Giáo trình Lý thuyết thông tin - Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá

920 trang ngocly 1320

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Lý thuyết thông tin - Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ly_thuyet_thong_tin_chuong_1_ly_thuyet_thong_tin.pdf

Nội dung text: Giáo trình Lý thuyết thông tin - Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá

Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Chương 1 LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÀ MÃ HOÁ Hình 1.1. Sơ đồ khối HTTT 1.1. Giới thiệu mã hoá và thông tin 1.1.1. Khái niệm mã hoá Mã hoá là việc chuyển đổi các phần tử của một tập đại lượng này thành một tập các đại lượng khác (theo mối quan hệ 1-1), nhằm mục đích tiện lợi cho việc lưu trữ và trao đổi thông tin. Mã hoá là phép biến đổi cấu trúc tin tại nơi phát nhằm mục đích nhận được tin tại nơi thu trung thực hơn , có độ tin cậy cao hơn , khả năng chống nhiễu cao hơn , truyền đi xa hơn Ví dụ 1: Phép rời rạc hoá nguồn tin liên tục thành nguồn tin rời rạc là một phép mã hoá Ví dụ 2: Tập hợp các số { 0, 1, , 9,A,B,C,D,E,F } mã hoá thành { 0000, 0001, ,1111 } Việc chọn ( thiết lập ) bộ mã hoá phải thoả nguyên tắc là có thể giải mã ra duy nhất 1 kết quả tại nơi thu tin 5
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Sự phát triển của mã hoá (Coding) Mã hoá phát triển từ trong tự nhiên, VD: tiếng hú, việc làm dấu của loài vật, thông báo cho đồng loại biết về điều gì đó, . Với con người cũng vậy, việc mã hoá đã phát triển ở hình thức cao hơn loài vật đó là tiếng nói, rồi sau đó là ngôn ngữ. Với sự phát triển của xã hội loài người, nhu cầu truyền tin, thông tin ngày càng trở nên quan trọng, cũng từ đó mà các hình thức mã hoá khác nhau được hình thành để thích ứng với sự phát triển đó. 1.1.2. Khái niệm thông tin (information) Tin tức ( News ) phản ảnh sự vật hiện tượng khách quan với sự nhận biết của con người . Tin tức có tính chất là sự mới mẻ (độ bất ngờ ) ý nghĩa và độ tin cậy Thông tin ( Information ) là tin tức có ý nghĩa, được sự quan tâm của con người Thông tin trung bình, Entropy • Xét nguồn tin XN gồm N tin là x1 , x2 , , xN có xác suất xuất hiện là p(1), p(2) , , p(N) . Theo luật phân bố xác suất , ta có N å p(i) = 1 i= 1 • Nếu các tin là đẳng xác suất thì p(i) = 1/N • Khi 1/p(i) càng lớn , thì p(i) càng bé , thì độ bất ngờ của tin càng lớn , tin càng có ý nghĩa, lượng tin của xi càng lớn. • Khi 1/p(i) càng bé , thì p(i) càng lớn , độ bất ngờ của tin càng bé , tin càng ít có ý nghĩa, lượng tin của xi càng bé. • Khi p(i) = 1 , thì độ bất ngờ của tin = 0 , tin nhận được không có ý nghĩa lượng tin của xi = 0. • Ta định nghĩa lượng tin ( information content ) của xi là I(i) = log2 (1/p(i) ) = -log2 p(i) [bit] Ví dụ 1: Thông điệp truyền tin ở dạng nhị phân, các biểu tượng là (0,1) • p0 =p1 = 0.5 1 • II= =log = 1 0 1 2 5.0 Ví dụ 2: Thông điệp truyền tin có 4 biểu tượng là ( , , , ) Cho p = 1.0 , p = 2.0 , p = 3.0 , p<> = 4.0 6
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá 1 ¾ I =log2 = 3.32 1.0 , • Giá trị của thông tin có thể xem như số bít nhị phân cần để thể hiện thông tin 1 đó. VD: I =log2 = 3.32 bit. 1.0 • Lượng tin trung bình của nguồn tin X ( Entropy của nguồn tin X ) được định nghĩa là NN HX( )=-åå p(i)*I(i) = p(i)*log2 p(i) [bit] ii==11 Ví dụ 3 : Tính lượng tin và Entropy của một đoạn tin dài 12 chữ số , mỗi chữ số có 4 mức ( ví dụ như mỗi chữ số chỉ có 1 trong 4 giá trị là 0,1,2,3 ). Cho xác suất 4 mức bằng nhau . Các chữ số xuất hiện một cách độc lập nhau Giải • Số tổ hợp khác nhau có thể nhận được là N = 412. • Xác suất xuất hiện một tổ hợp là p(i) = 1/N = 4-12 = 2-24 • Lượng tin nhận được từ một tổ hợp là I(i) = -log 2p(i) = 24 [bit] • Lượng tin trung bình (entropy) trong trường hợp đẳng xác suất là NN H = ååp(i)*I(i) == I(i)/ N I(i) [bit] ii==11 H = -log 2p(i) = 24 [bit] Tốc độ truyền tin R là lượng tin trung bình do nguồn phát ra trong một đơn vị thời gian H Rbp= []s T • T là thời gian cần gởi một đoạn tin • H là Entropy của nguồn tin Chú ý rằng các nguồn tin liên tục , ta có thể biểu thị gần đúng bằng các nguồn rời rạc với độ chính xác khá cao 1.2. Phân loại các hình thức mã hoá : Có 3 loại mã hoá Ví dụ : Minh hoạ một hệ thống truyền dữ liệu, bao gồm các hình thức mã khác nhau được sử dụng trong hệ thống. 7
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Sự vật Mã hóa Các file Mã hóa Các Mã hóa Chuỗi dữ Mã hóa hiện văn bản, file tượng ASCI Winzip Parity liệu NRZ hình vẽ nén ồ Đường truyền Hình 1.2. Sơ đồ khối thứ tự các dạng mã hoá 1.2.1. Mã hoá nguồn (Source coding) Mục đích của mã hoá nguồn là biến đổi một tập đại lượng nguồn này thành một tập đại lượng nguồn khác để tiện lợi cho việc lưu trữ và bảo mật. Ví dụ: mã hoá ASCII, mã nén Winzip, Ví dụ: cho nguồn tin “hom nay di hoc” có 14 ký tự , nếu mã hoá nhị phân thì cần 4 bit ( Do 24 =16 > 14 ) Dựa vào các ứng dụng thực tế ta có ba loại mã hoá nguồn: 1. Mã hoá để thể hiện ( mã hoá ASCII ) 2. Mã hoá nén ( mã nén Winzip, MP3, JPEG ) 3. Mã hoá bảo mật 1.2.2. Mã hoá kênh (channel coding) Mã kênh truyền là hình thức biến đổi trên tập dữ liệu nguồn bằng một thuật toán, nhằm tiện lợi cho việc kiểm tra và sửa lỗi đường truyền. Ví dụ như mã Parity có chức năng kiểm tra chẵn lẻ cho khối dữ liệu. 1.2.3. Mã hoá đường truyền (Line coding) Là hình thức chuyển đổi một tập đại lượng nguồn thành một tập đại lượng điện (u, i, f) để tiện lợi cho việc truyền dẫn thông tin. Có 2 loại mã hoá đường truyền: mã hoá đường truyền dãy nền, mã hoá đường truyền bằng điều chế. • Mã hoá đường truyền dãy nền (Base Band): biến đổi mức dữ liệu nguồn thành dạng sóng vuông về điện áp. Ví dụ : các bít dữ liệu nguồn ở dạng nhị phân được truyền trên đường truyền với dạng điện áp như hình minh hoạ dưới. 0 1 1 01 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 + HDB3 0 t -V Hình 1.3. Dạng mã hoá đường truyền HDB3 8
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá • Mã hoá đường truyền bằng điều chế: tín hiệu nguồn được truyền đi với khoảng cách xa bằng cách điều chế với sóng mang. ¾ Ví dụ 1: tín hiệu Audio được truyền đi xa bằng cách điều chế với sóng mang, bằng kỹ thuật AM, FM, ¾ Ví dụ 2: nguồn dữ liệu số được truyền đi với khoảng cách xa bằng cách dùng các kỹ thuật điều chế số, như ASK, PSK, FSK 1.3. Mã hoá nguồn ( source coding) Dựa vào các ứng dụng thực tế ta có ba loại mã hoá nguồn: Mã hoá để thể hiện, mã hoá nén, mã hoá bảo mật Mã hoá phải thoả mãn yêu cầu là có thể giải mã ra 1 cách duy nhất 1.3.1. Mã hoá để biểu hiện sự vật hiện tượng Mã hoá này nhằm mục đích mô tả sự vật hiện tượng bằng các ngôn ngữ của chủ thể Ví dụ 1: Mã hoá ASCII dùng để mô tả sự vật dưới dạng văn bản để con người có thể hiểu được. Ví dụ 2: Mã hoá nhị phân được sử dụng để mô tả sự vật bằng ngôn ngữ của của máy tính. Trường hợp có 8 trạng thái được biểu diễn mã nhị phân đồng đều 3 bit, từ 000 đến 111 Người ta cũng có thể biểu diễn mã nhị phân không đồng đều, bằng cách liệt kê. Ví dụ x1 x2 x3 x4 x5 Bộ mã 00 01 100 1010 1011 Như thế nguồn tin x1 x2 x3 x4 x5 sẽ được mã hoá là 00 01 100 1010 1011 Để có thể giải mã ra 1 cách duy nhất thì bộ mã phải có tính Prefix nghĩa là trong bộ mã không có từ mã nào ngắn , lại là phần đầu của từ mã dài hơn nó. Bộ mã ở ví dụ trên có tính Prefix . Tại nơi thu khi nhận được dãy bit 00 01 100 1010 1011 ta sẽ giải mã ra 1 cách duy nhất là x1 x2 x3 x4 x5 1.3.2. Mã hoá nén dữ liệu a. Đặc điểm • Sử dụng các thuật toán loại bỏ các thông tin dư thừa. • Thông tin dư thừa thể hiện qua sự lặp đi lặp lại các đoạn thông điệp trong tập nguồn tin. b. Mã hoá Shanon-Fano Độc lập với nhau , Shannon và Fano cùng xây dựng phương pháp thống kê tối ưu dựa trên cùng 1 cơ sở : Độ dài từ mã tỉ lệ nghịch với xác suất xuất hiện 9
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Đây chính là bước khởi đầu cho sự phát triển của các kỹ thuật mã hoá nén dữ liệu phát triển sau này. Các bước lập mã: 1. Sắp xếp nguồn tin theo thứ tự giảm dần của xác suất xuất hiện 2. Chia nguồn tin thành 2 nhóm sao cho xác suất xuất hiện mỗi nhóm xấp xỉ bằng nhau. 3. Gán cho mỗi nhóm ký mã 0 hay 1 4. Coi mỗi nhóm như nguồn tin mới , quay trở lại làm bước 2 , cho đến khi mỗi nhóm chỉ còn chứa duy nhất 1 tin 5. Từ mã ứng với mỗi mỗi lớp tin là tổ hợp các ký mã các nhóm , lấy tương ứng từ nhóm lớn đến nhóm nhỏ ( từ trái sang phải ) Ví dụ 1 : cho nguồn tin sau , lập bảng mã Shanon-Fano ♦ Phương pháp chung để thực hiện 9 Bước1: Xác định các ký hiệu (symbols, characters cơ sở có trong tập mã nguồn, và xác suất xuất hiện của nó. 9 Bước 2: Lập bảng mã cơ sở, các ký hiệu cơ sở được sắp theo thứ tự xác suất giảm dần. dùng thuật toán chia đôi xác suất để viết từ mã cơ sở 9 Bước 3: Dựa vào bảng mã cơ sở, viết mã nguồn Ví dụ 2 : Cho tập nguồn tin sau:"hom nay troi nang, ngay mai troi mua", Dùng mã hoá Shanon-Fano, lập bảng mã cơ sở cho tập nguồn tin trên. 10
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Giải • Bước 1: Các ký hiệu cơ sở:{h, o, m, n, a, y, t, r, i, g, u, _}. Xác suất tương ứng là Ph = Pu = 1/35, Po = Pm = Pi = 3/35, Pn = 4/35, Pa = 5/35, Py = Pt = Pr = Pg = 2/35, P_ = 7/35. • Bước 2: Lập bảng mã cơ sở STT Ký tự Xác suất Từ mã 1 _ 7/35 0 0 00 2 a 5/35 0 1 0 010 3 n 4/35 0 1 1 011 4 o 3/35 1 0 0 100 5 m 3/35 1 0 1 0 1010 6 i 3/35 1 0 1 1 1011 7 y 2/35 1 1 0 0 1100 8 t 2/35 1 1 0 1 1101 9 r 2/35 1 1 1 0 1110 10 g 2/35 1 1 1 1 0 11110 11 h 1/35 1 1 1 1 1 0 111110 12 u 1/35 1 1 1 1 1 1 111111 Tổng số bit truyền đi khi mã hoá là 2.7+ 3.12+ 4.12+ 5.2+ 6.2 = 120 Tổng số bit truyền đi nếu không mã hoá là 7.35 = 245 c. Mã hóa Lempel-Zip ♦ Đặc điểm Đây là phương pháp nén dữ liệu trực tiếp, từ mã hiện tại được xác định dựa vào các từ mã trước đó. Phương pháp mã hóa này rất hữu hiệu khi dùng trong máy tính, vì với những tập nguồn dữ liệu lớn thì việc xác định xác suất thì rất tốn thời gian. Trong thuật toán Lempel-Ziv, một dãy các ký hiệu của nguồn rời rạc được chia thành các khối có độ dài thay đổi và được gọi là các câu ( chuỗi cơ sở). 11
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Một câu mới được tạo ra gồm 2 phần : phần đầu là 1 câu cũ mà nó đã từng xuất hiện trước đó, phần sau là 1 bit mới bổ xung thêm. Trong bảng mã cơ sở, một câu được liệt kê tương ứng với vị trí (địa chỉ) duy nhất mà nó xuất hiện. Vị trí (địa chỉ) này bắt đầu từ 1 và tăng dần dần lên Khởi đầu, vị trí (địa chỉ) 0000 dùng để tương ứng cho một câu chưa từng xuất hiện trong từ điển. Mã hóa một câu mới, để tạo ra 1 từ mã mới, ta ghép vị trí (địa chỉ) của 1 câu nào đó đã có trước trong từ điển với giá trị của bit mới vào phía cuối. Ví dụ 1 : Ta xét dãy ký hiệu nhị phân sau: 10101 10100 10011 10101 00001 10011 10101 10001 1011 ( có 44 bit ) Hay 1 0 10 11 01 00 100 111 010 1000 011 001 110 101 10001 1011 Chia dãy ký hiệu trên thành các câu được ngăn cách bởi các dấu “,” như sau: 1,0,10,11,01,00,100,111,010,1000,011,001,110,101,10001,1011 Ta thấy rằng mỗi câu trong dãy là ghép của của 1 câu cũ và một ký hiệu mới. Để mã hoá các câu, ta xây dựng một bảng mã cơ sở (từ điển) như bảng dưới. Các vị trí của các câu trong từ điển liên tiếp nhau, bắt đầu bằng 1 và tăng dần, trong trường hợp này lên đến 16. Bảng mã cơ sở (từ điển) STT Vị trí (địa chỉ) Nội dung Từ mã trong từ điển các câu 0000 1 0001 1 0000 1 2 0010 0 0000 0 3 0011 10 0001 0 4 0100 11 0001 1 5 0101 01 0010 1 6 0110 00 0010 0 7 0111 100 0011 0 8 1000 111 0100 1 9 1001 010 0101 0 10 1010 1000 0111 0 11 1011 011 0101 1 12 1100 001 0110 1 13 1101 110 0100 0 14 1110 101 0011 1 15 1111 10001 1010 1 16 1011 1110 1 TS bit 44 bit 80 bit 12
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Để giải mã cần phải xây dựng lại từ điển ở phía thu giống như ở phía phát và sau đó là giải mã lần lượt các từ mã nhận được. Ta nhận thấy rằng quá trình mã hoá trong ví dụ trên mã hoá 44 ký hiệu nhị phân của nguồn thành 16 từ mã, và mỗi từ mã có độ dài 5 bit. Như vậy là trong ví dụ này không thực hiện nén số liệu, đó là do chuỗi ký hiệu được quan sát quá ngắn. Nếu chuỗi ký hiệu được quan sát dài ra thêm thì thuật toán sẽ trở nên hiệu quả hơn và sẽ nén được số liệu của nguồn. Vấn đề bây giờ đặt ra là độ lớn của của từ điển là bao nhiêu. Nói chung, độ lớn của từ điển chỉ phụ thuộc vào bộ nhớ dùng trong lưu trữ. Thuật toán Lempel-Ziv được sử dụng rộng rãi trong việc nén số liệu các file trong máy tính. Các tiện ích như compress và uncompress trong hệ điều hành Unix và DOS xuất phát từ thuật toán này. Tóm tắt phương pháp thực hiện: 9 Bước 1: Xác định chuỗi ký hiệu cơ sở 9 Bước 2: Lập bảng mã cơ sở bằng cách Liệt kê các chuỗi ký hiệu cơ sở, đánh số thứ tự tương ứng từ 1 và tăng dần Viết mã nhị phân ứng với số thứ tự vị trí xuất hiện. Từ mã cơ sở được tạo ra bằng cách ghép từ mã nhị phân của chuỗi ký hiệu cơ sở trước đó với bít còn lại. 9 Bước 3: Viết mã nguồn Ví dụ 2: cho chuỗi nguồn "0100111010100000100000010000000000011000000000000000". Hay "0 1 00 11 10 101 000 001 0000 0010 00000 000001 100 000000 0000000". Dùng mã hoá lempel-Zip, xác định mã nguồn. Giải 9 Bước 1: Xác định các chuỗi ký hiệu cơ sở ( các câu) {0,1,00,11,10,101,000,001,0000,0010,00000,000001,100,000000,0000000} 13
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá 9 Bước 2: Lập bảng mã cơ sở STT Mã nhị phân chuỗi cơ sở Từ mã 1 0001 0 0000 0 2 0010 1 0000 1 3 0011 00 0001 0 4 0100 11 0010 1 5 0101 10 0010 0 6 0110 101 0101 1 7 0111 000 0011 0 8 1000 001 0011 1 9 1001 0000 0111 0 10 1010 0010 1000 0 11 1011 00000 1001 0 12 1100 000001 1011 1 13 1101 100 0101 0 14 1110 000000 1011 0 15 1111 0000000 1110 0 1.3.3. Mã hoá bảo mật ♦ Đặc điểm: Đây là hình thức mã hoá bằng một thuật cho phép làm mờ đi nội dung nguồn tin để khi truyền tin, đối tượng nhận nếu không có thuật toán giải mã sẽ không đọc được nội dung. ♦ VD: Cho tập tin nguồn "hom nay troi nang" có thể mã hoá bảo mật thành "gnan iort yan moh", . 1.4. Mã hoá kênh Mã hoá kênh cho phép phát hiện lỗi và sửa lỗi. Nó làm tăng chất lượng tin nhận được, giảm tỉ số bit lỗi BER , do đó tính chất này nên ta còn có thể gọi là mã chống nhiễu 14
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Để giảm lỗi nhận được nơi thu , người ta dùng một trong hai kỹ thuật chính sau đây: • Yêu cầu lập lại tự động (ARQ ) • Sửa lỗi trước ( FEC ) 1.4.1. Yêu cầu lặp lại tự động (ARQ Automatic Repeat request ) Khi phát hiện thấy lỗi , máy thu sẽ yêu cầu truyền lại khối số liệu đó ARQ thường dùng trong hệ thống có tính chất sau • Kênh truyền song công • Độ trễ đường truyền nhỏ • Truyền tin dạng số liệu ( Data ) . Không cần thời gian thực ARQ không dùng trong hệ thống có tính chất sau • Kênh truyền đơn công • Độ trễ đường truyền lớn • Truyền tín hiệu cần thời gian thực 1.4.2. Sửa lỗi trước - Forward error correction (FEC) Số liệu được mã hoá trước khi truyền đi, để cho máy thu sau khi nhận được, giải mã có thể phát hiện ra lỗi và sửa lỗi FEC thường dùng trong hệ thống có tính chất truyền tin dạng thoại ( Voice ) và cần thời gian thực Nếu truyền k bit có thêm (n-k) bit phát hiện ra lỗi và sửa lỗi thì tỷ lệ mã FEC là k/n Ví dụ : Nếu truyền 7 bit có thêm 1 bit kiểm tra chẳn lẽ thì tỷ lệ mã FEC là 7/8 Nếu truyền 9 bit có thêm 4 bit sửa sai thì tỷ lệ mã FEC là 9/12 = ¾ Thông thường , tỷ lệ mã FEC là từ ¼ đến 7/8 Các mã được biểu thị là (n,k). Tỷ lệ mã FEC là k/n Nếu số bit thêm vào càng nhiều , thì thông thường mã có đặc tính phát hiện sai và sửa sai càng mạnh , nhưng lại làm giảm lưu lượng tin tức FEC sử dụng 2 nhóm mã hoá kênh chủ yếu sau 1. Nhóm Mã khối tuyến tính (Linear block codes- Mã không nhớ ) : Là ánh xạ từ k ký hiệu nhị phân đầu vào sang n ký hiệu nhị phân đầu ra. Với các ký hiệu đầu ra chỉ phụ thuộc vào k ký hiệu đầu vào 15
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá 2. Nhóm mã xoắn, cuộn, kết hợp ( Convolutional codes - Mã có nhớ ) : Là ánh xạ từ k ký hiệu nhị phân đầu vào sang n ký hiệu nhị phân đầu ra . Với các ký hiệu đầu ra phụ thuộc vào k ký hiệu đầu vào và v ký hiệu của bộ nhớ Nhóm mã khối ( Mã không nhớ ): bao gồm mã Hamming, mã vòng (Cyclic code ), BCH, Reed-Solomon, Maximal-Lengths Ví dụ sau minh hoạ rõ về tính chất phát hiện lỗi và sửa lỗi Khoảng cách d giữa 2 từ mã là số vị trí mà chúng có giá trị khác nhau . Giả sử cần truyền một bộ mã gồm 2 từ mã 110 101 và 011 001 có d=3 vì chúng khác nhau tại 3 vị trí thứ 1,3,4. Phát hiện sai : Nếu tại nơi thu , nhận được một từ mã 6 chữ số bất kỳ mà khác 2 từ mã trên (110 101 và 011001 ) sẽ bị xem là từ mã sai. Sửa sai : Nếu từ mã sai nhận được chỉ sai đúng 1 bit thì máy thu sẽ sửa sai để đưa về được từ mã đúng. Nếu từ mã sai nhận được sai trên 1 bit thì máy thu sẽ sửa sai , nhưng có thể đưa ra từ mã sai. Ví dụ khi truyền từ mã 110 101 , đến nơi thu bị sai 2 bit tại vị trí 1 và 3 , nên từ mã nhận được sẽ là 011 101 . Nơi thu sẽ phát hiện sai và hiệu chỉnh về từ mã có khoảng cách gần nhất là 011 001 bằng cách hiệu chỉnh bit tại vị trí 4. Đây là kết quả sai. Hình 1.4. Sử dụng FEC cải thiện rõ rệt chất lượng đường truyền 16
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá 1.5. Mã hoá đường truyền ( line coding ) Mục đích mã hoá đường truyền Xét trường hợp thông tin được truyền đi trên đường dây cáp đồng. Giả sử có 1 tín hiệu tạo ra từ các thiết bị truyền dẫn như sau 0 1 0 1 0 0 11 0 111 0 0 1 5V 0V Hình 1.5. Tín hiệu TTL. Tín hiệu gốc này truyền trên cáp đồng sẽ gặp phải một số bất lợi: • Mức điện áp nhận được ở đầu thu thấp do bị suy hao, tác động của nhiễu trở nên mạnh hơn. • Mức DC trung bình khá lớn. • Khi xuất hiện một chuỗi bit 0 hay chuỗi bit 1 kéo dài liên tiếp thì khả năng đồng bộ bit (clock thu theo clock phát) kém đi và có thể mất đồng bộ. Để khắc phục các bất lợi trên, thông tin phải được biến đổi dạng thích hợp để có thể truyền tải trên đường truyền cáp đồng. Việc này được gọi là mã hoá đường truyền. Việc biến đổi tín hiệu sao cho nó có dạng sóng phù hợp với đặc tính kênh truyền vật lý và thiết bị thu được gọi là mã hoá đường truyền ( line coding ). Các mã đường truyền ( line codes ) Line code Unipolar Polar Bipolar NRZ RZ Biphase AMI B8ZS HDB3 NRZ-L NRZ-I Manchester Differential Manchester Hình 1.6. Các mã đường truyền thông dụng. 17
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá 1.5.1. Mã Unipolar - xung đơn cực Mã Unipolar rất đơn giản và có nhiều khuyết điểm nên hầu như không còn dùng trong các trong các ứng dụng ngày nay. Hệ thống truyền dẫn gửi các xung điện áp dọc theo đường dây (hình 1.3). Thông thường, chỉ một mức điện áp (dương hoặc âm) tiêu biểu cho bit 1 và 0 Vôn tiêu biểu cho bit 0. Ở mã này, mức DC trung bình khá cao và khi có một chuỗi bit 0 hay chuỗi bit 1 kéo dài liên tiếp thì khả năng đồng bộ bit rất kém. Bieân ñoä 0 1 0 1 0 0 11 0 111 0 0 1 V t 0 Hình 1.7. Mã hoá Unipolar. 1.5.2. Mã Polar. Phương pháp mã hoá này dùng hai mức điện áp dương và âm. Thành phần DC trung bình giảm đáng kể, đặc biệt với mã Manchester và Manchester vi sai thì Thành phần DC trung bình bằng 0. a. NRZ (Non Return to Zero) NRZ có thời gian tồn tại của xung điện áp bằng độ rộng của một bit, tín hiệu chỉ có 2 mức +V và –V , không có mức 0. Có hai loại NRZ là NRZ-L và NRZ-I Với NRZ-L • mức điện áp dương tiêu biểu cho bit 0 (hoặc có thể ngược lại). • mức điện áp âm tiêu biểu cho bit 1 (hoặc có thể ngược lại). Với cách mã hoá này việc đồng bộ bit sẽ khó khăn khi nhiều bit 0 hoặc bit 1 truyền liên tiếp. Hình 1.8. Mã hoá NRZ-L có bit 0 Æ+V ; bit 1 Æ-V Với NRZ-I • mức điện áp sẽ thay đổi (từ mức điện áp âm sang mức điện áp dương hoặc ngược lại) đối với mỗi bit 1. 18
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá • Mức điện áp giữ nguyên đối với bit 0. Với cách mã hoá này việc đồng bộ bit sẽ khó khăn khi nhiều bit 0 truyền liên tiếp. Hình 1.9. Mã hoá NRZ-I bit 0 giữ nguyên mức; bit 1 đảo mức b. Mã RZ 0 1 0 10 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 + RZ 0 t -V Hình 1.10. Mã hoá RZ. bit 0 Æ -V ; bit 1 Æ +V Mã RZ dùng 3 mức dương, âm và zero. • Bit 1 được mã hoá thành xung điện áp dương. • bit 0 được mã hoá thành xung điện áp âm. Mã RZ có thời gian tồn tại của xung điện áp nhỏ hơn (và thông thường bằng ½) độ rộng của một bit tín hiệu Với mã RZ, việc đồng bộ bit rất tốt do luôn có quá độ tại mỗi bit. Nhưng có nhược điểm là đòi hỏi một băng thông đường truyền rộng hơn. c. Biphase. Ở mã Biphase, tín hiệu chuyển mức tại điểm giữa của mỗi bit nhưng không trở về zero như RZ. Có hai loại mã Biphase là Manchester và Manchester vi sai (Differential Manchester) Mức DC trung bình trong mã hoá Manchester và Manchester vi sai bằng 0, đồng bộ bit tốt, nhưng cũng đòi hỏi một băng thông đường truyền rộng hơn. Với mã Manchester: • chuyển mức từ âm sang dương tiêu biểu cho bit 0 19
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá • chuyển mức từ dương sang âm tiêu biểu cho bit 1. Với mã Manchester vi sai: • chuyển mức tại điểm giữa mỗi bit 1 • chuyển mức tại đầu mỗi bit 0 và tại điểm giữa mỗi bit 0 0 10 1 0 0 11 0 111 0 0 1 + 0 t Manchester -V 0 10 1 0 0 11 0 111 0 0 1 + Differential 0 t Manchester -V Hình 1.11. Mã hoá Manchester và Differential Manchester. 1.5.3. Bipolar Trong mã Bipolar, bit 0 được mã hoá thành mức điện áp 0 volt, bit 1 được mã hoá thành các xung điện áp dương và âm luân phiên xen kẽ nhau. Thời gian tồn tại (độ rộng) của xung điện áp nhỏ hơn hoặc bằng thời gian tồn tại của một bit. Trên thực tế thời gian này thường bằng ½ thời gian tồn tại của một bit. Trong các hình vẽ cho mã Bipolar, xem xung điện áp cho bit 1 có độ rộng bằng ½ thời gian tồn tại của một bit. Các mã Bipolar thông dụng nhất là AMI, B8ZS, HDB3. a. AMI (Alternate Mark Inversion) Trong mã AMI • bit 0 mã hoá thành 0 volt, • bit 1 là các xung điện áp dương và âm luân phiên xen kẽ nhau Mã hoá AMI có mức DC trung bình bằng 0, nhưng đồng bộ bit kém khi truyền liên tiếp một chuỗi bit 0. 20
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Hình 1.12. Mã hoá AMI bit 0 Æ 0 Volt ; bit 1 Æ đảo cực b. B8ZS (Bipolar 8-Zero Substitution) (chuẩn Bắc Mỹ ) B8ZS cũng tương tự AMI nhưng khắc phục tình trạng một chuỗi bit 0 liên tiếp kéo dài. Một chuỗi 8 bit 0 được mã hoá thành một chuỗi khác và được gọi là sự vi phạm (violation). 8 bit 0 sẽ được mã hoá thành 000+-0-+ nếu xung điện áp của bit 1 trước đó là dương. Ngược lại, 8 bit 0 sẽ được mã hoá thành 000-+0+- nếu xung điện áp của bit 1 trước đó là âm 0 1 0 01 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 + B8ZS 0 t -V Hình 1.13. Mã hoá B8ZS luật 000V B0VB Bảng 1.1. Qui luật mã hoá 8 bit 0 liên tiếp trong mã B8ZS. Cực tính bit Dữ liệu vào ra 1 đứng trước Vào + 0 0 0 0 0 0 0 0 Ra + 0 0 0 + - 0 - + Vào - 0 0 0 0 0 0 0 0 Ra - 0 0 0 - + 0 + - 1 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 0 0 + - 0 - + - 0 0 0 - + 0 + - Khi giải mã: Khi bộ thu phát hiện hai xung có cực tính giống nhau bao quanh 3 bit 0 liên tiếp thì bộ thu hiểu là sự vi phạm (thứ nhất), 21
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Kế tiếp bộ thu sẽ tìm vi phạm mong đợi thứ hai, đó là hai xung có cực tính giống nhau (nhưng khác với cực tính của vi phạm thứ nhất) bao quanh 1 bit 0. Lúc này bộ thu sẽ diễn dịch dữ liệu là một chuỗi 8 bit 0 liên tiếp. 3. HDB3 (High-Density Bipolar 3). (Chuẩn Châu Âu và Nhật Bản) Trong HDB3, 4 bit 0 liên tiếp sẽ được mã hoá thành 4 bit khác. Luật mã hoá 4 bit 0 liên tiếp như sau: • Nếu tổng số xung (bit 1) trước đó kể từ lần thay thế sau cùng là lẻ và o Nếu bit 1 ngay trước đó là dương thì 4 bit 0 được mã hoá thành 000+. o Nếu xung bit 1 ngay trước đó là âm thì 4 bit 0 được mã hoá thành 000-. • Nếu tổng số xung (bit 1) trước đó kể từ lần thay thế sau cùng là chẵn và o Nếu bit 1 ngay trước đó là dương thì 4 bit 0 được mã hoá thành -00-. o Nếu xung bit 1 ngay trước đó là âm thì 4 bit 0 được mã hoá thành +00+. Bảng 1.2. Qui luật mã hoá 4 bit 0 liên tiếp trong mã HDB3. Số bit 1 trước Vào + 0 0 0 0 đó kể từ lần Ra + 0 0 0 + thay thế sau Vào - 0 0 0 0 cùng là lẻ Ra - 0 0 0 - Số bit 1 trước Vào + 0 0 0 0 đó kể từ lần Ra + - 0 0 - thay thế sau Vào - 0 0 0 0 cùng là chẵn Ra - + 0 0 + 0 1 10 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 + HDB3 0 t -V Hình 1.14. Mã hoá HDB3, luật 000V or B00V 1 0 0 0 0 0 0 0 0 + 0 0 0 + - 0 0 - - 0 0 0 - + 0 0 + 1.5.4. Đánh giá các mã đường truyền 22
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Đánh giá các loại mã hoá (được cho trên bảng 3) dựa trên các tiêu chuẩn • Mức DC trung bình. • Khả năng đồng bộ bit (phục hồi xung clock). • Băng thông cần thiết để truyền tín hiệu đã mã hoá. Bảng 1.3. Đánh giá các loại mã hoá đường truyền. Mã DC Khả năng đồng bộ Băng đường trung thông truyền bình Unipolar Lớn Kém khi truyền chuỗi bit 0 hoặc chuỗi bit Thấp 1 NRZ-I Thấp Kém khi truyền chuỗi bit 0 Thấp RZ Thấp Tốt Cao Manchester 0 Tốt Cao AMI 0 Kém khi truyền chuỗi bit 0 Thấp B8ZS 0 Tốt Thấp HDB3 0 Tốt Thấp Mỗi mã có ưu và nhược điểm riêng. • Loại mã có 2 mức điện áp thì chỉ cần 1 nguồn cung cấp , nhưng yêu cầu đường truyền phải truyền được mức DC. • Loại mã có lưỡng cực thì cần đến 2 nguồn cung cấp , nhưng không yêu cầu đường truyền phải truyền được mức DC. • Mã Manchester có tính chất là thành phần DC luôn bằng 0 , nhưng băng thông lại tăng gấp đôi Các tính chất mong muốn của mã đường truyền: • Thành phần DC giảm xuống 0 • Tự đồng bộ: Nếu tín hiệu gồm một chuỗi dài các bit 1 hay một chuỗi dài các bit 0 đều không ảnh hưởng xấu đến việc khôi phục dữ liệu • Phổ phù hợp với kênh truyền • Dải thông truyền dẫn càng nhỏ càng tốt • Tốc độ lỗi bit (BER- Bit Error Rate ) thấp 1.5.5. Mã h ó a bằng diều chế Truyền tín hiệu số, do tín hiệu có dạng xung nên băng thông BW khá lớn (về lý thuyết có thể từ 0 lên đến ∞ ), băng thông BW này thường không nằm lọt trong BW của môi trường truyền làm cho tín hiệu thu bị biến dạng do bị cắt ở 2 phía tần số cao và thấp. khi truyền tín hiệu đi xa, sự méo dạng này càng lớn hơn, do suy hao không đồng đều trên suốt dải tần. Kết quả nơi thu sẽ khó khôi phục tín hiệu gốc. 23
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Truyền tín hiệu băng tần gốc ( Base Band - dải nền ) là 1 cách biến đổi tín hiệu sao cho nó có dạng sóng phù hợp với đặc tính kênh truyền vật lý và thiết bị thu. Cụ thể hơn, đã giúp thu hẹp lại BW khá nhiều, giúp tín hiệu suy hao đồng đều hơn, khi truyền đi xa, nên giảm méo nơi thu Để truyền tín hiệu đi xa hơn, người ta phải điều chế tín hiệu. Tín hiệu đã điều chế ( thường gọi là tín hiệu điều chế) luôn ở dạng tương tự (Analog). Tại nơi thu , ta giải điều chế để khôi phục tín hiệu. Tín hiệu đã điều chế phải có tần số và băng thông phù hợp với các đặc tính của môi trường truyền vật lý ( như trong cáp ) Cụ thể hơn, băng thông BW tín hiệu này nếu nằm lọt trong BW của môi trường truyền thì tín hiệu thu không bị méo dạng khi truyền đi, do suy hao đồng đều trên toàn bộ BW, khôi phục tín hiệu sẽ dễ dàng do không bị méo. Việc điều chế còn tăng khả năng chống nhiễu ( do băng thông BW của tín hiệu Analog hẹp so với BW của tín hiệu số nên nhiễu xâm nhập vào sẽ bị lọc bỏ dễ dàng trên cơ sở BW ) Thông thường, trước khi giải điều chế, tín hiệu điều chế được đưa qua bộ lọc thông dải để lọc nhiễu, tăng độ chính xác khi giải điều chế. Việc chọn tần số điều chế cũng cần chú ý nhằm giảm thiểu độ suy hao (liên hệ vệ tinh - cửa sổ tần số) Ngoài ra khi truyền tín hiệu qua không gian thì phải bắt buộc điều chế lên tần số cao hơn . Vì chỉ tín hiệu dạng sin với tần số đủ lớn mới thích hợp cho việc bức xạ ra ngoài không gian • Điều chế tương tự : tín hiệu trước điều chế dạng tương tự (Analog). Đối với tín hiệu liên tục , ta thường điều chế biên độ AM , điều chế đơn biên SSB , điều chế tần số FM , điều chế pha PM. • Điều chế số : tín hiệu trước điều chế dạng số (data). Đối với tín hiệu rời rạc ( data - dữ liệu ) , ta thường điều chế khoá dịch biên ASK, điều chế khoá dịch tần FSK , điều chế khoá dịch pha PSK , điều chế QAM Hình 1.14. Điều chế QPSK 24
Chương 1: Lý thuyết thông tin và mã hoá Hình 1.14. Quan hệ giữa Eb/N0 với BER Bài tập Bài 1. Trong ví dụ về mã hoá Shanon-Fano ở trên, nếu nguồn tin có 1000 ký tự. Tính dung lượng bộ nhớ cần để lưu trữ nguồn tin. Bài 2. Cũng trong ví dụ ở trên nhưng dùng mã hoá nhị phân. Nếu nguồn tin có 1000 ký tự, tính dung lượng bộ nhớ cần để lưu trữ nguồn tin. Bài 3. So sánh kết quả của bài 1 và bài 2, tính tỷ số nén của mã hoá Shanon-Fano so với mã hoá nhị phân Bài 4: Cho tập nguồn tin có 26 ký hiệu cơ sở {a, b, c, , _}, với xác suất xuất hiện tương ứng đều bằng nhau, ngoại trừ ký tự có xác suất là 0.25. Dùng mã Shanon xác định bảng mã cơ sở. Bài 5: Xác định mã Lemp-Zip cho các tập nguồn tin sau a. X="100011011001111101111111110101111111111} b. Y="1000000100101000000000100000000000010000000000000} c. Z="110101011010000100000000100000000111111110" 25
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Chƣơng 1 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN 1.1 Ánh sáng 1.1.1. Tính chất vật lý của ánh sáng Bằng phương pháp toán học, Macxoen đã chứng minh rằng điện từ trường do một điện tích điểm dao động theo phương thẳng đứng tại một điểm sinh ra sẽ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng. Sóng đó được gọi là sóng điện từ. Người ta nói rằng điện tích dao động đã bức xạ ra sóng điện từ. Nếu xét theo một phương truyền Ox, sóng điện từ là sóng ngang có thành phần điện dao động theo phương thẳng đứng và thành phần từ dao động theo phương nằm ngang. Hình 1.1. Sóng điện từ lan truyền trong không gian Tần số sóng điện từ bằng tần số của điện tích dao động và vận tốc của nó trong chân không bằng vận tốc ánh sáng trong chân không. Năng lượng của sóng điện từ tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của tần số. Ngày nay, người ta đã biết rằng sóng điện từ có đầy đủ các tính chất như sóng cơ học, nhưng sóng cơ học, truyền đi trong những môi trường đàn hồi, còn sóng điện từ thì tự nó truyền đi mà không cần nhờ đến sự biến dạng của một môi trường đàn hồi nào cả, vì vậy nó truyền được cả trong chân không. Ánh sáng khả kiến dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm đến 700 nm). "Ánh sáng lạnh" là ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ tím. "Ánh sáng nóng" là ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ. Ánh sáng có quang phổ trải đều từ đỏ đến tím là ánh sáng trắng, ánh sáng có bước sóng tập trung tại vùng quang phổ rất hẹp gọi là "ánh sáng đơn sắc". 1
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Hình 1.2. Phân loại Sóng điện từ Ánh sáng tự nhiên hoặc ánh sáng nhìn thấy được chiếm một phần rất nhỏ trong phổ sóng điện từ. 1.1.2. Bƣớc sóng và màu sắc ánh sáng Đo bước sóng của những ánh sáng đơn sắc khác nhau bằng phương pháp giao thoa, người ta thấy mỗi ánh sáng đơn sắc có một bước sóng hoàn toàn xác định. Chẳng hạn: ánh sáng màu đỏ ở đầu của dải màu liên tục có bước sóng: . ánh sáng màu tím ở cuối của dải màu liên tục có bước sóng: Ánh sáng vàng do đèn hơi natri phát ra có bước sóng: . Như vậy, ánh sáng đơn sắc là ánh sáng có một bước sóng xác định. Màu ứng với ánh sáng đó gọi là màu đơn sắc hay màu quang phổ. Thực ra, những ánh sáng đơn sắc có bước sóng lân cận nhau thì gần như có cùng một màu. Vì vậy, người ta đã phân định ra trong quang phổ liên tục những vùng màu khác nhau: Vùng đỏ có bước sóng từ: Vùng da cam và vàng có bước sóng từ: (Vùng da cam và Vùng vàng) Vùng lục có bước sóng từ: Vùng lam - chàm có bước sóng từ: (Vùng lam- chàm) Vùng tím có bước sóng từ: Ngoài các màu đơn sắc, còn có các màu không đơn sắc, là hỗn hợp của nhiều màu đơn sắc với những tỉ lệ khác nhau. 2
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Hình 1.3. màu sắc và bước sóng của ánh sáng 1. Tia hồng ngoại Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy dược có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ . Tia hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ. Tia hồng ngoại do các vật bị nung nóng phát ra. Vật có nhiệt độ thấp chỉ phát ra được các tia hồng ngoại. Chẳng hạn như thân thể người ở nhiệt độ chỉ phát ra các tia hồng ngoại trong đó mạnh nhất là các tia có bước sóng ở vùng . Vật có nhiệt độ bắt đầu phát ra ánh sáng màu đỏ tối nhưng mạnh nhất vẫn là các tia hồng ngoại ở vùng bước sóng . Trong ánh sáng mặt trời, có khoảng 50% năng lượng của chùm sáng là thuộc về các tia hồng ngoại. Nguồn phát tia hồng ngoại thường dùng là các bóng đèn có dây tóc bằng vonfram nóng sáng công suất từ 250W đến 1000W. Nhiệt độ dây tóc bóng đèn đó vào khoảng . Tác dụng nổi vật nhất của tia hồng ngoại là tác dụng nhiệt. Ngoài ra, tia hồng ngoại cũng có tác dụng lên một loại kính ảnh đặc biệt gọi là kính ảnh hồng ngoại. Nếu chụp ảnh các đám mây bằng kính ảnh hồng ngoại thì ảnh các đám mây sẽ nổi lên rất rõ rệt. Đó là các đám mây chứa hơi nước ít hay nhiều sẽ hấp thụ các tia hồng ngoại yếu hay mạnh rất khác nhau. Ứng dụng quan trọng nhất của các tia hồng ngoại là dùng để sấy hoặc sưởi. Trong công nghiệp, người ta dùng tia hồng ngoại để sấy khô các sản phẩm sơn (như vỏ ôtô, vỏ tủ lạnh v.v ) hoặc các hoa quả như chuối, nho v.v Trong y học, người ta dùng đèn hồng ngoại để sưởi ấm ngoài da cho máu lưu thông được tốt. 3
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 2. Tia tử ngoại Tia tử ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng ngắn hơn bước sóng của ánh sáng tím . Tia tử ngoại có bản chất là sóng điện từ. Mặt Trời là một nguồn phát tia tử ngoại rất mạnh. Khoảng 9% công suất của chùm ánh sáng mặt trời là thuộc về các tia tử ngoại. Các hồ quang điện cũng là những nguồn phát tia tử ngoại mạnh. Trong các bệnh viện và phòng thí nghiệm, người ta dùng các đèn thuỷ ngân làm nguồn phát các tia tử ngoại. Ngoài ra những vật nung nóng trên cũng phát ra tia tử ngoại rất mạnh. Tia tử ngoại bị thuỷ tinh, nước v.v hấp thụ rất mạnh. Thạch anh thì gần như trong suốt đối với các tia tử ngoại có bước sóng nằm trong vùng từ ( gọi là vùng tử ngoại gần ). Tia tử ngoại có tác dụng rất mạnh lên kính ảnh. Nó có thể làm cho một số chất phát quang. Nó có tác dụng iôn hoá không khí. Ngoài ra, nó còn có tác dụng gây ra một số phản ứng quang hoá, phản ứng quang hợp v.v Tia tử ngoại có một số tác dụng sinh học. Trong công nghiệp, người ta sử dụng tia tử ngoại để phát hiện các vết nứt nhỏ, vết xước trên bề mặt các sản phẩm tiện. Muốn vậy, người ta xoa trên bề mặt sản phẩm một lớp bột phát quang rất mịn. Bột sẽ chui vào các khe nứt, vết xước. Khi đưa sản phẩm vào chùm tử ngoại, các vết đó sẽ sáng lên. Trong y học, người ta dùng tia tử ngoại để chữa bệnh còi xương. 3. Tia X Năm 1895, nhà bác học Rơn-ghen (Roentgen), người Đức, nhận thấy rằng khi cho dòng tia catốt trong ống tia catốt đập vào một miếng kim loại có nguyên tử lượng lớn như bạch kim hoặc vonfram thì từ đó sẽ phát ra một bức xạ không nhìn thấy được. Bức xạ này đi xuyên qua thành thuỷ tinh ra ngoài và có thể làm phát quang một số chất hoặc làm đen phim ảnh. Người ta gọi bức xạ này là tia X Khi mới được phát hiện, người ta tưởng lầm tia X là một dòng hạt nào đó. Tuy nhiên, khi cho tia X đi qua điện trường và từ trường mạnh thì nó không bị lệch đường. Như vậy, tia X không mang điện. Tia X là một loại sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn bước sóng của tia tử ngoại. Bước sóng của tia X nằm trong khoảng từ (tia X mềm). Tia X có những tính chất và công dụng sau Tính chất nổi bật của tia X là khả năng đâm xuyên. Nó truyền qua được những vật chắn sáng thông thường như giấy, bìa, gỗ. Nó đi qua kim loại khó khăn hơn. Kim loại có khối lượng riêng càng lớn thì khả năng cản tia X của 4
Chương 1: Các kiến thức cơ bản nó càng mạnh. Chẳng hạn, tia X xuyên qua dễ dàng một tấm nhôm dầy vài cm, nhưng lại bị lớp chì dầy vài mm cản lại. Vì vậy, chì được dùng làm các màn chắn bảo vệ trong kĩ thuật kỹ thuậtRơnghen. Nhờ khả năng đâm xuyên mạnh mà tia X được dùng trong y học để chiếu điện, chụp điện, trong công nghiệp để dò các lỗ hổng khuyết tật nằm bên trong các sản phẩm đúc. Tia X có tác dụng rất mạnh lên kính ảnh, nên nó được dùng để chụp điện. Tia X có tác dụng làm phát quang một số chất. Màn huỳnh quang dùng trong việc chiếu điện là màn có phủ một lớp platinocyanua bary. Lớp này phát quang màu xanh lục dưới tác dụng của tia X. Tia X có khả năng ion hoá các chất khi. Người ta lợi dụng đặc điểm này để làm các máy đo liều lượng tia X. Tia X có tác dụng sinh lý. Nó có thể huỷ hoại tế bào, giết vi khuẩn. Vì thế tia X dùng để chữa những ung thư nông, gần ngoài da. Hình 1.4. Ứng dụng sóng điện từ. 1.1.3. Các hiện tƣợng quang hình học Ánh sáng nói riêng, các bức xạ điện từ nói chung dù ở bất kỳ tần số nào đều có tốc độ truyền như nhau trong môi trường chân không: 299 792,5 km/s # 300 000 km/s Tuy nhiên, ở trong môi trường khác tốc độ truyền ánh sáng sẽ thay đổi Môi trường chân không và không khí : 300 000 km/s Môi trường nước : 225 000 km/s Thuỷ tinh : 200 000 km/s 5
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 1. Hiện tƣợng khúc xạ ánh sáng Hình 1.5. Hiện tượng khúc xạ ánh sáng Khúc xạ thường dùng để chỉ hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất khác nhau. Mở rộng ra, đây là hiện tượng đổi hướng đường đi của bức xạ điện từ, khi lan truyền trong môi trường không đồng nhất 2. Hiện tƣợng tán sắc Hình 1.6. Hiện tượng tán sắc Ánh sáng trắng là tổng hợp của rất nhiều tia sáng, mỗi tia sáng tương ứng với các độ dài sóng điện từ khác nhau và có màu sắc khác nhau. Tia sáng có sóng điện từ ngắn càng dễ bị khúc xạ. Như vậy có nghĩa là ánh sáng xanh dễ bị khúc xạ hơn so với ánh sáng đỏ Lăng kính là một dụng cụ quang học, sử dụng để khúc xạ, phản xạ và tán xạ ánh sáng sang các màu quang phổ (như màu sắc của cầu vồng). Lăng kính thường được làm theo dạng kim tự tháp đứng, có đáy là hình tam giác. Tia sáng đi từ một môi trường (như môi trường không khí) sang một môi trường khác (như tthuỷtinh trong lăng kính), nó sẽ bị chậm lại, và giống như kết quả, nó sẽ hoặc bị cong (khúc xạ) hoặc bị phản xạ hoặc đồng thời xảy ra cả hai hiện tượng trên. Góc mà tia sáng hợp với trục thẳng góc tại điểm mà tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là góc tới, và góc tạo ra ở đầu bên 6
Chương 1: Các kiến thức cơ bản kia, qua quá trình khúc xạ được gọi là góc ló. Tương tự, tia sáng đi vào trong lăng kính được gọi là tia tới và tia sáng đi ra ngoài lăng kính được gọi là tia ló. Các lăng kính phản xạ được sử dụng để phản xạ ánh sáng, ví dụ như các ống nhòm, vì, nhờ hiện tượng phản xạ toàn phần, chúng dễ dàng được sử dụng hơn là các gương. Các lăng kính tán sắc được sử dụng để chia ánh sáng thành các thành phần quang phổ màu, bởi vì độ khúc xạ của chúng phụ thuộc vào bước sóng của tia sáng (hiện tượng tán sắc); khi một tia sáng trắng đi vào trong lăng kính, nó có một góc tới xác định, trải qua quá trình khúc xạ, và phản xạ bên trong lăng kính, dẫn đến việc tia sáng bị bẻ cong, hay gập khúc, và vì vậy, màu sắc của tia sáng ló sẽ khác nhau. Ánh sáng màu xanh có bước sóng nhỏ hơn ánh sáng màu đỏ và vì vậy nó cong hơn so với ánh sáng màu đỏ. Cũng có loại lăng kính phân cực, nó có thể chia ánh sáng thành các thành phần phân cực khác nhau. 1.1.4. Lƣỡng tính sóng hạt của ánh sáng Nguyên tử gồm: Hạt nhân ( điện tích +Z) gồm: -27 -19 Proton (p), mp =1,672. 10 kg, tích điện dương + 1,602. 10 C. -27 Nơtron(n), mn = 1,675. 10 kg, không mang điện . Hạt nhân của các nguyên tố đều bền (trừ các nguyên tố phóng xạ). -31 -19 Electron(e) ,me = 9,1. 10 kg , tích điện âm - 1,602. 10 C. Trong bảng hệ thống tuần hoàn (HTTH), số TT nguyên tố = điện tích hạt nhân = số e. 1. Hiện tƣợng quang điện Ánh sáng là một sóng điện từ lan truyền trong chân không với vận tốc c = 3.108m/s, được đặc trưng bằng bước sóng l hay tần số dao động ν = c/l Thuyết sóng của ánh sáng giải thích được những hiện tượng liên quan với sự truyền sóng như giao thoa và nhiễu xạ nhưng không giải thích được những dữ kiện thực nghiệm về sự hấp thụ và sự phát ra ánh sáng khi đi qua môi trường vật chất. Năm 1900, M.Planck đưa ra giả thuyết: “ Năng lượng của ánh sáng không có tính chất liên tục mà bao gồm từng lượng riêng biệt nhỏ nhất gọi là lượng tử. Một lượng tử của ánh sáng (photon) có năng lượng là E=hν Trong đó E là năng lượng của photon ν : tần số bức xạ h = 6,626 .10-34 J.s - hằng số Planck. 7
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Năm 1905, Anhstanh đã dựa vào thuyết lượng tử đã giải thích thỏa đáng hiện tượng quang điện. Bản chất của hiện tượng quang điện là các kim loại kiềm trong chân không khi bị, khi bị chiếu sáng sẽ phát ra các electron; năng lượng của các electron đó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng chiếu vào mà phụ thuộc vào tần số ánh sáng. Anhstanh cho rằng khi được chiếu tới bề mặt kim loại, mỗi photon với năng lượng hν sẽ truyền năng lượng cho kim loại. Một phần năng lượng E0 được dùng để làm bật electron ra khỏi nguyên tử kim loại và phần còn lại sẽ trở thành động năng của electron Những bức xạ có tần số bé hơn tần số giới hạn sẽ không gây ra hiện tượng quang điện. Sử dụng công thức trên ta có thể tính được vận tốc của electron bật ra trong hiện tượng quang điện. 2. Mô hình nguyên tử Bohr Trong nguyên tử mỗi electron quay xung quanh nhân chỉ theo những quỹ đạo tròn đồng tâm có bán kính xác định. Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định của electron. Quỹ đạo gần nhân nhất ứng với mức năng lượng thấp nhất, quỹ đạo càng xa nhân ứng với mức năng lượng càng cao. Khi e chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng. Khi e chuyển từ quỹ đạo có mức năng lượng thấp sang mức năng lượng cao hơn thì nó hấp thụ năng lượng. Khi electron chuyển từ một mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp hơn thì xảy ra sự phát xạ năng lượng. Năng lượng của bức xạ hấp thụ hoặc giải phóng là Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy tử mức năng lượng thấp lên mức 8
Chương 1: Các kiến thức cơ bản năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể tạo ra hay hấp thụ các photon. Tập hợp các photon này tạo ra ánh sáng. 1.7. Minh hoạ tượng trưng 1 photon Bước sóng ( màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức. 3. Lƣỡng tính sóng hạt của các hạt vi mô Mô hình trên đều không giải thích được 1 số vấn đề thực nghiệm đặt ra. Nguyên nhân là do: - Không đề cập đến tính chất sóng của electron - Do đó coi quỹ đạo chuyển động của electron trong nguyên tử là quỹ đạo tròn có bán kính xác định. Năm 1924 nhà vật lý học người Pháp Louis De Broglie đã đưa ra giả thuyết: mọi hạt vật chất chuyển động đều có thể coi là quá trình sóng được đặc trưng bằng bước sóng l và tuân theo hệ thức Trong đó m - Khối lượng của hạt, kg v - Vận tốc chuyển động của hạt , m/s h - Hằng số Planck, h= 6,63.10-34 J.s Đối với hạt vĩ mô: m khá lớn (h =const) l khá nhỏ -> tính chất sóng có thể bỏ qua. 9
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Đối với hạt vi mô : m nhỏ (h =const) l khá khá lớn -> không thể bỏ qua tính chất sóng. Ví dụ : Một hạt có khối lượng m = 0,3 kg, vận tốc chuyển động V= 30m/s thì l của hạt là? Giải: Áp dụng hệ thức Louis De Broglie l của hạt vô cùng nhỏ nên bỏ qua tính chất sóng của hạt. 10
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 4. Nguyên lý bất định Heisenberg Không thể xác định đồng thời chính xác cả toạ độ và vận tốc của hạt, do đó không thể vẽ được chính xác quỹ đạo chuyễn động của hạt. Đây là hệ thức bất định Heisenberg Trong đó Δx Độ bất định (sai số) về toạ độ theo phương x Δvx Độ bất định (sai số) về vận tốc theo phương x Nếu Δx càng nhỏ thì Δvx càng lớn, nghĩa độ bất định về toạ độ càng nhỏ thì độ bất định về vận tốc càng lớn. Từ đây rút ra một kết luận quan trọng là không thể dùng cơ học cổ điễn để mô tả một cách chính xác quỹ đạo chuyển động của hạt vi mô như thuyết của Bohr mà phải sử dụng một môn khoa học mới là cơ học lượng tử. 1.1.5. Ánh sáng laser Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích" hoặc "khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức". Tính chất Trong thực tế, Laser là sự tạo ra một chùm hạt photon được phát xạ thỏa mản các điều kiện sau đây Tất cả các photon phát ra đều có cùng bước sóng giống nhau.(ta gọi đây là sự đơn sắc) Tất cả các photon đều có cùng pha dao động. Nói cách khác là các photon phải được tạo ra vào cùng một thời điểm như nhau. Tất cả các photon đều cùng phân cực theo một phương . Sự khác nhau giữa ánh sáng thƣờng và ánh sáng Laser Ánh sáng laser gồm nhiều photon cùng một tần số, đồng pha và bay gần như song song với nhau, nên có cường độ rất cao và chiều dài đồng pha của chùm sáng lớn. Tia laser thông dụng có thể có chiều dài đồng pha cỡ vài chục cm . Các tính chất này rất quý cho nhiều ứng dụng thực nghiệm. 11
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 1.2. Bản chất của sự nhìn thấy Chúng ta nhìn thấy được mọi vật xung quanh là do nguồn sáng chiếu vào vật đó rổi phản xạ vào mắt ta, nên ta thấy được vật đó. Các dao động của điện trường trong ánh sáng tác động mạnh đến các tế bào cảm thụ ánh sáng trong mắt người. 1.2.1. Cấu tạo của mắt Mắt giống như một máy ảnh. Nó có chức năng tạo ra một ảnh thật, nhỏ hơn vật, trên một lớp tế bào nhậy với ánh sáng, để từ đó tạo ra những tín hiệu thần kinh, đưa lên não. Tuy nhiên hệ thống quang học của mắt phức tạp hơn hệ thống quang học của máy ảnh rất nhiều. Bộ phận chính của mắt là một thấu kính hội tụ, trong suốt, mềm, gọi là thuỷ tinh thể. Độ cong của hai mặt thuỷ tinh thể có thể thay đổi được nhờ sự co giãn của cơ đỡ nó. Hình 1.8. Cấu tạo sơ lược mắt Đằng trước thuỷ tinh thể là một chất lỏng trong suốt, có chiết suất n = 1,333 gọi là thuỷ dịch. Đằng sau thuỷ tinh thể cũng là một chất lỏng trong suốt khác, có chiết suất n = 1,333, gọi là dịch thuỷ tinh. Mặt ngoài cùng của mắt là một màng mỏng trong suốt, cứng như sừng, gọi là giác mạc. Thành trong của mắt, phần đối diện với thuỷ tinh thể, gọi là võng mạc. Nó đóng vai trò như một màn ảnh, tại đó có các tế bào nhạy sáng, nằm ở đầu các dây thần kinh thị giác. 12
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Trên võng mạc, có một vùng nhỏ màu vàng, rất nhạy với ánh sáng, nằm gần giao điểm V của trục chính của mắt với võng mạc. Vùng này gọi là điểm vàng. Dưới điểm vàng một chút có điểm mù M là điểm hoàn toàn không nhạy sáng, vì tại đó các dây thần kinh phân nhánh và không có đầu dây thần kinh thị giác. Sát mặt trước của thuỷ tinh thể có một màng không trong suốt, màu đen (hoặc xanh hay nâu) gọi là màng mống mắt (hay lòng đen). Giữa màng mống mắt có một lỗ tròn nhỏ gọi là con ngươi. Tuỳ theo cường độ của chùm ánh sáng tới mà đường kính của con ngươi sẽ tự động thay đổi, để điều chỉnh chùm sáng chiếu vào võng mạc. ở ngoài nắng, con ngươi thu nhỏ lại; trong phòng tối, nó mở rộng ra. Một đặc điểm rất quan trọng về mặt cấu tạo của mắt là: độ cong ( do đó, tiêu cự) của thuỷ tinh thể có thể thay đổi được. Trong khi đó, khoảng cách từ quang tâm của thuỷ tinh thể đến võng mạc (d’ = OV) lại luôn luôn không đổi (d’ = 2,2cm). Võng mạc người được chia làm 2 lớp (xét về mặt chức năng) gồm lớp tế bào cảm nhận ánh sáng và lớp tế bào dẫn truyền xung thần kinh. Về tế bào học, võng mạc người chỉ có 2 loại tế bào: Tế bào gậy và tế bào nón. Hình 1.9. Phân bố các tế bào que và tế bào nón trong võng mạc Tế bào gậy có chức năng xác định về cấu trúc, hình thể vật , những hình ảnh trong tối. Có từ 75-150 triệu Rất nhạy cảmvới ánh sáng Cảm nhận trên dải rộng Ánh sáng ban ngày và đêm 13
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Cung cấp khả năng nhìn đêm Cảm nhận độ chói (cườngđộsáng) Độ phân giải cao Hình 1.10. Độ nhạy sáng của tế bào que và tế bào nón Tế bào nón có chức năng xác định rõ về màu sắc, độ sắc nét. Trong đó, tế bào nón lại được phân thành 3 loại, nhận cảm màu sắc ánh sáng tương ứng với 3 vùng quang phổ khác nhau Có từ 6-7 triệu Tập trung chủ yếu tại điểm vàng tại trung tâm võng mạc Cảm nhận trên dải hẹp Độ phân giải thấp Có 3 loại tế bào nón cảm nhận các tần số cảm nhận màu sắc 460 nm ( xanh lam ), 575 nm ( xanh lục), 625 nm ( đỏ) Chỉ có khả năng nhìn ban ngày Có 3 loại tế bào nón cảm nhận 3 vùng quang phổ khác nhau (tức ba màu sắc khác nhau). Sự kết hợp cùng lúc 3 tín hiệu từ 3 loại tế bào này tạo nên những cảm giác màu sắc. Tế bào cảm giác màu đỏ và màu lục có phổ hấp thụ rất gần nhau, do vậy mắt người phân biệt được rất nhiều màu nằm giữa màu đỏ và lục (màu vàng, màu da cam, xanh nõn chuối, ). Tế bào cảm giác màu lục và màu lam có phổ hấp thụ nằm xa nhau, nên mắt người phân biệt về các màu xanh không tốt. Để tạo ra hình ảnh màu trên màn hình, người ta cũng sử dụng 3 loại đèn phát sáng ở 3 vùng quang phổ nhạy cảm của người. 14
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Hình 1.11. Các tế bào nón hấp thụ các phổ Si(λ) có đỉnh tại các bước sóng 1.2.2. Các thuộc tính mô tả màu sắc Các màu được phân biệt dựa theo các thuộc tính: độ sáng, sắc độ, và độ bão hòa màu Độ sáng: đặc trưng cho độ rọi cảm nhận Đặc trưng màu ( Chrominance ) o Sắc độ( Hue ) . Là thuộc tính liên quan tới bước sóng chủ yếu trong hỗn hợp các bước sóng ánh sáng. . Đặc trưng cho màu sắc chủ đạo được người quan sát cảm nhận o Độ bão hòa ( Saturation ) . Đặc trưng cho độ thuần khiết tương đối . Phụ thuộc vào độ rộng của phổ ánhsáng . Thẻ hiện lượng màu trắng được trộnvới sắc độ o Hue và độ bão hòa gọi là đặc trưng màu( chromaticity ) 15
Chương 1: Các kiến thức cơ bản 24-bit RGB color cube RGB safe color cube Hình 1.12. Sự biểu diễn màu sắc Hầu hết mắt của các sinh vật nhạy cảm với bức xạ điện từ có bước sóng nằm trong khoảng từ 300 nm đến 1200 nm. Khoảng bước sóng này trùng khớp với vùng phát xạ có cường độ mạnh nhất của Mặt Trời. Các loài vật trên Trái Đất tiến hoá để thu nhận vùng bức xạ tự nhiên mạnh nhất đem lại lợi thế sinh tồn cho chúng. 16
Chương 1: Các kiến thức cơ bản Hình 1.13. Sự cảm nhận sai độ tương phản và hình dáng kích thước của mắt 17
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản 1.3. Góc khối 1.3.1. Khái niệm góc khối Hình 1.14. Góc khối Đơn vị đo góc khối là góc khối trương tại tâm của một hình cầu có bán kính r theo một phần trên bề mặt của hình cầu có diện tích r². Như vậy ta có 4π Sterađian trong hình cầu 1.3.2. Góc trông vật và năng suất phân li của mắt Góc trông vật AB có dạng một đoạn thẳng đặt vuông góc với trục chính của mắt, là góc tạo bởi hai tia sáng đi từ hai đầu A và B của vật qua quang tâm O của mắt. Muốn phân biệt được hai điểm A và B thì không những hai điểm đó phải nằm trong giới hạn nhìn rõ của mắt, mà góc trông đoạn AB phải đủ lớn. Thực vậy, khi đoạn AB ngắn lại, góc trông đoạn AB giảm đi, hai ảnh A’ và B’ của chúng trên võng mạc sẽ tiến lại gần nhau. Khi hai ảnh A’, B’ nằm trên cùng một đầu tế bào nhạy ánh sáng thì ta không còn phân biệt được hai điểm A và B nữa. Do đó, người ta gọi năng suất phân li của mắt là góc trông nhỏ nhất giữa hai điểm A và B mà mắt còn có thể phân biệt được hai điểm đó. Lúc đó hai ảnh A’ và B’ của chúng nằm tại hai tế bào nhạy sáng cạnh nhau trên võng mạc. Năng suất phân li của mắt phụ thuộc vào từng con mắt. Phép đo đạc thống kê cho ta kết quả 1.3.3. Sự lƣu ảnh trên võng mạc Sau khi tắt ánh sáng kích thích trên võng mạc, phải mất một khoảng thời gian cỡ 0,1s, võng mạc mới hồi phục lại như cũ. Trong khoảng thời gian đó, cảm giác sáng chưa bị mất và người quan sát vẫn còn thấy hình ảnh của vật. Đó là sự lưu ảnh trên võng mạc. Hiện tượng này được sử dụng trong chiếu bóng, trong vô tuyến truyền hình 1.4. Trắc quang 18
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản 1.4.1. Quang phổ 1. Quang phổ liên tục Nếu nguồn là một bóng đèn có dây tóc nóng sáng thì qua lăng kính ta thấy có một dải sáng có màu biến đổi liên tục từ đỏ đến tím. Đó là quang phổ liên tục của ngọn đèn Các vật rắn, lỏng hoặc khí có tỉ khối lớn khi bị nung nóng sẽ phát ra quang phổ liên tục. Mặt Trời là một khối khí có tỉ khối lớn phát sáng. Quang phổ của ánh sáng mặt trời là quang phổ liên tục. Trong quang phổ liên tục các vạch màu cạnh nhau nằm sát nhau đến mức chúng nối liền với nhau tạo nên một dải màu liên tục. Hình 1.15. Bước sóng tia hồng ngoại phát ra giảm khi nhiệt độ các vật bị nung nóng tăng. Một đặc điểm quan trọng của quang phổ liên tục là nó không phụ thuộc thành phần cấu tạo của nguồn sáng, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn sáng. Một miếng sắt và một miến sứ đặt trong lò, nung đến cùng một nhiệt độ sẽ cho hai quang phổ liên tục rất giống nhau. Ở nhiệt độ , vật bắt đầu phát sáng đỏ, nhưng rất yếu, nên mắt chưa cảm nhận được và vật vẫn tối. Nhiệt độ càng cao, miền phát sáng của vật càng mở rộng về phía ánh sáng có bước sóng ngắn của quang phổ liên tục. Các dây tóc bóng đèn có nhiệt độ khoảng từ 2500 K đến 3000K phát sáng khá mạnh ở vùng ánh sáng nhìn thấy và cho một quang phổ liên tục có đủ màu sắc từ đỏ đến tím. ánh sáng của các bóng đèn này là ánh sáng trắng. Nhiệt độ của bề mặt Mặt Trời khoảng 6000K. Vùng sáng mạnh của quang phổ liên tục của Mặt Trời nằm lân cận bước sóng , ánh sáng mặt trời là ánh sáng trắng. 19
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Hình 1.16. Phổ mặt trời Trên bầu trời có các ngôi sao màu sáng xanh. Nhiệt độ của các ngôi sao này càng cao hơn nhiệt độ của Mặt Trời rất nhiều. Người ta lợi dụng đặc điểm trên để xác định nhiệt độ của các vật phát sáng do nung nóng như nhiệt độ của dây tóc bóng đèn, hồ quang, lò cao, Mặt Trời, các sao v.v Muốn đo nhiệt độ của một vật bị nung nóng sáng, người ta so sánh độ sáng của vật đó với độ sáng của một dây tóc bóng đèn ở một vùng bước sóng nào đó (thường là đỏ). Nhiệt độ của dây tóc bóng đèn ứng với những độ sáng khác nhau đã hoàn toàn biết trước. 2. Quang phổ vạch phát xạ. Chiếu một chùm tia sáng do một đèn phóng điện chứa khí loãng (đèn hơi thuỷ ngân, đèn hyđrô, đèn natri v.v ) phát ra vào khe của một máy quang phổ, ta sẽ thu được trên tấm kính của buồng ảnh một quang phổ phát xạ của chất khí hoặc hơi kim loại đó. Quang phổ này bao gồm một hệ thống những vạch mầu riêng rẽ nằm trên một nền tối và gọi là quang phổ vạch. Quang phổ vạch phát xạ do các khí hay hơi ở áp suất thấp bị kích thích phát sáng ra. Có thể kích thích cho một chất khí phát sáng bằng cách đốt nóng hoặc bằng cách phóng một tia lửa điện qua đám khí hay hơi đó v.v Thực nghiệm cho thấy quang phổ vạch phát xạ của các nguyên tố khác nhau thì rất khác nhau về số lượng các vạch quang phổ, vị trí các vạch, màu sắc các vạch và độ sáng tỉ đối của các vạch đó. 20
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Như vậy, mỗi nguyên tố hoá học ở trạng thái khí hay hơi nóng sáng dưới áp suất thấp cho một quang phổ vạch riêng, đặc trưng cho nguyên tố đó. 3. Quang phổ vạch hấp thụ Chiếu một chùm sáng trắng do một đèn có dây tóc nóng sáng phát ra vào khe của một máy quang phổ ta thu được một quang phổ liên tục trên tấm kính của buồng ảnh. Nếu trên đường đi của chùm sáng ta đặt một ngọn đèn có hơi natri nung nóng thì trong quang phổ liên tục nói trên xuất hiện một vạch tối (thực ra là hai vạch tối nằm sát cạnh nhau) ở đúng vị trí của vạch vàng trong quang phổ phát xạ của natri. Đó là quang phổ hấp thụ của natri. Nếu thay hơi natri bằng hơi kali thì trên quang phổ liên tục xuất hiện những vạch tối ở đúng chỗ những vạch màu của quang phổ phát xạ của kali. Đó là quang phổ hấp thụ của kali. Quang phổ của Mặt Trời mà ta thu được trên Trái Đất là quang phổ hấp thu. Bề mặt của Mặt Trời (quang cầu) phát ra một quang phổ liên tục. ánh sáng từ quang cầu đi qua lớp khí quyển của Mặt Trời đến Trái Đất cho ta một quang phổ hấp thụ của khí quyển đó. Điều kiện để thu được quang phổ hấp thụ là nhiệt độ của đám khí hay hơi hấp thụ phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng phát ra quang phổ liên tục. 4. Hiện tƣợng đảo sắc các vạch quang phổ Có một hiện tượng đặc biệt liên hệ giữa quang phổ vạch hấp thụ và quang phổ vạch phát xạ của cùng một nguyên tố: hiện tượng đảo sắc. Hiện tượng này xảy ra như sau Giả sử đám hơi hấp thụ ở trong thí nghiệm trên được nung nóng đến nhiệt độ mà chúng có thể phát sáng, tuy nhiệt độ này vẫn còn thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng trắng. Trên kính ảnh của máy quang phổ, ta thu được quang phổ hấp thụ của đám hơi đó. Bây giờ ta đột nhiên tắt nguồn sáng trắng đi. Ta sẽ thấy biến mất nền quang phổ liên tục trên kính ảnh, đồng thời những vạch đen của quang phổ hấp thụ trở thành những vạch màu của quang phổ vạch phát xạ của chính nguyên tố đó. Đó là hiện tượng đảo sắc của vạch quang phổ. Thí dụ: trong quang phổ hấp thụ của hơi natri có một vạch đen kép nằm đúng vị trí của hai vạch vàng của natri. Vậy, ở một nhiệt độ nhất định, một đám hơi có khả năng phát ra những ánh sáng đơn sắc nào thì nó cũng có khả năng hấp thụ những ánh sáng đơn sắc đó. Quang phổ vạch hấp thụ của mỗi nguyên tố cũng có tính chất đặc trưng riêng cho nguyên tố đó. Vì vậy, cũng có thể căn cứ vào quang phổ vạch hấp 21
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản thụ để nhận biết sự có mặt của nguyên tố đó trong các hỗn hợp hay hợp chất. Đó là nội dung của phép phân tích quang phổ hấp thụ. Nhờ có việc phân tích quang phổ hấp thụ của Mặt Trời mà người ta đã phát hiện ra hêli ở trên Mặt Trời, trước khi tìm thấy nó ở Trái Đất. Ngoài ra người ta còn thấy có mặt của rất nhiều nguyên tố trong khí quyển Mặt Trời như hiđrô, natri, canxi, sắt v.v 5. Phép phân tích quang phổ và tiện lợi của phép phân tích quang phổ Phép phân tích thành phần cấu tạo của các chất dựa vào việc nghiên cứu quang phổ gọi là phép phân tích quang phổ. Trong phép phân tích quang phổ định tính, người ta chỉ cần biết sự có mặt của các thành phần khác nhau trong mẫu mà người ta cần nghiên cứu. Phép phân tích quang phổ định tính thì đơn giản và cho kết quả nhanh hơn các phép phân tích hoá học. Trong phép phân tích quang phổ định lượng, người ta cần biết cả nồng độ của các thành phần trong mẫu. Phép phân tích quang phổ hết sức nhạy. Người ta có thể phát hiện được một nồng độ rất nhỏ của chất trong mẫu (thường vào khoảng 0,002%). Nhờ phép phân tích quang phổ mà người ta đã biết được thành phần cấu tạo và nhiệt độ của các vật ở rất xa như Mặt Trời và các sao. 1.4.2. Khái niệm quang trắc Các hệ đo ánh sáng dựa trên cơ sở mô phỏng đáp ứng của mắt người với ánh sáng. Trắc quang là phép đo các đại lượng liên quan với ánh sáng trong vùng 400-700 nm. Phép trắc quang và quang kế sử dụng các đại lượng và đơn vị khác với bức xạ kế. Các hệ trắc quang dựa trên cơ sở các bộ thu có đáp ứng với năng lượng bức xạ theo kiểu như đáp ứng của mắt người. Người ta dùng một số rất lớn dữ liệu thống kê để tạo ra đường cong chuẩn mô tả đáp ứng phổ của mắt, gọi là đường quan sát chuẩn (hay đường đặc trưng cho quan sát chuẩn) (Standard observer curve hay Luminosity curve for the Standard observer) hay còn gọi là đường cong CIE (“Commision International de l’Eclairage” của Hội đồng “International Commision on Illumination”). 22
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Hình 1.17. đường quan sát chuẩn Lưu ý trên đồ thị đường cong chuẩn (độ trưng tương đối phụ thuộc bước sóng). Bước sóng 555nm là sáng nhất .Một nguồn có thể bức xạ một năng lượng bức xạ như nhau ở 555nm và 610nm, sẽ có độ sáng 0,5 khi hoạt động ở 610nm so với độ sáng 1 khi hoạt động ở 555 nm BẢNG ĐỘ TRƢNG TƢƠNG ĐỐI η (η = 1 Tại bƣớc sóng 555 nm) Bƣớc Độ Bƣớc Độ sóng trƣng sóng trƣng (nm) tƣơng (nm) tƣơng đối đối 410 0,001 570 0,952 420 0,004 585 0,870 430 0.012 595 0,757 443 0,023 600 0,631 450 0,038 610 0,503 460 0,060 621 0,381 470 0,091 630 0,265 480 0,193 640 0,175 490 0,208 650 0,107 500 0,323 660 0,061 510 0,503 670 0,032 520 0,710 680 0,017 530 0,862 690 0,008 540 0,954 700 0,004 550 0,995 710 0,002 560 0,995 720 0,001 23
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Dòng công suất quang được đo theo Lumen và ký hiệu F . Lumen có V nghĩa tương tự như đơn vị của công suất Watt nhưng dùng trong vùng bước sóng khả kiến Quan hệ giữa dòng công suất bức xạ và dòng công suất quang F = 683[lm/W].Φ η V e Với F : Dòng quang (lumen) V Φ : Dòng bức xạ (Watt) e 683 lm/W : Hằng số vật lý η : Độ trưng tương đối ở bước sóng đang xét Các đặc trƣng cơ bản: Năng lượng quang trưng (Luminous Energy): Q lumen.second (lm.s) v Dòng quang trưng: F = dQ /dt lumen (lm) v v 2 Mật độ dòng quang trưng chiếu xạ : E = dF /dA lm/m v v 2 Kích thích quang trưng: M = dF /dA lm/m v v 2 Cường độ sáng): I = dF /dω =E .R lm/sr v v v ω góc đặc ( góc khối) Sr (SteRadian) 2 Độ quang trưng-Luminance L = dF / (dω.dA.cosθ) lm/sr.m v v Độ quang trưng-Luminance L của một nguồn có cường độ I tại vị trí của v (θ) đầu thu L = I /a cosθ v (θ) t I : Cường độ bức xạ, là hàm số theo θ (góc giữa tia tới và pháp tuyến của (θ) diện tích bị chiếu xạ) a : Diện tích của nguồn bức xạ. t 1.4.3. Các đơn vị đo bức xạ Các khái niệm cơ bản 24
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản Radiant energy (năng lượng bức xạ) Q Joule e (J) Radiant Flux (dòng bức xạ) Φ = (dQ /dt)| Watt e e qua diện tích dA (W) Flux density (mật độ dòng quang tới /đvdt) 2 còn gọi là irradiance (độ rọi năng lượng): H = d Φ /dA (W/m ) e e Radiant Emittance (độ trưng năng lượng) là mật độ dòng kích thích trên bề mặt của nguồn được kiểm tra: 2 M = d Φ /dA (W/m ) e e Radiant Intensity (cường độ bức xạ) I = d Φ /dω (W/sr) e e 2 với dω = dA/R Steradian (sr) 2 Chú ý trường hợp nguồn điểm đẳng hướng I = Φ /4π = H R . e e e Radiance (công suất bức xạ trên đơn vị góc đặc và trên đơn vị diện tích) Lλ = d Φe/dωdAcosθ (W/sr.m2) Spectral Radiant Power (công suất bức xạ trên đơn vị bước sóng): Φλ = dQe/dλ (W/nm) Spectral Emittance (phổ kích thích, độ rọi phổ) Wλ = dMe/ dλ (W/m2.nm) Spectral Radiant Intensity: I = dI / dλ λ e (W/sr.nm) 2 Spectral Radiance L = dL / dλ (W/sr.m .nm) λ e Đơn vị ánh sáng và bức xạ điện từ có liên quan 1 năng jun J 1J = 1N.1m = 1m2.kg.s-2 lượng bức xạ 25
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản 2 công suất oát W 1W = 1J/1s = 1m2.kg.s-3 bức xạ (thông lượng bức xạ) 3 cường độ oát W/sr Oát trên steradian là cường độ bức xạ bức xạ trên của một nguồn điểm phát đều thông lượng sterad bức xạ 1 oát trong góc khối 1 steradian. ian 1W/sr = 1m2.kg.s-3 4 độ chói oát W/(sr. Oát trên steradian mét vuông là độ chói năng trên m2) năng lượng theo một hướng đã cho tại một lượng sterad điểm trên bề mặt có cường độ bức xạ của ian phân tố bề mặt ấy là 1 oát trên steradian và mét diện tích hình chiếu của phân tố lên mặt vuôn phẳng vuông góc với hướng trên là 1 mét g vuông. 1W/(sr.m2) = 1kg.s-3 5 năng suất oát W/m2 Oát trên mét vuông là năng suất bức xạ bức xạ trên tại một điểm trên bề mặt có thông lượng mét bức xạ từ một phân tố diện tích 1 mét vuôn vuông của bề mặt này là 1 oát. g 1W/m2=1kg.s-3 6 độ rọi oát W/m2 Oát trên mét vuông là độ rọi năng năng trên lượng ở một điểm trên bề mặt có thông lượng mét lượng bức xạ 1 oát chiếu lên phân tố diện vuôn tích 1 mét vuông của bề mặt đó. g 1W/m2=1kg.s-3 7 cường độ cande cd Candela là cường độ sáng theo một sáng la phương xác định của một nguồn phát ra bức xạ đơn sắc có tần số 540 x 1012 héc và có cường độ bức xạ theo phương đó là 1/683 oát trên steradian (CGPM lần thứ 16, 1979). Đơn vị cơ bản. 26
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản 8 độ chói cande cd/m2 Canđela trên mét vuông là độ chói của la một nguồn phẳng 1 mét vuông có cường độ trên sáng 1 candela đo theo phương vuông góc mét với nguồn. vuôn 1cd/m2 = 1m-2.cd g 9 quang lume lm Lumen là quang thông do một nguồn thông n sáng điểm cường độ 1 candela phát đều trong góc khối 1 steradian. 1lm = 1cd.1sr = 1cd 10 lượng lume lm.s Lumen giây là lượng sáng của quang sáng n giây thông 1 lumen tính trong thời gian 1 giây. 1lm.s = 1cd.s lume lm.h 1lm.h = 3 600 lm.s n giờ 11 năng suất lume lm/m2 Lumen trên mét vuông là năng suất phát sáng n trên phát sáng của một nguồn hình cầu có diện (độ trưng) mét tích mặt ngoài 1 mét vuông phát ra một vuôn quang thông 1 lumen phân bố đều theo mọi g phương. 1lm/m2 = 1m-2.cd 12 độ rọi lux lx Lux là độ rọi của một mặt phẳng nhận quang thông 1 lumen phân bố đều trên diện tích 1 mét vuông của mặt đó. 1lx = 1lm/1m2 = 1m-2.cd 13 lượng rọi lux lx.s Lux giây là lượng rọi ứng với độ rọi 1 giây lux trong thời gian 1 giây. 1lx.s = 1m-2.s.cd lux lx.h 1lx.h = 3 600 lx.s giờ 14 độ tụ một m-1 Một trên mét là độ tụ của một hệ quang (quang trên có tiêu cự 1 mét trong môi trường chiết lực) mét suất bằng 1. 1m-1 = 1m-1 27
Chương 1 : Các kiến thức cơ bản điôp dp Điôp là tên gọi khác của đơn vị một trên mét. 1dp = 1m-1 28
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1. Lịch sử phát triển Robot. Khái niệm Robot ra đời đầu tiên vào ngày 09/10/1922 tại NewYork, khi nhà soạn kịch người Tiệp Kh Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cổ máy hoạt động một cách tự động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó. Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc con người. Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo thành công tay máy đôi (master-slave manipulator). Đến năm 1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác động lên khâu cuối. Năm 1956 hãng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trong việc thám hiểm dại dương. Năm 1968 R.S. Mosher, của General Electric đã chế tạo một cỗ máy biết đi bằng 4 chân. Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vận hành bởi một hệ thống servo thủy lực. Năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế được Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh. Hình 1.1 Robot Shakey Năm 1970 con người đã chế tạo được Robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt của mặt trăng. 1
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác cũng tiến hành công tác nghiên cứu tương tự, tạo ra các Robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm biến và thiết bị giao tiếp người và máy. Hình 1.2. Robot hàn điểm Hình 1.3. Robot phẫu thuật (Nguồn KUKA, Inc) (Nguồn Accury, Inc) Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng được chế tạo nhỏ gọn hơn, thực được nhiều chức năng hơn, thông minh hơn. Một lĩnh vực được nhiều nước quan tâm là các Robot tự hành, các chuyển động của chúng ngày càng đa dạng, bắt chước các chuyển động của chân người hay các loài động vật như : bò sát, động vật 4 chân, Và các loại xe Robot (robocar) nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt (FMS). 2
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Hình 1.4. Mobile Robot và ứng dụng công nghệ xử lý ảnh (Nguồn SRI, Stanford, CA) Từ đó trở đi con người liên tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng trong quát trình tự động hoá sản xuất để tăng hiệu quả kinh doanh. Ngoài ra Robot còn được sử dụng thay cho con người trong các công việc ở môi trường độc hại, khắc nghiệt, Chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, quĩ đạo chuyển động, chất lượng điều khiển Tuỳ thuộc vào mục đích và phương thức tiếp cận, chúng ta có thể tìm hiểu lĩnh vực này ở nhiều khía cạnh khác nhau. Hiện nay, có thể phân biệt các loại Robot ở hai mảng chính : Các loại robot công nghiệp (cánh tay máy) và các loại robot di động (mobile robot). Mỗi loại có các ứng dụng cũng như đặc tính khác nhau. Ngoài ra, trong các loại 3
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp robot công nghiệp còn được phân chia dựa vào cấu tạo động học của nó : Robot nối tiếp (series robot) và robot song song (parallel robot). Hình 1.5. Robot song song 6 bậc tự do Merlet.( Nguồn : Dr. J. - P. Merlet và Prof. V. Hayward.) Chính công nghệ tiên tiến ở tất cả các lĩnh vực : cơ khí, vi mạch, điều khiển, công nghệ thông tin đã tạo ra nền tảng cũng như những thách thức lớn đối với khoa học nghiên cứu robot. Chính vì vậy, con người đã và đang tiếp tục phát triển và nâng cao mức độ hoàn thiện trong lĩnh vực đầy hấp dẫn này. 4
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Hình 1.6. Nguyên bản của Robot Hexapod TU Munich ( Nguồn : Prof. F. Pfeiffer, TSI Enterprises, Inc.) 1.2. Các ứng dụng của Robot. 1.2.1. Các ưu điểm khi sử dụng Robot. Các loại Robot tham gia vào qui trình sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt của con người, nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, năng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh tranh của sản phẩm tạo ra. Robot có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giản và hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của qui trình công nghệ. Sự thay thế hợp lý của robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công ở những nước mà nguồn nhân công là rất ít hoặc chi phí cao như : Nhật Bản, các nước Tây Âu, Hoa Kỳ Tất nhiên nguồn năng lượng từ robot là rất lớn, chính vì vậy nếu có nhu cầu tăng năng suất thì cần có sự hỗ trợ của chúng mới thay thế được sức lao động của con người. Chúng có thể làm những công việc đơn giản nhưng dễ nhầm lẫn, nhàm chán. Robot có khả năng nghe được siêu âm, cảm nhận được từ trường Bên cạnh đó, một ưu điểm nổi bậc của robot là môi trường làm việc. Chúng có thể thay con người làm việc ở những môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm. Ở những nơi như các nhà máy hoá chất, các nhà máy phóng xạ, trong lòng đại dương, hay các hành tinh khác thì việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng. 5
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp 1.2.2. Mộ số lĩnh vực ứng dụng. a. Ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất cơ khí. Trong lĩnh vực cơ khí, robot được ứng dụng khá phổ biến nhờ khả năng hạot động chính xác và tính linh hoạt cao. Các loại robot hàn là một ứng dụng quan trọng trong các nhà máy sản xuất ôtô, sản xuất các loại vỏ bọc cơ khí Hình 1.7. Robot hàn trong công nghệ sản xuất cơ khí. Ngoài ra người ta còn sử dụng robot phục vụ cho các công nghệ đúc, một môi trường nóng bức, bụi bặm và các thao tác luôn đồi hỏi độ tin cậy. Đặc biệt trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), Robot đóng vai trò rất quan trọng trong việc vân chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất với nhau. Hình 1.8. Ứng dụng Robot trong các hệ thống sản xuất linh hoạt. b. Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp. Các thao tác này thường được tự động hoá bởi các robot được gia công chính xác và mức độ tin cậy cao 6
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Hình 1.9. Robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp. c. Ứng dụng trong các hệ thống y học, quân sự, khảo sát địa chất. Ngày nay, việc sử dụng các tiện ích từ Robot đến các lĩnh vực quân sự, y tế, rất được quan tâm. Nhờ khả năng hoạt động ổn định và chính xác, Robot đặc biệt là tay máy được dùng trong kĩ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca phẫu thuật y khoa với độ tin cậy cao. Hình 1.10. Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh Ngoài ra, tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể khác mà Robot được thiết kế để phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng được các ưu điểm lớn của chúng đồng thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc. 1.3. Các khái niệm về Robot – Robot công nghiệp. Lĩnh vực nghiên cứu về Robot hiện nay rất đa dạng và phong phú. Trong 7
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp tài liệu này, chúng tôi chỉ trình bày các kiến thức chủ yếu trên các loại Robot công nghiệp, tức các cánh tay máy. Các bài toán cân bằng lực, các phương trình động học và động lực học là những nền tảng cơ bản để các bạn học viên có thể tiếp cận với chuyên nghành kĩ thuật Robot. 1.3.1. Định nghĩa về robot công nghiệp ( Industrial Robot ). Tuỳ thuộc mỗi quốc gia, tổ chức và mục đích sử dụng, chúng ta có nhiều định nghĩa về robot công nghiệp. Vì vậy trong nhiều tài liệu khác nhau, định nghĩa về robot công nghiệp cũng khác nhau. Theo từ điển Webster định nghĩa robot là máy tự động thực hiện một số chức năng của con người. Theo ISO ( International Standards Organization ) thì : Robot công nghiệp là tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình và điều khiển trợ động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng. Tuy nhiên Robot công nghiệp được định nghĩa như vậy chưa hoàn toàn thoả đáng. Theo tiêu chuẩn của Mỹ RIA ( Robot Institute of America ) định nghĩa robot là loại tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình đã được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hay các thiết bị chuyên dùng, thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau. Hình 1.11. Biểu diễn không gian của cánh tay máy 1.3.2. Các thành phần cơ bản của của Robot công nghiệp. Sơ đồ tổng quan cấu thành một Robot công nghiệp chuyên dùng : Cảm biến 8 Giao diện và Bộ điều khiển Nguồn Cánh tay
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp a. Cánh tay Robot (Robot Arm ): Là bộ phận cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bởi các khớp nối, các bộ truyền động như: Bộ truyền bánh răng, bộ truyền đai, bộ truyền trục vít- bánh ví, vít me- đai ốc Hình 1.12. Cánh tay Robot. b. Nguồn động lực: Các thiết bị tạo chuyển động cho Robot, có thể là các thiết bị khí nén, thuỷ lực, điện. Đối với các chuyển động cần độ chính xác cao, yêu cầu gọn nhẹ người ta có thể dùng các loại nguồn truyền động là các motor bước, các motor servo. 9
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Hình 1.13. Cấu tạo của motor một loại motor bước. c. Bộ điều khiển ( Controller ): Là thành phần quan trọng quyết định khả năng hoạt động và độ chính xác của Robot. Bộ phận này thông thường được tích hợp dưới dạng các board mạch điều khiển, có thể có các loại sau: IC diều khiển trung tâm (CPU) kết hợp với các card điều khiển phân theo modul. Các thiết bị điều khiển Robot sử dụng PLC ( Programable Logic Controller ). Sử dụng các bộ điều khiển PMAC ( Programable Multi-Axies Controller ). Các bộ điều khiển thiết kế theo các dạng điều khiển hiện đại như : Bộ điều khiển mờ, bộ điều khiển theo mạng neuron d. Cảm biến ( Sensor ): Là thiết bị chuyển các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện cung cấp cho hệ thống nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và độ chính xác trong điều khiển. Như vậy Robot chính là một hệ thống điều khiển kín với vòng hồi tiếp ( Feedback ) được thực hiện từ tín hiêu thu về từ cảm biến.Các loại cảm biến thường gặp như: Cảm biến quang Cảm biến vị trí và dịch chuyển. Cảm biến đo góc. Cảm biến vận tốc. Cảm biến gia tốc và rung. Cảm biến lực và biến dạng. Các cảm biến trên có thể cho tín hiệu tương tự Analogue hoặc tín hiệu số ( Digital ), ngoài ra còn sử dụng các bộ mã hoá vị trí, mã hoá góc dịch chuyển Encoder, Resolver e. Các chương trình: Các chương trình luôn tương thích với các bộ điều khiển. Chính vì vậy các loại ngôn ngữ để viết chương trình điều khiển cho Robot cũng kha đa dạng, có thể là ngôn ngữ viết cho vi xử lý (ngôn ngữ máy ), ngôn ngữ viết cho PLC (thuộc các hãng khác nhau ), hay các ngôn ngữ trên máy tính như: Pascal, C, C++, Visual Basic, Matlab 10
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp 1.3.3. Bậc tự do của Robot công nghiệp. a. Khái niệm: Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu để dịch chuyển được một vật thể nào đó trong không gian. Cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do nhất định. Nói chung, cơ hệ của một robot là một cơ cấu hở ( là cơ cấu có một khâu nối giá ). Chuyển động của các khâu trong robot thường là một trong hai khâu chuyển động cơ bản là tịnh tiến hay chuyển động quay. b. Xác định số bậc tự do của robot (DOF- Defree Of Freedom). Số bậc tự do của robot được xác định: W= 6n - ∑i.Pi W: Số bậc tự do của robot. n: Số khâu động. Pi: Số khớp loại i. Trong đó, khớp loại i là khớp khống chế i bậc tự do. Hình 1.14. Robot PUMA 6 bậc tự do. Ví dụ: Xác định số bậc tự do của robot sau: 11
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Hình 1.15. Bậc tự do của robot Xác định được số khớp loại 5 là 5 (4 khớp quay và một khớp tịnh tiến ), do đó n=5 và P5 =5 nên số bậc tự do của robot này: W= 6.5 – 5.5 = 5 bậc. Lưu ý: Hầu hết robot sử dụng khớp loại 5 ( khống chế 5 bậc tự do, chuyển động quay hoạc tịnh tiến ). Vì vậy số bậc tự do của nó cũng chính là số khâu động, robot có bậc tự do càng cao thì càng linh hoạt. Thông thường 3 bậc tự do đầu dùng để định vị, các bậc tự do sau để định hướng. 1.3.4. Hệ toạ độ trong robot. Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau ( links ) thông qua các khớp ( joints ) tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản ( hay hệ toạ độ chuẩn ). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Tại từng thời điểm hoạt động các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các toạ độ suy rộng còn lại là các biến khớp. Tất cả các hệ toạ độ dùng trong robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùng bàn tay phải co hai ngón út và áp út, ngón cái trỏ theo phương diện trục z, ngón trỏ theo phương diện trục x, ngón giữa hướng trục y. x4 o4 d2 θ4 θ5 y4 z4 θ3 z0 θ0 y0 12 x0
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Hình 1.16. . Hệ toạ độ của robot có n khâu. Các góc quay θ1, θ3, θ4, θ5 và độ dịch chuyển dài d2 là các toạ độ suy rộng ( các biến khớp ). Để khảo sát động học robot ta phải gắn trên mỗi khâu của robot một hệ toạ độ. Nguyên tắc chung để gắn hệ toạ độ sẽ được trình bày trong chương III trong khi xét đến phương trình động học của robot và bộ thông số Denavit- Hartenberg. Ví dụ: Xác định toạ độ cho robot SCARA (Robot có 4 bậc tự do ). d3 o0 y0 o1 y1 x2 o2 x0 z0 y2 x1 z1 z2 o3 x3 z3 y3 x4 o4 y4 z4 Hình 1.17. Xác định toạ độ cho các khâu của Robot Scara. 1.4. Phân loại Robot. 1.4.1. Robot công nghiệp. 1. Robot nối tiếp (series robot). Thực chất loại Robot này chính là các loại tay máy, các khâu và khớp nối của chúng được thiết kết liên tiếp nhau để hình thành nên các quĩ đạo chuyển động nhất định. Đối với loại robot này, chúng ta có nhiều cách phân loại khác nhau : a. Phân loại theo kiểu kết cấu. Robot kiểu toạ độ Đềcác. Tay máy có 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 phương của hệ tọa độ Đềcác trong không gian. 13
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Thường ứng dụng loại robot này trong việc vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng Hình 1.18. Robot kiểu toạ độ Đề các Robot kiểu toạ độ trụ. Vùng làm việc của robot này có dạng hình trụ rỗng Robot Versatran (hãng AFM, Hoa Kỳ) là một robot thuộc loại này. Hình 1.19. Robot kiểu toạ độ trụ Robot kiểu toạ độ cầu. Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu. Có hai loại cấu hình chính thuộc kiểu robot này : 3 khớp quay (RRR) 2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến ở khâu cuối (RRT) Hình 1.20. Robot kiểu toạ độ cầu Robot kiểu Scara. Robot có cấu trúc theo kiểu Scada ra đời từ năm 1979, tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản). Robot laọi này thường được ứng dụng trong các lĩnh vực lắp ráp, với cấu hình của 3 khâu đầu tiên là : RRT Hình 1.21. Robot kiểu Scara. b. Phân loại theo nguồn truyền động. Hệ truyền động điện. Hệ truyền động thuỷ lực. Hệ truyền động khí nén. c. Phân loại theo các ứng dụng. 14
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Hình 1.22. Phân loại các loại robot chuyên dùng. (Nguồn : Reis Robotics, ABB Flexible Automation, CMB Automation) 2. Robot song song (Parallel Robot). Các loại Robot thuộc nhóm này có các khâu chuyển động song song tương đối với nhau. Thông thường chúng gồm 1 đế cố định và 1 đế di động. Hình 1.23. Một sản phẩm robot song song (Nguồn : PRSC’s) Tuỳ thuộc vào số lượng các nhánh của robot song song mà ta có thể phân loại chúng với nhau. Một loại robot song song có 6 nhánh được sử dụng rất phổ biến là Hexapod. 1.4.2. Robot di động (Mobile Robot). 15
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Đây là hệ Robot có nhiều tính năng thông minh và linh hoạt trong quá trình ứng dụng nhờ khả năng di chuyển được theo lập trình. Hình 1.24. Mobile robot ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Hệ thống mobile robot là lĩnh vực thật sự hấp dẫn đối với các nhà nghiên cứu cũng như những người quan tâm, không chỉ nhờ những ưu điểm nổi bậc của nó mà còn ở tính đa dạng trong ứng dụng. Phân tích động học và động lực học mobile robot là những bài toán có mức độ phức tạp khác nhau, nó tuỳ thuộc vào kết cấu của robot cũng như yêu cầu về độ chính xác, tính thông minh trong xử lý tình huống Chúng ta xem xét một vài chuyển động mà con người mong muốn thiết kế các loại mobile robot + Chuyển động theo dạng trườn : + Chuyển động “slide” của các loài động vật bò sát. + Chuyển động chạy của động vật 4 chân. Loại chuyển động + Chuyển động đi bộ của con người. 16
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp Ngày nay con người đã hiện thực hoá được các ý tưởng này, mặc dù mức độ chính xác, độ tin cậy của mỗi loại, mỗi hãng sản xuất là khác nhau. Hình 1.25. Robot chuyển động bốn chân Hình 1.26. Mobile Robot tác vụ (Nguồn : AIBO, SONY, Nhật Bản) (Nguồn: SDR-4X, SONY, Nhật Bản) 17
Chương 1: Cơ sở điện học Chương 1 CƠ SỞ ĐIỆN HỌC 1.1. Nguồn gốc của dòng điện 1.1.1. Cấu tạo vật chất Khi nghiên cứu về thế giới xung quanh, các nhà khoa học cho rằng mọi vật đều được cấu tạo từ các phần tử nhỏ nhất không thể chia cắt. Theo thuyết nguyên tử thì nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của vật chất. Cuối thế kỉ 19, những cuộc tìm tòi và khảo sát khoa học đã chứng tỏ nguyên tử không phải là phần tử nhỏ nhất. Bằng thực nghiệm các nhà khoa học đã khẳng định sự tồn tại của electron trong nguyên tử, electron mang điện tích âm. Năm 1911, từ kết quả thí nghiệm, nhà Vật lí người Anh Rutherford đưa ra mẫu nguyên tử Rutherford nhưng còn những hạn chế trong việc diễn tả, giải thích các quá trình thuộc lĩnh vực vi mô. Năm 1913, nhà Vật lí Đan mạch Niel Bohr đưa ra mẫu nguyên tử mới trên cơ sở thừa nhận những thành công của Rutherford và đưa ra hai tiên đề:  Tiên đề 1 (tiên đề về các trạng thái dừng)  Tiên đề 2 ( tiên đề về tần số bức xạ) Đến nay, mọi người thừa nhận mỗi nguyên tử có cấu tạo gồm hạt nhân, quanh nó là các electron chuyển động trên những quĩ đạo xác định. Các electron sắp xếp trên những lớp vỏ kế tiếp nhau. Kể từ hạt nhân ra, các lớp vỏ được kí hiệu: K, L, M, N, O, P, Q; số lượng tử tương ứng là 1, 2, 3, , + + 7; mỗi lớp có số electron giới hạn. Hạt nhân mang điện tích dương gồm có neutron là hạt không mang điện, proton là hạt mang điện tích dương. Ví dụ: Cấu tạo của nguyên tử He như hình 1.1. Hình 1.1. Cấu tạo của nguyên tử He. Bình thường, nguyên tử ở trạng thái trung hòa điện, nghĩa là nguyên tử có số lượng proton bằng số lượng electron. 1.1.2. Điện tích Điện là một thuộc tính của hạt, lượng mang tính chất điện gọi là điện tích. Đơn vị đo điện tích được tính bằng Coulomb (C). Điện tích nguyên tố: e = 1,6.10-19 C. 3
Chương 1: Cơ sở điện học Từ nghiên cứu thực nghiệm dẫn đến qui ước gọi loại điện giống như loại điện xuất hiện trên thanh thủy tinh sau khi cọ xát vào lụa là điện dương, loại điện giống loại điện xuất hiện trên lụa là điện âm. Mọi vật chất đều có thể trở thành nhiễm điện nghĩa là có mang một điện tích. Một vật hay một phần tử của vật chứa n1e điện tích dương, -n2e điện tích âm thì điện tích toàn phần của nó là: q = (n1 - n2)e. (1.1) Bình thường, có n1 = n2 nên tổng đại số những điện tích trong một thể tích của vật bằng 0. Khi n1 ≠ n2, vật được gọi là vật mang điện tích. Ngoài các hạt cơ bản electron, proton, neutron, người ta còn phát hiện nhiều hạt cơ bản khác: positron (e+), hạt pi (π+, π0, π - ). Tổng quát, tổng điện tích của một hệ cô lập không đổi. Ngoài ra, độ lớn của một điện tích không thay đổi trong các hệ qui chiếu quán tính khác nhau. Do đó, độ lớn của một điện tích không phụ thuộc vào trạng thái đứng yên hay đang chuyển động của điện tích. Các hạt mang điện tương tác nhau: các hạt trái dấu hút nhau, các hạt cùng dấu đẩy nhau. Khi khảo sát các lực tương tác giữa những hạt tích điện, năm 1785, nhà vật lí người Pháp Coulomb đã phát hiện ra định luật sau và được gọi định luật Coulomb: Lực tương tác giữa hai điện tích điểm q1, q2 ở trạng thái đứng yên, cách nhau một khoảng r có: - Phương là đường thẳng nối giữa hai điện tích điểm. - Độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn các điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng và phụ thuộc vào môi trường. - Chiều là chiều của lực đẩy nếu hai điện tích cùng dấu, lực hút nếu hai điện tích trái dấu. Độ lớn lực tương tác giữa hai điện tích điểm q1, q2 ở trạng thái đứng yên, cách nhau một khoảng r được xác định theo định luật Coulomb: q q F K 1 2 (1.2a) r2 F: lực tương tác (N) q1, q2: điện tích (C) r: khoảng cách giữa hai điện tích điểm (m) Hằng số tỉ lệ K tùy thuộc hệ thống đơn vị. Hệ thống đơn vị SI: 1 K (1.2b) 4  0 r K = 9.109 Nm2/C2 Hệ thống đơn vị CGSE: K = 1 4
Chương 1: Cơ sở điện học Một nguyên tử trung hòa điện khi số lượng proton bằng số lượng electron. Một nguyên tử có số lượng proton khác số lượng electron thì trở thành ion: - ion dương khi số lượng proton lớn hơn số lượng electron. - ion âm khi số lượng proton nhỏ hơn số lượng electron. Ví dụ: - Một điện tử thoát li khỏi nguyên tử thì điện tử này được gọi là điện tử tự do, nguyên tử còn lại là ion dương. - Một nguyên tử khi mất điện tử trở thành ion dương còn nếu nguyên tử nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm. 1.1.3. Điện trường Năng lượng phân bố liên kết với điện tích cho chúng ta một hình ảnh về điện trường. Trong không gian xuất hiện một điện tích q thì nó tạo ra xung quanh có một điện trường lan truyền trong không gian. Tính chất cơ bản của điện trường là khi có một điện tích qt đặt trong điện trường thì điện tích đó chịu tác dụng của lực điện. Điện trường là dạng vật chất tồn tại xung quanh điện tích và tác dụng lên điện tích khác đặt trong nó. + - Hình 1.2. Biểu diễn chiều của đường sức. Chiều của đường sức là chiều từ điện tích dương sang điện tích âm. Người ta biểu diễn điện trường bằng các đường sức, mật độ các đường sức dùng để chỉ cường độ điện trường. F E (1.3) q t 5
Chương 1: Cơ sở điện học E: cường độ điện trường (V/m) F: lực điện trường (N) qt: điện tích (C) Vì điện tử mang điện tích âm nên lực tác động lên điện tử ngược chiều với điện trường hay nói cách khác, một điện tử tự do sẽ di chuyển ngược chiều với điện trường. 1.1.4. Điện thế - hiệu điện thế Trong trường thế của một điện tích q, một điện tích điểm qt đặt cách q một khoảng r, sẽ có thế năng: 1 qqt Wp . (1.4) 4  0r r Do đó, thế năng của một điện tích điểm qt tại một điểm bằng công của lực tĩnh điện khi dịch chuyển điện tích điểm qt từ điểm đó ra xa vô cực. Thế năng này chính là thế năng tương tác của hai điện tích q và qt. Nếu q, qt cùng dấu thì WP > 0. Nếu q, qt trái dấu thì WP < 0. Khi r → ∞ thì WP → 0 Tại cùng một điểm A của tĩnh điện trường những điện tích điểm khác nhau qt1, qt2, qt3, sẽ có thế năng WP1, WP2, WP3, , nhưng tỉ số: Wp1 Wp2 Wp3 1 q A (1.5) q t1 q t2 q t3 4  0r r φA được gọi là điện thế của điện trường tại điểm A. φA là một đại lượng đặc trưng cho tĩnh điện trường do điện tích điểm q tạo ra tại điểm A đang xét. Điện thế tại một điểm có trị số bằng công của lực điện trường tác dụng vào đơn vị điện tích dương khi điện tích này di chuyển từ điểm đó ra xa vô cực. A (1.6a) A q hay EdS (1.6b) A A Tương tự như nước chỉ chảy thành dòng giữa hai nơi có địa thế khác nhau, bằng thực nghiệm các nhà vật lí đã chứng tỏ rằng: các hạt A B mang điện tích chỉ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện giữa hai điểm có điện thế khác nhau. Ở mạch điện hình 1.3, tại A có điện thế VA, tại B có điện thế V . Để dịch chuyển điện lượng + - B q từ vị trí A sang vị trí B tức để tạo dòng điện từ Nguồn điện A sang B thì nguồn điện phải tạo ra một năng Hình 1.3. Mạch điện kín. 6
Chương 1: Cơ sở điện học lượng là UAB > 0. (UAB < 0 thì dòng điện có chiều từ B về A). UAB = VA – VB = - UBA (1.7) UAB, UBA gọi là hiệu điện thế giữa A và B. Ngoài ra, hiệu điện thế giữa A và B có thể kí hiệu là U, U1 .Điểm nối chung của mạch điện được chọn làm điểm gốc (điểm đất, điểm mass). Điểm này có điện thế bằng 0. Khi cho điểm A nối trực tiếp xuống mass thì điểm A có điện thế VA = 0. Kí hiệu nối mass, nối đất (Ground ≡ GND) GND Hình 1.4. Kí hiệu mass, GND. Đơn vị đo điện thế, hiệu điện thế: Volt (V) 1 kV (kilovolt) = 103 V = 1000 V 1 mV (milivolt) = 10-3 V = 0,001 V 1.1.5. Dòng điện Ở mạch hình 1.3, nếu có chênh lệch điện thế giữa A và B thì có sự dịch chuyển của các hạt mang điện theo một hướng xác định. Khi đó hình thành dòng điện chạy trong mạch. Ngược lại, không có chênh lệch điện thế giữa A và B thì không có sự dịch chuyển của các hạt mang điện nên không có dòng trong mạch. Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện. dq I (1.8) dt I: cường độ dòng điện (A) dq: điện lượng (C) dt: khoảng thời gian ngắn (s) Theo qui ước dòng điện có chiều từ dương sang âm. Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampere (A) 1 mA (miliampere) = 10-3 A 1 µA (microampere) = 10-6 A 1.2. Dòng điện một chiều Khi dòng điện và điện thế phân bố trong một hệ mạch không thay đổi theo thời gian thì mạch được xem như ở trạng thái tĩnh hay trạng thái DC (Direct Current state). 1.2.1. Định nghĩa Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và cường độ dòng điện không đổi theo thời gian. 1.2.2. Cường độ dòng điện Cường độ dòng điện đo bằng lượng điện tích của các hạt mang điện chuyển động có hướng qua tiết diện dây dẫn trong một đơn vị thời gian. 7
Chương 1: Cơ sở điện học dq I (1.9) dt I: cường độ dòng điện (A) dq: điện lượng (C) dt: khoảng thời gian ngắn (s) Dòng điện không đổi: Q I (1.10) t Q là tổng các điện tích đi qua tiết diện dây dẫn trong khoảng thời gian t. 1.2.3. Chiều của dòng điện Dòng điện trong mạch có chiều qui ước hướng từ nơi có điện thế cao sang nơi có điện thế thấp. Chiều của dòng điện ngược với chiều chuyển động của điện tử (ngược với chiều dịch chuyển của điện tích âm). Chiều của dòng điện cùng chiều dịch chuyển của điện tích dương. Theo qui ước: chiều của dòng điện là từ dương sang âm. 1.2.4. Nguồn điện một chiều Các loại nguồn một chiều: - Pin, acquy. - Máy phát điện một chiều. Khi sử dụng nguồn một chiều, cần biết hai thông số quan trọng của nguồn là điện áp làm việc và điện lượng. Điện lượng Q có đơn vị Ampere giờ (Ah). Điện lượng Q chỉ lượng điện đã được nạp và chứa trong nguồn. Thời gian sử dụng sẽ tùy thuộc cường độ dòng điện tiêu thụ và được tính theo công thức: Q t (1.11a) I Q: điện lượng (Ah) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian (h) Ví dụ: Nguồn điện một chiều có điện lượng 50 Ah, nếu dòng điện tiêu thụ là I = 1 A thì thời gian sử dụng tối đa là: Q 50 t = 50 (h) (1.11b) I 1 Theo lí thuyết nếu dòng tiêu thụ là 10 A thì thời gian sử dụng là 5 h hay nếu dòng điện tiêu thụ là 50 A thì thời gian sử dụng là 1 h. Thực tế thì khi dòng điện tiêu thụ lớn qua nội trở của nguồn sẽ sinh ra nhiệt lớn làm hư nguồn trước khi đạt thời gian sử dụng theo công thức trên. Để tránh hư nguồn thì phải giới hạn dòng điện tiêu thụ ở mức: 8
Chương 1: Cơ sở điện học Q I 10 (1.11c) Q: điện lượng (Ah) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian (h) Kí hiệu: Nguồn cố định: + - E , r E: sức điện động. r: điện trở trong (điện trở nội). VCC Nguồn điều chỉnh trị số được: VCC Hình 1.5. Kí hiệu của nguồn một chiều. - Nguồn một chiều: V, U, VCC, VBB, E, - Nguồn dương: +VCC - Nguồn âm: - VCC - Nguồn đối xứng: ±VCC 1.2.5. Cách mắc nguồn điện một chiều - Mắc nối tiếp. - Mắc song song. - Mắc hỗn hợp. Ví dụ: Mỗi nguồn có E = 1,5 V, Q = 4,5 Ah, r = 1 Ω. - Mắc nối tiếp. E, r E, r Etđ, rtđ + - + - + - Hình 1.6. Đoạn mạch có nguồn mắc nối tiếp. Ta có: Etđ = 3 V, Qtđ = 4,5 Ah, rtđ = 2 Ω. - Mắc song song. E, r Etđ, rtđ + - E, r + - + - Hình 1.7. Đoạn mạch có nguồn mắc song song. Ta có: Etđ = 1,5 V, Qtđ = 9 Ah, rtđ = 0,5 Ω. - Mắc hỗn hợp. 9
Chương 1: Cơ sở điện học E, r E, r - - + + Etđ, rtđ E, r E, r + - + - + - Hình 1.8. Đoạn mạch có nguồn mắc hỗn hợp. Ta có: Etđ = 3 V, Qtđ = 9 Ah, rtđ = 1 Ω. 1.2.6. Công – công suất Dòng điện chạy qua bóng đèn làm bóng đèn cháy sáng, chạy qua bếp điện, bàn ủi sinh ra nhiệt, chạy qua động cơ làm động cơ quay. Điều này có nghĩa là năng lượng điện có thể chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác: quang năng, nhiệt năng, cơ năng, .Như vậy dòng điện đã thực hiện được một công: A = U.I.t = R.I2.t (1.12) A: công của dòng điện được gọi là điện năng (J) (Joule) U: điện áp (V) I: cường độ dòng điện (A) t: thời gian dòng điện chạy (s) R: điện trở (Ω) 1 J = 1 Ws nhưng thực tế thường dùng Wh hay KWh. 1 KWh = 1000 Wh = 3600000 Ws. Công suất của dòng điện là công của dòng điện sinh ra trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu: P, đơn vị: Watt (W). P = U.I = RI2 (1.13) 1.3. Dòng điện xoay chiều Khi dòng điện và điện thế phân bố trong một hệ mạch thay đổi theo thời gian thì mạch được xem như ở trạng thái động hay trạng thái AC (Alternative Current state). 1.3.1. Định nghĩa Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện có chiều và cường độ dòng điện biến đổi theo thời gian một cách tuần hoàn với qui luật hình sin. 1.3.2. Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin Các đại lượng đặc trưng cho dòng điện xoay chiều hình sin gồm có: giá trị đỉnh (giá trị cực đại), giá trị trung bình, giá trị hiệu dụng, giá trị tức thời, chu kì, tần số, tần số góc, góc pha, pha ban đầu. . Dòng điện xoay chiều: i = I0 sinωt (A) có: - Giá trị đỉnh (giá trị cực đại) là I0. 10
Chương 1: Cơ sở điện học I - Giá trị hiệu dụng I 0 . (1.14a) 2 - Tần số góc ω = 2 f. (1.14b) 1 - Tần số là f . (1.14c) T 1 - Chu kì là T . (1.14d) f - Góc pha là 100 t rad. - Pha ban đầu bằng 0. - Giá trị tức thời tại thời điểm t là i. Ví dụ: * Dòng điện xoay chiều: i = 14,14sin100 t (A) có: - Giá trị đỉnh (giá trị cực đại) là 14,41 A. - Giá trị hiệu dụng 10 A. - Tần số góc100 rad/s. - Tần số là 50 Hz. - Chu kì là 0,02 s. - Góc pha là 100 t rad. - Pha ban đầu bằng 0. . Điện áp xoay chiều: u = U0 sinωt (V) có: - Giá trị đỉnh (giá trị cực đại) là U0. U - Giá trị hiệu dụng U 0 . (1.15a) 2 - Tần số góc ω = 2 f. (1.15b) 1 - Tần số là f . (1.15c) T 1 - Chu kì là T . (1.15d) f - Góc pha là 100 t rad. - Pha ban đầu bằng 0. - Giá trị tức thời tại thời điểm t là u. Ví dụ: * Điện áp xoay chiều: u = 311,1sin100 t (V) có: - Giá trị đỉnh (giá trị cực đại) là 311,1 V. - Giá trị hiệu dụng 220 V. - Tần số góc100 rad/s. - Tần số là 50 Hz. - Chu kì là 0,02 s. - Góc pha là 100 t rad. 11
Chương 1: Cơ sở điện học - Pha ban đầu bằng 0. Dòng điện xoay chiều i = I0 sinωt (A) chạy qua đoạn mạch chỉ có thuần điện trở R thì hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở là: u = U0 sinωt (V) (1.16) Dòng điện xoay chiều i = I0 sinωt (A) chạy qua đoạn mạch chỉ có tụ C thì hiệu điện thế giữa hai đầu tụ là: u = U0 sin(ωt - /2)(V) (1.17) Dòng điện xoay chiều i = I0 sinωt (A) chạy qua đoạn mạch chỉ có cuộn cảm L thì hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm L là: u = U0 sin(ωt + /2) (V) (1.18) Tóm lại: - Hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở thuần R cùng pha với dòng điện chạy qua điện trở R. - Hiệu điện thế giữa hai đầu tụ điện chậm pha hơn dòng điện chạy qua tụ điện một góc là /2. - Hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn cảm nhanh pha hơn dòng điện chạy qua cuộn cảm một góc là /2. 12
Chương 1: Cơ sở điện học CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Nêu cấu tạo của một nguyên tử ở trạng thái bình thường. Khi một nguyên tử không ở trạng thái trung hòa điện thì nó trở thành ion gì? 2. Điện tích là gì? Cho biết đơn vị đo điện tích. Xác định lực tương tác giữa các điện tích. 3. Điện trường là gì? Xác định vectơ cường độ điện trường. 4. Điện thế là gì? Phân biệt khái niệm điện thế, hiệu điện thế, mass (GND), kí hiệu của nó. 5. Dòng điện là gì? Dòng điện một chiều là gì? Dòng điện xoay chiều là gì? Xác định chiều của dòng điện trên mạch điện. Nêu công thức tính cường độ dòng điện. 6. So sánh pha của hiệu điện thế giữa hai đầu tải với pha của dòng điện chạy qua tải, nếu tải là: a. điện trở thuần. b. tụ điện. c. cuộn cảm. 7. Mỗi nguồn có sức điện động E, điện lượng Q, điện trở nội r. Nêu công thức tính Etđ, Qtđ, rtđ của đoạn mạch gồm hai nguồn mắc: a. nối tiếp. b. song song. 8. Cho mạch như hình 1.6. Với mỗi nguồn có E = 1,5 V, Q = 4,5 Ah, r = 1 Ω. Xác định Etđ, Qtđ, rtđ của đoạn mạch. 9. Cho mạch như hình 1.7. Với mỗi nguồn có E = 1,5 V, Q = 4,5 Ah, r = 1 Ω. Xác định Etđ, Qtđ, rtđ của đoạn mạch. 10. Cho mạch như hình 1.8. Với mỗi nguồn có E = 1,5 V, Q = 4,5 Ah, r = 1 Ω. Xác định Etđ, Qtđ, rtđ của đoạn mạch. 11. Nêu biểu thức liên quan giữa ba đại lượng: tần số góc, tần số, chu kì. 12. Cho biết giá trị cực đại, hiệu dụng, trung bình, đỉnh, tần số góc, tần số, chu kì dao động của dòng điện xoay chiều: i = 1,414sin100 t (A). 13. Cho biết giá trị cực đại, hiệu dụng, trung bình, đỉnh, tần số góc, tần số, chu kì dao động của điện áp xoay chiều: : u = 31,11sin100 t (V) 14. Ta nói điện áp xoay chiều 220 V để chỉ giá trị hiệu dụng hay giá trị cực đại của điện áp này? 15. Tại sao ta phải tính giá trị trung bình ứng với một bán kì của điện áp xoay chiều? Nêu công thức tính giá trị trung bình ứng với một bán kì của điện áp xoay chiều. 13
9/24/2009 Kỹ Thuật Nhiệt • Mã môn học: 074001 • Tên tiếng Anh: Thermo Engineering • Số tín chỉ: 02 • Thời khóa biểu: Thứ Sáu – Tiết 6,7 – Phòng B.205 Thứ Sáu – Tiết 8,9 – Phòng B.209 • Giảng viên: Th.S Trần Vũ Hải Đăng • Cellphone No.: 0909.89.35.39 • Email: haidangtranvu@gmail.com • Forum: Giáo Trình Học liệu bắt buộc: • [1]. Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, 2009. “Cơ sở kỹ thuật nhiệt”, NXB Giáo Dục. • [2]. Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú, 2009. “Bài tập Cơ sở kỹ thuật nhiệt” NXB Giáo Dục. Học liệu tham khảo: • [3]. Nguyễn Bốn, Hoàng Ngọc Đồng, 1999. “Nhiệt kỹ thuật”, NXB Giáo Dục. • [4]. Bùi Hải, Hoàng Ngọc Đồng, 1999. “Bài tập kỹ thuật nhiệt”, NXB Khoa học & Kỹ thuật. PHẦN 1 NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT 1
9/24/2009 Chương 1: Những khái niệm cơ bản & Phương trình trạng thái của môi chất ở thể khí 1.1. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ NHIỆT • Thiết bị Nhiệt: - Động cơ nhiệt - Máy lạnh / Bơm nhiệt Động cơ Nhiệt • Máy hơi, động cơ đốt trong, Tuabin hơi, Tuabin khí, động cơ phản lực, tên lửa, • Biến nhiệt năng thành cơ năng hoặc điện năng. • Nguyên lý: môi chất nhận nhiệt từ nguồn nóng, chuyển hóa 1 phần nhiệt năng thành cơ năng và nhả phần nhiệt còn lại cho nguồn lạnh rồi tiếp tục 1 chu trình mới. • Nguồn nóng: buồng đốt, phản ứng hạt nhân, bức xạ nhiệt, địa nhiệt, • Nguồn lạnh: không khí và nước trong môi trường 2
9/24/2009 Bơm nhiệt / Máy lạnh • Nguyên lý: Môi chất nhận nhiệt từ nguồn lạnh, đem nhiệt lượng đó cùng với phần năng lượng do bên ngoài hỗ trợ truyền cho nguồn nóng. • Năng lượng bên ngoài: Cơ năng, Điện năng, Nhiệt năng, Một số khái niệm và định nghĩa • Hệ thống nhiệt: tập hợp những đối tượng được tách ra để nghiên cứu các hiện tượng về nhiệt. Có thể chia thành hệ thống kín, hệ thống hở, hệ thống cô lập, hệ thống đoạn nhiệt, • Nguồn nhiệt: những vật trao đổi nhiệt với môi chất. Nguồn có nhiệt độ cao là nguồn nóng, nguồn có nhiệt độ thấp hơn là nguồn lạnh. • Môi chất: chất mà thiết bị dùng để truyền tải và chuyển hóa nhiệt năng với các dạng năng lượng khác. Thường dùng môi chất ở pha hơi (khí) vì có khả năng co dãn rất lớn. 1.2. SỰ THAY ĐỔI TRẠNG THÁI & CHUYỂN PHA CỦA ĐƠN CHẤT • Các quá trình: - Nóng chảy và đông đặc - Hóa hơi và ngưng tụ - Thăng hoa và ngưng kết • Các trạng thái: - Nước sôi (nước bão hòa) - Hơi bão hòa khô - Hơi bão hòa ẩm - Nước chưa sôi - Hơi quá nhiệt - Khí lý tưởng và khí thực 3
9/24/2009 1.3. THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MÔI CHẤT • 3 thông số trạng thái cơ bản trong nhiệt kỹ thuật: - Nhiệt độ - Áp suất - Thể tích riêng / Khối lượng riêng • Ngoài ra còn các thông số như nội năng, Entanpi, Entrôpi, Execgi. Nhiệt độ & Định luật nhiệt thứ không • Nhiệt độ biểu thị mức độ nóng / lạnh của môi chất. • Định luật nhiệt thứ không: Nếu t1= t3 và t2= t3 thì t1= t2 • Thang nhiệt độ bách phân Celcius (toC) • Thang nhiệt độ tuyệt đối:Kelvin (TK), Rankine (ToR), Fahrenheit (toF) • toC = TK – 273 = 5/9 (toF – 32) = 5/9 ToR – 273 Áp suất tuyệt đối • Áp suất tuyệt đối p là lực của môi chất tác dụng thẳng góc lên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc. • Đơn vị áp suất tuyệt đối thường dùng là N/m2 • Các đơn vị khác: bar, mmHg, mmH2O, atm. 2 • 1Pa=1N/m =1/9,81 mmH2O =1/133,32 mmHg =10-5 bar • 1 atm = 760 mmHg 4
9/24/2009 Áp suất tuyệt đối • p = pk + pd (p lớn hơn áp suất khí trời) • p = pk - pck (p nhỏ hơn áp suất khí trời) Trong đó: p : áp suất tuyệt đối pk: áp suất khí trời pd: áp suất dư pck: áp suất chân không Nội năng • Là tổng của nội động năng và nội thế năng • Ký hiệu: U (đối với Gkg), u (đối với 1kg) • Đơn vị: 1kJ = 0,239 kcal = 277,78.10-6 kWh = 0,948 BTU = 0,527 CHU Entanpi • Đối với 1 kg môi chất: i = u + p.v • Đối với G kg môi chất: I = G.i = U + p.V 5