báo cáo đồ án thiết kế nhà thông minh

TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

MỤC LỤC

Phan Phúc Triệu

Trang: 1

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời buổi công nghệ phát triên như vũ báo, ngày càng có nhiều sảm
phẩm ra đời với những tính năng đa dạng, phong phú và đặc biệt rất thông minh.
Khoa học phát triển làm cho những ngành khác cũng phát triển theo, điển hình đó
là ngành điện tử, thơng tin, viễn thơng, cơ khí chế tạo, … các ngành này kết hợp lại
với nhau là tiền đề của sự phát triển các loại máy móc thơng minh. Một hệ thống
máy móc thơng minh được cấu thành tự rất nhiều bộ phận, các bộ vi xử lý được lập
trình phức tạp, các cơ cấu chấp hành, các cơ cấu xử lý phức tạp, … Có một bộ phận
vơ cùng quan trọng để tạo lên sự thơng minh đó khơng kể đến đó các loại cảm biến.
Nhờ có các loại cảm biến, các robot ngày nay được phát triển để nhận biết được các
hành động phức tạp ví dụ như nắn tay, lấy cái cốc thủy tinh sao cho khơng vỡ, hay là
hệ thống tự đóng mở của ra vào của các siêu thị, … Có rất nhiều loại cảm biến đã
được chế tạo và sử dụng theo mục đích khác nhau trong đời sống cảm biến cảm
nhận nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, lực, dòng chảy, …
Một loại cảm biến mà chúng ta bắt gặp rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày và ứng
dụng của nó cũng vơ cùng rộng rãi, đó là cảm biến nhà thơng minh. Dễ dàng bắt gặp
những loại cảm biến này ở trong cuộc sống như là cửa ra vào tại các siêu thị, thiết
bị chống cháy trong các chung cư, …cảm biến nhà thông minh được sử dụng rộng

rãi và phổ biến. Chính vì vậy em được Khoa và Bộ mơn giao nhiêm vụ thực hiện đề
tài: “ TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1” và tìm hiểu sâu vào “Cảm
Biến Nhà Thông Minh” cho đồ án học phần 1 của minh.
Nội dung đô án học phần 1 này gồm IV chương.





Chương I: Giới thiệu tổng quan
Chương II: Các loại cảm biến và ứng dụng
Chương III: Ứng dụng cảm biến điều khiển nhà thông minh
Chương IV: Đánh giá – kết luận

Dù rất cố gắng khi thực hiện đồ án học phần 1 này, nhưng chắc chánh không tránh
khỏi những thiếu sót, rất mong được sự đóng góp của các quý thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!

Phan Phúc Triệu

Trang: 2

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1

Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi các đại lượng vật lý và các
đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và
xử lý được
Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (nhiệt độ, áp
suất, khoảng cách, ánh sáng, độ ẩm, …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc
trưng (s) mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng) chứa
đựng thơng 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 công thức (1.1), s là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm
biến, x là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo),
thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của kích thích (m).
1.2 Phân loại cảm biến

Có rất nhiều loại cảm biến đã được chế tạo và ứng dụng trong thực tế, ta
có thể phân loại cảm biến theo các đặc trưng cơ bản như sau:

(Bảng 1)
Hiện tượng
Hiện tượng vật lý

Hóa Học
Sinh học

Phan Phúc Triệu

Chuyển đổi đáp ứng và kích thích
- Nhiệt điện
- Quang điện

- Quang từ
- Điện từ
- Quang đàn hồi
- Từ điện
- Nhiệt từ
- Biến đổi hóa học
- Biến đổi điện hóa
- Phân tích phổ
- Biến đổi vật lý
- Hiệu ứng trên cơ thể sống
…

Trang: 3

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

1.3

Phân loại theo dạng kích thích
(Bảng 2)
Âm thanh

-

Biên pha, phân cực
Phổ
Tốc độ truyền sóng ..

Điện

-

Điện tích, dịng điện
Điện thế, điện áp
Điện trường
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, hệ số bức xạ ...
Vị trí
Lực, áp suất
Gia tốc, vận tốc
ứng suất, độ cứng
Mơ men
Khối lượng, tỉ trọng
Vận tốc chất lưu, độ nhớt ...
Nhiệt độ
Thơng lượng
Nhiệt dung, tỉ nhiệt ..
Kiểu
Năng lượng

Từ

Quang

Cơ

Nhiệt
Bức xạ

1.4 Theo tính năng của bộ cảm biến
(Bảng 3)
Độ nhạy
- Độ chính xác
- Độ phân giải
- Độ chọn lọc
- Độ tuyến tính
- Cơng suất tiêu thụ
- Dải tần
- Độ trễ
Phan Phúc Triệu

Khả năng quá tải
- Tốc độ đáp ứng
- Độ ổn định
- Tuổi thọ
- Điều kiện mơi trường
- Kích
thước,
trọng
lượng

Trang: 4

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

1.5
•
•
•
•
•
•
•
•
•

Phân loại theo phạm vi sử dụng
Cơng nghiệp.
Nghiên cứu khoa học.
Mơi trường, khí tượng.
Thơng tin, viễn thơng.
Nơng nghiệp.
Dân dụng.
Giao thong.
Vũ trụ.
Qn sự.

1.6 Phân loại theo thơng số của mơ hình mạch thay thế
• Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dịng.

• Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M .... tuyến
tính hoặc phi tuyến.
1.7

Đường cong chuẩn của cảm biến
Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của
đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu
vào. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng
s=f(m).
Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị m i
chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s.
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, khi đó phương trình s = f(m)
có dạng
s = am+b, trong đó a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường
thẳng.

Hình 1.1: Đường cong chuẩn cảm biến

Phan Phúc Triệu

Trang: 5

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
1.8

Các phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá
trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính
đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng
tường mình (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá
trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng s i của s và dựng đường cong
chuẩn.

Hình 1.2: Phương pháp chuẩn cảm biến
1.8.1 Chuẩn đơn giản

Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác
động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác
động của các đại lượng ảnh hưởng thì dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực
chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá
trị xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành
theo hai cách:
• Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu
chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.
• Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã
có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc.
Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta
nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần
chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta
xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn.
Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu
ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào
mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này. Trong trường hợp như
vậy, áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:
• Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có

giá trị tương ứng với điểm gốc m = 0 và s = 0.

1.8.2

Phan Phúc Triệu

Trang: 6

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá tị tăng dần đến giá trị cực đại của
đại lượng đo ở đầu vào.
• Lặp lại q trình đo với các giá trị giảm dần từ giá tri cực đại.
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai
hướng đo tăng dần và đo giảm dần.
•

1.9

Một số đặc trưng cơ bản

1.9.1 Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong
dải chế độ đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự khơng phụ thuộc của độ nhạy
của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên các
đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào

đại lượng đo còn nằm trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự khơng phụ thuộc của độ
nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự
hồi đáp (tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ
thuộc vào đại lượng đo.
Nếu cảm biến khơng tuyến tính, dựa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh
sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở
đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hóa.
1.9.2 Đường thẳng tốt nhất

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loại điểm
tương ứng (si, mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết,
đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng, tuy
nhiên do sai số khi đo, các điểm chuẩn (m i, si) nhận được bằng thực nghiệm
thường không nằm trên cùng một đường thẳng.
Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho
sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng
tốt nhất. Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương
pháp bình phương bé nhất trong đa thức nội suy. Giả sử tiến hành chuẩn cảm
biến với N điểm đo, phương trình có dạng.
s = am + b
Trong đó, các hệ số a, b được xác định bằng các biểu thức sau:

a=

N ∑ Simi− ∑ Si ∑ mi
N ∑ m2i −(∑ mi ) 2

Phan Phúc Triệu

;b =

∑ ∑
N∑
Si

Trang: 7

m 2i
mi 2

−∑ miSi ∑ mi
−(∑ mi ) 2

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
1.9.3 Độ lệch tuyến tính

Đối với các cảm biến khơng hồn tồn tuyến tính, khái niệm độ lệch tuyến tính
được đưa ra và được xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và
đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.
1.9.4 Sai số và độ chính xác

Ngoài đại lượng cần đo, các bộ phận trong cảm biến còn chịu tác động của
nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của
đại lượng cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số
tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính như sau:

δ =

∆x
• 100[ %]
x

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì khơng thể biết chính xác
giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến thì thường phân
thành hai loại là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
1.9.5 Sai số hệ thống

Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khơng 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 điều kiện sử dụng không tốt hoặc do
người đo không hiểu biết về hệ đo gây ra. Các nguyên nhân sai số có thể kể đến
đó là:
• Do ngun lý của cảm biến.
• Do giá trị của đại lượng chuẩn khơng đúng.
• Do đặc tính của bộ cảm biến.
• Do điều kiện và chế độ sử dụng.
• Do xử lý kết quả đo.
1.9.6 Sai số ngẫu nhiên
Là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Nguyên nhân gây ra
sai số hệ thống thì có thể dự đốn được, nhưng khơng thể dự đốn được độ
lớn cũng như dấu của nó. Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:
Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
Do các đại lượng ảnh hưởng khơng được tính đến khi chuẩn cảm
biến.
Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện 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 đúng chế độ
•
•
•

Phan Phúc Triệu

Trang: 8

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
hoặc thực hiện phép đo lường thống kê.
1.9.10 Độ nhanh và thời gian hồi đáp

Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp
về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi
đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.
Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến
khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới
hạn ε tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời
gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá
trị của đầu ra với độ chính xác định trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế
độ quá độ của cảm biến và làm hàm của các thông số thời gian xác định chế độ
này.
Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các
thơng số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng t dm và thời gian tăng t m ứng với
sự tăng đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng t dm là thời

gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó lên 10% của
biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng t m là thời gian
cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng của nó.

Hình 1.3: Xác định các khoảng thời gian của cảm biến
Tương tự khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm t dc là thời gian cần thiết
để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng
của đại lượng này và khoảng thời gian giảm t c là thời gian cần thiết để đại lượng
đầu ra giảm từ 90% đến 10% biến thiên tổng cộng của nó.

Phan Phúc Triệu

Trang: 9

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI ỨNG DỤNG CẢM BIẾN
Hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến đã được nghiên cứu phát triển và ứng
dụng vô cùng đa dạng trong thực tiễn. Các loại cảm biến này đã giúp giải quyết
được rất nhiều vấn đề đa dạng trong cuộc sống, giúp cho mọi việc trở lên dễ dàng
và thuận tiện hơn hẳn. Có rất nhiều cảm biến có thể kể đến như: cảm biến nhiệt độ,
độ ẩm, cảm biến ánh sáng, cảm biến từ trường, cảm biến điện dung, cảm biến
khoảng cách, cảm biến mức, cảm biến thay thế, cảm biến vận tốc, cảm biến gia tốc,
cảm biến lực, cảm biến trạng thái căng (strain), cảm biến xúc giác, cảm biến áp
suất, cảm biến dịng chảy, cảm biến hóa học, cảm biến tiệm cận, cảm biến thông
minh, …
2.1 Cảm biến quang

Trong cảm biến quang có cảm biến quang dẫn và cảm biến quang điện
phát xạ. Với cảm biến quang dẫn thì có photodiot, phototransistor,
phototransistor hiệu ứng trường các loại này có nguyên lý hoạt động chính đó là
khi ánh sáng chiếu vào sẽ làm thay đổi điện trở của linh kiện. Với cảm biến
quang điện phát xạ thì có tế bào quang điện chân khơng, tế bào quang điện dạng
khí, chúng hoạt động dựa trên nguyên lý là khi có một bức xạ ánh sáng có bước
sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định chiếu vào bề mặt của tế bào thì sẽ giải
phóng các điện tử tạo thành dịng điện.

Hình 2.1: Phototransistor trong chế độ
chuyển mạch (Role, Role sau khuếch đại,
cổng logic, Thyristor)
2.1.1

Ứng dụng của cảm biến quang.
Ứng dụng chủ yếu của cảm biến quang là dùng để phát hiện nhiều dạng vật thể
khác nhau, phát hiện đo lường khoảng cách hay phát hiện tốc độ của đối tượng,…ví
dụ: phát hiện một chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra xem tay robot đã gắp
linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa.?
Phan Phúc Triệu

Trang: 10

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
Cảm biến quang đóng vai trị rất quan trọng trong lĩnh vực cơng nghiệp tự động
hóa. Nếu khơng có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa, giống như làm
việc mà khơng nhìn được vậy.

Hình 2.2. Ứng dụng của cảm biến Quang

Hình 2.3. Cảm biến hình quang
2.1.2 Ưu điểm của việc sử dụng cảm biến quang.
•

Phát hiện vật thể nhưng không cần tiếp xúc với vật thể đó (Phát hiện từ xa).

•

Phát hiện được từ khoảng cách xa.

•

Ít bị hao mịn, có tuổi thọ và độ chính xác, tính ổn định cao.

•

Phát hiện nhiều vật thể khác nhau.

•

Thời gian đáp ứng nhanh, có thể điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng.

•

...

2.1.3 Các loại cảm biến quang thường dùng như:

Phan Phúc Triệu

Trang: 11

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
•

Cảm biến quang Omron: E3F3, E3X, E3Z, E3Z-L, E3Z-G, E3X-DA-S, E3JK ,
E3JM,..

•

Cảm biến quang Hanyoung: PS, PY, PZ1, PL-D, PE, PW, PN, PTX,...

•

Cảm biến quang Autonics

•

Cảm biến quang Sick

•

Cảm biến quang IFM

•

Cảm biến quang Keyence

•

Cảm biến quang Yamatake

•

Cảm biến quang Sunx

•

Cảm biến quang Carlo Gavazzi

•

...

2.2 Cảm biến nhiệt độ
Nhiệt độ chỉ có thể đo được bằng cách đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của
tính chất vật liệu vào nhiệt độ. Để đo nhiệt độ, người ta thường sử dụng các cảm
biến nhiệt độ. Trong cảm biến nhiệt độ bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau
như thermistor, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, nhiệt kế bức xạ, … Mỗi loại có một
nguyên lý làm việc khác nhau nhưng đều tuân theo một thang đo nhiệt độ nhất
định (Kelvin, Celsius, Fahrenheit).
2.3.1
Ứng dụng và phân loại
Như trên ta đã thấy thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác

nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác,
khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, mơi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá
thành. Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng, cách an toàn và hay được sử
dụng nhất là lựa chọn theo ngành nghề bởi thông thường, mỗi loại cảm biến
được thiết kế để phục vụ cho một chuyên ngành riêng.Và dưới dây là các yêu cầu
đặt ra khi lựa chọn 1 loại cảm biến nhiệt và Bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn
cảm biến nhiệt dựa theo các ngành nghề khác nhau.
• Độ chính xác.
• Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng.
• Giới hạn khoảng nhiệt cần đo.
• Giá thành.
Phan Phúc Triệu

Trang: 12

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
•
•

Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay khơng.
Sự tương thích với mơi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác
nhân bên ngồi mơi trường.

(Bảng 4):
Ngành
Nghiên cứu về nơng nghiệp
Xe hơi

Gia cơng vật liệu và hóa chất
Nhiệt lạnh
Mơi trường
Cơng nghiệp chung
Giải trí, giáo dục
Sản xuất hàng hóa
Luyện kim

Loại cảm biến
Nhiệt kế điện tử, bán dẫn, Can nhiệt loại T
Nhiệt kế điện tử, Pt100
Cặp nhiệt điện loại K, T, R, S, B và Pt100
Điện trở oxit kim loại
Nhiệt kế điện tử, bán dẫn, Can nhiệt loại T, Pt100
Cặp nhiệt điện loại K, R, S và Pt100
Nhiệt kế điện tử, bán dẫn, Can nhiệt loại T,
Pt100, nhiệt kế bức xạ (loại chỉ màu)
Nhiệt kế điện tử, bán dẫn,Pt100
Cặp nhiệt điện loại K, R, S...,nhiệt điện trở PT100

Hình 2.4. cảm biến nhiệt độ
2.3 Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển
Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trị rất quan trọng trong kỹ thuật,
hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển sử dụng
cảm biến.
• Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí
Phan Phúc Triệu

Trang: 13

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần
tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển.
• Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một
xung, việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành
bằng cách đếm số xung phát ra.
Một số cảm biến khơng địi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị
trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực
hiện thơng qua vài trị trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ
trường, ánh sáng. Một số loại cảm biến thông dụng dùng để xác định vị trí và
dịch chuyển của vật như điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện
dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi.

Hình 2.5. Mạch đo thường dùng với cảm biến tụ điện
2.3.1 Ứng dụng và phạm vi sử dụng
 Ứng dụng.
• Dùng trong phân loại sảm phẩm.
• Dùng để xác định dịch chuyển.
• Được dùng nhiều trong robot.
• Dùng trong điểu khiển nhà thơng minh.
 Phạm vi sử dụng.
• Ưu điểm.
- Cấu tạo đơn giản dễ chế tạo.
- Giá thành rẻ.
- Hoạt động ổn định.
• Nhược điểm.
- Trong điều kiệm hoạt động nhiệt độ cao thì hoạt động khơng ổn định

làm việc khơng cao.
• Biện pháp khắc phục.

Phan Phúc Triệu

Trang: 14

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
-

Sử dụng các vât liệu bán dẫn (silic) thì có thể giảm kích thích, tăng độ
chính xác, tăng độ ổn định và có thể cấy trên cảm biến bằng một cách

khuếc đại.

Hinh 2.6. Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển
2.4 Cảm biến đo áp suất chất lưu
Đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành
bình. Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành như sau: đo áp suất chất lưu lấy qua
một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp hoặc đo trực tiếp
biến dạng của thành bình do áp suất gây nên. Có thể đo áp suất động bằng cách
đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặc sau của một màng đo, tín
hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.

Hình 2.7. Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai.
1, Lò xo vòng; 2, Phần tử biến đổi; 3&4, Cuộn thứ cấp; 5, Lõi thép; 6, Cuộn sơ cấp.

2.4.1 Nguyên lý đo áp suất

Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh (pt):
Phan Phúc Triệu

Trang: 15

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

Do vậy đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích
thành bình. Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng
đứng, áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng (h) xác định theo
cơng thức sau:

p = p 0 + pgh
Trong đó:
p0 - áp suất khí quyển.
ρ - khối lượng riêng chất lưu.
g- gia tốc trọng trường.
Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các phương pháp sau:
•

Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến
thích hợp.

•

Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên.

Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình. Trong
trường hợp này, áp suất cần đo được cân bằng với áp suất thuỷ tỉnh do cột chất
lỏng mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực
do áp suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến thường trang
bị thêm bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và
cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất lưu cần đo áp suất.
Trong cách đo thứ hai, người ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo
biến dạng của thành bình. Biến dạng này là hàm của áp suất.
Đối với chất lưu chuyển động, áp suất chất lưu (p) là tổng áp suất tĩnh (pt) và áp
suất động (pđ) :

p = p1 + pd
Áp suất tĩnh tương ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động, được
đo bằng một trong các phương pháp trình bày ở trên. áp suất động do chất lưu
chuyển động gây nên và có giá trị tỉ lệ với bình phương vận tốc chất lưu:

Phan Phúc Triệu

Trang: 16

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

pd =

pv2

2

Trong đó ρ là khối lượng riêng chất lưu.
Khi dịng chảy va đập vng góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp
suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng. Do vậy, áp suất động
được đo thông qua đo chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. Thông thường
việc đo hiệu (p - pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống
Pitot, trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng còn cảm biến (2) đo áp suất tĩnh.

Đo áp suất động bằng ống
Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên
mặt sau của một màng đo (hình 20.2), như vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính
là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh.

Đo áp suất động bằng màng 1) Màng đo 2) Phần tử áp điện
2.4.2 Ứng dụng
• Nhà ở (bể tăm, nhà tắm, phong ở,…).
• Trong cơng nghiệp (bể chứ, xưởng làm việc,..).
• Đo áp suất trong buồng chứa.

Phan Phúc Triệu

Trang: 17

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

Hình 2.8. Cảm biến đo áp suất chât lưu

2.5 Cảm biến thơng minh
Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc một cảm biến thông minh.

Từ đối tượng đo, qua các cảm biến sơ cấp Si, các đại lượng đo và các đại
lượng của yếu tố ảnh hưởng chuyển thành tín hiệu điện và được đưa vào các bộ
chuyển đối chuẩn hóa CĐCH. Các bộ chuyển đổi chuẩn hóa làm nhiệm vụ tạo ra
tín hiệu chuẩn, thường là điện áp từ 0 – 5V hoặc 0 – 10V để đưa vào bộ dồn kênh
MUX. Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đưa các tín hiệu vào bộ chuyển đổi tượng
tự - số A/D trước khi vào bộ vi xử lý μP. Nếu bộ cảm biến ở đầu vào là cảm biến
thơng thường thì đầu ra của chúng được đưa vào một vi mạch cơng nghệ lai bao
gồm các bộ chuyển đổi chuẩn hóa, bộ dồn kênh MUX, bộ chuyển đổi tương tự - số
A/D và vi xử lý μP trong một khối có đầu ra qua bộ ghép nối để truyền thông tin
đi xa hay vào máy tính cấp trên hay bộ ghi chương trình cho EPROM. Nếu cảm
biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn những thiết bị sau đều được để trong một
khối công nghệ lai. Đối với các cảm biến khơng hồn tồn tuyến tính, khái niệm
độ lệch tuyến tính được đưa ra và được xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường
cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.

2.5.1.1 Chức năng và ứng dụng
Phan Phúc Triệu

Trang: 18

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

 Chức năng:

Cảm biến thông minh = Cảm biến + mạch giao
tiếp (chuyển đổi tín hiệu vật lý thành tín hiệu số).
• Chức năng chính:
- Chức năng chương trình hóa q trình đo, thực hiện các phép tính.
- Giao tiếp hai chiều.
- Đưa ra quyết định.
• Cấu trúc dạng ASIC:
- Tích hợp dưới dạng IC.
- Kích thước nhỏ.
- Cấu hình tiết kiệm khơng gian.
- Làm việc ở dạng tín hiệu nhỏ.
 Ưu điểm:
• Tối thiểu dây nối.
• Độ tin cậy cao.
• Chất lượng cao.
• Dễ dàng trong việc thiết kế, sử dụng và bảo trì.
• Linh hoạt, dễ mở rộng hơn.
• Gọn nhẹ.
• Tối thiểu chi phí.
 Khuyết điểm:
• Phức tạp hơn.
 Ứng dụng:
• Nhiệt kế hồng ngoại.
• Đo lường cảm biến.
• Động cơ thơng minh.
•

Hinh 2.10. Cảm biến thơng minh cho đèn pha

Phan Phúc Triệu

Trang: 19

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
2.6.1

Cảm biến cửa/cạnh cửa
2.6.1.1 Giới thiệu
Cảm biến cửa cạnh cửa, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống giám sát

cửa tự động, là một loại cảm biến quang điện sử dụng tia sáng hồng ngoại thơng
qua các thấu kính đặt biệt để phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của đối tượng.
 Đặc điểm:
• Có chức năng lựa chọn thời gian dừng lại( có thể lựa chọn thời gian dừng

lại 2/7/15 giây).
• Có bốn bước thay đổi vùng phát hiện phía trước( có thể thay đổi 7,5 0 /
14,50 / 21,50 / 28.50 ).
• Có chức năng loại bỏ vùng phát hiện trái/phải.
• Có mạch vi xử lí bên trong.

Hình 2.11. Cảm biến cửa

Phan Phúc Triệu

Trang: 20

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
2.6.1.2 Cấu tạo cảm biến cửa

Hình 2.12. cấu tạo cảm biến cửa
Cảm biến cửa là loại cảm biến quang điện được sử dụng tia sang hồng ngoại
thong qua các thấu kính đặc biệt để phát hiện đối tượng. Gồm 5 khối chính:
1.
2.
3.
4.
5.

Switch ngăn ngừa giao thoa
Switch cài đặt thời gian giữ
Loại bỏ vùng phát hiện
Điều chỉnh góc
Khối kết nối

2.6.1.3 Nguyên lý hoạt động cảm biến cửa / cạnh cửa

Hình 2.13. Nguyên lý hoạt động của cảm biến cửa
•

Khi bật nguồn cảm biến phát tia hồng ngoại truyền đi trong không gian, tùy
vị trí lắp đặt mà tia hồng ngoại đi thẳng hay xiêng,…

Phan Phúc Triệu

Trang: 21

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
•

Khi chưa có người vào vùng tia hồng ngoại thì thì cảm biến chưa phát hiện

tiếp điểm ngõ ra ở trạnh thái off.
• Khi người đã vào vùng tia hồng ngoại thì làm tia hồng ngoại phản xạ ngược
lại, thơng qua các thấu kính mắt thu nhận được tín hiệu, qua q trình gia
cơng xử lí tín hiệu, ngõ ra ở trạng thái on, thông qua mạch điều khiể, mạch
động lực làm cho cửa mở ra hoặc đóng lại.
2.6.2.4 Sơ đồ đấu nối

Hình 2.14. Cách đấu nối cảm biến cửa.
Cảm biến cửa ở khối kết nối có 4 dây để đấu nối, hai dây xám cấp nguồn cho
cảm biến, hai dây trắng đưa tín hiệu từ cảm biến ra mạch điều khiển, mạch động
lực….
Nguồn cấp cho cảm biến cửa:
•
•

24 – 240VAC ± 10% 50/60Hz.
24 – 240VDC ± 10%.

2.6.2 Cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thơng qua
phát sóng siêu âm.
Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc không
phải kim loại,chất lỏng hoặc chất rắn,vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số
phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

Phan Phúc Triệu

Trang: 22

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
Ở đây chúng ta tìm hiểu loại cảm biến siêu âm thơng dụng (cảm biến siêu âm
HC – SR04)

Hình 2.15. Cảm biến siêu âm HC – SR04.
Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác
định khoảng cách vì rẻ và chính xác. Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo
khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc
vào cách lập trình.
2.6.2.1 Cấu tạo của cảm biến siêu âm
 Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính
• 1Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm
• 2bộ phận so sánh
• 3mạch phát hiện
• 4mạch ngõ ra

2.6.2.2 Nguyên lý hoạt động

Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân
Trig. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung mức cao ở chân Echo cho đến khi nhận lại
được sóng phản xạ ở pin này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu
âm được phát từ cảm biển và quay trở lại.
Tốc độ của âm thanh trong khơng khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương
đương với 29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)). Khi đã tính được thời gian,
ta sẽ chia cho 29,412 để nhận được khoảng cách.

Phan Phúc Triệu

Trang: 23

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1
2.6.2.3 Sơ đồ kết nối cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm HC – SR04 có 4 chân : Vcc, Gnd, Echo, Trig.
(Bảng 5):
Vcc

5V

Trig

Một chân Digital output

Echo

Một chân Digital output

Gnd

0V

Chân Vcc và Gnd là hai chân cấp nguồn cho cảm biến hoạt động. Chân Trig
chân điều khiển nhận xung để phát đi. Chân cịn lại cho tín hiệu ra khi có phản hồi
trở về.

Phan Phúc Triệu

Trang: 24

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc


TÌM HIỂU VỀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CẢM BIẾN ĐIỀU KHIỂN
NHÀ THÔNG MINH
Với sự phát triển công nghệ như hiện nay, hầu như tất cả các cơng nghệ đều
có mặt hầu hết trong cộc sống sinh hoạt của chung ta. Ứng dụng trong công
nghiệp, nông nghiệp, viễn thông, … rất nhiều các ứng dụng khác nhau hỗ trợ cho
cuộc sống con người dễ dàng hơn. Và có những ứng dụng mới đó là. Sủ dụng
cơng nghệ vào nhà, hay nói cách khac là sử dụng các cảm biến vào trong nhà ở
để tao ra một ngơi nhà thơng minh.

Hình 3.0 các hệ thống cảm biến trong nhà thông minh
3.1 Các chức năng trong nhà thơng minh
3.1.1 Hệ thống chiếu sáng

• Điều khiển và giám sát trên điện thoại, máy tính bảng: hồn tồn có thể
biết được bóng nào đang bật, bóng nào đang sáng, cường độ sáng là bao
nhiêu % được hiển thị trên điệnthoại di động hoặc máy tính bảng và
hồn tồn bật hoặc tắt thiết bị đó ngay trên điện thoại khi khơng cần
thiết.
• Tự động chiếu sáng: Thiết bị chiếu sáng sẽ tự động bật lên khi phát hiện
có chuyển động. Nếu ánh sáng tự nhiên không đủ cường độ sáng, đèn sẽ

Phan Phúc Triệu

Trang: 25

GVHD:Nguyễn Thị Thanh Trúc