Cảm Biến Và Xử Lý Tín Hiệu Điện - Đại Học Thủy Lợi.pdf

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA CƠ KHÍ

Cảm biến
và xử lý tín hiệu điện
Bộ mơn: Kỹ thuật Cơ điện tử

Hà Nội - 2021
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

NỘI DUNG CHƯƠNG 1

Chương 1: Khái niệm và đặc trưng cơ bản
1.1 Định nghĩa và chức năng của cảm biến
1.2 Phân loại cảm biến
1.3 Thông số kỹ thuật của cảm biến
1.4 Đường đặc tính của cảm biến

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

1


1.1. Định nghĩa và chức năng của cảm biến
1.1.1 Khái niệm chung
• Cảm biến là gì ?
– Bộ biến đổi từ đại lượng không điện thành đại lượng đại lượng
điện

Đại lượng không
điện là những đại

lượng nào?

Các đại lượng điện:
Điện áp, dịng điện, điện tích
Thơng số mạch điện
Cịn lại là các đại lượng không điện

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

1.1. Định nghĩa và chức năng của cảm biến
Các loại cảm biến hay được sử dụng trong công nghiệp và dân
dụng
Cảm biến đo nhiệt độ (37,29%)
Cảm biến đo vị trí (27,12%)
Cảm biến đo di chuyển (16,27%)
Cảm biến đo áp suất (12,88%)
Cảm biến đo lưu lượng (1,36%)
Cảm biến đo mức (1,2%)
Cảm biến đo lực (1,2%)
Cảm biến đo độ ẩm (0,81%)

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

2


1.1. Định nghĩa và chức năng của cảm biến
Các lĩnh vực áp dụng
An tồn (6%)
Mơi trường (4%)

Nơng nghiệp (4%)

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

1.2. Phân loại cảm biến
• Theo nguyên lý hoạt động
– Chuyển đổi điện trở
– Chuyển đổi điện từ
– Chuyển đổi nhiệt điện
– Chuyển đổi điện tử và ion
– Chuyển đổi hóa điện
– Chuyển đổi tĩnh điện
– Chuyển đổi lượng tử
• Theo kích thích: quang, cơ học, âm học…
• Theo tính năng
• Theo ứng dụng
• Theo mơ hình thay thế: Tích cực và thụ động
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

3


Sơ đồ chuyển đổi giữa các đại lượng

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

1.3. Thông số kỹ thuật của cảm biến

1.3.1. Đặc tính tĩnh
a) Độ nhạy

Phương trình cơ bản: Y= F(X,a,b,c...)
∂F/ ∂ X – Độ nhạy với x (Sensitivity)
∂ F/ ∂ a – Độ nhạy của yếu tố ảnh hưởng a hay nhiễu
ΔF/ΔX = SXt- Độ ngạy theo X ở Xt hay ký hiệu là S
S=const => X,Y là tuyến tính.
S=f(X) => X, Y là khơng tuyến tính => sai số phi tuyến

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

4


1.3. Thông số kỹ thuật của cảm biến

b) Độ trễ hay trơ của thiết bị (Hysteresis)

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

1.3. Thông số kỹ thuật của cảm biến

c) Tính lặp lại: thời gian ngắn, thời gian dài

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

5


1.3. Thông số kỹ thuật của cảm biến

d) Hệ số phi tuyến

Hệ số phi tuyến xác định theo
công thức:
∆
ΔY
∆

Là sai lệch lớn nhất

ΔX

e) Khoảng đo, ngưỡng nhạy
• Khoảng đo: Dx = Xmax - Xmin
• Ngưỡng nhạy:
Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

1.3. Thông số kỹ thuật của cảm biến

f) Độ chính xác và sai số

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

6


Chương 2: Cảm biến quang
2.1 Giới thiệu về cảm biến quang
2.2 Cảm biến quang dẫn
2.3 Cảm biến quang điện phát xạ
2.4 Xử lý tín hiệu cảm biến quang điện
Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

Giới thiệu về cảm biến quang
Tính chất ánh sáng:
Ánh sáng vừa có tính chất
sóng vừa có tính chất hạt.
Tính chất sóng:

Hình 2.1: Phổ ánh sáng

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

1


Cảm biến quang dẫn
2.2.1. Hiệu ứng quang dẫn (Hiệu ứng quang điện trong)
-Để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử, cần cung cấp 1 năng lượng tối
thiểu bằng năng lượng liên kết Wlk

Hình 2.3: ảnh hưởng vật liệu đến hạt được giải phóng

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

Cảm biến quang dẫn
-Khi ở trong tối: nồng độ
điện tử được giải phóng trong
một đơn vị thời gian bằng
a(Nd –n0), với:
 qWd  (2.9)
a = exp  −




kT 

- q là trị tuyệt đối của điện tích điện tử, T là nhiệt độ tuyệt đối của
Hình 2.4: Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức
khối vật liệu, k là hằng số.
năng lượng điện tử

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

2


Cảm biến quang dẫn
2.2.2. Tế bào quang dẫn
a) Vật liệu chế tạo
- 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.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Cảm biến quang dẫn
b) Các đặc trưng
Điện trở:
-Giá trị điện trở tối RC0 của quang điện trở phụ thuộc vào hình dạng hình học, kích
thước, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu chế tạo.

-Tế bào quang dẫn có thể coi như một mạch tương đương gồm hai điện trở Rc0 và
Rcp mắc song song:
R R
Rc = co cp
(2.19)
Rco - điện trở trong tối.

Rco + Rcp

Rcp - điện trở khi chiếu sáng.

Với: γ - hệ số có giá trị từ 0,5 - 1

a - hệ số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, nhiệt độ, phổ bức xạ…

Rcp = aφ γ

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

3


Cảm biến quang dẫn
-Độ nhạy:
-Tế bào quang dẫn là một cảm biến
khơng tuyến tính, độ nhạy giảm khi
bức xạ tăng (trừ khi γ =1).
-Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy
tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào
quang dẫn.

-Khi điện áp đặt vào lớn, hiệu ứng
Joule làm tăng nhiệt độ, dẫn đến độ
nhạy giảm.

Hình 2.7: ảnh hưởng của nhiệt độ
đến độ nhạy của tế bào quang dẫn

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Cảm biến quang dẫn
2.2.3. Photodiode
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Gồm hai tấm bán dẫn, một thuộc loại N và một thuộc loại P, ghép
tiếp xúc nhau.

Hình 2.10: Sơ đồ chuyển tiếp P-N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

4


Cảm biến quang dẫn
b) Chế độ hoạt động

Hình 2.12: Cấu trúc của phơtdiode
Hình 2.13: Sơ đồ ngun lý và chế
độ làm việc
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Cảm biến quang dẫn
c) Độ nhạy
-Với bức xạ có phổ xác định, dịng IP tỉ lệ tuyến tính với thơng lượng trong một
khoảng rộng, cỡ 5 - 6 decad. Độ nhạy phổ:

S (λ ) =

∆I p qη (1 − R )exp(−aX)
=
λ
∆φ
hc

(2.33)

-Với λ = λs.
-Thơng thường S(λP) nằm trong khoảng
0,1 - 1,0 A/W.

Hình 2.16: Phổ độ nhạy của photodiode
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

5


Cảm biến quang dẫn
2.2.4. Phototranzitor
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
- Phototranzito là các tranzito mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng, khơng
có điện áp đặt lên bazơ, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C

phân cực ngược.

Hình 2.18: Phototranzito
a) Sơ đồ mạch điện b) Sơ đồ tương đương
c) Tách cặp điện tử lỗ trống khi chiếu sáng bazơ
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Cảm biến quang dẫn
b) Độ nhạy
-Khi nhận được thông lượng F0, xuất hiện dòng quang điện Ip,
phototranzito cũng xuất hiện dòng điện:
I cp = ( β + 1) I p
(2.41)
-Đối với một thông lượng F0 cho trước,
đường cong phổ hồi đáp xác định bởi bản
chất của diode B-C: vật liệu chế tạo
(thường là Si) và loại pha tạp.
- Độ nhạy phổ S(λp) ở bước sóng tương
ứng với điểm cực đại có giá trị nằm trong
khoảng 1÷100A/W.

Hình 2.19: Đường cong phổ hồi
đáp của phototranzito

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

6


Cảm biến quang dẫn

c) Sơ đồ sử dụng phototranzito
Chế độ chuyển mạch:

Hình 2.20: Phototranzito trong chế độ chuyển mạch
a) Rơle b) Rơle sau khếch đại c) Cổng logic d) Thyristo

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Cảm biến quang dẫn
Phototranzito chế độ tuyến tính:
- Có hai cách sử dụng trong chế độ tuyến tính:
Đo ánh sáng khơng đổi (giống như một luxmet).
Thu nhận tín hiệu thay đổi dạng:

φ1 (t )

φ (t ) = φ0 + φ1 (t )

(2.42)

là thành phần thay đổi với biên độ nhỏ để

phototranzito không bị chặn hoặc bão hồ và có
thể coi độ nhạy khơng đổi.
.

Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý
luxmet

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

7


Cảm biến quang điện phát xạ
2.3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ (Hiệu ứng quang điện ngoài)

- Hiệu ứng phát xạ quang: Các điện tử được giải phóng khỏi bề mặt

vật liệu thành dòng khi chiếu vào một bức xạ có bước sóng nhỏ hơn
một ngưỡng nhất định và có thể thu hồi nhờ tác dụng của điện trường.
2.3.2. Tế bào quang điện chân khơng
-Gồm một ống hình trụ có một cửa sổ trong suốt, được hút chân
không (áp suất ~ 10-6 ÷ 10-8 mmHg).
-Trong ống đặt một catot có khả năng phát xạ khi được chiếu sáng và
một anot.

Hình 2.22: Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

Cảm biến quang điện phát xạ
2.3.3. Tế bào quang điện dạng khí
- Cấu tạo tương tự tế bào quang điện chân không, điểm khác là thể tích bên trong
của đèn được điền đầy bằng khí, thường là khí acgon, áp suất cỡ 10-1 ÷ 10-2 mmHg.

Đặc trưng và độ nhạy của tế bào quang điện dạng khí
-

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

8


Chương 2: Cảm biến quang
2.1 Giới thiệu về cảm biến quang
2.2 Cảm biến quang dẫn
2.3 Cảm biến quang điện phát xạ
2.4 Xử lý tín hiệu cảm biến quang điện
Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

Xử lý tín hiệu cảm biến quang điện
Quang trở
Giá trị điện trở phụ thuộc vào ánh sáng (độ nhạy sáng)
Độ nhạy sáng trong một số môi trường phổ biến:
Môi trường

Độ nhạy sáng

Ánh sáng mặt trời

100000 → 130000

Ánh sang ban ngày

10000 → 20000

Văn phịng

200 → 400

Trời có mây

100

Mờ sáng

10

Trời sẩm tối

1

Trăng trịn

0.1

Mắt người nhìn tốt nhất ở khoảng 30

700

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

9


Xử lý tín hiệu cảm biến quang điện

Module Cảm Biến Ánh Sáng
Sử dụng quang trở
Điện áp hoạt động: 3.3V-5V

Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm
Led xanh báo nguồn và ánh sáng
IC so sánh : LM393
VCC: 3.3V-5V
DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)
AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)
Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử

Xử lý tín hiệu cảm biến quang điện

Module Cảm Biến Ánh Sáng
Relay DC5V MCS-05V

Module Khống Chế
Ánh Sáng KC-M124

Một số module phổ biến sử dụng quang trở
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử

10


NỘI DUNG CHƯƠNG 3

Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ
3.1 Giới thiệu cảm biến đo nhiệt độ
3.2 Nhiệt kế giãn nở
3.3 Nhiệt kế điện trở
3.4 Cặp nhiệt ngẫu
3.5 Hỏa kế

3.6 Xử lý tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

2

3.1. Giới thiệu cảm biến đo nhiệt độ
3.1.1 Khái niệm chung
- Trong cơng nghiệp, nhiều q trình cơng nghiệp cần kiểm tra nhiệt
độ để đảm bảo hiệu suất quá trình, đảm bảo chất lượng sản phẩm và
an toàn cho thiết bị khi làm việc…
Việc đo nhiệt độ đóng vai trị quan trọng trong công nghiệp.
a) Thang đo nhiệt độ
Thang nhiệt độ động học (K)
- Còn được gọi là thang đo nhiệt tuyệt đối, do Thomson Kelvin xây
dựng dựa trên cở sở nhiệt động học.
- Kelvin lấy điểm tan của nước đá là 273,150K, đơn vị là độ K.
- Một độ K = độ chênh nhiệt độ với 1% công trong chu trình Cacno
giữa điểm sơi của nước và điểm tan của nước.
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

3

1


3.1. Giới thiệu cảm biến đo nhiệt độ
Bảng 3.1 Giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo

Hình 3.1: Ví dụ 1 số dụng cụ đo nhiệt độ

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

4

3.1. Giới thiệu cảm biến đo nhiệt độ
• Cơng nghiệp: Luyện kim
- Cảm biến nhiệt điện trở đo nhiệt độ lò nung

Nhiệt điện trở Pt100 dùng cho công nghiệp
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

5

2


3.1. Giới thiệu cảm biến đo nhiệt độ
• Phịng cháy chữa cháy:
- Hỏa kế sử dụng cho các nhiệm vụ phịng cháy chữa tránh, đảm bảo
an tồn xã hội.

Hỏa kế quang học sử dụng trong phịng cháy chữa cháy
Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

6

NỘI DUNG CHƯƠNG 3

Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ
3.1 Giới thiệu cảm biến đo nhiệt độ

3.2 Nhiệt kế giãn nở
3.3 Nhiệt kế điện trở
3.4 Cặp nhiệt ngẫu
3.5 Hỏa kế
3.6 Xử lý tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

7

3


3.2. Nhiệt kế giãn nở
b) Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng:
- Cấu tạo như hình (3.3) gồm:
• (1): Bình nhiệt (2): Ống mao dẫn (3): Chất lỏng
- Chất lỏng thường dùng: Thủy ngân, hệ số
giãn nở nhiệt: α 1 = 18.10 −5 / 0C
- Vỏ thủy tinh: α 2 = 18.10−5 / 0C
- Bình nhiệt đặt tiếp xúc với môi trường đo
- Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giãn nở và dâng
lên ống mao dẫn, thang đo được chia độ dọc
theo ống mao dẫn.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

Hình 3.3: Nhiệt kế giãn nở
dùng chất lỏng

8

3.2. Nhiệt kế giãn nở

c) Một số ví dụ nhiệt kế giãn nở thường gặp:

Nhiệt kế giãn nở thủy ngân

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

9

4


3.3. Nhiệt kế điện trở

3.3.1 Nguyên lý đo
- Dựa vào sự thay đổi điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ.
R(T ) = R0 * F (T − T0 )

(3.7)

• R0 là điện trở ở nhiệt độ T0.
• F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F = 1 khi T = T0.

- Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng:
R(T ) = R0 (1 + AT + BT 2 + CT 3 )

(3.8)

• T đo bằng 0C, T0=00C.
• A, B, C là các hệ số thực nghiệm.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

10

3.3. Nhiệt kế điện trở

3.3.2. Các loại nhiệt kế điện trở
a) Nhiệt kế điện trở kim loại
Yêu cầu vật liệu:
• Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước
nhiệt kế vẫn nhỏ.
• Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là ln ln khơng đổi dấu,
khơng triệt tiêu.
• Có đủ độ bền cơ, hóa ở nhiệt độ làm việc.
• Dễ gia cơng và có khả năng thay lẫn.
- Do đó vật liệu thường dùng để chế tạo nhiệt kế điện trở kim loại là:
Pt, Ni, ngồi ra có thể dùng Cu, W (Wonfram).
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

11

5


3.3. Nhiệt kế điện trở

b) Nhiệt kế điện trở silic:
- Với nhiệt độ làm việc (-55÷2000C)
giá trị điện trở của cảm biến là:
RT = R0 [1 + A(T − T0 ) + B(T − T0 )2 ]

(3.12)

- R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ
tuyệt đối ở điểm chuẩn.
- Sự thay đổi nhiệt của điện trở tương
nhỏ nên có thể tuyến tính hố bằng
cách mắc thêm một điện trở phụ.

Hình 3.6: Sự phụ thuộc nhiệt
độ của điện trở silic

12

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

3.3. Nhiệt kế điện trở

c) Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn:
- Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxit bán dẫn đa tinh thể như:
MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, CO2O3, NiO, ZnTiO4.
- Sự phụ thuộc của điện trở theo nhiệt độ:
  1 1  
R(T ) = R0 exp  B  −  
  T T0  

(3.13)

- Độ nhạy nhiệt:

αR = −

B
T2

(3.14)

- B có giá trị 3000÷5000K.

Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

1. Vỏ bọc; 2. Điện trở; 3 Dây nối
Hình 3.7: Cấu tạo nhiệt điện trở
có vỏ bọc thủy tinh

13

6


3.3. Nhiệt kế điện trở

3.3.3. Một số ví dụ nhiệt kế điện trở:

Cảm biến nhiệt độ Pt100
Nhiệt điện trở oxit bán dẫn

PTC: Hệ số dương, NTC: Hệ số âm
14

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

3.4. Cặp nhiệt ngẫu

3.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện
- Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt
ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện.
- Khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất
hố học khác nhau được nối với nhau bằng mối
hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn
là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một
dịng điện.
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý
cặp nhiệt ngẫu

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

15

7


3.4. Cặp nhiệt ngẫu

3.4.2 Cấu tạo cặp nhiệt
a) Vật liệu chế tạo
- Vật liệu chế tạo phải đảm bảo các u cầu sau:

• Sức điện động đủ lớn.
• Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc.
• Dễ kéo sợi.
• Có khả năng thay lẫn.
• Giá thành rẽ.

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

16

3.4. Cặp nhiệt ngẫu

b) Cấu tạo:
Cấu tạo cặp nhiệt được thể hiện trong hình 3.12:

Hình 3.12: Cấu tạo cặp nhiệt
1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện
5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây
Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

17

8


3.4. Cặp nhiệt ngẫu

3.4.3. Ví dụ cặp nhiệt ngẫu:

Cặp nhiệt ngẫu (Thermocouple)

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

18

NỘI DUNG CHƯƠNG 3

Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ
3.1 Giới thiệu cảm biến đo nhiệt độ
3.2 Nhiệt kế giãn nở
3.3 Nhiệt kế điện trở
3.4 Cặp nhiệt ngẫu
3.5 Hỏa kế
3.6 Xử lý tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ

Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering

19

9