Giáo trình kỹ thuật sensor và đo lường điện

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Chương
1
:
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN
I.

Định

nghĩa
Cảm biến trong tiếng Anh gọi là “sensor”, xuất phát từ chữ “sense” theo nghĩa la
tinh là cảm nhận. Cảm

biến

được

định

nghĩa

theo

nghĩa

rộng

là

thiết

bị

cảm

nhận

và

đáp
ứng

với

các tín

hiệu

và

kích

thích.
Trong

hệ

thống

đo

lường

–

điều

khiển,

mọi

quá

trình

đều

được

đặc

trưng

bởi

các
biến

trạng

thái:

nhiệt

độ,

áp

suất,

tốc

độ,

moment…

Các

biến

trạng

thái

này

thường

là

các

đại

lượng

không

điện.
Tuy nhiên, t
rong

các

quá

trình

đo

lường

–

điều

khiển,

thông

tin
được

truyền tải

và

xử

lý

dưới

dạng

điện.
Do đó, c
ảm biến được định nghĩa như những
thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các
đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng v.v…).
Trong

mô

hình

mạch

điện,

ta

có

thể

coi

cảm

biến

như

một

mạch

hai

cửa.

Trong

đó
cửa

vào

là

biến

trạng

thái

cần

đo

x

và

cửa

ra

là

đáp

ứng

y

của

bộ

cảm

biến

với

kích

thích
đầu

vào

x.
Phương

trình

quan

hệ:

y

=

f(x)

thường

rất

phức

tạp.
Sơ

đồ

điều

khiển

tự

động

quá

trình:
- Bộ

cảm

biến

đóng

vai

trò

cảm

nhận,

đo

đạc

và

đánh

giá

các

thông

số

hệ

thống.
- Bộ

xử

lý

làm

nhiệm

vụ

xử

lý

thông

tin

và

đưa

ra

tín

hiệu

điều

khiển

quá

trình.
II.

Phân

loại

cảm

biến
a.

Phân

loại

theo

nguyên

lý

chuyển

đổi

giữa

đáp

ứng

và

kích

thích
- Vật

lý:

nhiệt

điện,

quang

điện,

điện

từ,

từ

điện,…
- Hóa

học:

hóa

điện,

phổ,…
- Sinh

học:

sinh

điện,

…
b.

Phân

loại

theo

dạng

kích

thích:

âm

thanh,

điện,

từ,

quang,

cơ,

nhiệt,…
c.

Phân

loại

theo

tính

năng:

độ

nhạy,

độ

chính

xác,

độ

phân

giải,

độ

tuyến

tính…
Trang IV-1
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
d.

Phân

loại

theo

phạm

vi

sử

dụng:

công

nghiệp,

nghiên

cứu

khoa

học,

môi

trường,
thông

tin,

nông

nghiệp…
e.

Phân

loại

theo

thông

số

của

mô

hình

thay

thế:
- Cảm

biến

tích

cực

(có

nguồn)

ngõ

ra

là

nguồn

áp

hoặc

nguồn

dòng.
- Cảm

biến

thụ

động

(không

có

nguồn):

R,

L,

C,

tuyến

tính,

phi

tuyến.
III.

Bộ

cảm

biến

tích

cực

và

thụ

động
1.

Cảm

biến

tích

cực
Bộ

cảm

biến

tích

cực

có

nguồn,

hoạt

động

như

một

nguồn

áp

hoặc

nguồn

dòng.
Các

hiệu

ứng

vật

lý

ứng

dụng

trong

các

cảm

biến

tích

cực:
a.

Hiệu

ứng

cảm

ứng

điện

từ.

(Faraday

phát

hiện

năm

1831)
Khi

một

thanh

dẫn

chuyển

động

trong

từ

trường
sẽ

xuất

hiện

sức

điện

động

tỉ

lệ

với

biến

thiên

từ

thông,
tức

là

tỷ

lệ

với

tốc

độ

chuyển

động

của

thanh

dẫn.
Ứng

dụng

để

xác

định

tốc

độ

chuyển

động

của
vật

thông

qua

việc

đo

sức

điện

động

cảm

ứng.
b.

Hiệu

ứng

nhiệt

điện.

(Seebeck

phát

hiện

năm

1821)
Khi

hai

dây

dẫn

có

bản

chất

hóa

học

khác

nhau

được

hàn
kín

sẽ

xuất

hiện

sức

điện

động

tỉ

lệ

nhiệt

độ

mối

hàn.
Ứng

dụng

để

đo

nhiệt

độ.
Ngược

lại

khi

cho

dòng

điện

chạy

qua

chất

có

bản
chất hóa

học

khác

nhau

sẽ

tạo

nên

sự

chênh

lệch

nhiệt

độ.
(Peltire phát

hiện)
c.

Hiệu

ứng

hỏa

điện.
Một

số

tinh

thể

hỏa

điện

có

tính

chất

phân

cực

điện
tự phát

phụ

thuộc

vào

nhiệt

độ.

Trên

các

mặt

đối

diện
của chúng

xuất

hiện

các

điện

tích

trái

dấu

có

độ

lớn

tỷ

lệ
thuận với

độ

phân

cực

điện

phụ

thuộc

vào

quang

thông
φ
.
Được

ứng

dụng

để

đo

thông

lượng

của

bức

xạ

ánh
sáng.

Khi

tinh

thể

hỏa

điện

hấp

thụ

ánh

sáng,

nhiệt

độ

của

chúng

tăng

lên

làm

thay

đổi
phân

cực

điện,

xuất

hiện

điện

áp

trên

hai

cực

của

tụ

điện.
d.

Hiệu

ứng

áp

điện.

(Pierre

Curie

phát

hiện

năm

1880)
Khi

tác

động

cơ

học

lên

bề

mặt

vật

liệu

áp

điện

(thạch

anh,

muối

Segnet…)

làm

vật

liệu

biến

dạng

và

xuất
hiện

các

điện

tích

bằng

nhau

và

trái

dấu.
Ứng

dụng

để

đo

các

đại

lượng

cơ

như

áp

suất,

ứng
suất…

thông

qua

việc

đo

điện

áp

trên

hai

cực

tụ

điện.
e.

Hiệu

ứng

quang

điện.

(A.

Einstein

phát

hiện

năm

1905)
Bản

chất

hiệu

ứng

quang

điện

là

việc

giải

phóng

các

hạt

dẫn
tự

do

trong

vật

liệu

dưới

tác

dụng

của

bức

xạ

ánh

sáng.
Ứng

dụng

để

chế

tạo

các

cảm

biến

quang.
Hiệu

ứng

quang

phát

xạ

điện

tử

là

hiện

tượng

các

điện
tử được

giải

phóng

khỏi

vật

liệu

tạo

thành

dòng

dưới

tác

dụng
của điện

trường.
Trang IV-2
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
f.

Hiệu

ứng

quang-điện-từ.
Khi

tác

dụng

một

từ

trường

vuông

góc

với

bức
xạ ánh

sáng,

trong

vật

liệu

bán

dẫn

được

chiếu

sáng

sẽ

xuất hiện

hiệu

điện

thế

vuông

góc

với

phương

từ
trường

và phương

bức

xạ

ánh

sáng.

Cho

phép

nhận
được

dòng điện

hoặc

điện

áp

phụ

thuộc

vào

độ

chiếu
sáng.
Ứng

dụng

trong

các

bộ

cảm

biến

đo

các

đại

lượng
quang

hoặc

chuyển

đổi

thông

tin

dạng

ánh

sáng

thành

tín

hiệu

điện.
g.

Hiệu

ứng

Hall.

(Hall

phát

hiện

năm

1879)
Cho

dòng

điện

chạy

qua

vật

liệu

bán

dẫn

đặt

trong

từ
trường

B

có

phương

tạo

thành

góc

θ

với

dòng

điện

sẽ

xuất
hiện điện

áp

V
H
vuông

góc

với

B

và

I,

có

độ

lớn:
V
H
=

KIBsin
θ
Hệ

số

K

phụ

thuộc

vào

vật

liệu

và

kích

thước

vật.
Ứng

dụng

đo

các

đại

lượng

từ,

điện

hoặc

xác

định

vị

trí chuyển

động.
2.

Cảm

biến

thụ

động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông
số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo
.

Chẳng

hạn,

giá

trị

trở kháng

phụ

thuộc

vào

kích
thước

hình

học

của

mẫu,

tính

chất

điện

của

vật

liệu

như

điện trở

suất,

từ

thẩm,

hằng

số
điện

môi.

Do

đó,

giá

trị

trở

kháng

thay

đổi

được

dưới

tác

dụng của

các

đại

lượng

đo.
Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có
phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng:
+ Cảm biến có chứa phần tử chuyển động: mỗi vị trí của phần tử chuyển động tương
ứng với một giá trị của trở kháng cho nên đo trở kháng sẽ xác định được vị trí của đối
tượng. Đây là nguyên lý của nhiều loại cảm biến vị trí hoặc dịch chuyển (cảm biến điện thế,
cảm biến cảm ứng có lõi động…).
+ Cảm biến có chứa phần tử biến dạng: sự biến dạng được gây nên bởi lực hoặc các
đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cảm biến. Sự
thay đổi của trở kháng (do biến dạng) liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa là tác
động của đại lượng cần đo được biến đổi thành tín hiệu điện.
Trong bảng dưới đây giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi các
tính chất điện của vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến thụ động.
Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng
Nhiệt độ Điện trở suất,
ρ
Kim loại: Pt, Ni, Cu

Bán dẫn
Bức xạ ánh sáng
Điện trở suất,
ρ
Thuỷ tinh
Bán dẫn
Biến dạng
Điện trở suất,
ρ
Độ từ thẩm,
µ
Hợp kim Ni, Si pha tạp
Hợp kim sắt từ
Vị trí (nam châm)
Điện trở suất,
ρ
Vật liệu từ điện trở: Bi, InSb
Trang IV-3



Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Độ ẩm
Điện trở suất,
ρ
Hằng số điện môi,
ε
LiCl
Al
2

O
3
, polyme
Mức chất lưu Hằng số điện môi,
ε
Chất cách lưu điện
Trở

kháng

của

cảm

biến

thụ

động

và

sự

thay

đổi

trở

kháng

dưới

tác

dụng

của

đại
lượng

đo

chỉ

có

thể

xác

định

được

khi

cảm

biến

là

một

thành

phần

trong

mạch

điện.

Trên
thực

tế,

tùy

trường

hợp

cụ

thể,

mà

ta

chọn

mạch

đo

thích

hợp.
IV.

Các

đặc

trưng

cơ

bản

của

cảm

biến
1.

Hàm

truyền
Quan

hệ

giữa

đáp

ứng

và

kích

thích

của

cảm

biến

có

thể

cho

dưới

dạng

bảng

giá
trị,

đồ

thị

hoặc

biểu

thức

toán

học.
- Hàm

tuyến

tính:
y

=

a

+

bx
-
Hàm

logarit:
y

=

1

+

b

ln

x
-
Hàm

mũ: y

=

a.e
kx
-
Hàm

lũy

thừa: y= a
0
+ a
1
k
x
-
Hàm

phi

tuyến,

sử

dụng

các

hàm

gần

đúng

hay

phương

pháp

tuyến

tính

hóa

từng
đoạn.
2.

Dãy

động
Dãy

động

là

khoảng

giá

trị

tín

hiệu

kích

thích

mà

cảm

biến

có

thể

đáp

ứng.
Những

tín

hiệu

vượt

ngoài

dãy

này

sẽ

tạo

ra

những

đáp

ứng

không

chính

xác.

3.

Sai

số

và

độ

chính

xác
Ngoài

đại

lượng

cần

đo,

cảm

biến

còn

chịu

tác

động

của

nhiều

đại

lượng

vật

lý
khác

gây

nên

sai

số

giữa

giá

trị

đo

được

và

giá

trị

thực

của

đại

lượng

cần

đo.
Gọi ∆x là sai số tuyệt đối, sai số tương đối của cảm biến:

% 100%
x
x
x
δ

∆
=
Có

2

loại

sai

số

của

cảm

biến:
•
Sai

số

hệ

thống:

có

giá

trị

không

đổi

và

có

độ

lệch

không

đổi

giữa

giá

trị

thực
và giá

trị

đo

được.
Nguyên

nhân:
- Do

nguyên

lý

của

cảm

biến.
- Giá

trị

đại

lượng

chuẩn

không

đúng.
- Do

đặc

tính

của

bộ

cảm

biến.
- Do

điều

kiện

và

chế

độ

sử

dụng.
-
Do

xử

lý

kết

quả

đo.
•
Sai số ngẫu nhiên:

có

độ

lớn

và

chiều

không

xác

định.
Nguyên

nhân:

- Do

thay

đổi

đặc

tính

của

thiết

bị.
- Do

nhiễu

ngẫu

nhiên.
Trang IV-4
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
- Do

ảnh

hưởng

các

thông

số

môi

trường

(nhiệt

độ,

áp

suất,

độ

ẩm,

điện

từ…).
4.

Độ

phân

giải
Độ

phân

giải

cảm

biến

được

hiểu

là

khả

năng

phát

hiện

sự

thay

đổi

tín

hiệu

kích
thích

nhỏ

nhất

theo

thời

gian.
5.

Băng

thông
Tất

cả

cảm

biến

đều

có

giới

hạn

thời

gian

đáp

ứng

đối

với

sự

thay

đổi

của

tín

hiệu
kích

thích.

Một

số

loại

cảm

biến

có

thời

gian

đáp

ứng

tắt

dần,

tức

là

khoảng

thời

gian

đáp
ứng

giảm

dần

thay

đổi

theo

tín

hiệu

kích

thích.

6.

Độ

nhạy

S

(sensitivity)
Độ

nhạy

S

xung

quanh

giá

trị

m
i
của

kích

thích

được

xác

định

bởi

tỉ

số

giữa

độ
biến

thiên

∆
s

của

đáp

ứng

và

độ

biến

thiên

∆
m

tương

ứng

của

kích

thích.
i
m m
s
S
m
=
∆
 
=
 ÷
∆

 
Độ

nhạy

được

định

nghĩa

bằng

giới

hạn

giữa

tín

hiệu

kích

thích

và

đáp

ứng.

Là

tỉ
số

giữa

sự

thay

đổi

nhỏ

trong

đáp

ứng

với

sự

thay

đổi

nhỏ

trong

tín

hiệu

kích

thích.
Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều
kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ
lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo. Điều
này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện
đặt ra.
7.

Độ

tuyến

tính
Một

cảm

biến

được

gọi

là

tuyến

tính

trong

một

dải

đo

xác

định

nếu

trong

dải

đo

đó
độ

nhạy

S

không

phụ

thuộc

vào

giá

trị

của

đại

lượng

đo

m.
Trên

thực

tế

và

ngay

cả

trong

lý

thuyết

cảm

biến

là

tuyến

tính

thì

các

điểm

S
i
,

m
i
cũng

không

nằm

trên

một

đường

thẳng.

Đó

là

do

có

sự

không

chính

xác

trong

khi

đo

và
sai

lệch

trong

khi

chế

tạo

cảm

biến.
Từ

thực

nghiệm

có

thể

tính

được

phương

trình

đường

thẳng

biểu

diễn

sự
tuyến tính,

đường

thẳng

đó

gọi

là

đường

thẳng

tốt

nhất

có

phương

trình:

S

=

am

+

b
Trong

đó:
với

N

là

số

điểm

thực

nghiệm

đo

chuẩn

cảm

biến.
Độ

lệch

tuyến

tính

cho

phép

đánh

giá

độ

tuyến

tính

của

đường

cong

chuẩn.

Nó
được

xác

định

từ

độ

lệch

cực

đại

giữa

đường

cong

chuẩn

và

đường

thẳng

tốt

nhất

trong
dải

đo

(tính

bằng

%).
8.

Độ

nhanh

và

thời

gian

đáp

ứng
Độ

nhanh

của

cảm

biến

cho

phép

đánh

giá

đại

lượng

ngõ

ra

có

đáp

ứng

được

về
mặt

thời

gian

với

độ

biến

thiên

của

đại

lượng

đo

hay

không.
Thời

gian

đáp

ứng

là

đại

lượng

xác

định

giá

trị

của

độ

nhanh.
9.

Hiện

tượng

trễ
Trang IV-5
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Một

số

cảm

biến

không

đáp

ứng

cùng

thời

điểm

với

tín

hiệu

kích

thích.

Độ

rộng
của

sự

sai

lệch

được

gọi

là

hiện

tượng

trễ.
10.

Nhiễu
Nhiễu

xuất

hiện

ở

ngõ

ra

cảm

biến,

bao

gồm

nhiễu

của

cảm

biến

sinh

ra

và

nhiễu
do

sự

dao

động

của

tín

hiệu

kích

thích.

Nhiễu

làm

giới

hạn

khả

năng

hoạt

động

của

cảm
biến.

Nhiễu

được

phân

bố

qua

phổ

tần

số.
Nhiễu

không

thể

loại

trừ

mà

chỉ

có

thể

phòng

ngừa.

Làm

giảm

ảnh

hưởng

và

khắc

phục

nhiễu

đòi

hỏi

nhiều

biện

pháp

tổng

hợp.
Ta

có

thể

phân

nhiễu

thành

2

loại:
- Nhiễu

nội

tại

phát

sinh

do

sự

không

hoàn

thiện

trong

việc

thiết

kế,

công

nghệ

chế
tạo,

vật

liệu

cảm

biến,…

do

đó

đáp

ứng

có

thể

bị

méo

so

với

dạng

lý

tưởng.
- Nhiễu

do

truyền

dẫn.
Để

chống

nhiễu

ta

thường

dùng

kỹ

thuật

vi

sai

phối

hợp

cảm

biến

đôi,

trong

đó

tín
hiệu

ra

là

hiệu

của

hai

tín

hiệu

ra

của

từng

bộ.

Một

bộ

được

gọi

là

cảm

biến

chính

và

bộ
kia

là

cảm

biến

chuẩn

được

đặt

trong

màn

chắn.
Để

giảm

nhiễu

đường

truyền

ta

có

thể

sử

dụng

các

biện

pháp

sau:
- Cách

ly

nguồn

nuôi,

màn

chắn,

nối

đất,

lọc

nguồn.
- Bố

trí

các

linh

kiện

hợp

lý,

không

để

dây

cao

áp

gần

đầu

vào

và

cảm

biến.
- Sử

dụng

cáp

ít

nhiễu.
11.

Giới

hạn

sử

dụng

cảm

biến
Trong

quá

trình

sử

dụng,

các

cảm

biến

luôn

chịu

ứng

lực

cơ

khí

hoặc

nhiệt

độ

tác
động

lên

chúng.

Nếu

các

ứng

lực

này

vượt

quá

ngưỡng

cho

phép

sẽ

làm

thay

đổi

các

đặc
trưng

của

cảm

biến.

Do

đó

người

sử

dụng

phải

biết

các

giới

hạn

ngưỡng

của

cảm

biến.
- Vùng

làm

việc

danh

định:

ứng

với

điều

kiện

sử

dụng

bình

thường

của

cảm

biến.
- Vùng

không

gây

nên

hư

hỏng.
- Vùng

không

phá

hủy.
Dải

đo

của

cảm

biến

được

xác

định

bởi

giá

trị

giới

hạn

của

vùng

đại

lượng

đo

mà
trong

vùng

đó

cảm

biến

đáp

ứng

các

yêu

cầu

đề

ra.

Thông

thường

dải

đo

trùng

với

vùng
danh

định.

Trang IV-6
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Chương 2:
CẢM BIẾN QUANG
I. ÁNH

SÁNG

–

CÁC

ĐẶC

TÍNH

CƠ

BẢN

CỦA

ÁNH

SÁNG
1.

Tính

chất

ánh

sáng
Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia
hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện.
Ánh sáng có

2

tính

chất

cơ

bản

là

sóng

và

hạt.
Dạng

sóng

ánh

sáng

là

sóng

điện

từ

phát

ra

khi

có

sự

chuyển

điện

tử

giữa

các

mức năng

lượng

của

nguyên

tử

nguồn

sáng.
Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân
không là c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là:
c
v
n
=
(n: chiết suất của môi trường)
Tần

số

γ

và

bước

sóng

λ

của

ánh

sáng

liên

hệ

với

nhau

qua

biểu

thức:
v
λ
γ
=
trong
chân không
=

c
λ
γ
Phổ

ánh

sáng

được

biểu

diễn

như

hình:
Tính

chất

hạt

thể

hiện

qua

sự

tương

tác
của nó
với

vật

chất. Ánh

sáng
bao
gồm

các
hạt

photon

mang

năng

lượng

W
φ

phụ

thuộc
duy nhất
vào

tần

số.
W
φ

=

h
γ
(h

=

6,6256.10
-24
Js:

hằng

số

Planck)
Các

đại

lượng

quang

học:
- Thông

lượng:

oat

(W)
- Cường

độ:

oat/steradian

(W/Sr)
- Độ

chói:

(W/Sr.m
2
)
- Năng

lượng:

J
Trang IV-7
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Một

điện

tử

được

liên

kết

có

năng

lượng

W
l
,

để

giải

phóng

các

điện

tử

khỏi
nguyên tử cần cung cấp cho n
ó

năng

lượng

bằng

với

năng

lượng

liên

kết

W
l
.
Vậy

một

điện

tử

sẽ

được

giải

phóng

nếu

nó

hấp

thụ

một

photon

có

năng

lượng
W
φ

≥ W
1
, nghĩa là 
W
h
φ
γ
≥
hay
1
hc
W
λ
≤
Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải
phóng điện tử được tính từ biểu thức:
1
s
hc
W
λ

=
Hiện tượng hạt
dẫn

điện

được

giải

phóng

dưới

tác

dụng

của

ánh

sáng

làm

thay
đổi tính

chất

điện

của

vật

liệu

gọi

là

hiệu

ứng

quang

điện.

Đây

là

nguyên

lý

cơ

bản

của

cảm
biến quang.
II.

CÁC

LOẠI

NGUỒN

SÁNG
Một

cảm

biến

quang

chỉ

hiệu

quả

khi

phù

hợp

với

bức

xạ

ánh

sáng

(phổ,
thông lượng,

tần

số).

Nguồn

sáng

quyết

định

mọi

đặc

tính

của

bức

xạ.
1.

Đèn
sợi đốt v
onfram
Cấu tạo: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh có chứa khí halogen để giảm
bay hơi sợi đốt.
Đặc

điểm:
- Nhiệt

độ

giống

như

nhiệt

độ

của

một

vật

đen

tuyệt

đối.
- Phổ

phát

xạ

nằm

trong

vùng

nhìn

thấy.

- Quang

thông

lớn,

dải

phổ

rộng.
- Quán

tính

nhiệt

lớn

nên

không

thể

thay

đổi

bức

xạ

nhanh

chóng.
- Tuổi

thọ

thấp,

dễ

vỡ.
2.

Diode

phát

quang
Cấu

tạo:

gồm

nối

P-N.

Năng

lượng

giải

phóng

do

sự

tái

hợp

các

hạt

dẫn

làm
phát sinh

các

photon.

Đặc

điểm:
- Thời

gian

hồi

đáp

nhỏ

cỡ

ns,

có

khả

năng

biến

điệu

tần

số

cao.
- Phổ

ánh

sáng

hoàn

toàn

xác

định,

độ

tin

cậy

cao.
- Tuổi

thọ

cao,

kích

thước

nhỏ,

tiêu

thụ

năng

lượng

thấp.
- Quang

thông

tương

đối

nhỏ

và

nhạy

với

nhiệt

độ là nhược điểm hạn chế phạm vi
sử dụng của đèn.
3.

Laser

(Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

Radiation)
Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, rất định hướng và đặc biệt là tính liên
kết mạnh (cùng phân cực, cùng pha). 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. Trong trường hợp
tia laser, 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 rất xác định.
Đặc

điểm chính của laser là có bước

sóng

đơn

sắc

hoàn

toàn

xác

định,

quang
thông

lớn,

có

khả

năng

nhận

được chùm

tia

rất

mảnh
với
độ

định

hướng

cao,

truyền

đi
khoảng

cách

rất

lớn.
Trang IV-8


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
III.

CÁC

CẢM

BIẾN

QUANG
1.

Tế

bào

quang

dẫn
Tế

bào

quang

dẫn

là

một

loại

cảm

biến

quang

có

độ

nhạy

cao.
Đặc

trưng

của

tế

bào

quang

dẫn

là

sự

phụ

thuộc

điện

trở

vào

thông

lượng

và

phổ
của bức

xạ.
Cơ

sở

vật

lý

của

tế

bào

quang

dẫn

là

hiện

tượng

giải

phóng

hạt

dẫn

điện

trong
vật liệu

dưới

tác

dụng

của

ánh

sáng

làm

tăng

độ

dẫn

điện

của

vật

liệu.
Vật

liệu

chế

tạo:

thường

được

chế

tạo

từ

các

bán

dẫn

đa

tinh

thể

đồng

nhất

hoặc
đơn tinh

thể,

bán

dẫn

riêng

hoặc

pha

tạp.
- Đa

tinh

thể:

CdS,

CdSe,

CdTe,

PbS,

PbSe,

PbTe
- Đơn

tinh

thể:

Ge,

Si

tinh

khiết

hoặc

pha

tạp

Au,

Cu,

Sb,

In,

SbIn,

AsIn, PIn, CdHgTe.

•
Các

tính

chất

cơ

bản

của

cảm

biến

quang

dẫn:
a.

Điện

trở

tối

R
CO

:
Phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất lý hóa của vật liệu. Khi
chiếu sáng R
CO
giảm rất nhanh, quan hệ điện trở và độ sáng là phi tuyến
.
PbS,

CdS,

CdSe

có

R
CO
rất

lớn:

từ

10
4
Ω đến 10
5
Ω ở 25
o
C
.

SbIn,

AbSn,

CdHgTe

có

R
CO
rất

nhỏ:
10Ω – 10
3
Ω ở 25
o
C
.
b.

Độ

nhạy:
Định

nghĩa

theo

biểu

thức:

( ) ( / )
( )
I
S A W
λ
φ λ
∆
=
∆
I:

dòng

quang

điện

chạy

qua

tế

bào

quang

dẫn

(A)
φ
:

thông

lượng

ánh

sáng

(W)
Khi

đặt

vào

điện

áp

U

=

10V,

diện

tích

bề

mặt

tế

bào
bằng
1cm
2
,

độ

nhạy
phổ có giá trị nằm trong
khoảng

0,1

÷
10 A/W.
•
Nhược

điểm

của

tế

bào

quang

dẫn
o
Đặc

tính

điện

trở

-

độ

rọi

là

phi

tuyến. Thời

gian

đáp

ứng

tương

đối

lớn.
o
Các

thông

số

không

ổn

định

(lão

hóa).

o
Độ

nhạy

phụ

thuộc

vào

nhiệt

độ,
một số loại
đòi

hỏi

phải

làm

nguội.
•
Ứng

dụng:
Không

dùng

tế

bào

quang

dẫn

để

xác

định

quang

thông,

thông

thường

dùng

để
phân

biệt mức

sáng khác nhau: trạng thái tối – sáng hoặc xung ánh sáng.
Việc

đo

điện

trở

của

tế

bào

quang

dẫn

cần

phải

có

mạch

đo như áp dụng cho một
cảm biến thụ động, nghĩa là

phải

cấp

dòng

không

đổi và lắp mạch
theo sơ đồ
đo

thế,
dùng
cầu

Wheatstone,

khuếch

đại

thuật

toán.
Trong

thực

tế các tế bào quang dẫn thường được ứng dụng trong hai trường hợp:
- Điều

khiển

relay.
-
Thu tín hiệu quang: tế bào quang điện có thể được sử dụng để biến đổi xung
Trang IV-9
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
quang thành xung điện. Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật, đo tốc
độ quay đĩa
.
Minh họa dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle:
a) Điều khiển trực tiếp; b) Điều khiển thông qua transistor khuếch đại
2.

Photodiode
a.

Cấu

tạo
Lớp

tiếp

xúc

của

hai

bán

dẫn

loại

n

và

loại

p

(nối

P-N)

tạo

nên

vùng

hiếm,

ở

đó

tồn tại

điện

trường

và

hình

thành

rào

điện

thế

V
b
.
Khi

không

có

điện

áp

bên

ngoài

đặt

lên

nối

P-N,

dòng

điện

qua

nối

I

=

0.

Thực

tế
có tồn

tại

dòng

I

gồm

các

thành

phần:
- Dòng

khuếch

tán

các

hạt

dẫn

điện

đa

số

có

năng

lượng

đủ

lớn

vượt

qua
rào điện

thế.
- Dòng

hạt

dẫn

điện

thiểu

số

chuyển

động

dưới

tác

động

của

điện

trường.
Khi

đặt

điện

áp

V
d
lên

diode,

chiều

cao

của hàng rào

thế sẽ thay

đổi

kéo

theo
thay

đổi

độ rộng

vùng

hiếm.

Dòng

qua

nối:


d
0 0
qV
I I exp I
kT
 
= −
 ÷
 
I
0
:

dòng

hạt

dẫn

điện

thiểu

số
Khi

điện

áp

ngược

V
d
đủ

lớn

26
 
− = −
 ÷
 
=
d
kT
V mV
q
(ở 300K),
dòng

khuếch

tán

các

hạt
dẫn đa

số

rất

nhỏ

có

thể

bỏ

qua.

Dòng

ngược

I
r
=

I
0
.
Khi chiếu sáng diode bằng ánh sáng có bước sóng λ < λ
S

sẽ xuất hiện thêm các cặp
điện tử - lỗ trống. Để ngăn cản quá trình tái hợp phải tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác
dụng của điện trường. Điều này chỉ xảy ra trong vùng hiếm làm tăng dòng ngược I
r
.
Để đến được vùng hiếm, ánh sáng phải đi qua một
bề

dầy

của

chất

bán

dẫn

và

tiêu
hao

năng

lượng

theo

biểu

thức

0
( )
x
x e
α
φ φ
−
=
Trong

đó

α
∼
10
5
cm
-1
,

thông

lượng

giảm

63%

khi

đi

qua

bề

dầy

10
3

A

.
Trang IV-10
a) b)
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trong

thực

tế,

phiến

bán

dẫn

được

làm

rất

mỏng

và

vùng

hiếm

đủ

rộng

để

hấp
thụ năng

lượng

ánh

sáng

hữu

hiệu

nhất.

Chẳng

hạn,

các

diode

PIN

có

lớp

bán

dẫn

I

giữa

2

lớp

P và

N.

Chỉ

cần

điện

áp

ngược

vài

volt

đủ

để

mở

rộng

vùng

hiếm

ra

toàn

bộ

lớp

bán
dẫn

I.
Các

vật

liệu

thường

dùng

để

chế

tạo

photodiode

là:
- Si,

Ge:

vùng

ánh

sáng

nhìn

thấy

và

hồng

ngoại

gần.
- GaAs,

InAs,

InSb,

HgCdTe:

vùng

hồng

ngoại.
b.

Nguyên

tắc

hoạt

động
• Chế độ quang dẫn
Nguồn

E
S
phân

cực

ngược

diode,

R

m
dùng

để

đo

tín

hiệu.
Đặt

điện

áp

V
d

<

0

lên

diode,

dòng

ngược

I
r

chạy

qua

diode:

d
r 0 0 p
qV
I I exp I I
kT
 
= − + +
 ÷
 
I
p

:

dòng

điện

sinh

ra

khi

ánh

sáng

đi

đến

vùng

hiếm

p 0
q (1 R)
I exp( X)
hc
η − λ
= φ −α
Khi

điện

áp

ngược

đủ

lớn:

I
r
#

I
0
+

I
p
,

nghĩa

là

I
r
#

I
p
.
Phương

trình

mạch

điện:

E
S
=

V
r
–

V
d
mà

V
r
=

R
m
I
r
⇒

S d
r
m

E V
I
R
+
=
Chế

độ

này

là

tuyến

tính,

V
r
tỉ

lệ

với

thông

lượng.
•
Chế

độ

quang

thế
Chế

độ

này

không

có

điện

áp

ngoài

đặt

vào

diode.

Diode

hoạt

động

như

bộ
chuyển

đổi năng

lượng,

người

ta

đo

điện

áp

hở

mạch

V
OC
hoặc

dòng

ngắn

mạch

I
SC
.
- Điện

áp

hở

mạch

V
OC
Khi

chiếu

sáng,

I
p

tăng,

rào

điện

thế

giảm

một

lượng

∆
V
b
.

Sự

giảm

này

làm

dòng
hạt

dẫn

đa

số

tăng

lên,
I
r
=

0,

nghĩa

là:

p
b
0 0 p b
0
I
q V
kT
I exp I I 0 V ln 1
kT q I
 
∆
 

− + + = ⇒ ∆ = +
 ÷
 ÷
 
 
Trang IV-11
V
d
R
m
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Đo

điện

áp

hai

đầu

diode

trong

chế

độ

hở

mạch:
p
OC
o
I
kT
V ln 1
q I
 
= +
 ÷
 

Khi chiếu sáng yếu:
:
p
OC
o
I
kT
V ln
q I
 
=
 ÷
 

Độ

lớn

V
OC
phụ

thuộc

vào

thông

lượng

có

dạng

hàm

logarit.
- Dòng

ngắn

mạch

I
SC
Nối

ngắn

mạch

2

đầu

diode

bằng

điện

trở

Rm

nhỏ

hơn

điện

trở

động

rd

của

nối
P-N. Dòng

ngắn

mạch

I
SC
=

I
p
,

tỷ

lệ

với

thông

lượng.
c.

Độ

nhạy

p
I
q (1 R)exp( X)
S( )
hc
∆
η − −α
λ = = λ
∆Φ
Thông

thường

S(
λ
)

nằm

trong

khoảng

từ

0,1

đến

1

A/W.
d.

Sơ

đồ

sử

dụng
Tùy

mục

đích

sử

dụng

mà

ta

chọn

chế

độ

hoạt

động.
•
Chế

độ

quang

dẫn
Có

độ

tuyến

tính

cao,

thời

gian

đáp

ứng

ngắn,

băng

thông

rộng.
- Sơ

đồ

cơ

sở:
2
O m r
1
R
V R 1 I
R
 
= +
 ÷
 
Để

giảm

nhiễu

tăng

điện

trở

R
m
- Sơ

đồ

tác

động

nhanh:
Trang IV-12
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
•
Chế

độ

quang

thế

Đặc

điểm:
-
Có thể làm việc ở chế độ t
uyến

tính

hoặc

logarit

phụ

thuộc

vào

tải.
- Ít

nhiễu.
- Thời

gian

đáp

ứng

lớn,

dải

thông

hẹp.
- Nhạy

cảm

với

nhiệt

độ

ở

chế

độ

logarit.
Sơ

đồ

tuyến

tính: Sơ

đồ

logarit:
3.

Phototransistor
Phototransistor

là

các

transistor

loại

NPN

mà

cực

nền

có

thể

được

chiếu

sáng,
không có

điện

áp

tại

cực

nền

B

mà

chỉ

có

điện

áp

tại

C,

nối

B-C

phân

cực

ngược.
Khi

nối

B-C

được

chiếu

sáng,

nó

hoạt

động giống

photodiode

ở

chế

độ

quang

dẫn.
Dòng

ngược

I
r
=

I
o
+

I
p
I
o
:

dòng

ngược

tối
I
p
:

dòng

quang

điện

khi

được

chiếu

sáng
Dòng

cực

thu:

I
c

=

β
I
r
=

β
I
o
+

β
I
p
Như

vậy,

có

thể

coi

phototransistor

là

tổ

hợp

của

một

photo

diode

và

một
transistor. Photodiode

cung

cấp

dòng

điện

tại

cực

nền

còn

transistor

cho

hiệu

ứng

khuếch
đại

β
.
Độ nhạy:
C
dI
S
d
=
φ
, ở bước sóng tương ứng điểm cực đại, S có giá trị từ 1 ÷ 100 A/W.
Ứng

dụng

phototransistor

trong

chế độ
chuyển

mạch để điều khiển:
a) Rơle, b)Rơle (sau khuếch đại), c) Cổng logic d) Thyristo
Trang IV-13
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
4.

Phototransistor

hiệu

ứng

trường

–

photo

FET
Trong

photo

FET,

ánh

sáng

được

dùng

để

thay

đổi

điện

trở

kênh,

điều

khiển

dòng

I
D
do

sự

thay

đổi

điện

áp

V
GS
.
I
DSS
:

dòng

thoát

khi

V
GS

=

0
V
P
:

điện

áp

nghẽn
Nối

P-N

giữa

cổng

và

kênh

khi

được

chiếu

sáng

giống

như photodiode,

tạo

dòng

ngược.
Dòng

ngược

I
r
=

I
o
+

I
p
I
o
:

dòng

ngược

tối
I
p

:

dòng

quang

điện

khi

được

chiếu

sáng;
I
p
=

S
g
.
φ
S
g
:

độ

nhạy

diode

cổng

kênh
Dòng

I
r
chạy

qua

điện

trở

Rg

tạo

ra

điện

thế

V
GS

V
GS
= R
g
(I
o
+ I
p
) - V
g
Ứng

dụng

photo

FET

là

điều

khiển

điện

áp

bằng

ánh

sáng.
Khi

điện

áp

V
DS
nhỏ,

photo

FET

giống

như

một

điện

trở

R
DS
.

Giá

trị

R
DS
được
xác
định

bởi

điện

thế

V
GS
có

thể

được

điều

chỉnh

nhờ

thay

đổi

thông

lượng

ánh

sáng

chiếu
tới.
IV.

CẢM

BIẾN

QUANG

PHÁT

XẠ
Cảm

biến

này

biến

đổi

tín

hiệu quang

thành

tín

hiệu

điện

nhờ

hiện

tượng

phát

xạ
điện tử

ra

khỏi

vật

liệu

photocatode.
Số

lượng

điện

tử

thoát

khỏi

catode

tỉ

lệ

với

quang

thông

chiếu

vào.
1.

Cơ

chế

hoạt

động
Cơ

chế

phát

xạ

xảy

ra

theo

ba

giai

đoạn:
- Hấp

thụ

photon

và

giải

phóng

điện

tử.
- Điện

tử

được

giải

phóng

di

chuyển

đến

bề

mặt.
- Điện

tử

thoát

ra

khỏi

bề

mặt

vật

liệu

catode.
Sau

khi

được

giải

phóng,

điện

tử

di

chuyển

ngẫu

nhiên

theo

mọi

hướng,

do

đó

chỉ
Trang IV-14

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
có một

số

ít

đến

được

bề

mặt.

Trong

quá

trình

di

chuyển

chúng

va

chạm

với

các

điện
tử

và photon

khác

làm

mất

đi

một

phần

năng

lượng.

Sự

phát

xạ

chỉ

có

thể

xảy

ra

nếu

điện
tử

thắng được

rào

thế

phân

cách

vật

liệu

với

môi

trường

bên

ngoài.

Do

đó,

hiệu

suất

phát
xạ

điện

tử thường

nhỏ

hơn

10%.
2.

Vật

liệu

chế

tạo
AgOCs

nhạy

trong

vùng

hồng

ngoại.
Cs
3
Sb,

(Cs)Na
2
KSb,

K

2
CsSb

nhạy

trong

vùng

ánh

sáng

nhìn

thấy

và

tử

ngoại.
Cs
2
Te,

Rb
2
Te

và

CsT

nhạy

trong

vùng

tử

ngoại.
Hiệu

suất

phát

xạ

điện

tử

các

vật

liệu

trên

từ

1

÷

20%.
Ngoài

ra,

các

hợp

chất

nhóm

III

–

V

như

GaAs
x
Sb
1-x
,

Ga
1-x
In
x
As,

InAs
x
P
1-x
nhạy trong

vùng

hồng

ngoại,

hiệu

suất

đạt

tới

30%.
3.

Tế

bào

quang

điện

chân

không
Là

một

ống

hình

trụ,

có

một

cửa

sổ,

được

hút

chân

không

tới

áp

suất

10
-
6
÷
10
-8
mmHg.

Trong

ống

đặt

một

catode

có

khả

năng

phát

xạ

và

một

anode.
Đặc

tuyến

của

tế

bào

quang

điện

chân

không

có

hai

vùng

rõ

rệt:
- Vùng

điện

tích

không

gian,

khi

điện

áp

tăng

dòng

điện

tăng

nhanh.

Một

phần
nhỏ điện

tích

phát

xạ

đẩy

điện

tử

mới

phát

xạ

bật

trở

lại

làm

hạn

chế

dòng

anode.
- Vùng

bão

hòa,

dòng

điện

ít

phụ

thuộc

vào

điện

áp

mà

chỉ

phụ

thuộc

vào

quang

thông.
Tế

bào

quang

điện

được

sử

dụng

trong

vùng

bão

hòa,

khi

đó

nó

giống

như
nguồn dòng,

chỉ

phụ

thuộc

vào

quang

thông.
Điện

trở

trong

tế

bào

quang

điện

chân

không

rất

lớn

cỡ

10
10
Ω
.

Độ

nhạy

nằm
Trang IV-15
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
trong khoảng

10
÷
100

mA/W.
4.

Tế

bào

quang

điện

chất

khí
Cấu

tạo

giống

tế

bào

quang

điện

chân

không,

chỉ

khác

là

bên

trong

có

khí

trơ,
thường
là

argon

có

áp

suất

10
-1
÷

10
-2
mmHg.
Khi

V
ak
<

20V,

đặc

tuyến

giống

như

trường

hợp

tế

bào

quang

điện

chân

không.
Khi

V
ak
cao,

điện

tử

chuyển

động

với

vận

tốc

cao

làm

ion

hóa

chất

khí.

Dòng
anode tăng

lên

từ

5
÷
10

lần.
5.

Thiết

bị

nhân

quang
Khi

bề

mặt

anode

bị

bắn

phá

bởi

các

điện

tử

có

năng

lượng

đủ

lớn

có

thể

phát

xạ
điện tử

(phát

xạ

thứ

cấp).

Nếu

số

điện

tử

phát

xạ

thứ

cấp

lớn

hơn

số

điện

tử

tới

thì

có

khả
năng khuếch

đại

tín

hiệu.
Các

điện

tử

tới

(điện

tử

sơ

cấp)

được

phát

xạ

từ

một

photocatode

bị

chiếu

sáng.
Sau đó

chúng

được

tiêu

tụ
(bằng phương pháp tĩnh điện)
trên

điện

cực

thứ

nhất

của

dãy
điện

cực.

Dãy

điện

cực

có

bề

mặt

được phủ

bằng

vật

liệu

có

khả

năng

bức

xạ

thứ

cấp.

Các
điện

cực

mắc

nối

tiếp

nhau

và

được

cung cấp

điện

thế

thông

qua

các

cầu

điện

trở

sao

cho
điện

tử

thứ

cấp

phát

ra

từ

điện

cực

thứ

k

sẽ bị

hút

về

điện

cực

thứ

k+1,

đồng

thời

số

điện
tử

thứ

cấp

phát

ra

ở

điện

cực

này

cũng

tăng lên.
V.

CÁP

QUANG
1.

Cấu

tạo

và

tính

chất
Gồm

một

lõi

chiết

suất

n
1
,

bán

kính

10
÷
100
µ
m

và

vỏ

chiết

suất

n
2
<

n

1
dày
50
µ
m. Vật

liệu

chế

tạo

cáp

quang:
- SiO
2
tinh

khiết

hoặc

pha

tạp

nhẹ.
- Thủy

tinh,

SiO
2
và

phụ

gia

N
2
O
3
,

B
2
O
3
,

PbO.
- Polyme.
Minh họa mặt cắt của cáp quang
Trang IV-16
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
a) Khúc xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường
b) Phản xạ toàn phần trong cáp quang
Định luật phản xạ: n

1
sinθ
1
= n
2
sinθ
2

Điều kiện xảy ra phản
xạ

toàn

phần:
2
1 0
1
n
arcsin
n
 
θ > = θ
 ÷
 

Với điều kiện như vậy, trong trường hợp cáp quang tia sáng sẽ bị giam giữ trong lõi và
được truyền đi bằng phản xạ liên tục nối nhau.
2.

Ứng

dụng
a.

Truyền

thông

tin
Tránh

được

tín

hiệu

điện

từ

ký

sinh,

đảm

bảo

cách

điện

giữa

mạch

phát

và

mạch

thu.
Thông

tin

được

truyền

chủ

yếu

bằng

cách

mã

hóa

xung

ánh

sáng,

đôi

khi

biến

điệu
biên

độ

hoặc

tần

số

ánh

sáng.

b.

Quan

sát

và

đo

lường
Cáp

quang

cho

phép

quan

sát

hoặc

đo

đạc

ở

những

nơi

khó

tiếp

cận

hoặc

các
môi trường

độc

hại,

có

thể

dẫn

ánh

sáng

đến

những

vị

trí

mà

điều

kiện

bình

thường

ánh
sáng không

tới

được.
Nguồn

sáng

phát

ra

bức

xạ

dưới

dạng

xung

để

phân

biệt

với

ánh

sáng

môi
trường. Bức

xạ

được

dẫn

đến

khu

vực

đo.

Tại

khu

vực

đo,

bức

xạ

thay

đổi

phụ

thuộc

vào
đại

lượng đo:
-

Thay

đổi

cường

độ

khi

đo

vị

trí
-

Thay

đổi

tần

số

tỉ

lệ

với

tốc

độ

quay.
-

Thay

đổi

bước

sóng

trong

trường

hợp

đo

nhiệt

độ,

phổ

phụ

thuộc

vào

nồng

độ các
tia

phản

xạ

được

truyền

trở

lại

và

được

đưa

đến

cảm

biến.
Một

số

trường

hợp,

tín

hiệu

quang

dưới

tác

động

của

đại

lượng

vật

lý

làm

thay
đổi tính

chất

của

cáp

quang,

làm

thay

đổi

điều

kiện

truyền

sóng.

Lúc

này

cáp

quang

đóng
vai

trò cảm

biến

chuyển

đổi

đại

lượng

vật

lý

thành

tín

hiệu

quang.
Trang IV-17
a)
b)
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
VI.

MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN QUANG THÔNG DỤNG
1. Cảm biến quang (photo sensor)
Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin ánh sáng nhìn thấy được hoặc tia
hồng ngoại IR (Infrared) và tia tử ngoại UV (Ultra Violet) thành tín hiệu điện.
Phổ của ánh sáng được biểu diễn như sau:
Color Violet Blue Green Yellow Orange Red
λ(nm)
400-450 450-500 500-550 550-600 600-650 650-700
Tín hiệu ngõ ra của cảm biến quang tỷ lệ với cường độ ánh sáng. Một vài cảm biến
quang tích hợp ngay cả phát và thu ánh sáng. Cảm biến quang có thể phân thành cảm biến
quang học, cảm biến hồng ngoại, cảm biến laser tùy thuộc vào chiều dài bước sóng của năng
lượng ánh sáng được tối ưu hoá. Trong phần này, chúng ta chỉ giới thiệu về quang trở và cảm

biến hồng ngoại.
1.a) Quang trở (photoresistor):
Quang trở
Giá trị điện trở của quang trở thay đổi khi có cường độ ánh sáng chiếu vào bề mặt
của nó thay đổi. Giá trị điện trở của quang trở càng giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào nó
càng mạnh và ngược lại.
Độ nhạy của quang trở được xác định:
R
I
K
photo
∆
∆
=
Trong đó: ∆I: sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
∆R: sự thay đổi điện trở.
Đặc tuyến của quang trở
Trang IV-18
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
1.b) Cảm biến hồng ngoại (infrared sensor):
Cảm biến hồng ngoại được chia ra làm ba loại: cảm biến hồng ngoại thường, cảm
biến hồng ngoại kiểu phản xạ (infrared reflective sensor) và cảm biến hồng ngoại kiểu thấu
xạ (infrared slotted sensor).
Cảm biến hồng ngoại thường: đây là loại cảm biến mà bộ phát và bộ thu không
được kết cấu trong một khối. Bộ phát và bộ thu là hai bộ phận riêng rẽ. Bộ phát hồng ngoại
(infrared emitter) có hình dạng như một diode phát quang (LED-light emitting diode). Tuy
nhiên ánh sáng phát ra là hồng ngoại. Bộ thu hồng ngoại (infrared detector) là một transistor
quang. Khi transistor nhận được ánh sáng hồng ngoại, nó sẽ dẫn bảo hòa. Ngược lại, nó sẽ
ngưng dẫn.
Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ: là một linh kiện hình thang được thiết kế

cho những ứng dụng đặc biệt. Trong linh kiện này có tích hợp một transistor quang (rất nhạy
đối với ánh sang hồng ngoại) và một bộ phát ánh sáng hồng ngoại. Khi có vật thể chắn sáng,
lượng ánh sáng này sẽ được phản hồi đến transistor quang nhờ vật chắn sáng -> transistor
quang bắt đầu dẫn và ngược lại
Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ
Cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ: nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống với
cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ. Tuy nhiên, lượng ánh sáng phát ra sẽ được đưa trực tiếp
đến transistor quang. Nếu không có vật thể chắn sáng giữa bộ phát và bộ thu (transistor
quang), transistor có thể nhận hoàn toàn lượng ánh sáng được phát ra. Lúc này, transistor sẽ
dẫn bảo hòa. Ngược lại, khi có vật thể chắn sáng giữa bộ phát và thu, lúc này transistor sẽ
không nhận được lượng ánh sáng phát ra.
Cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ
Trang IV-19
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
2. Thiết kế mạch cảm biến dò đường dùng quang trở hoặc IR
Một loại cảm biến thường được sử dụng trong thiết kế robot tự động dò đường đó là
cảm biến quang (có 2 loại: dùng quang trở hoặc hồng ngoại), nguyên tắc cơ bản là biến đổi
sự cảm nhận về ánh sáng thành tín hiệu điện.
Cụ thể dưới đây là cảm biến hồng ngoại: điện trở của sensor sẽ giảm xuống khi ánh
sáng hồng ngoại chiếu lên nó, một cảm biến tốt nếu có điện trở gần bằng 0 khi ánh sáng IR
chiếu vào.
Sơ đồ nguyên lý mạch sensor
Ta lợi dụng tính năng này của sensor để thiết kế một cầu chia thế như hình vẽ, khi đó
điện thế tạo chân “2” của bộ so sánh là
1
SENSOR
SENSOR CC
SENSOR
R
V V

R R
=
+
Một mạch sensor tốt là mạch có sự thay đổi điện thế lớn nhất tại chân “2” của bộ so
sánh khi có ánh sáng IR chiếu vào sensor và không chiếu vào sensor.
Để có được mức điện thế thay đổi này lớn nhất thì việc chọn lựa R
1
là hết sức quan
trọng. Gọi a là điện trở của sensor khi không có ánh sáng, b là điện trở của sensor khi có ánh
sáng chiếu vào và V
diff
là sự thay đổi điện thế, ta có:
1 1
( )
diff CC
a b
V V
a R b R
= −
+ +
Vậy để tìm được R
1
ta vẽ
diff
V
theo R
1
( a,b : ta tìm được từ phép đo) và sau đó chọn
giá trị R
1

tương ứng với giá trị lớn nhất của
diff
V
Ví dụ: Ta có a = 920K, b = 15K khi đó ta vẽ
diff
V
Trang IV-20
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Đặc tuyến của giá trị R
1
Vậy dựa vào đồ thị ta chọn R1 = 100K
Trong mạch cảm biến trên, ta thấy có một bộ so sánh. Chức năng chủ yếu của bộ so
sánh này là đảm bảo ngõ ra chỉ có 2 mức điện thế (0 hoặc 1) tương ứng với sự thay đổi
khoảng điện thế của cảm biến.
Bộ so sánh có 2 ngõ vào: một ngõ (-) nối với ngõ ra của cảm biến, ngõ còn lại (+)
được nối với một điện thế tham chiếu, điện thế này của chính bằng
2
diff
V
Trang IV-21
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Chương
3
:
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Trong các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại lượng được quan tâm
nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một
trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng
chịu sự ảnh hưởng của nó, thí dụ áp suất và thể tích của một chất khí, sự thay đổi pha hay
điểm Curi của các vật liệu từ tính. Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và

trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Có

nhiều

cách

đo

nhiệt

đo:
- Phương

pháp

quang

dựa

trên

sự

phân

bố

phổ

bức

xạ

nhiệt

do

dao

động

nhiệt (hiệu
ứng Doppler).
- Phương

pháp

cơ

dựa

trên

sự

giản

nở

của

vật

rắn,

lỏng hoặc

khí (với áp suất không
đổi), hoặc

dựa

trên

tốc
độ
âm.
- Phương

pháp

điện

dựa

trên

sự

phụ

thuộc

của

điện

trở

vào

nhiệt

độ

(hiệu
ứng Seebeck),

hoặc

dựa

trên

sự

thay

đổi

tần

số

dao

động

của

thạch

anh.
I.

THANG

NHIỆT

ĐỘ
Thang

nhiệt

độ

tuyệt

đối

được

xác

định

dựa

trên

tính

chất

của

khí

lý

tưởng.
1.

Thang

nhiệt

độ

nhiệt

động

học

tuyệt

đối
Thang

Kelvin:

đơn

vị

là

K.

Người

ta

gán

nhiệt

độ

của

điểm

cân

bằng

của

ba
trạng thái

nước

–

nước

đá

–

hơi

một

giá

trị

số

bằng

273,15K.
2.

Thang

Celsius
Đơn

vị

nhiệt

độ

là

(
0
C).

Quan

hệ

giữa

nhiệt

độ
Celsius

và

nhiệt

độ

Kelvin

cho
theo

biểu

thức:

T

(
0
C)

=

T

(K)

–

273,15
3.

Thang

Fahrenheit
Đơn

vị

nhiệt

độ

là

Fahrenheit

(
0
F).

Quan

hệ

giữa

nhiệt

độ

Celsius

và

Fahrenheit
được cho

bởi

biểu

thức:
0 0
0 0
5
T( C) T( F) 32
9
9
T( F) T( C) 32
5
 
= −

 
= +
Nhiệt

độ

đo
được (nhờ một điện trở hoặc một cặp nhiệt) chí
nh

là

nhiệt

độ

của

cảm
biến,

ký

hiệu

T
c
.

T

c
phụ

thuộc

vào

nhiệt độ

môi

trường

T
x
và

sự

trao

đổi

nhiệt.
Điều

cần

thiết

là

phải

giảm

hiệu

số

T
x
–

T
c
,

có

2

biện

pháp:
- Tăng

sự

trao

đổi

nhiệt

giữa

cảm

biến

và

môi

trường

đo.
- Giảm

sự

trao

đổi

nhiệt

giữa

cảm

biến

và

môi

trường

bên

ngoài.
Trang IV-22
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Để

đo

nhiệt

độ

của

một

vật

rắn,

từ

bề

mặt

vật

người

ta

khoan

một

lỗ

nhỏ

với

đường
kính r

và

độ

sâu

L

để

đưa

cảm

biến

vào

sâu

trong

vật

rắn.

Để

tăng

độ

chính

xác,

phải

đảm
bảo

2 điều

kiện:
- Chiều

sâu

lỗ

khoan

L

≥

10r.
- Giảm

trở

kháng

nhiệt

giữa

vật

rắn

và

cảm

biến

bằng

cách

giảm

khoảng

cách

giữa
vỏ cảm

biến

và

thành

lỗ

khoan,

hoặc

lấp

đầy

bằng

một

vật

liệu

dẫn

nhiệt

tốt.
II.

CẢM

BIẾN

NHIỆT

ĐIỆN

TRỞ
Ưu

điểm

của

nhiệt

điện

trở

là

đơn

giản,

độ

nhạy

cao,

ổn

định

dài

hạn.

Các

nhiệt
điện trở

có

thể

chia

thành

3

loại:

điện

trở

kim

loại,

điện

trở

bán

dẫn

và

nhiệt

điện

trở.
1.

Nhiệt

điện

trở

kim

loại
Thường

có

dạng

dây

hoặc

màng

mỏng

kim

loại

có

điện

trở

suất

thay

đổi

nhiều

theo nhiệt

độ.

Người

ta

thường

làm

điện

trở

bằng

platin,

niken,

đôi

khi

cũng

sử

dụng
đồng

và vonfram.
-

Platin

được

chế

tạo

với

độ

tinh

khiết

cao

nhằm

tăng

độ

chính

xác

của

đặc

tính
điện. Platin

trơ

về

hóa

học

và

ổn

định

về

tinh

thể

cho

phép

hoạt

động

tốt

trong

dải
nhiệt rộng

từ

-200°C

÷

1000°C.
- Niken

có

độ

nhạy

nhiệt

cao

hơn

nhiều

so

với

platin.

Điện

trở

niken

ở
100°C

gấp 1,617

lần

ở

0°C,

đối

với

platin

chỉ

bằng

1,385.

Tuy

nhiên,

niken

dễ

bị
oxy

hóa

khi nhiệt

độ

tăng

do

đó

dải

nhiệt

bị

giới

hạn

dưới

250°C.
- Đồng

được

dử

dụng

trong

một

số

trường

hợp

vì

sự

thay

đổi

điện

trở

theo

nhiệt

độ
có độ

tuyến

tính

cao.

Dải

làm

việc

bị

hạn

chế

dưới

180°C.
-
V
onfram

có

độ

nhạy

nhiệt

cao

hơn

platin

khi

ở

nhiệt

độ

dưới

100°C

và

có

độ
tuyến tính

cao

hơn,

có

thể

sử

dụng

ở

nhiệt

độ

cao

hơn.

Vonfram

có

thể

chế

tạo
thành

các sợi

mảnh.

Tuy

nhiên

ứng

suất

trong

vonfram

(tạo

ra

trong

quá

trình

kéo

sợi)
khó

triệt tiêu

nên

điện

trở

vonfram

có

độ

ổn

định

nhỏ

hơn

điện

trở

platin.
Để

có

độ

nhạy

cao,

điện

trở

phải

lớn.

Muốn

vậy

phải:
- Giảm

tiết

diện

dây, việc này bị

hạn

chế

vì

tiết

diện

càng

nhỏ

dây

càng

dễ

dứt.
- Tăng

chiều

dài

dây,
việc này cũng bị giới
hạn vì

tăng

chiều

dài

làm

tăng

kích

thước
của điện trở.
Do

đó

các

điện

trở

kim

loại

có

giá

trị

R

vào

khoảng
100Ω ở 0
o
C. Trên thực tế các
sản phẩm thương mại có điện trở ở 0
o
C là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở có
trị

số

lớn
thường

dùng

đo

ở dải

nhiệt

độ

thấp,

ở

đó

cho

phép

đo

với

độ

nhạy

tốt.
Để

sử

dụng

cho

mục

đích

công

nghiệp,

nhiệt

kế

phải

có

vỏ

bọc

tốt

chống

va
chạm

và rung

động.

Điện

trở

được

cuốn

và

bao

bọc

trong

thủy

tinh

hoặc

gốm

đặt

trong

vỏ
bọc

bằng thép.

Minh họa nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở Pt
Trang IV-23
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Để

đo

nhiệt

độ

bề

mặt

vật

rắn,

người

ta

sử

dụng

nhiệt

điện

trở

bề

mặt

được

chế
tạo bằng

phương

pháp

quang

khắc

bằng

các

vật

liệu

Ni,

Fe

–

Ni

hoặc

Pt (Pt được sử dụng
khi cần độ chính xác cao).

Chiều

dày

lớp

kim

loại
cở

vài

µ
m,

kích

thước

1cm
2
.

Khi

sử

dụng
nhiệt

điện

trở

được

dán

lên

bề

mặt

cần

đo.
Các

đặc

tính

chủ

yếu

của

nhiệt

điện

trở

bề

mặt:
Độ nhạy: 5.10
-3
/
o
C : Ni và Fe - Ni
4.10
-4
/
o
C : Pt

Dải nhiệt độ hoạt động: -195
o
C ÷ 260
o
C : Ni và Fe – Ni
-260
o
C ÷ 1400
o
C : Pt
Minh họa một nhiệt kế tiếp xúc bề mặt
2.

Nhiệt

điện

trở

silic
Silic

tinh

khiết

hoặc

đơn

tinh

thể

silic

có

hệ

số

điện

trở

âm,

tuy

nhiên

khi

được
kích tạp

loại

n

ở

nhiệt

độ

nào

đó

hệ

số

điện

trở

của

nó

trở

thành

dương.
Khoảng

nhiệt

độ

sử

dụng

từ

-50°C

đến

150°C.
Hệ

số

nhiệt

cảm

biến

silic

khoảng

0,7%/°C,

nghĩa

là

điện

trở

thay

đổi

0,7%

theo
từng độ

C.

Sự

thay

đổi

nhiệt

tương

đối

nhỏ

nên

có

thể

tuyến

tính

hóa

đặc

tuyến

trong

vùng
nhiệt độ

làm

việc

bằng

cách

mắc

thêm

một

điện

trở

phụ

(song

song

hay

nối

tiếp

tùy
thuộc

vào mạch

đo).
Sự

thay

đổi

nhiệt

của

điện

trở

suất

silic

phụ

thuộc

vào

nồng

độ

chất

pha

và

nhiệt

độ.
Nếu

nhiệt

độ

nhỏ

hơn

120°C

(dải

nhiệt

độ

làm

việc),

điện

trở

suất

tăng

khi

nhiệt
độ tăng.

Hệ

số

nhiệt

của

điện

trở

càng

nhỏ

khi

pha

tạp

càng

mạnh.
Trường

hợp

nhiệt

độ

lớn

hơn

120°C,

điện

trở

suất

giảm

khi

nhiệt

độ

tăng.

Hệ

số
nhiệt của

điện

trở

suất

không

phụ

thuộc

vào

pha

tạp.

3.

Nhiệt

điện

trở
Nhiệt

điện

trở

có

độ

nhạy

nhiệt

rất

cao,

gấp

hàng

chục

lần

độ

nhạy

nhiệt

điện

trở
kim loại.

Nhiệt

điện

trở

có

thể

chia

thành

2

loại:
- Nhiệt

điện

trở

có

hệ

số

nhiệt

điện

trở

dương.
- Nhiệt

điện

trở

có

hệ

số

nhiệt

điện

trở

âm.
Nhiệt

điện

trở

được

làm

từ

các

hỗn

hợp

oxit

bán

dẫn,

đa

tinh

thể

như
MgO, MgAl
2
O
4
,

Mn
2
O
3
,

Fe
3
O
4
,

Co
2

O
3
,

NiO,

ZnTiO
4
.

Bột

oxit

được

trộn

với

nhau

theo

tỉ
lệ

nhất định

sau

đó

được

nén

định

dạng

và

thiêu

kết

ở

nhiệt

độ

1000°C.

Các

dây

nối

được

hàn

tại hai

điểm

trên

bề

mặt.
Nhiệt

điện

trở

có

kích

thước

nhỏ

cho

phép

đo

nhiệt

độ

tại

từng

điểm,

đồng

thời
nhiệt dung

nhỏ

nên

thời

gian

đáp

ứng

ngắn.
Dải

nhiệt

độ

làm

việc

từ

vài

độ
K
đến

300°C.
Vì

độ

nhạy

cao,

nhiệt

điện

trở

được

ứng

dụng

để

phát

hiện

biến

thiên

nhiệt

độ

rất
nhỏ
(khoảng

10
-4

÷

10
-3
K).
Trang IV-24
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Để

đo

nhiệt

độ

thấp,

ta

sử

dụng

các

nhiệt

điện

trở

có

điện

trở

thấp

ở

25°C
(50

÷ 100
Ω
).

Để

đo

nhiệt

độ

cao,

cần

phải

sử

dụng

những

nhiệt

điện

trở

có

điện

trở

cao
ở

25°C (100

÷

500
Ω
).

III.

CẢM

BIẾN

CẶP

NHIỆT

NGẪU
1.

Đặc

điểm
Cặp

nhiệt

cấu

tạo

gồm

2

loại

dây

dẫn

A

và

B

được

nối

với

nhau

bởi

hai

mối

hàn
có nhiệt

độ

T

1
và

T
2
.

Suất

điện

động

E

phụ

thuộc

vào

bản

chất

vật

liệu

và

nhiệt

độ

T
1
,

T
2
.
Thông

thường

một

mối

hàn

được

giữ

ở

nhiệt

độ

có

giá

trị

không

đổi

và

biết

trước
gọi là

nhiệt

độ

chuẩn

T
ref
.

Khi

đặt

mối

hàn

thứ

hai

vào

môi

trường

đo

nhiệt

độ

sẽ

đạt

đến
giá

trị
T
c
chưa

biết.
Kích

thước

cặp

nhiệt

nhỏ

nên

có

thể

đo

nhiệt

độ

ở

từng

điểm

của

đối

tượng

đo
và tăng

tốc

độ

đáp

ứng.

Cặp

nhiệt

cung

cấp

suất

điện

động

nên

khi

đo

không

có

dòng

điện
chạy qua,

do

đó

không

có

hiệu

ứng

đốt

nóng.
Tuy

nhiên,

phải

biết

trước

nhiệt

độ

chuẩn

T
ref
,

sai

số

T

ref
chính

là

sai

số

của

T
c
.
Suất điện

động

là

hàm

không

tuyến

tính.

Mỗi

loại

cặp

nhiệt

có

suất

điện

động

phụ
thuộc

khác nhau

vào

nhiệt

độ.
Mỗi

loại

cặp

nhiệt

có

có

dải

nhiệt

độ

làm

việc

khác

nhau

từ

-270°C

đến

2700°C,
đây là

ưu

điểm

so

với

nhiệt

kế

điện

trở.
Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ:
o
A /B
c
c
dE
S(T ) ( V / C)
dT
= µ
Cặp

nhiệt

Fe/Constantan:
S(0°C)

=

52,9
µ
V/°C

;

S(700°C)

=

63,8

µ
V/°C
Cặp

nhiệt

Pt

–

Rh

(10%)/Pt:
S(0°C)

=

6,4

µ
V/°C ; S(1400°C)

=

11,93

µ
V/°C
2.

Các

hiệu

ứng

nhiệt

điện
- Hiệu

ứng

Peltier:
Ở

điểm

tiếp

xúc

giữa

hai

dây

dẫn

A

và

B
khác nhau

về

bản

chất

nhưng

ở

cùng

một

nhiệt

độ

tồn
tại

một hiệu

điện

thế

tiếp

xúc.

Hiệu

điện

thế

này
phụ

thuộc

vào bản

chất

của

vật

dẫn

và

nhiệt

độ,
gọi

là

suất

điện

động Peltier.
Định

luật

Volta

phát

biểu:
Trong

một

chuỗi

cách

nhiệt

được

tạo

thành

từ

các

vật

dẫn khác

nhau,

tổng

suất

điện

động

Peltier

bằng

0.
Trang IV-25