Chương 2. Các nguyên lý chuyển đổi vμ khuếch đại
2.1. Những khái niệm cơ bản
Nhiệm vụ của việc đo lường các đại lượng vật lý là định lượng đại lượng đo với độ chính xác kỹ thuật theo yêu cầu.
Công cụ dùng để thực hiện nhiệm vụ đo lường được gọi chung là thiết bị đo.
Để thực hiện việc đo l−ờng thiết bị đo cần gồm các bộ phận cấu trúc đo sau:
• Bộ chuyển đổi dùng để tiếp nhận thông tin vào.
• Bộ chế biến và khuếch đại thông tin.
• Bộ chỉ thị để biểu đạt hoặc ghi nhận thông tin ra.
Để đạt độ chính xác cao trong khi đo, hệ thống chuyển đổi, chế biến và khuếch đại, chỉ thị thông tin cần đạt các yêu cầu sau:
• Chuyển đổi có độ nhạy giới hạn với độ ổn định cao.
• Hệ số khuếch đại lớn (độ nhạy cao), ổn định và chính xác.
• Thông tin chính xác, độ tin cậy cao, thông tin ra cần dễ ghi nhận và quan sát.
Nội dung của ch−ơng này sẽ trình bày các ứng dụng những hiện t−ợng vật lý có quan hệ với chuyển vị dài và góc vào kỹ thuật chuyển đổi và khuếch đại trong các máy đo chiều dài và góc. Qua các ví dụ ứng dụng học sinh sẽ làm quen với sơ
đồ nguyên lý một số máy đo thông dụng trong chế tạo máy.
2.1.2. Các loại chuyển đổi đo lường và mạch đo.
a. Bộ chuyển đổi
Chuyển đổi là một bộ phận cấu trúc đo dùng để phát hiện biến thiên của thông số đo.
Nếu ta đưa tín hiệu vào chuyển đổi là biến thiên kích thước X. Qua chuyển
đổi nhờ mối quan hệ vật lý của tín hiệu vào X và tín hiệu ra Y ta nhận đ−ợc một thông tin ra của chuyển đổi để đ−a vào bộ khuếch đại (Hình 2-1).
Nh− vậy chuyển đổi có thể kiêm 2 nhiệm vụ vừa tiếp nhận vừa chuyển đổi thông tin.
Nếu X và Y cùng loại đặc tính vật lý ta có chuyển đổi trực tiếp; nếu X và Y khác loại ta có chuyển đổi gián tiếp.
Trong kỹ thuật chuyển đổi, yếu tố quan trọng nhất là yếu tố nhậy. Yếu tố nhậy quyết định đặc tính và nguyên tắc hoạt động của chuyển đổi. Chính vì vậy người ta thường dùng yếu tố nhậy để đặt tên cho chuyển đổi.
Yếu tố nhậy là yếu tố vật lý cảm thụ sự biến thiên của kích th−ớc, tức là nó sẽ biến thiên khi kích thước biến thiên. Nó quyết định độ nhậy, độ nhậy giới hạn và đường đặc tính của chuyển đổi.
Dựa vào cơ sở vật lý của các chuyển đổi người ta phân ra các loại chuyển
đổi sau: chuyển đổi cơ, chuyển đổi điện, chuyển đổi quang hình quang lý, quang
điện, chuyển đổi khí nén, chuyển đổi thuỷ lực, chuyển đổi tiếp xúc, điện từ, điện cảm, điện dung.
Cảm biến (hay còn gọi là senxơ) là dụng cụ, phân tử thực hiện việc chuyển
đổi để phát hiện biến thiên của thông số đo. Tùy thuộc cảm biến dựa trên nguyên lý chuyển đổi nào mà có các tên gọi tương ứng như: cảm biến điện trở, cảm biến
điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến điện áp....
b. Bộ khuếch đại
Bộ phận thứ hai của cấu trúc đo là bộ khuếch đại và chế biến thông tin.
Thông tin Y từ chuyển đổi ra thường là rất nhỏ và có thế là loại tín hiệu phức tạp rất khó diễn đạt và ghi nhận ở bộ chỉ thị, vì vậy nên phần khuếch đại và chế biến thông tin có nhiệm vụ truyền và chế biến nó thành dạng tín hiệu dễ diễn
đạt và ghi nhận bằng các thiết bị chỉ thị, ghi nhận...
Chất l−ợng của bộ khuếch đại và chế biến thông tin đ−ợc đánh giá qua chỉ tiêu độ nhạy và độ méo của thông tin ra Y2.
ChuyÓn
đổi
KhuÕch
đại
X Y1 Y2
CT Hình 2-1. Sơ đồ cấu trúc đo
Nếu Y1 và Y2 cùng loại ta có bộ khuếch đại không chuyển đổi tín hiệu.
Nếu Y1 và Y2 khác loại ta có bộ khuếch đại có chuyển đổi tín hiệu.
y1
K f
∂
= ∂ Nếu ta có quan hệ y2 = f (y1) thì độ nhạy . Nếu f là quan hệ tuyến tính ta sẽ có K là hằng số.
Vấn đề méo tín hiệu ở đây không trình bày cụ thể vì rất phức tạp và phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của mạch khuếch đại.
Trong bộ khuếch đại ngoài bộ phận khuếch đại là chính, tùy theo yêu cầu còn có các mạch sau :
• Mạch tỉ lệ thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với một hệ số K.
• Mạch gia công và tính toán thực hiện các phép tính đại số nh− cộng, trõ, nh©n, chia, tÝch ph©n, vi ph©n...
• Mạch đạo hàm 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.
• Mạch biến đổi A/D, D/A biến đổi tín hiệu đo tương tự thành tín hiệu số và ng−ợc lại. Mạch này sử dụng cho kỹ thuật đo số và chế tạo các mạch ghép nối với máy tính.
• Mạch đo sử dụng kỹ thuật vi xử lý là mạch đo có cài đặt bộ vi xử lý
để tạo ra các cảm biến thông minh, khắc độ bằng máy tính và gia công sơ bộ số liệu đo...
Thiết bị đo ngày càng hiện đại thì khối khuếch đại ngày càng phức tạp.
Người ta thường dùng nhiều loại mạch đo để hoàn thành nhiều chức năng, tăng
độ nhạy và độ chính xác.
c. Bộ chỉ thị
Bộ chỉ thị có nhiệm vụ ghi lại kết quả đo đ−ợc. Có nhiều loại thiết bị ghi tùy theo loại cảm biến, tính chất đo tĩnh hay động, mức độ chính xác cần đạt đ−ợc.
Các thiết bị ghi th−ờng phân chia thành các loại :
• Thiết bị chỉ thị.
• Thiết bị chỉ thị tự ghi.
• Thiết bị chỉ thị số.
1. Thiết bị chỉ thị
Đây là thiết bị đo t−ơng tự nh− các cơ cấu chỉ thị : điện từ, tĩnh điện... Kết quả đo đ−ợc đọc trên các đồng hồ nhờ kim chỉ thị hoặc bằng ánh sáng để tăng cường độ nhạy.
2. Thiết bị chỉ thị tự ghi
Thiết bị chỉ thị tự ghi gồm có : thiết bị tự ghi có tần số thấp (d−ới 10Hz), thiết bị tự ghi có tần số cao (d−ới 100Hz), thiết bị tự ghi có tần số cao (trên 100Hz). Kết quả đo đ−ợc ghi lại nhờ bút vạch trên giấy chuyển động với tốc độ
đều hoặc dùng dao động ký điện tử quan sát trực tiếp trên màn hình hay kèm theo bộ chụp tín hiệu ghi lại các tín hiệu bằng giấy ảnh. Dao động ký điện tử hiện đại có nhiều tia điện tử, cho phép đo đ−ợc nhiều điểm đo cùng một lúc, có cài đặt bộ vi xử lý để có thể nhớ lại một đoạn tín hiệu và có thể điều khiển để đ−a tín hiệu này ra máy in hoặc ghi vào băng hay đĩa từ để lưu trữ.
3. Thiết bị chỉ thị số