Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề Điện công nghiệp Trung cấp)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TRƯỜNG 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 TRUNG CẤP

(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 được
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 trường hợp thực tế cũng chính là nguyên lý của
phép đo hay của phương 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, người máy, kiểm tra sản
phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường. Cảm biến cũng được
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 sư của
ngành điện cũng như 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 trường 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 được trang bị học viên có thể áp dụng trực
tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như trong đời sống. Ngoài ra các kiến thức này
dùng làm phương tiện để học tiếp các môn chuyên môn của ngành điện như
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 cương
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 phương 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 lưu lượng
2. Cảm biến trọng lượng
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 18
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 lường điện
và Trang bị điện.
- Tính chất: Là mơn học chun mơn nghề
II. MỤC TIÊU MƠ ĐUN:
Về kiến thức:
- Phân tích được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến;
- Phân tích được 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 người cũng như 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 chương, mục

T

1

Bài mở đầu: Cảm biến và ứng
dụng

2

4

Thời gian (giờ)
Lý
Thực Kiểm
thuyết Hành
tra*
Thí

nghiệm
Bài tập
Thảo
luận
2


2

3

4

5

6

1. Khái niệm cơ bản về các bộ
cảm biến.
2. Phạm vi ứng dụng
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 cương
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

1

1

1
28
1
5
5
15
2
16
1
3

1
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
vòng quay và góc quay.
1.Một số phương pháp đo vận tốc
vịng 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 lưu lượng.
2. Cảm biến trọng lượng.
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 đưa ra tín hiệu ở dạng khác. Cảm biến được ứng dụng rất rộng rãi
trong mọi lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp.
Mục tiêu:
- Trình bày được 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 lượng vật lý, các đại
lượng khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có tính chất điện có
thể đo và xử lý được.
Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất,
lưu lượng, vận tốc... ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính
chất điện (như dịng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác
định giá trị của đại lượng cần đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo:
s = f(m)
s: Đại lượng đầu ra hay còn gọi là đáp ứng đầu ra của cảm biến.
m: đại lượng đầu vào hay là kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo)
f :là hàm truyền đạt của cảm biến.

Hàm truyền đạt thể hiện cấu trúc của thiết bị biến đổi và thường có đặc tính
phi tuyến, điều đó làm giới hạn khoảng đo và dẫn tới sai số. Trong trường hợp
đại lượng đo biến thiên trong phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm
truyền tuyến tính(Phương pháp tuyến tính hố từng đoạn). Thơng thường khi
thiết kế mạch đo người 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) được xác định thơng qua việc đo đạc giá trị (s)
Các tên khác của cảm biến: Sensor, cảm biến đo lường, đầu dò, van đo
lường, bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi.
Trong hệ thống đo lường 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 lường và xử lý kết quả đo vào các mục đích khác nhau.

6


Đối tượng

điều khiển

Thiết bị
thừa hành

Cảm biến đo

Mạch đo
điện

lường

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 tượng cần điều khiển dược cảm biến sang tín
hiệu Y nhờ cảm biến đo lường. Tín hiệu ngõ ra được mạch đo điện xử lý để đưa
ra cơ cấu chỉ thị.
Trong các hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu ngõ ra của mạch đo điện sẽ
được đưa 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 tượng.
* Trong hệ thống đo lường điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý
tín hiệu thường 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 tượng điều khiển được đặc trưng bằng các biến trạng
thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của các bộ cảm biến được phối
ghép với vi điều khiển qua dao diện. Vi điều khiển có thể hoạt động độc lập theo
chương trình đã được cài đặt sẵn hoặc phối ghép với máy tính. Đầu ra của bộ vi
điều kiển được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình hay
đối tượng điều khiển. Chương trình cho vi điều khiển được cài đặt thơng qua
máy tính hoặc các bộ nạp chương trình chuyên dụng. Đây là sơ đồ điều khiển
tự động q trình (đối tượng), 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 đưa ra tín hiệu q trình.

7


Từ sensor là một từ mượn tiếng la tinh Sensus trong tiếng Đức và tiếng Anh
được gọi là sensor, trong tiếng Việt thường 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.
Cảm biến được phân loại theo nhiều tiêu chí. Người 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 tượng vật lý:
+ Nhiệt điện.
+ Quang điện
+ Quang từ.
+ Điện từ
+ Từ điện
- Theo hiện tượng hóa học

+ Biến đổi hóa học
+ Biến đổi điện hóa
+ Phân tích phổ

- Theo hiện tượng 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, dịng điện, điện thế, điện áp, điện trường, điện dẫn,
hằng số điện môi,…vv
- Từ: Từ trường, từ thông, cường độ từ trường, độ từ thẩm, …vv
- Cơ: Vị trí, lực,áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, mô men,
khối lượng, tỷ trọng, độ nhớt, …vv
- Quang: Phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, …vv
- Nhiệt: Nhiệt độ, thông lượng, tỷ nhiệt,…vv
1.2.3. Theo tính năng.
- Độ nhạy
- Độ chính xác

- Độ phân giải
- Độ tuyến tính
8


- Công suất tiêu thụ
1.2.4. Theo phạm vi sử dụng
- Cơng nghiệp
- Nghiên cứu khoa học
- Mơi trường, khí tượng
- Thông tin, viễn thông
- Nông nghiệp
- Dân dụng
- Giao thông vận tải…vv
1.2.5. Theo thơng 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 lượng phụ để hồn tất nhiệm vụ
đo kiểm, cịn loại tích cực thì khơng cần. Được đặc trưng bằng các
thơng số: R, L, C… tuyến tính hoặc phi tuyến.

2. Phạm vi ứng dụng.
Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ
thuật. Các bộ cảm biến đặc biệt và rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí
nghiệm các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hố người ta
sử dụng các loại sensor bình thường cũng như đặc biệt

9

BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG
Mã bài : MĐ 18.01

Giới thiệu:
Trong tất cả các đại lượng vật lý, ánh sáng là một trong các đại lượng
được 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 hưởng đến các đại lượng
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 lượng chịu ảnh hưởng của nó. Bởi vậy
trong cơng nghiệp cũng như đời sống hàng ngày sử dụng rất nhiều các thiết bị
liên quan đến ánh sáng.
Mục tiêu:
- Phân biệt được 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 lượng của nguyên tử của nguồn sáng. Các sóng này truyền
đi trong chân khơng 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 trường).
Bước sóng  của ánh sáng được 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

Hình 2.1 phổ ánh sáng

1.1.2. Tính chất hạt của ánh sáng.
10

3.1013

100
h. ngoại xa
3.1012

(Hz)


Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. ánh
sáng bao gồm các hạt photon với năng lượng W phụ thuộc duy nhất vào tần số:
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 hướng muốn
được 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 lượng bằng năng lượng
liên kết Wl: nghĩa là: v 

Wl
hc
hay:   . Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn
Wl
h

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

s 
 s m 

hay:

(2.1)
(2.2)

Nói chung loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản
chất của vật liệu được chiếu sáng.
Hiện tượng giải phóng hạt dẫn dưới 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 lượng.
- Năng lượng bức xạ Q (J) là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ
dưới dạng bức xạ.
- Thông lượng của ánh sáng  (W) là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp
thụ.


dQ
dt

(W)

(2.3)

Cường độ ánh sáng I là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước
dưới một đơn vị góc khối.

I

d
d

(W/steradian)

(2.4)

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

dI
(W/steradian.m2)
dAn

(2.5)

-Độ rọi năng lượng E là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được 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.

11


Độ nhạy của mắt người đối với bước sóng khác nhau là khác nhau. Hình 2.2
biểu diễn độ nhạy tương đối của mắt V(). Các đại lượng thị giác có thể nhận
được từ đại lượng năng lượng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(). Đối với một bước
sóng cho trước hệ số K tỉ lệ thuận với độ nhạy tương đối của mắt. Theo quy ước
một luồng ánh sáng năng lượng 1W với bước sóng max tương ứng với luồng
ánh sáng bằng 680 lumen. Vậy K = 680. Theo quy ước 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 đường cong độ nhạy tương đối của mắt người

Bảng 2.1 Các đơn vị đo quang cơ bản.
Đơn vị
Đ/v đo thị giác
Luồng
(thơng Lumen (lm)
lượng)
Cường độ
Candela (cd)
Độ chói
Candela/m2 (cd/m2)
Độ rọi
Lumen/m2
Năng lượng
Lumen.s (lm.s)

Đ/v năng lượng
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 như nhiệt độ của vật đen tuyệt đối, có
đường cong phổ phát xạ nằm trong vùng phổ nhìn thấy. Đèn sợi đốt volfram có
đặc điểm sau:
- Thơng lượng lớn, dải phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc.
- Qn 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.

12


Loại đèn này hoạt động theo nguyên lý năng lượng 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.
- Thơng lượng tương đối nhỏ ( 102mw).
- Nhược điểm là nhạy với nhiệt độ làm hạn chế phạm vi sử dụng của đèn.
1.3.3. Laze
Laze là nguồn sáng đơn sắc, độ chói lớn, có định hướng 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 bước sóng đơn sắc hồn tồn xác định, thơng
lượng lớn, có khả năng nhận được chùm tia rất mảnh và độ định hướng 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 thường được 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 như: Cds, Cdse, CdTe, Pbs, Pbse, PbTe..,
Bán dẫn đơn tinh thể như: Ge, Si thuần hoặc pha tạp với Cu, Au, In.
2.2.2. Các đặc trưng
a. Điện trở
Điện trở của tế bào quang dẫn chia làm 2 dạng :
- Điện trở khi tế bào quang dẫn không được 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 được 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 cường 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
13


Thực tế người ta không dùng tế bào quang dẫn để đo ánh sáng mà dùng để
phân biệt mức ánh sáng như 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 lượng 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
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

Hiển thị

Đếm
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
P
N
N
K
Hình 2.6 cấu tạo của Photodiot
14

A

K

PD được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn PN ghép lại với nhau. Lớp bán dẫn loại
P được chế tạo rất mỏng để ánh sáng có thể xuyên tới lớp tiếp giáp. Khi phân
cực ngược cho photodiot nếu có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp giáp sẽ làm biến
đổi tính chất điện của lớp tiếp giáp dẫn tới dịng điện ngược 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 .
* Chế độ quang dẫn.
Là chế độ sử dụng dòng điện ngược của photodiot dòng điện này biến đổi phụ
thuộc vào cường 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 như một máy phát điện ; trong chế độ này khơng có
điện áp ngồi đặt vào diot , chế độ này người ta có thể đo điện thế hở mạch Voc
và dòng 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 được đăc trưng bởi độ tuyến tính cao, thời gian hồi đáp ngắn và
dải thông số lớn .
15


EC
R2

IO+

Ir

Im

UR
IO-

Rm

R1

Hình 2.9. sơ đồ đo dịng Ir
 R 
Ur  Em.1  2 .Ir
R1 


+ PD được 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 được 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

PD

Rm

Hình 1.11. Sơ đồ đo dịng ngắn mạch
16

UR


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

PD

R1
IO-

UOC

UR

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 

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 ngược. Khi chuyển tiếp B - C được 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I O    1I P

Như vậy , có thể coi Photo tranzito như 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 cường độ ánh sáng chiếu vào tiếp giáp B – C
và nhiệt độ đặt lên PT.

17


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

Hình 1.14.Điều khiển trực tiếp rơle

+Ec

RƠLE

D

T2
R1
hhh

Hình 1.16. Điều khiển gián tiếp rơle

18


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 thông lượng ánh sáng
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 được dẫn truyền qua một sợi quang đưa 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 ưu điểm là đầu thu phát nhỏ,gọn, phần xử lý được đặt
trong tủ điện, do đó thực tế, người ta thường dùng cảm biến sợi quang ở những
vị trí có khơng gian hẹp hoặc nhân biết các vật thể có kích thước bé.
2.3.2. Ứng dụng
a. Truyền thơng tin
ứng dụng quan trọng nhất của cáp quang là truyền thông tin, truyền thơng tin
dưới 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 được truyền đi chủ yếu bằng cách mã hóa
các xung ánh sáng.
19


b. Quan sát và đo bằng phương tia quang học
Cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằng các phương pháp quang ở
những chỗ khó tiếp cận hoặc trong mơi trường độc hại.sử dụng cáp quang có thể
dẫn ánh sáng đến những vị trí mà trong điều kiện bình thường ánh sấng không
thể chiếu tới được.
Nguồn sáng phát ra bức xạ trong một số trường hợp dưới dạng xung để phân
biệt với ánh sáng môi trường các bức xạ này được dẫn đến khu vực đo bằng cáp
quang.

Các đại lượng cần đo có thể là vị trí của một vật thể, tốc độ quay, thành phần
hóa học của mơi trường nhiệt độ…trong khu vực đo tia bức xạ bị thay đổi và sự
thay đổi này phụ thuộc đại lượng đo.
Các tia phản xạ trở lại được thu bằng cáp quang khác và được đưa đến một
cảm biến quang, cảm biến sẽ cung cấp tín hiệu điện chứa thơng tin về đại lượng
cần đo.
Như vậy, cáp quang đóng vai trị cảm biến để chuyển sự thay đổi của đại lượng
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.
a. Cấu trúc
+

+
Mạch
tạo dao
động

out

LED (PT/PD)
LED

Mạch
nhận

-

Khuếch
đại AC

Hình 1.20. Sơ đồ cấu trúc
b. Ngun lý

20

Đóng
cắt

out

Tách
sóng

-


Bên phát khi có nguồn cung cấp thì mạch dao động tạo xung điều khiển, đưa
tín hiệu (ánh sáng) tới LED. Khi LED phát tín hiệu thì bên thu LED thu PT
hoặc PD thu được tín hiệu và đưa tới mạch nhận sau đó qua mạch khuếch đại
để khuếch đại tín hiệu trước khi đưa 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 được 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
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
21


* 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
gương
a. Cấu tạo
Có 2 kiểu cấu tạo :
* Kiếu 1 : Có 2 thấu kính
Vật thể

Gương phẩn xạ
out

Mạch
nhận

PT/P
D

Mạch dao
động

LED

+

-

Thấu
kính

Hình 2.24.Sơ đồ có 2 thấu kính
22


* Kiếu 2 : Có 1 thấu kính.
Vật thể
Gương phẩn xạ
out

Mạch nhận

PT/PD

+
-

Thấu kính
Mạch dao động

LED

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 được vật thể trong suốt
c. Nối dây
Đầu ra của cảm biến quang kiểu phản xạ gương thường là đầu ra tranzitor, cấu
trúc giông đầu ra tranzitor của cảm biến quang thu phát tách biệt nên cách đấu
dây cũng tương tự như 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 gương nhưng 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, thường chỉ vào khoảng vài cm đến vài
dm.
Lưu 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 như bộ chuyển đổi
tiệm cận quang.

23


- Vỏ hình trụ tiêu chuẩn cỡ M18
- Chất liệu vỏ : nhựa, Nikel và thép không gỉ
- Dạng theo phương bán kính và dọc trục
- Có dạng kết nối với nguồn một chiều dễ
dàng cho việc bảo dưỡng.
- 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 ngược

+ Các đặc tính kỹ thuật :
Loại sản phẩm

E3F2

Phương pháp phát hiện

Phát - Thu (Hấp thụ)

Dạng cảm biến

Trục dọc

Dạng nối dây

Dây nối thường

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 dư

Tối đa 2 V (Dưới 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 lượng

Tùy thuộc chất liệu

Mạch bảo vệ

Ngắn mạch đầu ra và đấu ngược nguồn

Chất liệu vỏ

Nhựa, Nickel, Inox

+ Sơ đồ chân :
Bên phát :

24


Hình 1.27.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)

25