Tài liệu Kỹ thuật cảm biến và đo lường potx

G
G
I
I
Á
Á
O
O


T
T
R
R
Ì
Ì
N
N
H
H


L
L
Ý
Ý


T
T

H
H
U
U
Y
Y
Ế
Ế
T
T




K
K
Ỹ
Ỹ


T
T
H
H
U
U
Ậ
Ậ
T
T

C
C
Ả
Ả
M
M


B
B
I
I
Ế
Ế
N
N


V
V
À
À


Đ
Đ
O
O

L
L
Ư
Ư
Ờ
Ờ
N
N
G
G


L
L
Ư
Ư
U
U


H
H
À
À
N
N
H
H

N
N
Ộ
Ộ
I
I


B
B
Ộ
Ộ


2
2
0
0
1
1
2
2


Đ
Đ
Ạ
Ạ

I
I


H
H
Ọ
Ọ
C
C


C
C
Ô
Ô
N
N
G
G


N
N
G
G
H
H
I
I

Ệ
Ệ
P
P


T
T
P
P
.
.
H
H
C
C
M
M


K
K
H
H
O
O
A
A

C
C
Ô
Ô
N
N
G
G


N
N
G
G
H
H
Ệ
Ệ


Đ
Đ
I
I
Ệ
Ệ
N
N

T
T
Ử
Ử


-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-


BIÊN SOẠN:
TRẦN VĂN HÙNG
Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 1
Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
1.1 Giới thiệu

Cảm biến là thiết bị dùng ñể cảm nhận biến ñổi các ñại lượng vật lý và các ñại
lượng không có tính chất ñiện cần ño thành các ñại lượng ñiện có thể ño và xử lý
ñược.
Trong quá trình sản xuất có nhiều ñại lượng vật lý như nhiệt ñộ, áp suất, tốc ñộ,
tốc ñộ quay, nồng ñộ pH, ñộ nhờn cần ñược xử lý cho ño lường, cho mục ñích ñiều
khiển truyền ñộng. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận, ñáp
ứng các kích thích.
Cảm biến cũng ñược xem như kỹ thuật ñể chuyển ñổi các lượng vật lý như nhiệt
ñộ, áp suất, khoảng cách sang một ñại lượng khác ñể có thể ñánh giá tốt hơn. Các ñại
lượng này phần lớn là tín hiệu ñiện.
Thí dụ: ðiện áp, dòng ñiện, ñiện trở hoặc tần số dao ñộng. Các tên khác của khác
của bộ cảm biến: Sensor, bộ cảm biến ño lường, ñầu dò, van ño lường, bộ nhận biết
hoặc bộ biến ñổi.
Các ñại lượng cần ño (m) thường không có tính chất ñiện như (nhiệt ñộ, áp
suất…) tác ñộng lên cảm biến cho ta một ñặc trưng (s) mang tính chất ñiện như (ñiện
áp, dòng ñiện, trở kháng…) chứa thông tin cho phép ta có thể xác ñịnh giá trị của ñại

lượng ñiện ñó, ñặc trưng (s) chính là hàm của ñại lượng cần ño (m)
s = F(m) (1.1)
Người ta gọi (s) là ñại lượng ñầu ra hay là phản ứng của cảm biến, (m) là ñại
lượng ñầu vào hay gọi là kích thích. Thông qua ño ñạc (s) cho phép nhận biết giá trị
của (m).
Hình ảnh của các loại cảm biến thường dùng hiện nay ñược mô tả như mô hình
2.1

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 2

Hình 1.1 Các loại cảm biến thông dụng hiện nay
Các bộ cảm biến ñược sử dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp và dân
dụng. Các bộ cảm biến ñặc biệt và rất nhạy cảm ñược sử dụng trong các thí nghiệm
các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự ñộng hoá người ta sử dụng các
sensor thông thường hay các cảm biến có chức năng ñặc biệt.

1.2 ðường cong chuẩn của cảm biến

1.2.1 Khái niệm
ðường cong chuẩn cảm biến là ñường cong biểu diễn sự phụ thuộc của ñại lượng
ñiện (s) ở ñầu ra của cảm biến vào giá trị của ñại lượng ño (m) ở ñầu vào. ðường cong
chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức ñại số dưới dạng s=F(m), hoặc bằng ñồ thị.

Hình 1.2 (a) ðường cong chuẩn b) ðường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính hóa.
Dựa vào ñường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác ñịnh giá trị m
i
chưa biết
của m thông qua giá trị ño ñược s

i
của s. ðể dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm
Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 3
biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa ñại lượng ñầu ra và ñại lượng ñầu vào, phương
trình s= F(m) sau phép biến ñổi tuyến tính sẽ có dạng:
s = am +b
(1.2)
với a, b là các hệ số, khi ñó ñường cong chuẩn là ñường thẳng.
1.2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép ño nhằm mục ñích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s ño
ñược của ñại lượng ñiện ở ñầu ra và giá trị m của ñại lượng ño có tính ñến các yếu tố
ảnh hưởng, trên cơ sở ñó xây dựng ñường cong chuẩn dưới dạng dễ nhận biết hơn (ñồ
thị hoặc biểu thức ñại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị ñã biết chính xác m
i

của m, ño giá trị tương ứng s
i
của s và dựng ñường cong chuẩn.
a. Chuẩn ñơn giản
Trong trường hợp ñại lượng ño chỉ có một ñại lượng vật lý duy nhất tác ñộng lên
một ñại lượng ño xác ñịnh và cảm biến sử dụng không nhạy với tác ñộng của các ñại
lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn ñơn giản. Thực chất của chuẩn
ñơn giản là ño các giá trị của ñại lượng ñầu ra ứng với các giá trị xác ñịnh không ñổi
của ñại lượng ño ở ñầu vào. Việc chuẩn tiến hành theo 2 cách:
o Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của ñại lượng ño lấy từ các mẫu chuẩn
hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với ñộ chính xác cao.
o Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh ñã có sẵn
ñường cong chuẩn, cả hai ñược ñặt trong cùng ñiều kiện làm việc.

b. Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị ño ñược ở ñầu ra phụ
thuộc không những vào giá trị tức thời của ñại lượng cần ño ở ñầu vào mà còn phụ
thuộc vào giá trị trước ñó của của ñại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta
áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:
o ðặt lại ñiểm 0 của cảm biến: ðại lượng cần ño và ñại lượng ñầu ra có giá trị
tương ứng với ñiểm gốc, m=0 và s=0.
Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 4
o ðo giá trị ñầu ra theo một loạt giá trị tăng dần ñến giá trị cực ñại của ñại lượng
ño ở ñầu vào.
o Lặp lại quá trình ño với các giá trị giảm dần từ giá trị cực ñại.
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác ñịnh ñường cong chuẩn theo cả hai hướng ño
tăng dần và ño giảm dần.
1.3 Các ñặc trưng cơ bản của cảm biến

1.3.1 ðộ nhạy của cảm biến
a. Khái niệm
ðối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên ñầu ra ∆s và biến thiên ñầu vào ∆m
có sự liên hệ tuyến tính:
mSS
∆
=
∆
.
(1.3)
m
S
S

∆
∆
=⇒
: gọi là ñộ nhạy của cảm biến. (1.4)
Trường hợp tổng quát, biểu thức xác ñịnh ñộ nhạy S của cảm biến xung quanh
giá trị m
i
của ñại lượng ño xác ñịnh bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của ñại lượng ñầu ra
và biến thiên ∆m tương ứng của ñại lượng ño ở ñầu vào quanh giá trị ñó:
i
mm
m
S
S
=






∆
∆
=
(1.5)
b. Lưu ý
ðể phép ño ñạt ñộ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần thực hiện
cho ñộ nhạy S của nó không ñổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố:
o Giá trị của ñại lượng cần ño m và tần số thay ñổi của nó.
o Thời gian sử dụng.

o Ảnh hưởng của các ñại lượng vật lý khác (không phải là ñại lượng ño) của môi
trường xung quanh.
Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của ñộ nhạy S tương ứng với những
ñiều kiện làm việc nhất ñịnh của cảm biến.
Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 5
1.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến
a. Khái niệm
Một cảm biến ñược gọi là tuyến tính trong một dải ño xác ñịnh nếu trong dải chế
ñộ ñó có ñộ nhạy không phụ thuộc vào ñại lượng ño. Nếu cảm biến không tuyến tính,
người ta ñưa vào mạch ño các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu ñiện nhận ñược ở
ñầu ra tỉ lệ với sự thay ñổi của ñại lượng ño ở ñầu vào. Sự hiệu chỉnh ñó ñược gọi là sự
tuyến tính hoá.
b. ðường thẳng tốt nhất
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận ñược một loạt ñiểm tương
ứng (s
i
,m
i
) của ñại lượng ñầu ra và ñại lượng ñầu vào. Về mặt lý thuyết, ñối với các
cảm biến tuyến tính, ñường cong chuẩn là một ñường thẳng. Tuy nhiên, do sai số khi
ño, các ñiểm chuẩn (m
i
, s
i
) nhận ñược bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng
một ñường thẳng.
ðường thẳng ñược xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là
bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến ñược gọi là ñường thẳng tốt nhất.

Phương trình biểu diễn ñường thẳng tốt nhất ñược lập bằng phương pháp bình
phương bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N ñiểm ño, phương trình
có dạng:
bmaS
+
=
.
(1.6)
với
( )
∑
∑
∑
∑
∑
−
−
=
2
2

ii
iiii
mmN
msmsN
a
;
( )
∑
∑

∑
∑
∑
−
−
=
2
2
2

ii
iiiii
mmN
msmms
b
(1.7)
c. ðộ lệch tuyến tính
ðối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta ñưa ra khái niệm ñộ
lệch tuyến tính, xác ñịnh bởi ñộ lệch cực ñại giữa ñường cong chuẩn và ñường thẳng
tốt nhất, tính bằng % trong dải ño.
1.3.3 Sai số và ñộ chính xác của cảm biến
a. Sai số

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 6
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ ño lường khác, ngoài ñại lượng cần ño
(cảm nhận) còn chịu tác ñộng của nhiều ñại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá
trị ño ñược và giá trị thực của ñại lượng cần ño. Gọi ∆x là ñộ lệch tuyệt ñối giữa giá trị
ño và giá trị thực x (sai số tuyệt ñối), sai số tương ñối của bộ cảm biến ñược tính bằng:

100
x
x
∆
=
δ

[%]
(1.8)
b. Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính
Bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của ñại lượng cần ño. Khi ñánh giá
sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: Sai số hệ thống và sai
số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống: Là sai số không phụ thuộc vào số lần ño, có giá trị không ñổi
hoặc thay ñổi chậm theo thời gian ño và thêm vào một ñộ lệch không ñổi giữa giá trị
thực và giá trị ño ñược. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ ño, do ñiều
kiện sử dụng không tốt gây ra
Sai số ngẫu nhiên: Là sai số xuất hiện có ñộ lớn và chiều không xác ñịnh. Ta có
thể dự ñoán ñược một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự
ñoán ñược ñộ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể
là:
o Do sự thay ñổi ñặc tính của thiết bị.
o Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
o Do các ñại lượng ảnh hưởng không ñược tính ñến khi chuẩn cảm biến.
1.3.4 ðộ nhanh và thời gian ñáp ứng của cảm biến
a. ðộ nhanh của cảm biến
ðộ nhanh: Là ñặc trưng của cảm biến cho phép ñánh giá khả năng theo kịp về
thời gian của ñại lượng ñầu ra khi ñại lượng ñầu vào biến thiên. Thời gian ñáp ứng là
ñại lượng ñược sử dụng ñể xác ñịnh giá trị số của ñộ nhanh.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 7
ðộ nhanh t
r
: Là khoảng thời gian từ khi ñại lượng ño thay ñổi ñột ngột ñến khi
biến thiên của ñại lượng ñầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính
bằng %.
b. Thời gian ñáp ứng tương ứng của cảm biến
Thời gian ñáp ứng tương ứng với ε% xác ñịnh khoảng thời gian cần thiết phải
chờ ñợi sau khi có sự biến thiên của ñại lượng ño ñể lấy giá trị của ñầu ra với ñộ chính
xác ñịnh trước. Thời gian ñáp ứng ñặc trưng cho chế ñộ quá ñộ của cảm biến và là
hàm của các thông số thời gian xác ñịnh chế ñộ này.
o Trong trường hợp sự thay ñổi của ñại lượng ño: Trong trường hợp sự thay ñổi
của ñại lượng ño có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi
tăng (t
dm
) và thời gian tăng (t
m
) ứng với sự tăng ñột ngột của ñại lượng ño hoặc
thời gian trễ khi giảm (t
dc
) và thời gian giảm (t
c
) ứng với sự giảm ñột ngột của ñại
lượng ño. Hình 1.3
o Khoảng thời gian trễ khi tăng t
dm
: Là thời gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu ra tăng
từ giá trị ban ñầu của nó ñến 10% của biến thiên tổng cộng của ñại lượng này và

khoảng thời gian tăng t
m
là thời gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu ra tăng từ 10%
ñến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó.
o Thời gian trễ khi giảm t
dc
: Thời gian trễ khi giảm t
dc
là thời gian cần thiết ñể ñại
lượng ñầu ra giảm từ 10% ñến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó.

Hình 1.3 Các khoảng thời gian ñặc trưng cho chế ñộ quá ñộ.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 8
1.3.5 Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác ñộng của ứng lực cơ học, tác
ñộng nhiệt Khi các tác ñộng này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay ñổi
ñặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần
phải biết rõ các giới hạn này.
o Vùng làm việc ñịnh danh: Vùng làm việc ñịnh danh tương ứng với những ñiều
kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng
mà các ñại lượng ño, các ñại lượng vật lý có liên quan ñến ñại lượng ño hoặc các
ñại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên ñạt tới mà không làm thay ñổi các ñặc
trưng làm việc ñịnh danh của cảm biến.
o Vùng không gây nên hư hỏng: Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi các
ñại lượng ño hoặc các ñại lượng vật lý có liên quan nhau và các ñại lượng ảnh
hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc ñịnh danh nhưng vẫn còn nằm trong
phạm vi không gây nên hư hỏng.

Các ñặc trưng của cảm biến có thể bị thay ñổi nhưng những thay ñổi này
mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc ñịnh danh các ñặc trưng
của cảm biến lấy lại giá trị ban ñầu của chúng.
o Vùng không phá hủy: Vùng không phá hủy là vùng khi mà các ñại lượng ño hoặc
các ñại lượng vật lý có liên quan và các ñại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng
của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị
phá hủy, các ñặc trưng của cảm biến bị thay ñổi và những thay ñổi này mang tính
không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc ñịnh danh các ñặc trưng của
cảm biến không thể lấy lại giá trị ban ñầu của chúng. Trong trường hợp này cảm
biến vẫn còn sử dụng ñược, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.
1.4 Nguyên lý chế tạo của cảm biến

Các cảm biến ñược chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và ñược phân
làm hai loại:

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 9
o Cảm biến tích cực: Là các cảm biến hoạt ñộng như một máy phát, ñáp ứng (s) là
ñiện tích, ñiện áp hay dòng.
o Cảm biến thụ ñộng: Là các cảm biến hoạt ñộng như một trở kháng trong ñó ñáp
ứng (s) là ñiện trở, ñộ tự cảm hoặc ñiện dung.
Các cảm biến tích cực ñược chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng
vật lý biến ñổi một dạng năng lượng nào ñó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng
lượng ñiện. Sau ñây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý
khi chế tạo cảm biến
1.4.1 Hiệu ứng nhiệt ñiện
Hiệu ứng nhiệt ứng dụng trong chế tạo các cảm biến nhiệt ñộ. Hai dây dẫn (M
1
)

và (M
2
) có bản chất hoá học khác nhau ñược hàn lại với nhau thành một mạch ñiện
kín, nếu nhiệt ñộ ở hai mối hàn là T
1
và T
2
khác nhau, khi ñó trong mạch xuất hiện
một suất ñiện ñộng e(T
1
, T
2
) mà ñộ lớn của nó phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt ñộ
giữa T
1
và T
2
.

Hình 1.4 Hiệu ứng nhiệt ñiện.
Hiệu ứng nhiệt ñiện ñược ứng dụng ñể ño nhiệt ñộ T
1
khi biết trước nhiệt ñộ T
2
,
thường chọn T
2
= 0
o
C.

1.4.2 Hiệu ứng hỏa nhiệt
Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả ñiện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính
phân cực ñiện tự phát với ñộ phân cực phụ thuộc vào nhiệt ñộ, làm xuất hiện trên các
mặt ñối diện của chúng những ñiện tích trái dấu. ðộ lớn của ñiện áp giữa hai mặt phụ
thuộc vào ñộ phân cực của tinh thể hoả ñiện.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 10

Hình 1.5 Hiệu ứng hỏa nhiệt.
Hiệu ứng hoả ñiện ñược ứng dụng ñể ño thông lượng của bức xạ ánh sáng. ðo
ñiện áp V ta có thể xác ñịnh ñược thông lượng ánh sáng Φ.
1.4.3 Hiệu ứng áp ñiện
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp ñiện (như thạch anh) khi bị biến dạng
dưới tác ñộng của lực cơ học, trên các mặt ñối diện của tấm vật liệu xuất hiện những
lượng ñiện tích bằng nhau nhưng trái dấu, ñược gọi là hiệu ứng áp ñiện. ðo V ta có thể
xác ñịnh ñược cường ñộ của lực tác dụng F.

Hình 1.6 Hiệu ứng áp ñiện.
1.4.4 Hiệu ứng cảm ứng ñiện từ
Khi một dây dẫn chuyển ñộng trong từ trường không ñổi, trong dây dẫn xuất hiện
một suất ñiện ñộng tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một ñơn vị thời gian, nghĩa
là tỷ lệ với tốc ñộ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây ñặt
trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất ñiện ñộng tỷ lệ với tốc
ñộ biến thiên của từ thông qua khung dây.

Hình 1.7 Hiệu ứng cảm ứng ñiện từ.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 11
Hiệu ứng cảm ứng ñiện từ ñược ứng dụng ñể xác ñịnh tốc ñộ dịch chuyển của vật
thông qua việc ño suất ñiện ñộng cảm ứng.
1.4.5 Hiệu ứng quang ñiện
Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang ñiện nội) là hiện tượng giải
phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một
bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ ñiện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng
nhất ñịnh.
Hiệu ứng quang phát xạ ñiện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang ñiện ngoài) là
hiện tượng các ñiện tử ñược giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có
thể thu lại nhờ tác dụng của ñiện trường.
1.4.6 Hiệu ứng quang-ñiện-từ
Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán
dẫn ñược chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu ñiện thế theo hướng vuông góc với từ
trường B và hướng bức xạ ánh sáng.

Hình 1.8 Hiệu ứng quang- ñiện từ.
1.4.7 Hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall ñược ứng dụng ñể xác ñịnh vị trí của một vật chuyển ñộng. Vật
cần xác ñịnh vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời ñiểm, vị trí thanh
nam châm xác ñịnh giá trị của từ trường B và góc ố tương ứng với tấm bán dẫn mỏng
làm vật trung gian. Vì vậy, hiệu ñiện thế V
H
ño ñược giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm
phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 12

Hình 1.9 Hiệu ứng Hall.
o Nguyên chế tạo cảm biến thụ ñộng: Cảm biến thụ ñộng thường ñược chế tạo từ
một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với ñại lượng cần ño. Giá trị của trở
kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất ñiện của vật liệu chế tạo (như
ñiện trở suất ρ, ñộ từ thẩm µ, hằng số ñiện môi ε). Vì vậy tác ñộng của ñại lượng
ño có thể ảnh hưởng riêng biệt ñến kích thước hình học, tính chất ñiện hoặc ñồng
thời cả hai.
o Sự thay ñổi thông số hình học: Sự thay ñổi thông số hình học của trở kháng gây
ra do chuyển ñộng của phần tử chuyển ñộng hoặc phần tử biến dạng của cảm
biến. Trong các cảm biến có phần tử chuyển ñộng, mỗi vị trí của phần tử ñộng sẽ
ứng với một giá trị xác ñịnh của trở kháng, cho nên ño trở kháng có thể xác ñịnh
ñược vị trí của ñối tượng.
o Phần tử biến dạng của cảm biến: Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến
dạng của phần tử biến dạng dưới tác ñộng của ñại lượng ño (lực hoặc các ñại
lượng gây ra lực) gây ra sự thay ñổi của trở kháng của cảm biến. Sự thay ñổi trở
kháng do biến dạng liên quan ñến lực tác ñộng, do ñó liên quan ñến ñại lượng
cần ño. Xác ñịnh trở kháng ta có thể xác ñịnh ñược ñại lượng cần ño. Các ñại
lượng cần ño có khả năng làm thay ñổi tính chất ñiện của vật liệu sử dụng chế tạo
cảm biến:
ðại lượng cần ño ðặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng
Nhiệt ñộ
ρ
Kim loại (Pt, Ni, Cu)

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 13
Bán dẫn
Bức xạ ánh sáng

ρ
Bán dẫn
Biến dạng
ρ
Từ thẩm (µ)
Hợp kim Ni, Si pha tạp
Hợp kim sắt từ
Vị trí (nam châm)
ρ
Vật liệu từ ñiện trở: Bi,
InSb

Hình 1.10 Sơ ñồ chuyển ñổi giữa các ñại lượng của cảm biến
1.5 Phân loại cảm biến

Cảm biến ñược phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Tùy theo cách chọn
mà người ta có thể phân loại cảm biến theo các cách sau:
a. Theo nguyên lý chuyển ñổi giữa ñáp ứng và kích thích.
Hiện tượng Chuyển ñổi giữa ñáp ứng và kích thích

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 14
Vật lý
Nhiệt ñiện.
Quang ñiện
Quang từ.
ðiện từ
Từ ñiện…
Hóa học

Biến ñổi hóa học
Biến ñổi ñiện hóa
Phân tích phổ…
Sinh học
Biến ñổi sinh hóa
Biến ñổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống…
b. Theo dạng kích thích.
Kích thích
Các ñặc tính của kích thích
Âm thanh
Biên pha, phân cực
Phổ
Tốc ñộ truyền sóng…
ðiện
ðiện tích, dòng ñiện
ðiện thế, ñiện áp
ðiện trường
ðiện dẫn, hằng số ñiện môi…
Từ
Từ trường
Từ thông, cường ñộ từ trường.
ðộ từ thẩm…
Cơ
Vị trí
Lực, áp suất
Gia tốc, vận tốc, ứng suất, ñộ cứng
Mô men
Khối lượng, tỉ trọng
ðộ nhớt…

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 15
Quang
Phổ
Tốc ñộ truyền
Hệ số phát xạ, khúc xạ…
Nhiệt
Nhiệt ñộ
Thông lượng
Tỷ nhiệt…
Bức xạ
Kiểu: Năng lượng
Kiểu: Cường ñộ…
c. Theo tính năng.
 ðộ nhạy
 ðộ chính xác
 ðộ phân giải
 ðộ tuyến tính
 Công suất tiêu thụ
d. Theo phạm vi sử dụng
 Cảm biến công nghiệp
 Cảm biến nghiên cứu khoa học
 Cảm biến môi trường, khí tượng
 Cảm biến thông tin, viễn thông
 Cảm biến nông nghiệp
 Cảm biến dân dụng
 Cảm biến giao thông vận tải…
e. Theo thông số của mô hình mạch ñiện thay thế

o Cảm biến tích cực (có nguồn): ðầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.


o C
ảm biến thụ ñộng (không có nguồn): Cảm biến gọi l
cần có
thêm ngu
tích cực th
ì không c
trưng b
ằng các thông số: R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến.
f.
Các loại cảm biến
thư
o C
ảm biến tiệm cận.
o C
ảm biến quang.
o Cảm biến m
àu s
o C
ảm biến thông minh
o C
ảm biến sợi quang.
o Cảm biến l
ực căng
o C
ảm biến nhiệt.
o C
ảm biến vị trí v

o Cảm biến l
ưu lư
o Cảm biến si
êu âm
g. Ký hi
ệu các loại cảm biến
Hình 1.11

Chương 1:
Các

Trang 16
ảm biến thụ ñộng (không có nguồn): Cảm biến gọi l
à th
thêm ngu
ồn năng lượng phụ ñể hoàn t
ất nhiệm vụ ño kiểm, c
ì không c
ần thêm nguồn năng lượng. C
ảm biến thụ ñộng
ằng các thông số: R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến.
thư
ờng sử dụng trong công nghiệp v
à dân d
ảm biến tiệm cận.

ảm biến quang.

àu s
ắc.

ảm biến thông minh
.
ảm biến sợi quang.

ực căng
áp suất.
ảm biến nhiệt.

ảm biến vị trí v
à dịch chuyển.
ưu lư
ợng.
êu âm
….
ệu các loại cảm biến


Hình 1.11
Ký hiệu các loại cảm biến thường d
ùng
Các
Khái Niệm Chung
à th
ụ ñộng khi chúng
ất nhiệm vụ ño kiểm, c
òn loại
ảm biến thụ ñộng
ñược ñặc
ằng các thông số: R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến.

à dân d
ụng


ùng


Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 17
Cảm biến ñược ký hiệu như hình 1.11, tùy theo loại cảm biến mà trong ký hiệu sẽ
kèm thêm các ký hiệu riêng ñặc trưng cho loại cảm biến ñó như cuộn dây cho cảm
biến ñiện cảm, tụ cho cảm biến ñiện dung…
Ví dụ: Hình 1.12 là ký hiệu của cảm biến ñiện dung, ngõ ra dạng ON/OFF loại thường
hở, chuyển mạch dương.

Hình 1.12 Ký hiệu cảm biến ñiện dung
1.6 Mạch ño cảm biến
1.6.1 Sơ ñồ mạch ño
Mạch ño bao gồm toàn bộ thiết bị ño (trong ñó có cảm biến) cho phép xác
ñịnh chính xác giá trị của ñại lượng cần ño trong những ñiều kiện tốt nhất.
o Ở ñầu vào của mạch, cảm biến chịu tác ñộng của ñại lượng cần ño gây nên
tín hiệu ñiện mang theo thông tin về ñại cần ño.
o Ở ñầu ra của mạch, tín hiệu ñiện ñã qua xử lý ñược chuyển ñổi sang dạng có
thể ñọc ñược trực tiếp giá trị cần tìm của ñại lượng ño. Việc chuẩn hệ ño ñảm
bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị ñầu ra tương ứng với một giá trị của ñại lượng
ño tác ñộng ở ñầu vào của mạch.

Hình 1.13 Sơ ñồ mạch ño nhiệt ñộ bằng cặp nhiệt

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 18
Trên thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi ño, mạch ño thường gồm nhiều
thành phần trong ñó có các khối ñể tối ưu hoá việc thu thập và xử lý dữ liệu,
chẳng hạn mạch tuyến tính hoá tín hiệu nhận từ cảm biến, mạch khử ñiện dung
ký sinh, các bộ chuyển ñổi nhiều kênh, bộ khuếch ñại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ
chuyển ñổi tương tự - số, bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ
Hình 1.14 biểu diễn sơ ñồ khối một mạch ñiện ño ñiện thế trên bề mặt màng
nhạy quang ñược lắp ráp từ nhiều phần tử.

Hình 1.14 Mạch ño ñiện thế bề mặt
1.6.2 Một số phần tử cơ bản của mạch ño
a. Bộ khuếch ñại thuật toán (KðTT)
Bộ khuếch ñại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch ñại dòng một chiều có
hai ñầu vào và một ñầu ra chung, thường gồm nhiều transistor và các ñiện trở, tụ
ñiện ghép nối với nhau. Ở ñầu vào của mạch, cảm biến chịu tác ñộng của ñại
lượng cần ño gây nên tín hiệu ñiện mang theo thông tin về ñại cần ño.

Hình 1.15 Sơ ñồ mạch khuếch ñại thuật toán
1) Máy phát chức năng
2) Cảm biến ñiện tích
3) Tiền khuếch ñại
4) So pha lọc nhiễu
5) Khuếch ñại
6) Chuyển ñổi tương tự số
7) Máy tính


Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 19
b. Bộ khuếch ñại ño lường I
A

Bộ khuếch ñại ño lường I
A
có hai ñầu vào và một ñầu ra. Tín hiệu ñầu ra tỷ
lệ với hiệu của hai ñiện áp ñầu vào:
UAUUAU
ra
∆=−=
−+
)(
(1.9)

Hình 1.16 Sơ ñồ mạch khuếch ñại ño lường gồm 3 bộ KðTT ghép ñiện trở
c. Khử ñiện áp lệch
o ðối với một bộ khuếch KðTT lý tưởng khi hở mạch phải có ñiện áp ra bằng
không khi hai ñầu vào nối mass.
o Thực tế vì các ñiện áp bên trong nên tạo ra một ñiện áp nhỏ (ñiện áp phân
cực) ở ñầu vào KðTT cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín ñiện áp này
ñược khuếch ñại và tạo nên ñiện áp khá lớn ở ñầu ra. ðể khử ñiện áp lệch có
thể sử dụng sơ ñồ hình như sau, bằng cách ñiều chỉnh biến trở R3.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 20

Hình 1.17 Sơ ñồ mạch khử ñiện áp lệch

d. Mạch cầu
o Cầu Wheatstone thường ñược sử dụng trong các mạch ño nhiệt ñộ, lực, áp
suất, từ trường Cầu gồm bốn ñiện trở R1, R2, R3 cố ñịnh và R4 thay ñổi
(mắc như hình 1.18) hoạt ñộng như cầu không cân bằng dựa trên việc phát
hiện ñiện áp qua ñường chéo của cầu.
o Ở ñầu ra của mạch, tín hiệu ñiện ñã qua xử lý ñược chuyển ñổi sang dạng có
thể ñọc ñược trực tiếp giá trị cần tìm của ñại lượng ño. Việc chuẩn hệ ño ñảm
bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị ñầu ra tương ứng với một giá trị của ñại lượng
ño tác ñộng ở ñầu vào của mạch.

Hình 1.18 Sơ ñồ mạch cầu Wheatstone
Chương 2: Cảm Biến Tiệm Cận

Trang 21
Chương 2

CẢM BIẾN TIỆM CẬN
(
Proximity Sensor
)


2.1 Giới thiệu
Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cần
tiếp xúc giống như công tắc hành trình, mà dựa trên những mối quan hệ vật lý giữa
cảm biến và vật thể cần phát hiện. Cảm biến tiệm cận chuyển ñổi tín hiệu về sự
chuyển ñộng hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu ñiện. Có 3 hệ thống phát hiện
ñể thực hiện công việc chuyển ñổi này:
o Hệ thống sử dụng dòng ñiện xoáy ñược phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện
tượng cảm ứng ñiện từ

o Hệ thống sử dụng sự thay ñổi ñiện dung khi ñến gần vật thể cần phát hiện
o Hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ.
Theo tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật (JIS) ñịnh nghĩa cảm biến tiệm cận (JIS C
8201-5-2) phù hợp với chuẩn IEC 60947-5-2 là bộ chuyển mạch phát hiện vị trí
không tiếp xúc. Cảm biến tiệm cận dùng phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại
không từ tính (như Nhôm, ñồng ) sử dụng cảm biến loại ñiện cảm (Inductivity
Proximity Sensor) và phát hiện vật phi kim sử dụng loại cảm biến tiệm cận kiểu ñiện
dung (Capacitve Proximity Sensor). ðồng thời có sẵn các loại ñáp ứng ñược hầu hết
các ñiều kiện môi trường lắp ñặt: nhiệt ñộ cao, nhiệt ñộ thấp, chống nước, chống hóa
chất …

2.2 ðặc ñiểm cảm biến tiệm cận
Theo hướng ứng dụng, cảm biến tiệm cận thường có các ñặc ñiểm sau:
o Phát hiện vật không cẩn tiếp xúc
o Tốc ñộ ñáp ứng cao
o ðầu cảm biến nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi
o Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt


Hình 2.
C
ảm biến tiệm cận l
m
ột vật thể với cảm biến ñiện tử không công tắc (không ñụng chạm). Cảm biến tiệm
c
ận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế. Thí dụ phát hiện vật tr
robot bắt gi
ữ lấy; phát hiện chai, lon nhôm tr
cảm biến thư
ờng dạng logic

C
ảm biến tiệm cận có
o Loại cảm ứng từ:
có hai lo
và chỉ phát hiện ñư
ợc nhữ
o Loại cảm ứng ñi
ện dung: tầm phát hiện ngắn phát hiện ñ
ñiện môi lớn hơn 1
, thư
o Lo
ại cảm biến quang: có ba loại xuy
tầm ño tương ñ
ối xa có thể l
o Loại cảm biến si
êu âm: có th
2.3 Cảm biến ti
ệm cận
2.3.1. Gi
ới thiệu cảm tiệm cận cảm ứng từ
a. Hình dạng c
ảm biến
Cảm biến cảm ứng
t
dạng hình chữ nhật nh
ư h

Chương 2: C

Trang 22

Hình 2.
1 Cảm biến tiệm cận loại phát hiện vật r
ơi và v
ảm biến tiệm cận l
à m
ột kỹ thuật ñể nhận biết sự có mặt hay không có mặt của
ột vật thể với cảm biến ñiện tử không công tắc (không ñụng chạm). Cảm biến tiệm
ận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế. Thí dụ phát hiện vật tr
ữ lấy; phát hiện chai, lon nhôm tr
ên băng chuy
ền…. Tín hiệu ở ng
ờng dạng logic
(có hoặc không).
ảm biến tiệm cận có
các loại:
có hai lo
ại ñiện cảm và từ cảm, loại n
ày có t
ợc nhữ
ng vật có từ tính
ện dung: tầm phát hiện ngắn phát hiện ñ
ư
ợc các vật có hằng số
, thư
ờng có bộ phận chỉnh ñộ nhạy.
ại cảm biến quang: có ba loại xuy
ên suốt, phản xạ v
à khuy
ối xa có thể l
ên ñến 30m, phát hiện ñư

ợc hầu hết các vật
êu âm: có th
ể phát hiện tất cả các vật tầm phát hiện trung b
ệm cận
cảm ứng từ (Magnectic sensor)
ới thiệu cảm tiệm cận cảm ứng từ

ảm biến
cảm ứng từ
t
ừ có rất nhiều hình dạng khác nhau, nh
ưng thư
ư h
ình 2.2

Hình 2.2 Hình dạng cảm biến từ
Chương 2: C
ảm Biến Tiệm Cận

ơi và v
ật cản.
ột kỹ thuật ñể nhận biết sự có mặt hay không có mặt của
ột vật thể với cảm biến ñiện tử không công tắc (không ñụng chạm). Cảm biến tiệm
ận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế. Thí dụ phát hiện vật tr
ên dây chuyền ñể
ền…. Tín hiệu ở ng
õ ra của
ày có t
ầm phát hiện ngắn
ợc các vật có hằng số

à khuy
ết tán loại này có
ợc hầu hết các vật
.
ể phát hiện tất cả các vật tầm phát hiện trung b
ình
ưng thư
ờng sử dụng là

Chương 2: Cảm Biến Tiệm Cận

Trang 23
b. Nguyên tắc chế tạo cảm biến cảm ứng từ
Nguyên tác chế tạo cảm biến từ dựa theo hiện tượng cảm ứng từ Hall

Hình 2.3 Hiện tượng cảm ứng từ Hall.
Khi ñặt một tấm vật liệu mỏng (thường là bán dẫn) khi có dòng ñiện I chạy qua
sẽ sinh ra một từ trường B có phương tạo với dòng ñiện một góc θ thì sẽ xuất hiện một
ñiện thế V
h
theo hướng vuông góc giữa B và I như hình 2.4
θ
sin BIKV
hh
=
(2.1)
Trong ñó K
h
là hệ số vật liệu

Hình 2.4 Hoạt ñộng cảm ứng từ Hall.


Hiệu ứng Hall ñư
ợc d
ñược gắn v
ào thanh nam châm t
tạo ra sẽ thay ñổi khi t
ương tác v
thể là kim loại.
2.3.2. Cảm biến t
ừ loại ñiện cảm
a. Hình dạng
Cảm biến ñiện c
ảm
dụng là dạng hình trụ tr
òn võ b
Cảm ứng t
ừ loại ñiện cảm dựa v
quanh nó ñ
ể nhận biết vật. Cảm biến loại ñiện cảm rất ña dạng nh
biến tiệm c
ận ñiện cảm có nhiều kích th
ứng dụng khác nhau. C
ảm biến tiệm cận ñiện cảm ñ

Chương 2: C

Trang 24
ợc d

ùng ñ
ể chế tạo cảm biến xác ñịnh sự di chuyển của vật, vật
ào thanh nam châm t
ạo từ trường B. Từ trư
ờng do cuộn dây của cảm biến
ương tác v
ới vật thể kim loại do ñó chỉ phát hiện ñ
Hình 2.5 Nguyên tắc chung c
ủa cảm biến từ.
ừ loại ñiện cảm
(Inductive sensor)
ảm
cũng có rất nhiều hình d
ạng khác nhau, nh
òn võ b
ọc bằng kim loại như hình 2.6

Hình 2.6 Các loại cảm biến từ lo
ại ñiện cảm
ừ loại ñiện cảm dựa v
ào ñi
ện cảm của cuộn dây sinh ra từ tr
ể nhận biết vật. Cảm biến loại ñiện cảm rất ña dạng nh
ận ñiện cảm có nhiều kích th
ước và hình d
ạng khác nhau t
ảm biến tiệm cận ñiện cảm ñ
ược d
ùng ñ
Chương 2: C

ảm Biến Tiệm Cận
ể chế tạo cảm biến xác ñịnh sự di chuyển của vật, vật
ờng do cuộn dây của cảm biến
ới vật thể kim loại do ñó chỉ phát hiện ñ
ược với vật

ủa cảm biến từ.

ạng khác nhau, nh
ưng thường sử

ại ñiện cảm
.
ện cảm của cuộn dây sinh ra từ tr
ường xung
ể nhận biết vật. Cảm biến loại ñiện cảm rất ña dạng nh
ư ở hình 2.6. Cảm
ạng khác nhau t
ương ứng với các
ùng ñ
ể phát hiện các ñối