Luận Văn Tốt Nghiệp Linh Kiện Cảm Biến Và Ứng Dụng

Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

LỜI CẢM ƠN
Khi bắt đầu nghiên cứu đề tài “Linh kiện cảm biến và ứng dụng” tôi đã biết có
những lúc gặp khó khăn về việc tìm tài liệu, gặp những khúc mắc về kiến thức,
nhưng qua quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình
của GVHD, sự cố gắng của bản thân cuối cùng tôi cũng hoàn thành xong đề tài
“Linh kiện cảm biến và ứng dụng”.
Đề tài này là vốn kiến thức quí báu cho tôi sau khi ra trường, nó có ảnh hưởng
rất lớn đến công việc học tập và giảng dạy của tôi sau này. Vì thế tôi vô cùng biết
ơn các thầy cô trường Đại học Cần Thơ mà đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn sư
phạm Vật Lý đã tận tình giảng dạy cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường,
tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến quí thầy cô.
Đặc biệt với sự giúp đỡ của thầy Vương Tấn Sĩ tôi đã vượt qua những lúc khó
khăn để hoàn thành đề tài, tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cảm ơn thầy trong suốt
thời gian vừa qua đã giúp đỡ và động viên em, để em hoàn thành đề tài này, em xin
chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện
Nguyễn Bình Kha

MỤC LỤC
A. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 4
2. Mục đích nghiên cứu ........................................................................................ 5
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..................................................................... 5
SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 1 GVHD: Vương Tấn Sĩ

Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

3.1. Đối tượng nghiên cứu................................................................................ 5
3.2. Phạm vi nghiên cứu................................................................................... 5
4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................... 6
5. Các bước thực hiện đề tài.................................................................................. 6
6. Tổng quan về việc sử dụng các mạch cảm biến trong đời sống hiện nay........... 7

B. PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CÁC CẢM BIẾN VÀ NGUYÊN LÝ
HOẠT ĐỘNG
1. Nguyên tắc hoạt động chung của các cảm biến ................................................. 8
2. Phân loại cảm biến............................................................................................ 9
2.1. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích............................. 9
2.2. Theo dạng kích thích............................................................................... 10
2.3. Theo tính năng các bộ cảm biến .............................................................. 11
2.4. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến................................................... 11
3. Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến ............................................................ 11
3.1. Hàm truyền ............................................................................................. 12
3.2. Độ lớn của tín hiệu vào ........................................................................... 13
3.3. Sai số và độ chính xác.................................................................................. 13 4.
Chuẩn các bộ cảm biến ................................................................................... 14
4.1. Chuẩn đơn giản....................................................................................... 15
4.2. Chuẩn nhiều lần ...................................................................................... 15
5. Độ tuyến tính.................................................................................................. 16
5.1. Điều kiện có tuyến tính ............................................................................16
5.2. Đường thẳng tốt nhất – độ lệch tuyến tính............................................... 16
6. Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng................................................ 17
7. Cảm biến tích cực và thụ động........................................................................ 18

8. Mạch giao diện ............................................................................................... 21
8.1. Các đặc tính đầu vào của mạch giao diện ................................................ 21
8.2. Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA)............................... 21
8.3. Bộ khuếch đại đo lường IA ..................................................................... 22
9. Truyền dữ liệu ................................................................................................ 25
9.1. Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây.............................................. 25
9.2.Đường truyền bốn dây.............................................................................. 25

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 2 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

9.3. Đường truyền sáu dây............................................................................. 26
10. Nhiễu............................................................................................................ 26
11. Giới thiệu một số cảm biến ........................................................................... 27
11.1. Cảm biến nhiệt độ ................................................................................. 27
11.2. Cảm biến quang .................................................................................... 35
11.3. Cảm biến vị trí và dịch chuyển.............................................................. 48
11.4. Cảm biến đo áp suất.............................................................................. 49
11.5. Cảm biến đo vận tốc.............................................................................. 54
11.6. Cảm biến thông minh............................................................................ 59
12. Để được một mạch cảm biến hoàn chỉnh....................................................... 66

CHƯƠNG II. SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG
HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG
DỤNG THỰC TIỄN
1. Giới thiệu sơ lược các mạch cảm biến............................................................. 68

2. Ứng dụng........................................................................................................ 68
2.1. Ứng dụng của quang điện trở trong mạch tự động bật đèn khi trời tối ..... 68
2.2. Ứng dụng của phototransistor trong mạch chống trộm ............................ 72
2.3. Mạch báo nước cạn và tự động bơm nước đầy ........................................ 74
2.4. Ứng dụng của nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor) trong mạch đo nhiệt độ
môi trường.......................................................................................................... 77
2.5. Ứng dụng của Phototransistor trong mạch đèn nhấp nháy ....................... 79
2.6. Mạch cảm biến báo mức chất lỏng và tự động bơm nước khi nước cạn... 81
C. KẾT LUẬN ............................................................................................... 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A. PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, thế giới đang trên đà phát triển về tất cả mọi mặt mà đặc biệt quan
trọng đối với đời sống con người đó chính là việc phát triển mạnh mẽ lĩnh vực công
nghệ thông tin, điện và điện tử. Ngày nay ánh đèn điện và máy vi tính đã trở nên

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 3 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

quen thuộc và là nhu cầu không thể thiếu của con người. Sự đóng góp quan trọng
của công nghệ kỹ thuật điện và công nghệ thông tin là chìa khóa giúp con người
phát triển và tìm ra những điều mới, những phát minh để phục vụ cho đời sống con
người. Không những biết cách phát triển các lĩnh vực riêng lẻ đó mà chúng ta đang
tiến hành việc kết hợp hai lĩnh vực quan trọng này lại với nhau để tìm đến những

ứng dụng mới tiện lợi mới, sự ra đời của ngành khoa học mang tên “Kỹ thuật điện
tử” là bước nhảy vọt quan trọng trong việc kết hợp hai lĩnh vực kỹ thuật điện và
công nghệ thông tin.
Kỹ thuật điện tử ngày nay đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa
học công nghệ khác nhau mà điển hình đó là Vật Lý học. Việc chế tạo ra các vi
điều khiển (chip) dựa trên ngôn ngữ lập trình (phần mềm) và các linh kiện điện tử
(phần cứng) là một minh chứng cho sự tiện lợi của Kỹ thuật điện tử.
Gắn liền với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học mới là sự ra đời của
các vi điều khiển tinh vi và nhỏ gọn hơn, dần dần đó là sự ra đời và phát triển mạnh
mẽ của cảm biến (sensor). Cảm biến là các thiết bị giúp con người có thể điều
khiển, đo đạc và xử lý nhiều đại lượng (không điện hoặc có điện) như: nhiệt độ,
ánh sáng, độ ẩm của môi trường, mật độ ion trong dung dịch, nồng độ chất độc hại
trong môi trường, nồng độ phóng xạ, các luồng sóng siêu âm…Từ đó chúng ta có
thể đánh gía phẩm chất tình trạng của một vật thể một cách đơn lẻ hay cả trong một
hệ thống máy móc tự động hóa. Một ví dụ điển hình là các robot công nghiệp hoạt
động một cách hoàn toàn tự động dưới sự hỗ trợ và giám sát liên tục của các cảm
biến, hay đơn giản hơn là các mạch cảm biến phát cảnh báo, điều khiển hệ thống
đèn.
Xuất phát từ nhiều ứng dụng thực tế của các mạch cảm biến trong đời sống và
niềm đam mê học hỏi và sáng tạo tôi đã thực hiện đề tài nghiên cứu “Linh kiện cảm
biến và ứng dụng”.

2. Mục đích nghiên cứu

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 4 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Việc sử dụng các cảm biến ngày nay đang trở nên phổ biến và gần gũi hơn với
tất cả mọi người vì vậy chúng ta cần nghiên cứu các cảm biến về cấu tạo cũng như
nguyên lý hoạt động của chúng, từ đó chúng ta sẽ sử dụng các cảm biến có hiệu quả
tốt hơn.
Biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến và một số kiến thức về
điện tử căn bản ta có thể ráp được một một số mạch cảm biến đơn giản phục vụ nhu
cầu trong gia đình và xa hơn nữa là phục vụ trong các lĩnh vực của đời sống xã hội.
Mục đích chính của đề tài cũng chính là việc đưa ra các mạch cảm biến ứng
dụng trong cuộc sống từ việc nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
chúng.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là các cảm biến thường dùng như: cảm
biến quang, cảm biến nhiệt, cảm biến áp suất..., ngoài ra các linh kiện điện tử như
IC, transistor…các linh kiện bán dẫn cũng là nhóm đối tượng nghiên cứu thêm của
đề tài.
Từ việc nghiên cứu các đối tượng trên đề tài sẽ đi đến việc nghiên cứu các ứng dụng
của chúng là các mạch cảm biến, mạch điện tử đơn giản.

3.2. Phạm vi nghiên cứu
Các cảm biến và các linh kiện điện tử, linh kiện bán dẫn trong đề tài là các cảm
biến và linh kiện có cấu tạo và nguyên lý hoạt động đơn giản, có giá thành rẻ và

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 5 GVHD: Vương Tấn Sĩ

Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

thường gặp trong đời sống (cảm biến quang, cảm biến nhiệt, transistor,
thyrictor…).
Các mạch ứng dụng được thiết kế từ các cảm biến và linh kiện trên cũng là các
mạch cảm biến, mạch điện tử có nguyên lý hoạt động đơn giản. Tuy nhiên ứng
dụng của các mạch này là rất phổ biến và cần thiết cho chúng ta.

4. Phương pháp nghiên cứu
Sưu tầm và tổng hợp các tài liệu có liên quan đến các đối tượng nghiên cứu của đề
tài.
Thực hành ráp các mạch cảm biến, mạch điện tử trên máy tính (dùng phần mềm
Crocodile).

5. Các bước nghiên cứu
Đầu tháng 10 năm 2009 nhận đề tài từ giáo viên hướng dẫn.
Từ ngày 02 đến ngày 31 tháng 10 năm 2009 viết đề cương và bản thảo của luận văn.
Từ ngày 01 đến 30 tháng 11 năm 2009 sưu tầm và tổng hợp các tài liệu liên quan đến
đề tài.
Từ ngày 01 đến 30 tháng 12 năm 2009 hoàn thành xong phần mở đầu của đề tài.
Từ ngày 01 đến 30 tháng 01 năm 2010 hoàn thành xong phần nội dung chương I của
đề tài.
Từ ngày 20 tháng 02 đến ngày 20 tháng 04 năm 2010 hoàn thành xong phần nội
dung chương II (lý thuyết và ráp mạch trên Crocodile) của đề tài.
Từ ngày 21 đến ngày 28 tháng 04 năm 2010 hoàn thành xong phần kết luận của đề
tài, hoàn thành xong nội dung của đề tài.

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 6 GVHD: Vương Tấn Sĩ

Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Ngày 29 tháng 04 năm 2010 nộp bài cho GVHD và GVPB.
Ngày 12 tháng 05 năm 2010 báo cáo đề tài.

6. Tổng quan về việc sử dụng các mạch cảm biến trong đời sống hiện nay
Trong cơ thể con người các giác quan đóng vai trò thu nhận thông tin từ bên
ngoài, cũng như thế các dữ liệu thông tin từ bên ngoài của một hệ thống máy móc,
điện tử tự động được cảm biến tiếp nhận xử lý trước khi đưa về trung tâm để tiếp
tục được xử lý và phản hồi cho việc đo đạc và tự động hóa.
Các bộ cảm biến ngày nay được xem như một phần tử được sản xuất hang loạt
và có mặt rộng rãi trên thị trường bao gồm một chuyển đổi đo lường sơ cấp đặt
trong vỏ bảo vệ, có hình dạng và kích thước phù hợp cho nhu cầu sử dụng. Với
nhiều kích cỡ và chức năng khác nhau cảm biến dễ dàng đi sâu vào các lĩnh vực
của đời sống xã hội. Trong công nghiệp là các cảm biến điều khiển robot hoạt
động, điều khiển một dây chuyền sản xuất, các mã vạch cũng chính là ứng dụng
của cảm biến (cảm biến quang). Trong lĩnh vực nông nghiệp thì cảm biến chính là
các máy đo độ pH, máy đo độ ẩm. Trong công nghệ thông tin: công nghệ cáp
quang cũng chính là một thành tựu của cảm biến đo lường và điều khiển.
Trong đời sống hàng ngày chúng ta cũng có thể thấy được các ứng dụng của
cảm biến như hệ thống đèn đường (cảm biến quang), một số máy đo nhiệt độ và các
thiết bị báo động cháy nổ là ứng dụng của cảm biến nhiệt và cảm biến khói, các
máy đo lực nén là ứng dụng của cảm biến biến dạng.
Việc sử dụng cảm biến để phục vụ nhu cầu của con người ngày nay đã trở nên
quen thuộc và dễ dàng hơn cho tất cả mọi người.

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 7 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

B. PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU CÁC CẢM BIẾN VÀ
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN
1. Nguyên tắc hoạt động chung của các cảm biến:
Trong các hệ thống đo lường – điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng
bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment…Các biến trạng thái
này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các
quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng
thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và
đáp ứng với các tín hiệu kích thích. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa rộng
là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tính hiệu và kích thích.
Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên
ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ
thần kinh….Trong các quá trình đo lường – điều khiển thông tin được truyền tải và
xử lý dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử.
Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình 1)
trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra đáp ứng y của bộ cảm biến
với kích thích đầu vào x, w(t) là hàm truyền đạt.

Kích thích
SENSOR
W

Đáp ứng

y(t)

Hình 1. Mô hình mạch của bộ cảm biến
Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có
dạng:

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 8 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

y = f(x) (1)
Quan hệ (1) thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp
ứng kích thích.
Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín
hiệu thường do máy tính đảm nhiệm.

Chương trình

Bộ cảm biến

Bộ vi xử lý

Cơ cấu chấp hành

Hình 2. Hệ thống tự động điều khiển quá trình

Quá trình được đặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu

nhận. Đầu ra của bộ cảm biến được nối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. Đầu
ra của bộ vi xử lý được nối ghép với bộ cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá
trình. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò
cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ
xử lý thông tin và đưa tín hiệu điều khiển quá trình.

2. Phân loại các bộ cảm biến:
Các bộ cảm biến có thể được phân loại theo các phương pháp khác nhau sau đây.
2.1. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích:

Hiện tượng

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Chuyển đổi đáp ứng và kích thích

Trang 9 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Vật lý

Hóa học

Sinh học

Nhiệt điện
Quang điện
Quang từ

Điện từ
Quang đàn hồi
Từ điện
Nhiệt từ
Nhiệt quang
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

2.2. Theo dạng kích thích:

Kích
thích
Âm
thanh

Điện

Từ

Quang

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Các đặc tính của kích thích
Biên, pha, phân cực
Phổ

Tốc độ truyền sóng
Điện tích, dòng điện
Điện thế, điện áp
Điện trường (biên, pha, phân cực,
phổ)
Điện dẫn, hằng số điện môi
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, hẹ số bức xạ

Trang 10 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Cơ

Nhiệt

Bức xạ

Vị trí
Lực, áp suất
Gia tốc, vận tốc
Ứng suất, độ cứng
Momen

Khối lượng, tỉ trọng
Vận tôc chất lưu, độ nhớt
Nhiệt độ
Thông lượng
Nhiệt dung
Tỉ nhiệt
Kiểu
Năng lượng
Cường độ

2.3. Theo tính năng các bộ cảm biến:

Độ nhạy
Độ trễ
Độ chính xác
Khả năng quá tải
Độ phân giải
Tốc độ đáp ứng
Độ chọn lọc
Độ ổn định (ngắn, dài hạn)
Độ tuyến tính
Tuổi thọ
Công suất tiêu thụ Điều kiện môi trường
Dải tần
Kích thước, trọng lượng
2.4. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến:

Công nghiệp
Nghiên cứu hóa học
Môi trường, khí tượng

Thông tin, viễn thông
Nông nghiệp
Dân dụng
Giao thông
Vữ trụ, quân sự

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 11 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

2.5. Theo thông số của mô hình mạch thực tế:
Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số:
- Cảm biến tích cực (có nguồn): đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng được
biểu diễn bằng mạng hai cửa có nguồn.
- Cảm biến thụ động (không nguồn): được biểu diễn bằng mạng hai cửa
không nguồn có trở kháng phụ thuộc vào kích thích, được đặc trưng bởi
các thông số R, L, C, M…tuyến tính hoặc phi tuyến.

3. Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến:
Theo quan điểm mô hình mạch ta coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan
hệ đáp ứng – kích thích được biểu diễn bằng phương trình: y = f(x). Quan hệ này
được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản của bộ cảm biến. Ta có thể định nghĩa
các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau:
3.1. Hàm truyền:
Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng
bảng giá trị, graph hoặc biểu thức toán học. Gọi x là kích thích, y là tín hiệu đáp
ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể

được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit hàm lũy thừa hoặc
hàm mũ.
Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng:
y = a + bx
Ở đây a là hằng số tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng 0, b là độ nhạy, y là một
trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các
tính chất của bộ cảm biến. Hàm truyền logarit có dạng:

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 12 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

y = 1 + blnx
Dạng mũ:
y = aekx

Dạng lũy thừa:
y = a0 + a1xk
Ở đây k là hằng số.
Các bộ cảm biến phi tuyến không thể được đặc trưng bằng các hàm truyền kể
trên, trong trường hợp này ta phải sử dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc
cao.
Đối với hàm truyền phi tuyến, hoặc hàm truyền ở chế độ động độ nhạy phải được
định nghĩa theo công thức:
dy(x0 ) b=
dx

Trong nhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương
pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
3.2. Độ lớn của tín hiệu vào:
Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà
sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi
tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng
logorit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào.
P2
u2
1dB= 10lg P1= 20lg

SVTH: Nguyễn Bình Kha

u1

Trang 13 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Quan hệ giữa tỷ số công suất, tỷ số điện áp (hoặc dòng điện) tính theo dexibel được
cho trong bảng sau:
3.3. Sai số và độ chính xác:
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo
(cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa
giá trị đo và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi x là độ lệch tuyệt đối giữa giá
trị đo và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:
x
δ=

.100
x

Khi đánh gia sai số của bộ cảm biến ta thường phân thành hai loại: sai số hệ thống
và sai số ngẫu nhiên:
-

Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá
trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào
một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai
số hệ thống thường do thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử
dụng không tốt.

Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống là:
+ Do nguyên lý cảm biến.
+ Giá trị đại lượng chuẩn không đúng.
+ Do đặc tính của bộ cảm biến.
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng.
+ Do xử lý kết quả đo.
SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 14 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

-

Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không
xác định. Có thể dự đoán được một số nguyên nhân cảu sai số

ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán độ lớn và dấu của nó.
Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
+ Do các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi trường không được tính
đến trong khi chuẩn cảm biến. Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số
phương pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của
nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số,
vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lương thống kê.

4. Chuẩn các bộ cảm biến:
Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải thích mối liên hệ
giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng.
Các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật lý liên quan đến đáp ứng
như độ lớn, chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích. Ngoài ra chúng cũng có
thể là các đại lượng vật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ
cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi hồi áp. Thông thường các đại lượng vật lý
này là các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…và các thông số của
nguồn như biên độ, tấn số, điện áp làm việc của các bộ cảm biến.
4.1. Chuẩn đơn giản:
Chuẩn đơn giản là phép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích
thích xác định và sử dụng một bộ cảm biến không nhạy với các đại lượng và không
chịu tác động của kích thích này. Đây là trường hợp đặc biệt của các kích thích
tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi. Trong những điều kiện này việc

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 15 GVHD: Vương Tấn Sĩ

Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

chuẩn cảm biến chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với
các giá trị tương ứng của đáp ứng đầu ra. Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một
trong các phương pháp sau đây:
- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn
hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao.
- Chuẩn gián tiếp: sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong
chuẩn và so sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được
đặt trong cùng một điều kiện làm việc. Khi tác động lần lượt lên hai
bộ cảm biến bằng cùng một kích thích ta nhận được các kết quả tương
ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn.
Thực hiện lại với các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong
chuẩn cho bộ cảm biến.
4.2. Chuẩn nhiều lần:
Khi bộ cảm biến có chưa những phần tử có độ trễ, giá trị đáp ứng không chỉ
phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá trị trước
đó của kích thích này. Khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình tự sau
đây:
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến, đó là điểm gốc khi kích thích thì đáp ứng
của bộ cảm biến phải bằng không.
- Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đầu cho kích thích có giá trị cực đại
sau đó giảm dần, nhờ đó có thể xác định đường cong chuẩn theo cả hai
hướng kích thích tăng dần và giảm dần.

5. Độ tuyến tính:
5.1. Điều kiện có tuyến tính:

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 16 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó
độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Nếu như cảm biến không
phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là
tuyến tính hóa, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng
đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến
tĩnh và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào các thay đổi của đại lượng
đo còn ở trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở
chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo m, đồng thời các thông số quyết định đáp ứng
(như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ζ ) cũng không
phụ thuộc vào đại lượng đo.
5.2. Đường thẳng tốt nhất – độ lệch tuyến tính:
Khi chuẩn cảm biến người làm thực hiện nhận được một loạt các điểm tương
ứng của si, mi. Ngay cả trong trường hợp về mặt lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì
các điểm này cũng không nằm trên một đường thẳng. Đó là bởi vì sự không chính
xác trong khi đo và những sai lệch trong khi chế tạo cảm biến. Tuy nhiên, từ các
điểm thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến
tính của cảm biến. Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất. Biểu thức của
đường thẳng tốt nhất được tính bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất.
s = am + b

trong đó:
a= N.simi2 si.m2

i

N.mi (mi )

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 17 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

b=

s .m s .m .
2

i

i 2

i

i

2

mi

N.mi (mi )

Với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến.
Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường
cong chuẩn. Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường
thẳng tốt nhất (tính bằng %) trong dải đo.

6. Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng:
Để đánh gia thời gian hồi đáp của đáp ứng theo kích thích người ta sử dụng
khái niệm độ tác động nhanh của bộ cảm biến. Thời gian hồi đáp τ là khoảng thời
gian từ khi kích thích bắt đầu tác động cho đến khi biến thiên của đáp ứng chỉ còn
khác giá trị cuối một giới hạn qui định ε %. Thời gian hồi đáp τ càng nhỏ chứng tỏ
bộ cảm biến đáp ứng càng nhanh.
Khi kích thích có dạng bước nhảy đơn vị thì đặc tính của đáp ứng của bộ cảm biến
có thể có những dạng sau đây:
- Đáp ứng tức thời.
- Đáp ứng trễ theo hàm mũ.
- Đáp ứng tức thời và suy giảm.
- Đáp ứng trễ và suy giảm.
- Đáp ứng cộng hưởng dài hẹp.

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 18 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

7. Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động:
7.1. Cảm biến tích cực:
Hoạt động như một máy phát, về mặt nguyên lý cảm biến tích cực thường dựa

trên hiệu ứng vật lý biến đổi một đạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ)
thành năng lượng điện. Dưới đây mô tả một cách tổng quát các dạng ứng dụng của
các hiệu ứng này.
* Hiệu ứng nhiệt điện:
Giữa các đầu ra của hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với
nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 sẽ xuất hiện
một suất điện động e(T1, T2).
Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ T 1 khi biết trước nhiệt độ T2, ví dụ cho
T2 = 00C.
T1

(M1)

eT1
(M2)
00C
(M1)

Hình 3. Hiệu ứng nhiệt điện *
Hiệu ứng hỏa điện:
Một số tinh thể, gọi là tinh thể hỏa điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine), có
tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng
tồn tại những điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện.

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 19 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi
tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng lên làm thay đổi phân cực
điện. Sự thay đổi phân cực này có thể xác định được bằng cách đo sự
biến thiên của điện áp trên 2 cực của tụ điện.
v 

Hình 4. Hiệu ứng hỏa điện
* Hiệu ứng áp điện:
Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện, ví dụ thạch anh,
sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng
trái dấu trên các mặt đối diện của vật. Đó là hiệu ứng áp điện.
Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực
tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc…) thông qua việc đo điện áp trên
hai bản cực của tự điện.
vF
F

Hình 5. Hiệu ứng áp điện
* Hiệu ứng quang điện:
Hiệu ứng quang điện do A.Einstein phát hiện năm 1905.
Hiệu ứng quang điện có nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng cùng chung
một bản chất, đó là việc giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng
của bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo cảm biến quang.

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 20 GVHD: Vương Tấn Sĩ

I
A
Luận
văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”
K

Rm

Hình 6. Hiệu

ứng quang điện

* Hiệu ứng quang điện từ:
Do Verdet phát hiện năm 1863. Khi tác động một từ trường vuông góc với bức
xạ ánh sáng trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế
theo phương vuông góc với từ trường B và phương bức xạ ánh sáng.
Hiệu ứng này được ứng dụng trong các bộ cảm biến đo các đại lượng quang hoặc
biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện.

φ

B

R

u 

Hình 7. Hiệu ứng quang điện từ

* Hiệu ứng HALL:

Năm 1879 nhà vật lý Anh E.H.Hall phát hiện hiệu ứng này. Trong vật liệu
(thường là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo
thành góc θ với dòng điện I sẽ xuất hiện điện áp U H theo phương vuông góc với B
và I và có độ lớn là:
UH = K.I.B.sinθ

K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của mẫu.

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 21 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Hiệu ứng Hall được sử dụng để đo các đại lượng từ, đại lượng điện hoặc xác định vị
trí chuyển động.

+
i

B
0

UH 0

Hình 8. Hiệu ứng HALL

8. Mạch giao diện:
8.1. Các đặc tính đầu vào của mạch giao diện:

Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp,
công suất,…vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải. Cần phải phôi
hợp giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu. Công việc
này gọi là chuẩn hóa tín hiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ
này.
Sơ đồ khối của mạch phối hợp tín hiệu ra của bộ cảm biến và tải:

Bộ cảm biến

Mạch giao diện

Tải

Kích thích
SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 22 GVHD: Vương Tấn Sĩ

Tới hệ thống


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Tổng trở vào của mạch giao diện là tỉ số giữa điện áp và dòng điện phức nhìn từ
cửa vào của mạch:
U
Z=
I

8.2. Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA):

Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở mạch khuếch đại thuật
toán. Đó là mạch khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại rất lớn và tổng trở vào
rất lớn.
Mạch khuếch đại thuật toán thuộc dạng mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm
transistor và các điện trở, tụ điện, mạch khuếch đại thuật toán có:
- Hai ngõ vào đảo (-) và không đảo (+).
- Điện trở vào rất lớn, cỡ hàng trăm MΩ hoặc có thể tới GΩ .
- Điện trở ra rất nhỏ (vài chục Ω ).
- Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ (cỡ vài nv).
- Dòng điện phân cực đầu vào ii rất nhỏ (cỡ pA).
- Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn (Av = 100000).
- Dải tần làm việc rộng.
- Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR (Comon Mode

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 23 GVHD: Vương Tấn Sĩ


Luận văn tốt nghiệp “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Rejection Ratio) là tỷ số hệ khuếch đại của mạch khuếch đại thuật toán
nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán. Thông thường CMRR vào
khoảng 90 dB.
- Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/ µs.
Đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán thông dụng:

Tên OPA

Hãng sản

xuất

Điện áp
lệch
( µV)

TL051ACP
LM324
MC34071

TI
Generic
Motorola

800
3mV
3mV

Dòng
Hệ số
phân cực
nhiệt độ (
ở 250C
0
µV/ C)
(nA)
8
4
7
45

10
100

Hệ số
khuếch
đại AV

Nhiễu nV

100
100
100

75
10,3
55

OPA 741

Hình 9. mạch khuếch đại thuật toán 741
8.3. Bộ khuếch đại đo lường IA (Instrumentational Amplifier)
Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra (hình 10). Hệ số khuếch đại của
IA không cao (có thể chỉnh được từ 1 đến 10 4) có hai đầu vào nhận tín hiệu cần đo,
các điện trở phản hồi có độ chính xác cao, tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp
vào:
V0 = A(V+ - V-) = A.V
Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ
chung và tăng điện trở vào của OPA. Điện áp trên R0 phải bằng điện áp vi sai
đầu vào V và tạo dòng điện i=V/Ro. Các điện áp ra từ OPA là V 01, V02 bằng
nhau về biên độ nhưng ngược pha.

SVTH: Nguyễn Bình Kha

Trang 24 GVHD: Vương Tấn Sĩ