Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN HOÀI NAM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO VÀ HỆ THỐNG ĐO
LỰC BA CHIỀU
Chuyên ngành: Đo lƣờng và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐO LƢỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG

Hà nội – Năm 2013


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập, nghiên cứu tại trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội và
phòng Thí nghiệm Đo lƣờng Động học Bay, Viện Tên lửa, tác giả đã hoàn thành
luận văn thạc sĩ, đồng thời đƣợc trang bị những kiến thức về chuyên ngành sâu,
rộng và cả phƣơng pháp học tập, nghiên cứu.
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Thị Lan Hƣơng đã tận tình
hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tôi có thể nghiên cứu và hoàn thành
luận văn thạc sĩ của mình.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Kĩ thuật đo và Tin học
công nghiệp, Viện Điện đã trang bị cho tôi những kiến thức chuyên môn nâng cao,
hữu ích cho luận văn cũng nhƣ trong công việc.
Tôi xin chân thành cám ơn lãnh đạo và các đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm
Đo lƣờng Động học Bay, Viện Tên lửa, Viện KH&CN Quân sự đã tạo mọi điều
kiện để tôi làm việc, nghiên cứu, đồng thời đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình
thực hiện luận văn thạc sĩ.
Tôi xin cảm ơn tập thể lớp cao học Đo lƣờng và các hệ thống điều khiển hệ
khoa học khóa 2011B, cùng với gia đình, bạn bè tôi, những ngƣời thƣờng xuyên
động viên, đóng góp trao đổi ý kiến và kiến thức trong suốt thời gian học tập và
hoàn thành luận văn.

Hà Nội, Ngày….. tháng….. năm…….
Học viên thực hiện

Nguyễn Hoài Nam

I


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Nguyễn Hoài Nam, học viên cao học lớp 11B-ĐLĐK.KH khóa 2011B
2013. Giảng viên hƣớng dẫn là TS. Nguyễn Thị Lan Hƣơng.
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong bản luận văn
“Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều” là công trình
nghiên cứu của tôi, dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của TS Nguyễn Thị Lan Hƣơng –

Viện Điện, trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Các thiết kế, kết quả nghiên cứu
trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kì luận văn thạc sĩ
nào. Mọi thông tin trích dẫn đều đƣợc tuân theo luật sở hữu trí tuệ, liệt kê rõ ràng
các tài liệu tham khảo. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung đƣợc
viết trong luận văn này.

Hà Nội, Ngày….. tháng….. năm…….
Học viên thực hiện

Nguyễn Hoài Nam

II


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
a.

Tính cấp thiết của đề tài/lý do chọn đề tài.....................................................1

b.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu. ............1

c.

Phƣơng pháp nghiên cứu. ..............................................................................2

d.

Nội dung thực hiện và đóng góp của đề tài...................................................2

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐỘNG LỰC .........................4
1.1 Khái niệm chung về hệ thống đo động lực .......................................................4
1.2. Đặc tính động học của hệ thống đo các tham số động lực, hàm truyền...........5
1.2.1. Các phần tử bậc 2 ......................................................................................6
1.3. Sai số động trong các hệ thống đo các tham số động lực ................................9
1.4. Một số giải pháp kỹ thuật bù trừ động học ....................................................12
1.4.1. Loại trừ tác động nhiễu động học ...........................................................13
1.4.2. Bù trừ nhiệt độ cho cảm biến ..................................................................15
1.5. Kết luận chƣơng 1 ..........................................................................................16
Chƣơng 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO LỰC BA CHIỀU ....................18
2.1. Cơ sở để thiết kế các loại cảm biến điện trở lực căng....................................18
2.1.1. Tem điện trở lực căng .............................................................................18
2.1.2. Những nguồn phát sinh sai số khi sử dụng tem điện trở .........................24
2.1.4. Cơ sở lý thuyết để tính toán sơ bộ tổ hợp phần tử biến dạng .................29
2.1.5. Tính toán, thiết kế phần tử biến dạng đàn hồi .........................................33
2.2. Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo lực ba chiều ...............................................39
2.2.1. Tính toán kết cấu tổ hợp phần tử biến dạng ............................................39
2.2.2. Thiết lập các mạch cầu cảm biến ............................................................47
2.2.3. Xác định tần số dao động riêng của cảm biến ........................................49
2.3. Kết luận chƣơng 2 ..........................................................................................52
III


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

Chƣơng 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ THU THẬP, GIA CÔNG TÍN
HIỆU VÀ HỆ THỐNG ĐO ......................................................................................54
3.1. Thiết kế chế tạo mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng
(Loadcell) SIWAREX R BB ..................................................................................54
3.1.1. Cảm biến (Loadcell) SIWAREX R BB ..................................................54
3.1.2. Mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng (loadcell).......56
3.2. Thiết kế chế tạo hệ thống đo cho cảm biến đo lực ba chiều ..........................64
3.3. Các loại nhiễu chính ảnh hƣởng đến hệ thống và biện pháp khắc phục ........70
3.3.1. Nhiễu điện từ ...........................................................................................70
3.3.2. Nhiễu tạp trắng ........................................................................................73
3.3.3. Nhiễu có chu kỳ ......................................................................................74
3.3. Kết luận chƣơng 3 ..........................................................................................74
Chƣơng 4: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .........................................76
4.1. Thí nghiệm với mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng
(Loadcell) SIWAREX R BB ..................................................................................76
4.1.1. Thí nghiệm với mạch đo .........................................................................76
4.1.2. Kết luận: ..................................................................................................77
4.2. Thí nghiệm với hệ thống đo lực ba chiều.......................................................78
4.2.1. Kiểm tra, xác định độ nhạy thực thế của cảm biến đo lực ba chiều .......78
4.2.2. Kiểm tra, xác định sự ổn định, tuyến tính của cả hệ thống
đo lực 3 chiều ....................................................................................................79
4.2.3. Kết luận ...................................................................................................80
4.3. Kết luận chƣơng 4 ..........................................................................................80
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................83

IV

Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều
DANH MỤC VIẾT TẮT

V

2013


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ khối của một hệ thống đo động lực ..............................................4
Hình 1.2. Mạch thay thế của phần tử bậc hai với mạch dao động L-C-R mắc nối
tiếp ...........................................................................................................................8
Hình 1.3. Hệ thống đo với những đặc tính động học của nhiều phần tử hợp thành
...............................................................................................................................10
Hình 1.4. Các giới hạn phần trăm và độ rộng băng .............................................14
Hình 1.5. Sơ đồ khối phƣơng pháp bù trừ động học vòng hở...............................15
Hình 1.6. Sơ đồ khối phƣơng pháp bù trừ động học vòng kín ..............................15
Hình 2.1. Sơ đồ khối của phần tử chuyển đổi tem điện trở lực căng ....................18
Hình 2.2. Cấu tạo của tem điện trở kim loại .........................................................20
Hình 2.3. Các trục biến dạng của tem điện trở......................................................22
Hình 2.4. Cấu tạo của tem bán dẫn .......................................................................23
Hình 2.5. Mạch cầu trở kháng khái quát và mạch thay thế Thevenin ..................25
Hình 2.6. Mạch cầu đo biến dạng sử dụng một tem đo và một tem bù trừ nhiệt
cùng các điện trở chuẩn không phụ thuộc nhiệt độ ...............................................27

Hình 2.7. Vị trí chính xác của tem đo và tem bù trừ nhiệt đƣợc dán trên phần tử
biến dạng thuần kéo hoặc thuần nén. ....................................................................27
Hình 2.8. Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của cảm biến đo lực...........................30
có phần tử biến dạng đàn hồi ................................................................................30
Hình 2.9. Khối lập phƣơng mô tả các phƣơng trình cơ bản của lý thuyết biến
dạng đàn hồi ..........................................................................................................32
Hình 2.10. Một số loại phần tử biến dạng điển hình .............................................36
Hình 2.11. Biểu diễn các mối quan hệ giữa lực và biến dạng của phần tử nhạy
cảm ........................................................................................................................38
Hình 2.12. Các lực cần đo khi gia công phay kim loại .........................................40
Hình 2.13. Vị trí gá lắp cảm biến trên máy phay ..................................................40
VI


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

Hình 2.14. Cấu trúc phần tử biến dạng và vị trí dán tem điện trở lực căng ..........41
Hình 2.15. Mô hình đơn giản hóa của phần tử biến dạng với lực tác động theo
phƣơng X ...............................................................................................................42
Hình 2.16. Kết cấu tổ hợp phần tử biến dạng đàn hồi của cảm biến đo lực 3 chiều
...............................................................................................................................46
Hình 2.17. Mạch cầu cảm biến đo lực Fz .............................................................48
Hình 2.18. Quy trình dán tem điện trở lực căng ...................................................49
Hình 2.19. Cảm biến đo lực 3 chiều và phần tử biến dạng ...................................52
Hình 3.1. Sơ đồ chức năng của thiết bị thu thập và gia công tín hiệu ..................54
Hình 3.2. Cảm biến đo lực SIWAREX R BB .......................................................55
Hình 3.3. Cấu trúc phần tử biến dạng và mạch cầu của cảm biến đo lực
SIWAREX R BB ...................................................................................................56

Hình 3.4. Sơ đồ khối thiết bị gia công tín hiệu cảm biến ......................................57
Hình 3.5. IC khuếch đại đo lƣờng INA 125P .......................................................57
Hình 3.6. Sơ đồ mạch cơ bản khi sử dụng IC INA 125P và bảng chọn giá trị điện
trở R theo hệ số khuếch đại ...................................................................................58
Hình 3.7. Vi điều khiển ATMEGA 8535 ..............................................................59
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng
...............................................................................................................................60
Hình 3.9. Ảnh chụp mạch đo thí nghiệm sử dụng cảm biến điện trở lực căng và
cảm biến đo lực SIWAREX R BB ........................................................................61
Hình 3.9. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình chính của mạch đo thí nghiệm sử dụng
cảm biến điện trở lực căng và cảm biến đo lực SIWAREX R BB .......................63
Hình 3.10. CARD NI PCI-6025E .........................................................................64
Hình 3.11. Hệ thống đo và cảm biến đo lực ba chiều ...........................................65
Hình 3.12. Lƣu đồ đọc và xử lý tín hiệu đo ..........................................................69
Hình 3.13. Chƣơng trình đo lực ba chiều viết bằng DASY Lab ...........................70

VII


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

Hình 3.14. Hệ thống đo lực cắt ba chiều khi phay ................................................71
Hình 3.15. Cáp dây xoắn có bọc kim để chống lại nhiễu điện dung và nhiễu từ
trƣờng ....................................................................................................................73
Hình 4.2. Thí nghiệm kiểm tra sự ổn định, tuyến tính của hệ thống đo lực 3 chiều
đã chế tạo ...............................................................................................................79
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Hằng số tem và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại làm tem .......20

Bảng 2.2. Một số đặc tính quan trọng của tem điện trở kim loại thƣờng dùng. ...22
Bảng 2.3. Những ƣu, nhƣợc điểm chung của tem biến dạng bằng kim loại .........22
Bảng 2.4 Những ƣu nhƣợc điểm điển hình của tem bán dẫn ................................23
Bảng 2.5. Một số phƣơng thức bố trí tem đo và bù trừ tƣơng ứng với ứng suất
trên một số phần tử biến dạng điển hình ...............................................................29

VIII


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

MỞ ĐẦU
a.

Tính cấp thiết của đề tài/lý do chọn đề tài.
Trong các máy công cụ, gia công cơ khí lực cắt là thông số quan trọng hàng

đầu để khảo sát, điều khiển và tối ƣu hóa quá trình công nghệ gia công cơ khí nhằm
nâng cao năng suất lao động. Với các máy công cụ hiện đại thì thƣờng đƣợc tích
hợp hệ thống đo lực và hệ thống điều khiển đồng bộ. Tuy nhiên giá thành của các
máy công cụ này cũng không rẻ. Bên cạnh đó, trong nƣớc ta hiện nay còn sử dụng
rất nhiều thiết bị, máy móc cũ mà chƣa đƣợc tích hợp hệ thống đo và điều khiển.
Với các máy công cụ này, việc tính toán các chế độ hoạt động hoàn toàn dựa vào
các thông số lý thuyết, kinh nghiệm của ngƣời điều khiển. Vì vậy dẫn đến nhiều bất
cập nhƣ chế độ hoạt động chƣa hoàn toàn tối ƣu, nguy cơ sảy ra mất an toàn, hỏng
hóc cao. Để khắc phục những nhƣợc điểm này, có thể cải tiến các máy công cụ cũ
này bằng cách thêm vào hệ thống đo lực nhiều chiều và hệ thống điều khiển. Hiện
tại, giá thành của các hệ thống đo lực nhiều chiều đƣợc các hãng nƣớc ngoài cung

cấp là rất đắt và khi hỏng hóc thì phải gọi chuyên gia của hãng và các phụ kiện cũng
nhƣ chi phí sửa chữa là rất cao. Chính vì thế nghiên cứu chế tạo hệ thống đo lực cắt
sử dụng trong các máy công cụ bằng công nghệ trong nƣớc, phù hợp với điều kiện
kinh tế trong nƣớc là một yêu cầu cấp bách.
b.

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
Yêu cầu của một hệ thống đo lƣờng là phải đạt đủ yêu cầu về độ ổn định,

tuyến tính, có độ chính xác cao và có độ nhạy đủ lớn để có thể đo đƣợc các tham số
biến đổi phức tạp của đối tƣợng đo. Muốn vậy trƣớc hết phải thiết kế, chế tạo từng
bộ phận của hệ thống sao cho chúng đạt các yêu cầu tiêu chuẩn chất lƣợng đề ra.
Mỗi bộ phận hợp thành đƣợc đảm bảo ổn định và tuyến tính trong giới hạn đo sẽ là
cơ sở cho việc tổ hợp thành một hệ thống đo tuyến tính và ổn định. Nhƣ vậy, để có
đƣợc một hệ thống đo đủ độ nhạy, tin cậy, chính xác cao thì trƣớc hết phải có giải
pháp hợp lý chế tạo các phần tử hệ ổn định và tuyến tính.
Luận văn “Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều”
nghiên cứu những kiến thức cơ bản về một hệ thống đo động học nói chung và một
hệ thống đo sử dụng cảm biến điện trở lực căng nói riêng. Từ đó thiết kế, chế tạo
cảm biến đo lực ba chiều sử dụng công nghệ điện trở lực căng và hệ thống đo đi
1


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

kèm, làm việc ổn định, tuyến tính trong miền giới hạn đo, có độ chính xác cao và có
độ nhạy đủ lớn để có thể đo đƣợc các tham số biến đổi phức tạp của đối tƣợng đo là
lực cắt trong các máy công cụ. Bên cạnh đó hệ thống đo cũng phải đáp ứng đƣợc

các yêu cầu khắc nghiệt của điều kiện làm việc nhƣ độ cứng vững, quá trình tăng
nhiệt độ hay việc sử dụng dung dịch tƣới nguội trong quá trình gia công của máy
công cụ.
Bên cạnh đó, trong luận văn cũng thiết kế một mạch đo lƣờng phục vụ cho
mục đích thí nghiệm, sử dụng cảm biến đo lực một chiều có sẵn của hãng Siemen
để làm bài thí nghiệm và đƣa ra kết quả so sánh giữa hai phƣơng pháp sử dụng
ADC.
c.

Phƣơng pháp nghiên cứu.
Dựa trên yêu cầu thực tiễn với các máy công cụ là cần đo lực cắt để làm cơ

sở tính toán các chế độ làm việc, điều khiển thiết bị, tránh các sự cố đáng tiếc. Yêu
cầu đặt ra với cảm biến và hệ thống đo là phải hoạt động ổn định, chịu đƣợc môi
trƣờng làm việc khắc nghiệt nhƣ chịu rung động, chịu tác động của dung dịch tƣới
nguội ...
Với các máy công cụ, tần số tƣơng tác vật lý giữa dụng cụ cắt và đối tƣợng
gia công thƣờng dƣới 500 Hz, tƣơng ứng với dải hoạt động của các cảm biến đo
ứng suất biến dạng. Vì vậy, hệ thống đo sử dụng cảm biến tem điện trở lực căng
luôn đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc đo thí nghiệm tham số động lực (lực, mô
men, áp suất...) của các máy công cụ. Hệ thống đo sử dụng tem điện trở lực căng rất
phổ biến trong nhiều lĩnh vực của nhiều quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, các hệ
thống đo này thƣờng do một số công ty thuộc các nƣớc có trình độ công nghệ phát
triển cao chế tạo và sản xuất. Với một nƣớc mà nền công nghệ chế tạo còn chƣa
thực sự phát triển nhƣ nƣớc ta, việc chế tạo, sản xuất dụng cụ, thiết bị đo là một
thách thức lớn. Chính vì vậy, nghiên cứu chế tạo các hệ thống đo phù hợp với điều
kiện công nghệ trong nƣớc,phục vụ cho công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học và
sản xuất là nhu cầu thiết yếu hiện nay.
d.

Nội dung thực hiện và đóng góp của đề tài

- Nghiên cứu cơ sở ly thuyết về hệ thống đo động lực và hiệu ứng áp trở.

2


Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo và hệ thống đo lực ba chiều

2013

- Thiết kế, chế tạo cảm biến đo lực cắt ba chiều dựa trên hiệu ứng áp trở, tem
điện trở lực căng.
- Chế tạo hệ thống đo lực 3 chiều hoàn chỉnh và thử nghiệm các đặc tính của
cảm biến và hệ thống đo đã chế tạo.
- Thiết kế, chế tạo mạch thí nghiệm sử dụng cho cảm biến đo lực SIWAREX
BB của hãng Siemen.

3


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG ĐO ĐỘNG LỰC
1.1 Khái niệm chung về hệ thống đo động lực
Hệ thống đo động lực là một hệ thống đo các tham số động lực của đối tƣợng
đo. Các tham số động lực là lực, áp suất, nhiệt độ, mô men uốn của trục tua bin...
Các tham số động lực cần đo thƣờng có đặc điểm là phải chịu nhiều tác động ảnh

hƣởng từ nhiều yếu tố của môi trƣờng và của chính tác động của đối tƣợng cần đo
khi hoạt động.
Một hệ thống đo các tham số vật lý nói chung bao gồm ba bộ phận chính là
cảm biến, bộ phận gia công xử lý tín hiệu và bộ phận hiển thị. Cùng với sự phát
triển của khoa học công nghệ, cấu tạo, chất lƣợng, kích thƣớc của hệ thống đƣợc
thay đổi rất nhiều song kỹ thuật và nguyên lý cấu tạo không thay đổi. Cũng có thể
tách phần gia công xử lý tín hiệu thành hai bộ phận, đó là các bộ phận gia công tín
hiệu và xử lý số tƣơng ứng với các chức năng xử lý tƣơng tự và số. Hình 1.1 thể
hiện sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống đo các tham số động lực.
HỆ THỐNG ĐO CÁC THAM SỐ ĐỘNG LỰC
Giá

GIA CÔNG XỬ LÝ

Giá
trị

đã

trị
cần
Đầu
đo

Cảm

Gia công

Xử lý

Hiển thị

biến

tín hiệu

số

số liệu

vào

đo
đƣợ
Đầu
c
ra

Hình 1.1. Sơ đồ khối của một hệ thống đo động lực
Cảm biến có vai trò biến đổi đại lƣợng cần đo sang dạng tín hiệu có thể xử lý
đƣợc. Ví dụ, với cảm biến cặp nhiệt thì suất điện động nhiệt điện tính theo milivôn
sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ; với cảm biến đo lƣu lƣợng đĩa nghẽn thì độ chênh áp sẽ
phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy; còn với cảm biến tem biến dạng thì biến đổi điện
trở phụ thuộc vào biến dạng cơ học v.v.... Yêu cầu đối với cảm biến là phải chuyển
đổi chính xác, trung thực đại lƣợng cần đo. Tín hiệu đo đƣợc từ cảm biến sẽ đƣợc
đƣa vào xử lý ở bộ phận gia công xử lý.
Trong nhiều trƣờng hợp, một hệ thống đo có nhiều cảm biến và cảm biến có
thể có mặt ở hầu hết các bộ phận của hệ thống. Trong một hệ thống đo lƣờng, điều
4

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

khiển hay một hệ thống vật lý nói chung, cảm biến đƣợc nối trực tiếp đến bộ phận
gia công xử lý thƣờng đƣợc gọi là cảm biến sơ cấp, những cảm biến khác đƣợc gọi
là cảm biến thứ cấp.
Bộ phận gia công xử lý tín hiệu có vai trò xử lý, gia công tín hiệu từ cảm
biến truyền về để thu đƣợc kết quả chính xác, trung thực của phép đo, sau đó đƣa ra
hiển thị. Bộ phận này có thể đƣợc tách thành hai bộ phận là bộ phận gia công tín
hiệu và bộ phận xử lý số.
Bộ phận gia công tín hiệu làm nhiệm vụ gia công, biến đổi tín hiệu ở dạng
tƣơng tự. Bộ phận này nhận tín hiệu tƣơng tự từ đầu ra của cảm biến để gia công,
chuyển đổi, tạo điều kiện cho việc xử lý số tín hiệu sau đó đƣợc tiện lợi và thích hợp. Tín
hiệu này là tín hiệu tƣơng tự, thƣờng nằm dƣới dạng điện áp một chiều, dòng một chiều
hoặc tần số. Ví dụ nhƣ độ lệch cầu sẽ chuyển đổi một biến đổi trở kháng thành một biến
đổi điện áp; bộ khuếch đại sẽ khuếch đại điện áp mi li vôn thành vôn v.v...
Bộ phận xử lý số hay còn gọi xử lý số tín hiệu sẽ nhận tín hiệu ra tƣơng tự ở
đầu ra của bộ phận gia công tín hiệu để chuyển đổi, số hoá thành các dạng phù hợp
cho cho mục đích hiển thị. Ví dụ nhƣ bộ ADC sẽ chuyển đổi các tín hiệu điện áp thành
dạng số phục vụ cho việc nối ghép với máy tính. Máy tính sẽ tính các giá trị đo của các
biến dƣới dạng số, lấy từ bộ xử lý tín hiệu.
Bộ phận hiển thị số liệu làm nhiệm vụ hiển thị giá trị đã đo dƣới dạng dễ
quan sát nhất, ví dụ đơn giản chỉ là một bộ chỉ thị bằng kim, máy tự ghi trên giấy,
bộ chỉ thị số hoặc phức tạp hơn là bộ hiển thị hình ảnh.
Đối với các hệ thống đo lƣợng khác nhau, các thành phần của hệ thống có
thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của hệ thống, ví dụ nhƣ một số hệ thống đo
đơn giản, biến đổi trực tiếp thì không có bộ phận xử lý số, tín hiệu thu đƣợc từ cảm
biến sẽ qua khâu chuyển đổi tƣơng tự rồi đƣợc hiển thị (cân cơ học, thƣớc đo...).

1.2. Đặc tính động học của hệ thống đo các tham số động lực, hàm truyền
Trong một hệ thống đo động lực, khi đối tƣợng đo chuyển từ trạng thái tĩnh
sang trạng thái hoạt động, tín hiệu đầu vào x biến đổi đột ngột từ một giá trị này đến
một giá trị khác, khi đó, tín hiệu ra y cũng sẽ biến đổi đến một giá trị mới của nó và
ời có sự tham gia của can nhiễu. Sự biến đổi của tín hiệu đầu ra là không đồng thời
5


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

với sự thay đổi của tín hiệu đầu vào vì đặc tính trễ của phần tử hệ cũng nhƣ của toàn
bộ hệ thống đo. Biểu diễn của đáp ứng đầu ra với những kích thích đột biến trong
một phần tử hệ đƣợc gọi chung là đặc tuyến động học. Đặc tuyến này, hầu hết đƣợc
biểu diễn dƣới dạng hàm truyền G(s). Dựa vào hàm truyền có thể khảo sát đƣợc
hành vi của các phần tử hệ cũng nhƣ toàn hệ, xác định đƣợc các phƣơng pháp thử
chuẩn, những sai số động học và các phƣơng thức bù trừ động học nhằm giảm sai
số đến mức thấp nhất.
Những hệ thống đo các tham số của động lực là những hệ thống bao gồm chủ yếu
những phần tử bậc không, bậc nhất và bậc hai. Trong luận văn đề cập sâu về những phần
tử hệ bậc hai và hàm truyền tƣơng ứng của chúng.
1.2.1. Các phần tử bậc 2
Phần tử hệ bậc hai là những phần tử không thể thiếu trong các hệ thống đo
lực, áp suất, mô men, rung...
Một phần tử hệ bậc hai tiêu biểu đƣợc xét là phần tử biến dạng đàn hồi trong
cảm biến đo lực, áp suất đang đƣợc sử dụng rất phổ biến hiện nay. Nguyên lý hoạt
động của phần tử này nhƣ sau: Lực F tác động vào đối tƣợng sẽ đƣợc chuyển đổi thành
độ dịch chuyển x(m) ở đầu ra. Trong mô hình cấu tạo của phần tử hệ bậc hai này có sự
liên kết giữa các tham số khối lƣợng m(kg), độ cứng của lò xo k(N.m-1), và hằng số

giảm chấn (N.s.m-1). Với điều kiện hệ ở trạng thái tĩnh trong thời gian ban đầu t = 0-,
nhƣ vậy tốc độ ban đầu của hệ là v’ = x(0-) = 0 và gia tốc ban đầu là a = x’’(0-) = 0.
Lực ban đầu F(0-) cân bằng với lực lò xo tại vị trí ban đầu x(0-), nhƣ vậy:
F(0-) = k.x(0-)

(1.1)

Nếu lực đầu vào tăng đột biến tại thời điểm t = 0, khi ấy phần tử hệ không
còn ở trong trạng thái bền vững nữa, đặc tính động học của nó đƣợc mô tả theo định
luật hai Newton, ta có biểu thức tổng quát:
F – kx - x’ = mx”,
hay là

(1.2)

mx” + x’ + kx = F

6


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

Đặt F và x là độ lệch của lực F và dịch chuyển x tính từ trạng thái bền
vững ban đầu (điều kiện đầu), ta có:
F = F – F(0-),
x’ = x’,

x = x – x(0-)

x” = x”,

(1.3)

Nhƣ vậy, phƣơng trình vi phân sẽ là:
mx” + x’ + kx(0-) + kx = F(0-) + F,

(1.4)

Thay biểu thức (1.2) vào (1.5), ta có:
mx” + x’ + kx = F,
Từ đó, phƣơng trình vi phân bậc hai:

m d 2 x  dx
1

 x  F
2
k dt
k dt
k

(1.5)

Đây là một phƣơng trình vi phân tuyến tính bậc hai, trong đó x và các đạo
hàm của nó đƣợc nhân với những hệ số hằng. Bậc đạo hàm cao nhất là bậc hai
d2x/dt2.
Với:
  k / m (rad/s)

(1.6)

và hệ số tắt dần:




2 km

(1.7)

Ta có:
m/k = 1/n2 và /k = 2/n
Thay vào công thức 1.5 ta đƣợc phƣơng trình vi phân bậc hai dƣới dạng chuẩn là:

1 d 2 x 2 dx
1

 x  F
2
2
 n dt
k
n dt

7

(1.8)

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

Để xác định hàm truyền cho phần tử, cần phải biến đổi Laplace phƣơng trình
(1.8). Dựa vào các biểu thức biến đổi Laplace của các đạo hàm bậc nhất và hai, ta có:





1 2
2
sx(s)  x(0)  x(s)  F 1 (s) (1.9)
s x(s)  sx(0)  x , (0) 
2
n
k
n

Theo định nghĩa và các điều kiện đầu:
x’(0-) = x’(0-) = 0 và

x(0-) = 0;

cho nên biểu thức (1.9) có thể đƣợc rút gọn thành:
 1 2 2

1
s  1x(s)  F(s)

 2s 
n
k



(1.10)

x(s) 1
 G(s);
F(s) k

Nhƣ vậy ta có kết quả:

trong đó, l/k chính là độ nhạy K ở trạng thái bền vững, 1/k = K.
Từ đó, hàm truyền của một phần tử hệ bậc hai đƣợc biểu diễn dƣới dạng
chuẩn khái quát sẽ là:

G(s) 

1
1 2 2
s 
s 1
n
2n

(1.11)

Phần tử hệ bậc hai này có hàm truyền tƣơng tự nhƣ với một mạch dao động

nối tiếp R-L-C.
i
L
U

U  iR 

q
di
L
C
dt

Trong đó: i 

dq
dt

(q là điện tích của tụ)

C
R

;

Ta có: U 

1
dq
d 2q

qR
L 2
C
dt
dt

(1.12)

Hình 1.2. Mạch thay thế của phần tử bậc hai với mạch dao động L-C-R mắc nối
tiếp

8


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

Trong công thức (1.2) và (1.12) ta thấy: q tƣơng tự với x; U tƣơng tự với F
và L, R, 1/C lần lƣợt tƣơng tự với m, , k. Mạch điện cũng đƣợc biểu diễn dƣới
dạng hàm truyền của hệ bậc hai nhƣ đã nêu trên, với:

n 

1
R C
vµ 
2 L
LC

1.3. Sai số động trong các hệ thống đo các tham số động lực
Trong một hệ thống đo các tham số động lực nói chung luôn phải chịu nhiều
tác động của nhiễu môi trƣờng, của đối tƣợng cần đo và của chính hoạt động của hệ
gây ra. Vì vậy sai số trong các hệ thống đo động bị chi phối bởi rất nhiều yếu tố.
phân tích các nguồn gây sai số nhằm tìm ra các nguồn nhiễu ảnh hƣởng đến độ
chính xác của hệ thống đo. Nhờ đó sẽ có những giải pháp phù hợp nhằm loại trừ
hoặc giảm thiểu sai số.
Một hệ thống đo, cho dù rất đơn giản cũng có thể phân tích thành nhiều phần
tử hệ nối ghép với nhau. Ví dụ, trên hình 1.3 thể hiện một hệ thống đo có thể chứa
đựng n phần tử. Phần tử thứ i nào cũng đều có trạng thái bền vững lý tƣởng và đặc
tuyến động học tuyến tính. Chính vì vậy mà mỗi phần tử i đều đƣợc biểu diễn bởi
một hằng số nhạy trạng thái bền vững Ki và một hàm truyền Gi(s).
Trƣớc hết ta hãy giả thiết rằng những độ nhạy trạng thái bền vững K1,
K2,...Ki,...Kn đối với toàn hệ là bằng 1, điều đó có nghĩa là hệ không có sai số ở
trạng thái bền vững. Hàm truyền của toàn hệ chính bằng tích của mọi hàm truyền
phần tử, nghĩa là:

Y(s)
 G(s)  G1 (s)G 2 (s)...G i (s)...G n (s)
X(s)

9

(1.15)


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực
X(s) =X1(s) Y1(s) =X2(s)

K1G1(s)

Y2(s) Xi(s)

K2G2(s)

KiGi(s)

2013
Yi(s) Xn(s)

Yn(s)

KnGn(s)

Tín hiệu ra

Tín hiệu vào

Hình 1.3. Hệ thống đo với những đặc tính động học của nhiều phần tử hợp thành
Về nguyên lý, có thể sử dụng phƣơng trình (1.15) để tìm biến đổi tín hiệu ra
Y(t) tƣơng ứng với biến đổi tín hiệu vào theo thời gian X(t) của hệ. Trƣớc hết, hãy
tìm hàm biến đổi Laplace X(s) của X(t), sau đó sử dụng biểu thức tìm hàm truyền
G(s) = fra(s)/ fV(s) để xác định biến đổi Laplace của tín hiệu ra Y(s) = G(s)X(s).
Khai triển Y(s) thành các phân thức riêng và sử dụng các biểu thức chuyển đổi
Laplace để tìm tín hiệu thời gian Y(t) tƣơng ứng. Khai triển theo biểu thức toán
học, ta có:
Y(t) = L -1 [G(s)X(s)]

(1.16)

trong đó L -1 là ký hiệu của biến đổi ngƣợc Laplace.
Sai số động học S(t) của hệ thống đo chính là độ chênh lệch giữa tín hiệu đo
được và tín hiệu thực tế, nghĩa là hiệu giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào:
S(t) = Y(t) - X(t)

(1.17)

Sử dụng biểu thức (1.16) sẽ xác định đƣợc:
S(t) = L -1 [G(s)X(s) ] - X(t)

(1.18)

Trong hệ thống đo các tham số động lực nói chung, tín hiệu vào thƣờng đã
đƣợc tính toán sơ bộ, mọi hành vi ngẫu nhiên và can nhiễu đều phải đƣợc loại trừ để
đảm bảo cho tín hiệu có tính xác định, thể hiện đúng bản chất của tham số đối tƣợng
cần đo.
Để xác định sai số động học của một hệ thống nói chung với hàm truyền G(s)
dƣới tác động của tín hiệu kích thích hình sin (tín hiệu vào) X(t) = X sint. Từ
biểu thức định nghĩa hàm truyền của phần tử hệ G(s) = fra (s)/fV(s), ta sẽ xác định
đƣợc:
10


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

Y(t) = G(j)Xsin(t + )
Từ đó tính đƣợc sai số động của hệ:
S(t) = Y(t) - X(t) = XG(j)sin(t + ) - sint

(1.19)

trong đó,  = arg G(j).
Vì trong trƣờng hợp tín hiệu vào là một sóng hình sin thì tín hiệu ra ghi đƣợc
cũng là một sóng hình sin và điều đó có nghĩa là dạng sóng của tín hiệu không bị
thay đổi ngay cả khi biên độ bị suy giảm và pha bị trôi.
Trong thực tế tín hiệu vào một hệ thống đo thƣờng là một tín hiệu chu kỳ
phức tạp chứ không phải là một sóng sin giản đơn. Tín hiệu chu kỳ là một loại tín
hiệu sẽ lặp lại chính nó tại những quãng bằng nhau của thời gian T, nghĩa là f(t) =
f(t+T) = f(t+2T) = f(t+3T)..., ở đó T chính là chu kỳ. Để tính các sai số động học
cho những tín hiệu chu kỳ, chúng ta nên sử dụng khai triển Fourier. Bất kỳ một tín
hiệu chu kỳ f(t) nào cũng có thể phân tích, khai triển thành chuỗi của các sóng sin và
cosin. Chúng có những tần số là các hài của tần số cơ bản 1 = 2/T rad.s-1, nghĩa là:
f (t )  a 0 

n 

n 

n 1

n 1

 a n cos n1t   b n sin n1t

(1.20)

trong đó:

an 

T / 2

2
f (t ) cos n1 tdt
T T/ 2
T / 2

2
bn 
f (t ) sin n1 tdt
T T/ 2
và

a0 

(1.21)

T / 2

1
f (t )dt = giá trị trung bình của f(t) trên T
T T/ 2

Nếu f(t) = X(t), thì ở đó X(t) là vi phân của tín hiệu vào cần đo tính từ
trạng thái bền vững hoặc là giá trị dòng một chiều X0 khi a0 = 0.
Nếu đặt giả thiết f(t) là hàm lẻ, nghĩa là f(t) = - f(-t), thì an = 0 với mọi n.
Nhƣ vậy có nghĩa là chỉ có các biểu thức hạng sóng sin xuất hiện trong chuỗi. Tính
11

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

chất đã đƣợc làm đơn giản hoá này sẽ không gây ảnh hƣởng gì đến những kết luận
chung trong phần tiếp theo. Nhƣ vậy, tín hiệu vào hệ thống đo chỉ còn lại là:
X(t ) 

n 

 X n sin n1t

(1.22)

n 1

trong dó, Xn = bn là biên độ của hài bậc thứ n tại tần số n1. Để tìm Y(t),
trƣớc hết ta đặt giả thiết rằng chỉ có hài bậc thứ n, Xnsin n1t, đi vào hệ đo. Theo
hình 1.5, tín hiệu ra tƣơng ứng sẽ là:
Xn G(jn1) sin(n1t + n); trong đó n = arg G(jn1)
Đến đây, cần phải sử dụng đến nguyên lý xếp chồng, một tính chất cơ bản
của các hệ thống tuyến tính. Bản chất của nguyên lý này đƣợc biểu hiện nhƣ sau:
Khi một hệ thống đã đƣợc bảo đảm là tuyến tính thì nếu một tín hiệu vào
X1(t) tạo nên một tín hiệu ra Y1(t) và một tín hiệu vào X2(t) tạo nên một tín hiệu ra
Y2(t) thì một tín hiệu vào X1(t) + X2(t) sẽ tạo nên một tín hiệu ra Y1(t) + Y2(t).
Điều đó có nghĩa là nếu toàn bộ tín hiệu vào là tổng của nhiều sóng sin nhƣ
biểu thức (1.24) thì toàn bộ tín hiệu ra chính là tổng của mọi đáp ứng của từng sóng
sin vào, nghĩa là:

Y(t ) 

n 

 X n G( jn1 ) sin( n1t   n )

(1.23)

n 1

Nhƣ vậy, sai số động học sẽ là:
S(t ) 

n 

 X n G( jn1 ) sin( n1t   n )  sin n1t

(1.24)

n 1

1.4. Một số giải pháp kỹ thuật bù trừ động học
Bản chất của phép bù trừ trong đo lƣờng là sử dụng nhiễu để hạn chế hoặc
loại trừ nó. Có thể nói phƣơng pháp bù trừ là một công cụ không thể thiếu trong
việc xây dựng hệ thống đo lƣờng nói chung. Không một hệ thống đo lƣờng động
học nào lại có thể vắng bóng phép bù trừ trong đó. Đối tƣợng đo lƣờng là phong
phú, do đó phép bù trừ cũng có đặc tính đa dạng của nó. Với phép bù trừ, ta có thể
chủ động loại trừ đƣợc những can nhiễu của môi trƣờng hoặc của chính thiết bị tạo
12

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

nên hệ thống đo. Vì vậy, ứng với một tham số đo cụ thể trong một môi trƣờng và
điều kiện hoạt động cụ thể sẽ có những đề xuất khác nhau cho giải pháp hạn chế
hoặc loại trừ nhiễu cụ thể.
Tham số bù trừ có tính phong phú đa dạng và phƣơng pháp bù trừ cụ thể có
những đòi hỏi nghiêm ngặt cho nên chúng ta không có tham vọng nắm bắt hết đối
tƣợng và giải pháp bù trừ mà chỉ làm quen với một số phƣơng pháp kinh điển nhất
và cũng thƣờng đƣợc sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống đo lƣờng các tham số
động lực.
1.4.1. Loại trừ tác động nhiễu động học
a. Giới hạn phần trăm
Từ biểu thức tính sai số động học (1.24), ta có thể nhận thấy rằng để loại trừ
đƣợc tác động của nhiễu động học, nghĩa là để có đƣợc nhiễu động học bằng không,
S(t) = 0, đối với một tín hiệu vào (kích thích) có chu kỳ thì những điều kiện sau đây
phải đƣợc bảo đảm:
G(j1) = G(j21) = ...= G(jn1 = ... = G(jm1)

=1

argG(j1) = argG(j21)=... =argG(jn1)=... = argG(jm1) = 0

(1.25)

trong đó m là bậc cao nhất của hài đáng kể. Nếu là một tín hiệu ngẫu nhiên với phổ
tần số liên tục chứa những tần số nằm giữa 0 và max thì ta cần có:
G(j) = 1 và argG(j) = 0 với 0 <   max

(1.26)

Điều kiện này khó có thể thực hiện đƣợc trong thực tiễn.
Một tiêu chuẩn có tính thực tiễn hơn đó là chính là tiêu chuẩn sẽ hạn chế sự
biến đổi của G(j) chỉ trong khoảng vài phần trăm, đƣợc gọi là tiêu chuẩn giới
hạn phần trăm đối với những tần số có mặt trong tín hiệu. Ví dụ với các điều kiện:
0,98 < G(j) = 1 với 0  max

(1.27)

thì sẽ đảm bảo sai số động học đƣợc giới hạn trong khoảng  2% đối với một tín
hiệu chứa những tần số cao đến max/2 [Hz] nhƣ trên hình 1.4.

13


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực
G(j)
1,02
1,00
0,98

2013

Giới hạn 
2

0,707

Độ rộng băng
0

max B



max (tần số tín hiệu cao nhất)

Hình 1.4. Các giới hạn phần trăm và độ rộng băng
b. Độ rộng băng
Một tiêu chuẩn khác thường được sử dụng là tiêu chuẩn độ rộng băng. Độ
rộng băng của một phần tử hoặc là một hệ thống chính là giới hạn của những tần số
mà ở chúng giá trị G(j) sẽ lớn hơn 1/2, nghĩa là lớn hơn 0,707. Nhƣ vậy, độ
rộng băng của một hệ thống, nhƣ đặc tuyến tần số đã đƣợc thể hiện trên hình 1.8, sẽ
nằm trong khoảng từ 0 đến B rad.s-1. Tín hiệu tần số lớn nhất max phải là một tần
số đáng kể và phải nhỏ hơn tần số B. Đƣơng nhiên, vì có sự giảm biên độ G(j)
đến 30% tại tần số B, cho nên độ rộng băng không phải là một tiêu chuẩn hữu dụng
đặc thù cho những hệ thống đo phức tạp.
Độ rộng băng đƣợc sử dụng phổ biến trong việc biểu diễn đặc tuyến tần số
của các bộ khuếch đại. Việc giảm biên độ G(j) từ 1 đến 1/2 tƣơng đƣơng với
biến đổi độ lớn theo decibel N = 20log(1/2) = - 3,0 dB. Một phần tử hệ bậc nhất có
một độ rộng băng nằm giữa 0 và 1/ rad.s-1.
c. Bù trừ vòng hở
Một phương pháp khả thi khác đƣợc thể hiện trên hình 1.5. Phƣơng pháp này
có tên gọi là bù trừ động học vòng hở. Cho hàm truyền của một phần tử hoặc một
hệ không đƣợc bù là Gob(s) và hàm truyền của một phần tử đƣợc bù là Gb(s), nhƣ
vậy hàm truyền toàn bộ hệ G(s) = Gob(s).Gb(s) sẽ thoả mãn điều kiện cần nhƣ đã nêu
ở biểu thức (1.27). Nhƣ vậy, nếu sử dụng một mạch khuếch đại thuật toán xoay
chiều ghép với cặp nhiệt nhƣ ở phần dƣới của hình 1. 9 thì hằng số thời gian toàn bộ

14


Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

sẽ giảm đến giá trị 2, nhƣ vậy G(j) sẽ tiến sát đến đơn vị trên một dải tần số
rộng. Vấn đề chính đối với phƣơng pháp này là ở chỗ hằng số thời gian  có thể
đƣợc thay đổi cùng với hệ số truyền nhiệt , nhƣ vậy sẽ làm giảm tác động của sự
bù trừ.
Gob(s)

Gb(s)

Phần tử không bù trừ
1
1 + s

Cảm biến
cặp nhiệt

Phần tử bù trừ

1 + 1s
1 + 2s



1

1 +2s

Mạch khuếch đại
1  
thuật toán xoay chiều 2 << 1

Hình 1.5. Sơ đồ khối phương pháp bù trừ động học vòng hở
d. Bù trừ động học vòng kín
Một giải pháp khác nữa là sát nhập phần tử đã đƣợc bù trừ vào một hệ thống
kín có hệ số khuếch đại phản hồi âm lớn. Tƣơng tự nhƣ với bù trừ vòng hở, nhƣng ở
đây đầu vào phần tử bù trừ là tín hiệu ra, đầu ra của phần tử bù trừ sẽ đƣợc đƣa trở
lại đầu vào của phần tử không bù trừ.
Gob(s)

Phần tử không bù
trừ
Gb(s)

Phần tử bù trừ
Hình 1.6. Sơ đồ khối phương pháp bù trừ động học vòng kín
1.4.2. Bù trừ nhiệt độ cho cảm biến
Cảm biến đo là phần tử quan trọng nhất, chịu nhiều rủi ro nhất và do đó cần
phải thay thế nhiều nhất trong hệ thống đo lƣờng các tham số động lực. Một trong
những nguyên nhân chính làm cho cảm biến hoạt động thiếu ổn định chính là biến
động nhiệt. Việc bù trừ sai số vì nhiệt là việc làm đầu tiên và quan trọng nhất vì
ngoài ứng suất biến dạng do chính tham số cần đo gây nên, ảnh hƣởng của nhiệt vào

15

Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo động lực

2013

biến dạng cũng có độ lớn rất đáng kể. Vì vậy bù trừ tác động nhiệt, nghĩa là loại trừ
ảnh hƣởng của biến động nhiệt độ cho cảm biến đo là một đòi hỏi bức bách.
Một trong những yếu tố quan trọng nhất để hình thành cảm biến đo ổn định
khi chế tạo, cũng nhƣ khi khôi phục sửa chữa đó là phƣơng pháp bù trừ sai số tại
chỗ, nghĩa là bù trừ sai số trong lòng cảm biến. Đối với cảm biến nói chung và cảm
biến đo các tham số động lực bằng tem biến dạng nói riêng. Để chế tạo đƣợc một
cảm biến đo biến dạng theo nguyên lý tem điện trở làm việc ổn định với biến động
nhiệt của môi trƣờng cũng nhƣ của đối tƣợng đo, trƣớc hết phải xem xét và hoàn
thiện việc thiết lập mạch tự động bù trừ nhiệt độ ngay trong lòng cảm biến đo. Bản
chất tự động bù trừ nhiệt trong lòng của cảm biến là triệt tiêu tác động biến dạng do
biến đổi nhiệt gây ra ngay trong mạch cầu cảm biến.
Việc thiết lập mạch bù trừ nhiệt có liên quan mật thiết đến cấu trúc hình dạng
và bản chất vật lý nhƣ khả năng chịu ứng suất, mô đun đàn hồi, hệ số giãn nở nhiệt,
hệ số nhiệt điện trở v.v... của phần tử biến dạng đàn hồi và vật liệu tạo nên tem điện
trở. Do đó phải nắm vững các tính chất vật lý của những vật liệu nêu trên cũng nhƣ
các đặc trƣng kỹ thuật của tem điện trở và keo dán trƣớc khi tính toán thiết lập mạch
cầu bù trừ nhiệt độ.
1.5. Kết luận chƣơng 1
Đặc tuyến động học của những phần tử hệ thống đo lƣờng mà tiêu biểu là
các hệ thống đo lƣờng động lực đƣợc xem xét nhƣ một hệ thống vật lý khái quát
đƣợc ứng dụng vào mục đích cụ thể. Trong thực tế, hệ thống đo các tham số động
cũng chỉ xoay quanh việc định lƣợng các tham số nhiệt độ, áp suất, lực, mô men....
Điều đó có nghĩa là dƣới quan điểm hệ vật lý, các hệ đo chính là những hệ bậc nhất
(nhiệt) và bậc hai (các tham số còn lại). Nhƣ vậy các hàm truyền của các phần tử hệ
bậc nhất và bậc hai đã đƣợc xem xét khái quát theo lý thuyết hệ và đƣợc làm sáng
tỏ thêm bởi những ví dụ ứng dụng cụ thể.

Dựa vào hành vi của tham số đối tƣợng trong thực tế, việc phân tích nghiên
cứu các đáp ứng hệ bậc hai đã đƣợc xét cụ thể với các kích thích bƣớc nhảy đơn vị
cũng nhƣ sóng sin. Sự mô tả khái quát về sai số động học của hệ thống qua ứng
dụng thực tế đối với một hệ thống đo bao gồm những phần tử hệ bậc hai trƣớc các
16