Giáo trình kỹ thuật cảm biến và cơ cấu chấp hành

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


Môn học: KỸ THUẬT CẢM BIẾN
và CƠ CẤU CHẤP HÀNH


Giảng viên: VÕ NHƢ TIẾN
Giới thiệu
• Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và
biến đổi các đại lƣợng vật lý, đại lƣợng
không điện thành các đại lƣợng điện có thể
đo đƣợc.
• Cảm biến đƣợc sử dụng trong thiết bị đo
lƣờng, điều khiển, trong tự động hóa.
• Nhờ các tiến bộ của khoa học và công
nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị
điện tử và tin học, các cảm biến
- đã đƣợc giảm thiểu về kích thƣớc,
- cải thiện tính năng,
- ngày càng mở rộng phạm vi ứng
dụng.

• Cảm biến đƣợc sử dụng:
- trong ngƣời máy,
- trong kiểm tra chất lƣợng sản phẩm,
- tiết kiệm năng lƣợng,
- chống ô nhiễm môi trƣờng,
- giao thông vận tải,
- sản xuất hàng tiêu dùng,

- bảo quản thực phẩm,
- sản xuất ô tô

• Môn học Kỹ thuật cảm biến cần thiết đối với
sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Điện tử, Cơ
điện tử, Tự động hoá trong các trƣờng đại
học, cao đẳng kỹ thuật, công nghệ.
• Nội dung môn học giới thiệu những kiến thức
cơ bản về cảm biến: cấu tạo, nguyên lý hoạt
động, các đặc trƣng cơ bản của những cảm
biến quang, nhiệt, vị trí, biến dạng, sợi quang,
cảm biến thông minh.
Chƣơng 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ
ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN
1.1 Khái niệm và phân loại cảm biến
1.1.1. Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến
đổi các đại lƣợng vật lý và các đại lƣợng
không có tính chất điện cần đo thành các đại
lƣợng điện có thể đo lƣờng và xử lý đƣợc.
• Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng không
có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp suất,
ánh sáng ) tác động lên cảm biến cho ta
một đặc trƣng (s) mang tính chất điện
(nhƣ điện tích, điện áp, dòng điện hoặc
trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép
xác định giá trị của đại lƣợng đo. Đặc
trƣng (s) là hàm của đại lƣợng cần đo
(m):
 

mFs 
• Ngƣời ta gọi (s) là đại lƣợng đầu ra,
(m) là đại lƣợng đầu vào (cần đo).
Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá
trị của (m).
1.1.2. Phân loại cảm biến
+ Cảm biến nhiệt điện, nhiệt từ
+ Cảm biến quang điện, quang từ
+ Cảm biến vị trí, chuyển dịch, lực, áp
suất
Theo phạm vi sử dụng: trong công nghiệp,
nghiên cứu KH, thông tin, giao thông,quân
sự

1.2 Đường cong chuẩn của cảm biến
1.2.1. Khái niệm
Đƣờng cong chuẩn của cảm biến là đƣờng
cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lƣợng
điện ở đầu ra (s) của cảm biến vào giá trị của
đại lƣợng đo ở đầu vào (m). Đƣờng cong
chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số
dƣới dạng
 
mFs 
• Đƣờng cong chuẩn
s
m
i

s

i

m
a)
0
s
m
b)
0
a) Dạng đƣờng cong chuẩn b) Đƣờng cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
Dựa vào đƣờng cong chuẩn của cảm biến, ta có
thể xác định giá trị mi chƣa biết của m thông
qua giá trị đo đƣợc si của s.
1.2.2. Phƣơng pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích
xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo đƣợc
của đại lƣợng điện ở đầu ra và giá trị m của
đại lƣợng cần đo ở đầu vào, có tính đến các
yếu tố ảnh hƣởng
1.3 Các đặc trưng cơ bản
1.3.1. Độ nhạy 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:
mfs  .
Độ nhạy của cảm biến:

Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế
và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy
f

của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất
vào các yếu tố sau:
• Giá trị của đại lƣợng cần đo m và tần số thay
đổi của nó.
• Thời gian sử dụng.
• Ảnh hƣởng của các đại lƣợng vật lý khác
(không phải là đại lƣợng đo) của môi trƣờng
xung quanh.



m
s
f



1.3.2. Độ tuyến tính
a) Khái niệm
Một cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải
đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không
phụ thuộc vào đại lƣợng 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 lƣợng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc
trƣng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là
tuyến tính chừng nào đại lƣợng đo còn nằm trong
vùng này.
Nếu cảm biến không tuyến tính, ngƣời ta đƣa vào
mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện

nhận đƣợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lƣợng
đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó đƣợc gọi là sự tuyến
tính hoá.
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm
ta nhận đƣợc một loạt điểm tƣơng ứng (si,mi)
của đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào. Về
mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính,
đƣờng cong chuẩn là một đƣờng thẳng. Tuy
nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (si,mi)
nhận đƣợc bằng thực nghiệm thƣờng không
nằm trên cùng một đƣờng thẳng.
Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến
tính, ngƣời ta đƣa ra khái niệm độ lệch tuyến
tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đƣờng
cong chuẩn và đƣờng thẳng tốt nhất, tính bằng
% trong dải đo.
1.3.3. Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo
lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo (cảm nhận)
còn chịu tác động của nhiều đại lƣợng vật lý
khác gây nên sai số giữa giá trị đo đƣợc và giá
trị thực của đại lƣợng cần đo. Gọi x là độ lệch
tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số
tuyệt đối), sai số tƣơng đối của bộ cảm biến
đƣợc tính bằng:

[%]
100.
x
x


1.3.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp
• Độ nhanh là đặc trƣng của cảm biến cho phép
đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại
lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên.
• Thời gian hồi đáp là đại lƣợng đƣợc sử dụng để
xác định giá trị số của độ nhanh.
1.3.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn
chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động
nhiệt Khi các tác động này vƣợt quá ngƣỡng
cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trƣng làm
việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm
biến, ngƣời sử dụng cần phải biết rõ các giới
hạn này.
1.4 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến
Các cảm biến đƣợc chế tạo dựa trên cơ sở các
hiện tƣợng vật lý và đƣợc phân làm hai loại:
• Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động
nhƣ một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích,
điện áp hay dòng điện.
• Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt
động nhƣ một trở kháng trong đó đáp ứng
(s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung.
1.4.1. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực
Các cảm biến tích cực đƣợc chế tạo dựa trên cơ sở
ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng
lƣợng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng
lƣợng điện. Dƣới đây mô tả một cách khái quát ứng
dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến.

a) Hiệu ứng nhiệt điện
Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá học
khác nhau đƣợc hàn lại với nhau thành một mạch điện
kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác
nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện
động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh
lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.
Hiệu ứng nhiệt điện







Hiệu ứng nhiệt điện đƣợc ứng dụng để đo nhiệt
độ T1 khi biết trƣớc nhiệt độ T2, thƣờng chọn
T2 = 0oC.
T
1

T
2

(M
1
)
(M
2
)

(M
2
)
e
Hình 1.4. Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện.
T
1

b) Hiệu ứng áp điện
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện
(nhƣ thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng
dƣới tác động của lực cơ học, trên các mặt đối
diện của tấm vật liệu xuất hiện những lƣợng
điện tích bằng nhau nhƣng trái dấu, đƣợc gọi là
hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể xác định đƣợc
cƣờng độ của lực tác dụng F.
V F
Hình 1.6 ứng dụng hiệu ứng áp điện
F
c) Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trƣờng
không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện
động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây dẫn trong một
đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển
của dây.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ đƣợc ứng dụng để xác định
tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất
điện động cảm ứng.
e 

Hình 1.7 ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ
B
d) Hiệu ứng quang điện
- Hiệu ứng quang dẫn: là hiện tƣợng giải phóng
ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thƣờng là
bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh
sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bƣớc
sóng nhỏ hơn một ngƣỡng nhất định.
- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện
tƣợng các điện tử đƣợc giải phóng và thoát
khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu
lại nhờ tác dụng của điện trƣờng.
Hiệu ứng quang – điện – từ, hiệu ứng
Hall
1.4.2. Nguyên tắc chế tạo cảm biến thụ
động
Cảm biến thụ động thƣờng đƣợc chế tạo từ
một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy
với đại lƣợng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ
thuộc kích thƣớc hình học, tính chất điện của
vật liệu chế tạo (nhƣ điện trở suất , độ từ
thẩm , hằng số điện môi ). Vì vậy tác động
của đại lƣợng đo có thể ảnh hƣởng đến kích
thƣớc hình học, tính chất điện hoặc đồng thời
cả hai.

1.5 Mạch đo
1.5.1. Sơ đồ mạch đo
Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo ( có cả cảm
biến) cho phép xác định chính xác giá trị của đại
lƣợng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.
Ở đầu vào của mạch đo, cảm biến chịu tác động
của đại lƣợng cần đo tạo nên tín hiệu điện, mang
theo thông tin về đại lƣợng cần đo.
Ở đầu ra của mạch đo, tín hiệu điện đã qua xử lý
đƣợc chuyển đổi sang dạng có thể đọc đƣợc trực
tiếp giá trị cần tìm của đại lƣợng đo.
Chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị đầu
ra tƣơng ứng với một giá trị của đại lƣợng cần đo
tác động ở đầu vào của mạch.
Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm
biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ
thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt
ghép nối trực tiếp với một milivôn kế.


V
Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt