Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT
BỊ ĐIỆN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2015


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT
BỊ ĐIỆN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Sƣ phạm kỹ thuật

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
Th.S TRẦN QUANG HUY

HÀ NỘI, 2015


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên trong khoá luận tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể các
thầy, cô giáo trong khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình
chỉ bảo, dạy dỗ tôi trong suốt những năm học vừa qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Trần Quang Huy đã hướng dẫn, quan
tâm, chỉ bảo tận tình để tôi hoàn thành khoá luận tốt nghiệp.
Cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, khích lệ, giúp đỡ về mọi mặt
trong quá trình tôi hoàn thành kh a luận tốt nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!.
Hà Nội, tháng 05 năm 2015
Sinh viên
Nguyễn Thị Thu Hà


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài nghiên cứu khoa học này được thực hiện từ tháng 10 năm 2014
đến tháng 05 năm 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, phường Xuân
Hòa, thị xã Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc.
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu này hoàn thành do sự cố gắng tìm
hiểu nghiên cứu của bản thân cùng sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình và hiệu quả của
Th.S Trần Quang Huy cũng như thầy, cô trong khoa Vật Lý, trường Đại học
Sư phạm Hà Nội 2. Đây là đề tài nghiên cứu không trùng với kết quả của các tác
giả khác.
Nếu những lời trên sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, tháng 05 năm 2015
Sinh viên
Nguyễn Thị Thu Hà


MỤC LỤC
Trang

MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu của đề tài ...................................................................................................... 1
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu. ................................................................................. 2
4. Nhiệm vụ của đề tài..................................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu đề tài. .................................................................................. 2
6. Cấu trúc kh a luận ...................................................................................................... 2
NỘI DUNG .................................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN ................................................................ 3
1.1. Điện thoại di động .................................................................................................... 3
1.1.1. Cấu tạo cơ bản ....................................................................................................... 3
1.1.2. Nguyên lý hoạt động ............................................................................................. 3
1.2. Tín hiệu DTMF ........................................................................................................ 4
1.2.1. Định nghĩa ............................................................................................................. 4
1.2.2. Phát tín hiệu DTMF thông qua Keypad ................................................................ 4
1.2.3. IC MT8870 thu tín hiệu DTMF ............................................................................ 6
1.3. Quang điện trở .......................................................................................................... 9
1.3.1. Định nghĩa ............................................................................................................. 9
1.3.2. Nguyên lý làm việc ............................................................................................... 9
1.3.3. Ứng dụng của quang điện trở .............................................................................. 10
1.4. Kỹ thuật cảm biến .................................................................................................. 11
1.4.1. Khái niệm và phân loại cảm biến ........................................................................ 11
1.4.2. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến ..................................................................... 17
1.4.3. Mạch đo ............................................................................................................... 19
1.4.4. Cảm biến quang................................................................................................... 21


1.5. Mạch khuếch đại thuật toán ................................................................................... 31
1.5.1. Tổng quan về mạch khuếch đại thuật toán .......................................................... 31
1.5.2.Các đặc tính kỹ thuật của mạch khếch đại ........................................................... 32

1.5.3. Các dạng mạch cơ bản của mạch khuếch đại ...................................................... 32
1.5.4.Các dạng vi mạch của mạch khuếch đại .............................................................. 34
CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG
....................................................................................................................................... 37
2.1. Ý tưởng thiết kế ...................................................................................................... 37
2.2. Sơ đồ khối của mạch .............................................................................................. 37
2.3. Nguyên lý hoạt động .............................................................................................. 38
2.4. Thiết kế mạch nguyên lý ........................................................................................ 39
2.4.1. Khối nguồn .......................................................................................................... 39
2.4.2. Khối cảm biến ..................................................................................................... 40
2.4.3. Khối khuếch đại .................................................................................................. 40
2.4.4. Khối hiển thị ........................................................................................................ 40
CHƢƠNG 3: THI CÔNG VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN TỬ ................................. 41
3.1. Mục đích thiết kế mạch điện .................................................................................. 42
3.2. Thiết kế phần cứng ................................................................................................. 42
3.3. Mạch điện sau khi lắp ráp ...................................................................................... 42
3.4. Sản phẩm chế tạo ................................................................................................... 43
3.4.1. Hình ảnh hệ thống khi chưa hoạt động ............................................................... 45
3.4.2. Hình ảnh hệ thống khi c người gọi tới .............................................................. 45
3.4.3. Hình ảnh hệ thống khi c tín hiệu báo động ....................................................... 45
3.4.4. Hình ảnh hệ thống khi không c tín hiệu báo động ............................................ 46
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 48


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bàn phím chuẩn 12 nút
Hình 1.2: Bàn phím mở rộng 16 phím
Hình 1.3: IC thu DTMF MT8870
Hình 1.4: Sơ đồ khối của MT8870

Hình 1.5: Hình dạng của quang điện trở
Hình 1.6: Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở
Hình 1.7: Mạch báo động
Hình 1.8: Mạch mở rộng tự động về đêm dùng AC
Hình 1.9: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt
Hình 1.10: Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán
Hình 1.11: Phổ ánh sáng
Hình 1.12: Ảnh hưởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn được giải ph ng
Hình 1.13: Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lượng của điện tử
Hình 1.14: Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn
Hình 1.15: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
Hình 1.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn
Hình 1.17: Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle
Hình 2.1: Sơ đồ khối của mạch
Hình 2.2: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn trong mạch
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại trong mạch điện
Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị của mạch


Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện sau khi lắp ráp
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống khi chưa hoạt động
Hình 3.3: Hình ảnh hệ thống khi chưa hoạt động
Hình 3.4: Hình ảnh hệ thống khi c người gọi tới
Hình 3.5: Hình ảnh hệ thống khi c tín hiệu báo động
Hình 3.6: Hình ảnh hệ thống khi không c tín hiệu báo động


MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, công nghệ điện thoại di động ngày một phát triển mạnh. Điện
thoại trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con người trong nhịp sống
hiện đại chiếc điện thoại gần như lúc nào cũng được chúng ta mang theo bên
người. Bởi vậy ngoài khả năng nghe, gọi, nhắn tin, truy cập internet, giải trí …
vv thì một câu hỏi được đặt ra là: C thể dùng điện thoại di động để điều khiển
các thiết bị điện như tủ lạnh, tivi, điều hoà nhiệt độ, máy tính, lò vi s ng, quạt
điện, đèn chiếu sáng, bình n ng lạnh ... vv không?.
Trong thực tế cuộc sống c không ít lần chúng ta đi đến công ty hay đi ra
ngoài mà quên không tắt máy tính, điều hoà, bình n ng lạnh … vv và nhiều khi
chúng ta phải trở về nhà chỉ để tắt các thiết bị này bởi nhiều lý do như: Nguy cơ
cháy nổ, nguy hiểm, hỏng h c, tốn điện … . Trong những ngày mùa đông lạnh
trước khi đi làm về chúng ta muốn c sẵn nước n ng để tắm cho thoải mái sau
một ngày làm việc hay chúng ta muốn ngồi một chỗ để điều khiển công việc từ
xa ... vv.
Xuất phát từ những yêu cầu thực tế cuộc sống, tôi đã chọn đề tài
“Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động” để
nghiên cứu thu tín hiệu DTMF từ điện thoại di động, để từ đ giải mã và đưa ra
được các tín hiệu điều khiển bật/ tắt thiết bị điện.Với khả năng này chúng ta chỉ
cần mang điện thoại ra và gọi điện nhập mã điều khiển là c thể yên tâm các
thiết bị điện chúng ta đã ở trạng thái tắt/ bật như ý muốn.
2. Mục tiêu của đề tài
- Hệ thống h a lý luận và nguyên tắc cấu tạo, hoạt động vào việc chế tạo
mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện thoại di động.

1


- Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện

thoại di động trong gia đình.
- Thí nghiệm, đánh giá, tính khả thi, hiệu quả kinh tế của sản phẩm khi
chế tạo.
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
3.1. Đối tượng nghiên cứu.
Mạch điện tử điều khiển thiết bị điện.
3.2. Phạm vi nghiên cứu.
Sử dụng mạng điện thoại di động.
4. Nhiệm vụ của đề tài.
- Nghiên cứu về điện thoại di động.
- Thiết kế mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện thoại di
động.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài.
Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
6. Cấu trúc khóa luận
Chương 1: Kiến thức tổng quan
Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động
Chương 3: Thi công và chế tạo mạch điện tử

2


NỘI DUNG
CHƢƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN
1.1. Điện thoại di động
Điện thoại di động (còn gọi là cell phone, điện thoại cầm tay handies
hoặc cellular phone) là thiết bị viễn thông liên lạc c gắn anten trong máy với bộ
phận phát điện và thu phát tín hiệu.
1.1.1. Cấu tạo cơ bản
Gồm ba phần chính sau:

- Phần chuyển đổi mạch điện: Phần này gồm hệ thống lá mạ tiếp điểm và c
nhiệm vụ đ ng mở mạch điện khi c yêu cầu.
- Phần thu và phát tín hiệu gọi: Phần này gồm hai phần chính là máy điện quay
tay c nhiệm vụ phát tín hiệu gọi lên đường truyền và phần chuông máy c
nhiệm vụ biến dòng tín hiệu gọi thành tín hiệu gọi.
- Phần thu phát thoại: Gồm c loa và mic. Loa c nhiệm vụ biến đổi tín hiệu âm
thanh thành tín hiệu điện và mic thì c nhiệm vụ ngược lại biến tín hiệu điện
thành tín hiệu âm thanh.
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Khi ta thực hiện cuộc gọi dao động âm thanh của tiếng n i sẽ tác động
vào màng rung của mic làm xuất hiện dòng điện biến đổi tương ứng trong mạch.
Dòng điện biến đổi này được truyền trên đường dây điện thoại và được chuyển
mạch đến máy điện thoại được gọi, làm cho màng rung của loa dao động, lớp
không khí trước màng sẽ dao động theo phát ra âm thanh tác động đến tai người
nghe và quá trình truyền dẫn ngược lại cũng tương tự.

3


1.2. Tín hiệu DTMF
1.2.1. Định nghĩa
DTMF (Dual Tone Multi Frequency): Là tín hiệu gồm c hai tần số xếp
trồng lên nhau. Mỗi tần số được lựa chọn sao cho c lợi cho việc thiết kế bộ lọc
và dễ dàng truyền đi trên đường dây điện thoại c băng thông khoảng chừng 3,5
KHz. DTMF phát ra là 1 tín hiệu âm thanh ghép của 2 tín hiệu trong dải tần số từ
697Hz đến 1633Hz.
Phiên bản của DTMF sử dụng cho tín hiệu điện thoại được biết đến như
hãng Touch-Tone, và được tiêu chuẩn hoá bởi ITU-T là Q.23. Tín hiệu DTMF
c thể được phát hoặc thu bằng một IC chuyên dụng (VD: MTD887X).
Hệ thống DTMF đang phát triển và trở thành phổ biến trong hệ thống

điện thoại hiện nay. Hệ thống này được hình thành vào năm 1960 nhưng mãi đến
năm 1970 mới được phát triển rộng rãi.
1.2.2. Phát tín hiệu DTMF thông qua Keypad
Trong DTMF mỗi chữ số chọn lựa c tín hiệu dưới dạng tổ hợp của hai
tần số xoay chiều. Khi một nút được bấm, hai tần số mô tả chữ số được phát ra
và được gửi một cách đồng thời. Đặc biệt là hai âm thanh này không cùng âm,
tức là tần số của âm thanh này không c cùng ước số chung với âm thanh kia,
điều này để tránh sự nhầm lẫn vô tình với âm hiệu n i, sự phân tách rõ ràng giữa
hai loại này là rất cần thiết. Ví dụ như hai tần số 750 và 500 là hai tần số không
thể kết hợp thành tín hiệu DTMF vì c cùng ước số chung là 250, hai tần số này
là hai âm thanh cùng âm.
Keypad chuẩn là một ma trận chữ nhật gồm ba cột và bốn hàng (3x4) tạo
nên tổng cộng là 12 phím nhấn: Trong đ c 10 phím cho chữ số (từ 0 đến 9),
hai phím đặc biệt là „*‟ và „#‟. Mỗi hàng trên bàn phím bấm được gán cho một
4


tần số tín hiệu thấp, mỗi cột được gán cho tần số tín hiệu cao. Mỗi một phím sẽ
c một tín hiệu DTMF riêng được tổng hợp bởi hai tần số tương ứng với hàng và
cột mà phím đ đang đứng. Những tần số này đã được lựa chọn cẩn thận sao cho
c lợi cho việc thiết kế bộ lọc và dễ dàng truyền đi trên đường dây điện thoại.

Hình 1.1: Bàn phím chuẩn 12 nút
Ngày nay, người ta còn cho thêm một vài phím để tạo nên bảng mã được
nằm trong một ma trận (4x4) với mỗi hàng miêu tả bằng một tần số thấp và mỗi
cột miêu tả bằng một tần số cao.

Hình 1.2: Bàn phím mở rộng 16 phím

5

1.2.3. IC MT8870 thu tín hiệu DTMF

Hình 1.3: C thu D

8870

Định nghĩa các chân như sau:
- PIN 1 (IN+) Non - Investing op - amp: Ngõ vào không đảo.
- PIN 2 (IN-) Investing op - amp: Ngõ vào đảo.
- PIN 3 (GS) Gain Select: Giúp truy xuất ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai
đầu cuối qua điện trở hồi tiếp.
- PIN 4 (Vref ) Reference Voltage: Ngõ ra (thông thường bằng VDD/ 2).
- PIN 5 (INH) Inhibit: Ngõ vào (khi chân này ở mức logic cao thì không
nhận được ký tự A, B, C ở ngõ ra).
- PIN 6 (PWDN) Power down: Ngõ vào tác động mức cao (khi chân này
tác động thì sẽ cấm mạch dao động và IC 8870 hoạt động).
- PIN 7 (OSC 1): Clock ngõ vào MHz
- PIN 8 (OSC 2): Clock ngõ ra (nối hai chân 7 và 8 với thạch anh
3.579545 MHz, để tạo một mạch dao động nội).
- PIN 9 (VSS): Nối GND.
- PIN 10 (TOE) Three Stage Output Enable: Ngõ vào, ngõ ra Q1- Q4
hoạt động khi TOE ở mức cao.

6


- PIN 11-14 từ Q1- Q4: Ngõ ra (khi TOE ở mức cao các chân này cung
cấp mã tương ứng với các cặp Tone dò tìm được theo bảng chức năng. Khi TOE

ở mức thấp dữ liệu ngõ ra ở trạng thái trở kháng cao).
- PIN 15 (STD) Delayed Steering: Ngõ ra, ở mức cao khi gặp tần số
Tone đã được ghi nhận và ngõ ra chốt thích hợp, trở về mức thấp khi điện áp trên
ST/ GT nhỏ hơn điện áp ngưỡng VTST.
- PIN 16 (EST): Early Steering (ngõ ra), chân này lên mức [1] khi bộ
thuật toán nhận được cặp Tone và trở về mức [0] khi mất Tone.
- PIN 17 (ST/ GT): Steering Input / Guard tune output (ngõ ra), khi điện
áp

lớn hơn VTST thì ST sẽ điều khiển dò tìm cặp Tone và chốt ngõ ra.
- PIN 18 (VDD): Điện áp cung cấp, thường là +5V.
IC nhận tín hiệu DTMF từ đường điện thoại qua chân 2 (IN-), sau khi

thực hiện giải mã n đưa dữ liệu ra 4 chân (từ chân 11 đến chân 14) dưới dạng 4
bit nhị phân.

Hình 1.4: Sơ đồ khối của

7

8870


Mạch Test thử với MT8870:

Hình 1.5: Sơ đồ mạch test thử với C

8870

Khi không bấm nút:

TOE: Logic 0
Q4: Logic 0
Q3: Logic 0
Q2: Logic 0
Q1: Logic 0
Khi bấm và giữ nút „1‟:

Khi bấm và giữ nút „2‟:

TOE: Logic 1

TOE: Logic 1

Q4: Logic 0

Q4: Logic 0

Q3: Logic 0

Q3: Logic 0

Q2: Logic 0

Q2: Logic 1

Q1: Logic 1

Q1: Logic 0

8

Thả nút „1‟:

Thả nút „2‟:

TOE: Logic 0

TOE: Logic 0

Q4: Logic 0

Q4: Logic 0

Q3: Logic 0

Q3: Logic 0

Q2: Logic 1

Q2: Logic 0

Q1: Logic 0

Q1: Logic

Khi bấm số điện thoại thì StD c mức logic là „1‟, còn khi ta không bấm
thì StD c mức logic là „0‟. Còn các chân Q1, Q2, Q3, Q4 là mã BCD của số
điện thoại.
1.3. Quang điện trở

1.3.1. Định nghĩa
Là điện trở c trị số càng giảm khi được chiếu sáng mạnh. Điện trở tối
(khi không được chiếu sáng – ở trong b ng tối) thường trên 1MΩ, trị số này
giảm rất nhỏ c thể dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh.

a)

b)

Hình 1.5: Hình dạng của quang điện trở
a)

Hình dạng thật

b) Ký hiệu
1.3.2. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất
bán dẫn (c thể là Cadmium sulfide – Cds, Cadmium selenide – CdSe) làm phát
sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán
dẫn.
9


Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào
vật liệu dùng trong chế tạo

Hình 1.6:

ối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở

Về phương diện năng lượng, ta n i ánh sáng đã cung cấp một năng lượng
E = hf để các điện tử nhảy từ dãy h a trị lên dãy dẫn điện. Như vậy năng lượng
cần thiết phải lớn hơn năng lượng của dãy cấm.
1.3.3. Ứng dụng của quang điện trở
Mạch báo động

Hình 1.7:

ạch báo động

Khi quang điện trở được chiếu sáng (trạng thái thường trực) c điện trở
nhỏ, điện thế cổng của SCR giảm nhỏ không đủ dòng kích nên SCR ngưng. Khi
10


nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, điện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện
qua tải làm cho mạch báo động hoạt động.
Người ta cũng c thể dùng mạch như trên, với tải là một b ng đèn để c
thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày. Hoặc c thể tải là một relais để điều
khiển một mạch báo động c công suất lớn hơn
Mạch mở điện tự động về đêm dùng AC

Hình 1.8:

ạch mở điện tự động về đêm dùng AC

Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ. Điện thế ở điểm A không đủ để
mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt về đêm, quang trở tăng trị số, làm
tăng điện thế ở điểm A, thông Diac và kích Triac dẫn điện, b ng đèn sáng lên
1.4. Kỹ thuật cảm biến

1.4.1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.4.1.1. Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và
các đại lượng không c tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện c thể đo
và xử lý được.
11


Các đại lượng cần đo (m) thường không c 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, dòng 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):
s = F(m)

(1.1)

Trong đ : s là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến
m là đại lượng đầu vào hay kích thích (c nguồn gốc là đại
lượng cần đo).
Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m).
1.4.1.2. Phân loại cảm biến
Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến c thể được chia thành nhiều
loại khác nhau
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tượng
Hiện tượng vật lý

Chuyển đổi giữa đáp ứng – kích thích
Nhiệt điện
Quang điện

Quang từ
Điện từ
Quang đàn hồi
Từ điện
Nhiệt từ

H a học

Biến đổi h a học
Biến đổi điện h a
Phân tích phổ

12


Biến đổi sinh h a

Sinh học

Biến đổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống
Bảng 1.1: Phân loại cảm biến theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và
kích thích
Theo dạng kích thích
Âm thanh
Điện

- Biên pha, phân cực – Phổ - Tốc độ truyền s ng
- Điện tích, dòng điện – Điện thế, điện áp – Điện trường (biên,
pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi …

Từ

- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ
trường – Độ từ thẩm.
- Tốc độ truyền – Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số
bức xạ

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 –
Mômen – Khối lượng, tỉ trọng – Vận tốc chất lưu, độ nhớt

Nhiệt
Bức xạ

- Nhiệt độ - Thông lượng – Nhiệt dung, tỉ nhiệt
- Kiểu – Năng lượng – Cường độ …
Bảng 1.2: Phân loại cảm biến theo dạng kích thích

13


Theo tính năng của bộ cảm biến
- Độ nhạy – Độ chính xác – Độ phân - Khả năng quá tải – Tốc độ đáp ứng

giải – Độ chọn lọc – Độ tuyến tính – - Độ ổn định – Tuổi thọ - Điều kiện
Công suất tiêu thụ - Dải tần

môi trường – Kích thước, trọng
lượng – Độ trễ

Bảng 1.3: Phân loại cảm biến theo tính năng bộ cảm biến
Phân loại theo phạm vi sử dụng
- Công nghiệp

- Dân dụng

- Nghiên cứu khoa học

- Giao thông

- Môi trường, khí tượng

- Vũ trụ

- Thông tin, viễn thông

- Quân sự

- Nông nghiệp
Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế
- Cảm biến tích cực c đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng
- Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M …
tuyến tính hoặc phi tuyến
1.4.2. Các đặc trưng cơ bản

1.4.2.1. Độ nhạy của cảm biến
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu
vào Δm c sự liên hệ tuyến tính: Δs = S.Δm
Đại lượng S xác định bởi biểu thức
(1.2)
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

của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại
14


lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá
trị đ :
(1.3)
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần
làm sao cho độ nhạy S của n không 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 n .
- 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.
1.4.2.2. 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

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.
Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ
đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh
không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc.
Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu
vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:
(1.4)

15


Từ (1.4),ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm
làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.
1.4.2.3. 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.
1.4.3. 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 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.
1.4.3.1. 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 c liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh
hưởng c thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm
việc danh định của cảm biến.
1.4.3.2. 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 c liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng
của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên
hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến c 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.

16


1.4.3.3. Vùng không phá huỷ
Vùng không phá hủy là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng
vật lý c liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không
gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc
trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không 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.
1.4.4. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến
Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được
phân làm hai loại:
- Cảm biến tích cực: Là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s)
là điện tích, điện áp hay dòng.
- Cảm biến thụ động: Là các cảm biến hoạt động như một trở kháng. Trong đ
đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung.
1.4.4.1. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực
Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu
ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đ (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành
năng lượng điện. Dưới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng
vật lý khi chế tạo cảm biến.

Hiệu ứng quang điện
- Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải
ph ng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào
chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ n i chung) c bước s ng nhỏ
hơn một ngưỡng nhất định.
17