2 DE CUONG BAI GIANG KY THUAT CAM BIEN

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN

Tác giả

Phạm Thị Thùy Dung

Lớp

Cơ điện tử
Hà Nội, 1– 2019

1


BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN

2


1 Những nguyên lý cơ bản và đặc trưng đo
1.1.Định nghĩa và đặc trưng đo.
1.1.1 Định nghĩa
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóa
học ở mơi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thơng tin về
trạng thái hay q trình đó.
Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ...) tác
động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp,
dịng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo.
Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m)
Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng
đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép

nhận biết giá trị của (m).
Nguyên lý: Phần lớn các cảm biến làm việc theo nguyên lý biến đổi tham số vật lý nào
đó (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) thành tín hiệu điện.

Hình 1.1: Mơ hình mạch của cảm biến

Phương trình mơ tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có dạng như
sau:
y = f(x)

(1)

mối quan hệ của công thức (1) thường rất phức tạp vì có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mối
quan hệ đáp ứng – kích thích.
Ngày nay, quá trình điều khiển được đặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ
vi xử lý thu thập tín hiệu. Đầu ra của bộ cảm biến được đưa ghép nối với cơ cấu chấp hành
nhằm tác động lên quá trình (đối tượng) điều khiển.

Hình 1.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình

3


Trên sơ đồ hình 2, bộ cảm biến đóng vai trị cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thơng số
của hệ thống, bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thơng tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá
trình.
Cấu trúc mạch điện của cảm biến bao gồm:
Mạch cảm biến: cảm nhận tín hiệu cảm biến và chuyển đổi thành tín hiệu điện.
Bộ khuếch đại thuật tốn: là bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại lớn và tổng trở
vào rất nhỏ.

Hình 1.3: Sơ đồ mạch điện vào/ ra

1.1.2 Các hiệu ứng vật lý
1.2 Phân loại các bộ cảm biến
1.2.1 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tượng vật lý:
- Nhiệt điện
- Quang điện
- Quang từ
- Điện từ
- Quang đàn hồi
- Từ điện
- Nhiệt từ...
Hiện tượng hoá học:
- Biến đổi hố học
- Biến đổi điện hố
- Phân tích phổ ...
- Biến đổi sinh hoá
Hiện tượng sinh học :
- Biến đổi vật lý
4


- Hiệu ứng trên cơ thể sống ...
Phát hiện độ trong suốt của khay

Kiểm tra mức dung dịch trong bể chứa

Phát hiện độ trùng của tấm

Phát hiện lốp xe

Kiểm soát độ căng của băng tải cao su

Phát hiện vị trí của các chất nến thủy
tinh cịn lại trong băng cassette

Hình 1.4: Một số ứn dụng của cảm biến

1.2.2 Phân loại theo dạng kích thích
Âm thanh:
- Biên pha, phân cực
- Phổ
- Tốc độ truyền sóng ...
Điện:
- Điện tích, dịng điện
- Điện thế, điện áp
- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)
5


- Điện dẫn, hằng số điện môi ...
Từ:
- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Từ thông, cường độ từ trường
- Độ từ thẩm ...
Quang:
- Biên, pha, phân cực, phổ
- Tốc độ truyền

- Hệ số phát xạ, khúc xạ
- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ ...
Cơ:
- Vị trí
- Lực, áp suất
- Gia tốc, vận tốc
- Ứng suất, độ cứng
- Mô men:
- Khối lượng, tỉ trọng
- Vận tốc chất lưu, độ nhớt ...
Nhiệt:
- Nhiệt độ
- Thông lượng
- Nhiệt dung, tỉ nhiệt ...
Bức xạ:
- Kiểu
- Năng lượng
- Cường độ ...
1.2.3 Phân loại theo tính năng.
- Độ nhạy
- Độ chính xác
- Độ phân giải
- Độ chọn lọc
- Độ tuyến tính
- Cơng suất tiêu thụ
- Dải tần
6


- Độ trễ

- Khả năng quá tải
- Tốc độ đáp ứng
- Độ ổn định
- Tuổi thọ
- Điều kiện môi trường
- Kích thước, trọng lượng
1.2.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng.
- Cơng nghiệp
- Nghiên cứu khoa học
- Mơi trường, khí tượng
- Thông tin, viễn thông
- Nông nghiệp
- Dân dụng
- Giao thơng
- Vũ trụ
- Qn sự
1.2.5 Phân loại theo đặc tính và nguyên lý làm việc
- Cảm biến vị trí bao gồm: chiết áp, encoder quay quang, biến áp vi sai biến đổi tuyến
tính.

Cảm biến đo tốc độ

Chiết áp kiểu dây quấn
Hình 1.5: Cảm biến vị trí

Cảm biến tốc độ: tốc kế một chiều và tốc kế quang.
- Cảm biến lân cận: gồm các chuyển mạch giới hạn, các chuyển mạch lân cận quang và
chuyển mạch tín hiệu Hall.

7

Cảm biến thu phát chung
không cần gương phản xạ

Cảm biến cáp quang

Hình 1.6: Cảm biến quang

Cảm biến tiệm cận điện cảm đo khoảng cách dài có điều chỉnh độ nhạy
- Cảm biến trọng lượng: cảm biến dạng dây quấn, cảm biến biến dạng lực bán dẫn, cảm
biến biến dạng lực nhỏ.

Cảm biến dạng dây dán

Cảm biến lực

Hình 1.7: Cảm biến trọng lượng:

- Cảm biến áp suất bao gồm: các ống Buốc đông, ống xếp, cảm biến áp suất bán dẫn.

8


Cảm biến áp suất dạng ống xếp

Cảm biến áp suất bán dẫn
ST2000 (Courtesy of SenSym
Inc.)

Hình 1.8: Cảm biến áp suất

- Cảm biến nhiệt độ bao gồm: cảm biến nhiệt độ lưỡng kim, cặp nhiệt, cảm biến nhiệt
điện trở dây quấn, nhiệt điện trở, cảm biến nhiệt bán dẫn.

Cảm biến nhiệt độ RTD

IC cảm biến nhiệt độ
Hình 1.9: Cảm biến nhiệt độ

- Cảm biến lưu lượng bao gồm: cảm biến lưu lượng kiểu tấm đục lỗ, kiểu ống Pilot,
kiểu ống Venturi, cảm biến lưu lượng kiểu tua bin và cảm biến lưu lượng kiểu từ.
- Cảm biến đo mức bao gồm: cảm biến tương tự và cảm biến rời rạc.
1.2.6 Phân loại theo thông số của bộ cảm biến
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thơng số R, L, C, M .... tuyến tính hoặc
phi tuyến.
1.2.7 Phân loại theo nguyên lý hoạt động
•
•

Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến
trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.
Cảm biến cảm ứng:
9


•

Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differential transformer,

LVDT)

•

Cảm biến cảm ứng điện từ: các antenna

•

Cảm biến dịng xốy: Các đầu dị của máy dị khuyết tật trong kim loại, của máy dị
mìn.

•

Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điện như
microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn trên bộ (Geophone).

•

Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc
đến vật thể kim loại thay đổi.

•

Cảm biến điện trường:

•

Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): ít dùng.

•

Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt
từ,... dùng trong từ kế.

•

Cảm biến áp điện: Chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện như titanat bari,
trong các microphone thu âm, hay ở đầu thu sóng địa chấn trong nước (Hydrophone) như
trong các máy Sonar.

•

Cảm biến quang: Các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến CCD trong camera,
các photodiode ở các vùng phổ khác nhau dùng trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ đơn giản nhất
là đầu dị giấy trong khay của máy in làm bằng photodiode. Chúng đang là nhóm đầu
bảng được dùng phổ biến, nhỏ gọn và tin cậy cao.

•

Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát
hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfua.

•
•

Cảm biến điện hóa: Các đầu dị ion, độ pH,...
Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn như Precision
Temperatur Sensor LM335 có hệ số 10 mV/°K.
1.2.8 Cảm biến chủ động và bị động
Cảm biến chủ động và cảm biến bị động phân biệt ở nguồn năng lượng dùng cho phép

biến đổi lấy từ đâu.

•

Cảm biến chủ động không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện.
Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên
bề mặt. Các an-ten cũng thuộc kiểu cảm biến chủ động.

•

Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển
hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán
dẫn p-n được phân cực ngược. Câc cảm biến bằng biến trở cũng thuộc kiểu cảm biến bị
động.
10


Phân loại thì như vậy nhưng một số cảm biến nhiệt độ kiểu lưỡng kim dường như
không thể xếp hẳn vào nhóm nào, nó nằm vào giữa.
1.3 Các đại lượng ảnh hưởng tới cảm biến
1.3.1 Độ nhạy: được xác định bởi hệ số S của cảm biến.
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có sự liên
hệ tuyến tính: ∆s = S .∆m
Đại lượng s được xác định: S =
S – được gọi là độ nhạy của cảm biến.
Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị
mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lượng đầu ra và biến thiên
m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ
nhạy S của nó khơng đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.
- Thời gian sử dụng.
- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường
xung quanh.
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.
Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh: Đường chuẩn cảm biến, xây dựng
trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo
khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm
biến. Một điểm Qi (mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở
chế độ tĩnh.
Độ nhạy trong chế độ động: Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng
đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian.
- s0 là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 trên đường cong
chuẩn ở chế độ tĩnh.
- s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây nên.
- là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra.
Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỉ số giữa biên độ của
biến thiên đầu ra s1 và biên độ của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc được xét
Q0, theo công thức:
11


Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, . Sự biến thiên của độ
nhạy theo tần số có nguồn gốc là do qn tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của
cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp
biến thiên của đại lượng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải
xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể.
1.3.2 Độ tuyến tính
Khái niệm: Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải

chế độ đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến
vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến
và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự khơng phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ
tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần số riêng
f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho
tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu
chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hố.
Đường cong chuẩn: là đường thẳng biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu
ra của cảm biến vào giá trị đại lượng đo (m) ở đầu vào.
Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m) hoặc đồ
thị hình dưới đây.

Hình 1.10: Đường cong chuẩn cảm biến

a. Đường cong chuẩn
b. Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính.
Dựa vào đường cong chuẩn, ta có thể xác định giá trị m i chưa biết của m thông qua giá
trị đo được si của s
Đường thẳng tốt nhất: Là đường thẳng được 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 được gọi là đường
thẳng tốt nhất
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng
(si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến
12


tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm

chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng.
Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương
bé nhất.
Đối với các cảm biến khơng hồn tồn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch
tuyến tính.
Độ lệch tuyến tính: xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng
tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.
1.4 Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm
nhận) 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 độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực
x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:
[%]
Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì khơng thể biết chính xác giá trị
thực của đại lượng cần đo. Khi đánh 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 đo, có giá trị khơng đổi hoặc
thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá
trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng
không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:
Do nguyên lý của cảm biến.
+ Do giá trị của 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: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều khơng xác định. Ta có thể dự
đốn được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng khơng thể dự đốn được độ
lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.

+ Do các đại lượng ảnh hưởng khơng được tính đến khi chuẩn cảm biến.
Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích
hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn
nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo
lường thống kê.
13


1.5 Độ nhanh và thời gian đáp ứng
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian
của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được
sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.
Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến
thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn tính bằng %.
Thời gian hồi đáp tương ứng với % xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau
khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước.
Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số
thời gian xác định chế độ này.

Hình 1.11: Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ

Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời
gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của
đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột
ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng
đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này
và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90%
biến thiên biến thiên tổng cộng của nó.ơng tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm
tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến
thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại

lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó.
Các thơng số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian
hồi đáp của nó.
1.6 Giới hạn sử dụng cảm biến
Các bộ cảm biến đóng vai trị cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều
khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng khơng điện,
chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về hệ thống
đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái
14


của đối tượng.

Hình 1.12: Phát hiện và đếm chai

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến ln chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động
nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng
làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các
giới hạn này.
Vùng làm việc danh định: Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử
dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng
đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể
thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm
biến.
Vùng không gây nên hư hỏng: Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại
lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua
ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn cịn nằm trong phạm vi khơng gây nên hư
hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính
thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại
giá trị ban đầu của chúng.

Vùng không phá huỷ: Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc
các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng
không gây nên hư hỏng nhưng vẫn cịn nằm trong phạm vi khơng bị phá hủy, các đặc trưng
của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính khơng thuận nghịch, tức là khi
trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu
của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành
chuẩn lại cảm biến.

15


Hình 1.13: Phát hiện thực phẩm

Hình 1.14: Một số ứng dụng của cảm biến trong công nghiệp

16


2 Cảm biến quang
2.1 Ánh sáng và phép đo
2.1.1 Ánh s áng
Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 –
0,75µm.

Hình 2.1. Phổ của ánh sáng trong vùng nhìn thấy

Vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.106 m/s
2.1.2 Phép đo ánh sáng
Cường độ sáng (Luminous Intensity): Cường độ sáng là đại lượng quang học cơ bản
dùng trong việc đo thông số nguồn sáng, là một trong 7 đơn vị cơ bản của hệ thống đo

lường quốc tế (m: mét, kg: kilogam, s: giây, A: Ampe, K: kelvin, mol, cd: candela). Khái
niệm cường độ sáng thể hiện mật độ năng lượng phát ra từ một nguồn sáng trong một
hướng cụ thể, hay có thể được định nghĩa là quang thông theo một hướng nhất định phát ra
trên một đơn vị góc khối (1cd = 1 lumen/steradian).
Đơn vị đo cường độ sáng là candela (cd), chữ candela trong tiếng Latinh có nghĩa là
"ngọn nến". Một ngọn nến thơng thường phát ra ánh sáng với cường độ ánh sáng khoảng
một candela, nếu một số hướng bị che khuất thì nguồn sáng này vẫn có cường độ khoảng
một candela trong các hướng mà không bị che khuất.
Để biểu diễn sự phân bố cường độ sáng trong không gian người ta thường sử dụng hệ
toạ độ cực mà gốc là nguồn sáng và đầu mút là các vectơ cường độ sáng. Trong thực tế,
biểu đồ này được biểu diễn trong mặt phẳng hoặc nửa mặt phẳng bằng cách vẽ đường cong
cắt bề mặt này bởi một số mặt phẳng kinh tuyến xác định. Với các nguồn đối xứng trịn
xoay thì chỉ cần cắt bởi một mặt phẳng kinh tuyến. Các phép đo cường độ sáng phải thực
hiện trong phòng đo được thiết kế chuyên biệt và sử dụng thiết bị đo gọi là
goniophotometers.
Quang thông (Luminous Flux): Quang thông là đại lượng trắc quang cho biết công
suất bức xạ của chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, hoặc định nghĩa khác quang
thông là thông lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng theo mọi hướng trong một giây.
Đơn vị đo quang thông là lumen (lm). Để đo quang thông của một nguồn sáng nhân tạo
thông thường người ta sử dụng một thiết bị đo chuyên dụng gọi là Photometric hay còn gọi
là Integrating sphere
17


Độ chói – Luminance: Để đặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề
mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt, người ta đưa ra định nghĩa độ chói là
đại lượng xác định cường độ ánh sáng phát ra trên một đơn vị diện tích của một bề mặt theo
một hướng cụ thể nó ước lượng ánh sáng mà mắt người có thể cảm nhận và phụ thuộc vào
hướng quan sát. Độ chói đóng vai trị cơ bản trong kỹ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở của các
khái niệm về tri giác và tiện nghi thị giác. Đơn vị đo độ chói là candela/m2 (cd/m2).

Độ rọi – Illuminance :Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho bề mặt được chiếu sáng, biểu
thị mật độ quang thơng trên bề mặt có diện tích S. Đơn vị đo độ rọi là Lux, một lux là mật
độ quang thông của một nguồn sáng 1 lummen trên diện tích 1 m2 (1 lux = 1 lm/m2). Khi
mặt được chiếu sáng không đều độ rọi được tính bằng trung bình đại số của độ rọi các
điểm.
Khái niệm của độ rọi, ngồi nguồn sáng ra cịn liên quan đến vị trí của mặt được chiếu sáng
sáng. Khi xét nguồn sáng là một điểm O cường độ sáng I bức xạ tới một mặt nguyên tố dS
ở cách O một khoảng R thì độ rọi trên bề mặt nguyên tố dS sẽ thay đổi với độ nghiêng
tương đối của bề mặt (góc giữa pháp tuyến dS và phương R) và tỷ lệ nghịch với bình
phương khoảng cách R.
Nhiệt độ màu - Correlated Color Temperature(CCT): Nhiệt độ màu của một nguồn
sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu hiện màu sắc của ánh sáng do nó phát ra.
Ví dụ: Thanh sắt khi nguội có màu đen, khi nung đều đến khi nó rực lên ánh sáng da
cam, tiếp tục nung nó sẽ có màu vàng, và tiếp tục nung cho đến khi nó trở nên “nóng
trắng”. Tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của
thanh thép theo độ Kelvin (00C ứng với 273,15K) và gán giá trị đó với màu được tạo ra.
Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu chính là nhiệt độ bản thân nó. Đối với đèn huỳnh
quang, đèn phóng điện (nói chung là các loại đèn khơng dùng sợi đốt) thì nhiệt độ màu chỉ
là tượng trưng bằng cách so sánh với nhiệt độ tương ứng của vật đen tuyệt đối bị nung
nóng. Khi nói đến nhiệt độ màu của đèn là người ta có ngay cảm giác đó là nguồn sáng
“ấm”, “trung tính” hay là “mát”. Nói chung, nhiệt độ càng thấp thì nguồn càng ấm, và
ngược
lại.
Chỉ số hồn màu - Color Render Index CRI (Ra): Chỉ số hồn màu (hay cịn được gọi là:
Độ hoàn màu; Độ trả màu hoặc Chỉ số kết xuất màu) là một đại lượng biểu thị về khả năng
của một nguồn sáng nhân tạo so với nguồn sáng lý tưởng hoặc tự nhiên khi so sánh độ
trung thực màu sắc của vật được nguồn sáng chiếu tới. Các nguồn ánh sáng với CRI cao là
mong muốn trong các ứng dụng quan trọng đến màu sắc, ví dụ như bàn trang điểm, shop
thời trang, chăm sóc trẻ sơ sinh, phục hồi nghệ thuật... nên sử dụng nguồn sáng có CRI
càng cao càng tốt.

Chỉ số hồn màu được ký hiệu là CRI (hoặc Ra), giá trị CRI cao nhất bằng 100,
CRI=100 là chỉ số hoàn màu của một nguồn sáng đã được chuẩn hóa có ánh sáng giống hệt
như ban ngày. CRI của các nguồn sáng khác sẽ thấp hơn 100, ví dụ bóng đèn sợi đốt
Halogen có CRI~100, bóng đèn huỳnh quang CRI~50, bóng đèn LED CRI>70 hoặc như
CRI của bóng đèn natri áp thấp là có giá trị âm.
18


Khái niệm chỉ số hoàn màu CRI được bắt đầu đề cập từ năm 1964, về cơ bản chỉ số đo
là kết quả tham chiếu dựa trên sự xuất hiện của tám mảng màu sắc được hiển thị khi chiếu
sáng bởi một nguồn sáng so với những mảng màu sắc tương tự được hiển thị dưới nguồn
ánh sáng tiêu chuẩn (CRI=100). Tuy nhiên, cách đánh giá này chưa quan tâm đầy đủ đến độ
bão hòa màu của nguồn sáng, nghĩa là nếu một hoặc hai màu hiển thị kém trong khi tất cả
các màu khác hiển thị rất tốt thì chỉ số CRI không bị trừ nhiều và vẫn đạt được giá trị cao.
CQS (Color Quality Scale) là một thước đo định lượng về khả năng của một nguồn
sáng để tái tạo màu sắc của các vật thể được chiếu sáng bởi nguồn sáng đó. Tương tự như
CRI, giá trị cao nhất của CQS vẫn là 100, tuy nhiên CQS khơng có giá trị âm, do vậy thang
đo của CQS là từ 0 đến 100. CQS được thiết kế sao cho điểm số của nó được giảm đi nếu
một trong hai màu xuất hiện kém ngay cả khi tất cả các màu khác đều được hiển thị tốt, và
như vậy cho điểm 0 cho các nguồn sáng khơng có màu (ví dụ như đèn sodium áp suất
thấp).
Quang hiệu - Luminous Efficacy: Quang hiệu (hoặc thường gọi là hiệu suất phát
quang) thể hiện đầy đủ khả năng biến đổi năng lượng mà nguồn sáng tiêu thụ thành quang
năng. Quang hiệu là tỷ số giữa quang thông do nguồn sáng phát ra và công suất điện mà
nguồn sáng tiêu thụ, nghĩa là 1W điện tạo ra được bao nhiêu lumen, đơn vị đo lường quang
hiệu là lm/w.
Thực tế ứng dụng thì nguồn sáng (bóng đèn) ít khi hoạt động được độc lập mà bắt buộc
phải đi kèm cả bộ đèn. Hầu hết các loại nguồn sáng đều cần phải lắp thêm các thiết bị điện
khác mới có thể hoạt động được. Đối với một bộ đèn được thiết kế để cho phù hợp với u
cầu chiếu sáng cụ thể thì ngồi tổn hao của các thiết bị điện đi kèm này còn có thêm tổn

hao quang thơng của nguồn sáng do cấu trúc buồng quang học, do vấn đề tản nhiệt... của
chính bộ đèn đó. Vì vậy ở đây cần phân biệt rõ quang hiệu của nguồn sáng và quang hiệu
của cả bộ đèn.
2.2 Nguồn sáng
Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ, việc sử dụng các cảm biến
quang có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phoor, quang thông, tần số…)
Nguồn sáng tự nhiên: được phát ra từ những thực thể phát sáng trong tự nhiên như mặt
trời, trăng, sao... mà chủ yếu là nguồn sáng từ mặt trời. Chúng ta không điều khiển được
nguồn sáng tự nhiên nhưng có thể thay đổi, điều tiết ánh sáng từ thiên nhiên bằng cách
chọn thời điểm, chọn không gian hay những dụng cụ hỗ trợ để điều chỉnh tính chất và
cường độ ánh sáng chiếu tới nơi cần chiếu sáng.
- Nguồn sáng nhân tạo: là các loại đèn do con người tạo ra, từ các loại thô sơ nhất là
nguồn sáng của lửa đốt như đuốc, nến, đèn dầu... cho tới các loại đèn hiện đại. Với nguồn
sáng nhân tạo, ta có thể chủ động bố trí, điều chỉnh được. Ở bài viết này, chúng tôi chỉ đề
cập tới nguồn sáng nhân tạo và chiếu sáng nhân tạo

19


2.2.1 Đèn sợi đốt
Đèn sợi đốt, còn gọi là đèn dây tóc là một loại bóng đèn dùng để chiếu sáng khi bị đốt
nóng, dây tóc là bộ phận chính để phát ra ánh sáng, thông qua vỏ thủy tinh trong suốt. Các
dây tóc - bộ phận phát sáng chính của đèn được bảo vệ bên ngoài bằng một lớp thủy tinh
trong suốt hoặc mờ đã được rút hết không khí và bơm vào các khí trơ. Kích cỡ bóng phải
đủ lớn để khơng bị hơi nóng của nhiệt tỏa ra làm nổ. Hầu hết bóng đèn đều được lắp vào
trong đui đèn, dòng điện sẽ đi qua đui đèn, qua đi đèn kim loại, vào đến dây tóc làm nó
nóng lên và đến mức phát ra ánh sáng. Đèn sợi đốt thường ít được dùng hơn vì cơng suất
q lớn (thường là 60W), hiệu suất phát quang rất thấp (chỉ khoảng 5% điện năng được
biến thành quang năng, phần cịn lại tỏa nhiệt nên bóng đèn khi sờ vào có cảm giác nóng và
có thể bị bỏng). Đèn dây tóc dùng điện áp từ 1,5 vơn đến 300 vơn.

Ưu điểm: Dải phổ rộng
Nhược điểm:
− Hiệu suất phát quang thấp (là tỷ số quang thông trên công suất tiêu thuj0.
− Qn tính nhiệt lớn nên khơng thể thay đổi một cách nhanh chóng.
− Tuổi thọ thấp, độ bền cơ học thấp.
2.2.2 Diode phát quang

−
−
−
−
−
−
−

Điốt phát ra ánh sáng, thường được gọi là đèn LED là nguồn sáng bán dẫn trong đó
năng lượng được giải phóng do tái hợp điện tử - lỗ trống gần bằng với chuyển tiếp P – N
của diot làm phát sinh các phôton
Thời gian hồi đáp nhỏ (ns), có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn ni.
Phổ ánh sáng hồn tồn xác định.
Tuổi thọ cao, có thể đạt tới 100.000 giờ.
Kích thước nhỏ.
Tiêu thụ công suất thấp.
Độ bền cơ học cao.
Quang thông tương đối nhỏ (mW) và nhạy với nhiệt độ.
2.2.3 Tia lazer
Laser phát ra ánh sáng đơn sắc dựa trên hiện tượng khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ
kính thích.
Cấu tạo của laser gồm 4 bộ phận chính:

−
−
−
−

Mơi tường tác dụng
Cơ cấu kích thích
Cơ cấu phản xạ
Bộ phối ghép đầu ra.

20


Hình 2.2. Nguồn sáng laser

2.3 Tế bào quang dẫn
2.3.1 Khái niệm
Hiệu ứng quang dẫn là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu
dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.
Trong chất bán dẫn, các điện tử liên kết với hạt nhân, để giải phóng điện tử khỏi nguyên
tử cần cung cấp cho nó một năng lượng tối thiểu bằng với năng lượng liên kết WLK. Khi
điện tử được giải phóng ra khỏi nguyên tử sẽ tạo thành các hạt dẫn mới trong vật liệu.
Một quang điện trở là một tế bào quang điện được tạo nên từ vật liệu bán dẫn cảm
quang.
Điện trở của tế bào quang điện giảm khi cường độ ánh sáng tăng lên. Như một phần của
bộ chia điện áp, các tế bào quang điện có thể cung cấp sự thay đổi điện áp có tỷ lệ nghịch
với cường độ ánh sáng.
Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao.
Các tế bào quang dẫn có thể được sử dụng trong các mạch điều khiển ánh sáng.
Cảm biến quang điện thực chất là một linh kiện quang điện thay đổi trạng thái điện khi

có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó.
Hình 2.3 cho thấy sơ đồ ký hiệu của điện trở quang điện.

Hình 2.3. Ký hiệu điện trở quang điện trong sơ đồ mạch

Nguyên lý: Các tế bào quang dẫn, mặc dù các chất bán dẫn, nhưng khơng có lớp tiếp
giáp PN. Tồn bộ vật liệu (khơng phải là lớp đế) thay đổi điện trở (độ dẫn điện) khi nó được
chiếu sáng. Trong trường hợp khơng có nhiều ánh sáng, độ dẫn điện của tế bào rất thấp (thể
hiện điện trở lớn). Khi tế bào tiếp xúc với ánh sáng, độ dẫn điện của nó tăng lên (điện trở
giảm).
Điện trở của một tế bào đã cho ở cường độ ánh sáng cụ thể phụ thuộc vào loại vật liệu,
kích thước của tế bào và bước sóng của ánh sáng tới.
21


Độ nhạy của một tế bào quang dẫn là sự thay đổi độ dẫn điện được đo của tế bào với
một sự chiếu sáng của tế bào cho trước.
Đặc trưng:
Điện trở của nó phụ thuộc vào thơng lượng bức xạ và phổ của bức xạ đó.
Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến có độ nhạy cao.
Cơ sở vật lý: Là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong,
đó là hiện tượng phóng hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng.
2.3.2 Các vật liệu dùng để chế tạo tế bào quang dẫn
Một tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc
đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn phức tạp.
Vật liệu bán dẫn đa tinh thể: cadmium sulfide (CdS) hoặc cadmium selenide (CdSe),
CdTe, PbS, PbSe, PbTe.
Vật liệu đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, Sln, AsIn, Pin,
CdHgTe.
Vật liệu được kết tủa trên nền gốm.

Hình 2.4. Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn

Các đặc trưng
Điện trở tối RCO phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất hóa lý của
vật liệu.
Ví dụ: PbS, CdS, CdSe có RCO từ 104 – 105 trong đó SbIn, AbSs, CdHgTe có R CO nhỏ
từ 10 – 103 ở 250C.
Khi ánh sáng chiếu vào giảm rất nhanh.

22


Hình 2.5. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi của ánh sáng

Tế bào quang dẫn có thể được coi như một mạch tương đương gồm 2 điện trở RCO và
Rcp mắc song song
Trong đó
RCO – điện trở trong tối
RCP – điện trở khi chiếu sáng
2.3.3 Ứng dụng của tế bào quang dẫn
Đặc điểm
Đặc điểm chung của tế bào quang dẫn là tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao.
Độ nhạy cao
Hồi dáp phụ thuộc tuyến tính vào thơng tượng.
Thời gian đáp ứng lớn
Các đặc trưng không ổn định do già hóa.
Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ
Một số loại địi hỏi phải làm nguội.
Phạm vi ứng dụng:

Điều khiển rơle: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở giảm
đáng kể cho dòng điện chạy qua đủ lớn, được sử dụng trưc tiếp hoặc qua khuếch đại
để đóng mở rơ le.
Thu tín hiệu quang: Dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu xung quanh
thành xung điện. Các xung ánh sáng ngắt quãng được thể hiện qua xung điện, trê cơ
sở đó có thể lập thành các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa.

23


Điều khiển trực tiếp

Điều khiển gián tiếp

Hình 2.6. Dùng tế bào quang điện để điều khiển rơ le

2.4 Photo Diode
Điốt quang hay Photodiode là một loại Điốt
đổi photon thành điện tícht heo hiệu ứng quang điện.

bán

dẫn thực

hiện

chuyển

Các photon có thể là ở vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại, tia X, tia
gamma. Khi photon xâm nhập lớp hoạt động của photodiode là tiếp giáp p-n hoặc cấu trúc

PIN, sẽ tạo ra điện tích làm phát sinh dịng điện. Tùy theo cách thức chế tạo, mà dòng điện
này nhỏ và photodiode dùng làm cảm biến photon, hay dòng điện đủ lớn để làm nguồn điện
như trong pin mặt trời.
Để làm việc với vùng phổ ánh sáng chọn lọc thì các màng lọc phù hợp được phủ lên bề
mặt photodiode.

Hình 2.7. Hình dáng và ký hiệu

2.4.1 Cấu tạo
Photodiode quang được làm bằng một số chất bán dẫn và vùng phổ ánh sáng làm việc.
Phạm vi ánh sáng nhìn thấy đươc từ 380nm đến 780nm.
Photodiode quang có cấu trúc lớp p – n, loại mới hơn thì có cấu trúc PIN. Khi photon
có năng lượng đủ lớn xâm nhập lớp hoạt động này sẽ hấp thụ và theo hiệu ứng quang điện
tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống.
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng gắn liền với các chất bán dẫn nên khi chế các linh
kiện không hoạt động với photon thì phải che ánh sáng đi.
24


Hình 2.8. Diot quang ứng dụng trong sản xuất đèn chiếu sáng
•

Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P+ và N+ làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán
dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic).

•

Trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng thâm
nhập vào miền I).

•

Đồng thời trên lớp bán dẫn P+ có phủ một lớp mỏng chất chống phản xạ để tránh
tổn hao ánh sáng vào.

•

Điện áp phân cực ngược để cho dio de khơng có dịng điện (chỉ có thể có một dịng
ngược rất nhỏ, gọi là dịng điện tối).

Sơ đồ PIN photodiode

Cấu trúc PIN photodiode

Hình 2.9. Câu trúc của PIN photodiode

Khi các photon đi vào lớp P+ có mức năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm, sẽ sinh
ra trong miền P+, I, N+ của PIN-Photodiode các cặp điện tử và lỗ trống (chủ yếu ở lớp I).
Các điện tử và lỗ trống trong miền I vừa được sinh ra bị điện trường mạnh hút về hai
phía (điện tử về phía N+ vì có điện áp dương, lỗ trống về miền P+ vì có điện áp âm).
Mặt khác, các điện tử mới sinh ra trong miền P+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien
mật độ tại tiếp giáp P+I, rồi chạy về phía N+ vì có điện áp dương và lỗ trống mới sinh ra
trong miền N+ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp N+I, rồi chạy về
phía về miền P+ vì có điện áp âm.

25