Đo ánh sáng (Đo và giám sát môi trường)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
------------***------------

BÁO CÁO
ĐO VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG
Đề tài: Đo cường độ ánh sáng

Giảng viên hướng dẫn:
Lớp:
Sinh viên thực hiện:

PGS

Hà Nội, tháng 08/2022


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
------------***------------

BÁO CÁO
ĐO VÀ GIÁM SÁT MÔI TRƯỜNG

Đề tài: Đo cường độ ánh sáng

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.
Chữ ký của GVHD

Sinh viên thực hiện:

20
20
20
20

Lớp:

Hà Nội, tháng 08/2022


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: ÁNH SÁNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN....................................2
1. Khái niệm ánh sáng...........................................................................................2
2. Các loại ánh sáng...............................................................................................3
3. Ảnh hưởng của ánh sáng tới đời sống..............................................................6
4. Ánh sáng trong đo, giám sát môi trường.........................................................7
5. Các phương pháp đo cường độ ánh sáng.......................................................14
CHƯƠNG II: THIẾT BỊ ĐO ÁNH SÁNG - MÁY QUANG PHỔ UV – VIS.......29
1. Khái niệm.........................................................................................................29
2. Phân loại...........................................................................................................29
3. Cấu trúc máy đo...............................................................................................30
4. Nguyên lý..........................................................................................................33
5. Ứng dụng..........................................................................................................34
KẾT LUẬN................................................................................................................38
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................39

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Phổ điện từ........................................................................................................2
Hình 2: Quang phổ của tia cực tím, khả kiến và vùng hồng ngoại.................................3
Hình 3: Ánh sáng mặt trời.............................................................................................4
Hình 4: Ánh sáng mặt trăng...........................................................................................4
Hình 5: Ánh sáng đèn đường.........................................................................................5
Hình 6: Ánh sáng sinh vật (đom đóm)...........................................................................5
Hình 7: Vai trị của ánh sáng đối với con người............................................................6
Hình 8: Phản ứng quang học và mắt viễn thị.................................................................8
Hình 9: Hình dung về các thuật ngữ đo bức xạ..............................................................9
Hình 10: Sơ đồ minh họa steradian..............................................................................10
Hình 11: Sơ đồ khu vực sáng dự kiến..........................................................................11
Hình 12: Đo cường độ ánh sáng..................................................................................14
Hình 13: cấu trúc của 1 photodiode.............................................................................15
Hình 14: Một mạch tương đương của một photodiode (A) và đặc tính vơn-ampe của nó
(B)................................................................................................................................ 15
Hình 15: Cấu trúc của một diode quang PIN được kết nối với bộ chuyển đổi dòng điện
sang điện áp.................................................................................................................17
Hình 16: Cấu trúc đơn giản của sáu loại photodiode...................................................18
Hình 17: Nối photodiode ở chế độ quang điện với bộ khuếch đại không đảo (A); mạch
tương đương (B); và một đặc tính tải (C).....................................................................19
Hình 18: Sử dụng bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp (A) và đặc tính tần số (B).. .20
Hình 19: Đáp ứng của một photodiode với một mạch không bù..................................21
Hình 20: Chế độ hoạt động quang dẫn: (A) một sơ đồ mạch; (B) đặc tính tải.............22
Hình 21: Các dải năng lượng trong một phototransistor..............................................23
Hình 22: Một mạch tương đương của một Phototransistor..........................................23
Hình 23: Hiệu quả của máy dị phụ thuộc vào diện tích bề mặt a (A) hoặc diện tích A
của hệ thống lấy nét (B)...............................................................................................25
Hình 24: Cấu tạo của một quang trở (A) và một điện trở quang bọc nhựa có dạng hình

chi (B)......................................................................................................................26
Hình 25: Ví dụ về các ứng dụng của quang trở: (A) công tắc đèn và (B) đèn hiệu......28
Hình 26: Máy đo UV – VIS.........................................................................................29
Hình 27: Cấu trúc máy đo............................................................................................30
Hình 28: Đèn Deuterium (left), Đèn Halogen (right)...................................................31
Hình 29: Bộ chọn bước sóng.......................................................................................31
Hình 30: Hộp đựng mẫu..............................................................................................32
Hình 31: Đầu dị..........................................................................................................33
Hình 32: Nguyên lý máy đo UV – VIS........................................................................34
Hình 33: Phổ hấp thụ của Paracetamol........................................................................34
Hình 34: Ứng dụng phân tích định lượng....................................................................35
Hình 35: Ứng dụng phân tích định tính.......................................................................36
Hình 36: Ứng dụng phát hiện nhóm Benzene (left), Tolune (right).............................36


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ ánh sáng...........................................6
Bảng 2: Thuật ngữ đo bức xạ và quan trắc...................................................................12
Bảng 3: Bảng độ chiếu sáng của nguồn sáng tự nhiên gần đúng..................................12
Bảng 4: Bảng độ chói gần đúng của các nguồn sáng khác nhau..................................13


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

MỞ ĐẦU
Hiện nay, việc đo kiểm sốt các thơng số mơi trường là một vấn đề thiết yếu
ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống con người, sinh vật và các công trình nhân tạo.
Trong các thơng số mơi trường đó, ánh sáng là một thông số quan trọng trong việc

phát triển của sinh vật và cũng là nguồn năng lượng tái tạo phổ biến nhất. Do đó, cơng
nghệ đo và kiểm sốt cường độ ánh sáng là vấn đề vô cùng quan trọng và được coi là
một trong những vấn đề hàng đầu.
Được sự phân công của ………….. là tìm hiểu về đo cường độ ánh sáng và tìm
hiểu một loại máy có liên quan đến thơng số ánh sáng, qua đó giúp cho nhóm em tiếp
thu các kiến thức thực tế về các phương pháp đo ánh sáng, các yếu tố cần lưu ý về ánh
sáng.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn cơ ………….. đã tận tình giảng dạy, hướng
dẫn để nhóm có thể hoàn thành bài tập lớn này!

1


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

CHƯƠNG I: ÁNH SÁNG VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
1. Khái niệm ánh sáng
Ánh sáng là năng lượng bức xạ phân ly và là một thành phần tạo nên quang phổ
điện từ. Thuật ngữ quang phổ được dùng để mô tả phần ánh sáng của quang phổ điện
từ bao gồm không chỉ phần quang phổ nhìn thấy được (phát hiện bởi mắt) mà còn là
các vùng quan trọng trong quang điện tử của tia cực tím và tia hồng ngoại [1]. Tồn bộ
quang phổ điện từ là cực kỳ rộng, từ các sóng vơ tuyến năng lượng thấp với bước sóng
tính bằng mét, đến các tia gamma năng lượng cao có bước sóng nhỏ hơn 1 x 1011
mét. Bức xạ điện từ mô tả sự dao động của điện trường và từ trường, vận chuyển
năng lượng ở Tốc độ ánh sáng (~ 300.000 km / giây qua chân khơng).
Ánh sáng cũng có thể được mơ tả dưới dạng một dịng các photon, các dịng
năng lượng khơng khối lượng, mỗi dịng di chuyển với các đặc tính như sóng với tốc
độ ánh sáng. Một photon là đại lượng (lượng tử) năng lượng nhỏ nhất có thể được vận

chuyển, và việc nhận ra rằng ánh sáng truyền đi trong các lượng tử rời rạc là nguồn
gốc của Lý thuyết Lượng tử.
Ánh sáng được hiểu đơn giản trong việc đo cường độ ánh sáng là ánh sáng nhìn
thấy thường được dùng để chỉ bức xạ điện từ mà mắt người có thể phát hiện được.
Phổ điện từ được phân loại theo dải bước sóng và tần số được cho như trong hình 1.

Hình 1: Phổ điện từ

Quan sát thấy rằng trên thang đo này, quang phổ chỉ tạo thành một phần rất hẹp
trong tồn bộ phổ sóng điện từ. Hình 2 là hình sơ đồ mở rộng hiển thị chi tiết hơn về
2


Viện Điện

Đo và giám sát mơi trường

vùng tia cực tím, khả kiến (ánh sáng nhìn thấy) và vùng hồng ngoại. Theo quy ước,
bức xạ quang học thường được quy định theo bước sóng của nó. Bước sóng có thể
được xác định từ một tần số cụ thể thông qua phương trình sau:
λ = c/f.
CT1
Trong đó λ là bước sóng (m);
f là tần số (Hz);
c là tốc độ ánh sáng trong chân không (~2.99x108 ms-1).
Ưu tiên một đơn vị độ dài để chỉ định một bước sóng cụ thể trong vùng hiển thị
phổ là nanomet (nm). Các đơn vị khác cũng sử dụng chung đơn vị angstrom (Å) và
micromet hoặc micron. Chuyển đỗi giữ các đơn vị này về đơn vị chuẩn met như sau:
1 nm = 10-9 m
1 Å = 10-10 m

1 µm = 10-6 m

Hình 2: Quang phổ của tia cực tím, khả kiến và vùng hồng ngoại

Ánh sáng nhìn thấy vốn dĩ không khác với các phần khác của quang phổ điện
từ, ngoại trừ việc mắt người có thể phát hiện ra các sóng khả kiến. Thực tế, điều này
chỉ tương ứng với một dải rất hẹp của quang phổ điện từ, nằm trong khoảng từ 400nm
đối với ánh sáng tím đến 700nm đối với ánh sáng đỏ. Bức xạ thấp hơn 400nm được
gọi là Cực tím (UV) và bức xạ dài hơn 700nm được gọi là Hồng ngoại (IR), cả hai bức
xạ này đều không thể phát hiện được bằng mắt người [2].
2. Các loại ánh sáng
Phân chia theo nguồn phát sinh ánh sáng
Dựa vào sự phân loại này mà ánh sáng thành các loại như sau:
3


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Ánh sáng tự nhiên do mặt trời tạo ra sẽ được gọi là ánh nắng (hay còn được biết
đến với tên là ánh sáng trắng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc có khả năng biến thiên liên
tục từ sắc đỏ tới sắc tím).

Hình 3: Ánh sáng mặt trời

Ánh sáng tự nhiên do mặt trăng tạo ra mà mắt thường chúng ta có thể nhìn thấy
là ánh sáng thực tế. Đây là ánh sáng được phát sinh do mặt trời chiếu tới mặt trăng sau
đó phản xạ tới mắt người

Hình 4: Ánh sáng mặt trăng

Ánh sáng nhân tạo do đèn tạo ra thì được gọi là ánh sáng đèn.

4


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Hình 5: Ánh sáng đèn đường

Ánh sáng do loài vật ra phát sẽ được gọi là ánh sáng sinh học.

Hình 6: Ánh sáng sinh vật (đom đóm)

5


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Phân chia theo bước sóng
Bảng 1: Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ ánh sáng

Xét trên yếu tố này thì ánh sáng được phân thành các loại như sau:
Ánh sáng lạnh: Đây là những ánh sáng mà bước sóng tập trung ở gần
vùng quang phổ tím.

Ánh sáng nóng: Là loại ánh sáng mà bước sóng sẽ nằm ở gần vùng đỏ
3. ảnh hưởng của ánh sáng tới đời sống
Con người:
Ánh sáng có ảnh hưởng rất lớn đến với cơ thể của con người. Nó khơng chỉ cho
phép chúng ta nhìn thấy được mơi trường xung quanh. Mà chúng cịn kích thích, dẫn
đến thay đổi các mức độ về tâm trạng và hoạt động của chúng ta.
Đồng hồ sinh học của con người được kiểm sốt thơng qua ánh sáng.
Ánh sáng là đồng hồ kiểm soát nhịp điệu sinh học của chúng ta. Và ánh sáng
ban ngày đóng góp khơng hề nhỏ đến với sức khỏe. Trong tính chất của ánh sáng, các
bước sóng của ánh sáng trắng giải phóng nhẹ hàm lượng melatonin trong cơ thể.

Hình 7: Vai trò của ánh sáng đối với con người

6


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Sinh vật:
Ánh sáng là nguồn năng lượng, ảnh hưởng đến trao đổi chất, năng lượng và các
quá trình sinh lí trong cơ thể sống. Ánh sáng ảnh hưởng đến nhiệt độ, độ ẩm, khơng
khí, đất... Do vậy, ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sinh vật.
Ở động vật, ánh sáng giúp động vật định hướng trong không gian, ảnh hưởng
rất rõ rệt đến quá trình sinh trưởng ở động vật, …
Ví dụ: Ánh sáng giúp ong kiếm mật hoa; giúp chim di cư; Ở chim: Các loài
chim ăn sâu, ăn hạt thường bắt đầu hoạt động vào mờ sáng; các loài chim ăn thịt như
cò, vạc, cú mèo... thường kiếm ăn vào ban đêm; Ở thú: Trâu, bò, nai, ngựa.... hoạt
động vào ban ngày. Ngược lại cáo, chồn, sóc... lại thường hoạt động vào ban đêm.

Các tia sáng đỏ và xanh tím giúp cây xanh quang hợp tốt nhất.
Chính vì những điều kiện về ánh sáng, tầm quan trọng của ánh sáng đối với đa số
các sinh vật sống trên trái đất, thì việc đo và giám sát ánh sáng là một vấn đề, một lĩnh
vực khoa học và công nghệ cực kì quan trọng trong giới tự nhiên.
4. Ánh sáng trong đo, giám sát môi trường
4.1. Cách gọi của bức xạ quang
Khi mô tả ánh sáng và sự tương tác của nó với vật chất, 3 tính chất bức xạ điện
từ làm nó có 3 cách gọi là tia, sóng và lượng tử. Năng lượng bức xạ chủ yếu thể hiện
tính chất sóng khi ở bước sóng ngắn, tia X và năng lượng bức xạ ngắn chủ yếu qua
tính chất tia và cột lượng tử.
4.2. Đo bức xạ và quan trắc
Đo bức xạ là bộ môn khoa học và công nghệ đo lường bức xạ từ tất cả các bước
sóng trong quang phổ. Đơn vị cơ bản của đo công suất trong phép đo bức xạ là oát
(W).
Phép đo quang chỉ liên quan đến đo ánh sáng được phát hiện bằng mắt, tức là
bức xạ nằm trong khoảng giữa 380nm đến 750nm. Đơn vị của công suất trong
photomctry là lumen (lm).
Trong các phép đo bức xạ, máy dị lí tưởng là máy có một phản ứng phẳng với
bước sóng trong khi phép đo quang, máy dị lý tưởng có phản ứng quang phổ xấp xỉ
với mắt người bình thường. Để có được một phép đo nhất quán, kỹ thuật phản ứng mắt
quang học của con người được thành lập bởi ủy ban chiếu sáng quốc tế International
Commission on Illumination (CIE) vào năm 1924.

7


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Hình 8: Phản ứng quang học và mắt viễn thị

Hình 8 quan sát được cực đại màu xanh lá/ vàng một phần của quang phổ khả
kiến ở bước sóng 555nm. Đường cong chỉ ra rằng nó mất khoảng 10 đơn vị ánh sáng
xanh lam so với màu xanh lá để tạo ra hiệu quả khả năng hiện thị giống như người
bình thường.
Đường cong đứt gãy ở hình 8 ở bước sóng 507nm được gọi là phản ứng của
mắt viễn thị. Sự tồn tại của hai phản hồi xuất phát từ thực tế là phản ứng quang phổ
của mắt thay đổi ở mức độ ánh sáng rất thấp. Võng mạc của mắt người có 2 loại thụ
quang là tế bào hình nón và tế bào hình que. Hình nón chịu trách nhiệm chính cho nhìn
màu sắc và tập trung trong khoảng 0.3mm điểm đường kính, được gọi là fovea, ở trung
tâm của trường nhìn. Hình que khơng có trong hốc mắt nhưng lại phân bố rất nhiều ở
các vùng ngoại vi của võng mạc. Chúng khơng làm phát sinh phản hồi màu sắc song
lại có mức độ ánh sáng yếu hơn đáng kể và nhạy cảm hơn hình nón. Ở mức độ chiếu
sáng bình thường (quang phổ phản ứng) phản ứng của mắt được xác định bởi các tế
bào hình nón trong võng mạc khi ở mức độ ánh sáng rất thấp, các thụ thể hình que của
võng mạc lấy qua và gây ra sự dịch chuyển đường cong phản hồi đối với phản hồi
scotopic.
Trong trường hợp bình thường, các phép đo quan trắc quang dựa trên phản ứng
quang học CIE và tất cả các thiết bị đo quang phải có cảm biến phù hợp đối với phản
hồi này. Tại bước sóng 555 nm của phản ứng quang tử 1 watt của công suất bức xạ
được định nghĩa là tương đương với 680 lumen của công suất phát sáng.
Để chuyển đổi phép đo công suất đo bức xạ thành đo quang cả phản ứng quang
phổ của mắt và công suất quang phổ của nguồn sáng phải được tính đến. Sau đó
8


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

chuyển đổi bằng cách nhân năng lượng bức xạ ở mỗi ánh sáng với hệ số lumen/ watt
tương đối ở bước sóng đó và tính các kết quả. Trong các phần tử ngoại và hồng ngoại
của quang phổ mặc dù có mật độ cao về watt, giá trị quang tính về lumen bằng 0 do
mắt thiếu phản ứng trong các phạm vi đó. Tuy nhiên, cần phải nói rằng, có thể xem
bức xạ 900nm từ 1 GaAs laser hoặc 1.06 µm sự bức xạ từ 1 Nd: YAG laser vì trong
trường hợp này cường độ ánh sáng có thể đủ cao để tạo ra phản ứng trực quan. Nhưng
nguồn này không được khuyến nghị vì lý do an toàn và mật độ năng lượng cao hơn
mức độ vừa phải tiếp nhận ở mắt một cách thoải mái.
4.3.

Đơn vị đo lường

Có nhiều phép đo khả thi để xác định cường độ ánh sáng. Các đơn vị được sử
dụng để xác định thuật ngữ đo bức xạ và đo quang rất giống nhau. Các thuật ngữ được
sử dụng có tính đa dạng cho một phép đo quang. Các chỉ số dưới là e được sử dụng để
biểu thị một kí hiệu đo bức xạ và chỉ số dưới là v cho một kí hiệu đo ánh sáng. Hình
dung các thuật ngữ được xác định được đưa ra trong hình 9. Hình 10 minh họa về góc
đặt trong hình dung của hình 9.

Hình 9: Hình dung về các thuật ngữ đo bức xạ

9


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Hình 10: Sơ đồ minh họa steradian

4.3.1. Các thuật ngữ và đơn vị đo bức xạ điện từ
Thông lượng bức xạ hoặc năng lượng bức xạ, Øe - Tốc độ thời gian của năng
lượng bức xạ phát ra từ một nguồn sáng được thể hiện trong J s-1 hoặc W.
Bức xạ, Ee - Mật độ thông lượng bức xạ trên bề mặt. Đơn vị là W cm-2 .
Cường độ bức xạ, Ie - Tổng thơng lượng bức xạ trên một đơn vị góc có hướng.
Đơn vị là W sr-1.
Bức xạ thoát, Me - Tổng thơng lượng bức xạ chia cho diện tích bề mặt của
nguồn. Đơn vị là W cm-2.
Độ chói, Le - Cường độ bức xạ trên một một đơn vị diện tích đi qua, đi ra hoặc
đến bề mặt theo một hướng nhất định. Đơn vị là W cm-2 sr-1.
4.3.2. Các thuật ngữ và đơn vị đo quang
Các thuật ngữ trắc quan tương đương với đo bức xạ ở trên như sau.
Quang thông hoặc công suất øV - tốc độ thời gian của dòng lưu lượng năng
lượng phát ra từ nguồn sáng. Đơn vị là lm.
Độ rọi Ev - mật độ công suất phát sáng trên bề mặt. Đơn vị là lm cm -2. Lưu ý các
chuyển đổi đơn vị:

1 lm cm-2 = 1 phot
1 lm m-2 = 1 lux
1lm ft-2 = 1 footcandle

10


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Cường độ sáng Iv – Ánh sáng trên một góc cố định, đi theo một hướng nhất

định. Đơn vị lmsr-1. 1lmsr-1 = 1 cd.
Công suất phát sáng Mv – tổng flux ánh sáng chia cho diện tích bề mặt của
nguồn. Đơn vị là lm cm-2.
Độ chói Lv - Cường độ sáng trên một đơn vị diện tích, ở lại, đi qua hoặc đến
một bề mặt theo một hướng nhất định. Đơn vị là lm cm-2 sr-1 hoặc cd cm-2.
Về mặt toán học nếu diện tích của bộ phát có đường kính hoặc kích thước
đường chéo lớn hơn 0.1 khoảng cách của nó có thể coi là một nguồn phát sáng khu
vực. Độ sáng cũng được gọi là độ sáng trắc quan, và là một đại lượng được sử dụng
rộng rãi. Trong hình 11, khu vực dự kiến của nguồn, Ap thay đổi trực tiếp như cosin
của ϕϕ, tức là cực đại ở 0 hoặc bình thường đối với bề mặt và nhỏ nhất ở pi/2. Do đó:
Ap = AsCos ϕϕ

Hình 11: Sơ đồ khu vực sáng dự kiến
Độ chói khi đó là tỉ số giữa cường độ sáng Iv với vùng sáng dự kiến của
nguồn:
Luminance (Độ chói) =

luminousintensity
Iv
Iv
=
=
lm sr-1 trên đơn vị diện
projectted area
Ap
As cos ϕ

tích.
Từ 1lm sr-1 = 1 cd, tùy thuộc vào các đơn vị sử dụng, ta có:
1 cd cm-1 = 1 stilb

1/ ϕπ cd cm-2 = 1 lambert
1/ ϕπ cd ft-2 = 1 footlambert
Bảng 2 tóm tắt về phép đo, các thuật ngữ trắc quan với kí hiệu và đơn vị của chúng.

11


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Bảng 2: Thuật ngữ đo bức xạ và quan trắc

Một số giá trị tiêu biểu của chiếu sáng tự nhiên cùng với đơn vị được cho trong bảng
3. Bảng 4 cung cấp một giá trị gần đúng cho độ chói của các nguồn khác nhau.
Bảng 3: Bảng độ chiếu sáng của nguồn sáng tự nhiên gần đúng

12


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

Bảng 4: Bảng độ chói gần đúng của các nguồn sáng khác nhau

4.4.

Các phép đo thực tế

Đã có rất các cơng cụ thương mại có sẵn cho các phép đo bức xạ quang học.
Máy đo bức xạ là một công cụ thường sẽ sử dụng diode quang (photodiode),
ống quang (phototube), ống nhãn quang (photomultiplier) hoặc tế bào quang dẫn
(photocounductive) như máy dị của nó. Mỗi máy này có độ nhạy thay đổi theo bước
sóng. Do đó nó cần thiết cho các thiết bị hiệu chuẩn trên tồn bộ giải bước sóng cho
mà nó đã sử dụng. Để đo độ đơn sắc bức xạ thì đơn giản chỉ lấy độ nhạy và nhân lên
bằng hệ số thích hợp trong độ nhạy của máy dị tại bước sóng. Và từ đó kết quả tính
bằng năng lượng hoặc cơng suất thu được.
Để mơ tả đặc tính của nguồn sáng dải rộng, trong đó đầu ra đặc tính thay đổi
theo bước sóng thì trước tiên cần phải đo nguồn ở dải tần hẹp của bước sóng. Điều này
có thể đạt được bằng việc sử dụng một bộ lọc nhiễu đã hiệu chuẩn.
Máy đo quang phổ được thiết kế đặc biệt cho dải rộng các phép đo và có một bộ
đơn sắc ở phía trước của máy dị thực hiện chức năng cơ lập tất cả các bước sóng cần
đo. Chúng có thể được quét liên tục qua máy dị cơ sở như đối lập với các khoảng
khơng phân biệt được cung cấp bởi các bộ lọc.
Máy đo quang được thiết kế để thực hiện việc đo đạc các nguồn sáng. Nó
thường bao gồm một tế bào quang dẫn, diode quang silicon hoặc bộ nhãn quang có bộ
lọc tích hợp để khảo sát để điều chỉnh tổng quá trình của hệ thống theo chuẩn đường
cong phản ứng của mắt quang học.
Hiệu chuẩn hầu hết các dụng cụ đo quang học được sử dụng các tiêu chuẩn đèn
vonfram và các chất dẻo nhiệt đã được hiệu chuẩn. độ chính xác chuẩn của các tiêu
chuẩn đèn này thay đổi từ xấp xỉ sai số tuyệt đối +8% trong tia cực tím đến 59% trong
13


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

vùng hồng ngoại và gần. Hệ thống đo lường được hiệu chuẩn với các tiêu chuẩn này

thường sẽ có sai số tuyệt đối là 8 đến 10%. Nhận ra độ chính xác của việc đo quang
khá kém so với các đại lượng vật lý khác. Để có được độ chính xác với sai số 5% trong
một phép đo là rất khó khăn.
5. Các phương pháp đo cường độ ánh sáng
Nhắc lại, Cường độ ánh sáng Iv là thông số xác định năng lượng phát ra từ
một nguồn sáng theo hướng nhất định. Đơn vị Candela (cd).

Hình 12: Đo cường độ ánh sáng

Nguồn sáng phát ra 1 candela là cường độ sáng của nguồn sáng đó phát ra 1
lumen đẳng hướng trong một góc đặc. Nguồn ánh sáng có cường độ sáng 1 candela sẽ
phát ra 1lumen trên diện tích 1m2 tại khoảng cách là 1m kể từ tâm của nguồn sáng.
Cường độ ánh sáng được tính như sau:
I = Ф/ωω
Trong đó: Ф là Quang thơng, ω là diện tích chiếu sáng.
5.1. Photodiodes
Photodiode hay cịn gọi là diode quang là cảm biến quang học bán dẫn. Hoạt
động của một photodiode có thể được mơ tả như sau. Nếu tiếp giáp p-n được phân cực
thuận (cực dương của pin được nối với cực p) và được chiếu vào ánh sáng có tần số
thích hợp, thì mức tăng dòng điện sẽ rất nhỏ so với dòng điện tối. Nói cách khác, dịng
điện phân cực lớn hơn nhiều so với dòng điện do ánh sáng tạo ra. Nếu được phân cực
ngược (Hình 13), dòng điện sẽ tăng lên đáng kể. Các photon cản trở tạo ra các cặp
electron-lỗ trống ở cả hai phía của đường giao nhau. Khi các electron đi vào vùng dẫn,
14


Viện Điện

Đo và giám sát môi trường

chúng bắt đầu chảy về phía cực dương của pin. Tương ứng, các lỗ trống được tạo ra
chảy đến cực âm, nghĩa là xuất hiện dòng ip quang chảy trong mạch.

Hình 13: cấu trúc của 1 photodiode

Hình 14: Một mạch tương đương của một photodiode (A) và đặc tính vơn-ampe của nó (B).

Trong điều kiện tối, dịng điện rị I0 khơng phụ thuộc vào điện áp đặt vào và
chủ yếu là kết quả của sự sinh nhiệt của các hạt tải điện. Do đó, một mạch điện tương
đương điốt quang phân cực ngược (Hình 14A) chứa hai nguồn hiện tại và một mạng
RC. Quá trình cảm quang liên quan đến việc chuyển đổi trực tiếp năng lượng quang
học (ở dạng photon) thành tín hiệu điện (ở dạng electron). Nếu xác suất mà một
photon năng lượng hv sẽ tạo ra một điện tử trong một lần phát hiện là η, thì tốc độ
trung bình tạo ra các điện tử 〈r〈 cho một chùm công suất quang tới P được cho bởi

15