Bài giảng Kỹ thuật đo lường - Chương 1: Các khái niệm cơ bản

17/01/2015
1
KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG
Giới thiệu

 Mục đích môn học
17/01/2015
2
Giới thiệu

 Nội dung

 Chương 1: Các khái niệm cơ bản

 Chương 2: Sai số đo và xử lý kết quả đo

 Chương 3: Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo

 Chương 4: Chuyển đổi đo lường và cảm biến

 Chương 5: Các cơ cấu chỉ thị

 Chương 6: Mạch đo và xử lý kết quả 

 Chương 7: Đo dòng điện và điện áp

 Chương 8: Đo công suất và năng lượng

 Chương 9: Đo góc pha

 Chương 10: Đo tần số và thời gian

 Chương 11: Đo các tham số mạch điện
Giới thiệu

 Tài liệu tham khảo

 Phạm Thượng Hàn – Kĩ thuật đo lường các đại lượng vật lí –
NXB Giáo dục 1997.

 Nguyễn Văn Vượng – Cơ sở phương pháp đo kiểm tra trong kĩ 
thuật – NXB KH & KT – 2001.

 Vũ Quý Điềm – Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử – NXB KH & 
KT – 2001

 John G. Webster – The Measurement, Instrumentation and 
Sensors Handbook – CRC – 1999.
17/01/2015
3
CHƯƠNG 1 : CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
Nội dung

 Định nghĩa

 Đặc trưng của kĩ thuật đo

 Các phương pháp đo

 Phân loại thiết bị đo
17/01/2015
4

 Con người muốn có thông tin về các sự vật, hiện tượng xung quanh
mình.

 Cần phải có các dụng cụ, phương pháp để cung cấp, ước lượng
thông tin về đối tượng cần biết

 Hoạt động đó gọi là đo lường.
Định nghĩa
Định nghĩa

 Định nghĩa :

 Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo 
để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. 

 Quá trình đo là quá trình xác định tỉ số : 
Ví dụ : I = 10A 
Ví dụ : đo độ ẩm ? 
đo ứng suất cơ học ?
0
X
X
A
X
=
17/01/2015
5
Định nghĩa

 Đo lường học: ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các
phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, nghiên cứu về mẫu
và đơn vị đo. 

 Kĩ thuật đo lường : ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp
dụng các thành quả đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời
sống.
 Quan tâm : - Đại lượng đo
- Đơn vị đo
- Độ chính xác yêu cầu của phép đo và tính toán
Các đặc trưng của kỹ thuật đo

 Đại lượng đo

 Điều kiện đo

 Đơn vị đo

 Thiết bị đo và phương pháp đo

 Kết quả đo

 Người quan sát
17/01/2015
6
Các đặc trưng của kĩ thuật đo
Đại lượng đo

 Định nghĩa : đại lượng cần đo là thông số đặc trưng cho đại
lượng vật lý cần đo

 Phân loại : 

 Theo bản chất đại lượng đo

 Theo tính chất thay đổi đại lượng đo

 Theo cách biến đổi đại lượng đo
Các đặc trưng của kĩ thuật đo

 Phân loại theo bản chất đại lượng đo

 Đại lượng đo điện

 Đại lượng đo năng lượng

 Đại lượng đo không điện

 Đại lượng đo thông số

 Đại lượng đo phụ thuộc thời gian
17/01/2015
7
Các đặc trưng của kĩ thuật đo

 Phân loại theo tính chất thay đổi đại lượng đo

 Đại lượng đo tiền định 

 Đại lượng đo ngẫu nhiên
Các đặc trưng của kĩ thuật đo

 Phân loại theo cách biến đổi đại lượng đo

 Đại lượng đo liên tục (đại lượng đo tương tự - analog) 

 Đại lượng đo rời rạc (đại lượng đo số - digital) 
17/01/2015
8
Các đặc trưng của kĩ thuật đo
Điều kiện đo

 Phép đo một đại lượng phải được thực hiện trong điều kiện
chuẩn theo quy định.
Các đặc trưng của kĩ thuật đo
Đơn vị đo

 Đơn vị đo : là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó
được quốc tế qui định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ. 

 Hệ SI (System International)

 Hệ CGS (Centimeter Gramme Second)

 Hệ Anh (English)

 Hệ MKS (Meter Kilogram Second)

 Hệ MKSA (Meter Kilogram Second Ampere)

 Hệ Á Đông (thước, tấc, yến, tạ, sào, mẫu)

 Hệ phi tổ chức (gang tay, sào đứng, bước chân)
17/01/2015
9
Các đặc trưng của kĩ thuật đo
Đơn vị đo
Đại lượng đo Tên đơn vị Kí hiệu
Chiều dài Mét m
Khối lượng Kilogram kg
Thời gian Giây s
Cường độ dòng điện Ampe A
Nhiệt độ Kelvin/oC K
Cường độ sáng Candela Cd
Số lượng vật chất Mol Mol
Các đặc trưng của kĩ thuật đo
Phân loại thiết bị đo

 Mẫu

 Dụng cụ đo

 Chuyển đổi đo lường

 Chuyển đổi đại lượng điện thành đại lượng điện khác

 Chuyển đổi đại lượng không điện thành điện

 Hệ thống thông tin đo lường

 Hệ thống đo lường

 Hệ thống kiểm tra tự động

 Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật

 Hệ thống nhận dạng

 Tổ hợp đo lường tính toán
17/01/2015
10
Các đặc trưng của kĩ thuật đo
Kết quả đo

 Định nghĩa: là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường
cong ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian

 Kết quả đo là giá trị ước lượng, xác định bằng thực nghiệm nhờ
thiết bị đo. Ở một điều kiện nào đó, có thể coi là giá trị thực của
đại lượng cần đo.

 Sai số của phép đo được đưa ra để đánh giá sai lệch giữa giá trị
ước lượng và giá trị thực đánh giá phép đo
Các đặc trưng của kĩ thuật đo
Người quan sát

 Định nghĩa: là người thực hiện phép đo và gia công kết quả đo

 Nhiệm vụ

 Trước khi đo : nắm được phương pháp đo, chọn dụng cụ đo phù hợp
với sai số yêu cầu và điều kiện môi trường, kiểm tra điều kiện đo

 Trong khi đo : biết điều khiển quá trình đo để thu kết quả mong
muốn

 Sau khi đo : nắm các phương pháp gia công kết quả đo.
17/01/2015
11
Phân loại phương pháp đo

 Đo trực tiếp: kết quả có chỉ sau một lần đo.

 Đo gián tiếp: kết quả có bằng phép suy ra từ một số phép đo 
trực tiếp.

 Đo hợp bộ: như gián tiếp nhưng phải giải một phương trình 
hay một hệ phương trình mới có kết quả.

 Đo thống kê: đo nhiều lần và lấy giá trị trung bình mới có kết 
quả
Phân loại phương pháp đo

 Phương pháp đo trực tiếp
Đối tượng
đo Cảm biến
Mạch điều
chế TH
Kết 
quả
Giao tiếp Khuếch 
đại
Mạch lọc
Mạch điều biến TH
17/01/2015
12
Phân loại phương pháp đo

 Phương pháp đo so sánh
Cảm biến Mạch điều
chế TH
Mạch đặt
mẫu Xm
Kết 
quả
Mạch biến đổi
tỉ lệ đầu vào
X E Xm
X
m
Phân loại phương pháp đo

 Phương pháp đo so sánh

 So sánh cân bằng : E = 0

 So sánh không cân bằng: E ≠ 0  X = Xm + E

 So sánh đồng thời : chọn bội số tỉ lệ thích hợp

 So sánh không đồng thời: tạo tín hiệu mẫu có cùng đáp ứng
17/01/2015
13
Mẫu và chuẩn 

 Chuẩn: các đơn vị đo tiêu chuẩn như chuẩn chiều dài, chuẩn 
khối lượng, chuẩn điện áp

 Mẫu: dụng cụ dùng để kiểm tra chuẩn hóa các dụng cụ đo 
khác

 Pin mẫu

 Nguồn ổn áp mẫu

 Điện trở mẫu
Mẫu và chuẩn

 Các dụng cụ đo tạo ra chuẩn được gọi là dụng cụ chuẩn cấp 1, 
đảm bảo độ chính xác nhất của một quốc gia

 Các dụng cụ mẫu có cấp chính xác thấp hơn và thường dùng 
để kiểm định các dụng cụ đo sản xuất.

 Dụng cụ mẫu nói chung đắt tiền và yêu cầu bảo quản, vận 
hành rất nghiêm ngặt nên chỉ sử dụng khi cần thiết.
(Đọc thêm chương 2, sách Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật 
lý)
17/01/2015
14
Hệ thống truyền chuẩn

 Các thiết bị chuẩn có 
độ chính xác cao chỉ 
có ý nghĩa khi truyền 
được cho các dụng cụ 
mẫu và dụng cụ làm 
việc
Nội dung

 Các loại sai số

 Phương pháp loại trừ sai số

 Phương pháp xử lý kết quả đo
17/01/2015
15
Các loại sai số
Tiêu chí phân 
loại
Theo cách thể hiện 
bằng số
Theo nguồn gây ra
sai số
Theo qui luật xuất
hiện của sai số
Loại sai số - Sai số tuyệt đối
- Sai số tương đối
- Sai số phương pháp
- Sai số thiết bị.
- Sai số chủ quan.
- Sai số bên ngoài.
- Sai số hệ thống.
- Sai số ngẫu nhiên
Sai số phép đo = sai số hệ thống + sai số ngẫu nhiên
Các loại sai số


17/01/2015
16
Bài tập
1. Một thiết bị đo có thang đo cực đại là 100mA, có sai số tương
đối quy đổi là ±1%. Tính các giới hạn trên và giới hạn dưới của
dòng cần đo và sai số theo phần trăm trong phép đo đối với:
a. Đô lệch cực đại
b. 0,5 độ lệch cực đại
c. 0,1 độ lệch cực đại
Bài tập
2. Một ampe mét có khoảng đo 5A, 2.5A, 1A. Thang đo được
chia thành 100 vạch, cấp chính xác 1.

 Đặt vào thang đo 5A để đo dòng điện, kim chỉ 18 vạch. Xác
định giá trị dòng điện và tính sai số tương đối của phép đo

 Chọn thang đo thích hợp, xác định số vạch mà kim chỉ thị. 
Tính sai số mới.
17/01/2015
17
Phương pháp loại trừ sai số

 Sai số hệ thống :

 Phân tích lý thuyết, kiểm tra dụng cụ đo, chuẩn đo

 Chỉnh “0” trước khi đo

 Chỉnh định theo đặc tuyến

 Bù ngược dấu hoặc bù hiệu chỉnh

 Sai số ngẫu nhiên

 Kỳ vọng toán m
x
(giá trị trung bình)

 Độ lệch bình quân σ, phương sai D = σ2

 Phân bố xác suất : hàm mật độ phân bố xác suất chuẩn
2
2
2
5.0
2
)(
2
1
2
1
)(





 ∆
−
−−
==∆
σσ
piσpiσ
eeW
x
mx
Phương pháp loại trừ sai số

 Các bước tính sai số ngẫu nhiên

 Tính ước lượng kì vọng toán học m
X
của đại lượng đo

 Tính độ lệch của kết quả mỗi lần đo so với giá trị trung bình 

 Tính khoảng giới hạn của sai số ngẫu nhiên

 Xử lý kết quả đo: loại những kết quả đo nào có sai số dư nằm
ngoài khoảng
∑
=
−
=
+++
==
n
i
in
X
n
x
n
XXX
Xm
1
21
,
.....
−
−= Xxv
ii
[ ]
21
,∆∆=∆
)1.(
1
2
21
−
=∆=∆
∑
−
nn
v
n
i
i
[ ]
21
,∆∆=∆
17/01/2015
18
Phương pháp loại trừ sai số

 Loại bỏ những kết quả đo không thực (sai lệch quá lớn)

 Loại trừ sai số hệ thống

 Loại trừ sai số ngẫu nhiên 

 Gia công kết quả đo 
Phương pháp xử lý kết quả đo

 Lưu đồ thuật toán 
gia công kết quả 
đo
17/01/2015
19
Tính toán sai số gián tiếp


Bài tập 1

 Tính kết quả đo và sai số ngẫu nhiên với xác suất đáng tin cậy 
p=0.98 của phép đo điện trở với kết quả như sau

 140,25; 140,5; 141,75; 139,25; 139,5; 140,25; 140; 126,75; 
141,15; 142,25; 140,75; 144,15; 140,15; 142,75. 

 Biết sai số ngẫu nhiên có phân bố chuẩn.
17/01/2015
20
Bài tập 2

 Tính sai số tương đối trong phép đo gián tiếp công suất mạch 
điện thông qua đo U,I

 Chỉ số đo thu được U =100V ; I = 1A

 Giá trị lớn nhất của thang đo các dụng cụ đo là 

 Imax=1A ; Umax=150V

 Cấp chính xác 1%
Phương pháp xử lý kết quả đo

 Tính toán hệ số tương quan tuyến tính

 Nếu ρ > 0 tương quan dương

 Nếu ρ < 0 tương quan âm

 Nếu ρ = 0 không có tương quan

 ρ càng gần 1 tương quan tuyến tính càng mạnh 
17/01/2015
21
Phương pháp xử lý kết quả đo

 Đặt vấn đề: 2 đại lượng X và Y có các 
cặp giá trị đo tương ứng (x
i
, y
i
)

 y
i
≠ ax
i
+ b

 Phương pháp : 

 Chọn a, b sao cho với n phép đo, tổng 
sai số 

 Chia lượng phép đo n thành 2 nhóm 
gần bằng nhau
x
y

 Phương pháp lấy số liệu trung bình
∑
=
=∆
n
i
i
1
0






=−−
=−−
∑
∑
+=
=
0).(
0).(
1
1
n
mj
ii
m
i
ii
bxay
bxay
Phương pháp xử lý kết quả đo


17/01/2015
22
Phương pháp xử lý kết quả đo

 Xây dựng phương trình và biểu thức thực nghiệm từ 
kết quả đo

 Tính hệ số tương quan để chẩn đoán dạng đường cong

 Khi đường cong thực nghiệm có dạng tuyến tính

 Phương pháp bình phương cực tiểu

 Phương pháp trung bình

 Phương pháp kéo chỉ

 Khi đường cong thực nghiệm có dạng phi tuyến

 Phương pháp bình phương cực tiểu

 Phương pháp trung bình

 Phương pháp tuyến tính hóa: khi đường cong không có 
dạng đa thức.
Bài tập 3
Số lần thí nghiệm 1 2 3 4 5 6
t, oC +0,5 +9,7 +19,2 +30,5 +40,2 +49,5
R
i
, Ω 1,01 1,02 1.07 1,13 1,18 1,26
Khi thử nghiệm vật liệu của sun ta nhân được các giá trị điện trở 
của nó theo nhiệt như trong bảng sau.
Xác định đường cong thực nghiệm giữa nhiệt độ và điện trở trong 
thí nghiệm này
17/01/2015
23
Phương pháp xử lý kết quả đo

 Phương pháp dùng máy tính

 Dùng Matlab : lệnh polyfit

 Dùng các công cụ khác như: Mathematical, Excel, Mapple 

 Dùng các công cụ đồ họa.