Giáo trình Cảm biến (Phần 1)

 1 
LỜI NÓI ĐẦU 
 “Cảm biến” trong tiếng Anh là sensor xuất phát từ chữ sense theo Nghĩa la 
tinh là cảm nhận.Từ ngày xưa người tiền sử đã nhờ vào các giác quan xúc giác đẻ 
cảm nhận ,tìm hiểu đặc điểm của thế giới tự nhiên và học cách sử dụng những hiểu 
biết đó nhằm mục đích khai thác thế giới xung quanh phục vụ cho công cuộc của 
họ .Trong thời đại phát triển của khoa học và kỹ thuật ngày nay con người không 
chỉ dựa vào các cơ quan xúc giác của cơ thể để khám phá thế giới . Các chức năng 
xúc giác để nhận biết các vật thể ,hiện tượng xảy ra trong thiên nhiên được tăng 
cường nhờ phát triển các dụng cụ dùng để đo lường và phân tích mà ta ngọi là cảm 
biến . Cảm biến được định nghĩa như những thiết bị dùng biến đổi các đại lượng 
vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được 
(như dòng điện,điện thế,điện dung ,trở kháng v.v) Nó là thành phần quan trọng 
nhất trong các thiết bị đo hay trong các các hệ thống điều khiển tự động . Có thể 
nói rằng nguyên lý hoạt động của một cảm biến ,trong nhiều trường hợp thực 
tế,cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động . 
Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát 
hiện, nhưng chỉ từ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiên rõ vai trò quan 
trọng trong các hoạt động của con người . Nhờ những thành tựu mới của khoa học 
và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu , thiết bị điện tử và tin học ,các cảm biến đã 
được giảm thiểu kích thước , cải thiên tính năng và ngày càng mở rộng pham vi 
ứng dụng, Giơ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng các cảm 
biến .Trúng có mặt trong các hệ thống tự động phứ tạp, người máy, kiểm tra trất 
lượng sản phẩm , tiết kiệm năng lượng , chống ô nhiễm môi trường . Cảm biến 
cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải , hàng tiêu dùng , 
bảo quả thực phẩm , ô tô ,trò chơi điên tử v.v 
Trong những năm ngần đây cảm biến đã trở thành một môn hoc bắt buộc của 
sinh viên vật lý kỹ thuật , những kỹ sư vật lý tương lai , những người đóng vai trò 
ứng dụng tiến bộ của khoa học vật lý vào kỹ thuật , công nghệ , sản xuất và đời 
sống . Cảm biến cũng là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của sinh viên đại học , sau 
đai học và cán bộ thuộc nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác . Nôi dung của giáo 
trình được chia thành các chương, trong đó mỗi chương đề cập một hoặc một vài 
loại cảm biến ( như cảm biến quang ,cảm biến nhiệt độ ,cảm biến vị trí và dịch 
chuyển ,cảm biến đo vận tốc ,lưu lượng và mức chất lưu, cảm biến trân không ,cảm 
biến điện hoá ,cảm biến đo thành phần khí v.v).Trong chừng mực giới hạn của 
tài liệu tham khảo cho phép ,đối với từng loại cảm biến ,chúng tôi giới thiệu 
nguyên lý cấu tạo , cơ chế hoạt 
 2 
MỤC LỤC 
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN ............................................................................................. 5 
CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN ................................... 6 
1. Khái niệm và phân loại cảm biến ......................................................................... 6 
1.1. Khái niệm ............................................................................................................ 6 
1.2. Phân loại cảm biến .............................................................................................. 6 
2. Đường cong chuẩn của cảm biến ............................................................................ 8 
2.1. Khái niệm ............................................................................................................ 8 
2.2. Phương pháp chuẩn cảm biến .............................................................................. 8 
3. Các đặc trưng cơ bản ............................................................................................... 9 
3.1. Độ nhạy của cảm biến ......................................................................................... 9 
3.2. Độ tuyến tính ..................................................................................................... 11 
3.3. Sai số và độ chính xác ....................................................................................... 11 
3.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp ........................................................................... 12 
3.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến ......................................................................... 13 
4. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến ........................................................................ 14 
4.1. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực ........................................................... 14 
4.2. Nguyên chế tạo cảm biến thụ động ................................................................... 16 
5. Mạch đo ................................................................................................................... 17 
5.1. Sơ đồ mạch đo ................................................................................................... 17 
5.2. Một số phần tử cơ bản của mạch đo .................................................................. 18 
CHƯƠNG II: CẢM BIẾN QUANG ............................................................................. 21 
1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng ........................................................................... 21 
1.1. Tính chất của ánh sáng ...................................................................................... 21 
1.2. Các đơn vị đo quang .......................................................................................... 22 
2. Cảm biến quang dẫn .............................................................................................. 24 
2.1. Hiệu ứng quang dẫn .......................................................................................... 24 
3.2. Các đặc trưng .................................................................................................... 27 
3.3. Đặc điểm và ứng dụng....................................................................................... 30 
4. Photođiot ................................................................................................................. 31 
4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................ 31 
4.2. Chế độ hoạt động .............................................................................................. 32 
4.3. Sơ đồ ứng dụng photodiot ................................................................................. 36 
5. Phototranzito .......................................................................................................... 37 
5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................ 37 
5.2. Độ nhạy ............................................................................................................. 38 
5.3. Sơ đồ dùng phototranzito .................................................................................. 39 
6. Cảm biến quang điện phát xạ ............................................................................... 41 
6.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ. ............................................................................ 41 
CHƯƠNG III: CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ ................................................................ 43 
1. Thang đo nhiệt độ .................................................................................................. 43 
2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo .................................................................... 44 
3. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ .............................................................................. 46 
3.1. Nhiệt kế giãn nở ............................................................................................... 46 
3.2. Nhiệt kế điện trở ................................................................................................ 47 
 3 
3.3. Cảm biến nhiệt ngẫu .......................................................................................... 52 
3.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp .............................................................................. 56 
4. Hoả kế ...................................................................................................................... 60 
4.1. Hoả kế bức xạ toàn phần ................................................................................... 60 
4.2. Hoả kế quang điện ............................................................................................. 61 
CHƯƠNG IV: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN ................................... 64 
1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển ....................................................................... 64 
2. Đieän thế kế đieän trở ............................................................................................ 64 
2.1. Điện thế kế dùng con chạy cơ học ..................................................................... 64 
2.2. Điện thế kế dùng con trỏ quang ......................................................................... 66 
2.3. Điện thế kế dùng con trỏ từ ............................................................................... 67 
3. Cảm biến điện cảm ................................................................................................. 68 
3.1. Cảm biến tự cảm ............................................................................................... 68 
4. Cảm biến điện dung ............................................................................................... 74 
4.1. Cảm biến tụ điện đơn ........................................................................................ 74 
4.2. Cảm biến tụ kép vi sai ....................................................................................... 76 
4.3. Mạch đo ............................................................................................................ 76 
5. Cảm biến quang ...................................................................................................... 77 
5.1. Cảm biến quang phản xạ ................................................................................... 77 
5.2. Cảm biến quang soi thấu ................................................................................... 77 
5.3. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi .................................................... 78 
5.4. Cảm biến sử dụng phần tử áp điện .................................................................... 79 
5.5. Cảm biến âm từ ................................................................................................. 80 
CHƯƠNG V: CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG ............................................................... 81 
1. Biến dạng và phương pháp đo .............................................................................. 81 
1.1. Định nghĩa một số đại lượng cơ học .................................................................. 81 
1.2. Phương pháp đo biến dạng ................................................................................ 81 
2. Đầu đo điện trở kim loại ........................................................................................ 82 
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................ 82 
2.2. Các đặc trưng chủ yếu ....................................................................................... 84 
3. Cảm biến áp trở silic .............................................................................................. 84 
3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................ 84 
3.2. Các đặc trưng chủ yếu ....................................................................................... 86 
4. Đầu đo trong chế độ động ...................................................................................... 87 
4.1. Tần số sử dụng tối đa ........................................................................................ 87 
4.2. Giới hạn mỏi ..................................................................................................... 87 
5. Ứng suất kế dây rung ............................................................................................. 87 
CHƯƠNG VI: CẢM BIẾN VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ RUNG .................................. 89 
1.Cảm biến đo vận tốc ............................................................................................... 89 
1.1. Nguyên lý đo vận tốc ........................................................................................ 89 
2. Tốc độ kế điện từ .................................................................................................... 89 
2.2. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc ....................................................................... 89 
2.3. Tốc độ kế dòng xoay chiều ................................................................................ 91 
2.4. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài ....................................................................... 92 
2.5. Tốc độ kế xung .................................................................................................. 93 
 4 
2.6. Tốc độ kế từ trở biến thiên ................................................................................ 93 
2.7. Tốc độ kế quang ................................................................................................ 95 
3. Máy đo góc tuyệt đối .............................................................................................. 96 
4. Đổi hướng kế ........................................................................................................... 96 
4.1. Đổi hướng kế dùng con quay hồi chuyển .......................................................... 96 
4.2. Đổi hướng kế quang .......................................................................................... 97 
5. Cảm biến rung và gia tốc ....................................................................................... 98 
5.1. Khái niệm cơ bản .............................................................................................. 98 
5.2. Gia tốc kế áp điện ............................................................................................ 101 
CHƯƠNG VI: CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT CHẤT LƯU .......................................... 104 
1. Áp suất và nguyên lý đo áp suất ......................................................................... 104 
1.1. Áp suất và đơn vị đo........................................................................................ 104 
1.2. Nguyên lý đo áp suất ....................................................................................... 104 
2. Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh ......................................... 106 
2.1. Áp kế vi sai kiểu phao ..................................................................................... 106 
2.2. Áp kế vi sai kiểu chuông ................ ... ịnh dạng 
và thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000oC. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên 
bề mặt và được phủ bằng một lớp kim loại. Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thuỷ 
tinh. 
Hình 3.7 Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh 
Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những 
biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 -10-3K. Kích thước cảm biến nhỏ có thể đo 
nhiệt độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tuỳ 
thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài 
độ đến khoảng 300oC. 
3.3. Cảm biến nhiệt ngẫu 
3.3.1. Hiệu ứng nhiệt điện 
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng 
nhiệt điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất 
hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt 
độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức 
điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu 
một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực 
xuất hiện một hiệu điện thế. Hiện tượng trên có thể giải thích như sau: 
Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ 
thuộc bản chất kim loại và nhiệt độ. Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện 
tử tăng. 
Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) 
và ở nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A là NA(t), trong B là NB(t), nếu NA(t0) > 
NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t). 
Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do NA(t) > NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử 
từ A → 1B và ở chỗ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t) có tác dụng cản 
trở sự khuếch tán. 
Khi đạt cân bằng eAB(t) sẽ không đổi. 
Hình 3. 8 Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu 
 53 
Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu 
điện thế eAB(t0). 
Giữa hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do 
đó cũng có sự khuếch tán điện tử và hình thành hiệu điện thế tương ứng trong A là 
eA(t,t0) và trong B là eB(t,t0). 
Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức 
sau: 
E AB= e AB (t) + e BA (t 0 ) + e A (t 0 , t) + e B (t, t 0 (3.13) 
Vì eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ngược chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có: 
E AB= e AB (t) + e BA (t 0 ) 
Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t0 khi đó sức điện động 
tổng: E AB= e AB (t 0 ) + e BA (t 0 ) = 0 
Hay: e BA (t 0 ) = −e AB (t 0 ) (3.14) 
Như vậy: E AB= e AB (t) − e AB (t 0 ) (3.15) 
Phương trình (3.15) gọi là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ 
phương trình(3.15)nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t0 = const thì: 
E AB= e AB (t) + C = f(t) (3.16) 
Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t0 = const biết trước làm nhiệt độ so sánh và đo 
sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định được nhiệt độ t ở mối hàn thứ 
hai. 
Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch 
một dây dẫn thứ ba (hình 3.9) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. 
Thật vậy: 
-Trong trường hợp a: 
E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) 
Vì: e AB (t 0 ) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) = 0 
 Nên: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) 
Hình 3.9 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba 
- Trường hợp b: 
E ABC (t, t 1 , t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) + e BC (t 1 ) + e CB (t 1 ) 
Vì: e BC (t 1 ) = −e CB (t 1 ) 
Nên: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) 
Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác nhau sẽ làm xuất hiện sức điện động ký sinh. 
 54 
3.3.2. Cấu tạo cặp nhiệt 
a. Vật liệu chế tạo 
Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. 
Tuy nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau: 
- Sức điện động đủ lớn (để dẽ dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp). 
- Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc. 
- Dễ kéo sợi. 
- Có khả năng thay lẫn. 
- Giá thành rẽ. 
Hình 3.10 biểu diễn quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của các vật liệu 
dùng để chế tạo điện cực so với điện cực chuẩn platin. 
Hình 3.10 Sức điện động của một số vật liệu chế tạo điện cực 
1) Telua 2) Chromel 3) Sắt 4) Đồng 5) Graphit 6) Hợp kim platin-rođi 
7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben 
- Cặp Platin - Rođi/Platin: 
Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch. 
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600oC , Eđ =16,77mV. Nhiệt độ 
làm việc dài hạn <1300oC. 
Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300oC thì E ≈ 0. 
Trong môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100oC. 
Đường kính điện cực thường chế tạo φ = 0,5 mm. 
Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tương đối nhỏ nên loại cặp nhiệt 
này thường được dùng làm cặp nhiệt chuẩn. 
- Cặp nhiệt Chromel/Alumel: 
Cực dương là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cực âm là 
Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si). 
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~1100oC, Eđ = 46,16 mV. 
Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900oC. 
Đường kính cực φ = 3 mm. 
 55 
- Cặp nhiệt Chromel/Coben: 
Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni. 
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800oC, Eđ = 66 mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn 
< 600oC. 
 - Cặp nhiệt Đồng/Coben: 
Cực dương là đồng sạch, cực âm là coben. 
Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC. Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC. 
Loại này được dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo. 
Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của một số cặp nhiệt cho ở hình 
3.11. 
Hình 3.11 Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu E-Chromel/Constantan 
R- Platin-Rodi (13%)/Platin J- Sắt/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin 
K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%) 
b. Cấu tạo 
Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp trình bày trên hình 3.12. 
Hình 3.12 Cấu tạo cặp nhiệt 
1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện 
5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây 
Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, 
hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ 
 56 
các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực người ta dùng 
các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và 
nhiệt ở nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) 
làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung 
đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt 
không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn 
ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp. 
3.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp 
Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua việc đo sức điện động sinh ra ở hai 
đầu dây của cặp nhiệt ngẫu. Độ chính xác của phép đo sức điện động của cặp nhiệt 
ngẫu phụ thuộc nhiều yếu tố. Muốn nâng cao độ chính xác cần phải: 
- Giảm thiểu ảnh hưởng của tác động của môi trường đo lên nhiệt độ đầu tự 
do. 
- Giảm thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy qua các phần tử của cảm biến 
và mạch đo. 
3.4.1. Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế 
a. Sơ đồ: 
Trên hình 3.13 biểu diễn sơ đồ đo thông dụng sử dụng milivôn kế từ điện. 
Khi nhiệt độ hai đầu tự do (2) và (3) bằng nhau thì sức điện động trong mạch 
chính là sức điện động của cặp nhiệt, nếu chúng khác nhau thì trong mạch xuất hiện 
suất điện động ký sinh ở các mối nối và làm sai lệch kết quả đo. Để đo trực tiếp 
hiệu nhiệt độ giữa hai điểm người ta dùng sơ đồ đo vi sai như hình 3.14. 
Trong sơ đồ này, cả hai đầu 1 và 2 của cặp nhiệt là đầu làm việc tương ứng 
với nhiệt độ t1 và t2. Kết quả đo cho phép ta xác định trực tiếp giá trị của hiệu số 
hai nhiệt độ t1- t2. 
 57 
Trường hợp nhiệt độ môi trường đo không khác nhiều nhiệt độ đầu tự do, để 
tăng độ nhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp n cặp nhiệt như hình 3.15. Sức 
điện động tổng của bộ mắc nối tiếp bằng nE AB (t, t 0 ) . 
b. Bù nhiệt độ đầu tự do: 
Thông thường cặp nhiệt ngẫu được chuẩn với t0 = 0oC ứng với: 
E AB (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) 
Nếu nhiệt độ đầu tự do bằng t '≠ 0 thì giá trị sức điện động đo được: 
Rút ra: 
Hay: 
Giá trị E AB (t, t0 ' ) là lượng hiệu chỉnh xác định từ thang chia độ của cặp 
nhiệt ngẫu đã dùng theo giá trị đo ở nhiệt độ đầu tự do t’0. 
Dưới đây trình bày một số phương pháp bù nhiệt độ đầu tự do. 
- Dùng dây bù: 
Để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ đối tượng đo lên đầu tự do có thể mắc 
dụng cụ đo theo sơ đồ hình 3.17. 
E = eAB (t) − eCA (t 0 ) + eBD (t 0 ) − eCD (t 0 ) 
Chọn dây dẫn C và D sao cho , khi đó: 
E = eAB (t) − eCD (t 0 ) Vì e(t0) = 0, nên: E = e AB (t) − e AB (t 0 ) 
Hình 3.17 Bù nhiệt độ đầu tự do bằng dây bù 
 58 
- Dùng cầu bù: 
Trên hình 3.18 giới thiệu sơ đồ dùng cầu bù tự động nhiệt độ đầu tự do. 
Hình 3.18 Cầu bù nhiệt độ đầu tự do 
Cầu bù gồm điện trở R1, R2, R3 làm bằng manganin (hợp kim chứa 
99,4%Cu, 0,6%Ni) có hệ số nhiệt điện trở bằng không, còn Rđ làm bằng đồng có 
hệ số nhiệt điện trở 4,25 ữ4,28.10-3oC-1. Khi nhiệt độ đầu tự do t0 = 0, cầu cân 
bằng UAB=0. Giả sử nhiệt độ đầu tự do tăng lên t’0, khi đó Rđ tăng lên làm xuất 
hiện một điện áp Ucđ. Người ta tính toán sao cho điện áp này bù vào sức điện động 
nhiệt một lượng đúng bằng lượng cần hiệu chỉnh, nghĩa là Ucđ = EAB(t’0,t0). Như 
vậy trên cửa vào của dụng cụ đo có điện áp: 
E AB (t, t0 ' ) + U cd= E AB (t, t 0 ) 
Sai số bù của cầu tiêu chuẩn khi nhiệt độ t0 thay đổi trong khoảng 0 - 50oC 
là ±3oC. 
c. Ảnh hưởng của điện trở mạch đo: 
Xét mạch đo dùng milivôn kế điện từ (hình 3.19) 
Hình 3.19 ảnh hưởng của điện trở mạch đo 
 59 
Gọi: Rt là điện trở của cặp nhiệt. 
Rd là điện trở dây nối. 
Rv là điện trở trong của milivôn kế. 
Khi đó điện áp giữ hai đầu milivôn kế xác định bởi công thức: 
Rút ra: 
Theo biểu thức (3.17) khi Rv >> Rt+Rd thì: E AB (t, t 0 ) ≈ Vm 
 - Ảnh hưởng của Rt: Đối với cặp cromen/alumen hoặc cặp cromen/coben có 
điện trở Rt khá nhỏ nên sự thay đổi của nó ít ảnh hưởng tới kết quả đo. Đối với cặp 
PtRd - Pt có điện trở Rt khá lớn (~ 15Ω) nên sự thay đổi của nó ảnh hưởng đáng 
kể tới kết quả đo. 
- Ảnh hưởng của Rd: thông thường Rd khá nhỏ nên ít ảnh hưởng tới kết quả 
đo. 
- Ảnh hưởng của RV : Rv = Rkd + Rf . 
Điện trở phụ Rf của milivôn kế thường chế tạo bằng vật liệu có αR = 0 nên 
không ảnh hưởng, sự thay đổi Rv khi nhiệt độ tăng chủ yếu do sự thay đổi của điện 
trở khung dây Rkd (chế tạo bằng đồng αR = 4,2.10-3/oC). Để giảm sai số nên 
chọn RP/Rkd lớn. 
3.4.2. Sơ đồ mạch đo xung đối dùng điện thế kế 
Trên hình 3.20 trình bày sơ đồ đo bằng phương pháp xung đối, dựa theo 
nguyên tắc so sánh điện áp cần đo với một điện áp rơi trên một đoạn điện trở. 
Hình 3.20 Sơ đồ đo bằng phương pháp bù 
Theo sơ đồ hình (3.20a) ta có: 
E X = I C R AB + I P (R d + R x + R G ) 
I C = I 0 + I P 
E X = (I 0 + I P )R AB + I P (R d + R x + R G ) 
 60 
Nếu EX = I0RAB thì IP = 0, tức là điện thế kế chỉ không, khi đó điện áp rơi 
trên AB bằng giá trị EX cần đo. 
Ta có: 
Nếu cố định được I0, L, R ta có Ex phụ thuộc đơn trị vào l tức là phụ thuộc 
vào vị trí con chạy của đồng hồ đo. 
Trên sơ đồ hình (3.20b), EM là một pin mẫu, RM là một điện trở mẫu bằng 
manganin. Khi đóng P vào K thì điện áp rơi trên RM được so sánh với pin mẫu. 
Nếu kim điện kế chỉ không thì không cần điều chỉnh dòng I0, nếu kim điện kế 
lệch khỏi không thì dịch chuyển Rđc để kim điện kế về không. Khi đo đóng P vào 
D và xê dịch biến trở R để kim điện kế chỉ không, khi đó Ex = UAB. 
4. Hoả kế 
Các cảm biến quang thuộc loại cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc, gồm: 
hoả kế bức xạ toàn phần, hoả kế quang học. 
4.1. Hoả kế bức xạ toàn phần 
Nguyên lý dựa trên định luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt 
đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật. 
Trong đó: σ là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối (K). 
Thông thường có hai loại: hoả kế bức xạ có ống kính hội tụ, hoả kế bức xạ có 
kính phản xạ. 
Hình 3.21 Hoả kế bức xạ toàn phần 
a) Loại có ống kính hội tụ b) Loại có kính phản xạ 
1) Nguồn bức xạ 2) Thấu kính hội tụ 3) Gương phản xạ 
4) Bộ phân thu năng lượng 5) Dụng cụ đo thứ cấp 
Trong sơ đồ hình (3.21a): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) qua thấu kính hội tụ 
đập tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo 
thứ cấp (5). 
 61 
Trong sơ đồ hình (3.21b): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới gương phản 
xạ và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với 
dụng cụ đo thứ cấp (5). 
Bộ phận thu năng lượngcó thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp 
cặp nhiệt, chúng phải thoả mãn các yêu cầu: 
+ Có thể làm việc bình thường trong khoảng nhiệt độ 100 - 150oC. 
+ Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây. 
+ Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đo. 
Hình 3.22 Bộ thu năng Lượng 
1) Cặp nhiệt 2)Lớp phủ platin 
nên hình 3.22 trình bày cấu tạo của một bộ thu là tổ hợp cặp nhiệt. Các cặp 
nhiệt (1) thöờng dùng cặp crômen/côben mắc nối tiếp với nhau. 
Các vệt đen (2) phủ bằng bột platin. 
Hoả kế dùng gương phản xạ tổn thất năng lượng thấp ( ~ 10%), hoả kế dùng 
thấu kính hội tụ có thể tổn thất tới 30 - 40%. Tuy nhiên loại thứ nhất lại có nhược 
điểm là khi môi trường nhiều bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm do đó tăng sai 
số. 
Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số thường không vượt quá 27oC, 
trong điều kiện: 
+ Vật đo phải có độ den xấp xỉ bằng 1. 
+ Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn 
1/16. 
+ Nhiệt độ môi trường 20 ± 2oC. 
4.2. Hoả kế quang điện 
Hoả kế quang điện chế tạo dựa trên định luật Plăng: 
Trong đó λ là bước sóng, C1, C2 là các hằng số. 
 62 
Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hoả kế quang học là so sánh cường độ sáng của 
vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và 
theo cùng một hướng. Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng 
bằng nhau. 
Hình 3.24 Sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào bước sóng và nhiệt độ 
Từ hình 3.24 ta nhận thấy sự phụ thuộc giữa I và λ không đơn trị, do đó 
người ta thường cố định bước sóng ở 0,65 . 
Hình 3.25 Sơ đồ hoả kế quang học 
1) Nguồn bức xạ 2)Vật kính 3) Kính lọc 4&6) Thành ngăn 
5) Bóng đèn mẫu 7) Kính lọc ánh sáng đỏ 8) Thị kính 
Khi đo, hướng hoả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ 
(1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sánh 
đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt. Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng 
đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ 
sáng của vật cần đo. 
Sai số khi đo: 
Sai số do độ đen của vật đo ω. Khi đó Tđo xác định bởi công thức: 
Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc + ∆T 
 63 
Giá trị của ∆T cho theo đồ thị. 
Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy 
nhiên sai số này thường nhỏ. Khi môi trVờng có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo 
cũng bị ảnh hưởng.