Bài giảng Kỹ thuật cảm biến: Cảm biến

CẢM BIẾN (SENSOR)
Giảng viên: Vũ Hoàng Nghiên


7.1.1 Khái niệm








Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật 
lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại 
lượng có thể đo và xử lý được.
Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt 
độ, áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng 
đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp, 
dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định 
giá trị của đại lượng đó. 
Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)
S = F(M)
Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến. 
(M) là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng 
cần đo). Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M)


7.1.2 Phân loại cảm biến


Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng sau 
đây:
 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích.
 Phân loại theo dạng kích thích
 Phân loại theo phạm vi sử dụng
 Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế


Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp 
ứng kích thích
Hiện 
tượng
Vật lý

Hoá học
Sinh Học

Chuyển đổi và đáp ứng kích thích
­ Nhiệt điện;  ­ Quang điện; ­ Quang từ
­ Điện từ; ­ Quang đàn hồi; ­ Từ  điện
­ Nhiệt từ....
­ Biến đổi hoá học ; ­ Biến đổi điện hoá
­ Phân tích phổ…..
­ Biến đổi sinh hoá; ­ Biến đổi vật lý.
­ Hiệu ứng trên cơ thể sống


Phân loại theo dạng kích thích 
Âm 
thanh

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

Điện

­Điện tích, dòng điện; ­Điện thế, điện áp
­Điện trường; ­Điện dẫn, hằng số điện môi

Từ

­Từ trường; ­Từ thông, cường độ điện trường; ­Độ từ 
thẩm

Quang

­Biên, pha, phân cực,phổ; ­Tốc độ truyền
­Hệ số phát xạ, khúc xạ; ­Hệ số hấp thụ, hệ số bức 
xạ

Cơ

­Vị trí; ­lực ,áp suất; ­Gia tốc, vận tốc
­Ứng suất, độ cứng; ­Moment; ­Khối luợng tỷ trọng
­Vân tốc chất lưu, độ nhớt…

Nhiệt

­Nhiệt độ; ­Thông lượng; ­Nhiệt dung, tỉ nhiệt

Bức xạ

­Kiểu; ­Năng lượng; ­Cường độ


Theo tính năng của bộ cảm biến









Độ nhạy
Độ chính xác
Độ phân giải
Độ chọn lọc
Độ tuyến tính
Công suất tiêu thụ
Dải tần
Độ trễ


Theo tính năng của bộ cảm biến










Độ nhạy
Độ chính xác
Độ phân giải
Độ chọn lọc
Độ chính xác
Độ tuyến tính
Công suất tiêu thụ
Dải tần









Độ trễ
Khả năng quá tải
Tốc độ đáp ứng
Độ ổn định
Tuổi thọ
Điều kiện lựa chọn
Kích thước, trọng lượng

Phân loại theo phạm vi sử dụng







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


Phân loại theo phạm vi sử dụng









Công nghiệp
Nghiên cứu khoa học
Môi trường, khí tượng
Thông tin, viễn thông

Nông nghiệp
Dân dụng
Vũ trụ
Quân sự


Phân loại theo thông số mô hình 
mạch thay thế






Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng 
(NPN, PNP…)
Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số R, L, 
C, M…..tuyến tính hoặc phi tuyến
Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong được 
biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện (S) ở đầu ra 
của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu 
vào.


7.1.3.ngcongchunca
cmbin


ngcongcbiuthbiudinbngbiuthc
isdidngS=F(M)hocbngthsauõy:

s

s

0

m

a)

0

m

b)
Hinh1:ẹửụứngcongchuaồncuỷacaỷmbieỏn


7.1.3. Đường cong chuẩn của 
cảm biến 


Dạng đường cong chuẩn 
 Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể 
xác định giá trị chuẩn Mi chưa biết của M thông qua 
giá trị đo được Si của S
 Để dễ sử dụng, người ta thường chế t ạo cảm biến 
có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và 
đầu vào, phương trình S = F(M) có dạng S = AM+B 
với A,B là các hệ số, đường cong chuẩn là đường 

thẳng


7.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN







7.2.1 Đặc điểm
7.2.2 Các thuật ngữ thường sử dụng
7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng
7.2.4 Cảm biến tiệm cận điện dung
7.2.5 Cảm biến quang
7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp


7.2.1.Đặc điểm





Phát hiện vật không cần tiếp xúc
Tốc độ đáp ứng nhanh
Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi
Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

7.2.2. Các thuật ngữ thường sử 
dụng






Vật chuẩn (standard sensing object)
Khoảng cách phát hiện (sensing distance)
Khoảng cách cài đặt (Setting distance)
Thời gian đáp ứng (Response time)
Tần số đáp ứng (Response Frequency)


Vật chuẩn (standard sensing 
object)


Một vật được là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu kích 
cỡ… của vật liệu phải phù hợp để phát huy hết đặc tính 
kỹ thuật của sensor.


Khoảng cách phát hiện (sensing 
distance)


là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu sensor tới vị 

trí vật chuẩn xa nhất mà sensor có thể phát hiện được.
  OFF

Bề mặt 
 cảm 
biến
biến

    ON
Đối
tượn
g
Cảm
Biến

Khoảng cách
Phát hiện

Khoảng cách Reset

Cảm biến 
tiệm cận


Khoảng cách cài đặt (Setting 
distance)
 là khoảng cách từ bề 
mặt cảm biến ở đầu 
sensor tới vị trí vật 
cảm biến để sensor 

có thể phát hiện vật 
ổn định (thường 
khoảng cách này 
bằng 70­80% khoảng 
cách phát hiện)



Khoảng cách 
cài đặt

Đối
tượn
g 
của 
Cảm
Biến

biến

Khoảng cách 
ước lượng

Cảm biến 
tiệm cận

Bề mặt cảm 

Ngõ 
ra

Thời gian đáp ứng (Response 
time)
Cảm biến 
tiệm cận

Dãi hoạt
động

Đối
tượng 
của 
Cảm
Biến

biến

Ngõ 
ra

Bề mặt cảm 
Trong dãi 
hoạt động

ON

  Ngoài dãy 
        hoạt 
động

OFF

      T1          T2

T1: Khoảng thời 
gian từ lúc đối 
tượng chuẩn 
chuyển động đi 
vào vùng phát hiện 
của sensor tới lúc 
đầu ra của sensor 
lên ON
T2: Khoảng thời 
gian từ lúc đối 
tượng chuẩn 
chuyển động đi ra 
khỏi vùng phát 
hiện của sensor 
tới khi đầu ra của 
sensor tắt về


Tnsỏpng(Response
Frequency)
lslntỏcnglplikhicmbinivovựng
hotngcasenso



/

f=1 T1+T2


M 2M

zM

Khoaỷng
caựch ẵ
caỷm bieỏn

Vaọt caỷm
bieỏn

T1T2T3


7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm 
ứng


Cảm biến cảm ứng từ gồm có 4 khối chính: 
 Cuộn dây và lõi Fefit
 mạch dao động
 mặt phát hiện
 mặt đầu ra


7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm 

ứng




Mạch dao động phát dao động điện từ tần số radio. Từ 
trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng qua 
đối tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượng lại 
gần sẽ có dòng điện Foucaul cảm ứng lên trên mặt đối 
tượng tạo nên một tải gỉm tín hiệu dao động. Bộ phát 
hiện sẽ phát hiện sự thay đổi trạng thái biên độ mạch 
dao động. Mạch phát hiện ở vị trí ON phát tín hiệu  mặt 
đầu ra ở vị trí ON
Từ trường do cuộn dây cảm biến thay đổi khi tương tác 
với vật thể bằng kim loại. Do đó, loại cảm biến này chỉ 
phát hiện vật thể bằng kim loại.


7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm 
ứng


Đặc điểm:
 Phát hiện vật không cần tiếp xúc
 Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi
 Tốc độ đáp ứng nhanh
 Làm việc trong môi trường khắc nghiệt
 Làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, do đó dễ bị 
ảnh hưởng của nguồn nhiễu hay ảnh hưởng của 
nguồn ký sinh

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm 
ứng


Cảm biến sử dụng điện áp một chiều khoảng 10­
30VDC, đầu ra cảm biến chịu dòng điện nhỏ (tối đa 
khoảng 200mA), đo đó thường đấu nối ra thiết bị trung 
gian (rơle trung gian, bộ điều khiển cảm biến . . . . )


Một số hình ảnh các loại cảm 
biến cảm ứng từ