Kỹ thuật đo lường

Hà nội 6/ 2005
Đỗ L ơng Hùng
Phạm Thanh Huyền
Đào Thanh Toản
----- & -----
Bài giảng
kỹ thuật đo l ờng điện tử
Chuyên ngành: KTVT, KTTT, ĐKH-THGT

+
-
BomonKTDT-ĐHGTVT
2
Lời nói đầu:
Kỹ thuật Đo l ờng Điện tử là môn học nghiên cứu các ph ơng pháp đo
các đại l ợng vật lý: đại l ợng điện: điện áp, dòng điện, công suất, và đại
l ợng không điện: nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc
Bài giảng Kỹ thuật Đo l ờng Điện tử đ ợc biên soạn dựa trên các giáo
trình và tài liệu tham khảo mới nhất hiện nay, đ ợc dùng làm tài liệu tham
khảo cho sinh viên các ngành: Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Thông tin, Tự
động hoá, Trang thiết bị điện, Tín hiệu Giao thông.
Trong quá trình biên soạn, các tác giả đã đ ợc các đồng nghiệp đóng
góp nhiều ý kiến, mặc dù cố gắng sửa chữa, bổ sung cho cuốn sách đ ợc hoàn
chỉnh hơn, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế. Chúng
tôi mong nhận đ ợc các ý kiến đóng góp của bạn đọc.
Xin liên hệ:
DTT_PTH_DLH
3
BomonKTDT-ĐHGTVT
4
Ch ơng 1:

Khái niệm cơ bản trong
kỹ thuật đo l ờng
I. Định nghĩa và khái niệm cHung về đo l ờng
1. Định nghĩa về đo l ờng, đo l ờng học và KTĐL
a. Đo l ờng
Đo l ờng là một quá trình đánh giá định l ợng về đại l ợng cần đo để có
đ ợc kết quả bằng số so với đơn vị đo.
Kết quả đo đ ợc biểu diễn d ới dạng:
XoAX
Xo
X
A .==
trong đó: A: con số kết quả đo
X: đại l ợng cần đo
Xo: đơn vị đo
b. Đo l ờng học
Đo l ờng học là ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo các đại l ợng
khác nhau, nghiên cứu mẫu và đơn vị đo.
c. Kỹ thuật đo l ờng (KTĐL)
KTĐL là ngành kỹ thuật chuyên môn nghiên cứu để áp dụng kết quả của
đo l ờng học vào phục vụ sản xuất và đời sống xã hội.
2. Phân loại cách thực hiện phép đo
a. Đo trực tiếp là cách đo mà kết quả nhận đ ợc trực tiếp từ một phép đo duy
nhất. Nghĩa là, kết quả đo đ ợc chính là trị số của đại l ợng cần đo mà không
phải tính toán thông qua bất kỳ một biểu thức nào.
Nếu không tính đến sai số thì trị số đúng của đại l ợng cần đo X sẽ bằng
kết quả đo đ ợc A.
Ph ơng pháp đo trực tiếp có u điểm là đơn giản, nhanh chóng và loại bỏ
đ ợc sai số do tính toán.
ví dụ: Vônmet đo điện áp, ampemet đo c ờng độ dòng điện, oatmet đo công

suất .
b. Đo gián tiếp là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phối hợp kết quả của
nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp. Nghĩa là, kết quả đo không phải là trị số
của đại l ợng cần đo, các số liệu cơ sở có đ ợc từ các phép đo trực tiếp sẽ đ ợc
sử dụng để tính ra trị số của đại l ợng cần đo thông qua một ph ơng trình vật
lý liên quan giữa các đại l ợng này.
X = f(A1, A2, An)
Trong đó A1, A2 An là kết quả đo của các phép đo trực tiếp.
ví dụ: để đo công suất (P) có thể sử dụng vôn met để đo điện áp (U), ampe met
đo c ờng độ dòng điện (I), sau đó sử dụng ph ơng trình: P = U.I ta tính đ ợc
công suất
Cách đo gián tiếp mắc phải nhiều sai số do sai số của các phép đo trực
tiếp đ ợc tích luỹ lại. Vì vậy cách đo này chỉ nên áp dụng trong các tr ờng hợp
không thể dùng dụng cụ đo trực tiếp mà thôi.
Ch ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL
5
c. Đo t ơng quan là ph ơng pháp đ ợc sử dụng trong tr ờng hợp cần
đo các quá trình phức tạp mà ở đây không thể thiết lập một quan hệ hàm số
nào giữa các đại l ợng là các thông số của các quá trình nghiên cứu.
d. Đo hợp bộ là ph ơng pháp có đ ợc kết quả đo nhờ giải một hệ ph ơng
trình mà các thông số đã biết tr ớc chính là các số liệu đo đ ợc từ các phép đo
trực tiếp.
e. Đo thống kê là ph ơng pháp sử dụng cách đo nhiều lần và lấy giá trị trung
bình để đảm bảo kết quả chính xác. Cách này đ ợc sử dụng khi đo tín hiệu
ngẫu nhiên hoặc kiểm tra độ chính xác của dụng cụ đo.
II. Các đặc tr ng của KTĐL
KTĐL gồm các đặc tr ng sau: đại l ợng cần đo, điều kiện đo, đơn vị đo,
thiết bị đo và ng ời quan sát hay thiết bị nhận kết quả đo
1. Khái niệm về tín hiệu đo và đại l ợng đo
a. Tín hiệu đo l ờng là tín hiệu mang thông tin về giá trị của đại l ợng đo

l ờng.
b. Đại l ợng đo là thông số xác định quá trình vật lý của tín hiệu đo. Do quá
trình vật lý có thể có nhiều thông số nh ng trong mỗi tr ờng hợp cụ thể ng ời
ta chỉ quan tâm đến một hoặc một vài thông số nhất định.
ví dụ: để xác định độ rung có thể xác định thông qua một trong các thông số
nh : biên độ rung, gia tốc rung, tốc độ rung
Có nhiều cách để phân loại đại l ợng đo, d ới đây là một số cách thông
dụng.
* Phân loại theo tính chất thay đổi của đại l ợng đo:
Có hai loại đại l ợng đo là:
+ Đại l ợng đo tiền định là đại l ợng đo đã biết tr ớc quy luật thay đổi
theo thời gian của chúng.
+ Đại l ợng đo ngẫu nhiên là đại l ợng đo mà sự thay đổi theo thời gian
không theo một quy luật nhất định nào. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín
hiệu ta đều nhận đ ợc đại l ợng ngẫu nhiên.
Chú ý: Trên thực tế, đa số các đại l ợng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên, có
thể giả thiết rằng trong suốt thời gian tiến hành phép đo đại l ợng đo phải
không đổi hoặc thay đổi theo quy luật đã biết tr ớc, nghĩa là tín hiệu ở dạng
biến đổi chậm. Còn khi đại l ợng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh thì
cần sử dụng ph ơng pháp đo l ờng thống kê.
* Phân loại theo cách biến đổi tín hiệu đo
Có hai loại tín hiệu đo là tín hiệu đo liên tục hay t ơng tự và tín hiệu đo
rời rạc hay số. Khi đó ứng với 2 loại tín hiệu đo này có hai loại dụng cụ đo là
dụng cụ đo t ơng tự và dụng cụ đo số.
* Phân loại theo bản chất của đại l ợng đo
+ Đại l ợng đo năng l ợng là đại l ợng mà bản thân nó mang năng
l ợng.
ví dụ: điện áp, dòng điện, sức điện động, công suất
+ Đại l ợng đo thông số là đại l ợng đo các thông số của mạch
ví dụ: điện trở, điện dung, điện cảm

+ Đại l ợng phụ thuộc vào thời gian
ví dụ: tần số, góc pha, chu kỳ
BomonKTDT-ĐHGTVT
6
+ Đại l ợng không điện. Để đo các đại l ợng này bằng ph ơng pháp điện
cần biến đổi chúng thành các đại l ợng điện
ví dụ: để đo độ co giãn của vật liệu có thể sử dụng tenzo để chuyển sự thay đổi
của hình dạng thành sự thay đổi của điện trở và đo giá trị điện trở này để suy
ra sự biến đổi về hình dạng.
2. Điều kiện đo
Các thông tin đo l ờng bao giờ cũng gắn với môi tr ờng sinh ra đại l ợng
đo. Môi tr ờng ở đây có thể điều kiện môi tr ờng tự nhiên và cả môi tr ờng do
con ng ời tạo ra.
Khi tiến hành phép đo cần tính đến ảnh h ởng của môi tr ờng tự nhiên
đến kết quả đo và ng ợc lại. Ví dụ: các điều kiện về nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,
độ rung
Khi sử dụng dụng cụ đo phải không làm ảnh h ởng đến đối t ợng đo. Ví
dụ với phép đo c ờng độ dòng điện thì cần sử dụng ampe kế có điện trở trong
càng nhỏ càng tốt nh ng khi đo điện áp thì cần dùng vôn kế có điện trở trong
càng lớn càng tốt.
3. Đơn vị đo
Mỗi một quốc gia có một tập quán sử dụng các đơn vị đo l ờng khác
nhau. Để thống nhất các đơn vị này ng ời ta thành lập Hệ đơn vị đo l ờng
quốc tế. Ngày 20-1-1950 Chủ tịch Hồ Chí Minh đã ký sắc lệnh số 8/SL quy
định hệ thống đo l ờng Việt nam theo hệ SI, và ngày 20/1 hằng năm là ngày
Đo L ờng Việt nam.
Theo Pháp lệnh Đo l ờng ngày 06 tháng 10 năm 1999, đơn vị đo l ờng
hợp pháp là đơn vị đo l ờng đ ợc Nhà n ớc công nhận và cho phép sử dụng.
Nhà n ớc Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam công nhận Hệ đơn vị đo l ờng
quốc tế (viết tắt là SI). Chính phủ quy định đơn vị đo l ờng hợp pháp phù hợp

với Hệ đơn vị đo l ờng quốc tế.
Hệ đơn vị đo l ờng quốc tế SI bao gồm 7 đơn vị cơ bản:
Đơn vị chiều dài met m
Đơn vị khối l ợng kilogram kg
Đơn vị thời gian second s
Đơn vị c ờng độ dòng điện Ampe A
Đơn vị nhiệt độ Kelvin K
Đơn vị c ờng độ sáng Candela Cd
Đơn vị số l ợng vật chất mol mol
Các đơn vị khác đ ợc định nghĩa thông qua các đơn vị cơ bản gọi là các
đơn vị dẫn xuất. (xem chi tiết trong Nghị định của chính phủ số 65/2001 NĐ-CP
về việc Ban hành hệ thống đơn vị đo l ờng hợp pháp của n ớc Cộng hoà xã hội
chủ nghĩa Việt Nam)
D ới đây là một số đơn vị dẫn xuất điện và từ
Đơn vị
Đại l ợng
Tên Ký hiệu
Công suất oát W
Điện tích, điện l ợng culông C
Ch ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL
7
Hiệu điện thế, điện thế, điện áp, suất điện
động
von V
Điện dung fara F
Điện trở ôm

Điện dẫn simen S
Độ tự cảm Henry H
Thông l ợng từ (từ thông) vebe Wb

Mật độ từ thông, cảm ứng từ tesla T
C ờng độ điện tr ờng von trên met V/m
C ờng độ từ tr ờng ampe trên met A/m
Năng l ợng điện electronvon eV
Ước và bội thập phân của các đơn vị SI
Chữ đọc Ký hiệu Hệ số nhân
yotta Y 10
24
zetta Z 10
21
exa E 10
18
peta P 10
15
tera T 10
12
giga G 10
9
mega M 10
6
kilo k 10
3
hecto h 10
2
deka da 10
deci d 10
-1
centi c 10
-2
milli m 10

-3
micro
à
10
-6
nano n 10
-9
pico p 10
-12
femto f 10
-15
atto a 10
-18
zepto z 10
-21
yocto y 10
-24
4. Thiết bị đo và ph ơng pháp đo
Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin
đo thành dạng tiện lợi cho ng ời quan sát.
Thiết bị đo gồm: thiết bị mẫu, chuyển đổi đo l ờng, dụng cụ đo l ờng, tổ
hợp thiết bị đo l ờng và hệ thống thông tin đo l ờng. (xem chi tiết ở phần sau)
Ph ơng pháp đo đ ợc chia làm 2 loại chủ yếu là ph ơng pháp đo biến đổi
thẳng và ph ơng pháp đo so sánh. (xem chi tiết ở phần sau)
5. Ng ời quan sát
Là ng ời tiến hành đo hoặc gia công kết quả đo. Yêu cầu nắm đ ợc
ph ơng pháp đo, hiểu biết về thiết bị đo và lựa chọn dụng cụ hợp lý, kiểm tra
BomonKTDT-ĐHGTVT
8
điều kiện đo (phải nằm trong chuẩn cho phép để sai số chấp nhận đ ợc) và

biết cách gia công số liệu thu đ ợc sau khi đo.
6. Kết quả đo
Giá trị xác định bằng thực nghiệm đ ợc gọi là ớc l ợng của đại l ợng
đo, giá trị gần giá trị thực mà ở điều kiện nào đó có thể coi là thực.
Sử dụng các ph ơng pháp đánh giá sai số để đánh giá kết quả đo. (xem
chi tiết ở phần sau)
III. Các ph ơng pháp đo
1. Ph ơng pháp đo biến đổi thẳng
Là ph ơng pháp đo có cấu trúc kiểu biến đổi thẳng, không có khâu phản
hồi. Quá trình đo là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo gọi là thiết bị biến
đổi thẳng.
BĐ là bộ biến đổi; SS là bộ so sánh;
A/D là bộ chuyển đổi t ơng tự / số; CT là cơ cấu chỉ thị.
Đại l ợng cần đo X đ ợc đ a qua các khâu biến đổi và thành con số Nx.
Đơn vị đo Xo cũng đ ợc biến đổi thành No sau đó so sánh giữa đại l ợng cần
đo với đơn vị đo qua bộ so sánh. Kết quả đo đ ợc thể hiện bởi phép chia Nx/No
Kết qủa đo: Xo
No
Nx
X .=
2. Ph ơng pháp đo kiểu so sánh
Ph ơng pháp này có sử dụng khâu hồi tiếp
Trong đó:
SS là bộ so sánh; BĐ là bộ biến đổi;
A/D là bộ chuyển đổi t ơng tự / số; D/A là bộ chuyển đổi số /
t ơng tự;
CT là cơ cấu chỉ thị.
SS BĐ A/D CT
D/A
X

N
k
X
k
BĐ A/D SS
X
Xo
X
Xo
Nx
No
Nx/No
CT
Ch ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL
9
Tín hiệu X đ ợc đem so sánh với một tín hiệu X
k
tỉ lệ với đại l ợng mẫu
Xo. Khi đó qua bộ so sánh ta có X = X X
k
Có hai cách so sánh là so sánh cân bằng và so sánh không cân bằng.
a. So sánh cân bằng
Phép so sánh đ ợc thực hiện sao cho X = 0 và khi đó: X = X
k
= N
k
.Xo
Nh vậy đại l ợng mẫu X
k
chính là một đại l ợng thay đổi bám theo X

sao cho khi X thay đổi luôn đ ợc kết quả nh trên. Phép so sánh luôn ở trạng
thái cân bằng (đôi khi ng ời ta còn gọi ph ơng pháp này là ph ơng pháp cân).
Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của X
k
và độ nhạy
của thiết bị chỉ thị cân bằng (th ờng là thiết bị chỉ thị 0)
Các dụng cụ đo theo ph ơng pháp so sánh cân bằng th ờng là các cầu đo
và điện thế kế cân bằng.
b. So sánh không cân bằng
Nếu X
k
là đại l ợng không đổi, khi đó ta có: X = X
k
+ X
Nghĩa là kết qủa đo đ ợc đánh giá thông qua X với X
k
là đại l ợng mẫu
đã biết tr ớc. Ph ơng pháp này đ ợc sử dụng để đo các đại l ợng không điện
nh nhiệt độ, áp suất .
c. So sánh không đồng thời
Với ph ơng pháp này, đại l ợng X và X
k
không đ ợc đ a vào thiết bị
cùng một lúc. X
k
đ ợc đ a vào tr ớc để xác định giá trị trên thang khắc độ,
sau đó thông qua thang độ xác định đại l ợng đo.
ví dụ: các thiết bị đánh giá trực tiếp nh ampe kế, vôn kế . chỉ thị kim
d. So sánh đồng thời
Là ph ơng pháp so sánh cùng một lúc đại l ợng cần đo X và đại l ợng

mẫu X
k
. Khi X và X
k
trùng nhau thì thông qua X
k
sẽ xác định đ ợc giá trị của
X.
3. Các thao tác cơ bản khi tiến hành phép đo
1) Thao tác tạo mẫu: là quá trình lập đơn vị tạo ra mẫu biến đổi hoặc
khắc trên thang đo của thiết bị đo.
2) Thao tác biến đổi: là quá trình biến đổi đại l ợng đo (hay đại l ợng
mẫu) thành những đại l ợng khác tiện cho việc đo hay xử lý, thực hiện các
thuật toán, tạo ra các mạch đo và gia công kết quả đo
3) Thao tác so sánh: là quá trình so sánh đại l ợng đo với mẫu hay giữa
con số tỉ lệ với đại l ợng đo và con số tỉ lệ với mẫu.
4) Thao tác thể hiện kết quả đo: là quá trình chỉ thị kết quả đo d ới dạng
t ơng tự hoặc con số, có thể ghi lại kết qủa đo trên giấy hay bộ nhớ.
5) Thao tác gia công kết quả đo: là quá trình xử lý kết qủa đo bằng tay
hoặc máy tính.
IV. Phân loại thiết bị đo
Thiết bị đo là sự thể hiện ph ơng pháp đo bằng các khâu chức năng cụ
thể. Thiết bị đo gồm các loại sau:
1. Mẫu
Là thiết bị để khôi phục một đại l ợng vật lý nhất định. Những dụng cụ
mẫu phải đạt độ chính xác rất cao từ 0,001% đến 0,1% tuỳ theo từng cấp
chính xác và từng loại thiết bị. Mẫu đ ợc sử dụng để chuẩn hoá lại các dụng cụ
đo l ờng.
BomonKTDT-ĐHGTVT
10

* Chuẩn hoá thiết bị đo l ờng:
Yêu cầu chuẩn hoá thiết bị đo l ờng là rất quan trọng và cần thiết vì mỗi
quốc gia có tập quán sử dụng các đơn vị đo l ờng riêng và có rất nhiều công ty
sản xuất các thiết bị đo l ờng. Hơn nữa, việc sử dụng các đơn vị đo l ờng khác
nhau, kiểu mẫu khác nhau sẽ đem lại những bất tiện không thể tránh khỏi cho
ng ời dùng. Ngoài ra, vì mục đích sử dụng của các thiết bị đo l ờng rất khác
nhau nên ngoài việc quy ớc sử dụng một hệ thống quốc tế chung (hệ SI) thì độ
chính xác của các thiết bị cũng đ ợc quy định một cách chặt chẽ. Nếu lấy tiêu
chí là độ chính xác thì thiết bị đo l ờng đ ợc chia làm 4 cấp:
+ Cấp 1- chuẩn quốc tế (International standard), các thiết bị đo chuẩn
quốc tế đ ợc đặt tại trung tâm đo l ờng quốc tế- tại PARIS -Pháp
+ Cấp 2- chuẩn quốc gia (National standard) là chuẩn đo l ờng có độ
chính xác cao nhất của quốc gia đ ợc dùng làm gốc để xác định giá trị các
chuẩn còn lại của lĩnh vực đo l ờng. Chuẩn quốc gia đ ợc đặt tại các viện đo
l ờng quốc gia, chúng đ ợc chuẩn hoá định kỳ theo chuẩn quốc tế hoặc qua
các chuẩn quốc gia của n ớc ngoài.
+ Cấp 3- chuẩn khu vực (Zone standard) là chuẩn cho các trung tâm khu
vực, nó tuân theo chuẩn quốc gia.
+ Cấp 4- chuẩn phòng thí nghiệm (Lab-standard) đây là cấp chuẩn để
chuẩn hoá các thiết bị đo l ờng dùng cho sản xuất công nghiệp, nó tuân theo
cấp nào thì sẽ mang chuẩn cấp đó (cấp 2,3)
Cấp chính xác của thiết bị đo
Các thiết bị đo l ờng trên thị tr ờng là các thiết bị đã đ ợc kiểm
nghiệm chất l ợng theo các cấp nh trên, kết quả kiệm nghiệm sẽ xác định
đ ợc cấp chính xác. Chúng th ờng đ ợc ghi trên vỏ máy, cataloge giới thiệu
sản phẩm, hoặc tra trong sổ tay kỹ thuật, thông th ờng chỉ những tr ờng hợp
đặc biệt ta mới quan tâm tới thông số này.
Tại Trung tâm đo l ờng Nhà n ớc Việt Nam có đại l ợng chuẩn:
1. Độ dài
2. Góc

3. Khối l ợng
4. Khối l ợng riêng
5. Dung tích
6. Độ nhớt
7. pH
8. Lực
9. Độ cứng
10. áp suất
11. Điện áp DC
12. Dòng DC
13. Điện trở
14. Điện dung
15. Điện cảm
16. Công suất
17. Điện năng
18. Điện áp cao tần
19. Công suất cao tần
20. Mức
21. Độ suy giảm
22. Thời gian
23. Tần số
24. Nhiệt độ
Tại Cục Tiêu chuẩn - Đo l ờng - Chất l ợng Bộ Quốc Phòng có 2 đại
l ợng chuẩn:
1. C ờng độ sáng 2. Quang thông.
Tại Viện năng l ợng nguyên tử Việt Nam có 2 đại l ợng chuẩn:
1. Hoạt độ phóng xạ 2. Liều l ợng phóng xạ.
Cơ quan quản lý Nhà n ớc về đo l ờng các cấp có trách nghiệm tổ chức
Ch ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL
11

xây dựng các cấp có trách nhiệm tổ chức xây dựng các cơ sở có đủ điều kiện
thực hiện việc kiểm định, ta đã có các đơn vị kiểm định từ Trung ơng đến địa
ph ơng bao gồm các cơ sở kiểm định thuộc các cơ quan quản lý nhà n ớc về đo
l ờng và các cơ sở đ ợc uỷ quyền kiểm định. Trung tâm đo l ờng nhà n ớc và
các trung tâm tiêu chuẩn kỹ thuật đo l ờng chất l ợng ba miền Bắc, Trung,
Nam thực hiện việc kiểm định đối với chuẩn đo l ờng, những ph ơng tiện đó
có yêu cầu kỹ thuật cao nhất. Các cơ sở kiểm định thuộc Chi cục Tiêu chuẩn,
Đo l ờng, Chất l ợng tỉnh, thành phố thực hiện việc kiểm định đối với những
ph ơng tiện thông dụng, phổ biến đ ợc sử dụng với số l ợng lớn gắn với đời
sống nhân dân.
Cơ sở pháp lý là các văn bản: Pháp lệnh đo l ờng số 16/1999/PL -
UBTVQH 10, nghị định của Chính phủ số 65/2001/NĐ - CP Ban hành hệ thống
đơn vị đo l ờng hợp pháp của Việt Nam, các thông t h ớng dẫn các vấn đề cụ
thể về quy chế và quy trình kiểm định ph ơng tiện đo, duyệt mẫu, công nhận
khả năng và uỷ quyền kiểm định...
2. Thiết bị đo l ờng điện
Là thiết bị đo l ờng bằng điện để gia công các thông tin đo l ờng, tức là
tín hiệu điện có quan hệ hàm với các đại l ợng vật lý cần đo. Dựa vào cách
biến đổi tín hiệu và chỉ thị ng ời ta phân dụng cụ đo điện thành 2 loại là:
* Dụng cụ đo t ơng tự: là dụng cụ đo mà giá trị của kết qủa đo thu đ ợc
là một hàm liên tục của quá trình thay đổi đại l ợng đo. Dụng cụ đo chỉ thị
kim và dụng cụ đo kiểu tự ghi (có thể ghi trên giấy, màn hình, băng đĩa từ )
là hai loại dụng cụ đo t ơng tự.
* Dụng cụ đo số: là dụng cụ đo mà kết qủa đo đ ợc thể hiện bằng con số
3. Chuyển đổi đo l ờng
Là loại thiết bị để gia công tín hiệu thông tin đo l ờng để tiện cho việc
biến đổi, đo, gia công và l u giữ kết quả
Có hai loại chuyển đổi đo l ờng là:
* Chuyển đổi từ đại l ợng không điện thành đại l ợng điện
* Chuyển đổi từ đại l ợng điện thành đại l ợng điện khác

4. Hệ thống thông tin đo l ờng
Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ trợ để tự động thu thập
kết qủa từ nhiều nguồn khác nhau, truyền thông tin đo l ờng để phục vụ
việc đo và điều khiển. Có thể phân thành nhiều nhóm nh sau:
* Hệ thống đo l ờng: đo và ghi lại kết quả đo
* Hệ thống kiểm tra tự động: kiểm tra đại l ợng đo
* Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật
* Hệ thống nhận dạng: kết hợp giữa việc đo và kiểm tra để phân loại
* Tổ hợp đo l ờng tính toán
V. Định giá sai số trong đo l ờng
1. Nguyên nhân và phân loại sai số
a. Nguyên nhân gây sai số
Đo l ờng là một ph ơng pháp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu
đ ợc những tin tức về đặc tính số l ợng của một quá trình cần nghiên cứu. Nó
đ ợc thực hiện bằng cách so sánh một đại l ợng cần đo với đại l ợng đo tiêu
chuẩn. Kết quả đo có thể biểu thị bằng số hay biểu đồ. Tuy nhiên, kết qủa đo
BomonKTDT-ĐHGTVT
12
đ ợc chỉ là một trị số gần đúng, nghĩa là phép đo có sai số. Vấn đề là cần đánh
giá đ ợc độ chính xác của phép đo. Khi tính toán sai số cần tính tới tr ờng hợp
các sai số kết hợp với nhau theo h ớng bất lợi nhất với các nguyên nhân:
* Nguyên nhân chủ quan: do lựa chọn ph ơng pháp đo và dụng cụ đo
không hợp lý, trình độ của ng ời sử dụng thiết bị đo không tốt, thao tác không
thành thạo
* Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ đo không hoàn hảo, đại l ợng đo
bị can nhiễu do môi tr ờng bên ngoài nh nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn, áp suất
b. Phân loại sai số
* Phân loại theo nguyên nhân gây ra sai số:
+ Sai số chủ quan
+ Sai số khách quan

* Phân loại theo quy luật xuất hiện sai số:
+ Sai số hệ thống là do những yếu tố th ờng xuyên hay các yếu tố có quy
luật tác động. Nó khiến cho kết quả đo có sai số của lần đo nào cũng nh nhau,
nghĩa là kết quả của các lần đo đều lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị thực của đại
l ợng đo.
Nhóm các sai số hệ thống th ờng do các nguyên nhân sau:
. Do dụng cụ, máy móc đo không hoàn hảo
. Do ph ơng pháp đo, cách xử lý kết quả đo hoặc bỏ qua các yếu tố ảnh
h ởng.
. Do khí hậu
+ Sai số ngẫu nhiên là sai số do các yếu tố bất th ờng, không có quy luật
tác động. Do vậy, sai số hệ thống có thể xử lý đ ợc nhờ lấy lại chuẩn nh ng sai
số ngẫu nhiên không thể xử lý đ ợc vì không biết quy luật tác động.
* Phân loại theo biểu thức
+ Sai số tuyệt đối là hiệu số giữa 2 trị số tuyệt đối của giá trị đo đ ợc và
giá trị thực của đại l ợng cần đo.
XaX =
*
với a là giá trị đo đ ợc và X là giá trị
thực
vì ch a biết X nên thông th ờng ng ời ta lấy max
*
XX = của một loạt các
phép đo.
+ Sai số t ơng đối là tỷ số của sai số tuyệt đối và trị số thực của đại l ợng
đo. Sai số t ơng đối biểu thị đầy đủ hơn sai số tuyệt đối.
%100.
X
X
X

= sai số t ơng đối chân thực
%100.
a
X
X

= sai số t ơng đối danh định
Cấp chính xác của dụng cụ đo: là giá trị sai số cực đại mà dụng cụ đo
mắc phải. Ng ời ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số
t ơng đối quy đổi của dụng cụ đo và đ ợc nhà n ớc quy định cụ thể. (đôi khi
ng ời ta còn gọi đây là sai số t ơng đối chiết hợp, nó đ ợc ghi trực tiếp lên mặt
dụng cụ đo).
%100.
Xm
Xm
%

=
x

Xm
là sai số tuyệt đối cực đại
Ch ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL
13
Xm là giá trị lớn nhất của thang đo (giới hạn cực đại của l ợng trình
thang đo)
3. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số
Để đánh giá kết quả phép đo ta cần xét giới hạn và định l ợng đ ợc sai số
ngẫu nhiên. Nếu ta xét kết quả của các lần đo riêng biệt, sau khi loại bỏ sai số

hệ thống thì nó hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên. Muốn đánh giá sai số ngẫu
nhiên ta phải tìm đ ợc quy luật phân bố sai số ngẫu nhiên thông qua lý thuyết
xác suất thống kê. Để loại bỏ sai số hệ thống thì các lần đo phải tiến hành với
cùng một độ chính xác nh nhau (cùng một máy đo, cùng một điều kiện đo,
cùng một ph ơng pháp đo ).
Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số
Giả sử đo đại l ợng X n lần với các sai số lần luợt là x
1
, x
2
, x
n
Sắp xếp các sai số theo độ lớn thành từng nhóm riêng biệt n
1
, n
2
n
m
ví dụ: có n1 sai số nằm trong khoảng 0 0,01
có n2 sai số nằm trong khoảng 0,01 0,02
có n3 sai số nằm trong khoảng 0,02 0,03
.
Lập tỉ số:
n
n
n
n
2
2
1

1
=
=


.
gọi là tần suất các lần đo
có sai số ngẫu nhiên nằm trong
khoảng t ơng ứng.
Biểu đồ phân bố tần suất
nh hình bên
Diện tích các hình chữ nhật biểu thị xác suất xuất hiện các sai số ngẫu
nhiên ở những khoảng t ơng ứng trên trục hoành.
Khi thực hiện phép đo nhiều lần, n tiến tới vô cùng, theo quy luật tiêu
chuẩn của lý thuyết xác suất biểu đồ trên sẽ tiến đến một đ ờng cong trung
bình p(x) gọi là hàm
phân bố tiêu chuẩn
sai số.

=
n
xxp )(lim)(
x
p(x)
h1
h2
h3
h1 > h2 > h3
x
BomonKTDT-ĐHGTVT

14
Hàm p(x) còn đ ợc gọi là hàm Gausse với công thức sau:
p(x) =
22
.
xh
e
h


với h là tham số về độ chính xác
Nhận xét:
+ Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số có dạng hình chuông đối xứng qua trục
tung, h càng lớn đ ờng cong càng cao và càng hẹp, tức là độ chính xác càng
cao.
+ Xác suất xuất hiện các sai số có giá trị bé lớn hơn xác suất xuất hiện các
sai số có giá trị lớn
+ Xác suất xuất hiện không phụ thuộc vào dấu, tức là các sai số có giá trị
tuyệt đối nh nhau sẽ có xác suất xuất hiện nh nhau.
+ Khi biết p(x) thì có thể xác định đ ợc xác suất xuất hiện sai số trong
một khoảng bất kỳ nh sau:
dxe
h
dxxpxxxp
x
x
xh
x
x

==
2
1
2
1
22
)()21(

(đây chính là diện tích giới hạn bởi đ ờng cong p(x) và 2 đ ờng x1, x2)
dxe
h
dxxpxxp
x
xh
x


==
1
0
1
0
22
2
)(2)1(

)1(1)1( xxpxxp =
Ch ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL
15

4. Sai số trung bình bình ph ơng và sai số trung bình
a. Sai số trung bình bình ph ơng
n
x
n
i
i

=
=
1
2
với x
i
là sai số của phép đo thứ i
khi đó p(x) =
2
2
2
.
2
1


x
e

h biểu thị độ cao của đồ thị còn biểu thị độ rộng của đồ thị
%7,99)3,3(
%95)2,2(

%3,68),(






p
p
p
b. Sai số trung bình d
d là trị số trung bình cộng của tất cả các trị số tuyệt đối của các sai số của
phép đo.


21
1
===

=
h
n
x
d
n
i
i
5. Sự kết hợp của các sai số
ở những phép đo có sử dụng nhiều dụng cụ đo hay nhiều phép đo thì các
sai số hệ thống có xu h ớng tích tụ lại, khi đó sai số của toàn bộ hệ thống

th ờng lớn hơn bất kỳ sai số của phép đo đơn lẻ nào. Khi tính toán cần giả
định rằng sai số kết hợp với nhau theo h ớng bất lợi nhất.
a. Sai số của tổng các đại l ợng
)()V(
)()(
2121
2211
VVV
VVVVE
++=
+=
b. Sai số của hiệu các đại l ợng
)()V(
)()(
2121
2211
VVV
VVVVE
+=
=
ví dụ:
E1 = 100V 2V = 100V 2%
x
p(x)
BomonKTDT-ĐHGTVT
16
E2 = 80V 4V = 80V 5%
E1 + E2 = 180V 6V = 180V 3,3%
E1 E2 = 20V 6V = 20V 30%
từ đó ta thấy sai số % trong hiệu của các đại l ợng rất lớn nên cần tránh

các phép đo có bao hàm phép hiệu của các đại l ợng.
c. Tích của hai đại l ợng
)..(.
....
))((
122121
21122121
2211
VVVVVV
VVVVVVVV
VVVVE
+
=
=
%100).(%100).
..
(
2
2
1
1
21
1221
V
V
V
V
VV
VVVV
E

=
+
=
Nhận xét: sai số t ơng đối của tích hai đại l ợng bằng tổng sai số t ơng đối của
từng thành phần.
Tr ờng hợp riêng, khi nâng lên luỹ thừa
EE

.)( =
d. Th ơng của hai đại l ợng
)(
21
2
1
22
11
VVE
V
V
VV
VV
E
+=



=

Ví dụ minh hoạ:
1. Một điện trở có giá trị trong khoảng 1,14k 1,26k
Tính sai số của điện trở này
Biết R = 1,2k tại 25
0
C, tính giá trị lớn nhất tại 75
0
C, hệ số nhiệt là
500ppm/
0
C
%52,106,02,1
06,0
==
=
kR
kR
Khi nhiệt độ tăng 1
0
C R tăng một l ợng: = 63,0
10
500.10.26,1
6
3
Vậy giá trị Rmax = 1,26 + 0,63.(75-25).10
-3
= 1,2915k
2. Một nguồn 12V đ ợc mắc với một điện trở 470 10%. Điện áp của
nguồn đ ợc đo bằng một vôn kế có khoảng đo 25V và độ chính xác là 3%.
Tính công suất của điện trở và sai số của phép đo

Ta có:
R
U
P
2
=
Vì Vôn kế có độ chính xác là 3% với khoảng đo 25V nên sai số tuyệt đối
lớn nhất gặp phải là U đ ợc tính bằng:
Ch ơng 1. Khái niệm cơ bản trong KTĐL
17
%5,22%10%5,12)(
%5,12%25,6.2)(
%25,61275,012
75,0%3.25
2
2
=+=
==
==
==
R
U
U
VVVU
VVU


Vậy: %5,22
470
12

2
=P
3. Một Vôn kế có thang đo 30V và độ chính xác 4%, ampe kế có thang đo
100mA và độ chính xác 1% đ ợc sử dụng để đo điện áp và dòng điện qua điện
trở R. Kết quả đo là 25V và 90mA. Hãy tính giá trị R và Pmin và Pmax
WWWIUP
mAmAmAImAmAI
VVVUVVU
13,025,2%9,525,2)%1,18,4(09,0.25.
%9,578,277)%1,18,4(
09,0
25
I
U
R
%1,1901901%1.100
%8,4252,1252,1%4.30
==+==
=+==
====
====
Vậy:
)059,01.(25,238,213,025,2max
)059,01.(25,212,213,025,2min
+==+=
===
WP
WP
BomonKTDT-ĐHGTVT
18

Ch ơng 2:
Cấu trúc và Các phần tử chức năng của thiết bị đo
I. Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo
1. Sơ đồ khối của thiết bị đo
+ CĐSC - Chuyển đổi sơ cấp: làm nhiệm vụ biến đổi các đại l ợng đo
thành tín hiệu điện. Đây là khâu quan trọng nhất của thiết bị đo.
+ MĐ - Mạch đo: là khâu gia công tính toán sau CĐSC, nó làm nhiệm vụ
tính toán và thực hiện phép tính trên sơ đồ mạch. Đó có thể là mạch điện tử
thông th ờng hoặc bộ vi xử lý để nâng cao đặc tính của dụng cụ đo
+ CT - Cơ cấu chỉ thị: là khâu cuối cùng của dụng cụ đo để hiển thị kết
quả đo d ới dạng con số so với đơn vị đo. Có 3 cách hiển thị kết quả đo:
. Chỉ thị bằng kim trên vạch chia độ
. Chỉ thị bằng thiết bị tự ghi (màn hình, giấy từ, băng đĩa từ )
. Chỉ thị bằng số
2. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng
Dụng cụ đo sử dụng ph ơng pháp đo biến đổi thẳng có cấu trúc nh sau:
CĐ: bộ chuyển đổi CT: cơ cấu chỉ thị
X: đại l ợng cần đo Yi: đại l ợng trung gian (cho tiện quan sát
và chỉ thị)
3. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo kiểu so sánh
Dụng cụ đo theo ph ơng pháp so sánh có sơ đồ cấu trúc nh sau:
CĐ: bộ chuyển đổi CĐN: bộ chuyển đổi ng ợc
CT: cơ cấu chỉ thị SS: bộ so sánh
X = X Xk
CĐSC MĐ CT
CĐ1CĐ1 CĐ2 CĐn CT
X
Y
1
Y

2
Y
n
CĐ1SS CĐ1 CĐn CT
X
Y
1
Y
n
CĐN1CĐNm
X
k
Ch ơng 2. Cấu trúc vàcác phần tử chức năng
19
Chú ý:
+ Nếu quá trình hồi tiếp đ ợc đ a về bộ so sánh liên tục tới khi X = 0
thì dụng cụ đo gọi là dụng cụ đo so sánh cân bằng.
+ Nếu qúa trình hồi tiếp đ a Xk về so sánh và cho X
0
thì dụng cụ đo
gọi là dụng cụ đo so sánh không cân bằng.
II. Các cơ cấu chỉ thị
Đây là khâu hiển thị kết quả đo d ới dạng con số so với đơn vị của đại
l ợng cần đo. Có 3 kiểu chỉ thị cơ bản là chỉ thị bằng kim chỉ (còn gọi là cơ cấu
đo độ lệch hay cơ cấu cơ điện); chỉ thị kiểu tự ghi (ghi trên giấy, băng đĩa từ,
màn hình ...) và chỉ thị số. D ới đây ta sẽ xem xét những cơ cấu điển hình nhất
cho mỗi kiểu thị trên.
1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện
Với loại chỉ thị cơ điện, tín hiệu vào là dòng điện hoặc điện áp, còn tín
hiệu ra là góc quay của phần động (có gắn kim chỉ). Những dụng cụ này là loại

dụng cụ đo biến đổi thẳng. Đại l ợng cần đo nh dòng điện, điện áp, điện trở,
tần số hay góc pha ... đ ợc biến đổi thành góc quay của phần động, nghĩa là
biến đổi năng l ợng điện từ thành năng l ợng cơ học:
)(XF= với X là đại l ợng điện, là góc quay (hay góc lệch)
Nguyên tắc làm việc của các chỉ thị cơ điện:
Chỉ thị cơ điện bao giờ cũng gồm hai phần cơ bản là phần tĩnh và phần
động. Khi cho dòng điện vào cơ cấu, do tác động của từ tr ờng giữa phần động
và phần tĩnh mà một mômen quay xuất hiện làm quay phần động. Momen
quay này có độ lớn tỉ lệ với độ lớn dòng điện đ a vào cơ cấu:
d
dWe
Mq = với We là năng l ợng từ tr ờng và là góc quay của phần
động
Nếu gắn một lò xo cản (hoặc một cơ cấu cản) với trục quay của phần
động thì khi phần động quay lò xo sẽ bị xoắn lại và sinh ra một momen cản,
momen này tỉ lệ với góc lệch và đ ợc biểu diễn qua biểu thức:
Mc = D. với D là hệ số momen cản riêng của lò xo, nó phụ thuộc vào
vật liệu, hình dáng và kích th ớc của lò xo.
Chiều tác động lên phần động của hai momen kể trên ng ợc chiều nhau
nên khi momen cản bằng momen quay phần động sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng.
Khi đó:


d
dWe
DMqMc ..
D
1
d
dWe

===
Ph ơng trình trên đ ợc gọi là ph ơng trình đặc tính của thang đo, từ
ph ơng trình này ta biết đ ợc đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu
chỉ thị.
BomonKTDT-ĐHGTVT
20
Những bộ phận chính của cơ cấu chỉ thị cơ điện
+ Trục và trụ: là bộ phận đảm bảo cho phần động quay trên trục nh
khung dây, kim chỉ, lò xo cản ... Trục th ờng đ ợc làm bằng loại thép cứng
pha irini hặc osimi, còn trụ đỡ làm bằng đá cứng.
+ Lò xo phản kháng hay lò xo cản là chi tiết thực hiện nhiệm vụ là tạo
ra momen cản, đ a kim chỉ thị về vị trí 0
khi ch a đại l ợng cần đo vào và dẫn dòng
điện vào khung dây (trong tr ờng hợp cơ
cấu chỉ thị từ điện hoặc điện động). Lò xo
đ ợc chế tạo dạng xoắn ốc bằng đồng
berili hoặc đồng phốt pho để có độ đàn hồi
tốt và dễ hàn. Thông th ờng sẽ có hai lò xo
đối xứng ở hai đầu khung dây, chúng có
kích th ớc rất mảnh nên rất dễ hỏng.
+ Dây căng và dây treo: để tăng độ
nhạy cho chỉ thị ng ời ta thay lò xo bằng
dây căng hoặc dây treo.
+ Kim chỉ th ờng đ ợc chế tạo bằng
nhôm, hợp kim nhôm và có thể là cả bằng thuỷ tinh với nhiều hình dáng khác
nhau. Hình dáng của kim chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác của dụng cụ đo và
vị trí đặt dụng cụ để quan sát. Kim chỉ đ ợc gắn vào trục nh hình bên.
+ Thang đo là bộ phận
để khắc độ các giá trị của đại
l ợng cần đo. Có nhiều loại

thang đo tuỳ vào độ chính xác
của chỉ thị cũng nh bản chất
của cơ cấu chỉ thị.. Thang đo
th ờng đ ợc chế tạo từ nhôm
lá, đôi khi còn có cả g ơng
phản chiếu phía d ới thang
đo.
+ Bộ phận cản dịu là bộ phận để giảm quá trình dao động của phần động
và xác định vị trí cân bằng. Quá trình này còn gọi là quá trình làm nhụt. Có
hai loại cản dịu là cản dịu không khí và cản dịu cảm ứng từ. Cản dịu không khí
đơn giản nhất là làm hộp kín có nắp đậy bên trong có cánh cản dịu (xem hình
bên). Cản dịu cảm ứng từ có thể thực hiện nhờ lợi dụng chính dòng xoáy (dòng
Fuco) xuất hiện trong phần động khi phần động quay. Ngoài ra để tránh ảnh
h ởng của các tác động từ bên ngoài, toàn bộ cơ cấu có thể đ ợc đặt trong một
màn chắn từ.
a. Cơ cấu chỉ thị từ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu (TĐNCVC)
Lò xo
Lò xo
Lò xo
Lò xo
Khung
dây
Thang
đo
Kim chỉ
G ơng
Ch ơng 2. Cấu trúc vàcác phần tử chức năng
21
Dụng cụ đo từ điện còn gọi là dụng cụ đo kiểu DArsonval với cấu tạo
bao gồm:

Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cữu (nam châm hình móng ngựa), lõi sắt, cực
từ (bằng sắt non). Giữa cực từ và lõi sắt có khe hở không khí rất hẹp.
Phần động: Khung dây đ ợc quấn bằng dây đồng. Khung dây gắn trên
trục, nó quay trong khe hở không khí.
Ngoài ra còn một số bộ phận khác nh : trục, trụ, 2 lò xo cản ở hai đầu
trục, kim chỉ
Nguyên tắc hoạt động:
Khi có dòng điện chạy trong khung dây, d ới tác động của từ tr ờng
nam châm vĩnh cửu khung dây sẽ bị lệch khỏi vị trí cân bằng ban đầu một góc
. Momen quay do từ tr ờng của nam châm t ơng tác với từ tr ờng của
khung dây tạo ra đ ợc tính bằng:
d
dWe
Mq = với We là năng l ợng điện từ tỉ lệ với độ lớn của từ thông
trong khe hở không khí và độ lớn
của dòng điện chạy trong khung
dây.
IWSBIWe ..... ==
với B là độ từ cảm của nam
châm
S là diện tích của khung dây
W là số vòng dây của khung
dây
I
Kim chỉ
BomonKTDT-ĐHGTVT
22
D.Mc:cótamà

=
== IWSB
d
IWSBd
Mq ...
)....(
IKIWSB
D
MqMc
....
1
==
==

B.S.W.ID.
Từ ph ơng trình đặc tính của thang đo ta thấy cơ cấu chỉ thị từ điện có
thang đo đều vì góc lệch tỉ lệ với dòng cần đo theo một hằng số K.
Dụng cụ đo kiểu từ điện th ờng có cơ cấu chỉnh zero để đ a kim chỉ về vị
trí 0 tr ớc khi tiến hành phép đo. Thực chất là điều chỉnh vị trí cuộn dây và
kim chỉ khi không có dòng điện vào. Việc làm nhụt đ ợc thực hiện nhờ lợi
dụng sự xuất hiện dòng cảm ứng Fuco khi khung dây quay. Từ tr ờng do dòng
này tạo ra sẽ hạn chế sự dao động của kim chỉ để nó nhanh chóng đạt vị trí cân
bằng, khi khung dây dừng dòng Fuco sẽ mất và nh thế cũng không còn lực
làm nhụt. Muốn vậy ng ời ta th ờng tạo khung dây bằng cách quấn dây đồng
trên một khung bằng nhôm, một vật liệu dẫn điện rất tốt nh ng lại không có
đặc tính từ.
Dòng cần đo đ a vào cơ cấu chỉ đ ợc phép theo một chiều nhất định, nếu
đ a dòng vào theo chiều ng ợc lại kim chỉ sẽ bị giật ng ợc trở lại và có thể gây
hỏng cơ cấu. Vì vậy, phải đánh dấu + (dây màu đỏ) và - (dây màu xanh) cho
các que đo. Tính chất này đ ợc gọi là tính phân cực của cơ cấu chỉ thị, nghĩa là

chiều quay của kim chỉ thị phụ thuộc vào chiều dòng điện nên các đại l ợng
xoay chiều (tần số từ 20Hz 100KHz) muốn chỉ thị bằng cơ cấu từ điện phải
chuyển thành đại l ợng một chiều và đ a vào cơ cấu theo một chiều nhất định
Cơ cấu chỉ thị từ điện có độ nhạy khá cao, thang đo đều nên đ ợc ứng
dụng để chế tạo Vônmet, Ampemet, Ohmmet nhiều thang đo với dải đo rộng.
b. Cơ cấu chỉ thị điện từ
Dụng cụ đo điện từ hoạt động dựa trên nguyên tắc khi hai chi tiết bằng
sắt kề nhau bị từ hoá bởi dòng điện chạy qua một cuộn dây thì xuất hiện một
lực đẩy giữa các cực cùng cực tính (N hoặc S).
Cấu tạo của một cơ cấu chỉ thị điện từ đ ợc cho ở hình d ới đây (bên trái
là hình chiếu đứng, bên phải
là hình chiếu xiên)
Phần tĩnh: Cuộn dây
bên trong có khe hở không
khí, một lá thép cố định nằm
trong lòng cuộn dây, gọi là lá
tĩnh.
Phần động: lá thép có
khả năng di chuyển t ơng
đối với lá tĩnh trong khe hở
không khí, gọi là lá động.
Dòng điện chạy qua
cuộn dây bao quanh phần
động sẽ từ hoá các lá thép với
cùng một cực do đó chúng đẩy nhau. Lực đẩy tổng hợp sẽ làm cho lá động dịch
ra xa khỏi lá tĩnh, đây chính là lực làm lệch. Kim chỉ gắn với trục quay khi đó
I
Kim chỉ
Ch ơng 2. Cấu trúc vàcác phần tử chức năng
23

sẽ bị lệch một góc t ơng ứng.
Lò xo dây quấn tạo ra momen cản hay lực điều khiển để dừng kim chỉ.
Momen quay do từ tr ờng của nam châm điện tạo ra đ ợc tính bằng:


d
dL
IMq
ILWe
d
dWe
Mq
2
2
2
1
.
2
1
=
=
=
với L là điện cảm của cuộn dây
Momen cản vẫn do lò xo tạo ra nên Mc = D.
Khi kim chỉ dừng ở vị trí cân bằng, nghĩa là khi
Mc = Mq

d
dL
I
D
d
dL
ID
2
2
.2
1
2
1
.
=
=
Vậy, độ lệch không phụ thuộc vào chiều của I, thang đo không đều vì
tỉ lệ với I
2
.
Cơ cấu chỉ thị điện từ không cần phân biệt cực tính cho dây đo, có thể
đ ợc dùng để chế tạo dụng cụ đo dòng một chiều và dòng xoay chiều nh
Vônmet, Ampemet tần số công nghiệp nh ng độ chính xác thấp và có tiêu thụ
điện năng.
c. Cơ cấu chỉ thị điện động
Cấu tạo:
Cuộn dây tĩnh hay còn
gọi là cuộn kích thích đ ợc
chia làm 2 phần nối tiếp
nhau (quấn theo cùng chiều)

I
1
I
2
BomonKTDT-ĐHGTVT
24
để tạo thành nam châm điện khi có dòng chạy qua.
Cuộn dây động quay trong từ tr ờng đ ợc tạo ra bởi cuộn tĩnh.
Các cuộn dây có lõi làm bằng vật liệu có độ từ thẩm cao để tạo ra từ
tr ờng mạnh. Thông th ờng chúng sẽ đ ợc bọc kín bằng màn chắn từ để tránh
ảnh h ởng của từ tr ờng bên ngoài.
Kim chỉ thị đ ợc gắn trên trục quay của phần động.
Lò xo tạo momen cản và các chi tiết phụ trợ khác.
Hoạt động:
Khi cho dòng điện vào các cuộn dây thì từ tr ờng của 2 cuộn dây t ơng tác với
nhau khiến cho cuộn động di chuyển và kim bị lệch đi khỏi vị trí zero. Các lò xo xoắn
tạo ra lực điều khiển và đóng vai trò dẫn dòng vào cuộn động.
Việc tạo ra sự cân bằng của hệ thống động (điều chỉnh zero) đ ợc thực hiện nhờ
điều chỉnh vị trí lò xo .
Dụng cụ đo kiểu điện động th ờng làm nhụt bằng không khí vì nó không thể
làm nhụt bằng dòng xoáy nh dụng cụ đo kiểu từ điện.
Do không có lõi sắt trong dụng cụ điện động nên môi tr ờng dẫn từ hoàn toàn
là không khí do đó cảm ứng từ nhỏ hơn rất nhiều so với ở dụng cụ từ điện. Điều này
đồng nghĩa với việc để tạo ra momen quay đủ lớn để quay phần động thì dòng điện
chạy trong cuộn động cũng phải khá lớn. Nh vậy, độ nhạy của dụng cụ đo điện động
nhỏ hơn rất nhiều so với dụng cụ đo từ điện.
Momen quay do 2 từ tr ờng t ơng tác nhau đ ợc tính bằng:
d
dWe
Mq = với We =

12212
2
21
2
1
....
2
1
.
2
1
MIILILI ++
vì các cuộn dây có hệ số tự cảm L riêng không phụ thuộc vào góc lệch trong quá
trình hoạt động (tức là 0=
d
dL
) nên:
d
dM
IIMq
12
21
..=
Vậy độ lệch của kim chỉ thị đ ợc tính theo biểu thức:


d
dM
II
D

12
21
...
1
=
Nếu mắc các cuộn dây nối tiếp nhau, nghĩa là I
1
= I
2
2
.IC= với C là hằng
số. Trong tr ờng hợp này cần chú ý rằng để có lực đẩy làm quay phần động thì chiều
quấn dây trên phần động phải ng ợc với chiều quấn dây trên hai phần của cuộn kích.
Vì góc lệch không tỉ lệ tuyến tính với dòng cần đo nên thang đo của cơ cấu điện
động là thang đo không đều.
Cơ cấu điện động có thể đ ợc sử dụng để đo dòng xoay chiều và một chiều. Tuy
nhiên nó có độ nhạy kém và tiêu thụ công suất khá lớn.
2. Cơ cấu chỉ thị tự ghi
Trong kỹ thuật đo l ờng vô tuyến điện các thiết bị chỉ thị tự ghi chủ yếu là máy
L ới
A
1
A
2
A
3
Ch ơng 2. Cấu trúc vàcác phần tử chức năng
25
hiện sóng với phần chỉ thị là ống phóng tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube). D ới
đây là cấu tạo cơ bản của một CRT.

CRT là một ống chân không với các hệ thống điện cực và màn huỳnh
quang, chùm electron do katot phát ra sẽ đ ợc h ớng tới màn hình theo sự
điều khiển từ bên ngoài và làm phát sáng lớp photpho tại điểm chúng đập vào.
Cấu tạo:
+ Phần 3 cực (triot) gồm Katot, l ới và anot
Katot làm bằng niken hình trụ đáy phẳng phủ oxit để phát ra điện tử.
Một sợi đốt nằm bên trong katot có nhiệm vụ nung nóng katot để tăng c ờng
thêm số điện tử phát xạ. Sợi đốt có điện thế khoảng 6,3V nh ng katot có điện
thế xấp xỉ 2kV.
L ới là một cốc Niken có lỗ ở đáy bao phủ lấy katot. Thế của l ới xấp xỉ
từ - 2kV đến 2,05kV để điều khiển dòng electron từ katot h ớng tới màn
hình. Khi thế của l ới thay đổi sẽ điều chỉnh l ợng electron bắn ra khỏi katot,
tức là làm cho điểm sáng trên màn hình có độ chói khác nhau. Vì vậy thành
phần điều khiển thế của l ới còn gọi là thành phần điều khiển độ chói.
Anot gồm 3 anot A1, A2 và A3. A1 có dạng hình trụ, một đầu hở và một
đầu kín có lỗ ở giữa cho electron đi qua. A1 tiếp đất nên có thế d ơng hơn
katot, electron đ ợc gia tốc từ katot qua l ới và anot để đến màn hình. Các
anot này đ ợc gọi là các điện cực điều tiêu hay thấu kính điện tử. Vì các
electron cùng mang điện tích âm nên chúng có xu h ớng đẩy nhau, nghĩa là
chùm tia điện tử sẽ loe rộng ra và khi đập vào màn huỳnh quang sẽ tạo ra một
vùng sáng, nghĩa là hình ảnh hiển thị bị nhoè. Nhờ có các điện cực điều tiêu,
chùm electron sẽ bị hội tụ lại làm cho các electron h ớng tới 1 điểm nhỏ trên
màn hình, tức là hình ảnh hiển thị đ ợc rõ nét. A2 có thế 2kV để tạo ra các
đ ờng đẳng thế làm cho electron chuyển động qua anot có tốc độ ổn định.
Phần 3 cực trên đôi khi còn đ ợc gọi là súng điện tử.
+ Hệ thống làm lệch (hay còn gọi là lái tia)
Khi các tấm làm lệch ngang và đứng đ ợc tiếp đất hoặc không nối thì
chùm electron có thể đi qua chúng và đập vào tâm màn hình.
Khi đặt điện áp lên các tấm làm lệch thì các electron sẽ bị hút vào tấm có
thế d ơng và bị đẩy ra xa khỏi tấm có thế âm. Để tác dụng của các điện áp làm

lệch + / - gây ra những khoảng lệch nh nhau thì thế +E/2 phải đ a vào một
tấm và thế E/2 đi vào tấm còn lại (với E là thế chênh lệch giữa hai tấm).
. Điện áp cần thiết để tạo ra 1 vạch chia độ lệch ở màn hình đ ợc gọi là hệ
số làm lệch đứng của ống, đơn vị là V/cm
. Độ lệch do 1V tạo ra trên màn hình gọi là độ nhạy lái tia, đơn vị là cm/V
Ngoài ra, để tránh ảnh h ởng của điện tr ờng giữa các cặp lái tia ng ời
ta đôi khi còn sử dụng một màn chắn cách điện giữa cặp lái tia ngang và cặp
lái tia đứng.
+ Màn hình của CRT đ ợc mạ một lớp Photpho ở mặt trong của ống, khi
chùm electron đập vào màn hình thì các electron bên trong lớp mạ sẽ chuyển
lên mức năng l ợng cao và khi trở về trạng thái bình th ờng sẽ phát ra ánh
sáng. Sự l u sáng của photpho khá dài từ vài ms đến vài s nên mắt ng ời mới
nhìn thấy hình dạng sóng hiện. Lớp than chì có tác dụng thu hồi các electron
thứ cấp vì nếu không thu hồi lại thì sự tích tụ của các electron có thể tạo ra
một thế âm ở màn hình và thế âm này sẽ chống lại sự di chuyển của dòng
electron tiến đến màn hình. Ngoài ra, ng ời ta có thể sử dụng màng nhôm để