Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XƠ
KHOA: ĐIỆN- ĐIỆN TĐH

GIÁO TRÌNH

MƠ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN
NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: ..................... ngày ... tháng ... năm ....
của ........................................)

Ninh Bình, năm 2019

1


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể đƣợc
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

LỜI GIỚI THIỆU
Trong thời đại phát triển của khoa học và kỹ thuật ngày nay cảm biến
đóng vai trị quan trọng. Nó là thành phần quan trọng nhất trong các thiết bị đo
hay trong các hệ thống điều khiển tự động. Có thể nói rằng nguyên lý hoạt động
của một cảm biến, trong nhiều trƣờng hợp thực tế cũng chính là nguyên lý của
phép đo hay của phƣơng pháp điều khiển tự động
Giờ đây khơng có một lĩnh vực nào mà ở đó khơng sử dụng cảm biến.

Chúng có măt trong các hệ thống tự động phức tạp, ngƣời máy, kiểm tra sản
phẩm, tiết kiệm năng lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng. Cảm biến cũng đƣợc
ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản
thực phẩm, ơ tơ, trị chơi điện tử...Do đó việc trang bị cho mình một kiến thức về
các loại cảm biến là nhu cầu không thể thiếu của các kỹ thuật viên, kỹ sƣ của
ngành điện cũng nhƣ những ngành khác.
Môn học kỹ thuật cảm biến là môn học chuyên môn của học viên ngành
điện công nghiệp. Môn học này nhằm trang bị cho học viên các trƣờng nghề
những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế một số
loại cảm biến... Với các kiến thức đƣợc trang bị học viên có thể áp dụng trực
tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng nhƣ trong đời sống. Ngoài ra các kiến thức này
dùng làm phƣơng tiện để học tiếp các môn chuyên môn của ngành điện nhƣ
Trang bị điện, PLC... Môn học này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các
cán bộ kỹ thuật, các học viên của các ngành khác quan tâm đến lĩnh vực này.
Ninh Bình, ngày tháng năm 2019
Biên soạn
Trần Thị Thu Hằng

2


MỤC LỤC
Thứ tự Nội dung
1
BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
2. Phạm vi ứng dụng.
2
BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG
1. Ánh sáng và phép đo quang

2. Các linh kiện quang
3. Các loại cảm biến quang
4. Thực hành và ứng dụng
3
BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
1.Đại cƣơng
2. Nhiệt điện trở với Plantin và Nickel
3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic
4. IC cảm biến nhiệt độ
5. Nhiệt điện trở NTC và PTC
6. Thực hành ứng dụng
4

5

6

Trang

7
7
10

11
11
14
22
26

32

32
34
40
44
46
49

BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN
1.Cảm biến tiệm cận
2. Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác
3. Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến tiệm cận

54

BÀI 4: CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ
GĨC QUAY
1.Một số phƣơng pháp đo vịng quay cơ bản
2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
3. Thực hành ứng dụng
BÀI 5: CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC
1.Cảm biến đo lƣu lƣợng
2. Cảm biến trọng lƣợng
3. Cảm biến đo áp suất

88

3

54
78

84
88
105
109

113
113
135
149


MƠ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN
Mã Mơ-đun: MĐ 20
I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN:
- Vị trí: Mơn học Kỹ thuật cảm biến học sau các môn học, mô đun Kỹ thuật
cơ sở, đặc biệt các môn học, mô đun: Mạch điện, Điện tử cơ bản, Đo lƣờng điện
và Trang bị điện.
- Tính chất: Là mơn học chun mơn nghề
II. MỤC TIÊU MƠ ĐUN:
Về kiến thức:
- Phân tích đƣợc cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến;
- Phân tích đƣợc nguyên lý của mạch điện cảm biến.
Về kỹ năng:
- Biết lựa chọn các loại cảm biến cho phù hợp yêu cầu cụ thể;
- Biết đấu nối các loại cảm biến trong mạch điện cụ thể;
- Sử dụng các loại cảm biến để thiết kế các mạch điện;
- Vận dụng sáng tạo trong quá trình sản xuất.
Về thái độ:
- Cẩn thận, sáng tạo đảm bảo an toàn cho ngƣời cũng nhƣ các linh
kiện,thiết bị khác;

- Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ.
III. Nội dung mô đun
1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian:

Tổng
số

Số
T

Tên chƣơng, mục

T

1

Bài mở đầu: Cảm biến và ứng
dụng
1. Khái niệm cơ bản về các bộ
cảm biến.
2. Phạm vi ứng dụng

2

4

Thời gian (giờ)
Lý
Thực Kiểm
thuyết Hành

tra*
Thí
nghiệm
Bài tập
Thảo
luận
2

1

1

1

1


2

3

4

5

6

Bài 1: Cảm biến quang
1. Ánh sáng và phép đo quang
2. Các linh kiện quang

3. Các loại cảm biến quang
4. Thực hành ứng dụng
Kiểm tra
Bài 2: Cảm biến nhiệt độ.
1. Đại cƣơng
2. Nhiệt điện trở với Platin và
Nickel
3.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu
silic
4. IC cảm biến nhiệt độ.
5. Nhiệt điện trở NTCvà PTC.
6. Thực hành ứng dụng

28
1
5
5
15
2
16
1
3

10
1
3
2
4
6
1

1

10

2

1

1

1
3
6

1
1
1

2

Bài 3: Cảm biến tiệm cận
1.Cảm biến tiệm cận
2.Một số loại cảm biến xác định
vị trí, khoảng cách khác.
3. Thực hành ứng dụng
Kiểm tra
Bài 4: Cảm biến đo vận tốc
vịng quay và góc quay.
1.Một số phƣơng pháp đo vận tốc
vòng quay cơ bản.

2.Cảm biến đo góc với tổ hợp có
điện trở từ.
3.Thực hành ứng dụng.

20
4
2

6
2
1

12
2
1

12
2
10

3

9

3

7

1

1

2

1

1

7

1

6

Bài 5: Một số loại cảm biến
khác
1. Cảm biến lƣu lƣợng.
2. Cảm biến trọng lƣợng.
3. Cảm biến áp suất.
Kiểm tra
Cộng

14
4
4
4
2

3
1

1
1

9
3
3
3

16

2

2
3
11
2

2

5
2

2

2

2
90

5

30

54

6


BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
Giới thiệu: Cảm biến là phần tử có chức năng tiếp thu, cảm nhận tín hiệu
đầu vào ở dạng này và đƣa ra tín hiệu ở dạng khác. Cảm biến đƣợc ứng dụng rất
rộng rãi trong mọi lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp.
Mục tiêu:
- Trình bày đƣợc khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng của cảm biến.
- Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong cơng
nghiệp.
Nội dung chính:
1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
1.1. Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lý, các đại
lƣợng khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng có tính chất điện có
thể đo và xử lý đƣợc.
Các đại lƣợng cần đo thƣờng khơng có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp suất,
lƣu lƣợng, vận tốc... ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trƣng mang tính chất
điện (nhƣ dịng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định
giá trị của đại lƣợng cần đo. Đặc trƣng (s) là hàm của đại lƣợng cần đo:
s = f(m)
s: Đại lƣợng đầu ra hay còn gọi là đáp ứng đầu ra của cảm biến.
m: đại lƣợng đầu vào hay là kích thích (có nguồn gốc đại lƣợng cần đo)
f :là hàm truyền đạt của cảm biến.

Hàm truyền đạt thể hiện cấu trúc của thiết bị biến đổi và thƣờng có đặc tính
phi tuyến, điều đó làm giới hạn khoảng đo và dẫn tới sai số. Trong trƣờng hợp
đại lƣợng đo biến thiên trong phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm
truyền tuyến tính(Phƣơng pháp tuyến tính hố từng đoạn). Thơng thƣờng khi
thiết kế mạch đo ngƣời ta thực hiện các mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền
sao cho hàm truyền đạt chung của hệ thống là tuyến tính.
Giá trị (m) đƣợc xác định thơng qua việc đo đạc giá trị (s)
Các tên khác của cảm biến: Sensor, cảm biến đo lƣờng, đầu dò, van đo
lƣờng, bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi.
Trong hệ thống đo lƣờng và điều khiển, các bộ cảm biến và cảm biến ngồi
việc đóng vai trị các “giác quan“ để thu thập tin tức cịn có nhiệm vụ là “nhà
phiên dịch“ để cảm biến các dạng tín hiệu khác nhau về tín hiệu điện. Sau đó sử
dụng các mạch đo lƣờng và xử lý kết quả đo vào các mục đích khác nhau.

6


Đối tượng điều

Cảm biến đo

khiển

lường

Thiết bị thừa

hành

Mạch đo

điện

Chỉ thị và
xử lý

Mạch so
sánh

Chuẩn so
sánh

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên tắc của một hệ thống đo lường điều khiển
Tham số trạng thái X của đối tƣợng cần điều khiển dƣợc cảm biến sang tín
hiệu Y nhờ cảm biến đo lƣờng. Tín hiệu ngõ ra đƣợc mạch đo điện xử lý để đƣa
ra cơ cấu chỉ thị.
Trong các hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu ngõ ra của mạch đo điện sẽ
đƣợc đƣa trở về sau khi thực hiện thao tác so sánh với chuẩn một tín hiệu ngõ ra
sẽ khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tƣợng.
* Trong hệ thống đo lƣờng điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín
hiệu thƣờng do máy tính đảm nhiệm.
Đối tượng

điều khiển

Cảm biến đo

Viđiều khiển
(Microcontroler)

lường

thiết bị thừa hành

PC

chương
trìnhđiều khiển

Hình 1.2: Hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC
Trong sơ đồ trên đối tƣợng điều khiển đƣợc đặc trƣng bằng các biến trạng
thái và đƣợc các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của các bộ cảm biến đƣợc phối
ghép với vi điều khiển qua dao diện. Vi điều khiển có thể hoạt động độc lập theo
chƣơng trình đã đƣợc cài đặt sẵn hoặc phối ghép với máy tính. Đầu ra của bộ vi
điều kiển đƣợc phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình hay
đối tƣợng điều khiển. Chƣơng trình cho vi điều khiển đƣợc cài đặt thơng qua
máy tính hoặc các bộ nạp chƣơng trình chuyên dụng. Đây là sơ đồ điều khiển tự
động q trình (đối tƣợng), trong đó bộ cảm biến đóng vai trị phần tử cảm nhận,
đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử
lý thông tin và đƣa ra tín hiệu q trình.
Từ sensor là một từ mƣợn tiếng la tinh Sensus trong tiếng Đức và tiếng Anh
đƣợc gọi là sensor, trong tiếng Việt thƣờng gọi là bộ cảm biến.Trong kỹ thuật
còn hay gọi thuật ngữ đầu đo hay đầu dò
Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm
nhận và đáp ứng các tín hiệu và kích thích.
1.2. Phân loại các bộ cảm biến.
7


Cảm biến đƣợc phân loại theo nhiều tiêu chí. Ngƣời ta có thể phân
loại cảm biến theo các cách sau:

1.2.1. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.
- Theo hiện tƣợng vật lý:
+ Nhiệt điện.
+ Quang điện
+ Quang từ.
+ Điện từ
+ Từ điện
- Theo hiện tƣợng hóa học

+ Biến đổi hóa học
+ Biến đổi điện hóa
+ Phân tích phổ
- Theo hiện tƣợng sinh học

+ Biến đổi sinh hóa
+ Biến đổi vật lý
+ Hiệu ứng trên cơ thể sống
1.2.2. Theo dạng kích thích.
- Âm thanh: Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền song, …vv
- Điện: Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trƣờng, điện dẫn,
hằng số điện môi,…vv
- Từ: Từ trƣờng, từ thông, cƣờng độ từ trƣờng, độ từ thẩm, …vv
- Cơ: Vị trí, lực,áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, mô men,
khối lƣợng, tỷ trọng, độ nhớt, …vv
- Quang: Phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, …vv
- Nhiệt: Nhiệt độ, thơng lƣợng, tỷ nhiệt,…vv
1.2.3. Theo tính năng.
- Độ nhạy
- Độ chính xác
- Độ phân giải

- Độ tuyến tính
- Công suất tiêu thụ
1.2.4. Theo phạm vi sử dụng
- Công nghiệp
- Nghiên cứu khoa học
- Mơi trƣờng, khí tƣợng
- Thơng tin, viễn thông
- Nông nghiệp
8


- Dân dụng
- Giao thông vận tải…vv
1.2.5. Theo thông số của mơ hình mạch điện thay thế
- Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn
dịng.
- Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động

khi chúng cần có thêm nguồn năng lƣợng phụ để hồn tất nhiệm vụ đo
kiểm, cịn loại tích cực thì khơng cần. Đƣợc đặc trƣng bằng các thơng
số: R, L, C… tuyến tính hoặc phi tuyến.
2. Phạm vi ứng dụng.
Các bộ cảm biến đƣợc sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ
thuật. Các bộ cảm biến đặc biệt và rất nhạy cảm đƣợc sử dụng trong các thí
nghiệm các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hoá ngƣời ta
sử dụng các loại sensor bình thƣờng cũng nhƣ đặc biệt

9

BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG
Mã bài : MĐ 20.01
Giới thiệu:
Trong tất cả các đại lƣợng vật lý, ánh sáng là một trong các đại lƣợng
đƣợc quan tâm nhiều nhất vì ánh sáng đóng vai trị quyết định đến nhiều tính
chất quan trọng của vật chất. Ánh sáng có thể làm ảnh hƣởng đến các đại lƣợng
chịu tác dụng của nó. Một trong những đặc điểm quan trọng của ánh sáng là
làm thay đổi một cách liên tục các đại lƣợng chịu ảnh hƣởng của nó. Bởi vậy
trong cơng nghiệp cũng nhƣ đời sống hàng ngày sử dụng rất nhiều các thiết bị
liên quan đến ánh sáng.
Mục tiêu:
- Phân biệt đƣợc các loại cảm biến quang.
- Tra bảng xác định các thông số của cảm biến quang.
- Lắp ráp các mạch ứng dụng cảm biến quang
- Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong cơng nghiệp
Nội dung chính:

1.Ánh sáng và phép đo quang
1.1. Tính chất của ánh sáng
1.1.1. Tính chất sóng của ánh sáng.
Dạng sóng của ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự dịch chuyển điện tử
giữa các mức năng lƣợng của nguyên tử của nguồn sáng. Các sóng này truyền đi
trong chân không với tốc độ c = 3x10^8 km/s. Trong vật chất ánh sáng có vận
tốc là: V = c/n (với n là chiết suất của mơi trƣờng).
Bƣớc sóng  của ánh sáng đƣợc tính theo cơng thức:  = V/f
Trong chân khơng:  = c/f Trong đó f là tần số của ánh sáng.
Trên hình 2.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải mầu của
phổ.
0,456

0,395
Cực tím

tím

0,490

0,575

lục

lam

0,590

0,750

0,650
đỏ

vàng da cam

h. ngoại

(m)
0,01

0,4

0,1

0,75

1,2

Cực tím
3.1016

10

30
h. ngoại

3.1015

trơng thấy

3.1014
h. ngoại gần

3.1013

100
h. ngoại xa
3.1012

(Hz)

Hình 2.1 phổ ánh sáng

1.1.2. Tính chất hạt của ánh sáng.
Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tƣơng tác của nó với vật chất. ánh
sáng bao gồm các hạt photon với năng lƣợng W phụ thuộc duy nhất vào tần số:
10


W = h. f với h = 6,6256.10-34J.s : là hằng số Planck.
Trong vật chất, các điện tử e liên kết trong nguyên tử có xu hƣớng muốn
đƣợc giải phóng khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Để giải phóng điện
tử khỏi nguyên tử cần phải cung cấp cho nó một năng lƣợng bằng năng lƣợng
liên kết Wl: nghĩa là: v 

Wl
hc
hay:   . Bƣớc sóng ngƣỡng (bƣớc sóng lớn
Wl
h

nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tƣợng giải phóng điện tử đƣợc tính:
hc
Wl
1,237

Wl eV 

s 
s m 

hay:

(2.1)
(2.2)

Nói chung loại điện tích đƣợc giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản
chất của vật liệu đƣợc chiếu sáng.
Hiện tƣợng giải phóng hạt dẫn dƣới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng
quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu.Đây là nguyên lý cơ
bản của các cảm biến quang.
1.2. Các đơn vị đo quang
1.2.1. Các đơn vị đo năng lƣợng.
- Năng lƣợng bức xạ Q (J) là năng lƣợng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ
dƣới dạng bức xạ.
- Thông lƣợng của ánh sáng  (W) là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp
thụ.


dQ
(W)
dt

(2.3)

Cƣờng độ ánh sáng I là luồng năng lƣợng phát ra theo một hƣớng cho trƣớc
dƣới một đơn vị góc khối.
I

d
d

(W/steradian)

(2.4)

- Độ chói năng lƣợng L là tỉ số giữa cƣờng độ ánh sáng phát ra bởi một phần
tử bề mặt dA theo một hƣớng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử
này trên mặt phẳng P vng góc với hƣớng đó : dA n = dA.cos ( góc chứa P
và mặt phẳng dA) .
L

dI
(W/steradian.m2)
dAn

(2.5)

-Độ rọi năng lƣợng E là tỉ số giữa luồng năng lƣợng thu đƣợc bởi một phần
tử bề mặt và diện tích của phần tử đó.
E

d
dA

(W/m2)

(2.6)

1.1.2. Đơn vị đo thị giác.
Độ nhạy của mắt ngƣời đối với bƣớc sóng khác nhau là khác nhau. Hình 2.2
biểu diễn độ nhạy tƣơng đối của mắt V(). Các đại lƣợng thị giác có thể nhận
đƣợc từ đại lƣợng năng lƣợng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(). Đối với một bƣớc

sóng cho trƣớc hệ số K tỉ lệ thuận với độ nhạy tƣơng đối của mắt. Theo quy ƣớc
11


một luồng ánh sáng năng lƣợng 1W với bƣớc sóng max tƣơng ứng với luồng ánh
sáng bằng 680 lumen. Vậy K = 680. Theo quy ƣớc và qua thực nghiệm đã xác
định giới hạn của vùng ánh sáng nhìn thấy là  = (380 – 760) nm.
V()
.
1,0

0,5

0

0,4

0,5

0,6

0,7

(m)

0,8

Hình 2.2 đƣờng cong độ nhạy tƣơng đối của mắt ngƣời

Bảng 2.1 Các đơn vị đo quang cơ bản.

Đơn vị
Đ/v đo thị giác
Luồng
(thông Lumen (lm)
lƣợng)
Cƣờng độ
Candela (cd)
Độ chói
Candela/m2 (cd/m2)
Độ rọi
Lumen/m2
Năng lƣợng
Lumen.s (lm.s)

Đ/v năng lƣợng
Oát (W)
Oát/st (W/st)
W/st.m2
W/m2
Jun (J)

1.3. Nguồn sáng
Việc sử dụng một cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ
ánh sáng. Nguồn sáng sẽ quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ.
1.3.1. Đèn sợi đốt volfram.
Nhiệt độ của sợi dây volfram giống nhƣ nhiệt độ của vật đen tuyệt đối, có
đƣờng cong phổ phát xạ nằm trong vùng phổ nhìn thấy. Đèn sợi đốt volfram có
đặc điểm sau:
- Thơng lƣợng lớn, dải phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc.
- Quán tính nhiệt lớn nên khơng thể thay đổi bức xạ một cách nhanh chóng,

tuổi thọ thấp, dễ vỡ.
1.3.2. Điot phát quang.
Loại đèn này hoạt động theo nguyên lý năng lƣợng giải phóng do tái hợp
điện tử – lỗ trống ở gần tiếp giáp P-N sẽ làm phát sinh các photon. Điot phát
quang có đặc điểm sau:
- Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns (do vậy có khả năng điều biến đến tần số cao
của nguồn ni), phổ ánh sáng hồn tồn xác định, độ tin cậy cao, độ bền
cao.
- Thông lƣợng tƣơng đối nhỏ ( 102mw).
- Nhƣợc điểm là nhạy với nhiệt độ làm hạn chế phạm vi sử dụng của đèn.
1.3.3. Laze
12


Laze là nguồn sáng đơn sắc, độ chói lớn, có định hƣớng và đặc biệt là tính
liên kết mạnh. (đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát ra là sự chồng chéo
của rất nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác nhau). Đối với tia laze
tất cả các bức xạ cấu thành đều cùng pha cùng phân cực và bởi vậy khi chồng
chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và xác định.
Đặc điểm chính của laze là có bƣớc sóng đơn sắc hồn tồn xác định, thơng
lƣợng lớn, có khả năng nhận đƣợc chùm tia rất mảnh và độ định hƣớng cao,
truyền đi trên khoảng cách rất lớn.
2. Các linh kiện quang
2.1. Tế bào quang dẫn
2.1.1. Vật liệu chế tạo
Các tế bào quang dẫn dùng để chế tạo cảm biến thƣờng đƣợc làm từ các loại
bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn thuần hoặc bán dẫn pha
tạp.
Bán dẫn đa tinh thể nhƣ: Cds, Cdse, CdTe, Pbs, Pbse, PbTe..,
Bán dẫn đơn tinh thể nhƣ: Ge, Si thuần hoặc pha tạp với Cu, Au, In.

2.2.2. Các đặc trƣng
a. Điện trở
Điện trở của tế bào quang dẫn chia làm 2 dạng :
- Điện trở khi tế bào quang dẫn không đƣợc chiếu sáng gọi là điện trở tối : Rt (
là loại điện trở có giá trị điện trở tang khi bị che tối)
- Điện trở khi tế bào quang dẫn đƣợc chiếu sáng gọi là điện trở sáng Rs (là loại
ddienj trở có giá trị điện trở giảm khi có ánh sáng chiếu vào).
Rs giảm rất nhanh khi cƣờng độ của ánh sáng chiếu vào tăng.
b. Độ nhạy
Tế bào quang dẫn là loại cảm biến khơng tuyến tính, độ nhạy của nó giảm khi
bức xạ tăng.
Độ nhạy của tế bào quang dẫn tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào (kể cả khi điện áp
nhỏ).
Độ nhạy của tế bào quang dẫn tỉ lệ nghịch với nhiệt độ đặt lên nó
2.2.3. Ứng dụng
Thực tế ngƣời ta không dùng tế bào quang dẫn để đo ánh sáng mà dùng để phân
biệt mức ánh sáng nhƣ sáng, tối hay xung ánh sáng.
Tế bào quang dẫn có một số nhựơc điểm sau:
- Hồi đáp phụ thuộc khơng tuyến tính vào thơng lƣợng ánh sáng.
- Thời gian hồi đáp lớn.
- Nhanh già hoá
- Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ
- Một số loại đòi hỏi phải làm mát

13


a. Ứng dụng điều khiển rơ le



D

Cds

Role

Cds

Role

D

T

Vr

Hình 2.3:Điều khiển trực tiếp

Hình 2.4:Điều khiển gián tiếp

b. Thu tín hiệu quang(đếm vật thể).

LED

LED
Cds

Đếm

Hiển thị

T

Vr

Hình 2.5: Sơ đồ đếm vật thể
2.2. Photodiot và Phototranzitor
2.2.1. Photodiot
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
* Cấu tạo
A
N
P
N

A

K

K
Hình 2.6 cấu tạo của Photodiot

PD đƣợc cấu tạo từ hai lớp bán dẫn PN ghép lại với nhau. Lớp bán dẫn loại
P đƣợc chế tạo rất mỏng để ánh sáng có thể xuyên tới lớp tiếp giáp. Khi phân
cực ngƣợc cho photodiot nếu có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp giáp sẽ làm biến đổi
tính chất điện của lớp tiếp giáp dẫn tới dòng điện ngƣợc tăng lên.
Vật liệu chế tạo PD là Si hoặc Ge cho vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng
ngoại gần.
b. Các chế độ hoạt động

PD có 2 chế độ hoạt động : chế độ quang dẫn và chế độ quang thế .
14


* Chế độ quang dẫn.
Là chế độ sử dụng dòng điện ngƣợc của photodiot dòng điện này biến đổi phụ
thuộc vào cƣờng độ ánh sáng chiếu vào.

PD

E

R

Hình 2.7 Sơ đồ chế độ quang dẫn
* Chế độ quang thế :
Là chế độ PD làm việc nhƣ một máy phát điện ; trong chế độ này khơng có
điện áp ngồi đặt vào diot , chế độ này ngƣời ta có thể đo điện thế hở mạch Voc
và dịng ngắn mạch Isc.

 VOC

R

IOC

Hình 2.8 Sơ đồ chế độ quang thế

c. Độ nhạy :
PD có độ nhạy phụ thuộc vào phổ của ánh sáng chiếu vào nó . PD đạt độ nhạy

cao trong khoảng phổ từ ( 0,4 - 1,2 )  m và nó đạt độ nhạy cao nhất ở khoảng
phổ 0,8  m.
Độ nhạy của PD còn phụ thuộc vào nhiệt độ.
d. Ứng dụng :
*. Chế độ trong quang dẫn :
Chế độ này đƣợc đăc trƣng bởi độ tuyến tính cao, thời gian hồi đáp ngắn và
dải thơng số lớn .
EC

R2

Ir

IO+
Im

Rm

UR
IOR1

Hình 2.9. sơ đồ đo dòng Ir
15



R 
Ur  Em.1  2 .Ir
R1 


+ PD đƣợc chiếu sáng : Ir tăng  Ur tăng
+ PD bị che tối : Ir giảm  Ur giảm

EC+
I

R¬ le
PD

R2

VR1

Hình 2.10. Sơ đồ điều khiển ( tranzitor )
UB 

VR1
.Ec
RPD  VR1

+ PD đƣợc chiếu sáng : I tăng  RPD giảm  UB tăng  T dẫn mạnh
+ PD bị che tối : I giảm  RPD tăng  UB giảm  T dẫn yếu.
*. Chế độ quang thế :
Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tùy thuộc vào tải , ít nhiễu ,
thời gian hồi đáp lớn , dải thông nhỏ , nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit.
Sơ đồ đo dong ngắn mạch :Isc ( chế độ tuyến tính ).
Rm
ISC
OA

UR

Rm

PD

Hình 1.11. Sơ đồ đo dòng ngắn mạch
Trong chế độ này : Ur = Rm .Isc
Sơ đồ logarit đo điện áp hở mạch :Uoc

PD

R1
IO-

UOC

OA

IO+
I2
R2

Hình 1.12. Sơ đồ logarit đo điện áp hở mạch


R 

Trong chế độ này : Ur  1  2 .Uoc

R1 

16

UR


2.2.2. PHOTO TRANZITO
a. Cấu tạo và nguyên lý
Photo tranzito (PT) là tranzito Si loại NPN có vùng bazơ đựơc chiếu sáng ,
khơng có điện áp đặt lên cực bazơ chỉ có điện áp đặt lên cực collector , đồng
thời chuyển tiếp B – C phân cực ngƣợc. Khi chuyển tiếp B - C đƣợc chiếu sáng
nó sẽ hoạt động giống photodiot ở chế độ quang dẫn .
IB = IO + IP
IO : dòng tối
IP : dòng quang điện
 Ic    1.I B    1IO    1I P

Nhƣ vậy , có thể coi Photo tranzito nhƣ tổ hợp của 1 tranzito và 1 photodiot .
PT cung cấp dòng quang điện tại bazơ , còn tranzito cho hiệu ứng khuyếch đại
.
PD

PT

T

Hình 1.13. Cấu tạo của phơttranzito
b. Độ nhạy:
Độ nhạy của PT phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng chiếu vào tiếp giáp B – C và

nhiệt độ đặt lên PT.
c. Ứng dụng :
PT có thể dùng làm bộ chuyển mạch hoặc phần tử tuyến tính , ở chế độ chuyển
mạch nó có ƣu điểm so với PD là cho phép điều khiển một cách trực tiếp dịng
chạy qua tƣơng đối lớn và có độ nhạy cao . ngƣợc lại , ở chế độ tuyến tính thì
PD có ƣu điểm là độ tuyến tính tốt hơn.
* Photo tranzito chuyển mạch.
Trong trƣờng hợp này sử dụng thông tin nhị phân : có hay khơng có bức xạ ,
hoặc là ánh sáng lớn hơn hay không lớn hơn ngƣỡng (chiếu sáng ).tranzito khóa
hoặc bão hịa cho phép điều khiển trực tiếp nhƣ một rơle , điều khiển một cổng
logic hoặc một thyristo .
EC+
Rơ le

Hình 1.14.Điều khiển trực tiếp rơle
17


+Ec

D

RƠLE

T2
R1
hhh

Hình 1.16. Điều khiển gián tiếp rơle
EC+

EC+

R1
PT

Th
R2

C

Hình 1.17. Điều khiển thyristo
b. Chế độ tuyến tính
EC+
T2
T1
VR
V

Hình 1.18. Sơ đồ đo thơng lƣợng ánh sáng

18


2.3 Cáp quang
2.3.1. Cấu tạo và các tính chất chung
Các vật liệu sử dụng để chế tạo cáp quang bao gồm :
- SIO2 tinh khiết hoặc có pha tạp nhẹ
- Thủy tinh , thành phần của SIO2 và phụ gia Na2O3, B2O3, PbO…
ánh sáng dùng trong cáp quang cũng là ánh sáng hồng ngoại hay laze. ánh sáng

phát ra ở thiết bị phát điện đƣợc dẫn truyền qua một sợi quang đƣa tới đầu phát,
ánh sáng đập vào vật thể phản xạ lại đầu thu qua sợi quang về mạch xử lý.
Cảm biến sợi quang có ƣu điểm là đầu thu phát nhỏ,gọn, phần xử lý đƣợc đặt
trong tủ điện, do đó thực tế, ngƣời ta thƣờng dùng cảm biến sợi quang ở những
vị trí có khơng gian hẹp hoặc nhân biết các vật thể có kích thƣớc bé.
2.3.2. Ứng dụng
a. Truyền thông tin
ứng dụng quan trọng nhất của cáp quang là truyền thơng tin, truyền thơng tin
dƣới dạng tín hiệu ánh sáng lan truyền trong cáp quang là để tránh các tín hiệu
điện từ ký sinh hoặc để đảm bảo cách điện giữa mạch điện nguồn và máy thu.
Trong những ứng dụng này thông tin đƣợc truyền đi chủ yếu bằng cách mã hóa
các xung ánh sáng.
b. Quan sát và đo bằng phương tia quang học
Cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằng các phƣơng pháp quang ở
những chỗ khó tiếp cận hoặc trong mơi trƣờng độc hại.sử dụng cáp quang có thể
dẫn ánh sáng đến những vị trí mà trong điều kiện bình thƣờng ánh sấng không
thể chiếu tới đƣợc.
Nguồn sáng phát ra bức xạ trong một số trƣờng hợp dƣới dạng xung để phân
biệt với ánh sáng môi trƣờng các bức xạ này đƣợc dẫn đến khu vực đo bằng cáp
quang.
Các đại lƣợng cần đo có thể là vị trí của một vật thể, tốc độ quay, thành phần
hóa học của mơi trƣờng nhiệt độ…trong khu vực đo tia bức xạ bị thay đổi và sự
thay đổi này phụ thuộc đại lƣợng đo.
Các tia phản xạ trở lại đƣợc thu bằng cáp quang khác và đƣợc đƣa đến một cảm
biến quang, cảm biến sẽ cung cấp tín hiệu điện chứa thơng tin về đại lƣợng cần
đo.
Nhƣ vậy, cáp quang đóng vai trị cảm biến để chuyển sự thay đổi của đại lƣợng
vật lý cần đo thành tín hiệu quan
3. Các loại cảm biến quang
Ký hiệu

Hình 1.19. Ký hiệu cảm biến
3.1. Cảm biến quang kiểu thu phát tách biệt.
19


a. Cấu trúc
+

+
Mạch
tạo dao
động

out

LED (PT/PD)
LED

-

Mạch
nhận

Khuếch
đại AC

Đóng
cắt

out

Tách
sóng

-

Hình 1.20. Sơ đồ cấu trúc
b. Ngun lý
Bên phát khi có nguồn cung cấp thì mạch dao động tạo xung điều khiển, đƣa tín
hiệu (ánh sáng) tới LED. Khi LED phát tín hiệu thì bên thu LED thu PT hoặc
PD thu đƣợc tín hiệu và đƣa tới mạch nhận sau đó qua mạch khuếch đại để
khuếch đại tín hiệu trƣớc khi đƣa tới bộ phận tách sóng để điều khiển bộ phận
đóng cắt để mở hoặc khóa tranzitor (UR = 0 hoặc 1).
Khi có vật thể che khuất PD hoặc PT khơng thu đƣợc tín hiệu nên mạch nhận
khơng có tín hiệu và khơng có tín hiệu đến mạch khuếch đại, mạch tách sóng và
mạch đóng cắt do vậy khơng có tín hiệu để khóa hoặc mở tranzitor (U R = 1hoặc
0).
Tín hiệu đầu ra mạch dao động
Ánh sáng tới PD (PT)
Tín hiệu ra mạch nhận
Tín hiệu ra mạch tách sóng
Tín hiệu ra mạch đóng cắt
Tín hiệu ra cảm biến

c. Đặc điểm
- Khoảng cách phát hiện vật có thể dài tới 10m
- Khả năng phân biệt sáng tối cao
- Khả năng phát hiện vật không phụ thuộc vào mầu sắc và bề mặt vật thể.
d. Lắp đặt cảm biến

20


Thực tế cảm biến quang thu phát tách biệt có 2 dạng : Phần thu là đầu ra rơ le và
đầu ra tranzitor.
* Kiểu đầu ra rơ le.
+
Rơle
Mạch
thu

_

Hình 1.21. Sơ đồ kiểu đầu ra rơle
* Kiểu đầu ra tranzitor
Kiểu NPN
+
D

R

Mạch
thu
T

DZ

Hình 1.22. Sơ đồ kiểu đầu ra tranzito NPN

_

+

Kiểu PNP

D
DZ

T
Mạch
thu
R

_

Hình 1.23.Sơ đồ kiểu đầu ra tranzito PNP
Chú ý
- Không lắp phần phát và phần thu sát trên cùng một giá
- Khi lắp nhiều cặp cảm biến thu phát song song thì ta phải đảo vị trí phần phát
và phần thu của mỗi cặp.
3.2. Cảm biến quang thu phát tích hợp trên cùng một bộ kiểu phản xạ
gƣơng
a. Cấu tạo
Có 2 kiểu cấu tạo :
* Kiếu 1 : Có 2 thấu kính
21


Vật
thể

ou
t

Mạch
nhận

PT/P
D

Mạch dao
động

LED

Gƣơng phẩn
xạ

+
-

Thấu
kính

Hình 2.24.Sơ đồ có 2 thấu kính
* Kiếu 2 : Có 1 thấu kính.

Vật
thể
Gƣơng phẩn xạ
ou

Mạch

PT/P

Mạch dao

LED

+
-

Thấu
kính

Hình 2.25. Sơ đồ có 1 thấu kính
b. Đặc điểm
- Khoảng cách phát hiện dài
- Khả năng phân biệt sáng tối cao
- Có thể phân biệt đƣợc vật thể trong suốt
c. Nối dây
Đầu ra của cảm biến quang kiểu phản xạ gƣơng thƣờng là đầu ra tranzitor, cấu
trúc giông đầu ra tranzitor của cảm biến quang thu phát tách biệt nên cách đấu
dây cũng tƣơng tự nhƣ trên.
3.3. cảm biến quang thu phát tích hợp kiểu phản xạ khuếch tán
Cảm biến quang kiểu phản xạ khuếch tán có cấu trúc và cách lắp đặt giống kiểu
phản xạ gƣơng nhƣng nó lấy bề mặt vật thể làm bề mặt phản xạ. Do vậy khoảng
cách phát hiện vật thể phụ thuộc vào mầu sắc và độ nhẵn của bề mặt vật thể.
Khoảng cách phát hiện của cảm biến quang kiểu phản xạ khuếch tán ngắn hơn
rất nhiều so với hai loại cảm biến trên, thƣờng chỉ vào khoảng vài cm đến vài

dm.
22


Lƣu ý: Khi lắp đặt không lắp các cảm biến quang kiểu phản xạ khuếch tán gần
nhau.
4. Thực hành ứng dụng
4.1. Tra bảng cảm biến quang hãng ÔMRON
* loại E3F2
Cảm biến quang điện có sẵn bộ khuyếch đại có thế sử dụng nhƣ bộ chuyển đổi
tiệm cận quang.
- Vỏ hình trụ tiêu chuẩn cỡ M18
- Chất liệu vỏ : nhựa, Nikel và thép khơng gỉ
- Dạng theo phƣơng bán kính và dọc trục
- Có dạng kết nối với nguồn một chiều dễ
dàng cho việc bảo dƣỡng.
- Khoảng cách phát hiện : 7m
- Khoảng cách phát hiện rộng (30cm) cho loại
cảm biến hiệu chỉnh độ nhạy với dạng khuyếch xạ.
Hình 1.26. Hình ảnh E3F2
- Chùm tia rộng (10cm) cho loại khuyếch xạ
- Dải điện áp hoạt động rộng (10 - 30 VDC hoặc 24 - 240 VAC)
- Bảo vệ ngắn mạch và đấu ngƣợc
+ Các đặc tính kỹ thuật :
Loại sản phẩm

E3F2

Phƣơng pháp phát hiện

Phát - Thu (Hấp thụ)

Dạng cảm biến

Trục dọc

Dạng nối dây

Dây nối thƣờng

Điện áp

10 - 30 VDC

Dòng tiêu thụ

Tối đa 45mA

Khoảng cách phát hiện

7m

Đầu ra điều khiển

Transistor (hở collector)

Thời gian đáp ứng

Hoạt động và Reset tối đa 2,5ms

Điện áp dƣ

Tối đa 2 V (Dƣới dòng tải 200mA, độ dài cáp 2 m)

Trở kháng cách điện

Tối đa 20MÙ giữa bộ phận mang điện và vỏ

Nguyên lý hoạt động

Sáng ON - Ngắt ON (Tùy thuộc cách nối dây)

Khối lƣợng

Tùy thuộc chất liệu

Mạch bảo vệ

Ngắn mạch đầu ra và đấu ngƣợc nguồn

Chất liệu vỏ

Nhựa, Nickel, Inox
23


+ Sơ đồ chân :
Bên phát :

.27.Sơ đồ chân bên phát

Bên thu (Light ON) :

Hình 2.28. Sơ đồ chân bên thu (Light On)
Bên thu (Dark ON) :

Hình 2.29. Sơ đồ chân bên thu (Dark ON)
* Loại E3JM – DS70M4T
Cảm biến quang điện nguồn AC, đầu ra rơle với khối đầu dây giúp bảo
dƣỡng và thay thế dễ dàng
- Dùng nguồn điện AC và DC với các
chức năng đặt thời gian
Hình 2.30. Hình ảnh E3JM
24


- Dễ nối dây với khối đầu nối chia bậc
- Nguồn sáng phân cực giúp phát hiện vật bóng một cách tin cậy (các kiểu phản
xạ gƣơng)
- Đầu ra rơle tiếp điểm SPDT và transistor
- Kích thƣớc : 65x65x25 (mm)
Các đặc tính kỹ thuật :
Loại sản phẩm

E3JM – DS70M4T

Phƣơng pháp phát hiện

Phản xạ khuyếch tán

Khoảng cách phát hiện

70cm

Cấu hình đầu ra

Tiếp điểm

Công suất tiêu thụ

Tối đa 2W

Thời gian đáp ứng

Tối đa 30ms

Điều chỉnh độ nhạy

Cố định

Bảo vệ mạch

Bảo vệ nối nghịch, chống sốc điện, chống ngắn mạch

Chỉ thị

Chỉ thị hoạt động (LED đỏ)

Điện áp dƣ

Tối đa 2 V (Dƣới dòng tải 200mA, độ dài cáp 2 m)

Trở kháng cách điện

Tối đa 20MV giữa bộ phận mang điện và vỏ

Trọng lƣợng

130g

Chỉ thị đèn

Đỏ

- Nguồn sáng phân cực giúp phát hiện vật bóng một cách tin cậy (các kiểu phản
xạ gƣơng)
- Đầu ra rơle tiếp điểm SPDT và transistor
- Kích thƣớc : 65x65x25 (mm)
Các đặc tính kỹ thuật :
Loại sản phẩm

E3JM – DS70M4T

Phƣơng pháp phát hiện

Phản xạ khuyếch tán

Khoảng cách phát hiện

70cm

Cấu hình đầu ra

Tiếp điểm

Cơng suất tiêu thụ

Tối đa 2W

Thời gian đáp ứng

Tối đa 30ms

Điều chỉnh độ nhạy

Cố định

Bảo vệ mạch

Bảo vệ nối nghịch, chống sốc điện, chống ngắn mạch

Chỉ thị

Chỉ thị hoạt động (LED đỏ)
25