Phần A: Cơ sở kĩ thuật của các hệ thống đo lờng.
1- Hệ thống đo lờng và vai trò của nó trong nghiên cứu và sản xuất công nghiệp.
1.1 Hệ thống đo lờng.
a. Mục đích của đo lờng: Xác định giá trị bằng số của đại lợng vật lý.
X
N

=
& N: cùng tính chất vật lý.
N: là chuẩn mẫu.
Điều kiện phép đo: - Đối tợng đo đơn trị.
- Đơn vị đo N có độ lớn phù hợp giá trị đo
Nhận xét: - N chọn phù hợp điều kiện thực tế và thuận tiện cho sử dụng.
- Vật chuẩn N thỏa mãn :
- Tính chính xác bền lâu, ổn định ( bất biến ) theo
thời gian và điều kiện môi trờng.
- Tính thống nhất
- Tính tái tạo đợc.

x
Giá trị đo
Đại l ợng đo X : là đại lợng vật lý đợc xác định trong quá trình đo.
Vd: chiều dài l, điện trở R
Đại l ợng Vật lý: Một hiện tợng vật lý, một vật thể mang theo nó một số thuộc tính vật
chất, đối tợng quan sát và nghiên cứu của vật lý học.
Vd: + Hình tròn: - có chu vi có thuộc tính dài
- có bề mặt có thuộc tính rộng
+ Dòng điện: cờng độ có thuộc tính mạnh yếu
- Trong công nghiệp (cơ khí) : - kích thớc hình học, hình dạng, chất lợng bề mặt,
tốc độ chuyển động, lực, nhiệt độ, độ cứng vật liệu .
Tùy theo độ chính xác cần thiết của phép đo cũng nh các thông số tác động của đại l-

kế tấm chắn p= f(Q)
2 Khuếch đại và biến đổi tín hiệu đo : biến đổi và khuếch đại tín hiệu giúp cho
yếu tố nhạy cảm (cảm biến) làm việc chính xác và quá trình xử lý đếm thuận tiện.
+Biến đổi : - Các chuyển đổi thứ cấp vd: ánh sáng dòng điện hoặc điện áp.
- Cần biến biến thiên điện tử thành biến thiên điện áp
- Bộ dao động R, C, L f
Ngày nay : - Các chuyển đổi chuẩn hóa fát dòng và áp tích hợp máy tính để đo lờng
điều khiển.
+Khuếch đại: khuếch đại áp và dòng:
+Phối hợp trở kháng xử lý đếm: So sánh độ lớn đại lợng đo với đại lợng chuẩn
mẫu. Vd- bảng khắc độ và giá trị số trong dụng cụ đo số.
- Ngoài 4 phép tính số học cộng trử nhân chia còn log, ,
Ví dụ: Q=
N
đo lu lợng
- Biến đổi ADC và
- Khi đo gián tiếp: phải xử lý đo đồng thời nhiều
đại lợng
- Các chức năng khác: đánh dấu thời gian, phân tích tìm hiểu theo tần số và
thời gian nh giá trị trung bình, giải tần phổ xử lý logic số tơng tự.
2
Đối t-
ợng đo
Dcụ đo
Hthống đo
Quan sát
Ghi nhận
Cảm biến
Lu trứ hiển
thị

1.2 Vai trò của đo lờng trong công nghiệp 70% chi phí đo.
- Nghiên cứu
- Điều khiển công nghệ đóng vai trò là một thành phần quyết định độ
chính xác điều khiển MP và MC ứng dụng trong kỹ thuật đo.
1- MP: là một bộ vi xử lý (micro-processor) trên mạch LSI và VLSI nó thực hiện
choc năng của bộ tính toán nhỏ và là bộ não của máy vi tính CPU.
Lịch sử phát triển MP: 71: 4 bit thời gian thực hiện một lệnh 5-10ms
3
MUX DEMUX
Ptử biến
dạng
Tenzo R
Cầu điện
trở
Khuếch
đại
Hiển thị
số
Truyền
Đếm và
xử lý
ADC
73 : 8
74 : 16
79: 32 bit
hiện nay : 64 và 128 bit
2- Cấu trúc của MP:
+ALU: đơn vị số học : thực hiện các phép tính số học và lô gíc cơ bản +,-, các
phép logic, phép bù, dịch trái, dịch phải .
+Các thanh ghi: gồm có các thanh ghi lệnh, số liên, đệm, đa năng, đếm chơng

+ Chứa khoảng đo và tự động chọn khoảng đo
+ Xử lý bù 0, bù tuyến tính và nội suy tuyến tính
+ Xử lý bù sai số: bù sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên, ding xác suet thống kê để Xử
lý sai số
+ Xử lý đo gián tiếp
+ Xử lý đo hợp bộ
+ Xử lý báo hiệu báo động
+ Xử lý chống nhiễu ( trong đo từ xa)
+ Xử lý tín hiệu: Xử lý các tín hiệu đa vào bằng các algorith ví dụ: - FFT , lọc số Đệ
quy và không đệ quy
+ Thay đổi cấu trúc thiết bị bằng phần mềm để mở rộng choc năng của thiết bị
+ Đối thoại giữa ngời và thiết bị đo
+ Vẽ đồ thị và trình bày kết quả đo
Cấu trúc dụng cụ đo có cài đặt MP
5
>
Chuyển
đổi chuẩn
hóa

A/D MP
Hiển thị
Điều
khiển
Vào ra
I/O
-ứng dụng MC
Có thêm các chức năng :
1- Tự động thu thập số liệu của các đối tợng đo khác nhau
+Hoạt động theo chế độ địa chỉ : đo bằng tây hoặc lập trình điều khiển

ax in


=



(2-1)
7
Cđch2
cachn
A/D
mo
nit
or
RAM
ROM
EPROM
MP
interface
Keyboard
mouse
Rle
DAC
Vo //
Vo nt
Ra //
Ra nt
Triger
smith


( 2-5)
Thực tế : O(I) và N(I) là đa thức:
O(I) = a
o
+a
1
I+a
2
I
2
+ +a
q
I
q
+ +a
m
I
m
=
0
q m
q
q
q
a I
=
=

( 2-6)

- Nếu lấy đặc tuyến lý tởng E
lt
=52,17T
-Độ phi tuyến:
N(T)=E(T)-E
lt
=-13,43T+3,319.10
-2
T
2
+2,071.10
-4
T
3
-2,195.10
-6
T
4
+bậc cao (2.7c)
b- Biểu diễn không đa thức : điện tử R(T)
R(T)=0,04exp
3300
273T +

5- Độ nhậy: tốc độ biến đổi tơng ứng I
dO dN
k
dI dI
= +
Với phần tử lý tởng :

C , 1000 mbar, 50%, 10V
2 dạng ảnh hởng của môi trờng :
8
a- loại I: I
M
(I
M
=0 ở điều kiện chuẩn) sai loch với điều kiện chuẩn đờng
đặc tuyến O=(K+K
M
I
M
)I+a
b- loại II: I
i
đặc tuyến O=a+KiIi+KI
Tổng cộng: O=KI+a+N(I)+K
M
I
M
+KiIi
Ví dụ: a)
b) Nhiệt độ cặp nhiệt có nhiệt độ môi trờng T (+)
7- Độ trễ: O tùy thuộc vào I tăng hay I giảm
H(I)=O(I) tăng O(I) giảm
( 2-10 )
Phơng trình biểu diễn bằng :
Cực đại trễ =

100%

Imax
I
h
h
O
IDEAL
2h
Hình 2.7
Các nhà sản xuất coi bất kỳ tín hiệu vào I bào thì tín hiệu ra Trạng thái hệ thống
hoặc chính xác đợc thay bằng trạng thái thống kê: hàm mật độ xác suất p(0).
a) Hàm mật độ xác suất chữ nhật: (diện tích = 1 đơn vị)
9
1
0
2
(0) 0
0 0
lt lt
lt
lt
O h O h
h
p O O h
O h

= +


= = +


M
I+K
I
I
I
Ví dụ về dạng sơ đồ khối biểu diễn đặc trng tĩnh của một phần tử:
10
K
M
X
K
N()
K
G(S)
I
i

11
Đặc tính các phần tử
a) Đo sức căng
Điện trở 100S
2
không chịu lực
Độ phi tuyến và hiệu ứng động bỏ qua
Điện trở do chịu ảnh hởng của nhiệt độ nh lực căng.
T
o
môi trờng gồm cả ảnh hởng: nhân và cộng
=> độ nhạy cảm và giá trị điện trở khi cha chịu tác dụng:
O = 2.10

T



+
+
+
+
T
1
T
1
o
c
T
o
đo
T
2
o
c nhiệt độ chuẩn
-38,74
Eàv
+
+
+
+
1
1 10S
+

Điện trở ban đầu
Điện trở ban đầu bị thay
đổi
do T
o
thay đổi (tăng điện
trở R
o
lên R
o
)
c) Gia tốc kế:
Bài tập: Cho cảm biến dịch chuyển
Cho V
I
= 50V
l = 25mm
l
o
= 5 mm
x- input V
o
output
a) tìm đặc tuyến V
o
(x)
0
0
5
. .50 2 10

( )
5 55 11
50 5 11 . 11 . 1
25 25 5
11
12
5
5
.50 50 2
25
x
Vo x V x V
Hay Vo x V
x
Vo hoac
+

= + = + = + +



= ++

= 13

I
của
môi trờng nếu K
M
và K
I
0. Nh nhiệt độ môi trờng ảnh hởng đến điện tử, điện áo
nguồn -> bộ khuếch đại hoặc cần hàm mật độ xác suất của 0.
Nếu nắm đợc hàm mật độ xác suất I, I
M
, I
I
có thể tìm đợc hàm mật độ xác suất của
0. Thờng thì hàm mật độ xác suất I, I
M
, I
I
là phân bố Gauss
x
: giá trị (2.14)
của kì vọng phân bố và : Sai lệch chuẩn (đặc trng phân bố)
X
P(X)
0.399
s
X=0
-2s-3s -s s 2s 3s
Hình 2.11
14
( )

= Từ (2.9) biểu diễn quan hệ của 0 với I, I
M
, I
I

Với 0 là sai lệch nhỏ của 0 so với
0
do sai lệch của I, I
M
, I
I
đối với
I
,
M
I
,
I
I
.
Đây là tổ hợp tuyến tính: 0
với I, I
M
, I

M I
M I
I I I
I I I




= + +

2 2
2
2 2 2
0 0 0
0 . . .
M I
M I
I I I
I I I



= + +



2.3.2 Biến đổi thống kê của 1 tập các phần tử giống nhau dung sai .
Một loạt phần tử giống nhau: ví dụ: 100 nhiệt điện tử đợc sản xuất. Khi đo R
0
ở 0
0
C
không đạt đợc giá trị bán của nhà sản xuất 100,0 mà là 99,8 ; 100,1; 99,9; 100,0 do
biến thiên ngẫu nhiên của nhà sản xuất-> hàm mật độ xác suất Gauss:
0
0
2
0 0
2
1
( ) *exp
2.
. 2.
o
R
R
R R
p R





độ xác suất của nhiệt kế đợc ngời mua có dạng :
P(Ro)
RoO
99.85
99.85
Ro=100
gia tri chap nhan
gia tri loai bo
s
Ro
=
0.1O
Hình 2.12
Ngời sử dụng có hai lựa chọn:
a. Họ thiết kế hệ đo có giá trị R
0
sản xuất R
0
=100,0 và chấp nhận hệ
riêng có R
0
100,1 có sai số đo nhỏ (điều này là thực tế).
b. Họ thực hiện kiểm đo R
0
về độ chính xác đối với đối với mỗi phẩn tử đợc
đo của loạt -> bỏ sai số do độ không chắc chắn của R
0
song mất thời gian
và đắt. (tuy nhiên khi đo vẫn có một độ không chắc chắn của R
0




=
(2.20)
+giá trị trung bình tín hiệu ra của tập:
( )
pq pq i i
O K I N I a K I I K I

= + + + +
(2.21)
+ Sai lệch chuẩn của tín hiệu ra của tệp:

2
2
2 2 2
2 2 2 2 2
0
. . . . . ....
M i

= + +
- Giá trị trung bình:
3 7
0
0
100,0 ; 3,909*10 ; 5,297*10 ;
(100 130)
R
C



= = =

- Sai lệch chuẩn:
0
2
4,33*10
R


=
cấp I
0,0


=

0
1

R R T T



= + +
- Sai lệch chuẩn toàn bộ :
0
2 2
0
.
T
T
R R
R
R
=



Đặc điểm : tổng độ phi tuyến và phân bố giá trị R
0
(R ở 0
0
C) là nhỏ của loạt.
Ví dụ 2. Mẫu điện tử biến đổi dòng.
- phơng trình đặc trng: 4ữ 20 mH O 138,5 ữ149,8 (100-130
0

T



= = = = =
- Đạo hàm riêng:
3
1,413; 4,11*10 ; 1,00;
I a
i i i
R T a


= = =

- Giá trị trung bình toàn bộ:
0 0T pa T i
i K R K R T K T a

= + + +
- Đặc điểm: Biến thiên T

2.4. Xác định các đặc tính tĩnh
2.4.1. Các mẫu chuẩn : Các đặc tính tĩnh của 1 phần tử có thể tính bằng thực nghiệm
khi đo tơng ứng I, O, và I
M
, I
i
, khi I biến đổi chậm hoặc không đổi. Thực nghiệm này gọi
là chuẩn hoá và I, O, và I
M
, I
i
cần đo đủ chính xác. Các dụng cụ và kỹ thuật đê định lợng
các biên đổi này gọi là mẫu chuẫn (standards).
Kiểm chuẩn một phần tử.
dụng cụ
chuẩn
dụng cụ
chuẩn
dụng cụ
chuẩn
M
i
O
dụng cụ
chuẩn
I
I

Khắc độ nội suy.
Việc phân cấp chuẩn và phát triển thành bao nhiêu loại tuỳ thuộc vào lĩnh vực đo và
đợc pháp quy.
2.4.2. Hệ đơn vị SI và đơn vị đo lờng hợp pháp Việt Nam. (Chuyển thành 2.4.3)
- Nhiệt độ: Kenvin [
0
K]
- Cờng độ sáng Candela [Cd]
- Số lợng vật chất mol [mol].
Sai số thực hiện vật lý các đơn vị SI.
Cd: 1x10
-4
K : 3x10
-7
Mol :8x10
-8
A :4x10
-8
Kg : 1x10
-4
m : 1x10
-12
s : 1x10
-15
* Các định nghĩa đơn vị đo cơ bản.
1- Đơn vị chiều dài [m] : 1m=1650763 . Sai số 2.10
-8
.
Trong đó là bức xạ Kr
86

C) dới áp suất 101325N/m
2
.
7 - Đơn vị vật chất. Mol: là lợng vật chất của một hệ chứa số thực thể nguyên tố đúng
bắng số nguyên trong 0.012 kg nguyên tử cacbon (tức số nguyên tử, phân tử )
- Đặc điểm nổi bật của t
0
là tính không cộng, ngày nay có xu hớng -> năng lợng J.
- Độ dài -> ->f (tần số) ->thời gian có độ chính xác cao hơn.
- Vấn đề thời gian cha có hiểu biết rõ ràng.
- Vấn đề khó nhất làm chuẩn là chuất chuẩn: ví dụ : nớc không tuyến tính, nớc nh thế
nào là tinh khiết ->
0
C.
*. Các đơn vị đợc dẫn xuất và đơn vị bội.
Các đơn vị bội. (để phù hợp với điều kiện: độ lớn đơn vị đo phảI phù hợp giá trị đại l-
ợng đo.)
20
Số
mũ
Tên gọi kí
hiệu
Số
mũ
Tên gọi kí
hiệu
10
24
Zetta Z 10
-

-
12
Pico p
10
6
Mega M 10
-
15
Phento f
10
3
Kilo K 10
-
18
Atto a
10
2
Hecto H 10
-
21
Zepto z
10
1
deca D 10
-
24
yicto y
Lu ý: Không đợc dùng kép : ví dụ mili-pico = 10
-15
là sai.

Xác định đặc tuyến tính:
- Việc đo lờng thực nghiệm để xây dựng đặc tuyến chia làm 3 phần:
a. O đối với I khi I
M
= I
i
=0.
- lý tởng là test này thực hiện dới điều kiện chuẩn
- Cho I tăng chậm với các khoảng ghi (I,O) với I = 10% (I
max
- I
min
)
- I thực hiện tăng và giảm.
- Thờng dùng đa thức O(I) =
0
.
m
q
q
a I

với chỉ tiêu nội suy bình phơng cực tiểu. Nếu sai
lêch di= O(I
i
) O
i
thì các hệ số a
q
xác định khi


=

- Khi đó đờng cong này khác nhau.
- Nếu sự phân tán các điểm mỗi đờng cong lớn hơn sự sai lệch:

( ) ( ) ( )
max
I I
H I O I O I

=
thì bỏ qua trễ
- Khi đặc tuyến là tuyến tính, ta xác định đợc K và a từ đờng đặc tính lý tởng qua (I
min
,
O
min
) và (I
max
, O
max
).
Độ phi tuyến:
( ) ( ) ( )N I O I KI a= +
(2.24)
0 I
O
O
I0

Nếu O = 0 thì I đó không phảI là nhiễu cộng. Lập lại quy trình này với các điều
kiện khác.
Thành phần nhân xác định khi

min ax
1
( )
2
m
I I I= +
( 1-24)
min max
1 2
* *
M
O O
K
I I I I I

= =
+
(1-25)
Nếu kể đến ảnh hởng của thành phần + thì

( )
min max
2
M i
i M
O


(1-27)
Sai lệch chuẩn
2
_
0
1
1
N
k
K
O O
N

==
(1-28)
Biểu đồ giá trị Oi vẽ để đoán định hàm mật độ xác suất P(0)& so sánh với phân bố
chuẩn Gauss
Vd:Test độ ổn định áp kế : N=50 , O=0.975ữ1.030 v với kỳ vọng 1.000v
Phân nhóm 0.005v
Tìm đợc

0
1 2 3
....... ....
i i n n
O I O I O I OI I O I
i n
gia trithuc
K K K K O
=
== =

giá trị đo 1 2 3 I n
Giả thiết a=0 thì O
i
=K
i
I
i
(3.2)
O=O
n
= K
1
K
2
.K
n
I (3.3)
Khi đó E=O-I hay E=(K
1

K
2
K
3
=40*10
-6
*10
3
*25=1 chỉ thị là chính xác hoàn hảo
Tuy nhiên hệ thống không chính xác vì không một phần tử nào trong đó là lý tởng
vì:
- Cặp nhiệt độ phi tuyến hệ số khác 40v/
0
c &điện áp đầu chuẩn thay đổi
ảnh hởng đến hệ số sđđ
- Điện áp ra bộ khuyếch đại thay đổi theo nhiệt độ
- Độ nhạy K
3
phụ thuộc độ cứng lò xo cuộn cảm mà nó chịu ảnh hởng của
nhiệt độ môI trờng & độ dão nên K
3
25
0
C/V
Suy ra ĐK K
1
K
2
K
3

1
1 11 1 1 1 1 1
1 1
2 2
2 2 2 2 2 2
2 2
............................
...........
i
i
a
M M
i i
a
M M
i i
a
M M
i i i i i i ii ii
i i
I
I
K I
K IO K I N I I
I
K I
K IO K I N I I
I
K I
O K I N I I K I

n
a
M M
n n n n n n in in
n n
K I
O K I N I I K I
O



= + + + +
=
(3.6)
- sai số trung bình của hệ :
O
E I


=
- Sai lệch chuẩn tín hiệu ra của mỗi phần tử
Sai số chuẩn tín hiệu vào =0

1
2 1 1 1 1
1
2


3 2 2 1 2
2 2
1
2 2
2 2
2 2 2 2 2 2
2 2 2 2
1
2 2
2 2
2
2 2 2 2
...
.........................................
i i i i
i i
I O I M i K
M i
i i i
I O I M
i M i
O O O O
I I I K
O O O
I I I


+


i
ii K
i
n n n n
O I M i K
n M i n
O
K
O O O O
I I I K




+ +






= = + + + +






(3.8)
Sai lệch chuẩn tín hiệu ra=Sai lệch chuẩn của hệ:

Ví dụ: Tính toán
&
E
E


với hệ đo nhiệt độ
25