Giáo trình Nhập môn cơ điện tử (Nghề: Cơ điện tử - Cao đẳng): Phần 2 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Chia sẻ: Hoatudang09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

35
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Nhập môn cơ điện tử cung cấp một số kiến thức như: Khái niệm cơ bản về cơ điện tử; Khái niệm điều khiển và điều chỉnh; Cơ cấu chấp hàn; Kỹ thuật đo lường, cảm biến; Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử; Các ví dụ điển hình hệ thống cơ điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 2 dưới đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Nhập môn cơ điện tử (Nghề: Cơ điện tử - Cao đẳng): Phần 2 - Trường CĐ nghề Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội

Chương 4: kỹ thuật đo lường, cảm biến Mục tiêu: - Nhận biết rõ khái niệm chức năng, nhiệm vụ cơ cấu đo lường - Nhận biết các loại cảm biến trong cơ điện tử. - Chủ động và sáng tạo trong học tập. 4.1. Kỹ thuật đo lường 4.1.1. Đaị lượng đo và đơn vị đo Đại lượng đo - Định nghĩa: Đại lượng đo là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo. Mỗi quá trình vật lý có thể có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể chỉ quan tâm đến một thông số là một đại lượng vật lý nhất định. Ví dụ: nếu đại lượng vật lý cần đo là dòng điện thì đại lượng cần đo có thể là giá trị biên độ, giá trị hiệu dụng, tần số … - Phân loại đại lượng đo: có thể phân loại theo bản chất của đại lượng đo, theo tính chất thay đổi của đại lượng đo, theo cách biến đổi đại lượng đo. Đơn vị đo - Định nghĩa: Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế qui định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ. Ví dụ: nếu đại lượng đo là độ dài thì đơn vị đo có thể là m (mét), inch, dặm…; đại lượng đo là khối lượng thì có các đơn vị đo là kg(kilôgam), aoxơ(ounce), pound… Trên thế giới người ta đã chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn được gọi là các chuẩn. Hệ thống đơn vị chuẩn quốc tế là hệ SI, thành lập năm 1960, các đơn vị được xác định: đơn vị chiều dài là mét(m); đơn vị khối lượng là kilôgam(kg); đơn vị thời gian là giây(s); đơn vị cường độ dòng điện là ampe(A); đơn vị nhiệt độ là kelvin(K); đơn vị cường độ ánh sáng là nến candela(Cd); đơn vị số lượng vật chất là môn(mol). 34
4.1.2. Phần tử nhận và chuyển đổi đại lượng đo Có hai khái niệm: - Chuyển đổi chuẩn hoá: Có nhiệm vụ biến đổi một tín hiệu điện phi tiêu chuẩn thành tín hiệu điện tiêu chuẩn (thông thường U = 0 ÷ 10V; I = 4 ÷ 20mA). Với loại chuyển đổi này chủ yếu là các bộ phân áp, phân dòng, biến điện áp, biến dòng điện, các mạch khuếch đại... đã được nghiên cứu kỹ ở các giáo trình khác nên ta không xét. - Chuyển đổi sơ cấp (S: Sensor): Có nhiệm vụ biến một tín hiệu không điện sang tín hiệu điện, ghi nhận thông tin giá trị cần đo. Có rất nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau như: chuyển đổi điện trở, điện cảm, điện dung, nhiệt điện, quang điện... 4.1.3. Đặc trưng đại lượng đo Phân loại đại lượng đo theo bản chất của đối tượng đo: Đại lượng đo điện: đại lượng đo có tính chất điện, tức là có đặc trưng mang bản chất điện, ví dụ: điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng. Đại lượng đo không điện: đại lượng đo không có tính chất điện, ví dụ: nhiệt độ, độ dài, khối lượng … Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mang năng lượng, ví dụ: sức điện động, điện áp, dòng điện, từ thông, cường độ từ trường … Đại lượng đo thông số: là thông số của mạch điện, ví dụ: điện trở, điện cảm, điện dung … Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kì, tần số … Phân loại theo tính chất thay đổi của đại lượng đo: Đại lượng đo tiền định: đại lượng đo đã biết trước qui luật thay đổi theo thời gian. Ví dụ: dòng điện dân dụng i là đại lượng tiền định do đã biết trước qui luật thay đổi theo thời gian của nó là một hàm hình sin theo thời gian, có tần số ω=2πf=314 rad/s, biên độ I, góc pha ban đầu φ. Đại lượng đo ngẫu nhiên: đại lượng đo có sự thay đổi theo thời gian không theo qui luật. Trong thực tế đa số các đại lượng đo là đại lượng ngẫu nhiên, tuy nhiên tùy yêu cầu về kết quả đo và tùy tần số thay đổi của đại lượng đo có thể xem 35
gần đúng đại lượng đo ngẫu nhiên là tiền định hoặc phải sử dụng phương pháp đo lường thống kê. Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo: Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự-analog): đại lượng đo được biến đổi thành một đại lượng đo khác tương tự với nó. Tương ứng sẽ có dụng cụ đo tương tự, ví dụ: ampe mét có kim chỉ thị, vônmét có kim chỉ thị … Đại lượng đo số (digital): đại lượng đo được biến đổi từ đại lượng đo tương tự thành đại lượng đo số. Tương ứng sẽ có dụng cụ đo số, ví dụ: ampe mét chỉ thị số, vônmét chỉ thị số… Hầu hết các đại lượng đo sẽ được qua các công đoạn xử lý (bằng các phương tiện xử lý: sensor) để chuyển thành đại lượng đo điện tương ứng. 4.1.4. Phương pháp đo tuyệt đối Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi. Đại lượng cần đo X qua các khâu biến đổi để biến đổi thành con số NX, đồng thời đơn vị của đại lượng đo XO cũng được biến đổi thành con số NO . Tiến hành quá trình so sánh giữa đại lượng đo và đơn vị (thực hiện phép chia NX/NO), Thu được kết quả đo: AX = X/XO = NX/NO . Lưu đồ phương pháp đo biến đổi thẳng. Quá trình này được gọi là quá trình biến đổi thẳng, thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. Tín hiệu đo X và tín hiệu đơn vị X O sau khi qua khâu biến đổi (có thể là một hay nhiều khâu nối tiếp) có thể được qua bộ biến đổi tương tự-số A/D để có NX và NO , qua khâu so sánh có NX/NO. Dụng cụ đo biến đổi thẳng thường có sai số tương đối lớn vì tín hiệu qua các khâu biến đổi sẽ có sai số bằng tổng sai số của các khâu, vì vậy dụng cụ đo loại này thường được sử dụng khi độ chính xác yêu cầu của phép đo không cao lắm. 36
4.1.5. Phương pháp đo tương đối Là phương pháp đo có sơ đồ cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi. Hình 4.1: Lưu đồ phương pháp đo kiểu so sánh Đại lượng đo X và đại lượng mẫu XO được biến đổi thành một đại lượng vật lý nào đó thuận tiện cho việc so sánh. Quá trình so sánh X và tín hiệu XK (tỉ lệ với XO) diễn ra trong suốt quá trình đo, khi hai đại lượng bằng nhau đọc kết quả X K sẽ có được kết quả đo. Quá trình đo như vậy gọi là quá trình đo kiểu so sánh. Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay còn gọi là kiểu bù). Từ các phương pháp đo trên có thể có các cách thực hiện phép đo là: - Đo trực tiếp : kết quả có chỉ sau một lần đo - Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo trực tiếp - Đo hợp bộ: như gián tiếp nhưng phải giả một phương trình hay một hệ phương trình mới có kết quả . - Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết quả. 4.2. Các thông số đặc trưng cảm biến Hàm truyền Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thức toán học. - Hàm tuyến tính - Hàm logarit - Hàm mũ - Hàm lũy thừa: y= a0 + a1kx - Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. Dãy động 37
Dãy động là khoảng giá trị tín hiệu kích thích mà cảm biến có thể đáp ứng. Những tín hiệu vượt ngoài dãy này sẽ tạo ra những đáp ứng không chính xác. Sai số và độ chính xác Ngoài đại lượng cần đo, cảm biến còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi x là sai số tuyệt đối, sai số tương đối của cảm biến: x  %  x100% x  Có 2 loại sai số của cảm biến: Sai số hệ thống: có giá trị không đổi và có độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Nguyên nhân: Do nguyên lý của cảm biến. Giá trị đại lượng chuẩn không đúng. Do đặc tính của bộ cảm biến. Do điều kiện và chế độ sử dụng. Do xử lý kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên: có độ lớn và chiều không xác định. Nguyên nhân: Do thay đổi đặc tính của thiết bị. Do nhiễu ngẫu nhiên. Do ảnh hưởng các thông số môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ…). Độ phân giải Độ phân giải cảm biến được hiểu là khả năng phát hiện sự thay đổi tín hiệu kích thích nhỏ nhất theo thời gian. Băng thông Tất cả cảm biến đều có giới hạn thời gian đáp ứng đối với sự thay đổi của tín hiệu kích thích. Một số loại cảm biến có thời gian đáp ứng tắt dần, tức là khoảng thời gian đáp ứng giảm dần thay đổi theo tín hiệu kích thích. Độ nhạy S (sensitivity) 38
Độ nhạy S xung quanh giá trị mi của kích thích được xác định bởi tỉ số giữa độ biến thiên  s của đáp ứng và độ biến thiên  m tương ứng của kích thích.  s  S    m m  mi Độ nhạy được định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng. Là tỉ số giữa sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo. Điều này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện đặt ra. Độ tuyến tính Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo m. Trên thực tế và ngay cả trong lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm Si, mi cũng không nằm trên một đường thẳng. Đó là do có sự không chính xác trong khi đo và sai lệch trong khi chế tạo cảm biến. Từ thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính, đường thẳng đó gọi là đường thẳng tốt nhất có phương trình: S = am + b Trong đó: Với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến. Độ lệch tuyến tính cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong chuẩn. Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất trong dải đo (tính bằng %). Độ nhanh và thời gian đáp ứng Độ nhanh của cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ ra có đáp ứng được về mặt thời gian với độ biến thiên của đại lượng đo hay không. Thời gian đáp ứng là đại lượng xác định giá trị của độ nhanh. 39
Hiện tượng trễ Một số cảm biến không đáp ứng cùng thời điểm với tín hiệu kích thích. Độ rộng của sự sai lệch được gọi là hiện tượng trễ. Nhiễu Nhiễu xuất hiện ở ngõ ra cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu do sự dao động của tín hiệu kích thích. Nhiễu làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến. Nhiễu được phân bố qua phổ tần số. Nhiễu không thể loại trừ mà chỉ có thể phòng ngừa. Làm giảm ảnh hưởng và khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp. Ta có thể phân nhiễu thành 2 loại: -Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, vật liệu cảm biến,… do đó đáp ứng có thể bị méo so với dạng lý tưởng. - Nhiễu do truyền dẫn. Để chống nhiễu ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ. Một bộ được gọi là cảm biến chính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn. Để giảm nhiễu đường truyền tacó thể sử dụng các biện pháp sau: - Cách ly nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn. - Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến. - Sử dụng cáp ít nhiễu. l. Giới hạn sử dụng cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng. Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặc trưng của cảm biến. Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến. 40
- Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. - Vùng không gây nên hư hỏng. - Vùng không phá hủy. Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra. Thông thường dải đo trùng với vùng danh định. 4.3. Giới thiệu các loại cảm biến 4.3.1. Đo độ dịch chuyển và góc Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật. Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển. Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển. Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra. Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng. Trong chương này trình bày các loại cảm biến thông dụng dùng để xác định vị trí và dịch chuyển của vật như điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi. 4.3.2. Phương pháp đo bằng biến áp Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện. Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng. Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao. Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể. Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng. Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện. Trên hình biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện. 41
Hình 16.1: Các dạng biến dạng cơ bản a) Theo chiều dọc b) Theo chiều ngang c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song. a) Hai phần tử song song b) Hai phần tử nối tiếp c) Nhiều phần tử song song Trường hợp ghép song song hai bản áp điện (hình a), điện dung của cảm biến tăng gấp đôi so với trường hợp một bản áp điện. Khi ghép nối tiếp (hình b) điện áp hở mạch và trở kháng trong tăng gấp đôi nhưng điện dung giảm xuống còn một nửa. Những nguyên tắc trên áp dụng cho cả trường hợp ghép nhiều bản áp điện với nhau như biểu diễn trên hình c. 4.3.3. Phương pháp đo bằng điện từ Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây. Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng. 42
4.3.4. Phương pháp đo bằng cảm biến trường điện từ Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng. 4.3.5. Phương pháp đo bằng điện dung Cảm biến điện dung thực chất là một tụ điện gồm hai điện cực giữa chúng có chất điện môi. Điện dung của tụ điện được tính bằng công thức: Trong đó : A : là diện tích của bản cưc cảm biến S : Là khoảng cách giữa các bản cực r : Là hằng số điện môi của chất giữa hai bản cực. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên sự thay đổi các thông số A, S,  r làm cho điện dung C thay đổi. 3 nguyên tắc hoạt động có thể có của cảm biến điện dung * Đối với vật liệu không nhiễm từ : Như thủy tinh , nhựa sẽ làm cảm biến điện dung thay đổi một lượng rất nhỏ phụ thuộc vào kích cỡ của đối tượng và hằng số điện môi  r của đối tượng.Vì điều này chỉ có thể làm cho cảm biến điện dung đo lường được trong phạm vi ngắn. 43
* Đối với vật liệu dẫn điện: Nếu vật liệu đưa vào là vật liệu dẫn điện (thép) thì điện dung thêm vào với điện dung cơ bản  r của cảm biến với 2 tụ điện được kết nối như hình sau: Hai tụ điện bao gồm 1 tụ điện được tạo ra bởi đối tượng và điện cực cảm biến,1 tụ điện giữa đối tượng và vỏ cảm biến,2 tụ mắc nối tiếp và song song với tụ điện cơ bản. Lúc này giá trị tụ điện của cảm biến điện dung thay đổi khá lớn chính vì vậy mà khoảng cách đo lường xa hơn. * Đối với vật liệu kim loại nối đất (earthed metal target) Với vật liệu là nam châm cũng như vật liệu thép giá trị tụ điện lúc này sẽ là Ca=Cg + 2Cs , nhưng ở cật liệu là kim loại nối đát lượng Cs cao hơn so với thép nên khoảng cách đo lường sẽ xa hơn. 4.3.6. Phương pháp đo theo nguyên lý sóng âm Kĩ thuật cảm thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc âm thanh là hằng số.thời gian sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài quảng đường.vì vậy cảm biến siêu âm thường được dùng trong các ứng dụng đo khoảng cách Tần số hoạt động:nhìn chung là cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số là từ 25khz đến 500khz.các cảm biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5mhz trở lên.tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện 44
của cảm biến,với tần số 50khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc hơn,với tần số 200khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở mức 1m. 4.3.7. Phương pháp đo theo nguyên lý nam châm điện từ Chuyển đổi cảm ứng là chuyển đổi gồm có nam châm vĩnh cửu (hoặc trong một số trường hợp là nam châm điện) và cuộn dây. Khi từ thông Φ thay đổi, móc vòng qua cuộn dây sẽ sinh ra một sức điện động: e = -W dΦ/dt Từ thông thay đổi do vị trí của cuộn dây di chuyển trong từ trường hoặc do từ trở của mạch từ thay đổi khi vị trí của lõi thép thay đổi. 4.3.8. Đo vận tốc Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. Độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay. Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. Do vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc. Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm và phần ứng. Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng, từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng xác định theo công thức: d e dt Thông thường từ thông qua phần ứng có dạng:  x    0 F  x  Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo vị trí góc quay hoặc theo đường thẳng, khi đó suất điện động e xuất hiện trong phần ứng có dạng: Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo. dF ( x) dx e   0 dx dt 4.3.9. Đo gia tốc Theo nguyên lý cơ bản của cơ học, gia tốc là đại lượng vật lý thể hiện mối quan hệ giữa lực và khối lượng. Phép đo gia tốc có thể thực hiện qua việc đo lực hoặc đo gián tiếp thông qua sự biến dạng hay di chuyển của vật trung gian. 45
4.3.10. Đo lực và mônen Xác định ứng lực cơ học tác động lên các cấu trúc trong những điều kiện xác định là vấn đề hàng đầu trong việc đánh giá độ an toàn cho hoạt động của máy móc, thiết bị. Theo định luật cơ bản của động lực học, lực được xác định bởi biểu thức: F  Ma Trong đó: F - lực tác dụng (N). M - khối lượng của vật (kg). a - gia tốc của vật (m/s2). Theo công thức, khi một lực có cường độ F (N) tác động vào một vật có khối lượng M (kg) sẽ gây ra gia tốc a (m/s2). Nguyên tắc đo lực là làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và momen tổng của chúng bằng không. Trong các cảm biến đo lực thường có một vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và biến dạng. Biến dạng của vật trung gian là nguyên nhân gây ra lực đối kháng và trong giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng. Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể đo trực tiếp bằng cảm biến biến dạng, hoặc đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo vật trung gian phụ thuộc vào biến dạng. Ta cũng có thể xác định một lực bằng cách cân bằng nó với một lực đã biết. Theo công thức xác định trọng lực của một vật trong trọng trường trái đất: P  Mg Trong môi trường có g biết trước, cân khối lượng M của vật ta có thể xác định được trọng lực của vật đó, ngược lại nếu sử dụng một vật có khối lượng đã biết sẽ có được một lực xác định. Đây chính là nguyên tắc chuẩn cảm biến bằng máy đo có khối lượng treo. Trong chương này nghiên cứu các bộ cảm biến đo lực phổ biến như cảm biến áp điện, cảm biến từ giảo, cảm biến dựa trên phép đo dịch chuyển, cảm biến xúc giác. 46
Chương 5 Khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử - Nhận biết rõ khái niệm dòng thông tin trong hệ thống cơ điện tử (cơ – điện – điều khiển) - Nhận biết thông tin tương tự (Analog), thông tin số (Digital). - Các dạng mã hoá thông tin thông tin khác nhau - Chu trình xử lý thông tin - Chủ động và sáng tạo trong học tập. 5.1. Một số hệ đếm điển hình Khái niệm Hệ đếm là tập hợp các phương pháp gọi và biểu diễn các con số bằng các kí hiệu có giá trị số lượng xác định gọi là các chữ số. Phân loại Có thể chia các hệ đếm làm hai loại: hệ đếm theo vị trí và hệ đếm không theo vị trí. Hệ đếm theo vị trí: Hệ đếm theo vị trí là hệ đếm mà trong đó giá trị số lượng của chữ số còn phụ thuộc vào vị trí của nó đứng trong con số cụ thể. Ví dụ: Hệ thập phân là một hệ đếm theo vị trí. Số 1991 trong hệ thập phân được biểu diễn bằng 2 chữ số “1” và “9”, nhưng do vị trí đứng của các chữ số này trong con số là khác nhau nên sẽ mang các giá trị số lượng khác nhau, chẳng hạn chữ số “1” ở vị trí hàng đơn vị biểu diễn cho giá trị số lượng là 1 song chữ số “1” ở vị trí hàng nghìn lại biểu diễn cho giá trị số lượng là 1000, hay chữ số “9” khi ở hàng chục biểu diễn giá trị là 90 còn khi ở hàng trăm lại biểu diễn cho giá trị là 900. Hệ đếm không theo vị trí: Hệ đếm không theo vị trí là hệ đếm mà trong đó giá trị số lượng của chữ số không phụ thuộc vào vị trí của nó đứng trong con số. Hệ đếm La Mã là một hệ đếm không theo vị trí. Hệ đếm này sử dụng các ký tự “I”, “V”, “X”... để biểu diễn các con số, trong đó “I” biểu diễn cho giá trị số lượng 1, “V” biễu diễn cho giá trị số lượng 5, “X” biểu diễn cho giá trị số lượng 10... mà không phụ thuộc vào vị trí các chữ số này đứng trong con số cụ thể. Các hệ đếm không theo vị trí sẽ không được đề cập đến . 47
5.2. Chuyển đổi cơ số Một số A bất kỳ có thể biểu diễn bằng dãy sau: A= am-1am-2.....a0a-1......a-n Trong đó ai là các chữ số, ( i = -n ÷ m - 1 ); i là các hàng số, i nhỏ: hàng trẻ, i lớn: hàng già. Giá trị số lượng của các chữ số ai sẽ nhận một giá trị nào đó sao cho thỏa mãn bất đẳng thức sau: 0 ai N -1 (ai nguyên) N được gọi là cơ số của hệ đếm. Cơ số của một hệ đếm là số lượng ký tự phân biệt được sử dụng trong một hệ đếm. Các hệ thống số đếm được phân biệt với nhau bằng một cơ số N của hệ đếm đó. Mỗi ký tự biểu diễn một chữ số. Trong đời sống hằng ngày chúng ta quen sử dụng hệ đếm thập phân (decimal) với N=10. Trong hệ thống số còn sử dụng những hệ đếm khác là hệ đếm nhị phân (binary) với N=2, hệ đếm bát phân (octal) với N=8 và hệ đếm thập lục phân (hexadecimal) với N=16. - Hệ nhị phân : N =2 ⇒ ai = 0, 1. - Hệ thập phân : N =10 ⇒ ai = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. - Hệ bát phân : N =8 ⇒ ai = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. - Hệ thập lục phân : N =16 ⇒ ai = 0, 1, 2, …8, 9, A, B, C,D, E, F. Khi đã xuất hiện cơ số N, ta có thể biểu diễn số A dưới dạng một đa thức theo cơ số N, được ký hiệu là A(N) : Đổi từ cơ số d sang cơ số 10 Để chuyển đổi một số ở hệ đếm cơ số d sang hệ đếm cơ số 10 người ta khai triển con số trong cơ số d dưới dạng đa thức theo cơ số của nó . Ví dụ Đổi số 1101(2) ở hệ nhị phân sang hệ thập phân như sau: 1011(2) = 1.23 + 0.22 + 1.21 + 1.20 = 11(10) Đổi từ cơ số 10 sang cơ số d Để chuyển đổi một số từ cơ số 10 sang cơ số d (d = 2, 8, 16) người ta lấy con số trong cơ số 10 chia liên tiếp cho d đến khi thương số bằng không thì dừng lại. Kết quả chuyển đổi có được trong hệ đếm cơ số d là tập hợp các số dư của phép chia được viết theo thứ tự ngược lại, nghĩa là số dư đầu tiên có trọng số nhỏ nhất. 48
Ví dụ : Kết luận: Gọi d1, d2, ..,dn lần lượt là dư số của phép chia số thập phân cho cơ số d ở lần thứ 1, 2, 3, 4, .., n thì kết quả chuyển đổi một số từ hệ đếm cơ số 10 (thập phân) sang hệ đếm cơ số d sẽ là: dn dn-1 dn-2...d1, Nghĩa là dư số sau cùng của phép chia là bít có trọng số cao nhất (MSB), còn dư số đầu tiên là bít có trọng số nhỏ nhất (LSB). Trong các ví dụ trên, cơ số của hệ đếm được ghi ở dạng chỉ số bên dưới. Ngoài ra cũng có thể ký tự chữ để phân biệt như sau: B - Hệ nhị phân (Binary) O - Hệ bát phân (Octal) D - Hệ thập phân (Decmal) H - Hệ thập lục phân (Hexadecimal) Ví dụ: 1010B có nghĩa là 1010(2) 37FH có nghĩa là 37F(16) 5.3. Mã số Trong đời sống hàng ngày, con người giao tiếp với nhau thông qua một hệ thống ngôn ngữ qui ước, nhưng trong máy tính và các hệ thống số chỉ xử lý các dữ liệu nhị phân. Do đó, một vấn đề đặt ra là làm thế nào tạo ra một giao diện dễ dàng giữa người và máy tính, nghĩa là máy tính thực hiện được những bài toán do con người đặt ra. Vì các máy tính số hiện nay chỉ hiểu các số 0 và số 1, nên bất kỳ thông tin nào dưới dạng các chữ số, chữ cái hoặc các ký tự phải được biến đổi thành dạng số nhị phân trước khi nó có thể được xử lý bằng các mạch số. Để thực hiện điều đó, người ta đặt ra vấn đề về mã hóa dữ liệu. Như vậy, mã hóa là quá trình biến đổi những ký hiệu quen thuộc của con người sang những ký hiệu quen thuộc với máy tính. 49
Những số liệu đã mã hóa này được nhập vào máy tính, máy tính tính toán xử lý và sau đó máy tính thực hiện quá trình ngược lại là giải mã để chuyển đổi các bít thông tin nhị phân thành các ký hiệu quen thuộc với con người mà con người có thể hiểu được. Các lĩnh vực mã hóa bao gồm: - Mã hóa số thập phân - Mã hóa ký tự - Mã hóa tập lệnh - Mã hóa tiếng nói - Mã hóa hình ảnh ..v..v.. Phần tiếp theo chúng ta khảo sát lĩnh vực mã hóa đơn giản nhất là mã hóa số thập phân bằng cách sử dụng các từ mã nhị phân. Việc mã hóa ký tự, tập lệnh, tiếng nói, hình ảnh... đều dựa trên cơ sở mã hóa số thập phân. 5.4. Dữ liệu và mã hoá dữ liệu Mã hóa số thập phân Khái niệm Trong thực tế để mã hóa số thập phân người ta sử dụng các số nhị phân 4 bit (a3a2a1a0) theo quy tắc sau: 0 → 0000 ; 5 → 0101 1 → 0001 ; 6 → 0110 2 → 0010 ; 7 → 0101 3 → 0011 ; 8 → 1000 4 → 0100 ; 9 → 1001 Các số nhị phân dùng để mã hóa các số thập phân được gọi là các số BCD (Binary Coded Decimal: Số thập phân được mã hóa bằng số nhị phân). Phân loại Khi sử dụng số nhị phân 4 bit để mã hóa các số thập phân tương ứng với 4 2 = 16 tổ hợp mã nhị phân phân biệt. Do việc chọn 10 tổ hợp trong 16 tổ hợp để mã hóa các ký hiệu thập phân từ 0 đến 9 mà trong thực tế xuất hiện nhiều loại mã BCD khác nhau. Mặc dù tồn tại nhiều loại mã BCD khác nhau, nhưng có thể chia làm hai loại chính: Mã BCD có trọng số và mã BCD không có trọng số. 50
b1. Mã BCD có trọng số là loại mã cho phép phân tích thành đa thức theo trọng số của nó. Mã BCD có trọng số được chia làm 2 loại là: mã BCD tự nhiên và mã BCD số học. Mã BCD tự nhiên là loại mã mà trong đó các trọng số thường được sắp xếp theo thứ tự tăng dần. Ví dụ: Mã BCD 8421, BCD 5421. Mã BCD số học là loại mã mà trong đó có tổng các trọng số luôn luôn bằng 9.Ví dụ: BCD 2421, BCD 5121, BCD 8 4-2-1 Đặc trưng của mã BCD số học là có tính chất đối xứng qua một đường trung gian. Do vậy, để tìm từ mã BCD của một số thập phân nào đó ta lấy bù (đảo) từ mã BCD của số bù 9 tương ứng. Ví dụ xét mã BCD 2421. Đây là mã BCD số học (tổng các trọng số bằng 9), trong đó số 3 (thập phân) có từ mã là 0011, số 6 (thập phân) là bù 9 của 3. Do vậy, có thể suy ra từ mã của 6 bằng cách lấy bù từ mã của 3, nghĩa là lấy bù 0011, ta sẽ có từ mã của 6 là 1100. b2. Mã BCD không có trọng số là loại mã không cho phép phân tích thành đa thức theo trọng số của nó. Các mã BCD không có trọng số là: Mã Gray, Mã Gray thừa 3. Đặc trưng của mã Gray là bộ mã trong đó hai từ mã nhị phân đứng kế tiếp nhau bao giờ cũng chỉ khác nhau 1 bit. Ví dụ: Mã Gray: 2 → 0011 3 → 0010 4 → 0110 Còn với mã BCD 8421: 3 → 0011 4 → 0100 Các bảng dưới đây trình bày một số loại mã thông dụng. 5.5. Bài tập ứng dụng Câu 1: Đổi các số thập phân sau sang các hệ khác: a) N10 = 75; b) N10 = 157; c) N10 = 1976; d) N10 = 2711; 51
Câu 2 : Đổi các số nhị phân sau sang hệ thập phân: a) N2 = 1011010; b) N2 = 111000111; c) N2 = 100001111; d) N2 = 101010101; Câu 3 : Đổi số nhị phân sau sang dạng bát phân: a) 0101 1111 0100 1110 b) 1010 1100 1001 1000 c) 1111 1010 1101 1001 d) 1000 1101 1100 0011 Câu 4 : Thực hiện phép tính hai số hệ 16 sau: a) 132,4416 + 215,0216 b) 13E16 + 2FD16 a) 3B916 + 7A316 d) 9B516 + 6D816 Câu 5 : Thực hiện phép tính hai số hệ 8 phân sau: a) 132,448 + 215,028 b) 6378 + 2458 c) 4108 + 7238 d) 2158 + 6548 Câu 6 : Thực hiện phép cộng hai số có dấu sau theo phương pháp bù 1: a) 0.101 11112 + 0.100 11102 b) 1.010 11002 + 1.001 10002 c) 1.111 10102 + 1.101 10012 d) 1.000 11012 + 1.100 00112 Câu 7 : Thực hiện phép cộng hai số có dấu sau theo phương pháp bù 2: a) 0.101 11112 + 0.100 11102 b) 1.010 11002 + 1.001 10002 c) 1.111 10102 + 1.101 10012 d) 1.000 11012 + 1.100 00112 52
Câu 8 : Hãy viết 4 số kế tiếp trong các dãy số sau: a) 110012 110102 110112 …. …. …. …. b) 6248 6258 6268 …. …. …. …. c) 9D16 9E16 9F16 …. …. …. …. Câu 9 : Hãy chuyển đổi các số sau sang biểu diễn tương đương khác: a) Z16 = 24AE16 -> A10 -> A2 b) Z16 = A6F216 -> A10 -> A2 c) A10 = 311810 -> Z16 -> A2 d) A10 = 978510 -> Z16 -> A2 Câu 10 : Hãy tính hiệu hai số nhị phân sau và kiểm tra lại kết quả ở dạng thập phân: a) 11 0101 – 10 0101 b) 1001 0110 - 10 0110 5.6. Kiểm tra 53