Cơ sở đo lường và điều khiển số

Chương 2. Cảm biến
TS. Phạm Duy Hưng
Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường ĐH Công nghệ - ĐHQGHN
Email:


Nội dung chương 2
1. Tổng quan
1.1 Khái niệm
1.2 Đặc tính của cảm biên
1.3 Hiệu chuẩn cảm biến

2. Các loại cảm biến thông dụng
3. Ứng dụng và xu hướng


1. Tổng quan
1.1 Khái niệm
• Cảm biến (Sensor)/Bộ chuyển đổi (Transducer): là phương tiện (thiết bị) đo lường
thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho việc biến đổi
tiếp theo hoặc truyền đạt, gia cơng bằng thiết bị tính tốn hoặc lưu giữ số liệu.
✓Cảm biến được coi như một mạch 2 cửa, tín hiệu ra là hàm số của tín hiệu vào.
✓Có độ chính xác theo mơ hình mạch điện.
x(t)

W(t)

y(t)

x(t): đại lượng vào
y(t): đại lượng ra

W(t): hàm truyền đạt


1. Tổng quan
1.2 Đặc tính của cảm biến
• Đặc tính tĩnh (Static characteristic)
✓ Dạng tín hiệu đầu ra (Output signal form):

Yêu cầu: ADC (Analog-to-Digital Converter)

Dạng xung/số


1. Tổng quan
1.2 Đặc tính của cảm biến
• Đặc tính tĩnh (Static characteristic)
✓ Sai số (Error):

Error=Giá trị đo được – Giá trị đúng
✓ Khoảng đo (span): hiệu giữa giá trị đo lớn nhất và nhỏ nhất

Span=Giới hạn trên của dải đo – Giới hạn dưới của dải đo
✓ Độ phân giải (Resolution): gia số nhỏ nhất của lối ra.

Average Resolution

𝟏𝟎𝟎%
(%)=
,
𝑵

(với N là tổng số bước trong khoảng đo; 100 tương ứng với khoảng đo được chuẩn hóa)

✓ Độ nhạy (Sensitivity): tỷ số độ thay đổi đầu ra so với độ thay đổi tín hiệu vào.
𝑲𝒉𝒐ả𝒏𝒈 𝒈𝒊á 𝒕𝒓ị 𝒍ố𝒊 𝒓𝒂 𝒕ươ𝒏𝒈 ứ𝒏𝒈 𝒗ớ𝒊 𝑺𝒑𝒂𝒏
Sensitivity=
𝑺𝒑𝒂𝒏


Ví dụ 1
• Một chiết áp cuộn dây có 1200 vịng dùng để đo vị trí của trục quay trong phạm vi
dải từ -120 đến 120 độ. Điện áp lối ra của đầu đo trong dải 0-20V. Tìm khoảng đo
(Span), độ nhạy (Sensitivity), độ phân giải (Resolution) theo % và V của thang đo.
• Lời giải:
✓ Khoảng đo (Span) = 120𝑜 − −120𝑜 = 240𝑜
𝑉
−𝑉
20−0
✓ Độ nhạy (sensitivity) = 𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑖𝑛 =
𝑜 = 0.0833
✓ Độ phân giải (theo
✓ Độ phân giải (theo

𝑆𝑝𝑎𝑛
240
100%
%) =
= 0.0833%
1200
20𝑉

V) =
= 0.01667𝑉
1200

𝑉
độ


1. Tổng quan
1.2 Đặc tính của cảm biến
• Đặc tính tĩnh (Static characteristic)
✓ Khả năng lặp lại (Repeatability): khả năng lặp lại giá trị đo trong cùng một điều kiện đo cụ thể
=> Độ phân tán của giá trị đo trong số các phép đo (Độ lệch chuẩn)


Ví dụ 2
• Thiết bị đo tốc độ (Tachogenerator) có lối ra (output) tỷ lệ với tốc độ.
Hệ số tỷ lệ là 5V/1000 rpm trong dải 0-5000 rmp với độ chính xác
0.5% tồn thang (full scale). Tìm giá trị tốc độ đúng khi lối ra là 21V.
Xác định dải vận tốc có thể đo được với độ chính xác phép đo đã cho.


Ví dụ 2 (Giải)
• Xác định điện áp ra cực đại: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 𝑛𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐺

✓ 𝑛𝑀𝑎𝑥 là tốc độ cực đại: 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 5000𝑟𝑝𝑚
✓ G là độ nhạy của thiết bị đo vận tốc (V/rpm): G=5V/1000rpm
5𝑉
→ 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 5000𝑟𝑝𝑚 ∗
= 25𝑉

1000𝑟𝑝𝑚

• Tìm vận tốc đúng/lý tưởng khi 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 21𝑉
✓ 𝑛𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =

𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐺

=

21𝑉
5𝑉/1000𝑟𝑝𝑚

=

21𝑉
0.005𝑉/𝑟𝑝𝑚

= 4200𝑟𝑝𝑚

✓Độ chính xác tồn thang: ±0.5%= ±0.005 5000 = ±25𝑟𝑝𝑚
✓Dải tốc độ với độ chính xác ±0.5%
4200+25=4225rpm
4200-25=4175rpm


1. Tổng quan
1.2 Đặc tính của cảm biến
• Đặc tính động (Dynamic Characteristics): biến thiên theo thời gian-> phân tích đáp ứng của
cảm biến với một số dạng kích thích cơ bản.

✓ Hàm truyền (biến đổi Laplace):

𝑌(𝑠)
𝑋(𝑠)

=

𝐺
𝑑𝑦
(cảm biến bậc 1: 𝑎1
1+𝜏𝑠
𝑑𝑡

+ 𝑎𝑜 𝑦 𝑡 = 𝑥(𝑡))

o Y(s): lối vào
o X(s): lối ra
o G: hệ số ổn định
o 𝜏: hằng số thời gian

✓ Với kích thích lối vào là xung nhẩy bậc đơn vị (unit step): 𝑋 𝑠 =
✓ Đáp ứng nhẩy bậc đơn vị: 𝑌 𝑠 =

𝐾𝐺
𝑠(1+𝜏𝑠)

𝐾
(K độ lớn bước nhẩy)
𝑠

1. Tổng quan
1.2 Đặc tính của cảm biến
• 𝜏 = 2 ứng với lối ra đạt 63.2%
• Thời gian yêu cầu để đạt từ 10%
đến 90% giá trị cuối của lối ra 𝑡𝑟 là
𝑡𝑟 = 𝑡90 − 𝑡10
✓ 𝑡90 = 4.57𝑠
✓ 𝑡10 = 0.22𝑠
✓ 𝑡𝑟 = 4.57 − 0.22 = 4.35𝑠
• Hằng số thời gian thiết bị đo điển hình:
✓ Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
o Khơng khí: 35s
o Chất lỏng: 10s.
Hằng số thời gian nhiệt được xác định
bởi điện trở nhiệt 𝑅𝑇 và điện dung nhiệt
𝐶𝑇 : 𝜏 = 𝑅𝑇 𝐶𝑇


1. Tổng quan
1.3 Hiệu chuẩn cảm biến
• Hiệu chuẩn cảm biến (Sensor Calibration): là việc xác định độ chính xác của thiết bị đo, cụ thể là
đo đầu ra tương ứng với tồn dải của tín hiệu đầu vào. Lặp lại phép đo để xác định khả năng lặp
lại của thiết bị.
• Đường cong chuẩn cảm biến: Là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu
ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.
• Biểu diễn:
✓ Dưới dạng đại số: s = F(m)
✓ Dưới dạng đồ thị
• Dựa vào đường cong chuẩn của

cảm biến, có thể xác định giá trị
𝑚𝑖 chưa biết của m thông qua
đo được 𝑠𝑖 của s.

s2
s1


2. Các loại cảm biến thông dụng
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.

Cảm biến nhiệt độ (Temperature sensor)
Cảm biến độ ẩm (Humidity sensor)
Cảm biến áp suất (Pressure sensor)
Cảm biến tiệm cận (Proximity sensor): Nhận biết sự xuất hiện của vật mà không cần tiếp xúc
Cảm biến mức (Level sensor): đo mức chất lỏng
Cảm biến gia tốc (Accelerometer): đo gia tốc (tốc độ thay đổi vận tốc) của một vật
Cảm biến vận tốc góc (Gyroscope): đo vận tốc góc quanh trục quay.

Cảm biến khí (Gas sensor): đo sự thay đổi chất lượng khơng khí.
Cảm biến chất lượng nước (water quality sensor): giám sát các ion chủ yếu trong nước
Cảm biến khói (Smoke sensor): phát hiện khói và mức độ khói
Cảm biến phát hiện chuyển động (Motion detection sensor): phát hiện chuyển động của đối tượng
Cảm biến quang (Optical sensor): đo độ lớn ánh sáng.
Cảm biến vị trí (position sensor): xác định vị trí tương đối-> Đĩa lập mã (Encoder)


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.1 Cảm biến nhiệt độ
• Đầu dị nhiệt điện trở (RTD-Resistance Temperature Detector):
✓ Ngun lý hoạt động: thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ.
✓ Các tính năng chính: dải nhiệt độ rộng, độ chính xác cao, độ lặp lại tốt, đặc trưng tuyến tính.
✓ u cầu: nguồn dịng khơng đổi

• Điện trở nhiệt (Thermistor):
✓ Nguyên lý hoạt động: chất bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ, trở kháng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ.
✓ Các tính năng chính: độ nhạy cao, kích thước nhỏ, phản hồi nhanh, dải nhiệt độ hẹp, khơng
được khuyến khích trong các ứng dụng địi hỏi độ chính xác cao.
• Cặp nhiệt điện (Thermocouple):
✓ Ngun lý hoạt động: khớp nối giữa hai loại vật liệu khác nhau tạo ra điện áp nhỏ (mV) khi đặt
ở nhiệt độ khác nhau. Độ lớn của điện áp phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ.
✓ Các tính năng chính: kích thước nhỏ, giá thành rẻ, dải đo rộng. Hạn chế: nhiễu lớn, mức tín hiệu
thấp.


2. Các loại cảm biến thông dụng
2.1 Cảm biến nhiệt độ
• Cảm biến nhiệt độ mạch tích hợp (Integrated Circuit Temperature Sensors): điều chỉnh trực
tiếp các thang nhiệt độ khác nhau (độ C, độ F, …). Có thể hiệu chỉnh điện áp ra, thang đo tuyển

tính, điện áp và dịng thấp. Hạn chế dải nhiệt độ thấp (-55C đến 155C). Loại điển hình: LM34,
LM35.

LM35 bao gồm 3 chân
VCC là chân được cấp nguồn (4V – 30V).
OUT là chân điện thế ra.
GND là chân mass (nối đất).


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.2 Cảm biến Ánh sáng
• Cảm biến quang điện
✓ Là các linh kiện quan điện, thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề
mặt của nó
✓ Phân loại:
o Tế bào quang dẫn
o Photo Điốt (Điốt quang)
o Photo Tranzito (Tranzito quang)
• Cảm biến phát xạ
• Sự biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện được thực hiện nhờ hiện tượng phát xạ quang
điện. Số lượng điện tử thoát khỏi catot tỷ lệ với quang thơng chiếu vào nó.
• Phân loại:
• Tế bào quang điện chân khơng
• Tế bào quang điện chất khí
• Thiết bị nhân quang


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.2 Cảm biến Ánh sáng
• CDS Light sensor

2. Các loại cảm biến cơ bản
2.3 Cảm biến Áp suất
• Áp suất: là lực trên một đơn vị diện tích mà chất lỏng hay khí tác động (P=F/A), đơn vị Pascals
(Pa=N/m2) (1bar=100.000Pa)
• Cảm biến đo áp suất: chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện.
✓ Tuyệt đối: là áp suất chênh lệch giữa điểm đo và chân không tuyệt đối (áp suất bằng 0)
✓ Tương đối: là áp suất chênh lệch giữa điểm đo và áp suất khí quyển
✓ Vi sai: là áp suất chênh lệch giữa hai điểm đo, một điểm được chọn làm điểm tham chiếu.
• Ứng dụng:
✓Đo mức nước trong máy giặt
✓Hệ thống khí thải của xe ô tô
✓Theo dõi huyết áp
✓Hệ thống sưởi, thơng gió và điều hịa khơng
khí (Heating Ventilating and Air Conditioning HVAC)
✓Thiết bị đo độ cao trên máy bay


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.3 Cảm biến Áp suất
• Các loại cảm biến áp suất (áp kế)
✓ Áp kế (Manometers): Áp kế ống chữ U chứa chất lỏng.
o Khi hai bên có áp suất bằng nhau thì mức chất lỏng sẽ
tương ứng điểm 0 trên thang.
o Khi áp suát một bên cao hơn, độ cao cột chất lỏng thay
đổi, chênh lệch được tình như sau: 𝑃𝑅 − 𝑃𝐿 = 𝛾 ∗ ℎ,

Cảm biến áp suất thủy ngân

với h là chênh lệch độ cao của cột chất lỏng; 𝛾 là khối lượng riêng của chất lỏng

✓ Cảm biến áp suất điện dung (kiểu tụ)
o Khi có áp suất tác động vào lớp màng ngăn làm
lớp màng biến dạng/dịch chuyển làm thay đổi
điện dung.
✓ Cảm biến áp suất áp điện trở (Piezoresistive pressure
sensor): khi có áp suất tác động lên lớp màng ngăn, nó
sẽ biến dạng làm thay đổi điện trở.
➢ Áp kế số (BarometerPlus) -> Định vị vị trí tầng nhà nhờ cảm biến áp suất

Dynisco Melt Pressure sensor


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.4 Cảm biến đo mức
• Cảm biến đo mức (Level sensor): để đo mức chất lỏng.
✓ Cảm nhận trực tiếp: đo mức trực tiếp
✓ Cảm nhận gián tiếp: đo qua thuộc tính của chất lỏng như áp suất.

• Đo mức trực tiếp:
✓ Kính quan sát dòng chảy (sight glass or gauge) :
thước được lắp thẳng đứng liền kề với bình chứa.
Mức chất lỏng được quan sát trực tiếp bằng thước
ngắm. Đuôi thước được nối phần trên và dưới của
bể thông qua các van ngắt.
✓ Cảm biến phao (float sensor): loại tay góc và dịng dọc
✓ Cảm biến siêu âm: đo thời gian phản xạ mặt chất lỏng

Dịng dọc

Tay góc


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.4 Cảm biến đo mức
• Đo mức gián tiếp:
✓ Đo áp suất: đo áp suất tĩnh ở đáy bình chứa, mức có thể ngoại suy từ áp suất và khối lượng riêng của
chất lỏng: Áp suất 𝑃 = 𝛾 ∗ ℎ với 𝛾 là khối lượng riêng; h là độ sâu.
Lưu ý khối lượng riêng phụ thuộc nhiệt độ do vậy, việc sửa lỗi do nhiệt độ là cần thiết.

o Ví dụ: Thước đo áp suất được đặt ở đế của một bình mở, chứa chất lỏng có khối lượng riêng là
13,6kN/m3, áp suất đo được là 1.27MPa. Hỏi độ sâu của chất lỏng trong bình.
o Lời giải: 𝑃 = 𝛾 ∗ ℎ → ℎ =

𝑃
𝛾

=

1.27𝑀𝑃𝑎
13.6𝑘𝑁
𝑚3

= 93,4𝑚

✓ Bộ dịch chuyển (displacer) gắn cảm biến lực: lực nổi lên của vật thể F thay
đổi do sự thay đổi của mức chất lỏng. Máy đo lực đo trọng lượng dư thừa
của bộ dịch chuyển:
Trọng lượng của cảm biến lực = Trọng lượng bộ dịch chuyển (w)-F

2. Các loại cảm biến cơ bản
2.4 Cảm biến đo mức
• Đo mức gián tiếp:
✓ Thiết bị tạo bọt khí (Bubbler devices): khí từ bộ điều
chỉnh áp suất đi qua ống điều chỉnh lưu lượng, đầu
mở ổng ở đáy bình chứa. Áp suất cần thiết để ép
chất lỏng ra khỏi ống bằng áp suất ở cuối ống gây ra
bởi chất lỏng.
✓ Băng điện trở (Resistive tapes): Phần tử điện trở
được đặt gần miếng dẫn điện trong thiết bị bị nén,
vỏ bọc không dẫn điện. Áp suất của chất lỏng đẩy
miếng dẫn điện làm rút ngắn chiều dài phần tử điện
trở, chiều dài này tỷ lệ với độ sâu của chất lỏng.
✓ Cảm biến tải trọng (load cells): đo trọng lượng bồn
chứa và các chất chứa trong đó.


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.5 Cảm biến đo độ ẩm
• Độ ẩm (Humidity): lượng hơi nước tương đối có trong khơng khí.
• Độ ẩm tương đối (Relative humidity) được tính bởi:
𝐿ượng hơi nước có trong một thể tích khí x100
Độ ẩ𝑚 𝑡ươ𝑛𝑔 đố𝑖(𝜙) =
𝐿ượ𝑛𝑔 ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐 𝑡ố𝑖 đ𝑎 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑐ù𝑛𝑔 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ, á𝑝 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑃 𝑣à 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 độ 𝑇
• Bão hịa (saturation): Lượng hơi nước tối đa có thể được hịa tan hay hấp thụ bởi khí/khơng khí ở nhiệt độ và
áp suất nhất định.
• Độ ẩm tuyệt đối (Absolute humidity):
𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝

0.622𝑃(ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐)
0.622𝑃(ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐)
𝑇ỷ 𝑙ệ độ ẩ𝑚 =
=
=
𝑃(𝑘ℎí)
𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑘ℎí 𝑘ℎơ 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝
𝑃 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 − 𝑃(ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐)
Ví dụ về hơi nước trong khí quyển:
✓ Các đám mây đen khi bão: có thể chứa 10g/m3 hơi nước => Cỡ 100.000 tấn nước/dặm vng
(2.59km2) khi đám mây có độ cao 10.000 ft (~3000m)
✓ Các đám mây mật độ trung bình có thể chứa 0,8g/m3 hơi nước.
✓ Mây mưa nhẹ có thể chứa 0,2g/m3 hơi nước
✓ Mây mù có thể chưa 0,1g/m3 hơi nước.


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.5 Cảm biến đo độ ẩm
• Thiết bị đo độ ẩm: độ ẩm có thể đo
bằng cách sử dụng các vật liệu hấp
thụ hơi nước, tạo ra sự thay đổi
trong các đặc trưng của chúng mà
có thể đo lường được.
✓ Ẩm kế Psychrometer: sử dụng
phương pháp ẩn nhiệt bay hơi
(latent heat of vaporization) để
xác định độ ẩm. Nếu nhiệt độ
khơng khí được đo bởi một
nhiệt kế bầu khô (dry buld
thermometer) và một nhiệt kế

bầu ướt (wet buld
thermometer) thì hai giá trị
nhiệt độ có thể được sử dụng
để xác định độ ẩm tương đối
thông qua tra biểu đồ trắc ẩm
(Psychrometric chart) .


2. Các loại cảm biến cơ bản
2.5 Cảm biến đo độ ẩm
• Ẩm kế Hygrometer: đo độ ẩm tương đối bằng cách đo gián tiếp độ ẩm bởi cảm nhấn sự thay đổi trong
các thuộc tính vật lý, điện của vật liệu do độ ẩm thay đổi. VD: một số vật liệu như gỗ thay đổi chiều dài khi
hấp thụ nước.
✓ Kiểu tấm laminate (Laminate Hygrometer):
Được làm bằng cách gắn các bản gỗ mỏng
vào bản kim loại mỏng tạo thành tấm
laminate. Tấm laminate được uốn thành
hình xốy ốc, một đầu cố định, một đầu gắn
với con trỏ và thang chia độ ẩm. Khi độ ẩm
thay đổi làm thay đổi chiều dài của tấm gỗ.
Sự thay đổi này tỷ lệ với thay đổi độ ẩm.
✓ Kiểu tóc (hair hygrometer): tóc người dài ra
3% khi độ ẩm thay đổi từ 0% đến 100%. Sự
thay đổi này có thể sử dụng để điều khiển
con trỏ chỉ thị thang đo.

Ẩm kế sử dụng tấm kim loại/gỗ

Ẩm kế sử dụng tóc