11
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Chủ biên: TRẦN THỊ THU HUYỀN
-------***---------
GIÁO TRÌNH
ĐO LƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
( Lưu hành nội bộ)
HÀ NỘI 2012
12
LỜI NÓI ĐẦU
Trong chương trình đào tạo của các trường trung cấp nghề, cao đẳng nghề
Điện tử dân dụng thực hành nghề giữ một vị trí rất quan trọng: rèn luyện tay
nghề cho học sinh. Việc dạy thực hành đòi hỏi nhiều yếu tố: vật tư thiết bị đầy
đủ đồng thời cần một giáo trình nội bộ, mang tính khoa học và đáp ứng với yêu
cầu thực tế.
Nội dung của giáo trình “ĐO LƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ” đã được xây
dựng trên cơ sở kế thừa những nội dung giảng dạy của các trường, kết hợp với
những nội dung mới nhằm đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng đào tạo phục
vụ sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,.
Giáo trình được biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, bổ sung nhiều kiến thức mới
và biên soạn theo quan điểm mở, nghĩa là, đề cập những nội dung cơ bản, cốt
yếu để tùy theo tính chất của các ngành nghề đào tạo mà nhà trường tự điều
chỉnh cho thích hợp và không trái với quy định của chương trình khung đào tạo
cao đẳng nghề.
11
1.1.
Định nghĩa. .................................................................................... 11
1.2.
Ví dụ. ............................................................................................. 11
2. Đại lượng điện và đại lượng không điện.
11
2.1.
Đại lượng điện. .............................................................................. 11
2.2.
Đại lượng không điện..................................................................... 13
3. Phân loại phương pháp đo
13
3.1.
Phân loại theo thao tác đo .............................................................. 13
Phân loại theo biểu thức diễn đạt sai số .......................................... 18
5.3.
Cấp chính xác của đồng hồ đo điện. ............................................... 19
6. Các bộ phận chủ yếu của máy đo.
20
6.1.
Khái niệm. ..................................................................................... 20
6.2.
Mạch đo. ........................................................................................ 20
6.3.
Cơ cấu đo. ...................................................................................... 21
6.4.
Cơ cấu chỉ thị ................................................................................. 22
CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM ............................................................................. 25
Bài 2. MÁY ĐO ĐA DỤNG VOM, DMM....................................................... 30
1. Các thông số kỹ thuật của máy đo VOM
Mạch đo dòng DC. ......................................................................... 35
3.2.
Mạch đo áp DC. ............................................................................. 38
3.3.
Mạch đo điện trở. ........................................................................... 40
3.4.
Đo điện áp AC ............................................................................... 42
4. Máy đo đa dụng chỉ thị số DMM
42
4.1.
Các tham số kỹ thuật của DMM (Digital Multimeter) .................... 42
4.2.
Sơ đồ khối chức năng của DMM.................................................... 44
5. Sử dụng và bảo quản VOM, DMM
44
2. Sử dụng VOM để đo điện trở
53
2.1.
Phép thử liền mạch......................................................................... 53
2.2.
Đo thử và kiểm tra các phần tử mạch: R, L, C................................ 55
2.3.
Đo thử và kiểm tra các linh kiện bán dẫn ....................................... 59
3. Bảo quản VOM.
64
CÂU HỎI ÔN TẬP .......................................................................................... 64
Bài 4. ĐO DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP BẰNG VOM ..................................... 66
1. Đo dòng điện và điện áp một chiều
66
1.1.
Mạch đo dòng điện một chiều trong VOM ..................................... 66
1.1.
Sơ đồ khối của dao động ký ........................................................... 84
1.2.
Nguyên tắc vẽ dao động đồ của dao động ký ................................. 84
1.3.
Bố trí mặt máy và các núm chức năng cơ bản của dao động ký...... 85
2. Kiểm tra và cài đặt chế độ ban đầu cho dao động ký
89
2.1.
Kiểm tra tổng thể. .......................................................................... 89
2.2.
Sử dụng nguồn tín hiệu chuẩn VCAL trong máy. ............................. 91
2.3.
Sử dụng các chế độ của OSC 2 kênh .............................................. 92
3. Chuẩn độ cho dao động ký
Bố trí mặt máy và các núm điều khiển chức năng cơ bản. ............ 102
2. Kiểm tra và cài đặt chế độ ban đầu cho dao động ký.
3. Chuẩn độ cho dao động ký
107
109
3.1.
Kích hoạt kênh đo ........................................................................ 109
3.2.
Sử dụng chức năng Autoset.......................................................... 109
3.3.
Chạy và dừng chế độ Trigger. ...................................................... 110
3.4.
Thay đổi vị trí và thang độ ngang Time/DIV ............................... 111
17
3.5.
Thay đổi vị trí và thang độ dọc Volts/DIV ................................... 111
119
2.1.
Tính năng kỹ thuật ....................................................................... 119
2.2.
Sơ đồ chức năng........................................................................... 112
2.3.
Sử dụng máy phát hàm................................................................. 113
Máy phát sóng âm tần (Audio Generator) 115
3.1.
Tính năng kỹ thuật. ...................................................................... 115
3.2.
Sơ đồ chức năng........................................................................... 117
3.3.
Sử dụng máy phát sóng âm tần..................................................... 118
Máy phát tín hiệu điều chế
130
Chuẩn độ dao động ký. ................................................................ 140
2.2.
Đo điện áp một chiều. .................................................................. 141
2.3.
Đo biên độ điện áp tín hiệu. ......................................................... 143
3. Bảo quản thiết bị đo
145
CÂU HỎI ÔN TẬP ........................................................................................ 145
18
Bài 9 .............................................................................................................. 147
ĐO TẦN SỐ VÀ GÓC PHA TÍN HIỆU ........................................................ 147
1. Phương pháp đo tần số và góc pha của tín hiệu
147
1.1.
Khái niệm chung .......................................................................... 147
1.2.
3.2.
Điều chỉnh thiết bị........................................................................ 153
3.3.
Đọc kết quả. ................................................................................. 153
4. Bảo quản thiết bị đo
154
CÂU HỎI ÔN TẬP ........................................................................................ 154
ĐÁP ÁN CÁC CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ........................................................ 155
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 155
19
TÊN MÔ ĐUN: ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
Mã mô đun:
MĐ 11
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:
- Vị trí: Mô đun được bố trí sau khi học sinh học xong các môn học chung và
môn học điện kỹ thuật và MĐ10 ở học kỳ 1.
- Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề bắt buộc.
- Ý nghĩa và vai trò của mô đun: Trang bị cho học sinh các phương pháp và
05
01
0
Máy đo đa dụng VOM/DMM
6
05
01
0
Đo điện trở bằng VOM
3
01
02
0
Đo điện áp bằng VOM
3
Máy phát sóng tín hiệu chuẩn
10
02
07
01
Máy đếm tần số
4
02
02
0
Đo tần số của tín hiệu
5
02
02
01
Bài 1.
KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG
Mã bài: MĐ 11 01
Mục tiêu:
- Kiến thức: Nắm vững những khái niệm cơ bản của kỹ thuật đo lường: đại
lượng đo, đơn vị đo, phương pháp đo, cơ cấu đo và chỉ thị.
- Kỹ năng:
Mô tả được sơ đồ nguyên tắc và thiết kế được cấu hình của một hệ đo
lường.
Phân biệt được các đại lượng đo điện, đại lượng không điện.
Viết đúng đơn vị các đại lượng đo.
Biết tính sai số phép đo, cấp chính xác của đồng hồ đo điện.
Giải thích được nguyên tắc các cơ cấu đo và chỉ thị trong đo lường.
- Thái độ: Rèn luyện đức tính cẩn thận, chu đáo và khoa học.
Nội dung chính:
1. Định nghĩa đo lường.
Mục tiêu: Nắm được các khái niệm và trả lời được các câu hỏi sau:
- Đo lường là gì ?
- Định nghĩa đo lường ?
- Phương trình đo lường ?
21
Đo lường là quá trình lượng hóa đại lượng đo để có thể biết đại lượng đo
lớn hay bé, cao hay thấp, to hay nhỏ, dài hay ngắn, nặng hay nhẹ, nóng hay lạnh,
v.v… Phép đo thực chất là phép so sánh đại lượng đo với mẫu, hay chuẩn quy
ước (gọi là đơn vị đo), từ đó đánh giá định lượng bằng số kết quả đo.
1.1. Định nghĩa.
Đo lường là quá trình đánh giá định lượng đại lượng đo bằng cách so sánh
đại lượng đo với đơn vị.
U = 25V
Điện trở của dây dẫn là
:
R = 2,
Nhiệt độ sôi của nước là
:
T = 1000C
Chiều dài quãng đường là
:
l = 2500 m.
Vận tốc trung bình của xe ô tô là
:
v = 40 km/h.
v.v…
Trong các ví dụ trên thì: I, U, R, T, l, v, … là các đại lượng đo; A, V, , 0C,
m, km/h,… là các đơn vị đo, còn các con số đứng trước chính là giá trị bằng số
của đại lượng đo tương ứng.
Đo lường là quá trình so sánh đại lượng đo với đơn vị. Tùy thuộc vào thao
tác thực hiện phép đo mà người ta chia ra các phương pháp đo: trực tiếp, gián
tiếp, hợp bộ, thống kê.
Đo trực tiếp: Là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo
duy nhất.Ví dụ, đo dòng điện bằng ampe kế, đo điện áp bằng vôn kế, đo điện trở
bằng ôm kế, v.v…
Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết quả được suy ra từ sự phối hợp kết quả
của nhiều phép đo trực tiếp. Ví dụ đo điện trở bằng phương pháp V-A ta phải
thực hiện 2 phép đo trực tiếp: thứ nhất dùng ampe kế đo dòng I chạy qua điện
trở, thứ 2 dùng vôn kế đo sụt áp U ở 2 đầu điện trở. Giá trị điện trở cần đo được
tính theo định luật Ôm: R = U/I.
Đo hợp bộ: Là cách đo gần giống như phép đo gián tiếp nhưng số lượng
phép đo trực tiếp nhiều hơn và kết quả đo nhận được thường phải thông qua việc
23
giải một phương trình hay một hệ phương trình mà các thông số đã biết chính là
các số liệu đo được.
Đo thống kê: Là phép đo với số lần đo đủ lớn sau đó lấy giá trị trung bình.
Phép tính thống kê cho phép nâng cao độ tin cậy cũng như độ chính xác của
phép đo.
Đo lường học: Là ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp
để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo.
Kỹ thuật đo lường: Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng các thành
tựu của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống.
3.2. Phân loại theo phương pháp và kỹ thuật đo
Theo phương pháp và kỹ thuật thực hiện phép đo người ta chia ra: đo điện
và đo không điện.
Đo điện: Là phương pháp đo sử dụng tín hiệu điện (điện áp, dòng điện) để
biến đổi và xử lý kết quả và sử dụng các dụng cụ đo điện để chỉ thị.
Hình 1 1. Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện
Các bộ chuyển đổi đo lường đóng vai trò như các nhà “phiên dịch” chuyển
ngôn ngữ “không điện” lối vào thành ngôn ngữ “điện” lối ra. Chúng thường là
các bộ cảm biến (sensor), là các đầu dò thu nhận tín hiệu không điện cần đo lối
vào và biến đổi chúng thành tín hiệu điện lối ra.
Tùy thuộc vào tín hiệu lối vào là cơ, nhiệt, quang, hóa,… mà ta sẽ sử dụng
các bộ chuyển đổi tương ứng:
Chuyển đổi cơ – điện
Chuyển đổi nhiệt – điện
Chuyển đổi quang – điện
Chuyển đổi hóa – điện,
Chuyển đổi bức xạ và ion hóa
v.v…
4. Đơn vị, hệ đơn vị đo lường.
Mục tiêu: Nắm vững các khái niệm: đơn vị đo, đơn vị cơ bản, đơn vị vẫn xuất,
hệ đơn vị quốc tế SI. Bội và ước của đơn vị cơ bản.
Đo là đánh giá định lượng đại lượng đo bằng cách so sánh đại lượng đo
với mẫu hay đơn vị. Để biểu diễn các đại lượng đo dưới dạng một con số, phải
chọn “cỡ” cho nó, nghĩa là lượng hóa nó, ta phải chọn đơn vị đo. Về mặt nguyên
tắc, theo (1.1) ta có thể chọn đơn vị là một lượng tùy ý. Tuy nhiên giá trị của nó
phải phù hợp với thực tế và tiện lợi khi sử dụng.
Năm 1832, nhà toán học Đức K. Gauss đã chỉ ra rằng, nếu như chọn 3
đơn vị độc lập để đo chiều dài (L), khối lượng (M), thời gian (T) - thì trên cơ sở
3 đại lượng này nhờ các định luật vật lý, có thể thiết lập được đơn vị đo của tất
cả các đại lượng vật lý còn lại. Tập hợp các đơn vị đo theo nguyên tắc Gauss đã
đưa ra hợp thành hệ đơn vị đo lường.
Đơn vị đo các đại lượng vật lý cơ bản (khối lượng, thời gian, độ dài, ...)
được chọn một cách độc lập, chúng thể hiện những tính chất cơ bản của thế giới
vật chất được gọi là các đơn vị cơ bản. Các đơn vị cơ bản được định nghĩa theo
Ký hiệu
Tên đơn vị
Ký hiệu
1
Chiều dài
l
metre
m
2
Khối lượng
m
kilogram
kg
3
Thời gian
J
candela
cd
7
Lượng vật chất
n
mole
mol
8
Góc phẳng
radian
rad
9
Góc khối
CGSC, CGSM, CGSE, MKSC, MKGSC, CGSM, MKSA, CGSM, v.v.. Khi
chuyển đổi từ hệ đơn vị này sang hệ đơn vị khác phải tra cứu bảng chuyển đổi
hệ đơn vị tương ứng.
Bảng 1. 2. Ước và bội thập phân của các đơn vị cơ bản
Tên gọi
Ký hiệu
Ước số
deci
d
10-1
centi
c
mili
Tên gọi
Ký hiệu
Bội số
deca
M
106
nano
n
10-9
giga
G
109
pico
p
10-11
tera
T
1011
femto
Z
1021
27
yocto
y
10-24
yotta
Y
1024
5. Sai số, phân loại, cấp chính xác của dụng cụ đo điện.
Mục tiêu: Biết cách phân loại và nguyên gây ra sai số. Cấp chính xác của dụng
cụ đo điện. Tính được sai số phép đo trong thực nghiệm.
Bất kỳ phép đo nào cũng mắc phải sai số. Các nguyên nhân gây ra sai số thì
có nhiều, do các yếu tố khách quan và chủ quan khác nhau.
Các nguyên nhân khách quan chẳng hạn như: dụng cụ đo lường không
hoàn hảo, đại lượng đo bị can nhiễu nên không hoàn toàn ổn định...
Các nguyên nhân chủ quan như: phương pháp đo không hợp lý, bản thân người tiến hành thực nghiệm
không thành thạo, thiếu kinh nghiệm...
Để phân loại sai số có thể dựa vào các tiêu chí khác nhau:
5.2.1. Sai số tuyệt đối.
Sai số tuyệt đối được định nghĩa là độ chênh lệch giữa giá trị thực của đại
lượng đo và trị số đo được bằng phép đo:
a aT - am
Trong đó:
(1.3)
aT - giá trị thực của đại lượng đo
am - giá trị đo được bằng phép đo.
Tuy nhiên, do aT ta chưa biết, nên trong thực tế người ta thường lấy giá trị
gần đúng của aT bằng cách đo nhiều lần và xem giá trị trung bình số học của n
lần đo gần đúng với aT.
1 n
aT a ami
n i 1
(1.4)
Và giá trị của a cũng dùng giá trị trung bình số học:
1 n
1 n
a ai ai a
n i 1
n i 1
(1.5)
Trong đó: amax – là sai số tuyệt đối lớn nhất của dụng cụ đo ở thang đo
tương ứng; Amax – là giá trị lớn nhất của thang đo.
Dụng cụ đo điện được quy định có 8 cấp chính xác sau:
29
0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 và 5.
Cấp chính xác thường được ghi trên mặt của đồng hồ đo. Biết cấp chính
xác ta có thể tính được sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép của phép đo:
amax = % . Amax / 100
(1.9)
Ví dụ:
Một miliampekế có thang độ lớn nhất Amax = 100mA, cấp chính xác là 2,5.
Sai số tuyệt đối lớn nhất cho phép sẽ là:
amax = 2,5 x 100 / 100 = 2,5 mA
Vượt quá giá trị 2,5mA này đồng hồ sẽ không còn đạt cấp chính xác 2,5 nữa.
6. Các bộ phận chủ yếu của máy đo
Mục tiêu: Mô tả được sơ đồ cấu trúc của một máy đo. Nguyên tắc làm việc của
các cơ cấu đo và chỉ thị đo lường.
6.1. Khái niệm
Đo lường là quá trình so sánh đại lượng đo với đơn vị. Phép đo phải thực
hiện 3 thao tác chính:
- Biến đổi tín hiệu và tin tức
- So sánh đại lượng đo với đơn vị (hay với mẫu)
- Chỉ báo kết quả
Thiết bị cho phép thực hiện quá trình so sánh đại lượng đo với đơn vị (hay
với mẫu) gọi là dụng cụ đo hay máy đo. Theo phương pháp thực hiện phép đo
Cơ cấu điện động,
Cơ cấu cảm ứng,
Cơ cấu nhiệt điện,
Cơ cấu tĩnh điện.
Nguyên lý làm việc của các cơ cấu đo cơ điện dựa trên tác động của từ
trường lên phần động của cơ cấu chỉ thị khi có dòng điện chạy qua và tạo ra mô
men quay M. Độ lớn của mô men quay tỷ lệ với độ lớn của dòng điện đưa vào
cơ cấu đo và được xác định theo hệ thức:
M
dW
d
Trong đó: W - năng lượng điện từ đưa vào cơ cấu đo
(1.10)
31
- góc quay phần động.
Dưới tác động của mô men quay M trục quay phần động sẽ quay đi một
góc . Lúc này lò xo cản trên trục quay sẽ bị xoắn lại tạo ra mô men cản Mc.
Mc = K
(1.11)
K hệ số phụ thuộc bản chất và kích thước lò xo. Tại thời điểm cân bằng
mômen quay và mô men cản M = Mc ta có:
lượng. Bộ chỉ thị số ở dạng hộp số với các vòng số gắn với bộ truyền động bánh
răng đếm tốc độ quay.
32
Ví dụ cơ cấu đếm của công tơ điện được thiết kế theo dạng truyền động
kiểu hộp số (hình 1.5). Bộ truyền động được tính toán sao cho chỉ số của trống
quay chỉ thị trực tiếp ra số ki lô oát-giờ.
Hình 1. 5. Cơ cấu đếm của công tơ cơ điện
1, 6 – Các bánh răng truyền động; 2 – Các vòng số của bộ đếm;
3 – Trục quay; 4 – lẫy liên kết; 5 – Các bánh răng gài giữ hộp số.
b) Bộ chỉ thị số là một hệ thống các khe chiếu sáng trên panel.
Thường dùng khi cần chỉ thị lớn ở nơi công cộng như các bộ chỉ báo giờ và
nhiệt độ, chỉ thị quang báo trên các bảng panel lớn, v.v… Mỗi chữ số được cấu
tạo từ tổ hợp các khe. Thông thường hệ thống này gồm 7 hoặc 9 khe. Khi các bộ
chỉ thị cần kích thước lớn thì các khe này được chiếu sáng nhờ các đèn đốt tim
hoặc đèn neon.
c) Chỉ thị dùng Led 7 đoạn.
33
e)
Hình 1. 6. Cấu trúc Led 7 đoạn và nguyên tắc hiển thị số
Với các bộ chỉ thị vừa và nhỏ thường dùng các diode phát quang (LED Light Emitting Diode). Các LED sẽ phát sáng khi được phân cực thuận.
Trên hình 1.6 là hình dạng của đèn Led 7 đoạn thông dụng và cách bố trí
các đoạn hiện số. Mỗi đèn đơn còn bố trí thêm đèn chỉ dấu chấm thập phân DP,
ứng với chân số 5 trên hình 1.6,c,d. Có hai dạng bố trí các Led: cathode chung
d
DP
Điện cực
SnO2
Trong suốt
Hình 1. 7. Cấu trúc của LCD 7 đoạn
Khi có hiệu điện thế tác động, điện trường giữa đoạn và mặt phông làm
thay đổi tính chất quang học của tinh thể (phá vỡ sự sắp xếp trật tự của các phân
tử trong tinh thể) làm cho chất lỏng giữa đoạn và mặt phông không còn trong
suốt nữa. Lúc này ánh sáng không phản xạ được từ mặt phông ở vùng tương ứng
34
với đoạn, kết quả ô được kích hoạt trong bộ hiện số sẽ nổi (đen) lên trên nền
phông của chúng.
Vì các ô tinh thể lỏng chỉ là vật phản xạ hoặc truyền xạ chứ không phải
vật phát ánh sáng nên chúng tiêu tốn rất ít năng lượng. Dòng toàn phần cho 4 bộ
hiện số 7 đoạn nhỏ chỉ vào khoảng 300A, nhờ vậy mà bộ chỉ thị số dùng đèn
tinh thể lỏng rất hữu ích trong các thiết bị đo lường kích thước nhỏ.
Hình 1. 8. Modul chỉ thị 7 đoạn 3 ½ digit
Các led 7 đoạn thường được chế tạo thành các bộ chỉ thị chuyên dụng dùng
cho đồng hồ số, máy tính bỏ túi, các máy đo chỉ thị số,… Hình dạng và kích
thước của của một loại chỉ thị 7 đoạn với 3 ½ digit chỉ ra trên hình 1.8.
CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM
1) Chọn phát biểu đúng và đầy đủ nhất trong các lựa chọn sau:
Đo lường là quá trình:
đo mà các dụng cụ đo điện được chia ra:
a. Các dụng cụ đo tương tự (analog)
b. Các dụng cụ đo chỉ thị số (digital).
c. Các dụng cụ đo theo phương pháp tổ hợp.
d. Cả 3 lọai trên.
6) Sai số hệ thống do những yếu tố thường xuyên hay các yếu tố có quy
luật tác động. Tùy theo nguyên nhân mà sai số hệ thống có thể phân ra các
nhóm:
a. Do dụng cụ, máy đo chế tạo không hoàn hảo.
b. Do phương pháp đo, hoặc do cách dùng phương pháp đo không hợp lý.
c. Do yếu tố khí hậu, nhiệt độ, độ ẩm của môi trường khác với điều
kiện tiêu chuẩn...
d. Do cả 3 yếu tố a, b, c.
7) Chọn phát biểu đúng:
a. Sai số ngẫu nhiên là sai số do các yếu tố bất thường không có quy
luật gây ra.
b. Sai số ngẫu nhiên do dụng cụ, máy đo chế tạo không hoàn hảo
c. Sai số ngẫu nhiên do phương pháp đo, hoặc cách dùng phương
pháp đo không hợp lý.
d. Sai số ngẫu nhiên do điều kiện đo khác với điều kiện tiêu chuẩn.
8) Chọn phát biểu đúng: