cảm biến nhiệt ứng dụng cảnh báo nhiệt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

Tên đề tài
CẢM BIẾN NHIỆT - ỨNG DỤNG CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ
Luận văn tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – TIN HỌC

Sinh viên thực hiện:

Giáo viên hướng dẫn:

Thầy Vương Tấn Sĩ

Vũ Quốc Thái
Mã số SV: 1117562
Lớp: Sư phạm Vật lý – Tin học
Khóa: 37

Cần Thơ, năm 2015


Để hoàn thành luận văn này, tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Vương Tấn
Sĩ, đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình viết luận văn tốt nghiệp. Tôi chân thành
cảm ơn quý Thầy, Cô trong Bộ môn Vật lý, khoa Sư phạm, Trường Đại Học Cần Thơ
đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm tôi học tập. Với vốn kiến thức được
tiếp thu trong quá trình học không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu luận văn
này mà còn là hành trang quí báu để tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin.
Ngoài ra, tôi xin cảm ơn những người bạn, người thân đã động viên giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian tôi làm bài luận văn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng không thể

tránh khỏi những thiếu sót, mong quý thầy cô cùng các bạn đọc nhận xét, góp ý kiến
thêm.
Cuối cùng xin kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự
nghiệp cao quý của mình.
Cần Thơ, ngày 23 tháng 04 năm 2015
Nguời Viết

Vũ Quốc Thái


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện. Các số liệu,
kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.
Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo
của luận văn.

Cần Thơ, ngày 23 tháng 04 năm 2015
Tác giả

Vũ Quốc Thái


MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 1
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ............................................................................................................. 1
2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU .................................................................................................. 1
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................................... 1
4. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................................................ 1
5. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI......................................................................................................... 1

PHẦN NỘI DUNG ............................................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ NHIỆT ĐỘ ................................................................. 2
1.1 Khái niệm về nhiệt độ ........................................................................................................ 2
1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ .......................................... 2
1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các đại lượng khác .............................................. 2
1.2.2. Các phương pháp đo nhiệt độ ............................................................................. 2
1.2.3 Thang đo nhiệt độ định dạng ............................................................................... 2
CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI DỤNG CỤ ĐO NHIỆT VÀ CẢM BIẾN ...................................... 6
2.1 Nhiệt kế................................................................................................................................. 6
2.1.1 Nhiệt kế là gì? ........................................................................................................ 6
2.1.2 Lịch sử của nhiệt kế ............................................................................................... 6
2.1.3 Các loại nhiệt kế ..................................................................................................... 7
2.1.4 Cấu tạo nhiệt điện trở............................................................................................ 9
2.1.5 Nhiệt kế oxit bán dẫn ........................................................................................... 11
2.1.6 Nhiệt kế hồng ngoại ............................................................................................. 12
2.1.7 Các loại nhiệt kế chuyên dụng ........................................................................... 13
2.2 Các khái niệm cơ bản và đặc trưng của cảm biến ....................................................... 14
2.2.1 Khái niệm cảm biến ............................................................................................. 14
2.2.2 Các thông số đặc trưng cơ bản của cảm biến .................................................. 16
2.2.3 Phân loại các bộ cảm biến ................................................................................... 19
2.3. Cảm biến nhiệt ................................................................................................................. 23
2.3.1 Cảm biến nhệt điện trở........................................................................................ 23
2.3.2 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại ....................................................................... 23
2.3.3 Thermistor............................................................................................................. 25
2.3.4 Cặp nhiệt điện ....................................................................................................... 28
2.3.5 Ứng dụng của cặp nhiệt điện ............................................................................. 30
CHƯƠNG 3: MẠCH ỨNG DỤNG SỬ DỤNG IC CMOS CD4013B ...................................... 34
3.1 Tổng quan về flip flop (FF) ............................................................................................. 34
3.2 Tìm hiểu chung về CMOS ............................................................................................... 34
3.2.1 Cấu tạo ................................................................................................................... 34

3.2.2 Phân loại ................................................................................................................ 36
3.3 Đặc tính kỹ thuật .............................................................................................................. 42
3.3.1 Công suất tiêu tán ................................................................................................ 42
i


3.3.2 Tốc độ chuyển mạch (tần số chuyển mạch) ..................................................... 42
3.3.3 Điện áp vào và ra của các loại CMOS............................................................... 43
3.3.4 Dòng điện ngõ vào và ngõ ra .............................................................................. 44
3.3.5 Hệ số tải ................................................................................................................. 44
3.3.6 Tính kháng nhiễu ................................................................................................. 45
3.4 Các cổng IC lôgic .............................................................................................................. 45
3.5 Thiết bị báo động nhiệt .................................................................................................... 46
3.6 Sơ đồ mạch in .................................................................................................................... 48
3.7 Nguyên lý hoạt động ......................................................................................................... 49
3.8 Ưu điểm .............................................................................................................................. 50
PHẦN KẾT LUẬN........................................................................................................................... 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO

ii


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

PHẦN MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong đời sống kỹ thuật hiện tại, vấn đề sử dụng các thiết bị tự động như việc sử
dụng cảm biến trong các thiết bị điện, điện tử là một yêu cầu tất yếu. Các cảm biến giúp

cho chúng ta có thể quản lí các thiết bị tự động, thực hiện những yêu cầu theo ý muốn đã
lập trình trước. Cảm biến có rất nhiều loại, rất đa dạng và phong phú, trong vô số các loại
cảm biến hiện tại như: Cảm biến quang, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến
âm thanh… Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật,
các bộ cảm biến đặc biệt rất nhạy cảm, được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh vực
nghiên cứu khoa học, trong lĩnh vực tự động hóa. Trong đó thì các bộ cảm biến nhiệt
được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và tự động hóa trong công nghiệp.
Qua học phần Cảm biến trong đo lường, em nhận thấy đây là môn học khá thú vị nó
tiếp cận thực tế đời sống, về Cảm biến trong đo lường nói riêng hay Vật lý kỹ thuật nói
chung là ngành học có định hướng phát triển tốt cho ngành vật lý. Ta đã biết vật lý bắt
nguồn từ thực tế đời sống, tuy nhiên do chương trình đào tạo còn quá nhiều nội dung lý
thuyết, chưa đề cao được tính thực hành cho sinh viên cũng như tình hình chung của giáo
viên vật lý hiện nay. Vì vậy, em đã mạnh dạn chọn đề tài : “Cảm biến nhiệt - Ứng dụng
cảnh báo nhiệt độ”. Thông qua đề tài nghiên cứu này em hy vọng sẽ giúp cho người đọc
tiếp cận hơn với ứng dụng thực hành, có cái nhìn mới với ngành học vật lý, vật lý không
chỉ gói gọn trong những công thức khô khan. Mà nó là sự vận dụng kiến thức vào thực
tiễn đời sống, là sự áp dụng kỹ thuật vào việc nâng cao chất lượng cuộc sống của con
người.

2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Sự hình thành và phát triển của cảm biến, cấu tạo một số loại cảm biến nhiệt thông
dụng.
Ứng dụng cảm biến nhiệt sử dụng CD4013B để cảnh báo nhiệt độ.

3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Phương pháp đọc sách và nghiên cứu tài liệu.
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết.
- Phương pháp sử dụng thí nghiệm thực hành trực quan.

4. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Giới thiệu cho người đọc về lịch sử hình thành và phát triển của nhiệt kế cũng như
cảm biến nhiệt.
Ráp mạch cảm biến nhiệt sử dụng CD4013B.

5. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
- Nghiên cứu sự phát triển của nhiệt kế
- Một số loại cảm biến nhiệt thông dụng.
- Ứng dụng cảm biến nhiệt vào mạch điện tử để cảnh báo nhiệt độ.
SVTH: Vũ Quốc Thái

1

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU CHUNG VỀ NHIỆT ĐỘ
1.1 Khái niệm về nhiệt độ
- Là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái cân bằng nhiệt độ của một hệ vĩ mô.
- Là đại lượng biểu diễn mức độ nóng lạnh của vật thể.

1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt độ
1.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các đại lượng khác
Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong số những đại lượng được
quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật
chất. Như là làm thay đổi áp suất và thể tích của chất khí, làm thay đổi điện trở của kim

loại… hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của
nó.
1.2.2. Các phương pháp đo nhiệt độ
 Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính
sau đây:
 Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động
nhiệt (hiệu ứng Doppler).
 Phương pháp cơ dựa trên sự dãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí
(với áp suất không đổi).
 Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ (hiệu
ứng Seebeck).
 Cụ thể ta có các phương pháp đo nhiệt độ như sau:
 Đo nhiệt độ trực tiếp.
 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
 Nhiệt điện trở kim loại/ nhiệt điện trở dương
 Nhiệt điện trở bán dẫn/ nhiệt điện trở âm.
 Đo nhiệt độ gián tiếp: nhiệt kế hồng ngoại.
1.2.3 Thang đo nhiệt độ định dạng
Nhiệt độ được chia làm 3 thang đo:
 Thang Kelvin:
Trong hệ thống đo lường quốc tế, Kelvin là một đơn vị đo lường cơ bản cho nhiệt
độ. Nó được ký hiệu bằng chữ K. Mỗi độ trong nhiệt giai Kelvin bằng một độ trong nhiệt
giai Celsius và 0oC ứng với 273,150K. Thang nhiệt độ này được lấy theo tên của nhà vật
lý, kỹ sư người Ireland Wiliam Thomson, nam tước Kelvin thứ nhất.

SVTH: Vũ Quốc Thái

2

SP.Vật Lý-Tin Học

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Hình 1.1 Lord Kelvin [1]
Nhiệt độ trong nhiệt giai Kelvin đôi khi còn được gọi là nhiệt độ tuyệt đối, do 00K
ứng với nhiệt độ nhỏ nhất mà vật chất có thể đạt được. Tại 0 0K, trên lý thuyết, mọi
chuyển động hỗn loạn đều ngừng. Thực tế chưa quan sát được vật chất nào đạt tới chính
xác 00K; chúng luôn có nhiệt độ cao hơn 00K một chút, tức là vẫn có chuyển động nhiệt
hỗn loạn ở mức độ nhỏ. Ngay cả những trạng thái vật chất rất lạnh như ngưng tụ BoseEinstein cũng có nhiệt độ lớn hơn 00K. Quan sát này phù hợp với nguyên lý bất định
Heisenberg; nếu vật chất ở chính xác 00K, luôn tìm được hệ quy chiếu trong đó vận
tốc chuyển động của chúng là 0 và vị trí không thay đổi, nghĩa là đo được chính xác cùng
lúc vị trí và động lượng của hệ, vi phạm nguyên lý bất định. Nhiệt độ của hơi nước đang
sôi là 5460K.
Hay nói cách khác định nghĩa Kelvin (K) là 1/273,15 của nhiệt độ nhiệt động lực
học của điểm ba (điểm ba thể hay điểm ba pha) của nước (1967). Trong thang Kelvin này
người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước đá – nước – hơi (rắn
– lỏng – khí) một giá trị bằng 273,150K (thường được sử dụng là 2730K). Từ thang
Kelvin người ta xác định thêm các thang mới là thang Celcius và thang Fahrenheit bằng
cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ.
 Thang Celcius:

Hình 1.2 Anders Celsius [2]
SVTH: Vũ Quốc Thái

3

SP.Vật Lý-Tin Học

Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Độ Celsius (°C hay độ C) là đơn vị đo nhiệt độ được đặt tên theo nhà thiên văn
học người Thụy Điển Anders Celsius (1701–1744). Ông là người đầu tiên đề ra hệ thống
đo nhiệt độ căn cứ theo trạng thái của nước với 100 độ là nước sôi và 0 độ là nước đá
đông ở khí áp tiêu biểu (standard atmosphere) vào năm 1742. Hai năm sau nhà khoa
học Carolus Linnaeus đảo ngược hệ thống đó và lấy 0 độ là nước đá đông và 100 độ là
nước sôi.[2] Hệ thống này được gọi là hệ thống centigrade tức bách phân và danh từ này
được dùng phổ biến cho đến nay mặc dù kể từ năm 1948, hệ thống nhiệt độ này đã chính
thức vinh danh nhà khoa học Celsius bằng cách đặt theo tên của ông.[2] Một lý do nữa
Celsius được dùng thay vì centigrade là vì thuật ngữ "bách phân" cũng được sử dụng ở
lục địa châu Âu để đo một góc phẳng bằng phần vạn của góc vuông. Ở Việt Nam, độ C
được sử dụng phổ biến nhất, đơn vị nhiệt độ là 0C. Quan hệ giữa nhiệt độ Celcius và nhiệt
độ Kelvin được xác định bởi biểu thức:
T(0C) = T(0K) – 273
(1.1)
 Thang Fahrenheit:

Hình 1.3 D.G Fahrenheit [3]
Fahrenheit phát triển thang nhiệt độ của ông sau khi viếng thăm nhà thiên văn học
người Đan mạch Ole Romer ở Copenhagen. Romer đã tạo ra chiếc nhiệt kế đầu tiên mà
trong đó ông sử dụng hai điểm chuẩn để phân định. Trong thang Romer thì điểm đóng
băng của nước là 7,5 độ, điểm sôi là 60 độ, và thân nhiệt trung bình của con người theo
đó sẽ là 22,5 độ theo phép đo của Romer.
Fahrenheit chọn điểm số không trên thang nhiệt độ của ông là nhiệt độ thấp nhất
của mùa đông năm 1708/1709, một mùa đông khắc nghiệt, ở thành phố Gdansk

(Danzig) quê hương ông. Bằng một hỗn hợp, nước đá, nước và Amoni clorid (NH4Cl)"
(còn gọi là hỗn hợp lạnh) sau đó ông có thể tạo lại điểm số không cũng như là điểm

SVTH: Vũ Quốc Thái

4

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

chuẩn thứ nhất (−17,8 °C) này. Fahrenheit muốn bằng cách đó tránh được nhiệt độ âm,
như thường gặp ở thang nhiệt độ Romer - Skala trong hoàn cảnh đời sống bình thường.
Năm 1714, ông xác định điểm chuẩn thứ hai là nhiệt độ đóng băng của nước tinh
khiết (ở 32 °F) và điểm chuẩn thứ ba là "thân nhiệt của một người khỏe mạnh" (ở 96 °F).
Theo các tiêu chuẩn hiện nay thì các điểm chuẩn trên và dưới khó có thể tạo lại
một cách thực sự chính xác được. Vì thế mà thang nhiệt độ này về sau đã được xác định
lại theo hai điểm chuẩn mới là nhiệt độ đóng băng và nhiệt độ sôi của nước, tức là 32°F
và 212°F. Theo đó, thân nhiệt bình thường của con người sẽ là 98,6°F (37°C), chứ không
phải là 96°F (35,6°C) như Fahrenheit đã xác định nữa.
Thang nhiệt độ Fahrenheit đã được sử dụng khá lâu ở Châu Âu, cho tới khi bị thay
thế bởi thang nhiệt độ Celsius. Thang nhiệt độ Fahrenheit ngày nay vẫn được sử dụng
rộng rãi ở Mỹ và một số quốc gia nói tiếng Anh khác.

Đổi từ

Sang

Fahrenheit

Celsius

Celsius

Fahrenheit

Celsius

Kelvin

Kelvin

Fahrenheit

Công thức
0

C = (0F – 32)/1.8

0

F = (0C x 1.8) + 32
0

K = 0C + 273.15

0

F = (0K – 273.15)x1.8 + 32

Bảng 1.1 Các công thức đổi nhiệt độ Fahrenheit

SVTH: Vũ Quốc Thái

5

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI DỤNG CỤ ĐO NHIỆT VÀ CẢM BIẾN
2.1 Nhiệt kế
2.1.1 Nhiệt kế là gì?
Nhiệt kế là thiết bị dùng để đo nhiệt độ. Một nhiệt kế có hai thành phần quan
trọng: phần cảm nhận nhiệt độ (ví dụ: bầu đựng thủy ngân hoặc rượu trong nhiệt kế) và
phần biểu thị kết quả (ví dụ: thang chia vạch trên nhiệt kế). Các loại nhiệt kế trong công
nghiệp thường dùng thiết bị điện tử để biểu thị kết quả như máy vi tính.
2.1.2 Lịch sử của nhiệt kế

Hình 2.1 Galileo Galilei [4]
Nhiều nhà phát minh đã ghi công vào việc sáng tạo ra nhiệt kế như Avicenma,
Cornelius Drebbel, Robert Fludd, Galileo Galilei hay Santorio. Nhiệt kế không phải là
kết quả phát minh duy nhất, mà nó trải qua quá trình phát triển.
Philo và Hero of Alexandria biết một nguyên tắc là đối với một số chất, đặc biệt là

không khí, sẽ co và dãn khi thay đổi nhiệt độ. Cơ chế này sau đó được dùng để chỉ thị
nhiệt độ không khí với một ống nước và mực nước bên trong được điều khiển bởi sự co
dãn của không khí. Các thiết bị này được phát triển bởi Avicenma vào thế kỷ XI, và
nhiều nhà khoa học khác ở châu Âu vào thế kỷ XVII, đặc biệt là Galileo Galilei.
Một bảng vẽ rõ ràng đầu tiên của nhiệt kế được xuất bản vào năm 1617 của
Giuseppe Biancani: trong bản vẽ này có thang đo và sau đó cấu tạo thành nhiệt kế bởi
Robert Fludd vào năm 1638. Đây là một ống thẳng đứng với một bầu đặt ở phía trên và
phía dưới nhúng vào nước. Mực nước bên trong ống được điều khiển bởi sự co dãn
không khí, vì vậy chúng ta còn gọi là nhiệt kế không khí.
SVTH: Vũ Quốc Thái

6

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Các dụng cụ trên mắc phải một nhược điểm là nó đồng thời cũng là một áp kế,
nghĩa là nó nhạy cảm với sự thay đổi áp suất không khí. Vào khoảng năm 1654,
Ferdinando II de’ Medici, đại công tước của Tuscany đã chế tạo nhiệt kế theo kiểu hiện
đại bằng cách hàn kín phần ống với bầu chứa chất lỏng, do đó không bị ảnh hưởng bởi áp
suất không khí và chỉ phụ thuộc sự dãn nở của chất lỏng. Nhiều nhà khoa học khác đã thử
nghiệm với những loại chất lỏng khác nhau và thiết kế ra nhiệt kế.
Tuy nhiên, mỗi nhà phát minh và mỗi loại nhiệt kế không tuân theo một chuẩn
chung nào. Vào năm 1665, Christian Huygens đề nghị dùng điểm nóng chảy và điểm sôi
của nước làm chuẩn, và vào năm 1694 Carlo Renaldini đưa ra đề nghị dùng nó như các
điểm cố định trên tất cả các thang đo. Vào năm 1701, Isaac Newton đưa ra một thang đo

có 12 độ giữa điểm nóng chảy và nhiệt độ của cơ thể. Cuối cùng vào năm 1724, Daniel
Gabriel Fahrenheit tạo ra một thang nhiệt độ mà hiện nay (với một số thay đổi nhỏ) là
thang Fahrenheit. Ông có thể làm như vậy vì ông sản xuất nhiệt kế dùng thủy ngân (có hệ
số co dãn cao) đầu tiên và chất lượng của nhiệt kế có thể thể hiện thang chia nhỏ hơn và
sản xuất dễ dàng hơn, dẫn đến việc sử dụng rộng rãi. Vào năm 1742, Anders Celcius đề
nghị thang đo với 0 ở điểm nóng chảy của nước đá, và 100 ở điểm sôi của nước và hiện
nay gọi là thang Celcius với thang đo đặt ngược lại.
Vào năm 1866, ngài Thomas Clifford Allbutt phát minh ra nhiệt kế y tế có thể đưa
ra nhiệt độ cơ thể chỉ sau 5 phút thay vì 20 phút như trước đó.
2.1.3 Các loại nhiệt kế
 Nhiệt kế chất lỏng
Hoạt động dựa trên cơ sở dãn nhiệt của các chất. Các chất lỏng sử dụng ở đây phổ
biến là rượu màu, thủy ngân, rượu etylic (C2H5OH), pentan (C5H12), benzen toluen
(C6H5CH3)…

Hình 2.2 Nhiệt kế thủy ngân [5]

SVTH: Vũ Quốc Thái

7

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

 Nhiệt kế điện tử
Nhiệt kế điện tử được cấu tạo bởi một đầu dò nhiệt độ, khi có nhiệt độ tác dụng

vào đầu dò, nó sẽ chuyển các đại lượng nhiệt độ sang dạng tín hiệu điện áp. Các tín hiệu
điện áp ở dạng tương tự được chuyển sang tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu
tương tự sang số. Bộ xử lý sẽ xử lý các tín hiệu số và chuyển nó sang màn hình hiển thị
để chúng nó có thể đọc được.

Hình 2.3 Nhiệt kế điện tử [5]

Sơ đồ khối của nhiệt kế điện tử được biểu diễn như sau:

Hình 2.4 Sơ đồ khối của nhiệt kế điện tử
Các loại nhiệt kế điện tử đang dần thay thế nhiệt kế thủy ngân vì các lí do sau:
 Độ phân giải cao.
 Có thể lưu lại giá trị đo (tùy loại).
 Không ảnh hưởng tới sức khỏe con người.
 Nhiệt kế điện trở kim loại
Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:
- Có điện trở suất

p đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế

nhỏ.
- Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu.
SVTH: Vũ Quốc Thái

8

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

- Có đủ độ bền cơ, hóa ở nhiệt độ làm việc.
- Dễ gia công và có khả năng thay thế.
- Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu,
W.
Platin(Pt)
 Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác
của các tính chất điện.
 Có tính trơ về mặt hóa học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm
bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng.
 Hệ số nhiệt điện trở ở 00C bằng 3,9.10-3/0C.
 Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,385 lần so với ở 00C.
 Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -2000C  10000C.
Niken (Ni):
 Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/0C.
 Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với ở 00C.
 Dễ bị oxy hóa khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định.
 Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 2500C.
Đồng (Cu):
Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện
trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hóa học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc
thường không vượt quá 1800C. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện
trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở.
Wonfram (W):
Wonfram có độ nóng chảy nhiệt độ và tuyến tính cao hơn platin, có thể làm
việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế
tạo được các điện trở cao với các kích thước nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi
kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách cũ do đó giảm tính ổn định của điện

trở.
2.1.4 Cấu tạo nhiệt điện trở
Để tránh sự làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở một
giá trị vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn.
Muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết
diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích
SVTH: Vũ Quốc Thái

9

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

thước điện trở. Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 0 0C có giá trị vào khoảng
100 , khi đó với điện trở platin sẽ có đường kính dây cỡ vài micromet và chiều dài
khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm
thương mại thường có điện trở ở 00C là 50 , 500 , 1000 , các điện trở lớn thường
được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp.[6]
 Nhiệt kế công nghiệp
Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được
va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thủy tinh hoặc
gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 2.5, là các nhiệt kế dùng trong công
nghiệp bằng điện trở kim loại platin.

Hình 2.5 Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin [7]
1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) Ống platin 4) Dây nối

5) Sứ cách điện 6) Trục giá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng
 Nhiệt kế bề mặt
Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng thường được
chế tạo bằng phương pháp hóa và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe - Ni hoặc Pt.
Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng như hình vẽ 2.6. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài
mm mà kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2.

Hình 2.6 Nhiệt kế bề mặt [8]
SVTH: Vũ Quốc Thái

10

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Đặc trưng của nhiệt kế bề mặt:
- Độ nhạy nhiệt: ~5.10-3/0C đối với trường hợp Ni và Fe - Ni ~ 4.10-3/0C đối với
trường hợp Platin (Pt).
- Dải nhiệt độ sử dụng: -1950C  2600C đối với Ni và Fe - Ni.
- 2600C  14000C đối với Pt. Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt chú ý đến
ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo.
- Nhiệt kế điện trở silic: Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện
trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ
số nhiệt điện trở dương, hệ số nhiệt điện trở ~ 0,7%/0C ở 250C. Phần tử cảm nhận nhiệt
của cảm biến silic được chế tạo có kích thước 500x500x240 micromet được mạ kim loại
ở một phái còn một phía kia là bề mặt tiếp xúc. Trong dải nhiệt độ làm việc (-552000C)

có thể lấy gần đúng giá trị điện trở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: (2.1)
RT = R0[1+A(T-T0)+B(T-T0)]

(2.1)

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

Hình 2.7 Biểu đồ sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở Silic.[9]
2.1.5 Nhiệt kế oxit bán dẫn
 Vật liệu chế tạo
Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO 2,
MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4.
Sự phụ thuộc của điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức: (2.2)

SVTH: Vũ Quốc Thái

11

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ
2

T 
1 1 

R(T )  R0   EXP   
 T0 
T T0 

(2.2)

Trong đó R0 là điện trở ở nhiệt độ T0.
Độ nhạy nhiệt có dạng:
R 

 b

(2.3)

T2

Vì ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế nên có thể viết lại:
  1 1 
R(T )  R0 EXP B  
  T T0 

(2.4)

Và độ nhạy nhiệt:
R 

B
T2

(2.5)

Với B có giá trị trong khoảng 3.000 – 5.0000K
 Cấu tạo
Hỗn hợp bột oxit được trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó được nén định dạng và thiêu
kết ở nhiệt độ ~10000C. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt và được
phủ bằng một lớp kim loại. Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thủy tinh.[10]
Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến
thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 – 10-3/ 0K. Kích thích cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại
từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tùy thuộc vào thành
phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng
3000C.

Hình 2.8 Cấu tạo nhiệt điện trở kim loại
2.1.6 Nhiệt kế hồng ngoại
Dựa trên hiệu ứng bức xạ nhiệt dưới dạng hồng ngoại của các vật nóng. Bộ phận
chính của nhiệt kế hồng ngoại là bộ cảm biến nhiệt điện. Với bộ cảm biến này năng
lượng của bức xạ hồng ngoại sẽ được hấp thụ và chuyển hóa thành tín hiệu điện. Tín hiệu
điện này sẽ hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng theo một tỉ lệ đã được qui đổi. Như chúng
SVTH: Vũ Quốc Thái

12

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

ta đã biết trên độ 0 tuyệt đối tất cả các vật đều phát ra bức xạ. Các bức xạ từ một vật cách

ly tại nhiệt độ cơ thể có biểu đồ phụ thuộc bước sóng riêng được thể hiện qua đồ thị bức
xạ vật thể đen tuyệt đối. Tại nhiệt độ cơ thể 370C bức xạ đạt giá trị cao nhất tại bước sóng
9340nm thuộc vùng tia hồng ngoại, (ánh sáng nhìn thấy trong khoảng 400nm đến
700nm). Giá trị bước sóng cực đại này được xác định bởi định luật chuyển Wien. Nếu bộ
cảm ứng nhiệt điện sinh ra điện tích tỉ lệ thuận với năng lượng được hấp thụ, độ chênh
lệch năng lượng cần thiết để có một kết quả chính xác được tính bằng định luật Stefan Boltmann cho biết mối liên quan giữa năng lượng bức xạ và nhiệt độ. Như vậy, với biến
thiên rất nhỏ của nhiệt độ cơ thể ta cũng thu được sự biến thiên nhiệt lớn. Điều này tăng
sự chính xác của phép đo. Khi dùng nhiệt kế hồng ngoại này người ta đo nhiệt độ trực
tiếp từ màng nhĩ của tai, do đó nó sẽ phản ánh trung thực hơn giá trị nhiệt độ cơ thể. Điều
này các nhiệt kế y tế kiểu cũ không thể thực hiện được.[11]
2.1.7 Các loại nhiệt kế chuyên dụng
 Nhiệt kế đảo:
Đo nhiệt độ nước biển ở các tầng có độ sâu khác nhau. Nhiệt kế đảo có cấu
tạo đặc biệt, thắt hẹp ở gần bầu thủy ngân. Đặt nhiệt kế này ở độ sâu cần đo, cột thủy
ngân sẽ ngắt khỏi bầu, khi kéo nhiệt kế đảo lên thành tàu, nhiệt kế chỉ nhiệt độ đã đo
được ở độ sâu đó.[12]
 Nhiệt kế độ sâu:
Nhiệt kế độ sâu (còn gọi là nhiệt kế sâu), đo phân bố nhiệt độ theo độ sâu,
ứng dụng trong hải dương học. Nhiệt kế độ sâu sử dụng bộ cảm biến bằng thủy ngân
hoặc dầu xilen.[13]
 Nhiệt kế tiếp điểm:
Là dụng cụ đo và khống chế nhiệt độ tự động theo nguyên lí đóng mở
mạch khi chất lỏng trong dụng cụ tiếp xúc hoặc không tiếp xúc với tiếp điểm của mạch
điều khiển. Nhiệt kế tiếp điểm thường sử dụng cho các lò và tủ sấy với nhiệt độ thấp hơn
5000C. Cao kế điểm sôi: Nhiệt kế chuyên để đo các nhiệt độ cao như điểm sôi của các
chất.[14]
 Nhiệt kế thường:
Là một dụng cụ khí tượng thủy văn dùng để đo nhiệt độ tại thời điểm quan
trắc. Nó thuộc loại nhiệt biểu chất lỏng. Khi nhiệt độ môi trường thay đổi thể tích chất
lỏng trong bầu cảm ứng cũng thay đổi, đẩy chất lỏng dâng lên hoặc hạ xuống trong ống

vi quản. Căn cứ vào mực trên của cột chất lỏng trong ống vi quản ta có thể xác định được
nhiệt độ tại thời điểm đó nhờ thang chia độ.[15]

SVTH: Vũ Quốc Thái

13

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

2.2 Các khái niệm cơ bản và đặc trưng của cảm biến
2.2.1 Khái niệm cảm biến
Cảm biến (sensor) là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi của các tác động vật
lý bên ngoài, biến đổi thành các đại lượng điện tử có thể đo và xử lí được.
Cảm biến chịu tác động của các đại lượng cần đo, kí hiệu m, không có tính chất
điện (như nhiệt độ, áp suất, cường độ sáng, cường độ chấn động…) và cho ra một đặc
trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng…) kí hiệu là
s.[16] Đặc trưng điện là hàm của đại lượng cần đo m.
s = F(m)
(2.6)
Trong đó m là đại lượng đầu vào hay kích thích, s là đại lượng đầu ra hoặc phản
ứng của cảm biến. Thông qua việc đo đạc s cho phép ta nhận biết được giá trị của m.

Hình 2.9 Sự biến đổi của đại lượng đo m và phản ứng s theo thời gian [16]
Biểu thức (2.6) là dạng lý thuyết biểu diễn hoạt động của cảm biến, sơ đồ trên
minh họa cho sự biến thiên của đại lượng phản ứng s khi đại lượng m thay đổi theo thời

gian.
Có hai loại cảm biến thông dụng
Cảm biến tích cực: hoạt động như máy phát, trong đó thành phần (s) là điện tích,
điện áp hay dòng, nguyên lý của cảm biến tích cực là biến đổi dạng năng lượng nào đó
(nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện.[17]
Cảm biến thụ động: hoạt động như trở kháng trong đó thành phần (s) là điện trở,
độ tự cảm hoặc điện dung, thường được chế tạo bằng trở kháng có một trong các thông số
chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo.[17]
Thành phần cảm biến trong hệ thống điều khiển
Vì cảm biến là một thành phần trong hệ thống điều khiển tự động nên ta tìm hiểu
tổng quan về sơ đồ điều khiển tự động.

SVTH: Vũ Quốc Thái

14

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Hình 2.10 Sơ đồ khối hệ thống tự động
 Trong đó:
 Nhiệm vụ của cảm biến:
+ Tiếp cận các tín hiệu vào (ví dụ như: nhiệt, quang, cơ….).
+ Chuyển đổi các tín hiệu đó thành các đại lượng vật lý khác (thường là tín hiệu
điện).
+ Truyền cho mạch điều khiển (bộ xử lí tín hiệu).

+ Nhiệm vụ của bộ phận xử lý thông tin (bộ phận điều khiển):
+ Thu nhận thông tin từ cảm biến.
+ Xử lý thông tin: tổ hợp, phân tích, so sánh, phân phối… do chương trình điều
khiển quy định.
+ Xuất lệnh điều khiển đến cơ cấu chấp hành.
 Nhiệm vụ của cơ cấu chấp hành
Phần tử chấp hành sẽ thực hiện các hoạt động như: đóng, mở, đẩy, ngắt… các
chuyển động của các bộ phận máy, các van, hay các thiết bị thực hiện nhiệm vụ của
mình.

Đường cong chuẩn của cảm biến
Đường cong chuẩn của cảm biến là đường biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng
điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị đại lượng cần đo (m) ở đầu vào. Nó biểu diễn
dưới dạng đồ thị như hình 2.11

Hình 2.11 Dạng đường cong chuẩn [18]
SVTH: Vũ Quốc Thái

15

Hình 2.12 Dạng tuyến tính [18]
SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến ta có thể xác định giá trị m i thông qua
giá trị đo được s i.

Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa
đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s = F(m) có dạng:
s = am + b
(2.7)
là phương trình tuyến tính với a, b là hằng số, khi đó đường cong chuẩn là đường
thẳng như hình 2.12 Dạng tuyến tính
2.2.2 Các thông số đặc trưng cơ bản của cảm biến
 Độ nhạy của cảm biến
Thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính
giữa biến thiên đầu ra
và sự biến thiên đầu vào
:
= S.
(2.8)
Trong đó S là độ nhạy S 

s
của cảm biến:
m

Nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm
việc nhất định của cảm biến.
Đơn vị đo của độ nhạy vào nguyên lí làm việc của cảm biến và các đại lượng
liên quan. Ví dụ:
- S (  /0C) đối với nhiệt điện trở.
- S (  V/0C) đối với cặp nhiệt điện.
Một trong những vấn đề quan trọng khi thiết kế và sử dụng cảm biến là làm
sao cho độ nhạy S của chúng không đổi hay S phụ thuộc duy nhất vào các yếu tố sau:
- Giá trị đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.
- Thời gian sử dụng (độ lão hóa).

- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác của môi trường xung quanh.
 Sai số
Các bộ cảm biến cũng giống như những dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng
cần đo nó còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa các giá
trị đo được và các giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x (sai số tuyệt đối) là độ lệch
tuyệt đối giữa các giá trị đo được và các giá trị thực x, vậy sai số tương đối của cảm biến:


x
100%
x

(2.9)

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì ta không thể biết chính xác
hoàn toàn giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số cảm biến người ta thường
phân chúng làm hai loại, sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.

SVTH: Vũ Quốc Thái

16

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Sai số hệ thống không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp. Đối với một giá trị cho

trước của đại lượng cần đo, sai số hệ thống có thể không đổi giữa giá trị đo được và giá
trị thực. Sai số hệ thống thường có nguyên nhân do sự hiểu biết sai lệch và không đầy đủ
về hệ do điều kiện sử dụng không tốt.
Các nguyên nhân gây nên sai số hệ thống:
- Sai số do giá trị đại lượng chuẩn không đúng.
- Sai số do đặc tính của cảm biến.
- Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng.
- Sai số do xử lý kết quả đo.
Sai số ngẫu nhiên là sai số mà sự xuất hiện của chúng có biên độ và dấu không xác
định. Một số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên có thể dự đoán được nhưng độ lớn của
chúng thì không thể biết trước. Các nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên:
- Sai số do tính không xác định của thiết bị.
- Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
- Sai số do các đại lượng ảnh hưởng.
Trong nhiều trường hợp ta có thể giảm độ lớn của sai số ngẫu nhiên bằng một số
biện pháp thích hợp như: bảo vệ mạch đo bằng cách ổn định nhiệt độ và độ ẩm của môi
trường đo, sử dụng các giá đỡ chống rung, sử dụng các bộ tự điều chỉnh điện áp nguồn
nuôi, các bộ chuyển đổi tương tự số có độ phân giải thích hợp, che chắn và nối các thiết
bị điện, sử dụng bộ lọc tín hiệu…, ngoài ra việc áp dụng chế độ vận hành đúng đắn cũng
là biện pháp tốt để giảm sai số ngẫu nhiên.
 Độ chính xác và độ chính xác lặp lại
Độ chính xác là đặc trưng của thiết bị cho ra kết quả đo gần với giá trị thực của đại
lượng cần đo.
Độ chính xác lặp lại mà miền giá trị đầu ra có thể nhận được khi cảm biến đo cùng
một giá trị đầu vào nhiều lần.
 Độ phân giải
Độ phân giải đối với mỗi cảm biến là sự thay đổi lớn nhất của giá trị đo mà không
làm giá trị đầu ra của cảm biến thay đổi. Nói cách khác là giá trị được đo có thể thay đổi
bằng độ lớn phân giải mà không làm thay đổi giá trị đầu ra của cảm biến.
Ví dụ: độ phân giải của cảm biến nhiệt độ.

SVTH: Vũ Quốc Thái

17

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Đầu ra là số bước
tương đương với nhiệt độ

Độ phân giải =+/- 0.250

5.250 5.500

Nhiệt độ

Hình 2.13 Độ phân giải của cảm biến nhiệt độ [18]
 Độ tuyến tính
Bộ cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định, nếu trong dải đo đó
độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị đại lượng đo (m), bộ cảm biến là lý tưởng khi mà
đầu ra tuyến tính chính xác với đại lượng đo nhưng thực tế không có đầu đo nào được
hoàn hảo như thế.
Nếu cảm biến không tuyến tính người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh
sao cho tín hiệu nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào, sự
hiệu chỉnh đó gọi là tuyến tính hóa.

Các cảm biến luôn có sai số về không tuyến tính, sai số về độ tuyến tính không
phải xảy ra trên toàn bộ miền đo như hình 2.13
Miền đo

Sai số
tuyệt đối

Điểm xa nhất
Đường thẳng lí tưởng
Đầu ra thực tế của cảm biến

Hình 2.13 Sai số trên lý thuyết [18]
Trên hình ta thấy tại vị trí ở trung tâm và đầu giới hạn thì sai số nhiều nhất, đó là
sai số tuyệt đối, nhưng sai số này lại rất nhỏ, có thể chấp nhận được.
 Độ nhanh, thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra có
theo kịp thời gian với biến thiên của đại lượng đo hay không, vì vậy cảm biến có độ
SVTH: Vũ Quốc Thái

18

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ

nhanh càng lớn càng tốt, điều này rất quan trọng với các thiết bị chuyển đổi tốc độ cao
như robot, máy công cụ điều khiển số.

Thời gian hồi đáp là thời gian từ khi tín hiệu đo biến thiên đến khi có tín hiệu ra từ
cảm biến như vậy cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp càng ngắn.
 Giới hạn sử dụng cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt tác
động lên chúng, nếu các ứng dụng này vượt quá ngưỡng cho phép thì chúng sẽ làm thay
đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến ta phải hiểu rõ những
giới hạn này và tuân thủ chúng.
Vùng làm việc danh định: Vùng này tương ứng với điều kiện sử dụng bình thường
của cảm biến, biên giới của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đai lượng
vật lý có liên quan tới 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 hư hỏng: Khi các giá trị của đại lượng đo hoặc các đại lượng liên
quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng vùng làm việc danh định nhưng vẫn
còn trong phạm vi của vùng không gây hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có nguy cơ
bị thay đổi nhưng những thay đổi này có tính chất thuận nghịch, tức là khi trở về vùng
danh định thì các đặc trưng của cảm biến cũng sẽ tìm lại được giá trị ban đầu của chúng.
Vùng không phá hủy: Khi các giá trị của đại lượng đo hoặc các đại lượng không
liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng
nhưng vẫn nằm trong phạm vi của vùng không phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị
thay đổi, và sự thay đổi này không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định các đặc
trưng của cảm biến cũng sẽ không tìm lại được giá trị ban đầu của chúng. Trong trường
hợp như vậy muốn tiếp tục sử dụng cảm biến cần phải chuẩn lại.
2.2.3 Phân loại các bộ cảm biến
Các bộ cảm biến có thể được phân loại theo các phương pháp khác nhau sau
đây:
 Theo nguyên lí chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

Hiện tượng

Vật lý

SVTH: Vũ Quốc Thái

Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Nhiệt điện
Quang điện
Quang từ
Quang đàn hồi
Điện từ
Từ điện
Nhiệt từ
Nhiệt điện

19

SP.Vật Lý-Tin Học


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Vương Tấn Sĩ
Biến đổi hóa học
Biến đổi điện hóa
Phân tích phổ
Biến đổi sinh hóa
Biến đổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống

Hóa học
Sinh học

Bảng 2.1 Phân loại cảm biến theo nguyên lí chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích [19]
 Theo dạng kích thích

Các đặc tính của kích thích
Biên, pha, phân cực
Phổ
Tốc độ truyền sóng
Điện tích, dòng điện.
Điện thế, điện áp
Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)
Từ thông, cường độ từ trường
Độ từ thẩm
Biên, pha, phân cực, phổ
Tốc độ truyền
Hệ số phát xạ, khúc xạ
Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ
Vị trí
Lực, áp suất
Gia tốc, vận tốc
Ứng suất, độ cứng
Momen
Khối lượng, tỉ trọng
Vận tốc chất lưu, độ nhớt
Nhiệt độ
Thông lượng
Nhiệt dung
Tỉ nhiệt
Kiểu
Năng lượng

Cường độ

Kích thích
Âm thanh
Điện
Từ

Quang

Cơ

Nhiệt

Bức xạ

Bảng 2.2 Phân loại cảm biến theo dạng kích thích [19]

SVTH: Vũ Quốc Thái

20

SP.Vật Lý-Tin Học