Tài liệu Chương VII: CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO pptx

Chương VII CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO
- Chất lượng sản phẩm là một yếu tố mang tính chất quyết định trong sự phát triển của
nền Cơ khí chế tạo máy. Đảm bảo chất lượng sản phẩm trong sản xuất là đảm bảo hiệu
quả kinh tế cho nền sản xuất.
- Trong quá trình chế tạo các chi tiết máy, để kiểm tra chất lượng sản phẩm cần phải đo
để đảm bảo chi tiết làm ra đạt yêu cầu kỹ thuật. Vì vậy, kỹ thuật đo là khâu không thể
thiếu được trong quá trình sản xuất.
- Việc đảm bảo chất lượng sản phẩm không đơn thuần là việc kiểm tra sản phẩm sau
khi chế tạo mà cái chính là vạch ra nguyên nhân sai hỏng ngay trong khi gia công, để có
được quy trình công nghệ hợp lí, có thể điều chỉnh quá trình gia công nhằm tạo ra sản
phẩm đạt chất lượng . Mức độ đưa thiết bị và kỹ thuật đo vào công nghệ chế tạo thể hiện
mức độ tiên tiến của nền sản xuất .
7.1 Các khái niệm cơ bản trong đo lường:
7.1.1 - Khái niệm chung
- Đo lường là việc định lượng độ lớn của đối tượng đo, dựa trên việc thiết lập quan hệ
giữa đại lượng cần đo và một đại lượng có cùng tính chất vật lý được quy định dùng làm
đơn vị đo.
- Thực chất của việc đo lường là việc so sánh đại lượng cần đo với đơn vị đo để tìm ra tỉ
lệ giữa chúng. Độ lớn của đối tượng cần đo được biểu diễn bằng trị số của tỉ lệ nhận được
kèm theo đơn vị đo dùng khi so sánh .
Ví dụ:
+) Đại lượng cần đo là X
đ
, đơn vị dùng để so sánh là W. Khi đó tỉ lệ giữa chúng là:
q
W
X
d
=
Kết quả đo sẽ biểu diễn là :X
đ

= q.W
- Việc chọn độ lớn của đơn vị đo khác nhau khi so sánh sẽ có trị số q khác nhau. Chọn
độ lớn của đơn vị đo sao cho việc biểu diễn kết quả đo gọn, đơn giản tránh nhầm lẫn trong
ghi chép và tính toán. Kết quả đo cuối cùng cần biểu diễn theo đơn vị đo hợp pháp
7.1.2 - Đơn vị đo - Hệ thống đo
- Đơn vị đo là yếu tố chuẩn dùng để so sánh. Vì vậy, độ chính xác của đơn vị đo sẽ ảnh
hưởng tới độ chính xác khi đo.
- Độ lớn của đơn vị đo cần được quy định theo chuẩn mới đảm bảo được việc thống
nhất trong giao dịch, mua bán, chế tạo sản phẩm để dễ thay thế và lắp lẫn
77
- Để đảm bảo tính thống nhất trong đo lường, các đơn vị đo cơ bản và các đơn vị đo dẫn
xuất hợp thành hệ thống đơn vị đo : “ Đơn vị của các đại lượng vật lí ” ( SI : Standard
International ) . Hệ thống SI tránh được sự cần thiết phải nghiên cứu tỉ mỉ nhiều hệ thống
đơn vị
- Hệ thống đơn vị bao gồm hai nhóm:
+) Đơn vị cơ bản: được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa
học kỹ thuật hiện đại có thể thực hiện được.
- Ở nước ta hiện đang sử dụng các đơn vị đo lường của hệ thống SI gồm 7 đơn
vị cơ bản là:
a) Đơn vị chiều dài : “Mét (m) – là quãng đường ánh sáng đi được trong chân không
trong khoảng thời gian 1/29979258 giây (CGMP lần thứ 17 năm 1983)
+) Chuẩn chiều dài mét hiện nay có sai số = 0,002 mm ( = 2.10
-9
m)
b) Đơn vị đo nhiệt độ : Kelvin ( K)
+)
0
K là nhiệt độ có giá trị bằng 1/273,16 phần nhiệt độ đông của điểm thứ 3 của nước
(là điểm cân bằng của 3 trạng thái rắn, lỏng, hơi)
+) Sử dụng thang Kelvin là thang chuẩn và được sử dụng ưu tiên trong tính toán bởi vì

thang này không có nhiệt độ âm mà chỉ có nhiệt độ dương. Ngoài ra, sử dụng thang
Kelvin, sai số của phép đo chuẩn được giảm đi 50 lần.
c) Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampe (A)
+) Ampe là cường độ dòng điện một chiều chạy qua 2 dây dẫn song song dài vô hạn,
có diện tích mặt cắt nhỏ không đáng kể, được đặt trong chân không cách nhau 1m và trên
mỗi đoạn chiều dài 1m của dây dẫn xuất hiện lực tương tác bằng 2.10
-7
N.
d) Đơn vị đo thời gian: giây (s)
+) Giây bằng 9192631770 chu kì bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa 2 mức siêu
tĩnh của trạng thái cơ bản Xe-133.
+) Giây gắn liền với sự giao dộng của nguyên tử Xe. Sai số tương đối là 5.10
-11
e) Đơn vị đo cường độ ánh sáng ( Candela ).
- Candela - là cường độ ánh sáng theo một phương xác định của một nguồn phát ra bức
xạ đơn sắc có tần số 540 x 10
12
Hz và có cường độ bức xạ theo phương đó là 1/683 Oat
trên Steradian(CGPM - lần thứ 16,1979)
f) Đơn vị đo khối lượng: (Kg)
- Kilogram - là đơn vị đo khối lượng bằng khối lượng của mẫu kilogram quốc tế đặt tại
trung tâm mẫu và cân quốc tế tại Paris
g) Đơn vị đo số lượng vật chất: (Mol)
- Mol - là lượng vật chất có số phân tử (hay nguyên tử, các hạt ) bằng số nguyên tử
chứa trong
12
C với khối lượng là 0,012(kg).
78
- Các đơn vị này có thể dùng để đo tất cả các loại thông số : cơ học, nhiệt, điện, từ ánh
sáng, âm, bức xạ ion và trong lĩnh vực hoá học

+) Đơn vị kéo theo: là các đơn vị có liên quan tới các đơn vị cơ bản thể hiện qua các
biểu thức.
- Ngoài bảng 7 đơn vị cơ bản trên còn các đơn vị kéo theo trong các lĩnh vực cơ, điện,
từ, quang.
7.1.3 – Ph ươ ng pháp đo
- Phương pháp đo là cách thức, thủ thuật để xác định thông số cần đo. Đó là
tập hợp mọi cơ sở khoa học có thể để thực hiện phép đo, trong đó nguyên tắc để xác định
thông số đo. Các nguyên tắc này có thể dựa trên mối quan hệ toán học hay mối quan hệ
vật lý có liên quan tới đại lượng đo.
Ví dụ :
1. Để đo bán kính cung tròn, có thể dựa vào mối quan hệ giữa các yếu tố trong cung.
h
sh
R
82
2
+=
h : chiều cao cung
s : độ dài cung
2. Khi đo tỉ trọng của vật liệu , dựa trên quan hệ vật lý :
V
G
D
=
trong đó : D - Tỷ trọng mẫu đo
G - Trọng lượng mẫu đo
V - Thể tích mẫu đo
Giả sử mẫu là hình trụ :
h
d

V .
4
2
Π
=
h: chiều dài mẫu d: đường kính mẫu
hd
G
D
2
4
Π
=⇒
Việc chọn mối quan hệ nào đó trong các mối quan hệ có thể với thông số đo phụ thuộc
vào độ chính xác yêu cầu đối với đại lượng đo, trang thiết bị hiện có, có khả năng tìm
được hoặc tự chế tạo được. Mối quan hệ cần được chọn sao cho đơn giản, các phép đo dễ
thực hiện với yêu cầu về trang thiết bị đo ít và có khả năng thực hiện được.
79
* Cơ sở để phân loại phương pháp đo.
a. Dựa vào quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo chia ra: đo tiếp xúc và đo không tiếp xúc
- Đo tiếp xúc: là phương pháp đo giữa đầu đo và chi tiết đo tồn tại một áp lực gọi là áp
lực đo. Khi đo tiếp xúc, đầu đo sẽ tiếp xúc với mặt chi tiết theo đường, điểm hoặc mặt.
+) Ví dụ : khi đo bằng dụng cụ đo cơ khí quang, cơ, điện, tiếp xúc áp lực này làm
cho vị trí đo ổn định, vì thế kết quả đo tiếp xúc rất ổn định.
+) Tuy nhiên do tồn tại áp lực đo mà khi đo tiếp xúc không tránh khỏi sai số đo do các
biến dạng có liên quan tới áp lực đo gây ra. Đặc biệt khi đo các chi tiết là vật liệu mềm, dễ
biến dạng hoặc hệ đo kém cứng vững.
- Đo không tiếp xúc: là phương pháp đo không có áp lực đo giữa yếu tố đo và bề mặt đo
Ví dụ : máy đo biên dạng Project Profile, kính hiển vi, ốp ti mét
+) Do không tồn tại áp lực đo nên khi đo bề mặt chi tiết không bị biến dạng hoặc bị

cào xước. Phương pháp này thích hợp với các chi tiết nhỏ, mềm, mỏng, dễ biến dạng hoặc
các sản phẩm không cho phép có vết xước.
b. Dựa trên quan hệ về giá trị đo chia ra: đo tuyệt đối và đo so sánh.
- Trong phương pháp đo tuyệt đối giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo là giá trị đo được.
Phương pháp này đơn giản, ít nhầm lẫn nhưng vì hành trình đo dài nên độ chính xác kém.
- Trong phương pháp đo so sánh giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo chỉ cho ta sai lệch của giá
trị đo so với giá trị của chuẩn ( mẫu). Khi đó, kết quả đo phải là tổng của giá trị chuẩn và
giá trị chỉ thị:

xQQ ∆+=
0
Trong đó : Q : kích thước mẫu
∆x: giá trị chỉ thị của dụng cụ
Ví dụ : kiểm tra góc vuông bằng ke, kiểm tra góc bằng góc mẫu, kiểm tra kiểm tra kích
thước bằng Calip, kiểm tra chi tiết trên máy bằng Optimet
+) Độ chính xác của phép đo so sánh cao hơn phép đo tuyệt đối và phụ thuộc chủ yếu
vào độ chính xác của mẫu và quá trình chỉnh “0”. Các máy đo thường dùng phương pháp
này vì nó đơn giản và thuận tiện .
c. Dựa vào quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo chia ra: đo trực tiếp
và đo gián tiếp
Từ phương trình biểu diễn phép đo :
Q = X
Trong đó : Q – Giá trị cần tìm
X – Giá trị chỉ thị
- Phương pháp đo trực tiếp: là phương pháp đo mà kết quả của phép đo (giá trị chỉ thị
X của cơ cấu đo) chính là giá trị của đại lượng cần tìm Q.
80
Ví dụ: Đo đường kính chi tiết bằng Panme, thước cặp
+) Phương pháp đo trực tiếp cho độ chính xác cao nhưng hiệu quả thấp.
- Phương pháp đo gián tiếp: là phương pháp mà giá trị của đại lượng cần đo không xác

định được trực tiếp từ chỉ số của dụng cụ đo mà nó có quan hệ với một hay nhiều đại
lượng đo trực tiếp theo hàm có dạng: y = f(x
1
,x
2
,x
n
)
Trong đó: y là đại lượng cần tìm
x
1
,x
2
, ,x
n
: các đại lượng đo trực tiếp.
Ví dụ: đo 2 cạnh của một tam giác vuông rồi sử dụng định lý Pitago để tính ra cạnh huyền,
xác định góc
+) Phương pháp đo gián tiếp thông qua các mối quan hệ toán học hoặc vật lý giữa đại
lượng được đo và đại lượng cần đo là phương pháp đo phong phú, đa dạng và hiệu quả.
Tuy nhiên, nếu hàm quan hệ càng phức tạp thì độ chính xác đo càng thấp vì việc tính toán,
xử lý kết quả đo và độ chính xác đo phụ thuộc rất lớn vào việc lựa chọn mối quan hệ này
d. Ngoài ra trong đánh giá và kiểm tra sản phẩm chia ra: đo từng phần và đo tổng hợp.
- Phương pháp đo từng phần: là phương pháp tiến hành đo riêng rẽ từng yếu tố, sau đó
phối hợp các yếu tố đó lại mới xác định được chi tiết đó có đạt được yêu cầu hay không
Ví dụ : đo đường kính trung bình, bước răng, góc của răng rồi kết hợp kết quả đó lại
mới xác định được đường kính trung bình của răng có nằm trong phạm vi giới hạn điều
chỉnh hay không .
+) Phương pháp đo từng phần sử dụng khi kiểm nghiệm sản phẩm và tìm nguyên nhân
gây ra phế phẩm.

- Phương pháp đo tổng hợp: chọn một thông số nào đó mà qua đó đánh giá được chất
lượng sản phẩm.
Ví dụ: kiểm tra ren bằng Calip, đo ren bằng dưỡng ( khi đó không cần kiểm tra các yếu tố
riêng rẽ như đường kính, bước ren, góc xoắn ).
+) Phương pháp đo tổng hợp chủ yếu dùng để kiểm nghiệm sản phẩm, nghiệm thu hàng
hoá
7.1.3 - Cấu trúc cơ bản của hệ thống đo
1/ Giá trị chia độ (độ phân giải)
- Hiệu số giữa các trị số tương ứng với 2 vạch lân cận nhau của thang đo (chia độ) gọi
là độ phân giải (hay còn gọi là giá trị chia độ).
Ví dụ : khi thước động của Panme dịch chuyển 1 vạch thì đầu đo dịch chuyển 1 khoảng
là 0,001mm.Như vậy, độ phân giải của Panme này là 0,001mm.
- Độ phân giải càng nhỏ thì độ chính xác càng cao
81
- Tuy nhiên, với độ phân giải và độ chính xác của dụng cụ đo là khác nhau. Độ chính
xác của dụng cụ đo được xác định bằng sai số ∆x và có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn độ phân
giải.
2/Khoảng chia độ
- Khoảng chia độ là khoảng cách tâm giữa 2 vạch lân cận của thang đo.
- Trong phần lớn các dụng cụ đo , khoảng chia độ 1 ÷ 2,5mm. Khoảng chia độ trên
thang đo càng lớn thì việc đọc theo thang đo càng thuận tiện. Tuy nhiên khi đó sẽ làm tăng
kích thước của dụng cụ đo .
3/ Tỷ số truyền và độ nhạy K .
- Là tỷ số giữa sự thay đổi ở đầu ra tương ứng với sự thay đổi ở đầu vào của dụng cụ
đo. Khi K càng lớn, độ chính xác đo càng cao. Khi sự thay đổi ở đầu vào và đầu ra cùng
tính chất vật lý thì K là đại lượng không thứ nguyên và gọi là tỷ số truyền. Khi sự thay đổi
này không cùng tính chất vật lý thì K sẽ có thứ nguyên của đại lượng ra trên đại lượng vào
và gọi là độ nhạy.
- Nếu dụng cụ đo có nhiều khâu biến đổi, mỗi khâu có một độ nhạy riêng thì độ nhạy
của toàn dụng cụ là

∏
=
=×××=
n
i
in
KKKKK
1
21

4/ Độ nhạy giới hạn
ε
.
- Là chuyển vị nhỏ nhất ở đầu vào còn gây ra được chuyển vị ở đầu ra ổn định và quan
sát được. Khi ε càng bé thì độ chính xác đo được càng cao.
5/ Độ biến động chỉ thị .
- Là phạm vi dao động của chỉ thị khi đo lặp lại cùng 1 giá trị đo trong cùng 1 điều kiện
đo
∆
bd
= x
max
- x
min
x
max
, x
min
: giá trị chỉ thị lớn nhất và nhỏ nhất trong n lần đo lặp lại.
6/ Phạm vi đo:

- Là phạm vi thay đổi của giá trị đo mà phương tiện đo có thể thực hiện được
7.1.4 - Kiểm tra
- Kiểm tra một đại lượng là việc đánh giá giá trị thực của đại lượng đó có nằm trong
giới hạn cho phép đã được quy định hay không.
- Giới hạn cho phép là các sai lệch cho phép trong dung sai sản phẩm mà người thiết kế
yêu cầu, phụ thuộc vào độ chính xác cần thiết khi làm việc của sản phẩm. Sản phẩm cần
thiết là chính phẩm khi giá trị thực nằm trong khoảng sai lệch cho phép, ngược lại được
xem là phế phẩm.
82
- Sự khác nhau căn bản giữa kiểm tra và đo lường là kiểm tra không cần định lượng là
bao nhiêu mà chỉ so sánh các đại lượng cần kiểm tra có nằm trong giới hạn cho phép đã
được quy định hay không, để khẳng định về chất lượng của sản phẩm là thành phẩm hay
phế phẩm.
- Phân loại phương pháp kiểm tra:
a) Dựa vào tính chất sử dụng của kết quả kiểm tra, phân ra:
- Kiểm tra bị động: là hình thức kiểm tra sản phẩm sau chế tạo nhằm phân loại sản
phẩm là thành phẩm hay phế phẩm. Hình thức này thường dùng khi kiểm tra thu nhận sản
phẩm nên gọi là kiểm thu nhận.
- Kiểm tra chủ động: là hình thức kiểm tra mà kết quả phản ánh thông qua thông số đo
trong quá trình gia công. Nếu thông số đo vượt quá giới hạn giá trị cho phép, thông qua hệ
thống điều chỉnh tự động (hay còn gọi là hệ thống đo lại tích cực) sẽ tự động điều chỉnh lại
quá trình gia công để không tiếp tục tạo ra phế phẩm.
Trong các quá trình công nghệ
hiện đại, đặc biệt là khi chế tạo các
chi tiết phức tạp, kiểm tra tích cực
không những hạn chế việc tạo ra phế
phẩm mà còn thực hiện được những
thao tác kiểm tra mà sau khi chế tạo
sẽ khó mà kiểm tra được.
b) Dựa vào nội dung kiểm tra.

- Kiểm tra yếu tố: việc kiểm tra
thực hiện riêng đối với một thông số,
thường là thông số quan trọng ảnh hưởng chính tới chất lượng sản phẩm. Ngoài ra, trong
nghiên cứu độ chính xác khi gia công để hợp lí hóa quy trình công nghệ, vạch ra nguyên
nhân sai hỏng thì cần kiểm tra yếu tố mà thông số kiểm tra chính là yếu tố của nguyên
công đang thực hiện.
- Kiểm tra tổng hợp: là phương pháp kiểm tra đồng thời sự ảnh hưởng của các yếu tố
tới chất lượng chung của sản phẩm. Phương pháp này thường được áp dụng khi thu nhận
sản phẩm.
Ví dụ: với chi tiết ren, khi gia công có thể kiểm tra đường kính trung bình, đó là kiểm
tra yếu tố. Khi chi tiết đã gia công có thể kiểm tra ăn khớp bằng cách cho ăn khớp với đai
ốc, đó là kiểm tra tổng hợp.
7.2 - Các nguyên tắc cơ bản trong đo lường:
1/ Nguyên tắc ABBE
- Khi thiết kế phương án sơ đồ nguyên tắc đo kích thước mẫu và kích thước đo có thể
đặt song song hoặc nối tiếp nhau.
83
- Nguyên tắc ABBE phát biểu rằng: “ Khi kích thước đo và kích thước mẫu nằm trên
một đường thẳng thì kết quả đo đạt độ chính xác cao nhất”.
- Khi đo khe hở khâu dẫn đầu đo di động dưới tác dụng của áp lực đo và các biến dạng
tế vi dưới tác dụng của áp lực đo chính là nguyên nhân gây ra sai số đo.
S
L
δ
KÝch th
¦
íc mÉu
KÝch th
¦
íc ®o

∆α
S
∆
1
KÝch th
¦
íc ®o
KÝch th
¦
íc mÉu
∆α
L
∆
2
+) Với khe hở δ và chiều dài khâu dẫn là L, góc lệch lớn nhất sẽ là ∆
α
= Arctg
L
δ
.
+) Khi đo không theo nguyên tắc ABBE, sai số đo là: ∆
1
= δ tg∆
α
≈ δ ∆
α
.
+) Khi đo theo nguyên tắc ABBE, sai số đo là: ∆
2
= l ( 1- cos ∆

α
) ≈ l
2
2
α
∆
.
Với l là chiều dài đo. Nhận thấy ∆
2
<< ∆
1
.
Ví dụ: Thước cặp là dụng cụ đo không theo ABBE.
Panme là dụng cụ đo theo ABBE.
2/ Nguyên tắc xích truyền ngắn nhất.
- Mỗi khâu, mỗi khớp tham gia trong xích truyền kích thước, từ kích thước đo lên tới
kích thước mẫu để so sánh bản thân đều mang sai số công nghệ nhất định. Do đó nếu số
khâu tham gia vào xích truyền kích thước càng nhiều thì sai số tích lũy càng tăng làm sai
số phép đo càng lớn, độ chính xác của phép đo càng thấp.
- Để đạt được độ chính xác cao, máy đo và dụng cụ đo cần được thiết kế đảm bảo tỷ số
truyền với số khâu là ít nhất. Đối với sơ đồ nguyên tắc đo, sao cho số khâu thành phần
tham gia vào chuỗi kích thước để giải ra kích thước đo là ít nhất.
Ví dụ: có 3 phương án để đo khoảng cách tâm L:
84
PA I: L = L
1
+
2
21
DD +

.
PA II: L = L
2
-
2
21
DD +
.
PA III: L =
2
21
LL +
.
D
1
2
D
L
L
1
2
L
Nhận xét: phương án 3 là hợp lí nhất.
3/ Nguyên tắc chuẩn thống nhất
- Mỗi chi tiết qua thiết kế, gia công và kiểm tra ở từng bước đều có chuẩn để thiết kế,
chế tạo, lắp ráp và kiểm tra.
- Nguyên tắc chuẩn thống nhất chỉ ra rằng khi các chuẩn đó được dùng thống nhất thì
kết quả kiểm tra sẽ phù hợp với chất lượng chi tiết khi làm việc.
4/ Nguyên tắc kinh tế.
- Nguyên tắc kinh tế bảo đảm độ chính xác đo lường trong điều kiện kinh tế nhất định,

cụ thể:
+) Độ chính xác phương tiện đo hợp lí.
+) Dễ điều chỉnh, gá đặt, thao tác, về cơ khí hóa, tự động hóa, đo hàng loạt với năng
xuất cao.
+) Yêu cầu bậc thợ điều chỉnh và thao tác trung bình.
+) Chu kỳ điều chỉnh đo, sửa chữa dài.
+) Thiết bị đo đơn giản, rẻ tiền, dễ kiếm, dễ chế tạo.
* Trong thực tế, không phải bao giờ cũng thỏa mãn đồng thời cả 4 nguyên tắc trên. Cần
căn cứ vào các điều kiện, các yêu cầu kỹ thuật riêng và chức năng cụ thể mà có thể đặc
biệt coi trọng nguyên tắc nào đó.
85
7.3 -Xử lý tín hiệu đo:
7.3.1 - Mục đích, yêu cầu
7.3.2 - Các đặc trưng cơ bản của mạch đo và các loại mạch đo
1/ Khái niệm:
- Mạch đo lường là thiết bị kỹ thuật làm nhiệm vụ biến đổi, xử lý thông tin, tính toán
phối hợp các tin tức với nhau trong một hệ vật lý thống nhất.
- Có thể coi mạch đo như một khâu tính toán, thực hiện các phép tính đại số trên sơ đồ
mạch nhờ vào kỹ thuật điện tử theo yêu cầu kỹ thuật của thiết bị đo.
2/ Các đặc trưng cơ bản của mạch đo:
* Chức năng và phạm vi làm việc:
- Trong các hệ thống đo lường - điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các
biến trạng thái như: lực, áp suất, vận tốc, nhiệt độ Các biến trạng thái này thường là các
đại lượng không điện. Chức năng của các mạch đo là tiếp nhận thông tin, tính toán, xử lý
sự biến thiên các biến trạng thái của các quá trình.
W(t)
X(t)
Y(t)

- Sơ đồ trên thể hiện quan hệ giữa đầu vào với đầu ra và khả năng thực hiện của chúng.

Ứng với trường hợp đơn giản nhất đó là tỉ số W=Y/X với X - thông số đầu vào, Y - thông
số ra. Trong các trường hợp phức tạp hơn thì W(t) là một hàm của thời gian t gọi là hàm
truyền đạt tương hỗ.
- Hàm truyền đạt W được xác định trong một phạm vi nào đó của đại lượng vào và ra,
gọi là phạm vi làm việc của của mạch đo. Nếu vượt ra ngoài phạm vi đó thì W không còn
đảm bảo được sai số cho phép nữa.
* Sai số của mạch đo:
- Trong một hệ thống đo lường, cũng như các khâu khác thiết bị của mạch đo cũng gây
ra sai số. Sai số của mạch đo có thể chia ra làm hai loại:
a/ Sai số bản thân mạch đo:
Gây ra bởi các biến động bởi quan hệ tương hỗ (hàm truyền đạt). Hàm truyền đạt của
mạch đo
X
Y
W =
- Giả sử trong trường hợp ở đầu vào không mắc sai số nhưng ở đầu ra Y mắc phải sai số
∆Y. Nguyên nhân là do sai số của hàm truyền đạt ∆W gây ra do sự biến động của các yếu
tố bên ngoài hay nội tại ảnh hưởng tới mạch đo ∆
θ
i. Sai số này được đánh giá:
θ
γ
γ
θθ
W
WW
K
=
∆
∆

=
/
/
trong đó: - γ
W
: sai số tương đối của hàm truyền đạt
86
- γ
θ
: độ biến động của các yếu tố tác động tới mạch đo.
Khi đó sai số ở đầu ra là:
∆Y = γ
W
. W . X
b/ Sai số do sự kết hợp các đại lượng vào:
- Nếu một mạch đo có nhiều đại lượng vào thì có sự kết hợp với nhau do vậy sai số là
tổng của các sai số:
∆( x
1
± x
2
) = ∆x
1
± ∆x
2
- Sai số tương đối của tích hai đại lượng bằng tổng sai số tương đối của chúng:
2121
2
2
1

1
xxxx
x
x
x
x
γγγ
+=
∆
+
∆
=
* Đặc tính động của mạch đo:
- Thông số đo là các đại lượng biến thiên theo thời gian do đó mạch đo cũng cần phải
đáp ứng được các đặc tính động yêu cầu.
- Đặc tính động của mạch đo phải đảm bảo cho sai số của mạch đo không vượt quá sai
số cho phép của thiết bị. Do đó khi xét các đặc tính động ta cần phải xét đến hàm truyền
đạt của mạch đo phụ thuộc vào tần số W(p).
* Công suất tiêu thụ của mạch đo:
- Ngoài chức năng thực hiện xử lý tính toán, mạch đo còn có nhiệm vụ nối các khâu với
nhau trong hệ thống đo lường hay chính là làm phù hợp điện trở và điện kháng đầu vào và
đầu ra của các khâu.
- Trong đa số các trường hợp người ta cố gắng làm cho điện trở đầu vào của mạch đo
rất lớn so với điện trở ra của khâu trước ( công suất của mạch đo tiêu thụ nhỏ hơn công
suất ra của khâu trước)
- Sai số do công suất tiêu thụ của mạch đo gây nên khi mắc vào khâu trước là:
max
P
P
P

=
γ
trong đó - P: công suất tiêu thụ ở đầu vào của mạch đo
- P
max
: công suất cực đại của khâu trước.
- Khi tính toán sai số này được cộng thêm sai số của khâu trước nó.
- Ngược lại, ở đầu ra của mạch đo cần phải để cho công suất ra là lớn nhất: P
ra
= P
t
( P
t
-
công suất của tải). Khi đó sai số xác định theo công thức:
ra
tra
ra
P
PP
−
=
γ
- Ứng với trường hợp tải biến thiên thì P
t
được thay bởi công suất tải định mức P
tN
87
3/ Các loại mạch đo:
- Theo chức năng của mạch đo mà ta có thể phân thành:

* Mạch tỉ lệ: là mạch thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với hệ số tỉ lệ k. Khi đó ứng
với đầu vào là x ta có đại lượng đầu ra: y = kx.
Đại diện cho loại mạch này là: Sun, phân áp, biến áp, biến dòng
* Mạch khuyếch đại: cũng tương tự như mạch tỉ lệ, mạch khuyếch đại làm nhiệm vụ
nhân thêm một hệ số k gọi là hệ số khuyếch đại. Tuy nhiên ứng với mạch khuyếch đại thì
công suất ở đầu ra lớn hơn công suất ở đầu vào (ngược với mạch tỉ lệ) có nghĩa là đại
lượng vào điều khiển đại lượng ra.
Sử dụng mạch khuyếch đại ta có thể tăng độ nhạy của các thiết bị đo lên rất nhiều cho
phép đo được những tín hiệu đầu vào rất nhỏ. Ngoài ra nó còn mở rộng được đặc tính tần
của thiết bị đo và đặc biệt là giảm rất nhiều công suất tiêu thụ của thiết bị lấy từ đối tượng
đo.
Mạch khuyếch đại được thực hiện bằng đèn điện tử, bán dẫn và ngày nay sử dụng chủ
yếu là các vi điện tử.
* Mạch gia công và tính toán: bao gồm các mạch thực hiện các phép tính đại số như
cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân
* Mạch so sánh (Comparator): là mạch thực hiện việc so sánh giữa hai điện áp. Mạch
này thường được sử dụng trong các thiết bị đo dùng phương pháp so sánh để phát hiện độ
lệch khỏi điểm 0 của điện kế.
Các mạch so sánh phổ biến: mạch so sánh sử dụng bộ khuyếch đại thuật toán, mạch so
sánh 2 mức, mạch so sánh khuyếch đại, mạch cầu đo
* Mạch tạo hàm: là mạch tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép đo nhằm mục
đích tuyến tính hóa các đặc tính của tín hiệu đo ở đầu ra các bộ phận cảm biến. Để tuyến
tính hóa bằng cách tạo ra các hàm ngược dùng kĩ thuật mạch.
Những mạch tạo hàm thông dụng: mạch tạo hàm bằng biến trở, điôt bán dẫn, mạch tạo
hàm logarit `
* Mạch biến đổi A/D, D/A: là mạch biến đổi từ tín hiệu đo tương tự thành tín hiệu số và
ngược lại, sử dụng cho kỹ thuật đo số và chế tạo các mạch ghép nối với máy tính
* Mạch vi xử lí (Microprocessor): là mạch đo có cài đặt bộ vi xử lí để tạo ra các cảm
biến thông minh, thực hiện chức năng tính toán, ghi nhớ, trao đổi thông tin vào ra
Thiết bị đo càng hiện đại và chính xác thì mạch đo càng phức tạp. Thường sử dụng các

mạch đo để tăng độ nhạy, độ chính xác của thiết bị đo và hệ thống đo.
7.3.3 - Các bộ biến đổi tương tự - số A/D, biến đổi số - tương tự D/A
7.3.2.1 - Các bộ chuyển đổi tương tự - số A/D(Analog - Digital Convertor)
1/ Nguyên lý của các bộ biến đổi A/D:
88
- Trong kỹ thuật đo lường khi sử dụng các dụng cụ đo chỉ thị số hay đưa tín hiệu đo vào
máy tính, phải có sự biến đổi của tín hiệu cần đo Analog thành các số tỉ lệ với nó. Thiết bị
thực hiện nhiệm vụ đó là mạch chuyển đổi tương tự - số (A/D).
Có 3 phương pháp thực hiện khác nhau về nguyên tắc:
a) Phương pháp song song: điện áp vào đồng thời so sánh với n điện áp chuẩn và xác
định chính xác xem nó đang nằm ở giữa hai mức nào. Kết quả cho ra có một bậc của tín
hiệu xấp xỉ. Với phương pháp này có giá thành cao vì bởi vì mỗi một số cần phải có một
bộ so sánh. Ưu điểm chính của phương pháp là cho kết quả nhanh.
b) Phương pháp trọng số: việc so sánh diễn ra cho từng bit của số nhị phân. Cách so
sánh thực hiện như sau: đầu tiên xác định điện áp vào có vượt điện áp chuẩn của bit già
hay không. Nếu vượt thì kết quả cho giá trị "1" và lấy điện áp vào trừ đi điện áp chuẩn.
Phần dư đem so sánh với các bit trẻ lân cận Vì vậy có bao nhiêu bit trong một số nhị
phân thì cần bấy nhiêu bước so sánh và bấy nhiêu điện áp chuẩn.
c) Phương pháp số: trong trường hợp này người ta kể đến số lượng các tổng số điện áp
chuẩn của các bit trẻ để diễn đạt điện áp vào. Nếu số lượng cực đại dùng để mô tả bằng n
thì do đó cũng cần tối đa là n bước để nhận được kết quả. Đây là phương pháp đơn giản,
kinh tế nhưng cho kết quả chậm.
2/ Các bộ chuyển đổi A/D:
a/ Các bộ chuyển đổi A/D trong công nghiệp
Bộ biến đổi A/D 3
2
1
digit MC 14433 sản xuất theo công
nghệ CMOS có đầu vào là điện áp một chiều (DC) còn đầu ra là số dưới dạng mã BCD
với 3

2
1
digit. Bộ biến đổi này có đầu vào chống nhiễu tốt, đổi dấu tự động và tự động
chỉnh không.
Chức năng của bộ chuyển đổi A/D MC 14433 là thực hiện việc rời rạc hóa và mã hóa
tín hiệu điện áp một chiều (DC) trước khi đưa ra chỉ thị số hay đưa vào máy tính.
89
Ví dụ: Vônmét là một dụng cụ đo sử dụng MC 14433.
µ
µ
Ω
µ
Ω
Ω
Ω
Ω
µ
Ω
* Bộ chuyển đổi A/D 7106 hay 7107: đây là bộ chuyển đổi A/D có đặc điểm đầu ra có
thể điều chỉnh từ ± 199,9mV ÷ ± 199,9V bằng cách điều chỉnh điện trở R
1
, điện trở tích
phân R
2
, và điện dung C
2
. Sơ đồ mạch như hình vẽ.
- Với bộ chuyển đổi A/D này người ta không cần phải mắc bộ giải mã bên ngoài. Với
bộ chuyển đổi A/D 7106 được sử dụng với chỉ thị số bằng điôt laze LCD còn 7101 sử
dụng LED.

b/ Chuyển đổi A/D sử dụng bộ vi xử lí.
- Sử dụng bộ vi xử lí (µP) để chế tạo các bộ biến đổi A/D tạo cho ta thực hiện được
những chức năng mới. Khảo sát chuyển đổi A/D có sử dụng bộ vi xử lí 8 bit 8080.
φ
φ
3
4
5
C©n b»ng
- Thiết bị chương trình hóa 8255 điều khiển sự làm việc của µP trung tâm 8080. Từ bộ
vi xử lí này qua bộ vào ra IC 8228 (bộ khuyếch đại 2 chiều) thông tin dưới dạng mã được
90
đưa đến bộ chuyển đổi ngược D/A loại AD 7520. Điện áp ra của bộ chuyển đổi D/A sẽ
đưa đến bộ so sánh IC LM 119.
- Ở đầu vào thứ 2 của bộ so sánh, tín hiệu Analog cần biến đổi U
V
được đưa vào. Ở đầu
ra của bộ so sánh có tín hiệu 1 (hay là 0) được đưa đến bộ chương trình hóa để tích lũy
cho đến khi đạt đến tập hợp mã 8 bit tương đương với điện áp vào U
V
.
- Sau khi tạo ra được mã,
µ
P sẽ đưa nó vào thanh nhớ. Một chu kỳ chiếm khoảng thời
gian 833
µ
s/từ. Hệ thống đồng bộ được thực hiện từ IC 8224 (clock) là máy phát xung ổn
định tần số bằng thạch anh.
- Những chức năng mới mà bộ chuyển đổi A/D này có thể thực hiện: tìm các giá trị cực
đại hoặc cực tiểu của tín hiệu vào, rời rạc hóa theo thời gian, cộng các tín hiệu, so sánh các

tín hiệu với các mã chuẩn Các chức năng này được thực hiện do
µ
P đảm nhận.
7.3.2.2 - Các bộ chuyển đổi số - tương tự D/A (Digital - Analog Convertor)
1/ Nguyên lý chung:
- Trong kỹ thuật đo lường, với kỹ thuật số khi cần phải chỉ thị dụng cụ đo bằng Analog
(các chỉ thị cơ điện) hoặc khi cần có các chuyển đổi ngược (trong phương pháp so sánh)
thì cần phải biến đổi từ số thành tín hiệu tương tự. Nhiệm vụ này được thực hiện bởi bộ
biến đổi số - tương tự. Có nhiều phương pháp tạo ra các bộ chuyển đổi D/A như:
a - Phương pháp lấy tổng các dòng trọng số:
- Để biến đổi số nhị phân thành điện áp tỉ lệ với nó người ta sử dụng sơ đồ đơn giản như
hình vẽ. Trị số của các điện trở được chọn sao cho khi các khóa kín mạch khi có dòng điện
chạy qua chúng phù hợp với trọng số các bit. Khóa phải kín mạch khi có các mức "1"
logic đặt vào. Nhờ bộ KĐ thuật toán với điện trở phản hồi R
N
thực hiện một mạch cộng.
Khi các khóa z
0
, z
1
, z
2
, z
3
đóng (mở) tùy thuộc trạng thái của số ở đầu vào ta có:
U
chuÈn
ra
U
U

ra
=
)248(
.
0123
0
zzzz
R
RU
Nchuan
+++−
Nếu khóa nào mở (tương ứng với mức "0") thì z
i
tương ứng sẽ bằng 0.
- Để tăng số bit của số nhị phân người ta sẽ đấu song song
một số lượng tương ứng các điện trở
16
1
R
0
,
32
1
R
0

- Các điện trở tương ứng với các bit già sẽ yêu cầu độ chính
xác nghiêm ngặt hơn cả bởi vì sự sai lệch dòng điện trong chúng không cho phép vượt quá
dòng tương ứng với các bit trẻ. Vì vậy sai số của điện trở tương ứng với bit 2
n

là:
1
2
1
+
<
∆
=
n
R
R
R
γ
b - Phương pháp dùng khóa đổi chiều:
- Với bộ chuyển đổi D/A ở trên có nhược điểm lớn nhất là có điện áp biên độ lớn đặt
vào các khóa. Vì vậy việc sử dụng các khóa điện tử ở trường hợp này sẽ rất khó khăn.
91
Ngoài ra do ảnh hưởng của của điện dung kí sinh mà tần số chuyển mạch đạt được sẽ thấp.
Để khắc phục nhược điểm này, sử dụng các khóa 3 vị trí như trên hình vẽ. Các khóa này
hoặc được đấu đến bộ cộng hặc được đấu đến điểm "0" chung. Khi đó dòng qua mỗi điện
trở là không đổi. Do đó tải của nguồn điện áp chuẩn là cố định. Điện trở trong của nguồn
này phải nhỏ.
U
ra
chuÈn
U
- Điện trở vào của bộ cộng (hay là điện trở tải của nguồn chuẩn) bằng:
o
ooo
oe

R
RRR
RR
15
1
8
//
4
//
2
// ==
- Thực tế có thể kết hợp giữa ma trận điện trở và khóa đảo chiều để thực hiện các bộ
biến đổi D/A
2/ Các bộ chuyển đổi D/A:
- Trong công nghiệp đã sản xuất các bộ chuyển đổi D/A dùng các khóa điện tử theo
công nghệ CMOS có độ tác động nhanh trung bình đến 2 MHz có công suất tiêu thụ thấp
và không cần phải có thiên áp.
- Khi số bit nhỏ có thể sử dụng theo phương pháp lấy tổng các dòng trọng số. Các khóa
z
i
là các khóa điện tử. Điện áp nguồn nuôi là điện áp chuẩn.
- Trong thực tế với các số bit lớn hơn người ta thường sử dụng các ma trận điện trở kết
hợp với các khóa CMOS đảo chiều.
ra
U
2
T
T
1
U

chuÈn
92
- Với sơ đồ trên sử dụng đặc biệt tiện lợi vì trong trường hợp này sụt áp trên các khóa
thực tế là bằng "0". Có thể đấu bộ cộng đến cực "0" nhờ có 2 tranzito trường kênh n
thường khóa.
- Một trong chúng được điều khiển qua bộ đảo. Khi xuất hiện điện áp mức cao ở đầu và
điều khiển z
0
, tranzito T
1
mở còn T
2
đóng. Điện thế cực máng bằng 0. Vì vậy, để nhận
được kết quả chính xác thì chỉ cần tín hiệu logic điện áp thấp độc lập với điện áp chuẩn.
- Ngược lại, nếu ở đầu vào điều khiển z
0
có điện áp bằng 0 thì T
1
khóa, điện thế cực
máng lúc đó vẫn bằng 0 và vì vậy T
2
mở.
- Các bộ chuyển đổi D/A trong công nghiệp hiện nay sửe dụng công nghệ CMOS gồm
có:
* Loại 8 bit AD 7520, AD 7527 Analog Devices
* Loại 10 bit AD 7533
* Loại 12 bit AD 7541
Thời gian tích lũy đối với các vi mạch này là 0,5
µ
s. Điện áp chuẩn có thể thay đổi trong

khoảng từ (-10V ÷ +10V)
7.3.4 - Ghép nối hệ thống đo lường với máy tính
- Trong các hệ thống đo và thu thập dữ liệu, các tín hiệu sau cảm biến được chuẩn hóa
và biến đổi thành tín hiệu số nhờ bộ chuyển đổi A/D sau đó được đưa vào máy tính để xử
lý và thể hiện kết quả đo hoặc điều khiển. Khi ghép nối với máy tính ta có thể thực hiện
theo các cách sau:
* Ghép nối trực tiếp qua cổng song song hoặc nối tiếp
* Dùng Card ghép nối qua rãnh cắm ISC, PIC
1/ Ghép nối qua cổng song song:
- Đây là ổ cắm 25 chân ở phía sau máy tính dùng để nối máy in với máy tính và sử
dụng máy tính vào mục đích đo lường và điều khiển.
- Qua cổng này, dữ liệu được truyền đi song song với tốc độ truyền đạt đến mức khá cao
- Tất cả đường dẫn của cổng này đều tương thích TTL tức là chúng đều cung cấp một
mức điện áp nằm giữa 0 và 5V nên mức điện áp đưa vào không được quá lớn. Sơ đồ và
cách sắp xếp các chân của ổ cắm như hình vẽ.
93
- Trong ổ cắm song song gồm có 17 đường dẫn trong đó có 5 đường dẫn vào và 12
đường dẫn ra vì vậy khi sử dụng với mục đích đo lường điều khiển người ta lắp thêm một
mạch phụ.
2/ Cổng nối tiếp RS232:
- Cổng nối tiếp RS232 là giao diện phổ biến và còn được gọi là cổng COM. Cổng nối
tiếp RS232 sử dụng rất thuận tiện để đo lường và điều khiển.
- Các dữ liệu được truyền qua cổng RS232 theo dạng nối tiếp nghĩa là các bit dữ liệu
gửi đi nối tiếp nhau theo một đường dẫn. Ưu điểm của loại này là có thể truyền số liệu với
khoảng cách lớn do ít bị nhiễu. Nó cho phép tạo ra giao tiếp điểm giữa hai máy tính khi
trao đổi thông tin với nhau và thành viên thứ ba không tham gia vào được.
- Sơ đồ bố trí chân của RS232 ở máy tính PC như hình vẽ.
1 13
14 25 96
5

1
Lo¹i 22 ch©n
Lo¹i 9 ch©n
S¬ ®å bè trÝ ch©n RS232
- RS232 có đường dẫn không kể đường nối đất và có 2 loại: loại 9 chân và loại 22 chân.
Nó khác với cổng song song là ổ cắm ở đây sử dụng phích cắm nhiều chân. Việc truyền
dữ liệu được tiến hành trên đường dẫn.
- Từ chân TxD (Transmit Data) máy tính gửi các dữ kiệu đến máy khác. Các dữ liệu mà
máy tính nhận được qua chân RxD(Receive Data). Các tín hiệu khác đóng vai trò hỗ trợ
khi trao đổi thông tin. RS232 sử dụng phương thức truyền số liệu không đối xứng. Điện áp
dao động trong khoảng -25 ÷ 25V. Với thiết bị quy định nhận mức logic 1 ứng với điện áp
từ -25V ÷ -3V và mức "0" ứng với điện áp từ 3 ÷ 25V. Trong khoảng -3 ÷ 3V không được
định nghĩa, đây là khoảng chuyển tiếp giữa các mức logic.
- Đặc điểm của RS232:
* Khoảng cách truyền cho phép ≤ 20m
* RS232 làm việc ở chế độ song cổng (full - duplex)
* Tốc độ dữ liệu lớn nhất khoảng 20Kb/s
* Chế độ truyền không đồng bộ
* Hầu hết các dữ liệu trong RS232 là mã ASCII mặc dù không phải là mã chuẩn
- Các yêu cầu của chuẩn RS232 với phần tạo dạng phát
* Đầu ra phải chịu đựng được trạng thái ngắn mạch hoặc không tải
* Điện trở khi ngắn mạch nguồn lớn hơn 300Ω
94
* Điện áp cực đại khi ngắn mạch là 500mA
- Thời gian chuyển tín hiệu giữa hai mức tín hiệu phải nhỏ hơn 1 ms
* Tốc độ tăng hay giảm tín hiệu không nhỏ hơn 30V/ms
* Tải của bộ kích thích lớn hơn 3 kΩ
* Điện trở vào từ 3000Ω ÷ 7000Ω
* Điện dung ký sinh nhỏ hơn 2500µF
3/ Ghép nối với máy tính qua rãnh cắm PC

- Thông thường khi ghép nối với máy tính qua rãnh cắm người ta sử dụng vi mạch ghép
nối 8255 gắn trên tấm Card cắm thêm vào máy tính PC để thu thập số liệu đo lường, xuất
và nhập dữ liệu số và điều khiển quá trình biến đổi A/D
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20 21
22
23
24
25
26
27
28

29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40PA3
PA2
PA1
PA0
/PD
/CS
GND
A1
A0
PC7
PC6
PC5
PC4
PC0
PC1
PC2
PC3
PB0
PB1

PB2 PB3
PB4
PB5
PB6
PB7
+5V
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
Reset
/ WR
PA7
PA6
PA5
PA4
- Vi mạch 8255 có 40 chân như hình vẽ trong đó có 24 đường dẫn vào/ra được xếp
thành 3 cổng song song A,B và C. Qua một thanh ghi điều khiển, người sử dụng sẽ xác
định loại hoạt động và cổng nào cần được sử dụng vào hoặc ra.
7.4 - Các cảm biến trong đo lường:
7.4.1 - Khái niệm chung
- Trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các
biến trạng thái. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như: nhiệt độ,
áp suất, lưu lượng, tốc độ, di chuyển
- Để thực hiện quá trình đo lường - điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo
dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết

bị cảm biến. Bao gồm:
* Phần tử nhạy:
là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trực tiếp của đại lượng đo. Phần tử nhạy
không có đặc tính riêng. Sai số được hạn chế bởi sai số của thiết bị mà nó tham gia.
95
* Chuyển đổi đo lường:
là một khâu của thiết bị đo, thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại lượng vật lý
với độ chính xác nhất định.
- Chuyển đổi đo lường có nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý này sang đại lượng vật
lý khác. Mối quan hệ hàm có thể là tuyến tính hay phi tuyến.
W(t)
X(t)
Y(t)
* Cảm biến đo lường:
là phương tiện (thiết bị) đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận
lợi cho quá trình biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt, gia công bằng thiết bị tính hoặc lưu trữ
số liệu (nhưng không quan sát được). Cảm biến có đặc tính đo lường học, thực hiện ở
dạng độc lập, có độ chính xác nhất định theo mô hình mạch điện. Cảm biến có thể coi là
một mạng 2 cửa, cửa vào là biến trạng thái cần đo x, cửa ra là đáp ứng y.
X(t) - đại lượng vào Y(t) - đại lượng ra
W(t) - hàm truyền đạt
- Phương trình được mô tả dưới dạng hàm số y = f(x). Quan hệ thường rất phức tạp do
nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của cảm biến. Mối quan hệ này
thường được tìm ra bằng thực nghiệm. Mối quan hệ thường là phi tuyến, nhưng để nâng
cao độ chính xác của thiết bị đo người ta tìm cách tuyến tính hóa nó bằng các mạch điện tử
hay dùng các thuật toán thực hiện khi gia công bằng máy tính.
- Trong thực tế tín hiệu ra Y(t) của chuyển đổi không chỉ phụ thuộc vào X mà còn phụ
thuộc vào điều kiện bên ngoài ( Y = f(X,Z) ) do đó để đảm bảo độ chính xác của chuyển
đổi, khi khắc độ cần phải cố định Z.
- Khi đánh giá một chuyển đổi hay phải so sánh chúng với nhau, cần phải chú ý những

đặc tính cơ bản sau:
1/ Phải xét tới khả năng có thể thay thế các chuyển đổi. Tức là khi chế tạo một loại
chuyển đổi, phải xét tới khả năng chế tạo nhiều chuyển đổi với các đặc tính như nhau cho
trước. Do vậy có thể thay thế khi hư hỏng mà không mắc phải sai số.
2/ Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị, nghĩa là với đường cong hồi phục của chuyển
đổi ứng với một giá trị X ta chỉ nhận được một giá trị Y mà thôi.
3/ Đường cong của chuyển đổi phải ổn định, nghĩa là không thay đổi theo thời gian.
4/ Tín hiệu ra của chuyển đổi phải tiện cho việc kết nối vào dụng cụ đo, hệ thống đo
và máy tính.
5/ Đặc tính quan trọng của cảm biến là sai số:
+) Sai số cơ bản: của chuyển đổi là sai số gây ra do phương pháp chuyển đổi, sự không
hoàn thiện của cấu trúcvà công nghệ chế tạo.
96
+) Sai số phụ là sai số gây ra do sự biến động của điều kiện bên ngoài khác với điều
kiện tiêu chuẩn.
- Để nâng cao độ chính xác của phép đo hay dụng cụ đo, người ta cố gắng nâng cao độ
chính xác của các chuyển đổi sơ cấp vì đây chính là khâu cơ bản nhất trong thiết bị đo, mà
độ chính xác của nó phụ thuộc rất nhiều vào bản chất vật lý của chuyển đổi.
6/ Độ nhạy:
là một đặc tính quan trọng, có tác dụng quyết định cấu trúc của mạch đo để đảm bảo
cho phép đo có thể nhạy với những biến động nhỏ của đại lượng đo.
7/ Đặc tính động của chuyển đổi:
khi cho tín hiệu vào chuyển đổi thường xuất hiện quá trình quá độ. Quá trình này nhanh
hay chậm phụ thuộc vào dạng chuyển đổi. Đặc tính này gọi là độ tác động nhanh.
8/ Sự tác động ngược trở lại của chuyển đổi lên đại lượng đo làm thay đổi nó và tiếp
đến là gây ra sự thay đổi của tín hiệu ở đầu ra của chuyển đổi.
9/ Kích thước của chuyển đổi cần được hạn chế. Như vậy sẽ thuận tiện cho việc đưa
đầu đo vào những nơi hẹp, nhỏ và nâng cao độ chính xác của phép đo.
* Phân loại cảm biến:
- Theo đại lượng vào và ra bao gồm:

* Cảm biến điện - điện: đại lượng vào và ra là các thông số điện
* Cảm biến không điện - điện: cảm biến thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng
không điện như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng thành các thông số như điện trở, điện áp,
dòng điện
* Cảm biến khí nén - điện: thực hiện biến đổi các đại lượng không điện thành tín hiệu
khí nén sau đó biến đổi thành các đại lượng điện. Được ứng dụng nhiều trong các nhà máy
hóa chất, các hệ thống đo và điều khiển cần chống cháy nổ
- Theo nguyên lý chuyển đổi phân thành:
*Cảm biến điện trở
* Cảm biến điện từ
* Cảm biến tĩnh điện
* Cảm biến nhiệt điện
* Cảm biến điện tử - Ion
* Cảm biến hóa điện
* Cảm biến y - sinh
- Theo tính chất nguồn điện:
* Cảm biến phát điện (Active)
* Cảm biến thụ động (Passive)
97
- Theo phương pháp đo:
* Cảm biến biến đổi trực tiếp: Y = k.X
* Cảm biến kiểu bù:
x
K
K
y
β
±
=
1

7.4.2 - Cảm biến khí nén (chuyển đổi khí nén)
- Nguyên tắc của chuyển đổi khí nén là dựa trên sự thay đổi kích thước làm thay đổi áp
suất, lưu lượng của dòng khí trên quan hệ kích thước với các thông số về lưu lượng của
dòng khí đã xác định.
- Dụng cụ đo bằng khí nén có độ chính xác cao, miền làm việc rộng, đơn giản, dễ chế
tạo và có thể đo được các bề mặt và kích thước mà các dụng cụ cắt không đo được. Tỷ số
truyền của hệ thống có thể đạt từ 5.10
3
÷ 10
4
.
* Ví dụ:
1/ Đo kích thước lỗ bằng khí nén:
- Áp suất dư H = const chảy qua đầu phun
vào d
1
= const rồi chảy qua lỗ cần đo d
2
gọi
là đầu phun đo. Khi đó áp đo h chỉ phụ
thuộc vào h được xác định theo công thức:
4
1
2
1









+
=
d
d
H
h
- Để xác định kích thước lỗ cần đo d
2
, bằng phương pháp đo so sánh với lỗ mẫu d
20
, căn cứ
vào sự thay đổi áp đo ∆h có thể suy ra sự thay đổi đầu phun đo ∆d
2
:
98
y(t)
x(t)
K
y(t) = k.x(t)
y(t)
x(t)
K
y(t) =
β
+
-

( )
K
1
β
K
-
+
x(t)
K,
β −
hÖ sè biÕn ®æi
H
h
d
1
2
d
k
h
d

=
2
Vi k: t s truyn ca h thng.
7.4.3 - Cm bin in cm (chuyn i in cm)
1- Cu to: chuyn i in cm lm vic trờn nguyờn lý in t trng. i lng
khụng in cn o lm thay i in cm ca chuyn i hay t thụng hoc t thm
ca lừi thộp. Cu to ca chuyn i l mt cuụn dõy cun trờn mt lừi thộp cú khe h
khụng khớ. Thụng s ca nú thay i di tỏc ng ca i lng vo X
V

2
V
X

v
X
V
1
2
V
X
V
X
2
2
1
1 - Lõi sắt từ 2 - Cuộn dây 3 - Phần ứng di động đƯợc


khe hở không khí


X
V
1
3
- Di tỏc ng ca i lng o X
V
lm phn ng 3 di chuyn, khe h khụng khớ
thay i lm thay i t tr ca lừi thộp do ú in cm v tng tr ca chuyn i cng

thay i. in cm cú th thay i do tit din khe h khụng khớ thay i hoc do tn hao
dũng in xoỏy di tỏc ng ca i lng o X
V

- Nu b qua in tr thun ca cun dõy v tr t ca lừi thộp ta cú:

à

sW
R
W
L
0
22
==
trong ú: W - s vũng ca cun dõy
R

=
s
0
à

- t tr ca khe h khụng khớ
99
δ - khe hở không khí
µ
0
- độ từ thẩm của không khí
s - tiết diện thực của khe hở không khí

- Với lượng thay đổi hữu hạn của ∆s và ∆δ ta có:
δ
δδ
µ
δ
µ
∆
∆+
−∆=∆
2
0
00
2
0
0
2
)(
sW
s
W
L
s
0
, δ
0
- giá trị ban đầu của s và δ (khi đại lượng vào X
V
= 0)
- Độ nhạy của chuyển đổi:
+) Khí s = const và khe hở không khí δ thay đổi:

2
0
0
0
1.






∆
+
−=
∆
∆
=
δ
δ
δ
δ
δ
L
L
S
+) Khí δ = const và tiết diện s thay đổi:
0
0
S
L

S
L
s
S
=
∆
∆
=
trong đó:
0
00
2
0
δ
µ
SW
L =
- giá trị điện cảm ban đầu của chuyển đổi
- Khi δ = δ
0
; S = S
0
thì Z tổng trở của chuyển đổi:
δ
µω
ω
SW
LZ
0
2

==
- Độ nhạy tương đối của tổng trở khi tính tổng trở Z khi δ thay đổi:
2
0
0
0
'
1
1
/
/






∆
+
−=
∆
∆
=
δ
δ
δδ
δ
ZZ
S
Z

0
- tổng trở ban đầu khi X
V
= 0
- Từ các biểu thức trên, nhận xét rằng tổng trở của chuyển đổi là một hàm tuyến tính
với tiết diện không khí S và phi tuyến (hypebol) với chiều dài khe hở không khí δ
- Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện của khe hở không khí thay đổi là hằng số và
không phụ thuộc vào lượng thay đổi ∆s.
2- Mạch đo:
Thường sử dụng mạch cầu không cân bằng với nguồn cung cấp xoay chiều có một
nhánh hoạt động (chuyển đổi đơn) hoặc 2 nhánh hoạt động (chuyển đổi mắc kiểu vi sai)
3 - Sai số và ứng dụng:
100
- Các chuyển đổi điện cảm làm việc với mạch cầu không cân bằng, nguồn cung cấp cho
mạch cầu cần phải ổn định. Nếu điện áp nguồn cung cấp thay đổi 1% thì có thể gây ra sai
số tới 1%.
- Tần số của nguồn cung cấp thay đổi 1% cũng gây ra sai số 0,2%. Với mạch cầu cân
bằng sai số có thể giảm tới 0,5 ÷ 1%. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi làm thay đổi độ từ
thẩm của mạch từ và điện trở thực của cuộn dây thay đổi cũng có thể gây sai số. Sai số
trên có thể khắc phục được khi sử dụng chuyển đổi mắc kiểu vi sai.
- Chuyển đổi điện cảm có thể đo được các đại lượng không điện khác nhau tùy theo cấu
trúc của từng loại chuyển đổi. Chúng có thể đo di chuyển từ vài chục µm đến hàng chục
cm, đo chiều dày lớp phủ, đo độ bóng chi tiết gia công Với đo lực, có thể đo được từ
1/10 N đến hàng trăm N. Dải đo áp suất từ 10
-3
÷ chục nghìn N, đo gia tốc từ 10
-2
.g đến
hàng trăm đơn vị gia tốc trọng trường
7.4.5 - Cảm biến quang điện

- Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất khi
có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của chúng. Bao gồm các loại sau:
1- Tế bào quang dẫn (quang điện trở):
* Nguyên lý làm việc: là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ bức
xạ đó.
- Tế bào quang dẫn là cảm biến quang điện có độ nhạy cao. Cơ sở vật lý của tế bào
quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do hiệu ứng quang điện trong. Đó là hiện tượng giải
phóng các hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng mật độ dẫn điện
của vật liệu
* Vật liệu: cảm quang thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc
đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp như:
+) Đa tinh thể: Sds, CdSe, Pbs,PbTe
+) Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp như: Au, Cu, Sb, SbIn
* Các tính chất của cảm biến quang dẫn:
- Khi chiếu sáng điện trở của cảm biến giảm rất nhanh
- Điện trở sáng của tế bào quang dẫn phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng được biểu
diễn bằng biểu thức: R
S
= a.φ
-
γ
trong đó: a - hệ số phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ và phổ bức xạ ánh sáng
γ - hệ số có giá trị từ 0,5 ÷ 1
- Độ nhạy: độ nhạy của phổ tế bào quang dẫn được định nghĩa theo biểu thức:
)(
)(
λφ
λ
∆
∆

=
I
S
Độ nhạy của phổ khoảng 0,1 ÷ 10A/W
101