Bài giảng Đo lường-cảm biến - Nguyễn Đình Hoàng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG 
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ 
BÀI GIẢNG 
ĐO LƯỜNG - CẢM BIẾN 
Bậc học: CAO ĐẲNG 
 GV: Nguyễn Đình Hoàng 
 Bộ môn: Điện - Điện tử 
 Khoa: Kỹ thuật Công nghệ 
Quảng Ngãi, năm 2016 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG 
KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ 
BÀI GIẢNG 
ĐO LƯỜNG - CẢM BIẾN 
Bậc học: CAO ĐẲNG 
 SỐ TÍN CHỈ: 2 
 GV: Nguyễn Đình Hoàng 
 Bộ môn: Điện - Điện tử 
 Khoa: Kỹ thuật Công nghệ 
Quảng Ngãi, năm 2016 
 Lời nói đầu 
Nhằm đáp ứng cho việc giảng dạy môn Đo lường- Cảm biến bậc Cao Đẳng, tác giả đã 
biên soạn bài giảng này nhằm làm tài liệu học tập cho các lớp chuyên ngành Kỹ thuật 
Điện- Điện tử tại Đại học Phạm Văn Đồng. Tài liệu này được sử dụng cho sinh viên các 
lớp Cao đẳng với thời lượng 30 tiết (2TC). Tác giả hy vọng rằng đây sẽ là tài liệu thiết 
thực cho các bạn sinh viên. 
Trong quá trình biên soạn, chắc chắn tài liệu không tránh khỏi có những sai sót. 
Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ Nguyễn Đình Hoàng - Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ - 
Trường Đai học Phạm Văn Đồng. Xin chân thành cảm ơn. 
 Tác giả 
MỤC LỤC 
Chương 1: Những nguyên lý cơ bản, thuật ngữ và 
các đặc trưng đo lường bằng cảm biến. 1 
1.1 Các định nghĩa và đặc trưng chung. 1 
1.2 Cảm biến tích cực. 2 
1.3 Cảm biến thụ động. 5 
1.4 Các đại lượng ảnh hưởng. 6 
1.5 Sai số của phép đo. 10 
1.6 Giới hạn sử dụng cảm biến 12 
Chương 2: Cảm biến quang. 13 
2.1 Ánh sáng và phép đo quang. 13 
2.2 Tế bào quang dẫn. 16 
2.3 Photodiode. 22 
2.4 Phototransistor. 30 
Chương 3: Cảm biến nhiệt độ. 34 
3.1 Thang nhiệt độ. 34 
3.2 Nhiệt kế giãn nở 37 
3.3. Nhiệt kế điện trở 38 
3.4 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện 44 
Chương 4: Cảm biến vị trí và dịch chuyển 51 
4.1 Các loại biến trở dùng để đo độ dịch chuyển. 51 
4.2 Cảm biến điện cảm. 55 
4.3 Cảm biến điện dung. 61 
4.4 Encoder 65 
Chương 5: Cảm biến biến dạng 72 
5.1 Nguyên lý chung. 72 
5.2 Đầu đo điện trở kim loại 73 
5.3 Cảm biến áp trở silic 76 
Chương 6 : Cảm biến vận tốc 79 
6.1 Nguyên lý đo vận tốc 79 
6.2Tốc độ kế điện từ. 80 
6.3Tốc độ kế xung. 83 
Chương 7: Cảm biến đo lực 86 
7.1 Nguyên lý đo lực 86 
7.2 Cảm biến áp điện. 87 
7.3 Cảm biến từ giảo. 91 
7.4 Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển 93 
Chương 8 : Cảm biến đo áp suất 94 
 8.1 Áp suất và nguyên lý đo áp suất 94 
 8.2 Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cầu thủy tỉnh 96 
 8.3 Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng 99 
Tài liệu tham khảo 105 
1 
CHƯƠNG 1: NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN, THUẬT NGỮ VÀ CÁC 
ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG BẰNG CẢM BIẾN. 
1.1 Các định nghĩa và đặc trưng chung. 
1.1.1 Khái niệm 
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng 
không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được. 
Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ...) tác 
động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, 
dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng 
đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): 
 s = F(m) 
Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu 
vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép 
nhận biết giá trị của (m). 
1.1.2 Phân loại cảm biến 
Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau. 
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích (bảng 1.1). 
Bảng 1.1 
Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng-kích thích 
Hiện tượng 
vật lý 
 Nhiệt điện 
 Quang điện 
 Quang từ 
 Điện từ 
 Quang đàn hồi 
 Từ điện 
 Nhiệt từ 
 Hoá học Biến đổi hoá học 
 Biến đổi điện hoá 
 Phân tích phổ 
Sinh học Biến đổi sinh hoá 
Hiệu ứng trên cơ thể sống 
2 
Theo dạng kích thích (bảng 1.2). 
Bảng 1.2 
Âm thanh 
- Biên pha, phân cực 
- Phổ 
- Tốc độ truyền sóng 
Điện - Điện tích, dòng điện 
- Điện thế, điện áp 
- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) 
- Điện dẫn, hằng số điện môi  
Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) 
- Từ thông, cường độ từ trường 
- Độ từ thẩm 
Quang - Biên, pha, phân cực, phổ 
- Tốc độ truyền 
- Hệ số phát xạ, khúc xạ 
- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ 
Cơ - Vị trí – Lực, áp suất – Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng 
– Mô men – Khối lượng, tỉ trọng – Vận tốc chất lưu, độ nhớt 
Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng – Nhiệt dung, tỉ nhiệt 
Bức xạ - Kiểu – Năng lượng – Cường độ  
1.2 Cảm biến tích cực 
Là loại cảm biến có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. 
Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực 
Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến 
đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện. Dưới đây 
mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến. 
a.Hiệu ứng nhiệt điện 
Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại với nhau thành 
một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi đó trong mạch 
xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ 
giữa T1 và T2. 
3 
 Hình 1.1: Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 
Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường 
chọn T2 = 0 0C. 
b.Hiệu ứng hoả điện 
Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân 
cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối 
diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào 
độ phân cực của tinh thể hoả điện. 
 Hình 1.2: Hiệu ứng hoả điện 
Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta chiếu 
một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó 
tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V ta có thể xác định được 
thông lượng ánh sáng F. 
c. Hiệu ứng áp điện 
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến 
dạng dước tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những 
lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện. 
Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F. 
4 
 Hình 1.3. Hiệu ứng áp điện 
d.Hiệu ứng cảm ứng điện từ 
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một 
suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ 
với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ 
trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên 
của từ thông qua khung dây. 
 Hình 1.4. Hiệu ứng cảm ứng điện từ 
Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông 
qua việc đo suất điện động cảm ứng. 
e. Hiệu ứng quang điện 
- Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng 
ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ 
ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. 
- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện 
tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu 
lại nhờ tác dụng của điện trường. 
f. Hiệu ứng quang – điện – từ 
Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn 
được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và 
hướng bức xạ ánh sáng. 
5 
 Hình 1.5. Hiệu ứng quang – điện – từ 
g. Hiệu ứng Hall 
Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dòng điện chạy 
qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dòng điện I trong tấm một góc θ, sẽ 
xuất hiện một hiệu điện thế VH theo hướng vuông góc với B và I. Biểu thức hiệu điện thế 
có dạng: 
 VH = KH.I.B.sinθ 
Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu. 
 Hình 1.6. Ứng dụng hiệu ứng Hall 
Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật cần xác 
định vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời điểm, vị trí thanh nam châm 
xác định giá trị của từ trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật 
trung gian. Vì vậy, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc 
vào vị trí của vật trong không gian. 
1.3 Cảm biến thụ động 
Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M . tuyến tính hoặc 
phi tuyến. 
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy 
với đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện 
6 
của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ, hằng số điện môi ε). Vì vậy tác 
động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện 
hoặc đồng thời cả hai. 
Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển 
động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các cảm biến có phần tử chuyển động, 
mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng, cho nên đo trở 
kháng có thể xác định được vị trí của đối tượng. Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự 
biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng 
gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến 
dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên quan đến đại lượng cần đo. Xác định trở kháng 
ta có thể xác định được đại lượng cần đo. 
Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở 
kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ). Để chế tạo cảm 
biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong các đại lượng 
vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể. Khi đó có thể thiết lập 
được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến. 
Trên bảng 1.3 giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi tính chất điện 
của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến. 
Bảng 1.3 
Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng 
Nhiệt độ ρ 
Kim loại (Pt, Ni, Cu) ,Bán 
dẫn 
Bức xạ ánh sáng ρ Bán dẫn 
Biến dạng ρ ,Từ thẩm (μ) 
Hợp kim Ni, Si pha tạp Hợp 
kim sắt từ 
Vị trí (nam châm) ρ , từ thẩm Vật liệu từ điện trở:Bi, InSb 
1.4 Các đại lượng ảnh hưởng 
1.4.1 Đường cong chuẩn của cảm biến 
Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện 
(s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. 
Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m), hoặc 
bằng đồ thị như hình 1.7a. 
7 
 Hình 1.7. Đường cong chuẩn cảm biến 
a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính 
Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m 
thông qua giá trị đo được si của s. 
Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại 
lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b là 
các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình 1.7b). 
1.4.2 Phương pháp chuẩn cảm biến 
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được 
của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, 
trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức 
đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị 
tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn. 
 Hình 1.8. Phương pháp chuẩn cảm biến 
a. Chuẩn đơn giản 
Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một 
đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng 
ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là 
đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở 
đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách: 
8 
- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các 
phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao. 
- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường 
cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm biến 
với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh 
và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta 
xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. 
b. Chuẩn nhiều lần 
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc 
không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào 
giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng 
phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau: 
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng 
với điểm gốc, m=0 và s=0. 
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu 
vào. 
- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại. 
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng 
dần và đo giảm dần. 
1.4.3 Các đại lượng ảnh hưởng 
a. Độ nhạy của cảm biến 
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự 
liên hệ tuyến tính: 
 Δs = S.Δm (1.1) 
Đại lượng S xác định bởi biểu thức 
 S =


 (1.2) 
được gọi là độ nhạy của cảm biến. 
Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị 
mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến 
thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó: 
S = 
∆
∆
 m =   (1.3) 
9 
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ 
nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: 
- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó. 
- Thời gian sử dụng. 
- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường 
xung quanh. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với 
những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. 
 b. Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh 
Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với 
các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh 
định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác 
định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. 
Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc của đặc 
trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng  ... 
trưng bởi một mômen từ. Để giảm thiểu năng lượng tổng cộng, momen từ của các nguyên 
tử trong cùng một miền từ hoá tự nhiên (domen) phải hướng theo một hướng chung. 
Hướng chung này định hướng theo một số hướng ưu tiên của mạng tinh thể gọi là hướng 
dễ từ hoá. Hướng của các mômen từ trong các domen cạnh nhau không trùng nhau. 
Khi có từ trường ngoài H tác động, sự định hướng của mô men từ trong một domen 
theo một hướng chung tăng dần. Khi H nhỏ, các vách domen từ dịch chuyểnvà kích thước 
của các domen từ có hướng từ hoá thuận lợi trùng với hướng của từ trường bên ngoài tăng 
lên. Khi từ trường ngoài tăng lên đến mức nào đó xảy ra hiện tượng đảo hướng 
của các domen theo hướng từ trường ngoài. Khi từ trường ngoài đủ mạnh sẽ làm quay 
hướng dễ từ hoá của các domen từ theo hướng từ trường ngoài dẫn đến bảo hoà (hình 
7.8a). 
92 
- Hiện tượng từ trễ: Sau khi từ hoá lần đầu đến bảo hoà (H = Hm), nếu vẫn giữ nguyên 
phương từ trường và thực hiện một chu trình khép kín (Hm,0,-Hm,0) ta nhận được đường 
cong từ hoá như hình 7.8b gọi là đường cong từ trể với độ từ dư Br là kháng từ Hc. 
Hình 7.8 : Đường cong từ hoá 
a) Từ hoá lần đầu b) Chu trình từ trễ 
Khi trong vật liệu sắt từ có ứng lực, kích thước mạng tinh thể thay đổi, các hướng dễ 
từ hoá thay đổi dẫn đến làm thay đổi định hướng của các domen. Hiện tượng này gọi là 
hiệu ứng từ giảo nghịch. 
Trên hình 7.9 biểu diễn ảnh hưởng của ứng lực đến đường cong từ hoá của permalloy 
68. 
 Hình 7.9: Sự biến dạng của đường cong từ hoá dưới tác dụng của lực kéo 
93 
7.4 Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển 
Trong cảm biến loại này, lực cần đo tác dụng lên vật trung gian và gây nên sự thay đổi 
kích thước Δl của nó. Sự thay đổi kích thước được đo bằng một cảm biến dịch chuyển. 
Khi đó tín hiệu ra Vm và lực tác dụng được biểu diễn bằng biểu thức: 
V
F
=
V
Δl
Δl
F
Trong đó: 
- Vm/Δl gọi là tỉ số truyền đạt của cảm biến. 
- Δl/F gọi là độ mềm của vật trung gian. 
Vật trung gian là vòng đo lực, các dầm dạng console hoặc lò xo. 
Tuỳ theo điều kiện sử dụng có thể sử dụng nhiều loại cảm biến dịch chuyển khác nhau 
như: 
- Điện thế kế điện trở. 
- Cảm biến từ trở biến thiên. 
- Cảm biến tụ điện. 
94 
Chương 8: CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT 
8.1 Áp suất và nguyên lý đo áp suất 
8.1.1 Áp suất và đơn vị đo 
Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với 
diện tích của nó: 
p =
dF
ds
 (8.1) 
Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu), áp suất là một thông số 
quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng. Trong công nghiệp, việc đo áp 
suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng như giúp cho 
việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết bị có sử dụng chất lưu. 
Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất là pascal (Pa): 1 Pa là áp suất tạo bởi một 
lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m2 theo hướng pháp tuyến. 
Đơn vị Pa tương đối nhỏ nên trong công nghiệp người ta còn dùng đơn vị áp suất là 
bar (1 bar = 105 Pa) và một số đơn vị khác. 
Bảng 8.1 Trình bày các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng. 
Đơn vị 
áp suất pascal(Pa) bar(b) kg/cm 2 
Atmotsphe 
(atm) 
mm 
H2O mmHg mbar 
1Pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2 
1 bar 10-5 1 1,02 0,987 1,02.104 750 103 
1 kg/cm2 1,02.10-5 1,02 1 0,986 104 735 9,80.102 
1 atm 0,987.10-5 0,987 1,02.104 1 1,033.104 760 1,013.103 
1mmH2 O 1,02.10-1 
0,75.10
-2 104 1,033.104 1 0,0735 0,098 
1mmHg 0,75.10-2 750 735 760 0,0735 1 1,33 
1mbar 10-2 103 9,80.102 1,013.103 0,098 1,33 1 
95 
8.1.2 Nguyên lý đo áp suất 
Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh (pt): 
 p = pt (8.2) 
Do vậy đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình. 
Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh tại 
một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng (h) xác định theo công thức sau: 
 p = p0 +ρgh (8.3) 
Trong đó: 
p0 - áp suất khí quyển. 
ρ - khối lượng riêng chất lưu. 
g- gia tốc trọng trường. 
Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các phương pháp sau: 
- Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp. 
- Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên. 
Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình. Trong trường 
hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thuỷ tỉnh do cột chất lỏng mẫu tạo nên 
hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp suất gây ra. Khi 
sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang bị thêm bộ phận chuyển đổi 
điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến phải không đáng kể so với 
thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất. 
Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến 
dạng của thành bình. Biến dạng này là hàm của áp suất. 
Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (pt) và áp suất 
động (pđ) : 
 p = pt + pđ (8.4) 
96 
Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động, được đo 
bằng một trong các phương pháp trình bày ở trên. áp suất động do chất lưu chuyển động 
gây nên và có giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc chất lưu: 
 =

2
 (8.5) 
Trong đó ρ là khối lượng riêng chất lưu. 
Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp 
suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng. Do vậy, áp suất động được đo 
thông qua đo chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. Thông thường việc đo hiệu (p 
– pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống Pitot, trong đó cảm biến 
(1) đo áp suất tổng còn cảm biến (2) đo áp suất tĩnh. 
 Hình 8.1 : Đo áp suất động bằng ống Pitot 
Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặt 
sau của một màng đo (hình 8.2), như vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh 
lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. 
Hình 8.2: Đo áp suất động bằng màng 
1) Màng đo 2) Phần tử áp điện 
8.2 Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh 
Nguyên lý chung của phương pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất lưu với 
áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng làm việc trong áp kế. 
8.2.1 Áp kế vi sai kiểu phao 
Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F và bình nhỏ có 
tiết diện f (hình 8.3). Chất lỏng làm việc là thuỷ ngân hay dầu biến áp. 
97 
Khi đo, áp suất lớn (p1) được đưa vào bình lớn, áp suất bé (p2) được đưa vào bình nhỏ. 
Để tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác động về một phía người ta 
mở van (4) và khi áp suất hai bên cân bằng van (4) được khoá lại. 
Khi đạt sự cân bằng áp suất, ta có: 
 p1 – p2 = g(ρm –ρ)(h1-h2) 
Trong đó: 
g - gia tốc trọng trường. 
ρm - trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc. 
ρ - trọng lượng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo. 
Mặt khác từ cân bằng thể tích ta có: 
 F.h1 = f.h2 
Suy ra: 
h =
1
1 +
F
f
 (ρ − ρ)g
(p − p)(8.6) 
Khi mức chất lỏng trong bình lớn thay đổi (h1 thay đổi), phao của áp kế dịch chuyển 
và qua cơ cấu liên kết làm quay kim chỉ thị trên đồng hồ đo. Biểu thức (8.6) là phương 
trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai kiểu phao. 
 Hình 8.3. Áp kế vi sai kiểu phao 
Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa. Khi thay đổi tỉ 
số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta có thể thay đổi được phạm vi đo. 
98 
Cấp chính xác của áp suất kế loại này cao (1; 1,5) nhưng chứa chất lỏng độc hại mà khi 
áp suất thay đổi đột ngột có thể ảnh hưởng đến đối tượng đo và môi trường. 
8.2.2 Áp kế vi sai kiểu chuông 
Cấu tạo của áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng trong chất lỏng làm việc 
chứa trong bình (2). 
Hình 8.4. Áp kế vi sai kiểu chuông 
1) Chuông 2) Bình chứa 3) Chỉ thị 
Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân bằng 
(hình8.4a), khi có biến thiên độ chênh áp d(p1-p2) >0 thì chuông được nâng lên (hình 
8.4b). Khi đạt cân bằng ta có: 
 d(p1-p2).F = (dH+dy)Δf.g(ρm-ρ) (8.8) 
Với: 
 dh=dx+dy 
 d(p1-p2) =dh(ρm-ρ)g 
 Fdy =Δf.dH+(Ф-F)dx 
Trong đó: 
F - tiết diện ngoài của chuông. dH - độ di chuyển của chuông. 
dy - độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông. dx - độ dịch chuyển của mức chất 
lỏng ngoài chuông. Δf - diện tích tiết diện thành chuông. 
Φ - diện tích tiết diện trong của bình lớn. 
99 
dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông. 
f - diện tích tiết diện trong của chuông. 
Giải các phương trình trên ta có: 
dH =
f
∆f. g(ρ − ρ)
d(p − p) 
Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p1 – p2) nhận được phương trình đặc tính tĩnh của áp 
kế vi sai kiểu chuông: 
H =
f
∆f. g(ρ − ρ)
(p − p)(8.9) 
Áp kế vi sai có độ chính xác cao có thể đo được áp suất thấp và áp suất chân không. 
8.3 Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng 
Nguyên lý chung của cảm biến áp suất loại này dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi 
của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Các phần tử biến dạng thường dùng là 
ống trụ, lò xo ống, xi phông và màng mỏng. 
8.3.1 Phần tử biến dạng 
a. Ống trụ 
Sơ đồ cấu tạo của phần tử biến dạng hình ống trụ trình bày trên hình 8.5. ống có dạng 
hình trụ, thành mỏng, một đầu bịt kín, được chế tạo bằng kim loại. 
Hình 8.5: Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ 
a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí gắn cảm biến 
100 
Đối với ống dài (L>>r), khi áp suất chất lưu tác động lên thành ống làm cho ống biến 
dạng, biến dạng ngang (ε1) và biến dạng dọc (ε2) của ống xác định bởi biểu thức: 
ε = 1 −
v
2

p
Y
r
e
= kp 
ε = 
1
2
− v
p
Y
r
e
= kp 
Trong đó: 
p - áp suất. 
Y - mô đun Young. 
ν - hệ số poisson. 
r - bán kính trong của ống. 
e - chiều dày thành ống. 
Để chuyển tín hiệu cơ (biến dạng) thành tín hiệu điện người ta dùng bộ chuyển đổi điện 
(thí dụ cảm biến lực). 
b. Lò xo ống 
Cấu tạo của các lò xo ống dùng trong cảm biến áp suất trình bày trên hình 8.6. 
Lò xo là một ống kim loại uốn cong, một đầu giữ cố định còn một đầu để tự do. Khi 
đưa chất lưu vào trong ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng và 
đầu tự do dịch chuyển. 
Trên hình (8.6a) là sơ đồ lò xo ống một vòng, tiết diện ngang của ống hình trái xoan. 
Dưới tác dụng của áp suất dư trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn dưới tác dụng của áp suất 
thấp nó sẽ co lại. 
Hình 8.6: Lò xo ống 
101 
Đối với các lò xo ống thành mỏng biến thiên góc ở tâm (γ) dưới tác dụng của áp suất 
(p) xác định bởi công thức: 
∆γ = pγ
1 − v
Y
R
bh
1 −
b
a

α
β + x
 (8.10) 
Trong đó: 
ν - hệ số poisson. 
Y - mô đun Young. 
R - bán kính cong. 
h - bề dày thành ống. 
a, b - các bán trục của tiết diện ôvan. 
α, β - các hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của ống. 
x = Rh/a2 - tham số chính của ống. 
Lực thành phần theo hướng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b = 0,6 - 0,7) ở 
đầu tự do xác định theo theo biểu thức: 
N = pab 1 −
b
a

48s
ε + x
.
γ − sinγ
3γ − 4sinγ + sinγ. cosγ
= kp (8.11) 
Lực hướng kính: 
N = pab 1 −
b
a

48s
ε + x
.
γ − cosγ
γ − sinγ. cosγ
= kp (8.12) 
Trong đó s và ε các hệ số phụ thuộc vào tỉ số b/a. 
Giá trị của k1, k2 là hằng số đối với mỗi lò xo ống nên ta có thể viết được biểu thức xác 
định lực tổng hợp: 
N = k
 + k
 . p = kp (8.3) 
102 
Với 
k = k
 + k
 = f(a, b, h, R, γ) 
Bằng cách thay đổi tỉ số a/b và giá trị của R, h, γ ta có thể thay đổi được giá trị của Δγ 
, N và độ nhạy của phép đo. 
Lò xo ống một vòng có góc quay nhỏ, để tăng góc quay người ta dùng lò xo ống nhiều 
vòng có cấu tạo như hình (8.6b). Đối với lò xo ống dạng vòng thường phải sử dụng thêm 
các cơ cấu truyền động để tăng góc quay. 
Để tạo ra góc quay lớn người ta dùng lò xo xoắn có tiết diện ô van hoặc hình răng khía 
như hình 8.6c, góc quay thường từ 40 - 60
o
, do đó kim chỉ thị có thể gắn trực tiếp trên 
đầu tự do của lò xo. 
Lò xo ống chế tạo bằng đồng thau có thể đo áp suất dưới 5 MPa, hợp kim nhẹ hoặc 
thép dưới 1.000 MPa, còn trên 1.000 MPa phải dùng thép gió. 
c. Xiphông 
Cấu tạo của xiphông trình bày trên hình 8.7. 
Hình 8.7: Sơ đồ cấu tạo ống xiphông 
Ống xiphông là một ống hình trụ xếp nếp có khả năng biến dạng đáng kể dưới tác dụng 
của áp suất. Trong giới hạn tuyến tính, tỉ số giữa lực tác dụng và biến dạng của xiphông 
là không đổi và được gọi là độ cứng của xiphông. Để tăng độ cứng thường người ta đặt 
thêm vào trong ống một lò xo. Vật liệu chế tạo là đồng, thép cacbon, thép hợp kim ... 
Đường kính xiphông từ 8 - 100mm, chiều dày thành 0,1 - 0,3 mm. 
Độ dịch chuyển (d) của đáy dưới tác dụng của lực chiều trục (N) xác định theo công 
thức: 
103 
δ = N
1 − v
Yh
−
n
A − αA + αA +
Bh
R

 (8.14) 
Trong đó: 
h0 - chiều dày thành ống xiphông. 
n - số nếp làm việc. 
α - góc bịt kín. 
ν- hệ số poisson. 
A0, A1, B0 - các hệ số phụ thuộc Rng/Rtr, r/R+r. 
Rng, Rtr - bán kính ngoài và bán kính trong của xi phông. 
r - bán kính cong của nếp uốn. 
Lực chiều trục tác dụng lên đáy xác định theo công thức: 
N =
π
5
R + R)
∆p (8.15) 
d. Màng 
Màng dùng để đo áp suất được chia ra màng đàn hồi và màng dẻo. 
Màng đàn hồi có dạng tròn phẳng hoặc có uốn nếp được chế tạo bằng thép. 
Hình 8.8: Sơ đồ màng đo áp suất 
Khi áp suất tác dụng lên hai mặt của màng khác nhau gây ra lực tác động lên màng làm 
cho nó biến dạng. Biến dạng của màng là hàm phi tuyến của áp suất và khác nhau tuỳ 
thuộc điểm khảo sát. Với màng phẳng, độ phi tuyến khá lớn khi độ võng lớn, do đó thường 
chỉ sử dụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển của màng. 
Độ võng của tâm màng phẳng dưới tác dụng của áp suất tác dụng lên màng xác định 
theo công thức sau: 
104 
δ =
3
16
(1 − v)
pR 
Yh
(8.16) 
Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ hơn màng phẳng nên có thể sử dụng với độ 
võng lớn hơn màng phẳng. Độ võng của tâm màng uốn nếp xác định theo công thức: 
a =
δ
h
+
bδ
h
=
pR
Yh
 (8.17) 
Với a, b là các hệ số phụ thuộc hình dạng và bề dày của màng. 
Khi đo áp suất nhỏ người ta dùng màng dẻo hình tròn phẳng hoặc uốn nếp, chế tạo từ 
vải cao su. Trong một số trường hợp người ta dùng màng dẻo có tâm cứng, khi đó ở tâm 
màng được kẹp cứng giữa hai tấm kim loại. 
Hình 8.9: Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng 
Đối với màng dẻo thường, lực di chuyển tạo nên ở tâm màng xác định bởi biểu thức: 
N =
πD
12
p (8.18) 
Với D là đường kính ổ đỡ màng. 
Đối với màng dẻo tâm cứng, lực di chuyển tạo nên ở tâm màng xác định bởi biểu thức: 
 N =
()

p (8.19) 
Với D là đường kính màng, d là dường kính đĩa cứng. 
105 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Lê Văn Doanh, "Các bộ cảm biến kỹ thuật đo lường và điều khiển", NXB Khoa học 
Kỹ thuật, 2001 
[2] Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thành, Hoàng Sỹ Hồng, “Giáo trình đo lường và cảm 
biến đo lường”, NXB Giáo dục, 2005 
[3] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, "Cảm biến", NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000 
106