Tài liệu CHƯƠNG 9: ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ KHÁC pdf

Chng IX O CC I LNG VT Lí KHC
9.1 - o nhit :
9.1.1 - Khỏi nim chung
Trong tt c cỏc i lng vt lý, nhit c quan tõm nhiu nht vỡ nhit úng
mt vai trũ quyt nh n nhiu tớnh cht ca vt cht. o nhit l mt nhim v
thng gp trong cỏc ngnh nhit, húa v nht l ngnh luyn kim.
a s cỏc i lng vt lý u cú th xỏc nh trc tip nh so sỏnh chỳng vi mt i
lng cú cựng bn cht. o c chớnh xỏc trớ s ca nhit l tng i khú khn vỡ
nhit l i lng ch cú th o giỏn tip trờn c s tớnh cht ca vt ph thuc vo
nhit .
Tựy theo nhit o m cú th dựng cỏc phng phỏp khỏc nhau. Thụng thng nhit
o c chia thnh 3 di: nhit thp, nhit trung bỡnh v nhit cao.
mc nhit trung bỡnh v thp thng phng phỏp o l o tip xỳc ngha l cỏc
chuuyn i c t trc tip ti mụi trng cn o. Cũn ng vi nhit cao c o
bng phng phỏp khụng tip xỳc, dng c t ngoi mụi trng o.
Bng 9.1
Dụng cụ và
ph
Ư
ơng pháp đo
Sai số
Nhiệt độ C
0
Nhiệt điện trở:
+) Bằng vật liệu quý
+) Vật liệu không quý
+) Bán dẫn
Nhiệt kế nhiệt điện
+) Bằng vật liệu quý
+) Vật liệu không quý
+) Vật liệu khó chảy

Điện âm
Nhiệt nhiễu
Ph
Ư
ơng pháp cộng
h
Ư
ởng hạt nhân
Hỏa quang kế:
+) Bức xạ
+) Màu sắc
+) C
Ư
ờng độ sáng
quang phổ kế
-273 0 1000 2000 3000 100.000
(%)
0,001
0,5 - 2
1- 2
0,1
1 - 2
1 - 3
0,05
0,1
0,01
5
1 - 5
5 - 10
Vi bng trờn õy cho ta bit cỏc dng c o v phng phỏp o nhit ng vi cỏc

di khỏc nhau.
xỏc nh c nhit cn ch to cỏc b cm bin da trờn nhiu nguyờn lý v
cm bin khỏc nhau nh: nhit in tr, nhit ngu, phng phỏp quang da trờn phõn b
135
phổ bức xạ nhiệt và do dao động nhiệt, phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất
lỏng, khí hoặc dựa trên tốc độ âm
9.1.2 - Đo nhiệt độ dựa trên sự giãn nở
- Nguyên lý hoạt động của loại nhiệt kế này là dựa trên sự dãn nở trên một đơn vị dài
∆l/l của vật liệu khi có sự thay đổi nhiệt độ là ∆T:
TllT
l
l
∆=∆↔∆=
∆

αα
trong đó α - hệ số nở dài. α phụ thuộc vào vật liệu.
Do α thường có giá trị rất nhỏ nên nếu đo trực tiếp ∆l để suy ra ∆T thì sẽ rất khó khăn.
Do vậy thực tế người ta thường sử dụng sự giãn nở của 2 vật liệu riêng biệt khác nhau để
xác định ∆T.
a/ Nhiệt kế chất lỏng:
Đây là loại dụng cụ đo xuất hiện đầu tiên với nguyên lý làm việc là dựa vào hiệu ứng
giãn nở vì nhiệt của thủy tinh và chất lỏng chứa trong nó.
Sự giãn nở vì nhiệt của chất lỏng được đặc trưng bởi hệ số giãn nở thể tích α. Trị số α
xác định theo công thức:
012
12
).(
21
Vtt

VV
tt
−
−
=
÷
α
trong đó: V
1
, V
2
- thể tích của chất lỏng tương ứng với nhiệt độ t
1
, t
2
V
0
- thể tích chất lỏng ở 0
0
C.
0
1
2
3 0
0
0
0
0
0
0

03
2
1
0
4
5
0
0
1
2
3
4
Hình 9.1
Nhận thấy rằng α càng lớn thì sự biến thiên thể tích tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ
đi 1
0
C càng lớn. Vì vậy trong các loại nhiệt kế chất lỏng ta sử dụng những chất lỏng có hệ
số giãn nở thể tích vì nhiệt càng lớn càng tốt.
Nhiệt kế chất lỏng phổ biến và hay gặp nhất là nhiệt kế thủy ngân, có cấu tạo gồm một
bình đựng chất lỏng (Hg) được nối với ống mao dẫn và một bình dự phòng. Các bình này
136
được làm băng thủy tinh chịu nhiệt hoặc thạch anh và tất cả được gắn với cột khắc vạch.
Chất lỏng được đổ đầy bình 1 và một phần của ống mao dẫn, không gian còn lại được
chứa khí trơ hoặc chân không để đề phòng nhiệt kế bị phá hủy khi làm việc ở nhiệt độ cao.
Nhiệt độ được xác định theo chiều cao cột chất lỏng chứa trong ống mao dẫn.
* Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng, độ chính xác cao.
* Nhược điểm: giá trị phụ thuộc vào việc đọc giá trị, không có khả năng tự ghi và
truyền tín hiệu đi xa, dụng cụ dễ vỡ.
b/ Nhiệt kế giãn nở chất rắn:
- Nguyên lý làm việc của dụng cụ này là việc xác định nhiệt độ dựa trên sự thay đổi vì

nhiệt của chất rắn, được đặc trưng bởi hệ số nở dài.
Dạng nhiệt kế này ít được sử dụng trong thực tế, thường dùng để đóng mở các rơ le.
c/ Nhiệt áp kế:
C
B
A
Hình 9.2
- Là dụng cụ đo nhiệt dựa trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất trong một bình kín
có thể tích không đổi.
* Cấu tạo: áp kế gồm có bầu A, ống dẫn B và bộ phận đo áp suất C. Chất làm việc có
thể là dạng khí, lỏng hoặc hơi qua đó nó có tên gọi là nhiệt áp kế khí, lỏng, hơi. Dụng cụ
này có thể ở dạng chỉ thị hoặc dạng tự ghi.
* Nguyên tắc làm việc là dựa trên sự thay đổi áp suất của chất công tác trong bình kín
có thể tích không đổi khi thay đổi nhiệt độ của nó. Vì thể tích của chất công tác là không
đổi khi ta thay đổi nhiệt độ dẫn tới chất chịu nhiệt tăng áp suất vì bị nén. Khi đó thông qua
áp suất mà xác định được nhiệt độ cần đo.
* Ưu điểm: của nhiệt áp kế: đo được ở khoảng cách xa và tự động ghi các giá trị cần đo,
dụng cụ có cấu tạo đơn giản, rẻ tiền, dễ sử dụng.
137
1
4
2
3
1 - NhiÖt ®iÖn trë
3 - Dông cô ®o ®iÖn
4 - Nguån cung cÊp ®iÖn
2 - D©y dÉn
Hình 9.3
* Nhược điểm: thang đo chia không tuyến tính dẫn tới độ chính xác không cao, bị ảnh
hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh và khó sửa chữa khi bị rò rỉ.

9.1.3 - Đo nhiệt độ dựa trên sự chuyển đổi điện
Từ năm 1821, Humphy Davy đã phát hiện điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt
độ. Năm 1871, William Siemens lần đầu tiên đã sử dụng nhiệt kế điện trở Platin.
* Nguyên lý làm việc của nhiệt kế điện trở là dựa trên sự thay đổi điện trở của dây dẫn
kim loại hoặc chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi (hiệu ứng nhiệt điện).
Nhiệt kế điện trở thường gặp trong thực tế có 2 loại: nhiệt điện trở kim loại và nhiệt
điện trở bán dẫn.
Nhiệt điện trở dùng trong các dụng cụ đo nhiệt độ cần phải làm việc với dòng phụ tải
nhỏ để nhiệt năng sinh ra do dòng trong nhiệt điện trở nhỏ so với nhiệt năng nhận được từ
môi trường đo. Khi đó yêu cầu đối với vật liệu chuyển đổi phải có hệ số nhiệt lớn và ổn
định, điện trở suất lớn.
* Phạm vi đo của nhiệt điện trở từ (-200 ÷ 700
0
)C
* Ưu điểm cơ bản của nhiệt điện trở là:
- Cho phép đo có độ chính xác cao
- Có thể đặt dụng cụ thứ cấp xa so với vị trí đo nhiệt
- Có khả năng ghi tự động kết quả và tự động điều chỉnh quá trình đo.
- Có khả năng làm trung tâm kiểm tra nhiệt độ bằng cách nối một vài nhiệt kế với
một dụng cụ đo.
* Nhược điểm:
- Cần nguồn cung cấp ổn định, hạn chế dùng trong môi trường dễ gây nổ, gây cháy.
138
- Kích thước của cảm biến khá lớn, do vậy không cho phép đo nhiệt độ tại một điểm.
- Không đo được trong môi trường có rung động
- Có sai số khắc độ của nhiệt điện trở.
- Đặc tính của nhiệt điện trở không ổn định
- Sự tỏa nhiệt của nhiệt điện trở ra môi trường xung quanh là lớn
- Có sai số của dụng cụ thứ cấp
Để phép đo được chính xác, thì yêu cầu đối với dụng cụ đo này là cấu tạo cũng như cách

lắp ghép của chúng phải đảm bảo tính chất trao đổi nhiệt tốt giữa chuyển đổi với môi trường
đo. Cụ thể:
- Khi đo trong môi trường không khí hoặc nước, chuyển đổi phải đặt vào trong môi
trường, vuông góc và ngược hướng với dòng chảy.
- Với vật rắn, khi đặt nhiệt kế vào sát vật nhiệt lượng từ vật rắn truyền sang nhiệt kế (hay
ngược lại) khi đó dễ gây ra tổn hao nhiệt nhất là đối với vật dẫn nhiệt kém. Do vậy diện tích
tiếp xác giữa vật đo và nhiệt kế càng lớn càng tốt.
- Khi đo nhiệt độ của các chất hạt (cát, đất ) cần phải cắm sâu nhiệt kế vào môi trường
cần đo và thường dùng nhiệt kế điện trở để kín trong một vỏ và có cáp nối ra ngoài.
1/ Nhiệt kế nhiệt điện trở:
- Nhiệt kế nhiệt điện trở có thể chế tạo bằng dây Platin, Cu, Ni, bán dẫn quấn trên một
lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có đầu nối ra ngoài. Nhiệt kế điện trở có thể dùng mạch đo
bất kỳ để đo điện trở nhưng thông thường được dùng mạch cầu không cân bằng, chỉ thị
lôgômét từ điện hoặc cầu tự động cân bằng, trong đó một nhánh là nhiệt điện trở. Nếu nhiệt
điện trở mắc vào mạch cầu bằng hai dây dẫn R
đ1
và R
đ2
(cầu hai dây), dụng cụ sẽ có sự thay
đổi điện trở của đường dây khi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi. Với:
TT
d
R
R
t
α
∆
=∆
trong đó: ∆R
đ

- sự thay đổi điện trở của dây nối.
R
đ
= R
đ1
+ R
đ2
R
T
và α
T
- điện trở ban đầu của nhiệt điện trở và hệ số nhiệt của nó (ứng với t = 0
0
C)
Để giảm sai số do nhiệt độ của môi trường gây ra ta sử dụng sơ đồ cầu 3 dây như hình
vẽ.
139
R
t
R
d1
R
2
R
3
R
4
R
d2
R

d3
R
6
R
9
E
6
U
ra
Hình 9.4
Trong sơ đồ này, hai dây mắc vào các nhánh kề của mạch cầu, dây thứ 3 măc vào nguồn
cung cấp. Khi cầu làm việc ở chế độ cân bằng và nếu R
1
= R
2
; R
d1
= R
d2
sai số do sự thay đổi
điện trở của đường dây sẽ được loại trừ. Khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng sai số sẽ
được giảm đáng kể so với cầu 2 dây.
U
B
R1
D
R2
r
t
R0

R0
C
RP
A
R4
RK
Rt
a
r1
r1
+
-
b
'
''
'
K
R3
Hình 9.5
Thực chất sai số khi cầu làm việc ở chế độ không cân bằng sai số chủ yếu là do sự thay đổi điện
áp của nguồn cung cấp gây nên.
Với mạch cầu không cân bằng có chỉ thị là lôgômét điện từ có sơ đồ nguyên lý như hình vẽ.
Với sơ đồ này ta có thể loại trừ được sai số do điện áp nguồn cung cấp thay đổi.
140
Ba nhánh của mạch cầu R
1
, R
2
, R
3

là các điện trở làm bằng Mangani. Nhánh thứ tư là điện trở
R
t
, bốn nhánh này được mắc theo sơ đồ mạch cầu 3 dây. Trong sơ đồ điện trở R
4
dùng để chỉnh 0
của thang đo (cầu cân bằng trước khi đo)
- Điện trở R
P
dùng bù với điện trở đường dây để đạt đến giá trị khắc độ (5Ω hoặc 15Ω), r
t

là điện trở bù nhiệt độ cho cơ cấu Lôgômét.
- Khi hiệu chỉnh R
P
người ta sử dụng R
K
(có giá trị bằng điện trở của nhiệt điện trở). R
K

được mắc vào nhánh cầu sau đó điều chỉnh điện trở R
P
cho đến khi kim chỉ của Lôgômét dừng ở
vị trí xác định trên thang thì dừng lại, R
K
được ngắn mạch khi đo.
- Khi chọn R
1
= R
3

; R
0
= R
0
'
= R (điện trở khung của Lôgômét) thì tỷ số dòng điện chạy
trong cuộn dây xác định theo công thức:
4
/
1
2
1
41
/
1
2
1
2
1

)(.
R
R
R
RR
R
R
R
RRR
R

R
RR
R
R
R
I
I
T
T
T
T
tb
tb
∆
−++
++
∆
+++
=
trong đó: ∆R
T
- sự thay đổi điện trở của nhiệt điện trở khi nhiệt độ lệch khỏi giá trị trung
bình
R
T
/
= R
0
+ R
P

+ R
Ttb
(R
Ttb
- điện trở của nhiệt điện trở với giá trị nhiệt độ trung bình đo
được bằng dụng cụ).
- Từ phương trình trên nhận thấy tỉ số dòng điện phụ thuộc vào ∆R
T
và lôgômét chỉ thị giá
trị cần đo.
- Trong kỹ thuật đo hiện nay, để đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở ta thực hiện trên mạch cầu
tự động tự ghi. Phương pháp này có thể đo được nhiệt độ tại một điểm hoặc một số điểm nhờ cơ
cấu chuyển mạch.
2/ Nhiệt kế cặp nhiệt ngẫu:
Đây là phương pháp đo nhiệt độ phổ biến và thuận lợi nhất. Cấu tạo gồm 2 dây hàn với
nhau ở điểm 1 và luồn vào ống 2 để có thể đo được nhiệt độ cao. Với nhiệt độ thấp hơn, vỏ nhiệt
kế có thể được làm bằng thép không gỉ. Để cách điện giữa hai dây, một trong 2 dây được luồn
vào ống sứ nhỏ 3. Nếu vỏ làm bằng kim loại thì cả hai dây đều được luồn vào trong ống sứ.
Đầu ra của cặp nhiệt ngẫu được nối vào hộp đầu nối 4. Mạch đo của nhiệt kế nhiệt ngẫu là
miliVônmét (mV) hoặc điện thế kế điện trở nhỏ có giới hạn đo từ 0 ÷ 100V.
Nếu đo sức điện động nhiệt điện bằng mV sẽ gây ra sai số do nhiệt độ của mạch đo thay
đổi. Dòng điện chạy qua chỉ thị lúc đó sẽ là:
dcdT
RRR
E
I
++
=
I
trong đó: E - sức điện động R

d
- điện trở dây
R
T
- điện trở cặp nhiệt ngẫu R
đ/c
- điện trở của mV
Khi đó điện áp rơi trên mV là:
141
cddT
cd
Td
RRR
R
ERREU
/
/
.)(
++
=+−=
Thông thường R
d
+ R
T
được hiệu chỉnh bằng 5Ω, còn điện trở mV lớn hơn nhiều lần (40
÷ 50) lần. Vì vậy sai số chủ yếu do điện trở của mV R
d/c
thay đổi.
Đo sức điện động bằng điện thế kế sẽ loại trừ được sai số trên do dòng tiêu thụ bằng 0 khi
tiến hành phép đo.

Để khắc phục sai số do nhiệt độ đầu đo tự thay đổi, ta dùng mạch bù sai số nhiệt độ như
hình vẽ.
B
R
2
R
t
A
R
3
R
4
R
R
b
E
b
mV
T
t
Hình 9.6
Cặp nhiệt ngẫu mắc nối tiếp vào đường chéo cầu một chiều tạu điểm A -B, trong đó R
t
-
nhiệt điện trở tạo thành nhánh cầu. Điện trở R
t
được mắc cùng vị trí với đầu tự do cặp nhiệt ngẫu
và có nhiệt độ t
0
Cầu được tính toán khi nhiệt độ t

0
= 0
0
C và điện áp tạo ra trên đường chéo cầu ∆U = 0
Khi nhiệt độ đầu tự do thay đổi t
0
'
≠ t
0
, điện áp ra của cầu ∆U ≠ 0 và sẽ bù vào sức điện
động mất đi do nhiệt độ thay đổi.
Phương pháp bù này sẽ giảm sai số xuống đến 0,04% trên 10
0
C
Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp là phải dùng nguồn phụ và khi đó sẽ có sai số
của nguồn phụ gây ra.
* Các cặp nhiệt ngẫu thông dụng:
- Nhiệt ngẫu TRP (Platin - PlatinRodi) (10%Rh + 90%Pt) và điện cực thứ hai làm bằng bạch
kim nguyên chất. Loại này có khả năng chịu được nhiệt độ cao (-200
0
C ÷ 1300
0
C) và có đặc tính
ổn định.
Nhiệt ngẫu TCA (Crome - Alumen): một điện cực làm bằng Cr(89%Ni; 9,8%Cr; 1%Fe;
0,2%Mn) và cực thứ hai là Alumen(94%Ni; 2%Al; 2,5%Mn; 1%Si; 0,5%Fe) đo nhiệt độ (-50÷600)
0
C
- Nhiệt ngẫu TCN: có một điện cực nhiệt làm bằng hợp kim Ni - Co và điện cực thứ hai
làm từ các biến thể khác nhau của hợp kim Al đo nhiệt độ (-50 ÷ 1000)

0
C
142
- Nhiệt ngẫu TFN: một điện cực làm bằng hợp kim Fe - Ni, còn điện cực thứ hai là hợp kim Copen có
phạm vi đo từ (-50 ÷ 1000)
0
C
- Nhiệt ngẫu TPP (PlatinRohdi - PlatinRohdi) có một điện cực làm bằng hợp kim
PlatinRohdi với 70%Pt và 30%Rh. Điện cực thứ hai cũng làm bằng kợp kim đó nhưng với
94%Pt và 6%Rh, đo được nhiệt độ (300 ÷ 1600)
0
C
- Để đo được nhiệt độ lớn hơn 2000
0
C trong môi trường trung tính và môi trường hoàn
nguyên, ta dùng nhiệt ngẫu từ Vônfram Môlipđen. Để có thể đo được nhiệt độ từ 2500 ÷
3000
0
C dùng nhiệt ngẫu làm bằng Vônfram Iridi hoặc Vônfram Rêni.
9.1.4 - Đo nhiệt độ dựa trên sự chuyển đổi bức xạ
Để đo được nhiệt độ lớn hơn 400
0
C ta có thể sử dụng nhiệt kế dựa trên nguyên tắc đo năng
lượng bức xạ của một vật bị đốt nóng.
Đặc điểm của dụng cụ này là quá trình đo dụng cụ không tiếp xúc với môi trường đo.
1/ Hỏa quang kế phát xạ
* Cấu tạo gồm thấu kính 1 để thu nhận các tia phát xạ từ vật cần đo nhiệt độ, qua khe sáng 3
và sau đó được tập trung trên tấm nhiệt điện 4. Thường tấm này dùng 4 cặp nhiệt điện mắc nối
tiếp với nhau bằng dây dẫn có đường kính 0,07m. Để tránh tổn hao nhiệt và hỏng các cặp nhiệt
điện, đặt cặp nhiệt điện vào bình thủy tinh có chứa không khí. Đầu nóng của cặp nhiệt điện được

kẹp vào tấm hình chữ nhật bằng Pt mỏng và phủ một lớp màu đen để hấp thụ nhiệt rất đó. Trước
thị kính 2 người ta lắp kính lọc 5 để bảo vệ mắt
mV
1
3
4
5
2
Hình 9.7
* Đặc điểm của nhiệt kế này đó là không đo được nhiệt độ thấp vì các tia hồng ngoại không
xuyên qua được thấu kính (kể cả thạch anh).
- Khoảng cách giữa dụng cụ đo và vật đo được xác định do kích thước của vật đốt nóng.
Khoảng cách này không được quá lớn để chùm sáng đi từ đối tượng đo đến dụng cụ phải trùm hết
tầm nhìn ống ngắm của nhiệt kế.
143
2/ Hỏa quang kế cường độ sáng:
* Nguyên lý làm việc của hỏa quang kế cường độ sáng là so sánh cường độ sáng của đối tượng
đo với cường độ sáng của dây tóc bóng đèn sợi đốt Vônfram sau khi đã được hóa già trong
khoảng 100 giờ với nhiệt độ 2000
0
C. Sự phát sáng của đèn đã ổn định khi sử dụng ở nhiệt độ từ
1400
0
C ÷ 1500
0
C. Cường độ sáng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng đốt hoặc dùng bộ
lọc ánh sáng.
* Cấu tạo gồm có một bộ chắn sáng quang học và so sánh bằng mắt gồm: ống ngắm có vật
kính 1, thị kính 5 do đó quan sát được đối tượng đo 11. Trước thị kính có bộ lọc ánh sáng đỏ 4,
sợi đốt 3 của bóng đèn chuẩn được ngắm trực tiếp. Cường độ sáng của nguồn nhiệt 11 được chắn

và làm yếu qua bộ lọc quang học 2. Cường độ sáng của nguồn nhiệt và của sợi tóc bóng đèn được
so sánh bằng mắt.
Hình 9.8
Nếu cường độ ánh sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt người ta nhận được dây
thẫm trên nên sáng (h.a/). Nếu độ sáng của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt cho dây
sáng trên nền thẫm (h.b/). Còn khi độ sáng bằng nhau dây sẽ biến mất (h.c/) và đọc vị trí của bộ
chắn sáng ở bộ phận chỉ thị 7 để xác định nhiệt độ cần đo.
a) b)
c)
Hình 9.9
Sự so sánh bằng mắt tuy thô nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác nhất định vì cường độ ánh sáng
thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần sự thay đổi nhiệt độ.
3/ Hỏa kế màu sắc:
Hỏa kế màu sắc là dụng cụ đo nhiệt độ dựa trên phương pháp đo tỷ số cường độ bức xạ
của hai ánh sáng có bước sóng khác nhau λ
1
và λ
2
.
144
Ứng với bước sóng λ
1
ta có năng lượng E
1
tương ứng là:
T
c
eCE
1
2

5
1111
λ
λε
−
−
=
Ứng với bước sóng λ
2
ta có năng lượng E
1
tương ứng là:
T
c
eCE
2
2
5
2122
λ
λε
−
−
=
Lập tỉ số:
T
c
T
c
e

e
E
E
2
2
1
2
5
22
5
11
2
1
λ
λ
λε
λε
−
−
−
−
=
Khi đó giá trị nhiệt độ T tìm được là:
5
112
5
221
21
2
ln)

11
(
−
−
−=
λε
λε
λλ
E
E
CT
Với dụng cụ hỏa quang kế màu sắc sẽ có thiết bị tự tính, tự động giải phương trình trên.
A
1
2
3
4
5
6
7
K
8
9
2
Läc xanh
Läc ®á
Hình 9.10
Cường độ bức xạ ánh sáng từ đối tượng đo A qua hệ thống thấu kính 1 tập trung ánh sáng trên
đĩa 2. Đĩa này được quay quanh trục nhờ động cơ 3. Sau khi ánh sáng qua đĩa 2 đi vào tế bào
quang điện 4, trên đĩa được khoan một số lỗ trong đó một nửa đặt bộ lọc ánh sáng đỏ, nửa kia lọc

ánh sáng xanh. Khi đĩa quay, tế bào quang điện lần lượt nhận được ánh sáng đỏ và xanh với tần
số nhất định tùy theo tốc độ quay của động cơ. Dòng quang điện được khuyếch đại nhờ bộ
khuyếch đại 5 sau đó được đưa vào bộ chỉnh lưu 7. Nhờ bộ chuyển mạch 8, tín hiệu được chia
thành 2 thành phần tùy theo ánh sáng vào tế bào quang điện là xanh hay đỏ. Hai tín hiệu này được
đo bằng bộ chia 9. Tùy theo cường độ bức xạ của đối tượng đo, độ nhạy của khuyếch đại được
điều chỉnh tự động nhờ thiết bị 6.
* Ưu điểm: trong quá trình đo không phụ thuộc vào khoảng cách từ vị trí đo đến đối tượng đo
và không phụ thuộc vào sự hấp thụ bức xạ của môi trường
* Nhược điểm: trong phương trình tính T có các hằng số đua vào do đó sẽ gây ra sai số cho kết
quả đo. Kết cấu của hệ thống tương đối phức tạp.
145
9.2 - Đo lực, đo biến dạng:
9.2.1 - Khái niệm chung
Trong quá trình nghiên cứu cơ lý tính của các vật chịu lực, các kết cấu cơ học thì quá
trình đo lực, ứng suất, biến dạng là một bài toán rất quan trọng.
* Đo lực có đặc điểm là phạm vi đo rất rộng, từ những giá trị nhỏ đến giá trị lớn, từ
phép đo tĩnh mà các lực tác động là các đại lượng không đổi đến những xung lực tác động
với tốc độ rất cao như sự va chạm, sóng xung kích Như vậy, phải đo lực có những trị số
từ 10
6
÷ 10
8
N nhưng cũng có có lực có trị số rất nhỏ từ 10
-5
÷ 10
-12
N vì vậy khoảng đo có
thể dao động từ 10
-5
÷ 10

8
N (D = 10
20
). Thực tế thì không có thiết bị đo nào có phạm vi đo
rộng như vậy đo đó thường chia lực thành các dải đo khác nhau, mỗi dải đo có thể sử dụng
các phương pháp và thiết bị khác nhau. Đặc biệt với dải đo thấp cần sử dụng những phương
pháp đo đặc biệt để đảm bảo độ chính xác yêu cầu
Các bộ cảm biến lực có thể phân thành 2 lớp: các bộ cảm biến định lượng và định tính
+) Bộ cảm biến định lượng dùng để đo lực có gí trị được thể hiện bằng tín hiệu điện
+) Bộ cảm biến định tính là các thiết bị có ngưỡng, tín hiệu ra của nó chir độ lớn của
lực đã vượt quá một ngưỡng nhất định.
* Phương pháp đo lực có thể được thực hiện bằng:
+) Cân bằng một lực chưa biết với một lực trực đối nghĩa là thành phần lực tổng cộng và
mômen tổng cộng bằng 0
+) Đo gia tốc của vật có khối lượng đã biết để xác định được lực theo quan hệ:
amF .
=
+) Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ
+) Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng và đo áp suất này.
+) Đo ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hồi và suy ra lực tác dụng
* Thông thường có 2 phương pháp đo:
+) Đo trực tiếp: là phương pháp sử dụng các chuyển đổi có đại lượng vào tương ứng với
các lực, ứng suất, biến dạng cần đo. Đại lượng ra được biến thành các tín hiệu điện, các thông số
điện. Mạch đo và chỉ thị cho kết quả không thông qua hệ dẫn truyền trung gian.
+) Đo gián tiếp: là phương pháp sử dụng các phần tử đàn hồi, các hệ dẫn truyền, biến lực
đo thành độ di chuyển. Các cảm biến đo độ dịch chuyển suy ra lực tác động. Tùy thuộc vào dải đo
và tần số biến thiên của lực tác động mà chọn loại cảm biến đo phù hợp và ít gây ra sai số.
Đo biến dạng thực chất là thông qua đo lực, ứng suất vì có thể đưa về phép đo ∆l hoặc ∆l / l với:
El
l

σ
ε
=
∆
=
Mạch đo thường là mạch cầu, kết hợp với các tầng khuếch đại và chỉnh lưu. Chỉ thị là các
dụng cụ chỉ thị cơ điện, tự ghi, điện tử và các dụng cụ số.
146
9.2.2 - Các phương pháp đo lực
Trong phương pháp đo trực tiếp thường sử dụng các phần tử áp điện và áp từ.
Giới hạn đo của các dụng cụ này phụ thuộc vào diện tích tác dụng các chuyển đổi. Ví
dụ: ứng suất pháp cho phép trong vật liệu áp từ σ < σ
gh
= 40 N/mm
2
, đối với thạch anh σ
gh
= 70 ÷ 100N/mm
2
* Ưu điểm chính của loại chuyển đổi áp từ là làm việc có độ chắc chắn cao và dải tần từ
20 ÷ 50 KHz. Phần tử áp điện chỉ đo được với lực biến thiên tần số ≥ 5 ÷ 10Hz trở lên,
không khắc độ được với lực tĩnh.
1/ Đo lực bằng lực kế:
Để đo lực bằng lực kế sử dụng chuyển đổi biến trở. Sơ đồ như hình vẽ.
F
2
3
1
5
8

9
7
6
F
Hình 9.11
- Lực cần đo F tác động lên 2 tấm thép 1 và 2 được gắn liền với 2 khối 3 và 4. Dưới tác
dụng của lực đo, bản mỏng 5 bị biến dạng làm cho 2 khối 3 và 4 di chuyển tương đối so
với nhau. Trong quá trình di chuyển, khối 3 gắn cần 6 đẩy tay gạt 7 làm con trượt di
chuyển trên biến trở dây 8. Con trượt được chế tạo từ hợp kim Platin - Iridi, dây biến trở
được làm bằng Constantan mạ vàng. Áp lực của con trượt tác dụng lên các vòng dây bằng
0,02N. Lò xo 9 được gắn trên tay gạt có tác dụng để tay gạt có thể trở lại vị trí ban đầu khi
không có lực tác dụng.
- Biến trở có 170 vòng, điện trở 500Ω, giới hạn đo khoảng 3KN. Sai số của dụng cụ là
±3%.
* Ưu điểm của lực kế này là đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, độ tin cậy cao, không cần
khuyếch đại tín hiệu ra.
* Nhược điểm là không đo được lực biến thiên nhanh do tay gạt 7 dưới tác dụng của lò
xo 9 chỉ thực hiện được với tần số khong vượt quá 10 ÷ 20Hz
Để đo được lực tác động nhanh có thể dùng lực kế với chuyển đổi điện trở tenzo, điện
cảm, điện dung, áp điện và áp từ.
2/ Đo lực bằng phương pháp bù:
Để nâng cao độ chính xác của phép đo người ta sử dụng phương pháp bù để đo lực.
147
K§
CLP
I
ra
CT
P
1

2
3
~
e
F
NS
5
4
-
Hình 9.12
- Sơ đồ đo lực như hình vẽ. Lực cần đo P tác động lên thanh dẫn động 1 đến cánh tay
đòn 2. Đầu cánh tay đòn bên phải mang phần ứng 3 của chuyển đổi hỗ cảm mắc kiểu biến
áp vi sai. Khi phần ứng di chuyển tạo ra một điện áp ở đầu ra của biến áp. Điện áp này được
khuyếch đại để tăng tín hiệu ra sau đó đưa đến chỉnh lưu pha. Dòng điện sau chỉnh lưu (Ira)
được đưa đến cuộn dây 4 của chuyển đổi ngược kiểu cảm ứng 5 ở đầu cánh tay đòn bên trái.
Dòng điện trong cuộn dây 4 tạo ra một lực đẩy F lên cánh tay đòn bù với lực P.
F = k
P
.I
r
= k.P →
rr
P
IKI
k
k
P
==
trong đó: k
P

, k, K là các hệ số.
Khi xác định được dòng điện I
r
ta sẽ được lực cần đo P.
* Ưu điểm: Độ chính xác của phương pháp đạt được khá cao (γ = 0,05 ÷ 0,02%)
Chỉ thị cho phép đọc được trực tiếp giá trị đo.
* Nhược điểm: của thiết bị là không đo được lực lớn vì chuyển đổi điện từ có trọng
lượng 0,5kg chỉ có thể đo được lực tác điộng cỡ 2N. Khi cần đo lực tác động có giá trị từ 5
÷ 7N thì trọng lượng có thể tăng lên 5 ÷10kg.
- Sai số chủ yếu do ma sát của trục quay cánh tay đòn gay ra và do hiện tượng từ
trễ của chuyển đổi hỗ cảm.
- Để kết quả đo đạt giá trị chính xác cao sử dụng phương pháp biến lực thành tần
số và qua việc đo tần số ta xác định được giá trị lực cần đo (lực kế chỉ thị số).
3/ Đo lực dựa trên đo di chuyển:
Với phương pháp đo này lực được đặt lên vật trung gian gây nên sự thay đổi kích thước
∆l. Sự thay đổi kích thước được đo bằng cảm biến di chuyển. Tỉ số giữa tín hiệu ra V
m
và
lực tác dụng F xác định bằng:
148
F
l
l
V
F
V
mm
∆
∆
=

.
với
l
V
m
∆
là hệ số truyền đạt của cảm biến đo. Còn
F
l
∆
là độ mềm của vật trung gian
Vật trung gian thường làm bằng lò xo, dùng để đo các lực tương đối nhỏ. Tùy theo chức
năng làm việc có thể sử dụng các loại cảm biến di chuyển khác nhau để đo lực như: điện
kế điện trở, cảm biến từ trở biến thiên, cảm biến tụ điện
9.2.3 - Các phương pháp đo biến dạng
- Đo biến dạng có thể dùng nhiều loại chuyển đổi khác nhau, trong thực tế thường dùng
chuyển đổi điện trở lực căng.
- Phạm vi đo biến dạng tương đối (∆l/l) bằng điện trở lực căng từ 0,005 ÷ 0,02% hoặc có
thể từ 6 ÷ 10%
- Ưu điểm của các chuyển đổi điện trở lực căng đó là quán tính rất nhỏ, sử dụng được
trong dải tần rộng từ 0 ÷ 100kHz
- Trong quá trình đo cần phải thực hiện các công việc sau: chọn vị trí đo, chuẩn bị bề mặt
dán và dán chuyển đổi.
- Điện trở lực căng là những điện trở phía trên tẩm lớp cách điện mỏng và dán dọc theo
chiều biến dạng vì vậy mà tùy theo yêu cầu của phép đo mà chọn vị trí, chiều đặt điện trở
trên đối tượng đo để có thể phản ánh được biến dạng cần đo.
- Khi nghiên cứu trạng thái biến dạng theo một hướng nào đó, chuyển đổi được dán theo
hướng tác dụng của biến dạng, khi đó biến dạng cần đo xác định theo công thức:
k
R

ε
ε
=
1
với k: hệ số độ nhạy tương đối và ε
R
là độ biến thiên tương đối của điện trở
chuyển đổi.
- Trong quá trình đo, để loại trừ sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi, mạch đo được sử
dụng hai chuyển đổi cùng loại mắc trên hai nhánh của cầu và cùng dán lên một chi tiết đo,
đặt trong cùng một điều kiện nhiệt độ.
149
1
2
3
4
E
0
E
-
+
1
2
P
P
1, 3 - Theo chiÒu trôc
2, 4 - H
¦
íng vu«ng gãc víi trôc
Hình 9.13

* Xét một dầm chịu kéo (hoặc nén) như hình vẽ. Để xác định biến dạng ta sử dụng điện
kế điện trở trong đó có 4 điện trở được dán trên phần tử đàn hồi (2 dán theo hướng trục và
2 dán theo hướng vuông góc với trục) và được nối với nhau theo mạch cầu Winston.
- Khi lực P tác dụng lên dầm, thì các biến dạng chiều trục ε
a
và các biến dạng vuông góc
với trục ε
t
sẽ tăng và được xác định bởi:
EA
P
a
.
=
ε

EA
P
t
.
.
ν
ε
−=
trong đó A - diện tích mặt cắt ngang
E - môđun đàn hồi
ν - hệ số Poisson
- Khi cầu cân bằng ta có:
EA
Pk

k
R
R
R
R
a
.
.
.
3
3
1
1
==
∆
=
∆
ε
;
EA
Pk
k
R
R
R
R
t
.

.

4
4
2
2
ν
ε
−==
∆
=
∆
k - hệ số nhạy tương đối của cảm biến.
ll
RR
k
R
/
/
1
∆
∆
==
ε
ε
- Điện thế ra E
0
của mạch cầu liên quan tới ε. Theo công thức về mạch cầu ta có:
i
E
R
R

R
R
R
R
R
R
r
r
E )(
)1(
4
4
3
3
2
2
1
1
2
0
∆
−
∆
+
∆
−
∆
+
=
150

- Với giả thiết rằng 4 chuyển đổi là như nhau và R
1
= R
2
ta có:
E
0
= 2.k.(1 + ν).ε
a
.E
i
→ ε
a
=
i
Ek
E
).1.(.2
0
ν
+
= C.E
0
- Phương trình trên thể hiện biến dạng tuyến tính với điện thế ra E
0
. C là hằng số tỷ lệ.
- Trong trường hợp đo biến dạng của dầm như trên bằng cách dán các cảm biến như vậy
sẽ loại trừ được sai số do nhiệt độ của môi trường gây ra.
- Các trường hợp khi đối tượng đo không có các biến dạng như nhau và ngược dấu, để
hiệu chỉnh sai số nhiệt độ có thể dán chuyển đổi lên đối tượng cần đo, còn chuyển đổi

khác dán lên một mẫu được chế tạo cùng loại vật liệu với đối tượng đo. Mẫu này được đặt
trong cùng một điều kiện nhiệt độ. Ví dụ như đo biến dạng của dầm chịu lực như hình vẽ
P
Ura
U
R
R
R R=
R
Hình 9.14
1
3
x
2, 4 - Tenzo d¸n phÝa d
¦
íi
1, 3 - Tenzo d¸n phÝa trªn
Hình 9.15
- Các chuyển đổi cần phải gắn chặt với đối tượng đo, chọn vị trí không đúng và dán
chuyển đổi không đúng phương pháp sẽ gây ra sai số lớn gọi là sai số phương pháp.
- Trong các phép đo biến dạng, để phương pháp đạt độ chính xác cao cần dùng cầu tự
động cân bằng. Thực tế có một thiết bị dùng để tự động cân bằng cầu.
151
- Ưu điểm của phương pháp này là chuyển đổi điện trở lực căng có thể đo được cả biến
dạng tĩnh và biến dạng động, chế tạo đơn giản, dễ hiệu chỉnh, ít bị nhiễu do điện từ trường
bên ngoài tác động.
9.3 - Đo dao động:
9.3.1 - Khái niệm chung
- Dao động là một hiện tượng phổ biến trong tự nhiên và kỹ thuật, và trong mọi công tác
kỹ thuật đều phải trực tiếp hoặc gián tiếp liên quan đến hiện tượng này.

- Một vật luôn luôn tồn tại hai loại dao động: dao động do môi trường bên ngoài truyền
tới và dao động nội tại của bản thân vật chất.
- Việc áp dụng và xử dụng hợp lý hiện tượng dao động sẽ đem lại lợi ích cho ngành kỹ
thuật và cho con người. Dao động điện tử là cơ sở của ngành vô tuyến điện và ngành
truyền tín hiệu, đặc biệt là ngành kỹ thuật vũ trụ. Trong xây dựng sử dụng dao động để
đóng cọc móng, dầm đất. Trong ngành khai thác mỏ, dùng dao động để sàng lọc quặng.
Trong ngành cơ khí thì dao động được sử dụng rất hiệu quả như: trong quá trình gia công
cơ, để giải quyết bài toán nâng cao năng suất và chất lượng, ta đưa dao động để nghiền lỗ
côn của các bộ đôi bơm cao áp, để nâng cao năng suất ở các nguyên công tiện và khoan,
đưa dao động vào lăn ép để tạo các rãnh chứa dầu trên bề mặt có các chuyển động tương
đối với nhau
- Tuy nhiên, dao động cũng đem lại rất nhiều tác hại cho ngành kỹ thuật và con người:
làm giảm chất lượng sản phẩm, gây rung động làm ảnh hưởng tới sự làm việc của máy,
gây hại cho các công trình xây dựng, ảnh hưởng tới sức khỏe và tinh thần của người lao
động. Đặc biệt nếu xảy ra hiện tưởng cộng hưởng thì sẽ gây ra những hậu quả hết sức tai
hại.
- Do vậy việc xác định và xử lý các thông số dao động là việc làm cần thiết.
9.3.2 - Phương pháp đo và dụng cụ đo

- Dao động thường được mô tả bằng phương trình vi phân:
)(

tFcxxbxa
=++
- Các đặc trưng của một hệ dao động gồm có: li độ x, vận tốc
x
•
, gia tốc
x
••

, biên độ, tần
số, chu kì và pha của dao động. Việc khảo sát một hệ dao động là ta phải đi xác định các
thông số này.
1/ Đo dao động bằng các dụng cụ cơ học:
- Khi tần số dao động bằng tần số riêng của cơ hệ thì sinh ra hiện tượng cộng hưởng,
biên độ dao động khi đó trở nên rất lớn. Khi đó, lợi dụng trạng thái cộng hưởng ta chế tạo
được các thiết bị xác định được tần số dao động.
* Tốc kế Frame:
152
B
C
A
m
HEC
40
45
50 55 60
Hình 9.16
- Đây là loại dụng cụ được sử dụng rất rộng rãi để đo tần số dao động. Dụng cụ gồm một
dãy các thanh thép mỏng được kẹp chặt ở đầu A. Đầu tự do B của mỗi thanh có gắn một
khối lượng m nhỏ, khối lượng m được tính sao cho các thanh hợp thành một dãy cơ hệ có
tần số riêng xác định khác nhau, tần số giữa các thanh kề nhau vào khoảng 0,5 ÷ 2 Hz (tần
số rung trong 1 giây). Tần số riêng của các thanh khi đó là:
'236,0 mm
c
r
+
=
ω
trong đó: c - độ cứng của thanh

m - khối lượng tập trung
m' - khối lượng của dầm.
- Khi đo, ta gắn tốc kế vào bộ phận máy có tần số dao động cần đo. Thanh nào có
tần số riêng gần với tần số dao động cần đo thì gần như trong điều kiện cộng hưởng và sẽ
rung mạnh nhất, còn các thanh khác thì hầu như không rung. Theo tần số dao động riêng
đã biết (ghi trên dụng cụ) của thanh đo sẽ xác định được tần số dao động cần đo.
* Chấn kế cộng hưởng Kalesnic:
- Muốn đo được tần số trong một khoảng liên tục thì ta dùng thanh có chiều dài
tự do thay đổi được.
- Chấn kế cộng hưởng Kalesnic gồm có một lá thép lò xo mỏng 1, đầu trên A
mang một khối nặng nhỏ sơn trắng chuyển động trước một bảng chia độ 2. Đầu dưới B
của lò xo gắn chặt vào vỏ hộp 3. Đai ốc 4 có xẻ rãnh dùng để giữ và điều chỉnh chiều dài
tự do của lò xo. Vít 5 có núm xoay N ở trên dùng để di chuyển đai ốc 4 trước thước khắc
độ 6. Khi vặn núm N ta thay đổi tần số riêng của lò xo và làm cho chấn kế có thể cộng
hưởng với một phạm vi tần số rộng.
- Khi sử dụng gắn chặt vỏ chấn kế vào một vật rung sao cho lò xo nằm vuông góc
với phương dao động cần đo. Vặn núm N để điều chỉnh cho cộng hưởng tức là cho đầu A
của lò xo dao động mạnh nhất. Khi đó ở vị trí đai ốc 4 trước thước 6 cho biết trị số của tần
số dao động cần đo. Ngoài ra vị trí biên độ của đầu A trước bảng 2 còn cho biết biên độ
dao động.
2/ Thiết bị ghi đo dao động cầm tay:
* Đồng hồ số: loại này có thể dùng làm chấn kế đơn giản để đo biên độ dao động của
các vật rung. Lắp đồng hồ so 1 lên khối sắt 2 có khối lượng từ 1,5 ÷ 2 kg và tay cầm 3.
153
Khi đo dao động chỉ cần nắm lấy tay cầm rồi cho đầu đồng hồ xo tiếp xúc lên bề mặt vật rung.
Kim đồng hồ sẽ lắc thành hình dải quạt biểu thị quá trình biến thiên của dao động.
- Thiết bị này dùng để đo những dao động có tần số khoảng 15 ÷ 30Hz và gia tốc lớn
nhất không quá 7 m/s
2
. Tuy nhiên đồng hồ so chỉ cho ta biết biên độ tổng hợp chứ không

cho biết biên độ các dao động thành phần và việc quan sát số đo trên mặt đồng hồ bị trở
ngại nên thiết bị này ít được sử dụng trong thực tế.
* Chấn kế cầm tay PBI:
- Đầu đo A được lò xo 2 luôn ép vào bề mặt vật rung. Đầu đo dao động tịnh tiến theo vật
rung và truyền dao động cho đầu ngắn của kim 3 làm cho kim dao động lắc quanh một
trục cố định. Trong hộp 4, kim 3 đồng thời còn là đòn bẩy khuyếch đại dao động. Đầu dài
của nó là ngòi bút vẽ hình dao động cần đo trên băng giấy 5. Một bộ phận dây cót sẽ kéo
băng giấy chạy với một tốc độ nhất định. Đồng thời giây cót làm quay một cơ cấu cam, cứ
một giây đồng hồ đẩy kim 6 một lần làm cho kim vạch ra trên băng giấy một đường thẳng
có những khấc cách đều nhau biểu thị thời gian. Khoảng cách giữa các khấc biểu thị thời
gian là 1 giây. Trong quá trình đo do có sự dao động của tay đo nên vỏ hộp dao động với
biên độ lớn s và tần số thấp. Dao động này cũng được phản ánh lên hình dao động do kim
3 vẽ trên băng giấy nhưng dễ phân biệt với dao động cần đo có biên độ S
n
nhỏ và tần số
lớn. Có thể dùng thước để đo biên độ S
n
và đem số lần dao động giữa hai khấc kề nhau của
đường thời gian để biết tần số.
3/ Chuyển đổi điện trong kỹ thuật đo dao động
* Nguyên tắc cảm ứng:
d
dt
S
N
S
KĐ
2 3 6
4
1

5
Hình 9.17
- Nhờ các quan hệ vi tích phân của các thông số chuyển động rung, ta có thể chế
tạo được các thiết bị phối hợp giữa chuyển đổi với các mạch vi tích phân và chỉ thị để đo
độ rung và gia tốc.
- Dụng cụ đo dựa trên nguyên tắc cảm ứng, gồm một giá đỡ bằng kim loại không
dẫn từ 1 để đặt lên đối tượng đo trên giá đỡ có thanh dao động 2 và nam châm 3. Thanh
dao động 2, nam châm 3 và lò xo 4 tạo thành một khối quán tính. Bình thường dưới tác
dụng của trọng lượng, khối quán tính và lực đẩy của lò xo ở trạng thái cân bằng , cuộn dây
cảm ứng 5 đặt giữa khe hở không khí của nam châm đứng yên. Khi có rung động, nam
154
châm và cuộn dây cảm ứng di chuyển tương đối với nhau làm cho từ thông móc vòng qua
cuộn dây thay đổi, tạo ra sức điện động cảm ứng. Sức điện động sinh ra tỉ lệ với biên độ
dao động được đưa vào khuyếch đại sau đó đưa ra chỉ thị.
- Trong quá trình đo, sức điện động cảm ứng có thể bị nhiễu do từ trường bên
ngoài. Để khử nhiễu, ta quấn thêm một vòng dây bù 6 có số vòng bằng cuộn dây 5 nhưng
có chiều ngược lại, lúc này sức điện động do nhiễu sinh ra sẽ bị khử.
- Nhờ bộ vi phân 6 và tích phân thiết bị có thể đo được dao động với biên độ x,
tốc độ rung
x
•
và gia tốc
x
••
. Loại này có thể làm việc với tần số từ 20 ÷ 50 Hz.
* Chuyển đổi áp điện: để có thể đo được dải tần số cao hơn từ 10 ÷ 200Hz. Vỏ 1 của
chuyển đổi được lắp chặt với đối tượng đo. Dưới đáy vỏ là phần tử áp điện 3 được dán
chặt vào dụng cụ nhờ nhựa dán. Mặt trên của phần tử áp điện là khối quán tính 4. Phần tử
áp điện thường là tinh thể thạch anh, titanat bari (BaTiO
3

), còn khối quán tính làm bằng
hợp kim Vonfram. Tần số riêng của chuyển đổi phụ thuộc vào khối lượng khối quán tính
có thể đạt tới 50 ÷ 100 kHz và có thể làm việc trong dải tần số (0,5 ÷ 20)kHz.
- Khi làm việc các phần tử áp điện chịu tác dụng của lực tỷ lệ với gia tốc và sinh ra các
điện tích, các điện tích này được dẫn ra bằng cáp bọc kim 6, lõi 5 của dây cáp được nối
với khối quán tính 4, cách điện với vỏ ngoài và vỏ của dây cáp được nối với vỏ ngoài.
Dụng cụ có sơ đồ khối như hình vẽ.
K§
C
S
T
1
T
2
K§
Hình 9.18
- Để nhận được điện áp xoay chiều tỷ lệ với gia tốc nhưng không phụ thuộc vào tần số
rung, chuyển đổi điện áp được lắp song song với tụ điện C. Trở kháng
C
x
C
ω
1
=
đối với
dải làm việc cần phải giữ được điện trở thực nhỏ nhất ở đầu vào của bộ khuyếch đại sơ bộ
để hạn chế giới hạn dưới của dải tần làm việc. Điện áp sau khi qua khuyếch đại sơ bộ
được đưa vào 2 kênh song song. Một kênh vào bộ khuyếch đại, chỉnh lưu và chỉ thị gia
tốc, còn kênh kia vào bộ tích phân T
1

, T
2
qua bộ chỉnh lưu và chỉ thị biên độ rung x. Thiết
bị này làm việc với tần số từ 0,2 ÷ 10kHz và với sai số ±5%. Thường thiết bị đo có 4 giới
hạn gia tốc (20,100, 400, 2000 m/s
2
) và 4giới hạn biên độ (0,05; 0,25; 1; 5 mm)
* Cảm biến điện động:
- Sơ đồ nguyên lý cảm biến điện động dùng để ghi các dao động cơ học.
155
C
R
B
N
B
B
N
B
C
D
A
1
A
2
1
2
e
s
e
s

e
s
Hình 9.19
Khối quán tính M mang 2 cuộn dây dẫn điện ở hai đầu. Mỗi cuộn dây nằm trong từ
trường mạnh của một nam châm vĩnh cửu A
1
và A
2
ở hai đầu vỏ V hình trụ tròn. Hai tấm
mỏng đàn hồi C và D đỡ khối M và hai cuộn dây đồng thời giữ vai trò lò xo. Cách đỡ này
cho phép khối M dao động trên một phương dọc trục của nó mà thôi. Cuộn dây cảm ứng 1
gồm rất nhiều vòng dây nhỏ, một đầu nối đất, một đầu nối với nguồn cung cấp. Cuộn dây
B, dây to nối ngắn mạch dùng làm giảm chấn điện từ. Khi đó dao động phải gắn chặt vỏ V
với vật rung. Nếu tần số dao động của vật rung lớn hơn tần số riêng của khối quán tính sẽ
đứng yên. Dao động tương đối giữa nam châm và cuộn dây 1 gây dao động điện cảm ứng
tỉ lệ với vận tốc dao động. Muốn đo được chuyển vị (biên độ) phải đưa tín hiệu điện từ
cuộn dây 1 qua mạch tích phân (sơ đồ mạch) gồm một điện trở R mắc nối tiếp và tụ điện C
mắc song song. Nếu sức điện động e của cuộn dây 1 tỉ lệ với vận tốc dao động thì khi qua
mạch tích phân ta được tín hiệu e tỉ lệ với chuyển vị dao động. Sau khi lọc ra khuyếch đại
tín hiệu điện, ta đưa nó vào một dao động ký tia âm cực hoặc dao động ký gương sẽ được
hình dao động cần tìm.
- Ưu điểm của thiết bị này là làm việc hầu như không có quán tính nên có thể quan sát
được những chuyển động xảy ra trong khỏang thời gian dưới 10
-1
(s) và có thể chụp ảnh
được những vật rung có vận tốc tới 100km/s. Có thể điều khiển từ xa, có độ nhạy lớn, gọn
nhẹ. Tuy nhiên các thiết bị điện tử có nhược điểm là dẽ bị nhiễm điện, từ nên độ tin cậy
không cao bằng các thiết bị cơ khí.
4/ Cảm biến điện trở:
156

C
D
D
R
U
r
Hình 9.20
- Sơ đồ nguyên tắc của chuyển đổi như hình vẽ. Khối quán tính m được gắn vào lò xo
đàm hồi C. Khi có gia tốc theo hướng thẳng đứng, dưới tác dụng của lực quán tính

xmF
=
, con trượt D gắn với khối quán tính di chuyển trên biến trở R. Khi đó điện áp ra
sẽ tỉ lệ với gia tốc cần đo. Giới hạn đo của thiết bị phụ thuộc vào khối quán tính, lò xo, nó
có thể đo được gia tốc trong cabin trên máy bay với các chế độ khác nhau. Sai số từ (1 ÷
5)%
- Trong kỹ thuật đo rung động, nhược điểm lớn nhất của các hệ thống máy đo rung cơ và
điện là giới hạn của tải, tần số và khả năng đáp ứng. Để giải quyết vấn đề này người ta sử
dụng các máy đo dao động dựa trên nguyên tắc thủy lực và khí nén.
9.4 - Đo áp suất:
9.4.1 - Khái niệm chung
- Áp suất là tỷ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó. Áp suất
là một đại lượng cơ bản để xác định trạng thái nhiệt động học của các chất. Sự vận hành
của các quá trình công nghệ, tình trạng của các thiết bị công nghệ và chế độ vận hành của
chúng được xác định bằng áp suất theo nhiều cách khác nhau.Đo áp suất được thực hiện
khi xác định một vài tham số công nghệ.
- Dựa theo loại áp suất cần đo và nguyên lý tác dụng ta có các dụng cụ đo áp suất khác
nhau. Theo hình thức đo áp suất chia thành:
• Áp kế đo áp suất
• Áp kế tuyệt đối đo áp suất tính từ độ 0 tuyệt đối

• Khí áp kế để đo áp suất khí quyển
• Chân không kế để đo độ chân không
- Theo nguyên lý làm việc, dụng cụ đo áp suất chia thành dụng cụ đo áp suất chất
lỏng, chất khí dựa trên nguyên lý biến dạng, ion hóa, nhiệt và điện
- Có 2 phương pháp chung áp dụng để đo áp suất:
* Đo áp suất bằng các chuyển đổi phản ánh trực tiếp đại lượng đo như: chuyển đổi điện
áp. áp từ và điện trở lực căng. Trong đó phần tử điện áp làm bằng thạch anh có thể đo áp
157
suất tới 100 MN/m
2
, chuyển đổi áp từ có thể đo được tới 10 NM/m
2
. Với áp suất lớn hơn,
đặc tính của nó trở nên phi tuyến và không đơn trị khi đó để đo được (áp suất từ 100 ÷
400MN/m
2
) ta dùng chuyển đổi điện trở dây Mn vì với dải áp suất trên độ nhạy về sự thay
đổi điện trở của dây khi áp suất biến thiên mới ổn định và bằng 2,5% trên 1MN/m
2
.
* Phương pháp đo gián tiếp, trong đó sử dụng các phần tử đàn hồi, các hệ dẫn truyền để
biến áp suất thành di chuyển và qua việc đo di chuyển sẽ xác định được áp suất cần đo.
Phương pháp này thường dùng các chuyển đổi điện dung, điện trở, điện cảm và điện trở lực
căng
- Các dụng cụ đo áp suất hiện nay có thể đo được áp suất từ 10
-12
÷ 10
11
Pa
- Bảng 9.2 sau trình bày quan hệ giữa các đơn vị áp suất thường dùng.

§¬n vÞ ®o
¸p suÊt
Pascal
(Pa) (B)
Bar
Kg/cm
Atmosphe
(at)
cm cét
H
2
0
mmHg mBar
2
1 Pascal 1 10
-5 -5
1,02.10
-5
0,9869.10
-2
1,02.10
-2
100,75.10
-2
750 100010200,98691,021101 Bar
5
3
1 Kg/cm
98.10 0,980 1 0,986 1000 980735
2

760 1013103311,0331,0131013251 atmosphe
0,735.10 0,9810,986.10
-3
10
-3-5
98.1098
1 gam/cm
2
1 mmHg 133,3 13,33.10
-4 -3
1,36.10
-3
1,315.10 136 1,3331
0,750 11,020,9869.10
-3
1,02.10
-3-3
1.101001 mbar
9.4.2 - Các phương pháp đo áp suất
1/ Đo áp suất bằng phương pháp trực tiếp:
- Là phương pháp đo mà áp suất tác động trực tiếp lên cảm biến. Tín hiệu
ra của cảm biến phản ánh áp suất cần đo. Những cảm biến áp dụng theo phương pháp này
bao gồm: cảm biến áp điện, cảm biến áp từ, áp trở
158
a/ Đo áp suất bằng cảm biến thủy ngân:
∆
R
Hình 9.21
- Cảm biến đo áp suất thủy ngân chất khí gồm một ống thủy tinh hoặc ống
cách điện hình chữ U bên trong đặt một sợi dây điện trở trong thủy ngân. Chiều cao của cột

thủy ngân làm ngắn mạch dây điện trở. Với cách mắc như sơ đồ, sợi dây tạo thành 2 điện trở ,
được mắc cùng với 2 điện trở R khác để tạo thành mạch cầu 4 nhánh với nguồn cung cấp V.
Bình thường khi chưa có áp suất, chiều cao của 2 cột Hg bằng nhau nên 2 điện trở đặt trong 2
ống chữ U có trị số bằng nhau và mạch cầu cân bằng.
- Khi có áp suất, khí nén được đưa vào một trong hai ống dẫn, chúng ép Hg
làm cho chiều cao 2 cột Hg là khác nhau tạo ra độ chênh áp dẫn tới độ chênh lệch về điện trở
∆R giữa 2 cột, làm cầu mất cân bằng. Điện áp ra sẽ tỉ lệ với ∆R và cũng tỷ lệ với độ chênh áp
giữa 2 ống chữ U.
pV
R
RV
U
ña
∆=
∆
=

2
.
β
β - hệ số
- Cảm biến trên có thể khắc độ trực tiếp, chế tạo đơn giản nhưng nó có
nhược điểm không làm việc trong điều kiện rung, lắc, làm bẩn khí đo do Hg bốc hơi và dải đo
bị hạn chế vì phụ thuộc vào chiều cao của ống dẫn chữ U.
b/ Áp kế điện trở lực căng.
- Sơ đồ thiết bị đo áp suất như hình vẽ.
159