Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến (114tr)

Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
LỜI NÓI ĐẦU
Trong   nền   công  nghiệp   sản   xuất   hiện   đại  ngày  nay,   rất   nhiều   nhà   máy  xí  
nghiệp đã trang bị  cho mình những dây chuyền sản xuất tự  động hoặc bán tự  động. 
Các loại cảm biến đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực điều khiển tự  động, nó đóng 
một vai trò rất quan trọng, không một thiết bị nào có thể thay thế được. Việc trang bị 
cho mình một kiến thức về  các loại cảm biến là nhu cầu bức thiết của các kỹ  thuật  
viên, kỹ sư ngành điện cũng như các ngành khác.
Môn học kỹ  thuật cảm biến là một môn học chuyên môn của học viên ngành 
điện công nghiệp. Mô đun này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức về nguyên  
lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của một số loại cảm biến...Với các kiến  
thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như  đời sống.  
Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện để  học tiếp các mô đun chuyên  
ngành điện như trang bị điện, PLC cơ bản, PLC nâng cao... Mô đun này cũng có thể là  
tài liệu tham khảo cho các học viên, cán bộ kỹ thuật của các ngành khác quan tâm đến  
lĩnh vực này.

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 1


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
Trong quá trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý như: Nhiệt độ, áp suất, tốc  
độ, khoảng cách, lưu lượng... cần được xử  lý cho đo lường và điều khiển. Các bộ 
cảm biến thực hiện chức năng này. Bộ  cảm biến còn có tên gọi khác là đầu dò, bộ 
nhận biết.
Cảm biến là một bộ chuyển đổi kỹ  thuật để  chuyển đổi các đại lượng vật lý  
không mang bản chất điện như  nhiệt độ, áp suất, khoảng cách...sang một đại lượng  
khác để đo, đếm được. Các đại lượng này phần lớn là tín hiệu điện như điện áp, dòng 

điện, điện trở, tần số...Các bộ  cảm biến được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị 
cảm nhận và đáp ứng các tín hiệu.
Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần kiểm tra m không có  
tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (như  điện tích, điện áp,  
dòng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo  
m. Công thức tính :   
s = f(m)
Trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại lượng  
đầu vào  hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Việc đo đạc s cho phép 
nhận biết giá trị của m.

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 2


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến

Hình 1.1: Sự biến đổi của đại lượng cần kiểm tra m và phản ứng s theo thời gian.
2 Các đặc tính tĩnh và động của cảm biến.
2.1 Độ nhạy
a) Định nghĩa
Độ  nhạy S xung quanh một giá trị  không đổi mi  của đại lượng cần kiểm tra  
được xác định bởi tỷ số biến thiên Δs của đại lượng ở đầu ra và biến thiên Δm tương  
ứng của đại lượng kiểm tra ở đầu vào: 

S

s
m

m mi

Thông thường cảm biến được sản xuất có những độ  nhạy S tương  ứng với  
những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Điều này cho phép lựa chọn được  
cảm biến thích hợp để sao cho mạch kiểm tra thoả mãn các điều kiện đặt ra. 
Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các  
đại lượng liên quan, ví dụ: 
­ Ω/OC đối với nhiệt điện trở.

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 3


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
­  V/ OC đối với cặp nhiệt.
Đối với các cảm biến khác nhau cùng dựa trên một nguyên lý vật lý, trị  số của 
độ nhạy S có thể phụ thuộc vào vật liệu, kích thước hay kiểu lắp ráp.
Vấn đề quan trọng là khi thiết kế và chế tạo cảm biến làm sao để khi sử dụng  
cảm biến độ nhạy S của chúng không đổi, nghĩa là S ít phụ  thuộc nhất và các yếu tố 
sau:
­ Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số thay đổi của nó (dải 
thông)
­ Thời gian sử dụng (độ già hoá).
­ Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng cần đo) của  
môi trường xung quanh.
Đây chính là những căn cứ để so sánh và lựa chọn cảm biến.
b) Độ nhạy trong chế độ tĩnh.
Chuẩn cảm biến  ở  chế độ  tĩnh là dựng lại các giá trị  si của đại lượng điện  ở 
đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi m i của đại lượng đo khi đại lượng này đạt 
giá trị  làm việc danh định (ứng với giá trị  cực đại tức thời). Đặc trưng tĩnh của cảm 

biến chính là dạng chuyển đổi đồ thị của việc chuẩn đó và điểm làm việc Q i của cảm 
biến chính là đặc trưng tĩnh tương ứng với các giá trị si, mi.
Độ nhạy trong chế độ tĩnh chính là độ dốc của đặc tuyến tĩnh ở điểm làm việc.  
Nếu đặc tuyến tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc  
vào điểm làm việc. 
Với đặc tuyến tĩnh (đường cong chuẩn) của cảm biến thể  hiện mối quan hệ 
giữa đối tượng tác động m và đại lượng đầu ra là tuyến tính thì độ  nhạy của cảm  
biến phụ thuộc vào độ dốc của đặc trưng tĩnh đó. Nếu độ dốc của nó càng lớn thì độ 
nhạy càng tăng, tức là với một sự  biến thiên  m rất nhỏ  cũng cho ta một đại lượng 
đầu ra  s tương đối lớn. Được mô tả trên hình vẽ sau.

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 4


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
s
§Æ
c trung tÜnh2
s2

§Æ
c trung tÜnh1

s1

m

m

Hình 1.2: Sự phụ thuộc của độ nhạy S vào độ dốc của đặc trưng tĩnh.
Rõ ràng chúng ta thấy  s1 nhỏ hơn  s2 như vậy độ nhạy của cảm biến có đặc 
truyến với độ dốc lớn tức là biến thiên đầu vào nhỏ và cho ta 1 sự thay đổi lớn ở đầu 
ra. 
c) Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng kiểm tra là hàm tuần  
hoàn của thời gian. Trong điều kiện như  vậy, đại lượng đầu ra s ở  chế  độ  làm việc  
danh định cũng là hàm tuần hoàn theo thời gian giống như đại lượng kiểm tra.
Giả sử đại lượng kiểm tra có dạng:
m(t) = m0 + m1cosωt
Trong đó:
­ m0 là giá trị không đổi
­ m1 là biên độ 
­  f = ω/2π là tần số biến thiên của đại lượng kiểm tra.
Vậy ở đầu ra của cảm biến ta thu được đại lượng s có dạng:
s(t) = s0 + s1cos(ωt + φ)
Trong đó: 
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 5


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
­ s0 là đại lượng không đổi tương ứng với m0 xác định điểm Q0 trên đường cong 
chuẩn ở chế độ tĩnh.  
­ s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng kiểm 
tra m1 gây nên.
­ φ là độ lệch pha giữa đầu vào và đầu ra của cảm biến.
Độ nhạy trong trường hợp này được xác định như sau: 

S

s1
m1

Q0

Ngoài ra trong chế  độ  động độ  nhạy của cảm biến còn phụ  thuộc vào tần số 
của đại lượng đo m và ta có  S(f) xác định đặc tính tần số của cảm biến.
2.2 Điều kiện có tuyến tính
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 hoá, 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 kiểm tra 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 (như  tần số 
riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ) cũng không phụ thuộc vào đại lượng  
đo.
2.3 Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ  nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra  
có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo không.

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 6


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến

­ Độ  nhanh là khoảng thời gian mà từ  khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến  
khi biến thiên của đại lượng đầu ra s của cảm biến chỉ còn khác giá trị cuối cùng của  
nó một lượng được quy định bằng ε%. 
­ Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử  dụng để  xác định giá trị  của độ  
nhanh.
Cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp càng nhỏ. Thời gian hồi đáp 
đặc trưng cho tốc độ thay đổi của quá trình quá độ và là hàm của các thông số xác định 
chế độ này. 

m
m0

0

t

s
s0
0 ,9

0,1
0
to

t+
s

t1

t -s

t

Hình 1.3: Các khoảng thời gian khác nhau đặc trưng cho quá trình quá độ

Kết luận: 
Khi đánh giá lựa chọn một cảm biến hay phải so sánh chúng với nhau ta cần  
phải chú ý những đặc tính cơ bản sau đây:

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 7


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
­ Phải xét đến khả  năng có thể  thay thế các cảm biến. Tức là khi chế  tạo một 
loại cảm biến ta phải tính đến khả năng chế tạo nhiều cảm biến với các đặc tính như 
nhau đã cho trước. Như thế mới có thể thay thế khi bị hư hỏng mà không mắc phải sai  
số.
­ Cảm biến phải có đặc tính đơn trị, nghĩa là với đường cong hồi phục của cảm 
biến ứng với giá trị m  ta chỉ nhận được một giá trị s mà thôi.
­ Đặc tuyến của cảm biến phải ổn định, nghĩa là không được thay đổi theo thời 
gian.
­ Tín hiệu ra của cảm biến yêu cầu phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ 
đo, hệ thống đo và hệ thống điều khiển.
­ Đặc tính quan trọng của cảm biến là sai số:
+ Sai số  cơ  bản của cảm biếnlà sai số  gây ra do nguyên tắc của cảm  
biến, sự không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo.
+ Sai số phụ: là sai số gây ra do sự  biến động của điều kiện bên ngoài 
khác với điều kiện tiêu chuẩn.
­ Độ  nhạy của cảm biến cũng là một tiêu chuẩn quan trọng. Nó có tác dụng 

quyết định cấu trúc của mạch đo để  đảm bảo cho phép đ có thể bắt nhạy với những 
biến động nhỏ của đại lượng đo.
­ Đặc tính động của cảm biến: Khi cho tín hiệu đo vào cảm biến thường xuất  
hiện quá trình quá độ. Quá trình này có thể  nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào dạng cảm 
biến. Đặc tính này được gọi là độ tác động nhanh. Nếu độ tác động nhanh chậm tức là  
phả ứng của tín hiệu ra của cảm biến trễ so với sự thay đổi của tín hiệu vào.
­ Sự tác động ngược lại của cảm biến lên đại lượng đo làm thay đổi nó và tiếp  
đến là gây ra sự thay đổi của tín hiệu ở đầu ra của cảm biến.
­ Về  kích thước của cảm biến mong muốn là phải nhỏ  có như  vậy mới đưa 
được vào những nơi hẹp, nâng cao độ chính xác của phép đo.
3. Phạm vi ứng dụng:

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 8


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
Các bộ cảm biến được sử  dụng nhiều trong các lĩnh vực: Công nghiệp, nghiên 
cứu khoa học, môi trường, khí tượng, thông tin viễn thông, nông nghiệp, dân dụng, 
giao thông vận tải... Theo khảo sát ta có các số  liệu về  tình hình sử  dụng cảm biến 
như sau:
Các lĩnh vực ứng dụng:
Xe hơi

38%

Sản   xuất   công  20%
nghiệp
Điện gia dụng
11%

Văn phòng
9%
Y tế
8%
An toàn
6%
Nông nghiệp
4%
Môi trường
4%
Các loại cảm biến hay được sử dụng trong công nghiệp và dân dụng:
Cảm biến đo nhiệt độ 37,29%
Cảm biến đo vị trí
Cảm   biến   đo   di 
chuyển
Cảm biến đo áp suất
Cảm   biến   đo   lưu 
lượng
Cảm biến đo mức
Cảm biến đo lực
Cảm biến đo độ ẩm
4. Phân loại các bộ cảm biến

27,12%
16,27%
12,88%
1,36%
1,2%
1,2%
0,81%

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

Chuyển đổi đáp ứng về  kích thích
­ Nhiệt điện
­ Quang điện

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 9


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
­ Quang từ
­ Điện từ
­ Quang đμn hồi
­ Từ điện
­ Nhiệt từ...
Hoá học

­ Biến đổi hoá học
­ Biến đổi điện hoá
­ Phân tích phổ ...

Sinh học

­ Biến đổi sinh hoá
­ Biến đổi vật lý
­ Hiệu ứng trên cơ thể sống ...

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 10


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến

Hình 1.4: Phân loại cảm biến theo đại lượng vật lý tác động
­

 Phân loại theo dạng kích thích 
Kích thích
Âm thanh

Các đặc tính của kích thích
­ Biên pha, phân cực

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 11


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
­ Phổ
­ Tốc độ truyền sóng ...
Điện

­ Điện tích, dòng điện
­ Điện thế, điện áp
­ Điện trường (biên, pha, phân cực, 
phổ)

­ Điện dẫn, hằng số điện môi ...

Từ

­   Từ   trường   (biên,   pha,   phân   cực, 
phổ)
­ Từ thông, cường độ từ trường
­ Độ từ thẩm ...

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
­ Mô men
­ Khối lượng, tỉ trọng
­ Vận tốc chất lưu, độ nhớt ...

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 12

Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
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

­ Khả năng quá tải

­ Độ chính xác

­ Tốc độ đáp ứng

­ Độ phân giải

­ Độ ổn định

­ Độ chọn lọc

­ Tuổi thọ

­ Độ tuyến tính

­ Điều kiện môi trường

­ Công suất tiêu thụ

­ Kích thước, trọng lượng

­ Dải tần

­ Độ trễ

­ Phân loại theo phạm vi sử dụng 
­ Công nghiệp

­ Dân dụng

­ Nghiên cứu khoa học

­ Giao thông

­ Môi trường, khí tượng

­ Vũ trụ

­ Thông tin, viễn thông

­ Quân sự

­ Nông nghiệp

­ Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế:
+ Cảm biến tích cực có đầu ra lμ nguồn áp hoặc nguồn dòng.
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 13


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M .... tuyến
tính hoặc phi tuyến.
BÀI 1.CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong các đại lượng được quan 
tâm nhiều nhất vì nhiệt độ  đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất.  
Nhiệt độ có thể  làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó. Thí dụ  như 
áp suất, thể tích của chất khí…vv. Bởi vậy trong công nghiệp cũng như đời sống hàng  
ngày phải đo nhiệt độ. Dụng cụ đo nhiệt độ  đơn giản nhất là nhiệt kế  sử dụng hiện  
tượng giãn nở  nhiệt.  Để  chế  tạo các bộ  cảm biến nhiệt độ  người ta sử  dụng nhiều 
nguyên lý cảm biến khác nhau như:


Phương pháp quang dựa trên sự  phân bố  phổ  bức xạ  nhiệt do dao động nhiệt  
( hiệu ứng Doppler).



Phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí ( với áp  
suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm.

 Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của các điện trở vào nhiệt độ.
Để đo được trị số chính xác của nhiệt độ là vấn đề không đơn giản. Nhiệt độ  là 
đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào nhiệt độ. 

Trước khi đo nhiệt độ ta cần đề cập đến thang đo nhiệt độ.
1.1 Đại cương
1.1.1 Thang đo nhiệt độ.
Việc xác định thang nhiệt độ xuất phát từ các định luật nhiệt động học.
Thang đo nhiệt độ tuyệt đối được xác định dựa trên tính chất của khí lý tưởng. Định 
luật Carnot nêu rõ: Hiệu suất   η  của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa 
2 nguồn có nhiệt độ t1 và t2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào t1 và t2:
η

F(θ1)
F(θ2 )

Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại, việc lựa chọn  
hàm F sẽ  quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(q) = T chúng ta sẽ  xác định T như  là  
nhiệt độ  nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ  nhiệt thuận nghịch sẽ 
được viết như sau:
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 14


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
η 1

T1
T2

Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn.
 Thang Kelvin
Năm   1664   Robert   Hook   thiết   lập   điểm   không   là   điểm   động   của   nước 
cất.Thomson (Kelvin) nhà vật lý Anh, năm 1852 xác định thang nhiệt độ. Thang Kelvin  

đơn vị  là 0K, người ta gán cho nhiệt độ  của điểm cân bằng của 3 trạng thái nước – 
nước đá – hơi một trị số bằng 273,15 0K.
 Thang Celsius
Năm 1742 Andreas Celsius là nhà vật lý Thụy Điển đưa ra thang nhiệt độ  bách 
phân. Trong thang này đơn vị  đo nhiệt độ  là 0C, một độ  Celsius bằng một độ  Kelvin. 
Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức:
T(0C) = T(0K) – 273,15
 Thang Fahrenheit
Năm 1706 Fahrenheit nhà vật lý Hà Lan đưa ra thang nhiệt độ có điểm nước đá tan 
là 320 và sôi ở 2120. Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (0F). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius 
và Fahrenheit được cho theo biểu thức: 
5
9

T(0C)

T(0F) 32

T(0F)

9 0
T( C) 32
5

Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của một số thang đo nhiệt độ khác nhau
Kelvin (0K)

Celsius (0C)

Fahrenheit (0F)

0

­273,15

­459,67

Hỗn hợp nước – nước đá

273,15

0

32

Cân bằng nước – nước đá – 
hơi nước

273,16

0,01

32,018

Nước sôi

373,15

100

212

Nhiệt độ
Điểm 0 tuyệt đối

1.1.2 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo.
 Nhiệt độ đo được

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 15


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
Nhiệt độ  đo được nhờ  một điện trở  hay một cặp nhiệt, chính bằng nhiệt độ  của 
cảm biến và kí hiệu là TC. Nó phụ  thuộc vào nhiệt độ  môi trường TX và vào sự  trao 
đổi nhiệt độ trong đó. Nhiệm vụ của người thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu  
số TX – TC xuống nhỏ nhất. Có hai biện pháp để giảm sự khác biệt giữa TX và TC:
­ Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo.
­ Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài.
 Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn
Thông thường cảm biến được trang bị  một lớp vỏ bọc bên ngoài. Để  đo nhiệt độ 
của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ  bề  mặt của vật người ta khoan một lỗ 
nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng L. Lỗ này dùng để đưa cảm biến vào sâu trong  
chất rắn. Để tăng độ chính xác của kết quả phải đảm bảo hai điều kiện:
­ Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần đường kính của nó  
(L≥ 10r).
­ Giảm trở  kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cách 
giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan. khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan 
phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt.
1.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel

1.2.1Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
Sự chuyển động của các hạt mang điện tích theo một hướng hình thành một dòng  
điện trong kim loại. Sự  chuyển động này có thể  do một lực cơ học hay điện trường  
gây ên và điện tích có thể  là âm hay dương dịch chuyển với chiều ngược nhau. Độ 
dẫn điện của kim loại ròng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ  hay điện trở  của kim loại có hệ 
số nhiệt độ dương. Trong hình 1.1 ta có các đặc tuyến điện trở  của các kim loại theo  
nhiệt độ. Như  thế  điện trở  kim loại có hệ  số  nhiệt điện trở  dương PTC (Positive  
Temperature Coefficient): điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng. Để hiệu ứng này có 
thể  sử  dụng được trong việc đo nhiệt độ, hệ  số  nhiệt độ  cần phải lớn.Điều đó có 
nghĩa là có sự  thay đổi điện trở  khá lớn đối với nhiệt độ. Ngoài ra các tính chất của  
kim loại không được thay đổi nhiều sau một thời gian dài. Hệ số nhiệt độ không phụ 
thuộc vào nhiệt độ, áp suất và không bị ảnh hưởng bởi các hóa chất. Giữa nhiệt độ và  
điện trở thường không có sự tuyến tính, nó được diễn tả bởi một đa thức bậc cao:
R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C.t3 +…)
­ R0: điện trở được xác định ở một nhiệt độ nhất định.
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 16


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
­ t2, t3: các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu của phép đo.
­ A, B, C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự liên hệ giữa nhiệt 
độ và điện trở một cách rõ ràng.
Thông thường đặc tính của nhiệt điện trở  được thể  hiện bởi chỉ  một hệ  số  a 
(alpha), nó thay thế  cho hệ  số  nhiệt độ  trung bình trong thang đo (ví dụ  từ  00C đến 
1000C.)
Alpha = (R100 ­ R0) / 100. R0 (°C­1)
1.2.2 Nhiệt điện trở Platin
Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. Có 2 
tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh  

khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử  dụng tiêu chuẩn quốc tế  DIN IEC751­
1983 (được sửa đổi lần thứ  nhất vào năm 1986, lần thứ  2 vào năm 1995), USA vẫn 
tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng. 
Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar ­ Van Dusen: 
R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C[t ­ 1000C].t3)
R0 là trị số điện trở định mức ở 00C.
Standard 

IEC751 
(Pt100) 

SAMA
RC­4 

Alpha

R0

Ohms/Ohm/°C  Ohms 

Hệ sô 

Đất nước

Úc,   Áo,   Bỉ,   Brazil, 
200°C   <   t   <   0°C
Bulgaria,   Canada,   Cộng 
A   =   3.90830x10­3
hòa Czech, Đan mạch, Ai 
B   =   ­5.77500x10­7

Cập,   Phần   Lan,   Pháp, 
C = ­4.18301x10­12 
Đức,   Israel,   Ý,   Nhật,   Ba 
0°C   <   t   <   850°C
Lan,   Rumania,   Nam   phi, 
A &B như trên, riêng
Thổ   Nhĩ   Kì,   Nga,   Anh, 
C = 0.0 
USA

0.00385055 

100 

0.0039200 

A=   3.97869x10­3
98.129  B   =   ­5.86863x10­7 USA
C = ­4.16696x10­12 

R0 của nhiệt điện trở  Pt 100 là 100W, của Pt 500 là 500W, của Pt 1000 là 1000W. 
Các loại Pt 500, Pt 1000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, do đó độ nhạy lớn hơn: điện trở 
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 17


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ. ngoài ra còn có loại Pt 10 có độ nhạy kém dùng để 
đo nhiệt độ trên 6000C.
Tiêu chuẩn IEC751 chỉ  định nghĩa 2 “đẳng cấp” dung sai A, B. Trên thực tế 

xuất hiện thêm loại C và D (xem bảng phía dưới). Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng 
cho các loại nhiệt điện trở khác.
Đẳng cấp dung sai 

Dung sai (°C) 

 A 

t =± (0.15 + 0.002.| t |) 

B 

t = ± (0.30 + 0.005. | t |) 

C 

t =± (0.40 + 0.009. | t |) 

 D 

t = ± (0.60 + 0.0018. | t |) 

Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở  có pha tạp. Do đó 
khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của  
nó ít hơn so với các platin ròng. Nhờ thế có sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp  
hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở platin thường dùng có đường 
kính 30µm (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100µm). 
1.2.3Nhiệt điện trở nickel
Nhiệt điện trở nickel so với platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp  
hai lần (6,18.10­3  0C­1). Tuy nhiên dải đo chỉ từ ­600C đến +2500C, vì trên 3500C nickel 

có sự thay đổi về pha. Cảm biến nickel 100 thường dùng trong công nghiệp điều hòa  
nhiệt độ phòng.
R(t) = R0 (1 + A.t +B.t2 +D.t4 +F.t6)
A = 5.485x10­3

 B = 6.650x10­6

D = 2.805x10­11

F = ­2.000x10­17.

Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao ta sử dụng phương trình sau:
R(t) = R0 (1 + a.t)
a = alpha= 0.00672 0C­1
Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ:
t = (Rt / R0 ­ 1) / a = (Rt / R0 ­ 1) / 0.00672
1.2.4  Cách nối dây đo

Nhiệt điện trở  thay đổi điện trở  theo nhiệt độ. Với một dòng điện không thay  
đổi qua nhiệt điện trở, ta có điện thế đo được U = R.I. Để cảm biến không bị nóng lên  
qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ  khoảng 1mA. Với Pt 100  ở  0C ta có điện thế 
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 18


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
khoảng 0,1V. Điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo. Ta có 4 kỹ thuật nối 
dây đo.

Hình 1.3

Cách nối dây nhiệt điện trở

Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở  phải có màu  
giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu.
 Kỹ thuật hai dây

Hình 1.4
Giữa nhiệt điện trở  và mạch điện tử  được nối bởi hai dây. Bất cứ  dây dẫn điện 
nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với nhiệt điện trở. Với hai điện trở  của 
hai dây đo, mạch điện trở  sẽ nhận được một điện thế  cao hơn điện thế  cần đo. Kết  
quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo. Nếu khoảng cách quá xa, điện trở 
dây đo có thể lên đến vài Ohm
Ví dụ với dây đồng:
Diện tích mặt cắt dây đo:

0,5mm2

Điện trở suất:

0,0017Wmm2m­1

Chiều dài:

100m

R = 6,8 W, với 6,8W tương  ứng cho nhiệt điện trở  Pt 100 một thay đổi nhiệt độ  là 
170C. Để tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra, người ta bù trừ  điện  
trở  của dây đo bằng một mạch điện như  sau: Một biến trở  bù trừ  được nối vào một  
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý

Page 19


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
trong hai dây đo và nhiệt điện trở  được thay thế  bằng một điện trở  100W. Mạch điện  
tử được thiết kế với điện trở  dự  phòng của dây đo là 10 W. Ta chỉnh biến trở sao cho 
có chỉ thị 00C: Biến trở và điện trở của dây đo là 10 W.
 Kỹ thuật 3 dây: 

Hình 1.5
Từ nhiệt điện trở của dây đo được nối thêm (h1.5). Với cách nối dây này ta có hai 
mạch đo được hình thành, một trong hai mạch được dùng làm mạch chuẩn. Với kỹ 
thuật 3 dây, sai số cho phép đo do điện trở  dây đo và sự  thay đổi của nó do nhiệt độ 
không còn nữa. Tuy nhiên 3 dây đo cần có cùng trị  số  kỹ  thuật và có cùng một nhiệt  
độ. Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến.
 Kỹ thuật 4 dây.

Hình 1.6
Với kỹ  thuật 4 dây người ta đạt kết quả  đo tốt nhất. Hai dây được dùng để  cho  
một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở. Hai dây khác được dùng làm dây đo điện  
thế trên nhiệt điện trở. Trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch đo rất lớn so với điện 
trở dây đo, điện trở dây đo đó coi như không đáng kể. Điện thế đo được không bị  ảnh 
hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt.
 Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu đo.
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 20


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
Người ta vẫn có thể  dùng hai dây đo mà không bị  sai số  cho phép đo với bộ 

biến đổi tín hiệu đo. Bộ  biến đổi tín hiệu đo biến đổi tín hiệu của cảm biến thành 
một dòng điện chuẩn, tuyến tính so với nhiệt độ  có cường độ  từ  4mA đến 20mA. 
Dòng điện nuôi cho bộ biến đổi được tải qua hai dây đo với cường độ  khoảng 4mA. 
Với kỹ thuật này tín hiệu được khuếch đại trước khi truyền tải do đó không bị  nhiễu  
nhiều.
1.3  Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic
Cảm biến  nhiệt độ  với vật liệu silic đang ngày càng đóng vai trò quan trọng 
trong các hệ  thống  điện tử. Với cảm biến silic, bên cạnh đặc điểm tuyến tính, sự 
chính xác, phí tổn thấp, và có thể  được tích hợp trong 1 IC cùng với bộ phận khuếch  
đại và các yêu cầu xử  lí tín hiệu khác. Hệ  thống trở  nên nhỏ  gọn, mức độ  phức tạp  
cao hơn và chạy nhanh hơn. Kỹ  thuật cảm biến truyền thống như  cặp nhiệt, nhiệt  
điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và yêu cầu sự điều chỉnh để có thể chuyển đổi  
chính xác từ  giá trị nhiệt độ  sang đại lượng điện (dòng hoặc áp), đang được thay thế 
dần bởi các cảm biến silic với lợi điểm là sự  nhỏ gọn của mạch điện tích hợp và dễ 
sử dụng.
1.3.1 Nguyên tắc
Hình   1.7   thể   hiện   cấu 
trúc   cơ   bản   của   một   cảm 
biến.   kích   thước   của   cảm 
biến là 500 x 500 x 200  µm. 
Mặt trên của cảm biến là một 
lớp   SiO2  có   một   vùng   hình 
tròn   được   mạ   kim   loại   có 
đường   kính   khoảng   20µm, 
toàn bộ mặt đáy được mạ kim 
loại.

Hình 1.7

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý

Page 21


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
Hình   1.8   biểu   diễn   mạch   điện 
tương đương tượng trưng thay thế  cho 
cảm   biến   silic   (sản   xuất   theo   nguyên 
tắc   điện   trở   phân   rải   (spreading 
resistance)).Sự sắp xếp này dẫn đến sự 
phân bố dòng qua tinh thể có dạng hình 
nón, đây là nguồn gốc của tên gọi điện 
trở phân rải (spreading resistance).
Hình 1.8
Điện trở điện trở cảm biến nhiệt R được xác định như sau: 
R

/ .d

R: điện trở cảm biến nhiệt.
ρ : điện trở suất của vật liệu silic ( ρ lệ thuộc vào nhiệt độ).
d: đường kính của hình tròn vùng mạ kim loại mặt trên.
1.3.1. Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY 
Với sự  chính xác và  ổn định lâu dài của cảm biến với vật liệu silic KTY sử 
dụng công nghệ điện trở phân rải là một sử thay thế tốt cho các loại cảm biến nhiệt 
độ truyền thống.
 Các ưu điểm chính
 Sự ổn định:
Giả  thiết cảm biến làm việc  ở  nhiệt độ  có giá trị  bằng một nửa giá trị  nhiệt độ 
hoạt đông cực đại, sau thời gian làm việc ít nhất là 450000 h (khoảng 51 năm), hoặc  
sau 1000 h (1,14 năm) hoạt động liên tục với dòng định mức tại giá trị  nhiệt độ  hoạt 

động cực đại cảm biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số như bảng . 
TYPE

Sai số tiêu biểu (K)

Sai số lớn nhất (K)

KTY81­1 
KTY82­1 

0.20 

0.50 

KTY81­2 
KTY82­2 

0.20 

0.80 

KTY83 

0.15 

0.40 

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 22

Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
 Sử dụng công nghệ silic:
Do cảm biến được sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ  silic nên gián tiếp  
chúng ta sẽ hưởng được lợi ích từ những tiến bộ trong lãnh vực công nghệ này, đồng  
thời điều này cũng gián tiếp mang lại những  ảnh hưởng ích cực cho công nghệ “đóng 
gói”, nơi mà luôn có khuynh hướng thu nhỏ.
 Sự tuyến tính
Cảm biến với vật liệu silic có hệ  số gần như là hằng số  trên toàn bộ  thang đo.  
Đặc tính này là một điều lý tưởng để khai thác, sử dụng 
Nhiệt độ hoạt động của các cảm biến silic thông thường bị giới hạn ở 150  0C. 
KTY 84 với vở  bọc SOD68 và công nghệ  nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip có thể 
hoạt động đến nhiệt độ 300 0C.
 Đặc điểm của sản phẩm
Tên sản 
phẩm

R25 (Ω) 

ΔR

Thang đo (°C)  Dạng IC

KTY81­1 

1000 

±1% tới ±5%  −55 tới 150 

SOD70 

KTY81­2 

2 000 

±1% tới ±5%  −55 tới 150 

SOD70 

KTY82­1 

1000 

±1% tới ±5%  −55 tới 150 

SOT23 

KTY82­2 

2000 

±1% tới ±5%  −55 tới 150 

SOT23 

KTY83­1 

1000 

±1% tới ±5%  −55 tới 175 

SOD68 (DO­34) 

KTY84­1 

1000 (R100)  ±3% tới ±5%  −40 tới 300 

SOD68 (DO­34) 

 1.3.3 Mạch điện tiêu biểu với KTY81 hoặc KTY82
Hình 1.10 cho ta một mạch điện điển hình được thiết kế cho cảm biến KTY 81­
110 hoặc KTY 82­110 (nhiệt độ  đo từ 00C đến 1000C). Điện trở R1, R2, cảm biến và 
các nhánh điện trở R3, biến trở P1 và R4 tạo thành một mạch cầu. 

Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 23


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến

Hình 1.9: Mạch đo nhiệt độ sử dụng KTY81­110
Giá trị  R1 và R2 được chọn sao cho giá trị  dòng điện qua cảm biến gần bằng 
1mA và tuyến tính hóa cảm biến trong dải nhiệt độ  cần đo. Điện áp ngõ ra thay đổi 
tuyến tính từ  0,2 VS  đế  0,6 VS  (VS  = 5 V thì Vout thay đổi từ  1V đến 3V). Ta điều 
chỉnh P1 để Vout = 1V tại 00C, tại 1000C điều chỉnh P2 Vout = 3V. Với mạch điện này 
việc điều chỉnh P2 không ảnh hưởng đến việc chỉnh zero.
1.4 IC cảm biến nhiệt độ.
Nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ. 
IC cảm biến nhiệt độ  là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ  chuyển thành tín hiệu 
dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. Dựa vào các đặc tính rất nhạy cảm của  

các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ  lệ  thuận với nhiệt độ 
tuyệt đối C, F, K hay tùy loại. Đo tín hiệu điện ta biết được nhiệt độ cần đo. Tầm đo  
nhiệt độ giới hạn từ ­550C đến 1500C, độ chính xác từ 1% đến 2% tùy theo từng loại.
Sự tác động của nhiệt độ sẽ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán 
dẫn bằng sự phá vỡ các phân từ, bứt các electron thanh dạng tự do di chuyển qua các 
vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho tỉ lệ điện tử 
tự do và các lỗ trống tăng lên theo qui luật hàm số mũ với nhiệt độ. Kết quả của hiện  
tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng thuận của mối nối p – n trong diode hay  
transistor sẽ tăng theo hàm số mũ theo nhiệt độ.
Trong mạch tổ  hợp, cảm biến nhiệt thường là điện áp của lớp chuyển tiếp pn  
trong   một   transitor   loại   bipolar.   Texinstruments   có   STP   35   A/B/C;   National  
Semiconductor LM 35/4.5/50…
1.1

Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor

Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến đều sử dụng hơi phức tạp. Chẳng hạn  
cặp nhiệt ngẫu có mức ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt, thermistor thì không tuyến  
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 24


Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến
tính. Thêm vào đó ngõ ra của các loại cảm biến này không tuyến tính tương  ứng với 
bất kỳ thang chia nhiệt độ nào. Các khối cảm biến tích hợp được chế tạo khắc phục  
được những nhược điểm đó. Nhưng ngõ ra của chúng quan hệ  với thang chia  độ 
Kelvin hơn là độ Celsius và Fahrenheit. 
Loại LM35: Precision Centigrade Temperature Sensor.

Với loại LM35 ta có điện áp ngõ ra tỉ  lệ  trực tiếp với thang nhiệt độ  Celsius 

(thang bách phân). Như  thế một mạch điện bù trừ  điểm zero của thang Kelvin (thang  
nhiệt độ tuyệt đối) không còn cần thiết như một số IC cảm biến nhiệt khác.
Đặc điểm:
Điện áp hoạt động: VS= 4V tới 30V
Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10mV/0C
Thang đo: ­550C đến1500C với LM 35/35A,
 ­400C đến1100C với LM 35C/35CA
 00C đến1000C với LM 35D
Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,08 0C (trong môi trường không khí)
Mức độ không tuyến tính chỉ  1/40C
Cách kết nối
Thang đo:+20C đến1500C
VS= 4V tới 30V

Hình 1.10
Thang đo: ­550C đến1500C
R1 = VS/50 µ A
VS= 4V tới 30V
VOUT= 1500 mV tại +1500C
= +250 mV tại +250C
= ­550 mV tại ­550C
Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý
Page 25