/PL - UBTVQH
10, nghị định của Chính phủ số 65/2001/NĐ - CP Ban hành hệ thống đơn vị đo
lờng hợp pháp của Việt Nam, các thông t hớng dẫn các vấn đề cụ thể về quy chế
và quy trình kiểm định phơng tiện đo, duyệt mẫu, công nhận khả năng và uỷ quyền
kiểm định
2. Thiết bị đo lờng điện
Là thiết bị đo lờng bằng điện để gia công các thông tin đo lờng, tức là tín
hiệu điện có quan hệ hàm với các đại lợng vật lý cần đo. Dựa vào cách biến đổi tín
hiệu và chỉ thị ngời ta phân dụng cụ đo điện thành 2 loại là:
* Dụng cụ đo tơng tự: là dụng cụ đo mà giá trị của kết qủa đo thu đợc là
một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại lợng đo. Dụng cụ đo chỉ thị kim và
dụng cụ đo kiểu tự ghi (có thể ghi trên giấy, màn hình, băng đĩa từ ) là hai loại
dụng cụ đo tơng tự.
* Dụng cụ đo số: là dụng cụ đo mà kết qủa đo đợc thể hiện bằng con số
3. Chuyển đổi đo lờng



Chơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL

11
Là loại thiết bị để gia công tín hiệu thông tin đo lờng để tiện cho việc biến
đổi, đo, gia công và lu giữ kết quả
Có hai loại chuyển đổi đo lờng là:

* Chuyển đổi từ đại lợng không điện thành đại lợng điện
* Chuyển đổi từ đại lợng điện thành đại lợng điện khác
4. Hệ thống thông tin đo lờng
Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ trợ để tự động thu thập kết qủa
từ nhiều nguồn khác nhau, truyền thông tin đo lờng để phục vụ việc đo và điều
khiển. Có thể phân thành nhiều nhóm nh sau:
* Hệ thống đo lờng: đo và ghi lại kết quả đo
* Hệ thống kiểm tra tự động: kiểm tra đại lợng đo
* Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật
* Hệ thống nhận dạng: kết hợp giữa việc đo và kiểm tra để phân loại
* Tổ hợp đo lờng tính toán

V. Định giá sai số trong đo lờng
1. Nguyên nhân và phân loại sai số
a. Nguyên nhân gây sai số
Đo lờng là một phơng pháp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu đợc
những tin tức về đặc tính số lợng của một quá trình cần nghiên cứu. Nó đợc thực
hiện bằng cách so sánh một đại lợng cần đo với đại lợng đo tiêu chuẩn. Kết quả
đo có thể biểu thị bằng số hay biểu đồ. Tuy nhiên, kết qủa đo đợc chỉ là một trị số
gần đúng, nghĩa là phép đo có sai số. Vấn đề là cần đánh giá đợc độ chính xác của
phép đo. Khi tính toán sai số cần tính tới trờng hợp các sai số kết hợp với nhau
theo hớng bất lợi nhất với các nguyên nhân:
* Nguyên nhân chủ quan: do lựa chọn phơng pháp đo và dụng cụ đo không
hợp lý, trình độ của ngời sử dụng thiết bị đo không tốt, thao tác không thành thạo

* Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ đo không hoàn hảo, đại lợng đo bị
can nhiễu do môi trờng bên ngoài nh nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn, áp suất
b. Phân loại sai số
* Phân loại theo nguyên nhân gây ra sai số:
+ Sai số chủ quan

+ Sai số khách quan
* Phân loại theo quy luật xuất hiện sai số:
+ Sai số hệ thống là do những yếu tố thờng xuyên hay các yếu tố có quy luật
tác động. Nó khiến cho kết quả đo có sai số của lần đo nào cũng nh nhau, nghĩa là
kết quả của các lần đo đều lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị thực của đại lợng đo.
Nhóm các sai số hệ thống thờng do các nguyên nhân sau:
. Do dụng cụ, máy móc đo không hoàn hảo
. Do phơng pháp đo, cách xử lý kết quả đo hoặc bỏ qua các yếu tố ảnh
hởng.
. Do khí hậu
+ Sai số ngẫu nhiên là sai số do các yếu tố bất thờng, không có quy luật tác
động. Do vậy, sai số hệ thống có thể xử lý đợc nhờ lấy lại chuẩn nhng sai số ngẫu
nhiên không thể xử lý đợc vì không biết quy luật tác động.
* Phân loại theo biểu thức
+ Sai số tuyệt đối là hiệu số giữa 2 trị số tuyệt đối của giá trị đo đợc và giá trị
thực của đại lợng cần đo.


BomonKTDT-ĐHGTVT


12
XaX =
*
với a là giá trị đo đợc và X là giá trị
thực
vì cha biết X nên thông thờng ngời ta lấy max
*
XX = của một loạt các phép
đo.

+ Sai số tơng đối là tỷ số của sai số tuyệt đối và trị số thực của đại lợng đo.
Sai số tơng đối biểu thị đầy đủ hơn sai số tuyệt đối.
%100.
X
X
X

=

sai số tơng đối chân thực
%100.
a
X
X

=

sai số tơng đối danh định
Cấp chính xác của dụng cụ đo: là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo mắc
phải. Ngời ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tơng đối
quy đổi của dụng cụ đo và đợc nhà nớc quy định cụ thể. (đôi khi ngời ta còn gọi
đây là sai số tơng đối chiết hợp, nó đợc ghi trực tiếp lên mặt dụng cụ đo).
%100.
X
m
Xm
%

=
x

Xm là sai số tuyệt đối cực đại
Xm là giá trị lớn nhất của thang đo (giới hạn cực đại của lợng trình thang đo)
3. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số
Để đánh giá kết quả phép đo ta cần xét giới hạn và định lợng đợc sai số
ngẫu nhiên. Nếu ta xét kết quả của các lần đo riêng biệt, sau khi loại bỏ sai số hệ
thống thì nó hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên. Muốn đánh giá sai số ngẫu nhiên ta
phải tìm đợc quy luật phân bố sai số ngẫu nhiên thông qua lý thuyết xác suất thống
kê. Để loại bỏ sai số hệ thống thì các lần đo phải tiến hành với cùng một độ chính
xác nh nhau (cùng một máy đo, cùng một điều kiện đo, cùng một phơng pháp đo
).
Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số
Giả sử đo đại lợng X n lần với các sai số lần luợt là x
1
, x
2
, x
n

Sắp xếp các sai số theo độ lớn thành từng nhóm riêng biệt n
1
, n
2
n
m

ví dụ: có n1 sai số nằm trong khoảng 0 0,01
có n2 sai số nằm trong khoảng 0,01 0,02
có n3 sai số nằm trong khoảng 0,02 0,03

.

Lập tỉ số:
n
n
n
n
2
2
1
1
=
=



.
gọi là tần suất các lần đo có
sai số ngẫu nhiên nằm trong
khoảng tơng ứng.
Biểu đồ phân bố tần suất
nh hình bên




x

Chơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL

13





Diện tích các hình chữ nhật biểu thị xác suất xuất hiện các sai số ngẫu nhiên ở
những khoảng tơng ứng trên trục hoành.
Khi thực hiện phép đo nhiều lần, n tiến tới vô cùng, theo quy luật tiêu chuẩn
của lý thuyết xác suất biểu đồ trên sẽ tiến đến một đờng cong trung bình p(x) gọi
là hàm phân bố tiêu
chuẩn sai số.



=
n
xxp )(lim)(


Hàm p(x) còn
đợc gọi là hàm Gausse
với công thức sau:

p(x) =
22
.
xh

e
h




với h là tham số
về độ chính xác

Nhận xét:
+ Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số có dạng hình chuông đối xứng qua trục tung,
h càng lớn đờng cong càng cao và càng hẹp, tức là độ chính xác càng cao.
+ Xác suất xuất hiện các sai số có giá trị bé lớn hơn xác suất xuất hiện các sai
số có giá trị lớn
+ Xác suất xuất hiện không phụ thuộc vào dấu, tức là các sai số có giá trị
tuyệt đối nh nhau sẽ có xác suất xuất hiện nh nhau.
+ Khi biết p(x) thì có thể xác định đợc xác suất xuất hiện sai số trong một
khoảng bất kỳ nh sau:

dxe
h
dxxpxxxp
x
x
xh
x
x


==

2
1
2
1
22
)()21(


(đây chính là diện tích giới hạn bởi đờng cong p(x) và 2 đờng x1, x2)
dxe
h
dxxpxxp
x
xh
x


==
1
0
1
0
22
2
)(2)1(


)1(1)1( xxpxxp =
x
p(x)

h1
h2
h3
h1 > h2 > h3


BomonKTDT-ĐHGTVT


14
4. Sai số trung bình bình phơng và sai số trung bình
a. Sai số trung bình bình phơng



n
x
n
i
i

=
=
1
2

với x
i
là sai số của phép đo thứ i
khi đó p(x) =

2
2
2
.
2
1


x
e
















h biểu thị độ cao của đồ thị còn

biểu thị độ rộng của đồ thị

%7,99)3,3(
%95)2,2(
%3,68),(







p
p
p

b. Sai số trung bình d
d là trị số trung bình cộng của tất cả các trị số tuyệt đối của các sai số của
phép đo.



21
1
===

=
h
n
x
d
n

i
i

5. Sự kết hợp của các sai số
ở những phép đo có sử dụng nhiều dụng cụ đo hay nhiều phép đo thì các sai
số hệ thống có xu hớng tích tụ lại, khi đó sai số của toàn bộ hệ thống thờng lớn
hơn bất kỳ sai số của phép đo đơn lẻ nào. Khi tính toán cần giả định rằng sai số kết
hợp với nhau theo hớng bất lợi nhất.
a. Sai số của tổng các đại lợng

)()V(
)()(
2121
2211
VVV
VVVVE
++=


+
=

b. Sai số của hiệu các đại lợng

)()V(
)()(
2121
2211
VVV
VVVVE

+=



=

ví dụ:
E1 = 100V 2V = 100V

2%
E2 = 80V 4V = 80V

5%
E1 + E2 = 180V 6V = 180V

3,3%
x
p(
x
)



Chơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL

15
E1 E2 = 20V 6V = 20V

30%
từ đó ta thấy sai số % trong hiệu của các đại lợng rất lớn nên cần tránh các

phép đo có bao hàm phép hiệu của các đại lợng.

c. Tích của hai đại lợng

) (.

))((
122121
21122121
2211
VVVVVV
VVVVVVVV
VVVVE
+
=


=

%100).(%100).

(
2
2
1
1
21
1221
V
V

V
V
VV
VVVV
E



=
+
=


Nhận xét: sai số tơng đối của tích hai đại lợng bằng tổng sai số tơng đối của
từng thành phần.
Trờng hợp riêng, khi nâng lên luỹ thừa

EE


.)( =
d. Thơng của hai đại lợng

)(
21
2
1
22
11
VVE

V
V
VV
VV
E

+=



=

Ví dụ minh hoạ:
1. Một điện trở có giá trị trong khoảng 1,14k

1,26k


Tính sai số của điện trở này
Biết R = 1,2k tại 25
0
C, tính giá trị lớn nhất tại 75
0
C, hệ số nhiệt là
500ppm/
0
C

%52,106,02,1
06,0

==
=
kR
kR

Khi nhiệt độ tăng 1
0
C R tăng một lợng: = 63,0
10
500.10.26,1
6
3

Vậy giá trị Rmax = 1,26 + 0,63.(75-25).10
-3
= 1,2915k



2. Một nguồn 12V đợc mắc với một điện trở 470

10%. Điện áp của
nguồn đợc đo bằng một vôn kế có khoảng đo 25V và độ chính xác là 3%.
Tính công suất của điện trở và sai số của phép đo

Ta có:
R
U
P
2

=
Vì Vôn kế có độ chính xác là 3% với khoảng đo 25V nên sai số tuyệt đối lớn
nhất gặp phải là
U
đợc tính bằng:
%5,22%10%5,12)(
%5,12%25,6.2)(
%25,61275,012
75,0%3.25
2
2
=+=
==
==
==
R
U
U
VVVU
VV
U





BomonKTDT-ĐHGTVT


16

Vậy: %5,22
470
12
2
=P

3. Một Vôn kế có thang đo 30V và độ chính xác 4%, ampe kế có thang đo
100mA và độ chính xác 1% đợc sử dụng để đo điện áp và dòng điện qua điện trở R.
Kết quả đo là 25V và 90mA. Hãy tính giá trị R và Pmin và Pmax

WWWIUP
mAmAmAImAmAI
VVVUVVU
13,025,2%9,525,2)%1,18,4(09,0.25.
%9,578,277)%1,18,4(
09,0
25
I
U
R
%1,1901901%1.100
%8,4252,1252,1%4.30
==+==
=+==
====

=

=
==

Vậy:
)059,01.(25,238,213,025,2max
)059,01.(25,212,213,025,2min
+==+=

=
=
=
WP
WP




Chơng 2. Cấu trúc và các phần tử chức năng

17

Chơng 2:

Cấu trúc và Các phần tử chức năng của thiết bị đo

I. Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo
1. Sơ đồ khối của thiết bị đo


+ CĐSC - Chuyển đổi sơ cấp: làm nhiệm vụ biến đổi các đại lợng đo thành
tín hiệu điện. Đây là khâu quan trọng nhất của thiết bị đo.
+ MĐ - Mạch đo: là khâu gia công tính toán sau CĐSC, nó làm nhiệm vụ tính

toán và thực hiện phép tính trên sơ đồ mạch. Đó có thể là mạch điện tử thông
thờng hoặc bộ vi xử lý để nâng cao đặc tính của dụng cụ đo
+ CT - Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ đo để hiển thị kết quả đo
dới dạng con số so với đơn vị đo. Có 3 cách hiển thị kết quả đo:
. Chỉ thị bằng kim trên vạch chia độ
. Chỉ thị bằng thiết bị tự ghi (màn hình, giấy từ, băng đĩa từ )
. Chỉ thị bằng số
2. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng
Dụng cụ đo sử dụng phơng pháp đo biến đổi thẳng có cấu trúc nh sau:



CĐ: bộ chuyển đổi CT: cơ cấu chỉ thị
X: đại lợng cần đo Yi: đại lợng trung gian (cho tiện quan sát và
chỉ thị)
3. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo kiểu so sánh
Dụng cụ đo theo phơng pháp so sánh có sơ đồ cấu trúc nh sau:









CĐ: bộ chuyển đổi CĐN: bộ chuyển đổi ngợc
CT: cơ cấu chỉ thị SS: bộ so sánh
X

= X Xk
CĐSC MĐ CT
CĐ1 CĐ1 CĐ2 CĐn CT
X
Y
1
Y
2
Y
n

CĐ1 SS CĐ1 CĐn CT
X
Y
1
Y
n

CĐN1CĐNm
X
k



BomonKTDT-ĐHGTVT


18
Chú ý:
+ Nếu quá trình hồi tiếp đợc đa về bộ so sánh liên tục tới khi

X

= 0 thì
dụng cụ đo gọi là dụng cụ đo so sánh cân bằng.
+ Nếu qúa trình hồi tiếp đa Xk về so sánh và cho
X

0

thì dụng cụ đo gọi
là dụng cụ đo so sánh không cân bằng.

II. Các cơ cấu chỉ thị
Đây là khâu hiển thị kết quả đo dới dạng con số so với đơn vị của đại lợng
cần đo. Có 3 kiểu chỉ thị cơ bản là chỉ thị bằng kim chỉ (còn gọi là cơ cấu đo độ lệch
hay cơ cấu cơ điện); chỉ thị kiểu tự ghi (ghi trên giấy, băng đĩa từ, màn hình ) và
chỉ thị số. Dới đây ta sẽ xem xét những cơ cấu điển hình nhất cho mỗi kiểu thị trên.
1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện
Với loại chỉ thị cơ điện, tín hiệu vào là dòng điện hoặc điện áp, còn tín hiệu ra
là góc quay của phần động (có gắn kim chỉ). Những dụng cụ này là loại dụng cụ đo
biến đổi thẳng. Đại lợng cần đo nh dòng điện, điện áp, điện trở, tần số hay góc
pha đợc biến đổi thành góc quay của phần động, nghĩa là biến đổi năng lợng
điện từ thành năng lợng cơ học:
)(XF=

với X là đại lợng điện,

là góc quay (hay góc lệch)
Nguyên tắc làm việc của các chỉ thị cơ điện:
Chỉ thị cơ điện bao giờ cũng gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần động.

Khi cho dòng điện vào cơ cấu, do tác động của từ trờng giữa phần động và phần
tĩnh mà một mômen quay xuất hiện làm quay phần động. Momen quay này có độ
lớn tỉ lệ với độ lớn dòng điện đa vào cơ cấu:

d
dWe
Mq =
với We là năng lợng từ trờng và

là góc quay của phần động
Nếu gắn một lò xo cản (hoặc một cơ cấu cản) với trục quay của phần động thì
khi phần động quay lò xo sẽ bị xoắn lại và sinh ra một momen cản, momen này tỉ lệ
với góc lệch

và đợc biểu diễn qua biểu thức:
Mc = D.

với D là hệ số momen cản riêng của lò xo, nó phụ thuộc vào vật
liệu, hình dáng và kích thớc của lò xo.
Chiều tác động lên phần động của hai momen kể trên ngợc chiều nhau nên
khi momen cản bằng momen quay phần động sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng. Khi đó:




d
dWe
DMqMc

D

1

d
dWe

===


Phơng trình trên đợc gọi là phơng trình đặc tính của thang đo, từ phơng
trình này ta biết đợc đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị.



Chơng 2. Cấu trúc và các phần tử chức năng

19
Những bộ phận chính của cơ cấu chỉ thị cơ điện
+ Trục và trụ: là bộ phận đảm bảo cho phần động quay trên trục nh khung
dây, kim chỉ, lò xo cản Trục thờng đợc làm bằng loại thép cứng pha irini hặc
osimi, còn trụ đỡ làm bằng đá cứng.
+ Lò xo phản kháng hay lò xo cản là chi tiết thực hiện nhiệm vụ là tạo ra
momen cản, đa kim chỉ thị về vị trí 0 khi
cha đại lợng cần đo vào và dẫn dòng điện
vào khung dây (trong trờng hợp cơ cấu chỉ
thị từ điện hoặc điện động). Lò xo đợc chế
tạo dạng xoắn ốc bằng đồng berili hoặc đồng
phốt pho để có độ đàn hồi tốt và dễ hàn.
Thông thờng sẽ có hai lò xo đối xứng ở hai
đầu khung dây, chúng có kích thớc rất mảnh
nên rất dễ hỏng.

+ Dây căng và dây treo: để tăng độ
nhạy cho chỉ thị ngời ta thay lò xo bằng dây
căng hoặc dây treo.
+ Kim chỉ thờng đợc chế tạo bằng
nhôm, hợp kim nhôm và có thể là cả bằng
thuỷ tinh với nhiều hình dáng khác nhau. Hình dáng của kim chỉ phụ thuộc vào cấp
chính xác của dụng cụ đo và vị trí đặt dụng cụ để quan sát. Kim chỉ đợc gắn vào
trục nh hình bên.
+ Thang đo là bộ phận để
khắc độ các giá trị của đại lợng
cần đo. Có nhiều loại thang đo
tuỳ vào độ chính xác của chỉ thị
cũng nh bản chất của cơ cấu
chỉ thị Thang đo thờng đợc
chế tạo từ nhôm lá, đôi khi còn
có cả gơng phản chiếu phía
dới thang đo.
+ Bộ phận cản dịu là bộ phận để giảm quá trình dao động của phần động và
xác định vị trí cân bằng. Quá trình này còn gọi là quá trình làm nhụt. Có hai loại
cản dịu là cản dịu không khí và cản dịu cảm ứng từ. Cản dịu không khí đơn giản
nhất là làm hộp kín có nắp đậy bên trong có cánh cản dịu
(xem hình bên). Cản dịu
cảm ứng từ có thể thực hiện nhờ lợi dụng chính dòng xoáy (dòng Fuco) xuất hiện
trong phần động khi phần động quay. Ngoài ra để tránh ảnh hởng của các tác động
từ bên ngoài, toàn bộ cơ cấu có thể đợc đặt trong một màn chắn từ.
a. Cơ cấu chỉ thị từ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu (TĐNCVC)
Dụng cụ đo từ điện còn gọi là dụng cụ đo kiểu DArsonval với cấu tạo bao
gồm:

Lò xo

Lò xo
Lò xo
Lò xo
Khun
g
dâ
y

Thang
đo
Kim chỉ
Gơn
g


BomonKTDT-ĐHGTVT


20
Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cữu (nam châm hình móng ngựa), lõi sắt, cực từ
(bằng sắt non). Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở không khí rất hẹp.
Phần động: Khung dây đợc quấn bằng dây đồng. Khung dây gắn trên trục,
nó quay trong khe hở không khí.

Ngoài ra còn một số bộ phận khác nh: trục, trụ, 2 lò xo cản ở hai đầu trục,
kim chỉ
Nguyên tắc hoạt động:
Khi có dòng điện chạy trong khung dây, dới tác động của từ trờng nam
châm vĩnh cửu khung dây sẽ bị lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu một góc

.
Momen quay do từ trờng của nam châm tơng tác với từ trờng của khung dây tạo
ra đợc tính bằng:

d
dWe
Mq =
với We là năng lợng điện từ tỉ lệ với độ lớn của từ thông trong
khe hở không khí và độ lớn của dòng
điện chạy trong khung dây.
IWSBIWe

==
với B là độ từ cảm của nam
châm
S là diện tích của khung dây
W là số vòng dây của khung
dây


D. Mc :cóta mà



=
== IWSB
d
IWSBd
Mq
) (



IKIWSB
D
M
q
M
c

1
==

=
=


B.S.W.ID.

I
Kim chỉ



Chơng 2. Cấu trúc và các phần tử chức năng

21
Từ phơng trình đặc tính của thang đo ta thấy cơ cấu chỉ thị từ điện có thang
đo đều vì góc lệch tỉ lệ với dòng cần đo theo một hằng số K.
Dụng cụ đo kiểu từ điện thờng có cơ cấu chỉnh zero để đa kim chỉ về vị trí 0
trớc khi tiến hành phép đo. Thực chất là điều chỉnh vị trí cuộn dây và kim chỉ khi
không có dòng điện vào. Việc làm nhụt đợc thực hiện nhờ lợi dụng sự xuất hiện
dòng cảm ứng Fuco khi khung dây quay. Từ trờng do dòng này tạo ra sẽ hạn chế
sự dao động của kim chỉ để nó nhanh chóng đạt vị trí cân bằng, khi khung dây dừng
dòng Fuco sẽ mất và nh thế cũng không còn lực làm nhụt. Muốn vậy ngời ta
thờng tạo khung dây bằng cách quấn dây đồng trên một khung bằng nhôm, một
vật liệu dẫn điện rất tốt nhng lại không có đặc tính từ.
Dòng cần đo đa vào cơ cấu chỉ đợc phép theo một chiều nhất định, nếu đa
dòng vào theo chiều ngợc lại kim chỉ sẽ bị giật ngợc trở lại và có thể gây hỏng cơ
cấu. Vì vậy, phải đánh dấu + (dây màu đỏ) và - (dây màu xanh) cho các que đo.
Tính chất này đợc gọi là tính phân cực của cơ cấu chỉ thị, nghĩa là chiều quay của
kim chỉ thị phụ thuộc vào chiều dòng điện nên các đại lợng xoay chiều (tần số từ
20Hz 100KHz) muốn chỉ thị bằng cơ cấu từ điện phải chuyển thành đại lợng một

chiều và đa vào cơ cấu theo một chiều nhất định
Cơ cấu chỉ thị từ điện có độ nhạy khá cao, thang đo đều nên đợc ứng dụng để
chế tạo Vônmet, Ampemet, Ohmmet nhiều thang đo với dải đo rộng.
b. Cơ cấu chỉ thị điện từ
Dụng cụ đo điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc khi hai chi tiết bằng sắt kề
nhau bị từ hoá bởi dòng điện chạy qua một cuộn dây thì xuất hiện một lực đẩy giữa
các cực cùng cực tính (N hoặc S).
Cấu tạo của một cơ cấu chỉ thị điện từ đợc cho ở hình dới đây (bên trái là
hình chiếu đứng, bên phải là
hình chiếu xiên)
Phần tĩnh: Cuộn dây bên
trong có khe hở không khí,
một lá thép cố định nằm trong
lòng cuộn dây, gọi là lá tĩnh.
Phần động: lá thép có
khả năng di chuyển tơng đối
với lá tĩnh trong khe hở không
khí, gọi là lá động.
Dòng điện chạy qua
cuộn dây bao quanh phần động
sẽ từ hoá các lá thép với cùng
một cực do đó chúng đẩy nhau.
Lực đẩy tổng hợp sẽ làm cho
lá động dịch ra xa khỏi lá tĩnh, đây chính là lực làm lệch. Kim chỉ gắn với trục quay
khi đó sẽ bị lệch một góc tơng ứng.
Lò xo dây quấn tạo ra momen cản hay lực điều khiển để dừng kim chỉ.
Momen quay do từ trờng của nam châm điện tạo ra đợc tính bằng:


d

dL
IMq
ILWe
d
dWe
Mq
2
2
2
1
.
2
1
=
=
=

I
Kim chỉ


BomonKTDT-ĐHGTVT


22
với L là điện cảm của cuộn dây
Momen cản vẫn do lò xo tạo ra nên Mc = D.


Khi kim chỉ dừng ở vị trí cân bằng, nghĩa là khi

Mc = Mq




d
dL
I
D
d
dL
ID
2
2
.2
1
2
1
.
=
=

Vậy, độ lệch

không phụ thuộc vào chiều của I, thang đo không đều vì tỉ lệ
với I
2
.

Cơ cấu chỉ thị điện từ không cần phân biệt cực tính cho dây đo, có thể đợc
dùng để chế tạo dụng cụ đo dòng một chiều và dòng xoay chiều nh Vônmet,
Ampemet tần số công nghiệp nhng độ chính xác thấp và có tiêu thụ điện năng.
c. Cơ cấu chỉ thị điện động
Cấu tạo:
Cuộn dây tĩnh hay còn gọi là cuộn kích thích đợc chia làm 2 phần nối tiếp
nhau (quấn theo cùng chiều) để tạo thành nam châm điện khi có dòng chạy qua.
Cuộn dây động quay
trong từ trờng đợc tạo ra bởi
cuộn tĩnh.
Các cuộn dây có lõi làm
bằng vật liệu có độ từ thẩm
cao để tạo ra từ trờng mạnh.
Thông thờng chúng sẽ đợc
bọc kín bằng màn chắn từ để
tránh ảnh hởng của từ trờng

bên ngoài.
Kim chỉ thị đợc gắn
trên trục quay của phần động.
Lò xo tạo momen cản và
các chi tiết phụ trợ khác.
Hoạt động:
I
1
I
2




Chơng 2. Cấu trúc và các phần tử chức năng

23
Khi cho dòng điện vào các cuộn dây thì từ trờng của 2 cuộn dây tơng tác với nhau
khiến cho cuộn động di chuyển và kim bị lệch đi khỏi vị trí zero. Các lò xo xoắn tạo ra lực
điều khiển và đóng vai trò dẫn dòng vào cuộn động.
Việc tạo ra sự cân bằng của hệ thống động (điều chỉnh zero) đợc thực hiện nhờ điều
chỉnh vị trí lò xo .
Dụng cụ đo kiểu điện động thờng làm nhụt bằng không khí vì nó không thể làm
nhụt bằng dòng xoáy nh dụng cụ đo kiểu từ điện.
Do không có lõi sắt trong dụng cụ điện động nên môi trờng dẫn từ hoàn toàn là
không khí do đó cảm ứng từ nhỏ hơn rất nhiều so với ở dụng cụ từ điện. Điều này đồng
nghĩa với việc để tạo ra momen quay đủ lớn để quay phần động thì dòng điện chạy trong
cuộn động cũng phải khá lớn. Nh vậy, độ nhạy của dụng cụ đo điện động nhỏ hơn rất
nhiều so với dụng cụ đo từ điện.
Momen quay do 2 từ trờng tơng tác nhau đợc tính bằng:

d
dWe
Mq =
với We =
12212
2
21
2
1

2
1
.
2
1
MIILILI ++
vì các cuộn dây có hệ số tự cảm L riêng không phụ thuộc vào góc lệch trong quá
trình hoạt động (tức là
0=

d
dL
) nên:

d
dM
IIMq
12
21

=
Vậy độ lệch của kim chỉ thị đợc tính theo biểu thức:


d
dM
II
D
12
21

1
=

Nếu mắc các cuộn dây nối tiếp nhau, nghĩa là I
1
= I
2

2
.IC=

với C là hằng số.
Trong trờng hợp này cần chú ý rằng để có lực đẩy làm quay phần động thì chiều quấn dây
trên phần động phải ngợc với chiều quấn dây trên hai phần của cuộn kích.
Vì góc lệch không tỉ lệ tuyến tính với dòng cần đo nên thang đo của cơ cấu điện động
là thang đo không đều.
Cơ cấu điện động có thể đợc sử dụng để đo dòng xoay chiều và một chiều. Tuy
nhiên nó có độ nhạy kém và tiêu thụ công suất khá lớn.
2. Cơ cấu chỉ thị tự ghi

Trong kỹ thuật đo lờng vô tuyến điện các thiết bị chỉ thị tự ghi chủ yếu là máy hiện
sóng với phần chỉ thị là ống phóng tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube). Dới đây là cấu
tạo cơ bản của một CRT.
Lới
A
1
A
2
A
3



BomonKTDT-ĐHGTVT


24
CRT là một ống chân không với các hệ thống điện cực và màn huỳnh quang,
chùm electron do katot phát ra sẽ đợc hớng tới màn hình theo sự điều khiển từ
bên ngoài và làm phát sáng lớp photpho tại điểm chúng đập vào.
Cấu tạo:
+ Phần 3 cực (triot) gồm Katot, lới và anot
Katot làm bằng niken hình trụ đáy phẳng phủ oxit để phát ra điện tử. Một sợi
đốt nằm bên trong katot có nhiệm vụ nung nóng katot để tăng cờng thêm số điện
tử phát xạ. Sợi đốt có điện thế khoảng 6,3V nhng katot có điện thế xấp xỉ 2kV.
Lới là một cốc Niken có lỗ ở đáy bao phủ lấy katot. Thế của lới xấp xỉ từ -
2kV đến 2,05kV để điều khiển dòng electron từ katot hớng tới màn hình. Khi thế
của lới thay đổi sẽ điều chỉnh lợng electron bắn ra khỏi katot, tức là làm cho điểm
sáng trên màn hình có độ chói khác nhau. Vì vậy thành phần điều khiển thế của lới
còn gọi là thành phần điều khiển độ chói.

Anot gồm 3 anot A1, A2 và A3. A1 có dạng hình trụ, một đầu hở và một đầu
kín có lỗ ở giữa cho electron đi qua. A1 tiếp đất nên có thế dơng hơn katot,
electron đợc gia tốc từ katot qua lới và anot để đến màn hình. Các anot này đợc
gọi là các điện cực điều tiêu hay thấu kính điện tử. Vì các electron cùng mang điện
tích âm nên chúng có xu hớng đẩy nhau, nghĩa là chùm tia điện tử sẽ loe rộng ra
và khi đập vào màn huỳnh quang sẽ tạo ra một vùng sáng, nghĩa là hình ảnh hiển thị
bị nhoè. Nhờ có các điện cực điều tiêu, chùm electron sẽ bị hội tụ lại làm cho các
electron hớng tới 1 điểm nhỏ trên màn hình, tức là hình ảnh hiển thị đợc rõ nét.
A2 có thế 2kV để tạo ra các đờng đẳng thế làm cho electron chuyển động qua
anot có tốc độ ổn định.
Phần 3 cực trên đôi khi còn đợc gọi là súng điện tử.
+ Hệ thống làm lệch (hay còn gọi là lái tia)
Khi các tấm làm lệch ngang và đứng đợc tiếp đất hoặc không nối thì chùm
electron có thể đi qua chúng và đập vào tâm màn hình.
Khi đặt điện áp lên các tấm làm lệch thì các electron sẽ bị hút vào tấm có thế
dơng và bị đẩy ra xa khỏi tấm có thế âm. Để tác dụng của các điện áp làm lệch + /
- gây ra những khoảng lệch nh nhau thì thế +E/2 phải đa vào một tấm và thế E/2
đi vào tấm còn lại (với E là thế chênh lệch giữa hai tấm).
. Điện áp cần thiết để tạo ra 1 vạch chia độ lệch ở màn hình đợc gọi là
hệ số
làm lệch đứng của ống, đơn vị là V/cm
. Độ lệch do 1V tạo ra trên màn hình gọi là
độ nhạy lái tia, đơn vị là cm/V
Ngoài ra, để tránh ảnh hởng của điện trờng giữa các cặp lái tia ngời ta đôi
khi còn sử dụng một màn chắn cách điện giữa cặp lái tia ngang và cặp lái tia đứng.
+ Màn hình của CRT đợc mạ một lớp Photpho ở mặt trong của ống, khi
chùm electron đập vào màn hình thì các electron bên trong lớp mạ sẽ chuyển lên
mức năng lợng cao và khi trở về trạng thái bình thờng sẽ phát ra ánh sáng. Sự lu
sáng của photpho khá dài từ vài ms đến vài s nên mắt ngời mới nhìn thấy hình
dạng sóng hiện. Lớp than chì có tác dụng thu hồi các electron thứ cấp vì nếu không

thu hồi lại thì sự tích tụ của các electron có thể tạo ra một thế âm ở màn hình và thế
âm này sẽ chống lại sự di chuyển của dòng electron tiến đến màn hình. Ngoài ra,
ngời ta có thể sử dụng màng nhôm để thu góp electron và dẫn tới đất. Màng nhôm
này còn có tác dụng tăng cờng độ chói của lớp sáng do phản xạ ánh sáng về phía
màn thuỷ tinh và tản nhiệt cho màn hình.
Đờng xoắn ốc làm bằng chất có điện trở cao kết tủa trong ống thuỷ tinh từ
chỗ tấm lái tia tới màn hình có tác dụng gia tốc cho electron sau khi làm lệch để có
đợc độ chói cần thiết. (nếu gia tốc trớc lúc làm lệch thì sẽ làm giảm khả năng
điều chỉnh dòng electron của các tấm làm lệch).



Chơng 2. Cấu trúc và các phần tử chức năng

25

Chú ý: với các máy hiện sóng nhiều kênh (nhiều tia) thì có thể thực hiện theo 2 cách
nh sau:
+ Sử dụng cho mỗi kênh một súng điện tử và cặp làm lệch đứng riêng nhng
cùng chung cặp làm lệch ngang
+ Sử dụng một súng điện súng, tách chùm tia điện tử thành nhiều phần trớc
khi cho qua các cặp làm lệch đứng (ứng với số kênh) và tất cả cùng qua một cặp làm
lệch ngang.

Nguyên tắc hiện hình của CRT:
Katot phát ra
electron và đợc các hệ
thống điện cực điều khiển
để có số lợng hạt, vận tốc
và độ hội tụ cần thiết. Hệ

thống làm lệch sẽ làm cho
chùm tia điện tử di chuyển
trên màn hình theo phơng
ngang và phơng đứng để
hiện dạng của tín hiệu.
ở chế độ hiển thị
dạng sóng thông thờng
tín hiệu cần hiển thị đợc
đa vào cặp làm lệch đứng còn một tín hiệu dạng răng ca đợc đa vào cặp lệch
ngang (xem hình trên).
Khi đó với tần số răng ca (còn gọi là tần số quét) phù hợp trên màn hình sẽ
có một sóng đứng có dạng sóng cần hiển thị.
3. Cơ cấu chỉ thị số
Y
X 0
Tín hiệu đa vào
cặp làm lệch Y
Tín hiệu răng ca đa
vào cặp làm lệch X
Tín hiệu hiển thị
trên màn hình