Giáo trình Kỹ thuật cảm biến - Nghề: Điện dân dụng - Trình độ: Cao đẳng nghề (Tổng cục Dạy nghề)

1

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH & XÃ HỘI
TỔNG CỤC DẠY NGHỀ

GIÁO TRÌNH

Tên mô đun: Kỹ thuật cảm biến
NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG
TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ
(Ban hành kèm theo Quyết định số: 120 /QĐ-TCDN
Ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề)

Năm 2013


2

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể
được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và
tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.


3

LỜI GIỚI THIỆU
Trong các hệ thống đo lường và điều khiển dân dụng, thì mọi quá trình
đều được đặc trưng bởi các trạng thái. Các trạng thái này thường là các đại

lượng không điện như: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, lưu lượng, … Để thực hiện
được tự động hóa trong các hệ thống thì phải có các cảm biến để đo đạc, theo
dõi trạng thái của các quá trình đó. Do đó việc hiểu và nắm bắt được các loại
cảm biến trên thị trường hiện nay là rất quan trọng.
Giáo trình kỹ thuật cảm biến được biên soạn dựa trên các giáo trình và tài
liệu tham khảo đã có, và giáo trình này được dùng để giảng dạy và làm tài liệu
tham khảo cho sinh viên nghề điện dân dụng.
Nội dung của giáo trình gồm 10 bài.
Bài 1 trình bày các khái niệm chung về cảm biến,
Bài 2 trình bày về các loại cảm biến nhiệt,
Bài 3 trình bày về cảm biến điện hóa,
Bài 4 trình bày về cảm biến áp suất,
Bài 5 trình bày về cảm biến quang,
Bài 6 trình bày về cảm biến vị trí,
Bài 7 trình bày về cảm biến tiệm cận,
Bài 8 trình bày về cảm biến từ trường,
Bài 9 trình bày về cảm biến ẩm,
Bài 10 trình bày về cảm biến rung.
Trong quá trình biên soạn, nhóm tác giả đã tham khảo các tài liệu và giáo
trình khác như ở phần cuối giáo trình đã thống kê.
Chúng tôi rất cảm ơn các cơ quan hữu quan của TCDN, BGH và các thày
cô giáo trường CĐN Bách nghệ Hải Phòng và một số giáo viên có kinh nghiệm,
cơ quan ban ngành khác đã tạo điều kiện giúp đỡ cho nhóm tác giả hoàn thành
giáo trình này.
Lần đầu được biên soạn và ban hành, giáo trình chắc chắn sẽ còn khiếm
khuyết; rất mong các thày cô giáo và những cá nhân, tập thể của các trường đào
tạo nghề và các cơ sở doanh nghiệp quan tâm đóng góp để giáo trình ngày càng
hoàn thiện hơn, đáp ứng được mục tiêu đào tạo của Mô đun nói riêng và ngành
điện dân dụng cũng như các chuyên ngành kỹ thuật nói chung.

4

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:
Trường Cao đẳng nghề Bách Nghệ Hải Phòng
Khoa Điện – Điện tử
Số 196/143 Đường Trường Chinh - Quận Kiến An - TP Hải Phòng
Email:

Hà Nội, ngày…..tháng…. năm……

Nhóm biên soạn
1. Chủ biên: KS. Phạm Văn Việt
2. Nguyễn Văn Vịnh
3. Mai Ngọc Phong


5

MỤC LỤC
NỘI DUNG

TRANG

LỜI GIỚI THIỆU ....................................................................................... 1
MỤC LỤC ................................................................................................. 2
BÀI 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN .......................................... 5
1. Mục đích yêu cầu của môn học kỹ thuật cảm biến .................................. 5
2. Khái niệm chung về kỹ thuật cảm biến ................................................... 5
3. Nhận biết các loại cảm biến .................................................................. 11

4. Ứng dụng kỹ thuật cảm biến ................................................................ 12
BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ...................................................................... 15
1. Cảm biến nhiệt điện trở ........................................................................ 15
2. Cảm biến cặp nhiệt điện ....................................................................... 22
3. Nhận dạng, phân biệt các loại cảm biến nhiệt ....................................... 25
BÀI 3: CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA ............................................................... 26
1. Khái niệm cảm biến điện hoá ............................................................... 26
2. Phạm vi ứng dụng ................................................................................ 26
3. Cấu tạo, nguyên lý làm việc ................................................................. 26
4. Nhân dạng, phân biệt các loại cảm biến điện hóa ................................. 31
5. Kiểm tra, hiệu chỉnh, thay thế ............................................................... 31
BÀI 4: CẢM BIẾN ÁP SUẤT ................................................................. 32
1. Khái niệm cảm biến áp suất .................................................................. 32
2. Phạm vi ứng dụng ................................................................................ 32
3. Cấu tạo, nguyên lý làm việc ................................................................. 32
4. Nhân dạng, phân biệt các loại cảm biến áp suất .................................... 35
5. Kiểm tra, hiệu chỉnh, thay thế ............................................................... 36
BÀI 5: CẢM BIẾN QUANG ................................................................... 37
1. Cảm biến quang dẫn ............................................................................. 37
2. Cảm biến Diode quang ......................................................................... 39
3. Cảm biến Transistor quang ................................................................... 40
4. Cảm biến quang phát xạ ....................................................................... 46
5. Nhân dạng, phân biệt các loại cảm biến quang ..................................... 48
6. Kiểm tra, hiệu chỉnh, thay thế các loại cảm biến quang ....................... 48
Bài 6: CẢM BIẾN VỊ TRÍ ....................................................................... 49
1. Khái niệm cảm biến vị trí ..................................................................... 49
2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc ................................................................. 49


6

3. Nhân dạng, phân biệt các loại cảm biến vị trí ........................................57
4. Kiểm tra, hiệu chỉnh, thay thế ................................................................57
Bài 7: CẢM BIẾN TIỆM CẬN .................................................................59
1. Khái niệm cảm biến tiệm cận ..............................................................59
2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc ..................................................................60
3. Nhân dạng, phân biệt các loại cảm biến tiệm cận ..................................64
4. Kiểm tra, hiệu chỉnh, thay thế ................................................................68
Bài 8: CẢM BIẾN TỪ TRƯỜNG .............................................................69
1. Khái niệm cảm biến từ trường ..............................................................69
2. Các loại cảm biến từ trường ..................................................................69
3. Nhân dạng, phân biệt các loại cảm biến từ trường .................................75
4. Kiểm tra, hiệu chỉnh, thay thế ................................................................76
Bài 9: CẢM BIẾN ẨM .............................................................................77
1. Khái niệm cảm biến ẩm .........................................................................77
2. Các loại cảm biến ẩm ............................................................................78
3. Nhận dạng, phân biệt các loại cảm biến ẩm ...........................................80
4. Kiểm tra, hiệu chỉnh, thay thế ................................................................81
Bài 10: CẢM BIẾN RUNG .......................................................................82
1. Khái niệm cảm biến rung ......................................................................82
2. Vi âm tụ điện .......................................................................................83
3. Vi âm áp điện .......................................................................................83
4. Vi âm động lực ......................................................................................83
5. Nhận dạng, phân biệt các loại cảm biến rung.........................................83
6. Kiểm tra, thay thế các loại cảm biến rung ..............................................84


7

TÊN MÔ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN

Mã mô đun: MĐ27
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:
- Vị trí mô đun: Mô đun được bố trí sau khi sinh viên học xong các môn
học chung, các môn học/ mô đun: An toàn lao động; Mạch điện; Vẽ điện; Vật
liệu điện; Kỹ thuật điện tử cơ bản; Khí cụ điện hạ thế; Đo lường điện và không
điện; Kỹ thuật xung; Kỹ thuật số.
- Tính chất của mô đun: Là mô đun chuyên môn nghề.
Mục tiêu của mô đun:
* Về kiến thức: Trình bày được đặc tính cấu tạo và nguyên lý làm việc của các
loại cảm biến.
* Về kỹ năng:
- Thiết kế được mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật.
- Thực hành lắp ráp một số mạch điều khiển thiết bị cảm biến đúng yêu cầu
- Kiểm tra, vận hành và sửa chữa được mạch ứng dụng các loại cảm biến
đúng yêu cầu kỹ thuật.
* Về thái độ: Có tính tỉ mỉ, tuân thủ các quy tắc an toàn điện khi sử dụng các
loại cảm biến.
Nội dung của mô đun:


8

BÀI 1
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN
Mã bài: MĐ 27.01
Giới thiệu:
Trong các hệ thống điện nối chung và trong hệ thống điện dân dụng nói
riêng thì việc sử dụng các loại cảm biến ngày càng trở nên phổ biến và thông
dụng. Các cảm biến đó giúp cho các thiết bị tự động hay các hệ thống tự động
luôn luôn giám sát được các thông số cần thiết trong hệ thống để đưa ra quyết

định điều khiển tiếp theo. Do đó đối với một người thợ điện thì kiến thức về các
loại cảm biến thông dụng là không thể thiếu, và để nắm bắt được các loại cảm
biến đó thì trước tiên phải hiểu được các khái niệm chung và cơ bản về cảm
biến.
Mục tiêu:
- Trình bày được các khái niệm về cảm biến.
- Trình bày được phạm vi ứng dụng của các linh kiện cảm biến dùng trong
các mạch tự động điều khiển dân dụng.
- Nhận dạng, phân biệt được các loại cảm biến.
Nội dung chính:
1. Mục đích yêu cầu của môn học kỹ thuật cảm biến
Mục tiêu: Trình bày được mục đích và yêu cầu của môn học kỹ thuật cảm biến
1.1. Mục đích
Mục đích của môn học kỹ thuật cảm biến là trang bị cho sinh viên những
kiến thức cơ bản về đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các tham số kỹ
thuật, ứng dụng, cách kiểm tra chỉnh định của các loại cảm biến thông dụng.
1.2. Yêu cầu
Để học và hiểu được các kiến thức trong phạm vi môn học này, yêu cầu
người học đã hoàn thành các học phần cơ sở như: Điện tử cở bản, Kỹ thuật xung
số, Đo lường các đại lượng điện và không điện, vật liệu điện,...
2. Khái niệm chung về kỹ thuật cảm biến
Mục tiêu: Trình bày được khái niệm chung về kỹ thuật cảm biến
2.1. Khái niệm về kỹ thuật cảm biến
Kỹ thuật cảm biến là một ngành kỹ thuật nghiên cứu về các hiệu ứng vật lý
như hỏa điện, áp điện, quang điện, nhiệt điện,…từ đó chế tạo ra các loại cảm
biến đo các đại lượng vật lý khác nhau thông qua các việc đo kết quả của các
hiệu ứng vật lý này, và thông thương kết quả đầu ra là tín hiệu điện.


9

- Hiệu ứng hỏa điện:
Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ
tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự
phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm
xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những
điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt Hình: Hiệu ứng hỏa điện
phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện.
Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi
ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và
nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp
V ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng F.
- Hiệu ứng áp điện:
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp
điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến
dạng dước tác động của lực cơ học, trên các
mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những
lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu,
được gọi là hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể
xác định được cường độ của lực tác dụng F.
Hình: Hiệu ứng áp điện
- Hiệu ứng cảm ứng điện từ:
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường
không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện
động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một
đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch
Hình: Hiệu ứng điện từ
chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một
khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất
điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây. Hiệu ứng cảm

ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua
việc đo suất điện động cảm ứng.
- Hiệu ứng quang điện:
+ Hiệu ứng quang dẫn: (hay
còn gọi là hiệu ứng quang điện
nội) là hiện tượng giải phóng ra
các hạt dẫn tự do trong vật liệu
(thường là bán dẫn) khi chiếu vào


10

chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc
Hình: Hiệu ứng quang điện
bức xạ điện từ nói chung) có bước
sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.
+ Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện
ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu
tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.
- Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn:
Khi một chuyển tiếp P-N được chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện tử và
lỗ chống, chúng chuyển động đưới tác động của chuyển tiếp này làm thay đổi
hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp. Hiệu ứng này thường được dùng để chế
tạo cảm biến quang.
- Hiệu ứng nhiệt điện:
Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học
khác nhau được hàn kín sẽ xuất hiện
một suất điện động tỉ lệ với nhiệt độ
mối hàn. Hiệu ứng này thường dùng
để chế tạo cảm biến nhiệt độ.

2.2. Khái niệm về cảm biến
Hình: Hiệu ứng nhiệt điện
2.2.1. Khái niệm cảm biến
Cảm biến là các thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý
và các đại lượng không 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 tích chất điện (như nhiệt độ, áp
suất, …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) có tính chất điện (như
dòng điện, điện áp, trở kháng, …) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị
của đại lượng cần đo. Đặc trưng s là hàm của đại lượng cần đo m.
s=F(m)
Người ta gọi s là đại lượng đầu ra hay là phản ứng của cảm biến, m 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 m.
2.2.2. Phần tử nhạy
Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trục tiếp của đại lượng đo.
Phần tử nhạy không có đặc tính riêng. Sai số được hạn chế bởi thiết bị mà nó
tham gia.
2.2.3. Chuyển đổi đo lường


11

Là một khâu của thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của tín hiệu ra. Cơ sở
vật lý của chuyển đổi đo lường là biến đổi và truyền đạt năng lượng (biến đổi từ
dạng năg lượng này sang dạng năng lượng khác).
2.2.4. Cảm biến đo lường
Là phương tiện đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra
thuận lợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt, gia công bằng thiết bị bằng
thiết bị tính hoặc lưu giữ số liệu (nhưng không quan sát được).

2.2.5. Mạch đo
Đáp ứng ngõ ra của các loại cảm biến thường là không phù hợp với cơ cấu
chỉ thị hoặc các thiết bị đọc tín hiệu hồi tiếp trong các hệ thống điều khiển vì
vậy cần có mạch xử lý tín hiệu (chuyển đổi tín hiệu) cho phù hợp với cơ cấu
này. Sơ đồ khối Minh họa việc kết hợp giữa cảm biến và mạch xử lý tín hiệu
như sau:

Hình: Mạch đo và cảm biến
Tuy nhiên tín hiệu ngõ ra của các cảm biến là nhỏ nên thường phải kèm
theo mạch khuếch đại ngay bên trong cảm biến.
- Mạch khuếch đại đảo:
Điện áp đầu ra tính theo biểu
thức:

V0 là điện áp đầu ra
Vi là điện áp đầu vào

Hình: Mạch khuếch đại đảo

-

Mạch khuếch đại không đảo:


12

Điện áp đầu ra tính theo biểu thức:

V0 là điện áp đầu ra
Vi là điện áp đầu vào

Hình: Mạch khuếch đại không đảo
-

Mạch lặp lại điện áp:
V0 = Vi

Hình: Mạch lặp lại điện áp
-

Mạch Khuếch đại vi sai:

Với R1=R3; R2=R4

Hình: Mạch khuếch đại vi sai
Ngoài ra trong cảm biến cũng thường sử dụng mạch cầu so sánh:Mạch cầu
so sánh hay còn gọi là mạch cầu Wheastone. Thường dùng để chuyển đổi sự
thay đổi của điện trở thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo của cầu.


13

Trong sơ đồ bên: Rx=R0+ ΔR
ΔU=V+ - V-

Nếu ΔR << R0 thì biểu thức có thể viết lại là:

Hình: Mạch cầu Wheastone
2.3. Phân loại cảm biến
2.3.1. Phân loại theo đại lượng vào và ra

- Cảm biến điện-điện: Trong đó các đại lượng vào và ra là thông số điện
- Cảm biến không điện-điện: Là các cảm biến thực hiện chức năng biến đổi
các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, … thành các thông
số như điện trở, điện cảm, điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động, …
- Cảm biến khí nén-điện: Được ứng dụng nhiều trong các nhà máy hóa
chất, các hệ thống đo và điều khiển cần chống cháy, chống nổ. Các cảm biến
này thực hiện nhiệm vụ biến đổi các đại lượng không điện thành khí nén, sau đó
từ tín hiệu khí nén mới biến đổi thành tín hiệu điện.
2.3.2. Phân loại theo tính chất vật lý
- Cảm biến điện trở.
- Cảm biến điện từ.
- Cảm biến tĩnh điện.
- Cảm biến nhiệt điện.
- Cảm biến điện tử-ion.
- Cảm biến hóa điện.
- Cảm biến y - sinh.
2.3.3. Phân loại theo phương pháp đo
- Cảm biến biến đổi trực tiếp
- Cảm biến kiểu bù.
2.3.4. Phân loại theo tích chất nguồn điện
- Cảm biến phát điện
- Cảm biến thụ động
2.4. Đặc tính của cảm biến


14

2.4.1. Ở chế độ tĩnh
a, Sai số
*Theo phương pháp hiển thị có thể phân thành:

- Sai số tuyệt đối.
- Sai số tương đối.
- Sai số tương đối quy đổi.
*Theo mức độ không xác định có thể chia thành:
- Sai số hệ thống.
- Sai số ngẫu nhiên.
b, Đặc tính gần đúng
Hàm chuyển đổi của cảm biến đôi khi rất phức tạp không thuận tiện để
miêu tả hoặc phân tích. Khi đó có thể thay thế hàm thực bằng một hàm nào đó
gần đúng với hàm thực. Đó được gọi là đặc tính gần đúng tương đương.
2.4.2. Ơ chế độ động
Đặc tính động là đặc tính được xác định ở chế độ động, đó là các đại lượng
biến thiên theo thời gian. Và nó là phương trình vi phân biểu diễn mối quan hệ
giữa đại lượng vào x(t) và đại lượng ra y(t).
2.5. Nhiễu trong các bộ cảm biến
Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch đo là nguyên nhân gây ra sai số.
Nhiễu có thể phân thành hai dạng là nhiễu nội tại và nhiễu trên các mạch truyền
dẫn.
- Nhiễu nội tại sinh ra do quá trình thiết kế, do công nghệ chế tạo không
hoàn thiện, tính chất vật liệu không đúng với yêu cầu do tín hiệu ra của cảm biến
không đảm bảo chính xác.
- Nhiễu trên các bộ truyền dẫn từ cảm biến đến các thiết bị đo và thu thập
số liệu cũng gây ra sai số.
+ Nguồn cung cấp cho cảm biến không ổn định và chính xác.
+ Do ảnh hưởng của từ trường bên ngoài, nhiệt độ môi trường, bức xạ, độ
ẩm, …tác động lên cảm biến.
=> Để chống nhiễu, ta có thể thực hiện một số biện pháp như: Tăng độ lớn
của tín hiệu đo, dùng màn chắn từ trường và điện trường, lọc các tần số gây
nhiễu, sử dụng các cảm biến mắc vi sai (cảm biến kép),…Tất cả các biện pháp
trên sẽ được thực hiện cho từng loại cảm biến cụ thể.

3. Nhận biết các loại cảm biến
Mục tiêu: Trình bày được cách nhận biết và nhận biết được các loại cảm biến
3.1. Cách nhận biết các loại cảm biến


15

3.2. Thực hành nhận biết cảm biến
4. Ứng dụng kỹ thuật cảm biến
Mục tiêu: Trình bày được ứng dụng của cảm biến
4.1. Ứng dụng trong công nghiệp
Trong công nghiệp và đặc biệt là trong các hệ thống tự động thì cảm biến
đóng vai trò hết sức quan trọng, vì nó là thiết bị cung cấp thông tin của quá trình
điều khiển cho bộ điều khiển, để bộ điều khiển đưa ra những quyết định phù hợp
nhằm năng cao chất lượng của quá trình điều khiển. Có thể so sánh nhưng cảm
biến trong các quá trình tự động giống như những giác quan của con người.
Ngoài ra các cảm biến còn làm việc trong những môi trường mà con người
không thể tiếp xúc trực tiếp như môi trường nhiệt độ cao, môi trường chất hóa
học độc hại,… Có thể kể ra một vài ví dụ cụ thể ứng dụng của cảm biến trong
công nghiệp như sau:
- Ứng dụng cảm biến tiệm cận trong dây truyền phân loại sản phẩm

Hình: Ứng dụng cảm biến để phân loại sản phẩm
- Ứng dụng cảm biến lân cận để phát hiện mức chất lỏng trong bể chứa


16

Hình: Ứng dụng cảm biến để phát hiện mức chát lỏng
- Ứng dụng cảm biến trọng lượng để cân xe ô tô tải trọng lớn

Hình: Ứng dụng cảm biến tải trọng
- Ứng dụng cảm biến vị trí để đo chiều dài vật liệu trong máy cắt kim loại

Hình: Ứng dụng cảm biến vị trí
4.2. Ứng dụng trong dân dụng
Trong các thiết bị điện dân dụng hiện nay thì cảm biến ngày càng được ứng
dụng rộng rãi và biến như:
- Trong các thiết bị điện như tivi, đèn, quạt,…hiện nay hầu hết đều sử dụng
các bộ điều khiển từ xa mà trong đó có các cảm biến quang như photo transistor,
photo diode,…dùng để thu và phát sóng hồng ngoại từ xa. Loại này thường bị
hạn chế về khoảng cách do sử dụng sóng hồng ngoại.

Hình: Điều khiển từ xa
tivi

Hình: Điều khiển từ xa
quạt

Hình: Điều khiển từ xa 4
cổng 5A


17

- Trong các thiết bị điện như điều hòa, tủ lạnh, bình nóng lạnh, bếp từ, bếp
điện, lò vi sóng, đồng hồ vạn niên,…thường sử dụng các loại cảm biến nhiệt độ
để đo nhiệt độ môi trường, đo nhiệt độ làm lạnh, đo nhiệt độ đốt nóng,…

Hình: Cảm biến nhiệt độ dùng trong

Hình: Cảm biến nhiệt độ dạng công
đồng hồ vạn niên đo nhiệt độ môi
chất giãn nở dùng trong bình nóng
trường
lạnh, điều hòa,…
- Trong các tòa nhà thông minh thường cũng ứng dụng cảm biến nhiệt độ để tự
động mở cửa thông gió hoặc tự động bật quạt,…Hoặc cũng sử dụng các cảm
biến ánh sáng để tự động bật đèn và điều chỉnh độ sáng của đèn khi thiếu ánh
áng hoặc trời tối,…Sư dụng các loại cảm biến độ ẩm để đo độ ẩm trong phòng
và tự động chạy máy tạo hơi ẩm,..

Hình: Cảm biến áng sáng tự động bật đèn khi trời tối

Hình: Cảm biến độ ẩm và mạch điều khiển


18

BÀI 2
CẢM BIẾN NHIỆT
Mã bài: MĐ 27.02
Giới thiệu:
Cảm biến nhiệt hiểu theo nghĩa đen tức là thiết bị cảm biến để cảm nhận giá
trị nhiệt độ. Trên thực tế cảm biến nhiệt rất đa dạng và phong phú và được ứng
dụng rất nhiều trong các thiết bị điện gia dụng như: Trong máy nóng lạnh, điều
hòa, bếp từ,…
Mục tiêu:
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý làm việc, tham số kỹ thuật, phạm vi
ứng dụng của các loại cảm biến nhiệt.
- Nhận dạng, phân biệt được các loại cảm biến nhiệt.

- Kiếm tra, hiệu chỉnh, thay thế được các loại cảm biến nhiệt
Nội dung chính:
1. Cảm biến nhiệt điện trở
Mục tiêu: Trình bày được cấu tạo, phương trình chuyển đổi, sơ đò ứng
dụng,..của các loại cảm biến nhiệt điện trở thường gặp.
1.1. Cảm biến nhiệt điện trở kim loại
1.1.1.Cấu tạo, tham số kỹ thuật, phạm vi ứng dụng
Để đo những nhiệt độ từ -500C đến 6000C người ta thường dùng cảm biến
nhiệt điện trở kim loại như: PT-100, Cu-100, Ni-100. Cảm biến nhiệt điện trở
kim loại thường gồm một dây dẫn bằng kim loại như: Platin, Niken, Đồng quấn
trên một lõi cách điện như hình dưới đây:

Hình: cấu tạo bên ngoài nhiệt điện trở kim loại
Hình: Cấu tạo bên trong nhiệt điện
trở kim loại


19

Hình: Bộ điều khiển nhiệt độ đi kèm
Hình: Một số loại cảm biến nhiệt điện
trở và phụ kiện đi kèm của hãng omron
1.1.2. Hoạt động và phương trình chuyển đổi
Trong khoảng nhiệt độ thấp, khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi thì điện trở
của cảm biến thay đổi theo, và có thể coi phương trình chuyển đổi của cảm biến
là tuyên tính: R(T) = R0(1+αt).
Với α là hệ số nhiệt độ của điện trở, tùy thuộc vào kim loại làm điên trở theo
bảng sau:
Kim loại
Platin

Đồng
Niken
0
-3
-3
α(/ C)
3,9.10
4,3.10
5,4.10-3
Do tính chất của các kim loại dùng làm cảm biến có tính chất lý hóa khác
nhau nên tầm đo của các cảm biến này sử dụng các kim loại khác nhau thì khác
nhau.
Cảm biến
Platin
Đồng
Niken
0
Tầm đo ( C)
-200÷100
<100
<300
1.1.3. Sơ đồ ứng dụng
Để chuyển sự thay đổi của
cảm biến theo nhiệt độ thành sự
thay đổi điện áp, thường kết nối
cảm biến với mạch đo như hình
bên:
Trong đó RX = R+ΔR là
điện trở của cảm biến. Với R là
điện trở của cảm biến ở 00C.

Chọn R1 = R3, R2 = R4 thì điện Hình: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở
áp đầu ra của mạch đo là:


20

1.1.4. Kiểm tra, hiệu chỉnh và thay thế
* Cách kiểm tra nhiệt điện trở kim loại:
Đầu ra nhiệt điện trở kim loại thường có 3 dây hoặc 2 dây, nếu là loại 3 dây
thì đầu ra trong đó có 2 dây chung. Ví dụ như loại PT100Ω như sau:

Hình: Loại PT100 có 2 dây đầu ra
Hình: Loại PT100 có 3 dây đầu ra
Từ hình vẽ ta có thấy loại PT100Ω 3 dây hay loại PT100Ω 2 dây thì không
khác nhau là mấy vì với loại 3 dây thì chân số 2 và chân số 3 là một. Như vậy
cách kiểm tra 2 loại này là như nhau và ta tiến hành kiểm tra như sau:
Bước 1: Nhúng điện trở vào một cốc nước đá đang tan và chờ khoảng từ 10
đến 15 phút sao cho nhiệt độ trên than điện trở bằng nhiệt độ cốc nước (Khoảng
00c).
Bước 2: Dùng đồng hồ vạn năng để ở thang đo điện trở (X1Ω), tra chỉnh 0
đồng hồ cho chính xác.
Bước 3: Một que đồng hồ đặt vào chân số 1 và que còn lại đặt vào chân số 2,
sau đó đọc kết quả trên thang đo Ω. Do đây là loại PT100Ω nên khi ở 00c thì
điện trở của nó phải là 100Ω. Vậy khi đọc kết quả trên thang đo Ω nếu thấy kim
đồng hồ chỉ khoang 100Ω thì khả năng điện trở vẫn còn tôt, còn mội hiện tượng
khác thường thì là điện trưor đã bị hỏng.
Bước 4: Nếu thấy kim đồng hồ chỉ 100Ω thì thực hiện bước tiếp theo. Bỏ
điện trở ra môi trường bên ngoài (ra khỏi cốc nước đá). Khi đó nhiệt độ của điện
trở sẽ tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ môi trường. Lúc này nếu quan sát kim
đồng hồ thì sẽ thây kim tăng dần nhưng với khoảng giá trị nhỏ và với tốc độ

chậm. Vi khi đó giá trị điện trở của PT100Ω sẽ tăng dần với tỉ lệ là 0,384Ω/10c.
Đến một thời điểm nào đó sẽ thấy kim đồng hồ dừng vì khi đó nhiệt độ điện trở
đã bằng nhiệt độ môi trường. Vậy nếu thỏa mãn các hiện tượng trên thì kế luận
điện trở vẫn còn tốt.


21

Chú ý: Với các loại nhiệt điện trở khác cũng kiểm tra tương tự, nhưng giá trị
ban đầu ở 00c sẽ khác nhau và tỉ lệ tăng theo nhiệt độ sẽ khác nhau tùy theo
catalog của từng loại do nhà sản xuất cung cấp.
* Cách thay thế nhiệt điện trở kim loại:
Trên thực tế thường có 2 cách để bắt nhiệt điện trở kim loại. Tùy vào từng
cách bắt cụ thể như 2 hình vẽ dưới đây mà ta có cách thay thế khác nhau cho
phù hợp.

Hình: Kiểm bắt xiên góc α0

Hình: Kiểu bắt thẳng đứng

1.2. Cảm biến nhiệt điện trở oxyt kim loại
1.2.1.Cấu tạo, tham số kỹ thuật, phạm vi ứng dụng
Cảm biến nhiệt điện trở oxyt kim loại được chế tạo từ các hỗn hợp oxyt bán
dẫn như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 dướ dạng bột và
trộn với nhau theo một tỉ lệ nhất định. Sua đó nén định dạng hỗn hợp thành
nhiều phiến và nung ở nhiệt độ 10000C. Trên bề mặt của phiến sua khi nung,
người ta hàn các dây nối và phủ lên mặt phiến một lớp kim loại.

Hình: Cấu tạo nhiệt điện trở bán dẫn
1.2.2. Hoạt động và phương trình chuyển đổi

Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi thì điện trở của nó thay đổi theo phương
trình sau:

Trong đó R(T) và R0 là điện trở ở nhiệt độ T và T0 được đo theo thang 0K. β
là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 tùy thuộc vào cách chế tạo.


22

Cảm biến nhiệt điện trở oxyt kim loại hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 50
đến 1500C. Tuy nhiên do tính phi tuyến của nó nên người ta không dung trong
các mạch cảnh báo quá nhiệt hay mạch bù nhiệt.
1.2.3. Sơ đồ ứng dụng
Mạch cảnh báo quá nhiệt dung cảm biến nhiệt điện trở oxyt kim loại:

Hình: Sơ đồ ứng dụng cảm biến nhiệt điện trở oxyt kim loại
1.2.4. Kiểm tra, hiệu chỉnh và thay thế
1.3. Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn
1.3.1.Cấu tạo, tham số kỹ thuật, phạm vi ứng dụng
Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo gồm các tiếp giáp P-N, kết
hợp với mạch đo, rồi tích hợp thành các vi mạch. Sau đây giới thiệu một số vi
mạch đo nhiệt độ thông dụng:
 Vi mạch LM35:
Là cảm biến nhiệt độ bán dẫn thường dùng để đo nhiệt độ
môi trường có các thông số kỹ thuật như sau:
- Dải điện áp đầu vào từ 4VDC đến 20VDC
- Độ phân dải điện áp đầu ra là 10mV/10c
- Độ chính xác ở 250c là 0,50c
- Trở kháng đầu ra thấp 0,1Ω cho 1mA tải
Hình: LM35

- Dải đo từ -550c đến 1500c với các mức điện áp đầu ra khác nhau như:
+ Khi nhiệt độ là -550c thì điện áp đầu ra là -550mV.
+ Khi nhiệt độ là 250c thì điện áp đầu ra là 250mV.


23

+ Khi nhiệt độ là 1500c thì điện áp đầu ra là 1500mV.
Loại Cảm biến này thường có một số hình dạng và sơ đồ chân như sau:

Hình: Các cảm biến nhiệt độ LM35
 Vi mạch LM34: Vi mạch LM34 thường được ứng dụng để đo nhiệt độ
với đơn vị là 0F, các thông số kỹ thuật của nó như sau:
- Dải điện áp đầu vào từ 5VDC đến 20VDC
- Độ phân dải điện áp đầu ra là 10mV/10F
- Độ chính xác ở 770F là 10F
- Trở kháng đầu ra thấp 0,4Ω cho 1mA tải
- Dải đo từ -500F đến 3000F với các mức điện áp đầu
ra khác nhau như:
+ Khi nhiệt độ là -500F thì điện áp đầu ra là -500mV.
+ Khi nhiệt độ là 250F thì điện áp đầu ra là 250mV.
Hình: LM34
+ Khi nhiệt độ là 1500F thì điện áp đầu ra là 1500mV.
Loại Cảm biến này thường có một số hình dạng và sơ đồ chân như sau:


24

Hình: Các cảm biến nhiệt độ LM34
 Ngoài ra trên thị trường còn có một số vi mạch cảm biến khác cũng rất

phổ biến, thông số kỹ thuật của từng loại có thể tham khảo trong
datasheet4u.com

a,

b,
c,
Hình: Các vi mạch cảm biến nhiệt độ (a, LM45; b, LM335; c, LM135)
1.3.2. Hoạt động và phương trình chuyển đổi
Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn hoạt động trên nguyên tắc của lớp tiếp giáp
P-N.

Hình: Lớp tiếp giáp P-N
Phương trình chuyển đổi của tiếp giáp P-N:

Trong đó: q là điện tích của 1 điện tử, K là hằng số Brizman, T là nhiệt độ
tuyệt đối 0K, I0 là dòng điện ngược.
Phương trình trên ta có thể viết lại là:


25

Với một tiếp giáp cụ thể thì I0
là hằng số. Nếu ta cho một dòng
điện không đổi chạy qua tiếp giáp
P-N thì VAK phụ thuộc tuyến tính
vào nhiệt độ của lớp tiếp giáp.
Phương trình chuyển đổi của cảm biến:
1.3.3. Sơ đồ ứng dụng

Hình: Sơ đồ ứng dụng vi mạch LM335
1.3.4. Kiểm tra, hiệu chỉnh và thay thế
2. Cảm biến cặp nhiệt điện
Mục tiêu: Trình bày được cấu tạo, phương trình chuyển đổi, sơ đồ ứng
dụng,..của cảm biến cặp nhiệt điện.
2.1.Cấu tạo, tham số kỹ thuật, phạm vi ứng dụng
Cấu tạo của cảm biến cặp nhiệt điện là gồm hai kim loại ghép sát nhua ở
một đầu gọi là đầu nóng hay đầu làm việc, hai đầu còn lại không hàn chung gọi
là hai đầu lạnh hay hai đầu tự do.

Hình: Cặp nhiệt điện xoắn trần và
được hàn

Hình: Cặp nhiệt điện, một dây được đặt
trong ống nhựa cách điện và được hàn