Luan van chinh sua1-sinh 2015.3.11.2015

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tơi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận
tình của các thầy cô giáo Khoa điện – điện tử - Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật
Hƣng Yên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Bùi Văn Sáng đã tận tình giúp đỡ,
hƣớng dẫn tơi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn
bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.
Mặc dù cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế cịn
nhiều hạn chế nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tơi rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến của các thầy cơ cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!!
Hưng yên , ngày ...... tháng ....... năm 2015
Ngƣời thực hiện

Vũ Tuấn Sinh

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn là
hồn tồn trung thực, không sao chép của bất kỳ ngƣời nào. Nếu sai, tơi xin hồn
tồn chịu trách nhiệm trƣớc pháp luật.
Tác giả luận văn

Vũ Tuấn Sinh

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................ ix
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................1
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU ....................................................................................1
3. MỤC Đ CH NGHIÊN CỨU CỦA LU N V N, ĐỐI TƢ NG, PH M VI
NGHIÊN CỨU .......................................................................................................... 1
4. CÁC LU N ĐIỂM CƠ BẢN VÀ Đ NG G P MỚI CỦA TÁC GIẢ .............. 2
5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................ 2
CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐO ỨNG SUẤT, BIẾN D NG VÀ PHƢƠNG
TIỆN ĐO ỨNG SUẤT, BIẾN D NG........................................................................3
1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐO ỨNG SUẤT VÀ ĐO BIẾN D NG ...............................3
1.1.1. Khái niệm về ứng suất, biến dạng và phép đo ứng suất biến dạng ............3
1.1.2. Phân loại các chuyển đổi đo các đại lƣợng cơ ...........................................5
1.1.3. Giới thiệu chuyển đổi tenxơ .......................................................................6
1.2. KHÁI QUÁT VỀ PHƢƠNG TIỆN ĐO ỨNG SUẤT VÀ ĐO BIẾN D NG ...8
1.2.1. Sơ đồ cấu trúc máy đo ứng suất, biến dạng loại tƣơng tự ..........................8
1.2.2. Sơ đồ cấu trúc máy đo ứng suất, biến dạng loại số ....................................9
1.3. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI THỨ CẤP TRONG MÁY ĐO SỐ .................................10
1.3.1. Khái quát về kỹ thuật đo lƣờng số............................................................10
1.3.2. Bộ biến đổi thời gian – mã .......................................................................12
1.3.3. Bộ biến đổi điện áp – mã ..........................................................................13
1.4. QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO ỨNG SUẤT, BIẾN D NG DÙNG
CHUYỂN ĐỔI TENXƠ ........................................................................................17
iii

1.5. KẾT LU N CHƢƠNG 1 ................................................................................19
CHƢƠNG 2: CHUYỂN ĐỔI TENXƠ VÀ XÂY DỰNG HÀM BIẾN ĐỔI CỦA
TENXƠ .....................................................................................................................20
2.1. CHUYỂN ĐỔI TENXƠ VÀ SƠ ĐỒ M CH ĐO ...........................................20
2.1.1. Nguyên lý và cấu tạo chuyển đổi tenxơ ...................................................20
2.1.2. Mạch đo ứng suất, biến dạng....................................................................21
2.1.3. Sai số và phạm vi ứng dụng .....................................................................22
2.2. XÂY DỰNG HÀM BIẾN ĐỔI CỦA CHUYỂN ĐỔI TENXƠ ......................22
2.2.1. Phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ nhất ........................................................22
2.2.2. Xác định hàm biến đổi cho chuyển đổi tenxơ ..........................................23
2.3. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATHCAD ........................................................26
2.4. CHƢƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH HÀM BIẾN ĐỔI CHUYỂN ĐỔI TENXƠ
BẲNG MATHCAD ...............................................................................................26
2.5. KẾT LU N CHƢƠNG 2 ................................................................................35
CHƢƠNG 3: NGUYÊN LÝ XÂY DỰNG VÀ MÔ PHỎNG MÁY ĐO ỨNG
SUẤT, BIẾN D NG LO I HIỆN SỐ DÙNG CHUYỂN ĐỔI TENXƠ ................36
3.1. PHÂN T CH MÁY ĐO BIẾN D NG DÙNG CHUYỂN ĐỔI TENXƠ ........36
3.2. MÁY ĐO ỨNG SUẤT, BIẾN D NG THỜI GIAN – XUNG ........................36
3.2.1. Vônmét thời gian – xung ..........................................................................36
3.2.2. Máy đo ứng suất (biến dạng) tích phân hai lần với mạch cầu đo có hàm
biến đổi là hàm đa thức bậc hai ..........................................................................41
3.2.3. Máy đo ứng suất (biến dạng) tích phân hai lần với mạch cầu đo có hàm
biến đổi là hàm e mũ ..........................................................................................43
3.3. MÔ PHỎNG MÁY ĐO ỨNG SUẤT BIẾN D NG DÙNG CHUYỂN ĐỔI
TENXƠ ..................................................................................................................45
3.3.1. Hƣớng dẫn sử dụng phần mềm Mathlab ..................................................45
3.3.2. Mô phỏng cầu đo dùng chuyển đổi tenxơ ................................................46
3.3.3. Mô phỏng máy đo biến dạng loại hiện số ................................................47
3.3.4. Mô phỏng máy đo ứng suất loại hiện số ..................................................49

iv


3.4. KẾT LU N CHƢƠNG 3 ................................................................................51
KẾT LU N CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................53
PHỤ LỤC

v


DANH MỤC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT

Ký tự viết tắt

Ý nghĩa

1

CĐĐLSC

Chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp

2

PHX

Mạch phản hồi xung

3

PTĐ

Phƣơng tiện đo

4

BĐ

Bộ biến đổi

5

BĐTT-TT

Biến đổi tƣơng tự-tƣơng tự

6

BĐM

Biến đổi mã

7

BĐTT-S

Biến đổi tƣơng tự-số

8

HTS

Hiển thị số

9

BĐS-TT

Biến đổi số-tƣơng tự

10

TXC

Bộ tạo xung chuẩn

11

BĐX (ĐX)

Bộ đếm xung

12

BSS (SS)

Bộ so sánh

13

TXRC

Bộ tạo xung răng cƣa

14

KĐ

Bộ khuếch đại

15

BĐXN

Bộ đếm xung ngƣợc

16

ĐAM

Bộ tạo điện áp mẫu

17

TP

Bộ tích phân

18

BĐK (ĐK)

Bộ điều khiển

19

BA

Biến áp xung

TT

vi


20

MHS

Màn hình sóng

21

TN

Khối tách nhiễu

22

BĐTN

Bộ đếm thuận nghịch

23

AĐ

Bộ chuyển đổi

24

SPKT

Sƣ phạm kỹ thuật

25

UTP

Điện áp đầu vào bộ tích phân

26

TTP

Thời gian đầu vào bộ tích phân

27

UPH

Điện áp phản hồi

28

TPH

Thời gian phản hồi

29

XKĐ

Xung khởi động

30

XT

Xung tắt

31

K

Khóa

32

L

Cuộn cảm

33

C

Tụ điện

34

R

Điện trở

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Kết quả xác định hàm biến đổi mạch đo biến dạng, ứng suất ..................35
Bảng 3.1: kết quả mơ phỏng máy đo biến dạng hình 3.11 ........................................47
Bảng 3.2: kết quả mô phỏng máy đo biến dạng hình 3.11 ........................................48
Bảng 3.3: kết quả mơ phỏng máy đo biến dạng hình 3.12 ........................................49
Bảng 3.4: kết quả mơ phỏng máy đo biến dạng hình 3.13 ........................................50

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Phân loại chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp ........................................................5
Hình 1.2. Cấu tạo của chuyển đổi tenxơ. ....................................................................6
Hình 1.3: Sơ đồ máy đo ứng suất, biến dạng loại tƣơng tự ........................................8
Hình 1.4: Sơ đồ máy đo ứng suất biến dạng loại hiện số............................................9
Hình 1.5: Dạng tín hiệu là hàm của thời gian ...........................................................11
Hình 1.6: Sơ đồ cấu trúc PTĐ hiện số với biến đổi thẳng (a) và với biến đổi cân
bằng (b) .....................................................................................................................12
Hình 1.7. Sơ đồ khối bộ biến đổi thời gian-mã. ........................................................12
Hình 1.8: Biểu đồ thời gian bộ biến đổi thời gian-mã. .............................................13
Hình 1.9. Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp-mã ...........................................................14
Hình 1.10: Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi điện áp-mã ........................................14
Hình 1.11. Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp-mã .........................................................15
Hình 1.12. Biểu đồ thời gian làm việc của bộ biến đổi .............................................15
Hình 1.13. Sơ đồ quy trình thiết kế hệ thống ............................................................17
Hình 2.1. Cấu tạo của chuyển đổi tenxơ ...................................................................20
Hình 2.2: Mạch đo dùng chuyển đổi tenxơ ...............................................................21
Hình 2.3. Phƣơng pháp biểu diễn hàm biến đổi ........................................................23
Hình 3.1. Cấu trúc của máy đo dùng tenxơ...............................................................36
Hình 3.2: Sơ đồ khối vơnmét tích phân một lần .......................................................37
Hình 3.3: Biểu đồ thời gian làm việc của vơnmét.....................................................37
Hình 3.4: Sơ đồ khối của vơnmét tích phân hai lần ..................................................38
Hình 3.5: Biểu đồ thời gian của vơnmét tích phân hai lần ........................................38
Hình 3.6. Sơ đồ máy đo khơng điện hiện số .............................................................41
Hình 3.7. Biểu đồ thời gian làm việc của máy đo .....................................................42
Hình 3.8. Sơ đồ máy đo không điện sử dụng vônmét với thang đo đề-xi-ben .........44
Hình 3.9. Mơ phỏng cầu chuyển đổi tenxơ đo ứng suất ...........................................46
Hình 3.10: Mơ phỏng máy đo biến dạng dùng cầu tenxơ với hàm biến đổi đa thức
bậc 2 ..........................................................................................................................47
ix

Hình 3.11. Mơ phỏng máy đo biến dạng dùng cầu tenxơ với hàm biến đổi .............48
Hình 3.12. Mơ phỏng máy đo ứng suất dùng cầu tenxơ với bàm biến đổi đa thức bậc 2 49
Hình 3.13. Mơ phỏng máy đo ứng suất dùng cầu tenxơ với hàm biến đổi dạng mũ 50

x


MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Khi chịu tác động của lực cơ học, các cấu trúc vật liệu đều chịu ứng suất và
biến dạng. Việc đánh giá ứng suất và biến dạng là nhiệm vụ hàng đầu trong kỹ thuật
cơ khí, trong xây dựng và trong cơ học vật rắn. Các cảm biến đo biến dạng không
chỉ giới hạn ở việc đo ứng suất cơ học mà qua đó cịn có thể xác định các đại lƣợng
cơ học khác nhau nhƣ lực, áp suất, vận tốc, gia tốc...
Xây dựng các phƣơng tiện đo ứng suất và biến dạng; sử dụng các phần mềm
mô phỏng để khẳng định nguyên lý phƣơng tiện đo là hƣớng nghiên cứu có tính
khoa học và ý nghĩa thực tiễn..
Căn cứ vào những lý do trên tôi chọn luận văn: “Nghiên cứu thiết kế máy đo
ứng suất, biến dạng loại hiện số dùng chuyển đổi tenxơ”.
2. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Ngày nay việc đo lƣờng và điều khiển đƣợc ứng dụng trong sản xuất công
nghiệp cũng nhƣ trong phịng thí nghiệm rất hữu dụng. Lợi dụng việc đo ứng suất
biến dạng từ đó mà ta có thể xác định đƣợc những thông số vật lý cơ học khác nhƣ:
độ võng tĩnh, moment, lực tác dụng, …
Trong đề tài này tác giả chỉ đi tìm hiểu nguyên lý xây dựng máy đo ứng
suất biến dạng dùng chuyển đổi tenxơ (cịn gọi là cảm biến tenxơ), vì đây là một
trong các chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp (CĐĐLSC) phổ biến, quan trọng trong đo
lƣờng các đại lƣợng cơ học.
3. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN, ĐỐI TƢ NG, PH M VI

NGHIÊN CỨU
*M c

ch nghi n cứu

Trên cơ sở các phép đo ứng suất, biến dạng dùng mạch cầu tenxơ, đƣa ra
cấu trúc các máy đo hiện số dùng các mạch cầu này, trong đó thực hiện bài tốn
tuyến tính hóa hàm biến đổi. Kết quả nghiên cứu cần đƣợc minh chứng bằng mô
phỏng.
1


*Đối tƣ ng nghi n cứu
Sau khi khái quát về phƣơng tiện đo ứng suất, biến dạng dùng chuyển đổi
tenxơ, Luận văn tập trung vào nghiên cứu các phƣơng tiện đo hiện số thời gianxung, và phân tích các phƣơng tiện số đo ứng suất, biến dạng dùng hiển thị số.
Đồng thời sử dụng Matlab để mô phỏng các phƣơng tiện đo số đo ứng suất, biến
dạng trên cơ sở vơnmét tích phân hai lần.
*Ph m vi nghi n cứu
Với sự hiểu biết nhất định về phƣơng tiện đo hiện số thời gian-xung, trong
khuôn khổ của luận văn này tác giả xin trình bày sâu về nguyên lý xây dựng máy đo
ứng suất, biến dạng loại hiện số dùng chuyển đổi tenxơ. Đặc biệt là sử dụng phần
mềm Matlab mô phỏng đƣợc máy đo ứng suất, biến dạng và kết quả thể hiện đúng
nguyên lý của máy đo.
4 CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ Đ NG G P MỚI CỦA TÁC GIẢ
`

Giới thiệu một cách khái quát về chuyển đổi tenxơ, các bộ biến đổi thứ cấp

trong cơ cấu đo lƣờng số, phân loại chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp, trình bày cơ sở
tốn học và các phƣơng pháp xây dựng hàm biến đổi.

Trình bày cơ sở máy đo hiện số, sơ đồ cấu trúc, nguyên lý hoạt động của vơn
mét, máy đo khơng điện.
Ứng dụng phần mềm Matlab trình bày, khảo sát mơ phỏng vơn mét số tích
phân hai lần với độ chính xác cao.
Dựa vào kết quả hàm biến đổi và các sơ đồ thiết kế máy đo ứng suất, biến
dạng đã tiến hành mô phỏng máy đo ứng suất biến dạng hàm bậc hai và hàm mũ
5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Kết hợp việc nghiên cứu về lý thuyết với khảo sát tính tốn và mơ phỏng để
chứng minh đƣợc nguyên lý xây dựng các máy đo ứng suất biến dạng là tin cậy và
đảm bảo độ chính xác mong muốn.
2


CHƢƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐO ỨNG SUẤT, BIẾN D NG VÀ
PHƢƠNG TIỆN ĐO ỨNG SUẤT, BIẾN D NG
1.1. KHÁI QUÁT VỀ ĐO ỨNG SUẤT VÀ ĐO BIẾN D NG
1.1.1. Khái niệm về ứng suất, biến d ng và phép o ứng suất biến d ng
Khi chịu tác dụng của lực cơ học nói chung các cấu trúc đều chịu ứng suất và
bị biến dạng. Việc đánh giá ứng suất và biến dạng là nhiệm vụ hàng đầu trong kỹ
thuật cơ khí, trong xây dựng và trong cơ học vật rắn. Lý thuyết sức bền vật liệu đã
chỉ rõ mối quan hệ giữa ứng lực và biến dạng. Các cảm biến đo biến dạng không chỉ
giới hạn ở việc đo ứng lực cơ học mà qua đó cịn có thể xác định các đại lƣợng cơ
học khác nhau nhƣ lực, áp suất, vận tốc, gia tốc.
Trong đề tài này tác giả chỉ đi tìm hiểu nguyên lý xây dựng máy đo ứng
suất biến dạng dùng chuyển đổi tenxơ (còn gọi là cảm biến tenxơ), vì đây là một
trong các chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp (CĐĐLSC) phổ biến, quan trọng trong đo
lƣờng các đại lƣợng cơ học.
Độ biến dạng là tỷ số giữa sự biến thiên kích thước l và kích thước ban
đầu l của vật:

i 

l
l

Biến dạng gọi là đàn hồi khi ứng lực mất đi thì biến dạng cũng khơng cịn.
Giới hạn đàn hồi là ứng lực tối đa khơng gây nên biến dạng cố định có giá trị
lớn hon 0,2%. Độ lớn của giới hạn đàn hồi đƣợc đo bằng Kg lực/mm2. Theo định
luật Hooke trong vùng giới hạn đàn hồi ứng lực tỉ lệ với biến dạng do nó gây nên.
Mơdun Young Y đƣợc xác định biến dạng theo phƣơng của ứng lực

11 
Trong đó ứng lực



1 F 1
.  
Y S Y

F
S
3


Nguyên lý của cảm biến biến dạng
Đầu đo biến dạng loại điện trở thƣờng là sợi dây kim loại mảnh đƣợc gắn trực
tiếp lên bề mặt câu trúc cần khảo sát. Sự biến dạng của cấu trúc kéo theo biến dạng
của cảm biến và làm cho điện trở của nó bị thay đối.
Trong trƣờng hợp tổng quát đầu đo là một lƣới bằng dây dẫn mảnh có điện trở

suất  , tiết diện s và chiều dài nl (n là số đoạn dây, l là chiều dài một đoạn dây).
Đốỉ với đẩu đo kim loại thì n = 10  20, còn đốỉ với đấu đo bán dẫn n = 1. Cảm
bĩến đƣợc cố định trên đế cách điện, còn đế đƣợc gán vào cẩu trúc nghiên cứu.
Do chịu ảnh hƣởng của biến dạng, đỉện trở của cảm bỉến thay đổi một lƣợng
R đƣợc xác định bằng biểu thức:

R l S 



R
l
S


(1-1)

Biến dạng dọc của sợi dây dẫn đến sự thay đổi kích thƣớc tiết diện ngang a và
b (nếu dây có tiết diện hình chữ nhật) và đƣờng kính d (nếu dây có tiết diện trịn).
Quan hệ giữa biến dạng ngang và dọc theo quy luật:

a b d
l


 v
a
b
d
l

(1-2)

Ở đây v là hệ số Ioisson, trong vùng đàn hồi v = 0.3. Vì tiết diện dây S = ab
hoặc S   d 2 / 4 nên ta có:

S
l
 2v
S
l

(1-3)

Đối với đầu đo kim loại:

R
l
 K.
R
l

(1-4)

trong đó K là hệ số đầu đo thƣờng gần bằng 2
Đổi với đầu đo bán dẫn K  10  20 , dấu của K phụ thuộc vào loại bán dẫn.
4


Đấu đo bán dẫn thích hợp vớỉ những trƣờng hợp đo biến dạng nhỏ để đo lực, áp

suất và gia tốc. Điện trở của đầu đo có các giá trị chuẩn với độ chinh xác ± (0,2 
10) % và nằm trong khoảng từ 100  đến 5000  .
1.1.2. Phân lo i các chuyển ổi o các

i lƣ ng cơ

Chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp đo các đại lƣợng không điện là chuyển đổi đo
lƣờng đùng để biến đổi các đại lƣợng không điện đầu vào cần đo về các đại lượng
vật lý khác thuận tiện cho việc thu nhận, biến đổi tiếp, lưu giữ và hiển thị thông tin
về đại lƣợng đo.
Phần lớn các CĐĐLSC đƣợc xây dựng dựa vào các hiệu ứng vật lý, ví dụ
nhƣ

chuyền

nhiệt-điện áp và chuyển đổi nhiệt điện trở dựa theo hiệu ứng nhiệt điện,

chuyển đổi điện trở đo ứng suất cơ học, áp suất dựa vào hiệu ứng tenxơ,...
CĐ ĐLSC

Theo dạng đại
lượng vào

CĐ
cơ

CĐ
nhiệt

CĐ

âm

CĐ
ánh
sáng

CĐ
bức
xạ ion

Theo tính chất
nguồn điện

Theo phương
pháp biến đổi

CĐ
phát

CĐ
trực
tiếp

CĐ
tha
m số

CĐ
bù

Hình 1 1 Phân lo i chuyển ổi o lƣờng sơ cấp

Xu hƣớng hiện nay là gia tâng chủng loại CĐĐLSC dựa trên các hiệu ứng
vật lý mới, đồng thời cải thiện đặc tính của các CĐĐLSC sẵn có nhằm nâng cao độ
chính xác, mức tác động, độ nhạy và mở rộng phạm vi đo của các PTĐ không điện.
Chuyển đổi đo đại lƣợng sơ cấp đƣợc phân loại theo dạng đại lƣợng đầu vào,
theo tính chất nguồn điện và theo phƣơng pháp biến đổi (hình 1.1). Ngồi ra chúng
cịn đƣợc phân loại cụ thể hơn theo nguyên lý biến đổi.
5


Chuyển đổi cơ nhìn chung tuân thủ theo hệ thống phân loại hình 1.1. Theo
đại lƣợng đầu vào chuyển đổi cơ gồm chuyển đổi đo độ dài, góc, đo lực, áp suất,
biến dạng, ứng suất… Theo tính chất nguồn điện ta có chuyển đổi phát, ví dụ
chuyển đổi áp-điện; Theo tham số ta có chuyển đổi biến trở, chuyển đổi áp-trở
(tenxơ). Theo hiệu ứng vật lý ta có chuyển đổi xây dựng trên nguyên lý áp-điện và
áp-trở. Theo nguyên lý biến đổi ta có các dạng chuyển đổi xây dựng theo biến đổi
thẳng (đánh giá trực tiếp) và nguyên lý so sánh (bù).
1.1.3. Giới thiệu chuyển ổi tenxơ
Gồm có 3 loại chính: chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, chuyển đổi
điện trở lực căng lá mỏng và chuyển đổi điện trở lực căng màng mỏng.
Phổ biến nhất là chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, có cấu tạo nhƣ
hình 1.2a: trên tấm giấy mỏng bền 1 dán một sợi dây điện trở 2 (hình răng lƣợc có
đƣờng kính từ 0,02-0,03mm; chế tạo bằng constantan, nicrôm, hợp kim platiniriđi...). Hai đầu dây đƣợc hàn với lá đồng 3 dùng để nối với mạch đo. Phía trên
đƣợc dán tấm giấy mỏng để cố định dây. Chiều dài l0 là chiều dài tác dụng của
chuyển đổi.

a) Kiểu dây mảnh

b) Kiểu lá mỏn

c) Kiểu màng mỏng

Hình 1 2 Cấu t o của chuyển ổi tenxơ.

Chuyển đổi đƣợc dán lên đối tƣợng đo, khi đối tƣợng đo bị biến dạng sẽ
làm cho chuyển đổi tenzô biến dạng theo một lƣợng tƣơng đối  l  l / l và điện
trở của nó thay đổi một lƣợng tƣơng đối là  R  R / R với:
R 

R
 l 
 f    f  l 
R
 l 

Có đƣợc phƣơng trình biến đổi tổng quát biến trở lực căng là:
6

(1-5)


 R   l . 1  2K P  m   K . l

(1-6)

Với KP: Hệ số Poisson, đối với kim loại KP = 0,24 – 0,4.
m: Hệ số tỷ lệ, m    /  l với     /  là biến thiên tƣơng đối của
điện trở suất đặc trƣơng cho sự thay đổi tính chất vật lý của chuyển đổi
Độ nhạy của chuyển đổi là K = 1 + 2Kp + m; K = 0,5 – 8 đối với kim loại.

Để giảm kích thƣớc của chuyển đổi, tăng điện trở tác dụng cũng nhƣ có thể
chế tạo đƣợc chuyển đổi với hình dạng phức tạp hơn ngƣời ta chế tạo chuyển đổi
kiểu màng mỏng và lá mỏng:
Chuyển đổi lực căng kiểu lá mỏng: đƣợc chế tạo từ một lá kim loại mỏng
với chiều dày 0,004 ÷ 0,012mm. Nhờ phƣơng pháp quang khắc hình dáng của
chuyển đổi đƣợc tạo thành khác nhau nhƣ hình 1.2b.
Chuyển đổi lực căng kiểu màng mỏng: đƣợc chế tạo bằng cách cho bốc hơi
kim loại lên một khung với hình dáng định trƣớc.
Ƣu điểm của hai kiểu chuyển đổi trên là điện trở lớn, tăng đƣợc độ nhạy,
kích thƣớc giảm.
Ngồi ra các vật liệu bán dẫn nhƣ silic, gemani, asen…cũng đƣợc dùng để
chế tạo các chuyển đổi điện trở lực căng. Ƣu điểm của loại này là hệ số nhạy lớn
(K=-200-800), kích thƣớc nhỏ, nhiệt độ làm việc từ -250-2500C. Nhƣợc điểm của
chúng là độ bền cơ học kém.
Các đặc tính cơ bản:
- Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo chuyển đổi: có độ nhạy lớn, dây điện trở có
hệ số nhiệt α nhỏ, điện trở suất ρ lớn, sự thay đổi điện trở tƣơng đối không vƣợt
quá 1% khi đối tƣợng đo chịu ứng suất lớn nhất (độ biến dạng tƣơng đối ε1
trong giới hạn đàn hồi khơng lớn hơn 2,5.10-3 do đó εR vào khoảng 1,25-10).
- Độ nhạy của chuyển đổi dây mảnh khác với độ nhạy của vật liệu chế tạo
ban đầu do có thêm phần bị uốn cong của chuyển đổi khơng chịu biến dạng theo
hƣớng cần đo, điều này làm giảm độ nhạy cỡ 25-30%. Mặt khác các phần uốn
còn gây ra sai số trong quá trình đo. Muốn tăng độ nhạy phải tăng chiều dài tác
dụng l0.
7


- Hệ số nhiệt của chuyển đổi thƣờng khác với hệ số nhiệt của đối tƣợng đo
nên khi nhiệt độ thay đổi gây biến dạng phụ trong quá trình đo.
- Sai số của thiết bị đo dùng chuyển đổi tenzô chủ yếu do độ chính xác khắc

độ của các chuyển đổi. Thƣờng chúng đƣợc chế tạo hàng loạt và khắc chuẩn sơ bộ
nên khi sử dụng phải khắc chuẩn trực tiếp chuyển đổi với mạch đo, khi đó sai số có
thể giảm đến 0,2-0,5% khi đo biến dạng tĩnh và 1-1,5% khi đo biến dạng động.
- Ngồi ra cịn có sai số do biến dạng dƣ của keo dán khi sấy khô, sự giãn
nở khác nhau giữa chuyển đổi và chi tiết dán…
- Khi sử dụng phải có cơng nghệ dán chuẩn và chọn vị trí chính xác.
Mạch đo: Các chuyển đổi điện trở lực căng đƣợc dán lên đối tƣợng đo
bằng các laọi keo dán đặc biệt (nhƣ axêtônxenlulôit…). Thông thƣờng chuyển
đổi điện trở lực căng đƣợc dùng với mạch cầu một chiều hoặc xoay chiều và mạch
phân áp.
- Bù nhiệt độ: Ngoài sự thay đổiđiện trở do đối tƣợng đo gây ra thì khi nhiệt
độ thay đổi cũng làm cho điện trở của chuyển đổi bị thay đổi. Nếu mạch cầu chỉ có
một nhánh hoạt động (tức là chỉ có một chuyển đổi mắc vào một nhánh của
cầu) cần phải thực hiện bù nhiệt độ. Thƣờng sử dụng thêm một chuyển đổi cùng
loại đƣợc dán thích hợp để thực hiện bù nhiệt độ.
Ứng dụng: Các chuyển đổi lực căng đƣợc dùng để đo lực, áp suất, mômen
quay, gia tốc và các đại lƣợng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với
ứng suất cực tiểu lớn hơn hoặc bằng độ nhạy của chuyển đổi. Chuyển đổi lực
căng có thể đo các đại lƣợng biến thiên tới vài chục kHz.
1.2. KHÁI QUÁT VỀ PHƢƠNG TIỆN ĐO ỨNG SUẤT VÀ ĐO BIẾN D NG
1.2.1. Sơ ồ cấu trúc máy o ứng suất, biến d ng lo i tƣơng tự

Hình 1 3: Sơ ồ máy o ứng suất, biến d ng lo i tƣơng tự

8


- Chuyển ổi thứ cấp (CĐTC): thực hiện chức năng biến đổi các đại lƣợng
đo thành tín hiệu điện. Là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo, quyết
định độ chính xác cũng nhƣ độ nhạy của dụng cụ đo. Có nhiều loại chuyển đổi thứ

cấp khác nhau tùy thuộc đại lƣợng đo và đại lƣợng đầu ra của chuyển đổi.
- M ch o (MĐ): thực hiện chức năng thu thập, gia công thông tin đo sau
các chuyển đổi sơ cấp; thực hiện các thao tác tính tốn trên sơ đồ mạch. Tùy thuộc
dụng cụ đo là kiểu biến đổi thẳng hay kiểu so sánh mà mạch đo có cấu trúc khác
nhau.
Các đặc tính cơ bản của mạch đo gồm: độ nhạy, độ chính xác, đặc tính
động, cơng suất tiêu thụ, phạm vi làm việc.. đƣợc xét cụ thể cho mỗi loại mạch đo
để có thiết kế phù hợp cũng nhƣ sử dụng có hiệu quả.
Mạch đo thƣờng sử dụng kĩ thuật vi điện tử và vi xử lý để nâng cao các đặc
tính kỹ thuật của dụng cụ đo.
- Cơ cấu chỉ thị (CCCT): là khâu cuối cùng của dụng cụ đo, thực hiện
chức năng thể hiện kết quả đo lƣờng dƣới dạng con số so với đơn vị sau khi qua
mạch đo.Các kiểu chỉ thị thƣờng gặp gồm: chỉ thị bằng kim chỉ, chỉ thị bằng thiết
bị tự ghi (ghi lại các tín hiệu thay đổi theo thời gian), .......
Việc phân chia các bộ phận nhƣ trên là theo chức năng, không nhất thiết
phải theo cấu trúc vật lý, trong thực tế các khâu có thể gắn với nhau (một phần tử
vật lý hực hiện nhiều chức năng), có sự liên hệ chặt chẽ với nhau bằng các mạch
phản hồi…
1.2.2. Sơ ồ cấu trúc máy o ứng suất, biến d ng lo i số

Hình 1 4: Sơ ồ máy o ứng suất biến d ng lo i hiện số

9


Cơ cấu chỉ thị số ứng dụng các kỹ thuật điện tử và kỹ thuật máy tính để biến
đổi và chỉ thị đại lƣợng đo. Sơ đồ khối của một dụng cụ đo hiển thị số nhƣ hình 1.4:
Đại lƣợng đo Y đƣợc biến đổi thành tín hiệu xung tƣơng ứng sau khi qua bộ
biến đổi xung BĐX: số xung N đầu ra tỉ lệ với giá trị của Y. Số xung N đƣợc đƣa
vào bộ mã hóa MH (thƣờng là bộ mã hóa 2-10 mã BCD), tín hiệu mã hóa đƣa

dến bộ giải mã GM và đƣa ra bộ hiện số. Tất cả 3 khâu: mã hóa - giải mã - hiển
thị số cấu thành bộ chỉ thị số.
1.3. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI THỨ CẤP TRONG MÁY ĐO SỐ
Các phần tử của phƣơng tiện đo số rất đa dạng. Sau đây ta chỉ giới hạn xét một
số bộ biến đổi đặc trƣng trong phƣơng tiện đo số.
1.3.1. Khái quát về kỹ thuật o lƣờng số
Khái niệm về lượng tử hóa theo giá trị
Đầu tiên ta xét khái niệm về tín hiệu. Tín hiệu được hiểu là dạng vật chất
mang thơng tin. Có hai dạng tín hiệu: tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc. Trong
thực tế đối tƣợng đo là các tín hiệu ở đầu vảo phƣơng tiện đo, thực chất đây là đối
tƣợng vật lý và quá trình thay đối theo thời gian, đặc trƣng bởi các tính chất mà ta
gọi là tham số. Tín hiệu giống nhƣ nhịp cầu liên kết các phần tử trong hệ thống đo
lƣờng và điều khiển, trong hệ thống tự động kiểm tra tham số của q trình cơng
nghệ và sản phẩm, kêt nối trạm thu phát thông tin trong môi trƣờng truyền khác
nhau.
Tín hiệu đo lường là loại tín hiệu mang đặc tính thơng tin, trong đó chứa
đựng thơng tin về giá trị của chúng. Trong q trình đo, thơng tin cân đƣợc lấy ra
từ tín hiệu vào theo cách nào đó tối ƣu nhất. Để làm đƣợc điều đó cần thiết phải
nghiên cứu một cách tỉ mỉ các tính chất của tín hiệu và tham số của chúng, đặc
điểm của tín hiệu vào và tín hiệu ra PTĐ, mơ hình hóa tín hiệu để nghiên cứu,...
Tín hiệu đƣợc biểu diễn dƣới dạng hàm của biến thời gian X(t). hoặc hàm của
biến tần số X(f) hay X(  ).
Trong phƣơng tiện đo hiện số xảy ra hai quá trình nối tiếp nhau, đó là lƣợng tử
hóa đại lƣợng liên tục theo thời gian và mã hóa.
10


Hình 1 5: D ng t n hiệu là hàm của thời gian

Lƣợng từ hóa theo giá trị là chia một giá trị đại lƣợng liên tục X(t) thành các

phần bằng nhau  XK, mỗi phần là một bƣớc lƣợng tử. Sau đó biểu diễn X(t) thành
dãy giá trị, trong đó mỗi giá trị cách hai giá trị kề cận một bƣớc lƣợng tử. Trên hình
1.5b biểu diễn quá trinh lƣợng tử theo giá trị.
Tƣơng ứng với giá trị X của đại lƣợng, ta đếm đƣợc N bƣớc lƣợng tử, từ đây
tính đƣợc: X = N.  XK.
Sai số của máy đo số
Sai số lƣợng tử là sai số đặc trƣng cho PTĐ hiện số. Để giảm sai số lƣợng từ cần
giảm giá trị bƣớc lƣợng tử. Sai số lƣợng tử tuyệt đối cực đại có giá trị đúng bằng
một bƣớc lƣợng tử (±  XK). Sai số lƣợng tử tƣơng đối đƣợc tính:

 K max  

X K
X K
100
.100  
.100  
,  %
X
X K . N
N

(1-7)

Để giảm sai số lƣợng tử cần tăng số bƣớc N tƣơng ứng với đại lƣợng X. Giữa
 XK và N có mối liên hệ qua lại: khi giảm  XK thì đƣơng nhiên N tăng và ngƣợc

lại.
Cấu trúc của máy đo số
Để đo các đại lƣợng không điện ta biến đổi chúng về các đại lƣợng điện nhờ các

chuyển đổi đo lƣờng sơ cấp (CĐĐLSC) còn gọi là cảm biến đo lƣờng. Nhƣ vậy
phƣơng tiện đo không điện loại hiện số cũng giống nhƣ các PTĐ hiện số nói chung
11


đƣợc xây dựng theo hai nguyên tắc biến đổi: biến đổi thẳng và biến đổi cân bằng,
trong đó có các khối: CĐĐLSC, bộ biến đổi tƣơng tự - số (BĐTT-S), biến đổi mã
(BĐM) và hiển thị số (HTS).
a)

b)

Hình 1 6: Sơ ồ cấu trúc PTĐ hiện số với biến ổi thẳng (a) và với biến ổi cân bằng (b)

Trên hình 1.6 đƣa ra hai sơ đồ cấu trúc của PTĐ hiện số đo các đại lƣợng không
điện với cấu trúc biến đổi thẳng (a) và với cấu trúc biến đổi cân bằng (b). Điều khác
biệt so với PTĐ hiện số nói chung là PTĐ khơng điện có thêm CĐĐLSC. Khâu biến
đổi từ đại lƣợng Y về N2 là khâu biến đổi thứ cấp nhờ bộ biến đổi thứ cấp (BĐTC).
1.3.2. Bộ biến ổi thời gian – mã
Bộ biến đổi thời gian-mã biến đổi khoảng thời gian ở đầu vào thành mã ở đầu
ra. Thực chất đây là quá trình lấp đầy khoảng thời gian bằng dãy xung chuẩn với tần
số cao hơn. Trên hình 1.7 biểu diễn sơ đồ khối của bộ biến đổi, trên hình 1.8 biểu
diễn biểu độ thời gian làm việc của nó.

Hình 1 7 Sơ ồ khối bộ biến ổi thời gian-mã

12


t

TR
Tx
TXC

BĐX

T0

NR

Hình 1 8: Biểu ồ thời gian bộ biến ổi thời gian-mã

Bộ biến đổi thời gian-mã gồm khối tạo xung chuẩn (TXC), khoá K, Trigơ TR
và bộ đếm xung ĐX. Khoảng thời gian xung Tx cần biến đổi đƣợc xác định bởi 2
xung: xung khởi động XKĐ và xung tắt XT, điều khiển sự thay đổi trạng thái của
Trigơ. Từ đây khoá K đƣợc mở trong thời gian Tx, xung chuẩn từ bộ TXC qua khoá
K và đƣa tới bộ đếm xung. Bộ đếm xung đếm số xung qua khoá K trong thời gian
Tx :
Nx 

Tx
 f 0  Tx
T0

(1-8)

Từ (1-8) ta thấy : Mã ở đầu ra tỷ lệ thuận với thời gian cần biến đổi ở đầu
vào.
Sai số bộ biến đổi phụ thuộc vào sự không ổn định tần số xung chuẩn, quá
trình quá độ của trigơ và khóa K, sai số lƣợng tử.

1.3.3. Bộ biến ổi iện áp – mã
Bộ biến đổi điện áp-mã biến đổi điện áp ở đầu vào thành mã ở đầu ra. Bộ biến
đổi có sơ đồ khối biểu diễn trên hình 1.9, trên hình 1.10 là biểu đồ thời gian làm
việc của nó.

13


Hình 1 9 Sơ ồ khối bộ biến ổi iện áp-mã
XKĐ

XT
Ux
URC
t

TR

1
0

Tx

Hình 1 10: Biểu ồ thời gian của bộ biến ổi iện áp-mã

Bộ biến đổi điện áp-mã gồm 2 bộ biến đổi: bộ biến đổi điện áp thành thời gian
và bộ biến đổi thời gian thành mã. Bộ biến đổi điện áp-thời gian làm nhiệm vụ tạo
xung tắt thông qua quá trình so sánh điện áp vào UX với điện áp răng cƣa (URC).
Bộ biến đổi điện áp-thời gian gồm bộ so sánh SS và bộ tạo xung răng cƣa
(TXRC). Khi có xung khởi động XKĐ bộ tạo xung răng cƣa bắt đầu tạo điện áp tăng

tuyến tính theo thời gian (xem biểu đồ hình 1.10) và Trigơ chuyển sang trạng thái 1,
bắt đầu quá trình biến đổi và quá trình đếm. Điện áp răng cƣa URC đƣợc so sánh với
điện áp cần biến đổi Ux nhờ bộ so sánh SS. Tại thời điểm khi điện áp Ux bằng điện
áp răng cƣa URC thì ở đầu ra của SS xuất hiện xung tắt XT . Xung tắt đƣa TXRC về
trạng thái ban đầu và đƣaTrigơ trở về trạng thái 0 để kết thúc quá trình đếm.
Điện áp xung răng cƣa đƣợc xác định theo công thức: URC = a.t. Tại thời điểm
t = Tx ta có URC/t = Ux/Tx. Do đó ta có:
14


Ux = a.Tx; Tx = Ux /a
Mã ở đầu ra của bộ biến đổi thời gian-mã đƣợc xác định:
Nx = f0 . Tx = U x

f0
= K.Ux; K = f0/a
a

(1-9)

Nhƣ vậy mã ở đầu ra bộ biến đổi tỉ lệ thuận với điện áp ở đầu vào.
Sai số bộ biến đổi phụ thuộc vào sự không ổn định tần số xung chuẩn, sự
không ổn định độ dốc và không tuyến tính của điện áp răng cƣa, q trình q độ
của trigơ và khóa K, sai số lƣợng tử.

Hình 1.11. Sơ ồ khối bộ biến ổi iện áp-mã
ĐK
t

U0

t1

t2

t3

Ux + U0

TX
t0

NX
Hình 1.12. Biểu ồ thời gian làm việc của bộ biến ổi

15