CÁC BỘ CẢM BIẾN

ĐH Bách Khoa Hà Nội


18
Chng 2 – CÁC B CM BIN

§1. Cm Bin Quang in

Cm bin quang in là các linh kin quang in bin i trng thái in
khi có ánh sáng thích hp tác ng vào b mt ca nó.
Tín hiu vào là ánh sáng, tín hiu ra tín hiu in.
1.

Tính cht c bn ca ánh sáng :
-

Ánh sáng có 2 tính cht c bn là tính sóng và tính ht.
-

Dng sóng ca ánh sáng là sóng in t c lan truyn trong chân
không vi vn tc rt ln (3.10
8
m/s)
+ Ánh sáng có tính cht sóng nên khi dòng ánh sáng xuyên qua 1 cht
nào ó có th b hp th hoc tán x làm cho cng  tia sáng gim.
+ Ánh sáng có tính cht ht : th hin qua s tng tác vi vt cht, ánh
sáng gm các ht photon có nng lng rt nh. Do trong vt cht các
in t có xu hng gii phóng khi phân t thành các in t t do nên
cn cp cho nó mt nng lng  ln
 thoát khi lc liên kt. Khi 1
photon c hp th s có 1 in t c gii phóng gây nên hin tng

gii phóng in t. Hin tng gii phóng in tích di tác dng ca
ánh sáng do hiu ng quang in gây nên. ó là ni dung c bn ca các
nh lut quang in.
2.

Ngun sáng : 3 dng
-

èn si t : là mt bóng thy tinh cha khí him và si t bng
vonfram.
+ u im : thông lng ln, di ph tn rng và có th bin i c
+ Nhc im : quán tính ln, tui th thp
-

èn LED (iot phát quang) : ây là ngun sáng bán dn, nng lng
c gii phóng do s tái hp in t, l trng  vùng chuyn tip p-n làm
phát sinh các photon.
+ u im : quán tính nh, có kh nng iu bin tn s cao,  tin cy
cao, tui th cao
+ Nhc im : thông lng nh, d nhy vi nhit .
-

Lazer : là ngun sáng n sc có  chói ln rt nh hng và tính liên
kt mnh. Da trên hin tng khuch i ánh sáng bng bc x kích thích.
+ u im : Bc sóng n sc hoàn toàn xác nh. Thông lng ln,
chùm tia mnh,  nh hng cao và truyn i xa.
3.

T bào quang dn :
-

T bào quang in là mt quang in tr có cu to gm 1 khi bán dn
c t trong mt ng thy tinh.




ĐH Bách Khoa Hà Nội


19


Hình 3



-

Nguyên lý làm vic : da vào hin tng gii phóng ht mang in trong
vt liu bán dn di tác dng ca ánh sáng. Kh nng dn in ca vt liu
bán dn tng.
-

Có  nhy cao.
-

Vt liu ch to là các bán dn a tinh th ng nht.
4.

Photo diot :


Hình 4
U
d
= 0 → I
ht
= 0
Khi U
d
 0 thì I
ht
ca ht c bn gim
I
ht
ht dn không c bn tng chính I
r
= I
o

Khi chiu ánh sáng có bc sóng λ < λ
o
(bc sóng ngng) thì xut hin các
cp in t - l trng di tác dng ca in trng u, di chuyn theo
hng chuyn ng ca các ht không c bn làm cho dòng ngc I
r
tng,
dn n U
Rm

tng. T ó xác nh c quang thông
φ
Φ
I
r
R
m
U
d
ĐH Bách Khoa Hà Nội


20
5.

Photo tranzitor :
-

tranzitor : có cc baz c chiu sáng và không có in áp dt trên ó.



Hình 5a Hình 5b
-

Có th coi là mt t hp ca 1 photo diot và 1 tranzitor.


§2. Cm Bin Phát X
Cm bin phát x là s bin i tín hiu quang thành tín hiu in c

thc hin nh hin tng phát x quang in. S in t phát x khi b mt
không t l vi quang thông chiu vào nó.
1.

T bào quang in chân không :


Hình 1a
- Cu to : gm 1 bóng thy tinh c hút chân không có t anot và
catot. ( p = 10
-6
÷ 10
-8
mmHg )

ĐH Bách Khoa Hà Nội


21


Hình 1b Hình 1c


- Nguyên lý : di tác dng ca ánh sáng chiu vào b mt kim loi làm
cho các in t t do ca kim loi c gii phóng to nên dòng I
a.
Dòng này
ph thuc thông lng ánh sáng.
2.

T bào quang in cht khí :
-

Cu to : ging t bào quang in chân không ch khác bên trong có khí
tr (Acgông)
-

Nguyên lý : di tác dng ca U
AC
ln các in t chuyn ng mnh
trong cht khí. Chúng va chm vào các phân t khí gây nên ion hóa cht khí
làm cho dòng I
a
tng.
3.

ng dng ca cm bin quang in :
-

Thng c s dng khi mt khóa chuyn mch dùng  óng ngt
mch in


0,1lm
0,05lm
0,02 lm
1
2
4

I
a
U
ac
(mV)
φ
A
I
E
R
n
Led
Φ
E
ĐH Bách Khoa Hà Nội


22
-

Trng thái làm vic ca m bin ph thuc quang thông èn LED gi
ti.


ĐH Bách Khoa Hà Nội


23
§3. Cm Bin Nhit 

-

 o nhit  trong h thng t ng có nhiu bin pháp khác nhau.
Trên c s ó ngi ta s dng các b cm bin nhit  vi nguyên lý làm
vic khác nhau. VD : nhit in tr, nhit ngu, quang…
1.

Thang o nhit  :
c xác nh t các nh lut nhit ng
a.

Thang nhit  nhit ng tuyt i : Thang Kenvin (
0
K) là nhit 
cân bng ca im cân bng 3 trng thái nc, nc á và hi.
b.

Thang Celcius : thang nhit  bách phân (
0
C)
15.273)C(t)K(T
00
+=

c.

Thang Farenheit :
[ ]
32)C(T.
5

9
)F(T
2
5
.32)C(T)C(T
00
00
+=
−=

2.

Cm bin nhit in tr :
-

Cm bin nhit in tr là cm bin có in tr bin i theo nhit 
-

Kim loi in tr bin i theo nhit , th hin qua  (h s nhit in
tr)
-

Phân loi : 3 loi
+ Cm bin nhit in tr kim loi
+ Cm bin nhit in tr bán dn
+ Nhit in tr
a.

Cm bin nhit in tr kim loi
Có 2 loi :

-

Dây kim loi : gm mt si dây kim loi c dán trên bìa cách in.
Vt liu thng dùng là Pt, Ni, W, Cu.
Khong nhit  o c : Pt (200
0
C ÷ 1200
0
C)
Ni (-190
0
C ÷ 250
0
C)
Cu (-50
0
C ÷ 180
0
C)
)1(RR
0
αθ+=
θ
khi nhit   tng thì dn n R tng theo. Qua
R o c ta xác nh c nhit  qua công thc trên.
 cm bin có  nhy cao ta phi chn kim loi có in tr sut ()
ln
q
l
.R ρ=

khi R tng thì l tng, q gim
in tr R càng ln thì  nhy càng cao và di o càng hp.
-

Màng mng : dùng  o nhit d trên b mt vt rn. Khi o ngi ta
dán màng mng lên b mt vt cn o (mng c µm)



ĐH Bách Khoa Hà Nội


24
b.

Cm bin nhit in tr silic (bán dn)
-

Các vt liu bán dn rt nhy cm vi nhit . Do ó ngi ta dùng vt
liu bán dn  ch to cm bin o nhit .
-

Silic tinh khit có h s nhit in tr  < 0, nhng khi c tác ng 
mt di nhit  nào ó thì  > 0
 < 200
0
C thì  > 0
 > 200
0
C thì  < 0

[ ]
2
000T
)TT(B)TT(A1RR −+−+=
Trong ó : R
0
, T
0
là in tr, nhit   im chun (0
0
K)
A = 0,007874 (K
-1
)
B = 1,874.10
5
(K
-2
)
c.

Nhit in tr :
-

c ch to t các hn hp bán dn oxit dng tinh th. Các hn hp
này  dng bt vi t l nht nh sau ó c nén nh dng thiêu kt 
1000
0
C.
-

So vi các loi cm bin khác thì loi này có  nhy cao nht gp hàng
chc ln so vi cm bin nhit in tr kim loi.
- Gm 2 loi :
+ cm bin nhit in tr có  > 0
+ cm bin nhit in tr có  < 0
3.

Cm bin cp nhit ngu
a.

Cu to : gm 2 dây kim loi có bn cht hóa hc khác nhau c hàn
kín vi nhau.
b.

Nguyên lý làm vic : da vào hiu ng nhit in, c hình thành t 2
c s là hiu ng Thomson và hiu ng Seebek.
-

Hiu ng Thomson : nu trong dây dn có 2 im nhit  khác nhau thì
gia chúng có hiu in th hay sc in ng s, ch ph thuc bn cht vt
dn và nhit  ca 2 im.
-

Hiu ng Seebek : nu mch in là 2 vt dn khác nhau c ni kín ti
2 im và gi  2 nhit  t
1
,t
2
. Chúng to thành 1 cp nhit in, khi t

1
 t
2

các in tích khuch tán sang nhau và to nên 1 sc in ng. Do ó trong
mch có dòng in i.
Khi t
1
= t
2
thì
)t(e)t(e0)t(e)t(eE
2BA1AB2BA1ABAB
−=⇒=+=
Khi
21
tt ≠
thì
)t(e)t(e)t(e)t(e)t(E
2AB1AB2BA1ABAB
−=+=

Nu
consttt
02
==
:
)t(fC)t(e)t(E
ABAB
=−=

vi
)t(eC
0AB
=

Nh vy bng cách o sc in ng nhit E, ta xác nh c nhit  ca
vt cn o.
- S  u dây : 1 - Mi hàn làm vic ; 2-3 Mi hàn t do ;

ĐH Bách Khoa Hà Nội


25


c – dây dn
Hình 3a




Hình 1b




1 - Mi hàn làm vic ; 2 Mi hàn t do ; 3 – 4 Mi hàn trung hòa ;
c – dây dn

c.

o nhit  bng bán dn diode, tranzitor :
-

Dùng diode :



mV
C
3 B
2 A
1
t
0
t
0
mV
A
t
0
1

t

4
3
2

B

C
C
ĐH Bách Khoa Hà Nội


26

Hình 2a Hình 2b

-

Dùng tranzitor
Khi nhit  tng thì I tng, U tng. Qua U ta xác nh c nhit 
-

Di o : -50
0
C ÷ 150
0
C
-

 nhy :
dt
du
s =
(khong 2.5mV/
0
C)
4.

Cm bin quang o nhit  :
-

Ha k bc x (300
0
C ÷ 6000
0
C) o gián tip
-

Ha k quang hc (800
0
C ÷ 6000
0
C)
-

Ha k quang in (800
0
C ÷ 6000
0
C)
5.

Nhit k áp sut (áp k nhit) :
-

Da vào s ph thuc ca áp sut làm vic ca các cht trong h thng
vào nhit . Tùy theo trng thái làm vic ca các cht mà nhit k áp sut

chia làm 2 loi : khí và lng
-

Di o : -150
0
C ÷ 600
0
C


§4. Cm Bin V Trí Và Di Chuyn
A – Khái nim chung :
-

Trong t ng iu kin làm vic xác nh v trí và di chuyn óng mt
vai trò quan trng. Có 2 phng pháp c bn  xác nh v trí và di chuyn.
-

Phng pháp 1 : b cm bin cung cp tín hiu là 1 hàm ph thuc vào
v trí ca vt (phn t ca c bn). Phn t này có liên quan n vt di chuyn
cn xác nh.
-

Phng pháp 2 : ng vi 1 di chuyn c bn, b cm bin phát ra xung.
Vic xác nh v trí ca vt c xác nh bng vic m s xung phát ra.
-

Các b cm bin có thông s là : R, L, C, M, E
Ngoài 2 phng pháp trên còn có các phng pháp hin i hn :
+ phng pháp song àn hi t

+ phng pháp quang hc laser
+ phng pháp si quang
I
U
I
U
ĐH Bách Khoa Hà Nội


27
B - Cm bin in tr :
-

nh ngha : cm bin in tr là cm bin mà ng lng u vào là
các di chuyn c (thng hoc quay) còn ng lng u ra là s bin i
in tr tng ng.
-

Phân loi : 3 loi
+ Cm bin in tr dây qun
+ Cm bin in tr tip xúc
+ Cm bin in tr bin dng
1.Cm bin in tr dây qun :
-

Cu to, nguyên lý làm vic ging nh mt bin tr iu chnh. ng
lng u vào là ng lng vào tác ng trc tip vào tip im ng cm
bin dn n tr s u ra cm bin bin i tng ng. Tip im ng cm
bin có th chuyn ng thng hoc quay.

Hình 1a Hình 1b





-

Cu to : gm 3 b phn chính
+ Khung qun dây : làm bng vt liu cách in chu nhit có tit din
không i (tuyn tính) hoc thay i (phi tuyn)
+ Dây in tr : c s dng có in tr sut ln, ít b oxi hóa và h s
nhit in tr  thp. Bên ngoài dây c ph mt lp sn cách in. 
ln in tr dây ph thuc  chính xác ca cm bin.
d = (0.03 ÷ 0.1)mm :  chính xác cao
d = (0.1 ÷ 0.5)mm :  chính xác thp
+ Tip im ng : c làm bng vt liu dn in tt, chu mài mòn,
có in tr bé
x
U
v
U
r
α
U
v
U

r
ĐH Bách Khoa Hà Nội


28
-

Nguyên lý : Khi x bin i dn n in tr cm bin bin i theo. in
áp u ra cng bin i theo in tr cm bin. Qua U
ra
o c ta xác nh
c x.
-

Phân loi : gm 2 loi theo kt cu
+ Cm bin in tr dây qun tuyn tính
+ Cm bin in tr dây qun phi tuyn
1.

Cm bin in tr tuyn tính :
-

nh ngha : là loi cm bin mà quan h gia U
ra
và x là dng ng
thng.
-

Các cách mc : mc phân áp và mc bin tr

Hình 1.1 Hình 1.2
-

Khi không ti (R
t
= ) :

Hình 1.3

x.s
l
x
Ur.
R
U
U
0
0
0
r
0
===

vi s là  nhy
U
v

U
r
U
v
U
r
U
0
U
r
x,r
ĐH Bách Khoa Hà Nội


29
r là in tr tng ng vi dch chuyn x
0
R
l
x
r =

- Cm bin quay :
ϕ=ϕ= .s.
l
U
U
max
0
r

0

c tính cm bin




Hình 1.4
Nhc im : c tính vào ra không i du ( không nhy cc tính )
-  khc phc nhc im này dùng cm bin in tr dây qun có cc
tính.


Hình 1.5


α
0
l
U
0
U

x

tgx =s

U
v
U

r
x

ĐH Bách Khoa Hà Nội


30


Hình 1.6




Khi ó U
r
= f(x) là ng thng
Nhc im : in áp ra ln nht là U
0
/2 . Nên gim  nhy ca cm bin.
-

 khc phc nhc im ngi ta s dng cm bin cc tính kép ( ghép
2 cm bin n ging nhau có 2 tip im ng chuyn ng ngc chiu
nhau, ni liên ng vi nhau).


Hình 1.7
- l/2
l/2

2
1
x
U
U
0
/2
- U
0
/2
U
0
U
r
R
0
R
1
ĐH Bách Khoa Hà Nội


31


-

u im : tng  nhy cm bin, thay i du ca in áp ra.

Trong quá trình làm vic cm bin có sai s do nhiu nguyên nhân : ch quan,
khách quan

+ Do vùng không nhy : Do cu to cm bin gm nhiu vòng dây qun
liên tip nhau cho nên khi tip im ng chuyn ng t vòng dây này sang
vòng dây khác thì in áp U
ra
cm bin bin i nhày cp vi U
ra
là in áp
trên 1 vòng dây ca cm bin.
w
U
U
0
ra
=∆
vi w là s vòng dây ca cm bin


Hình 1.8
ng kính dây càng nh thì  chính xác càng cao. Do ó  gim sai s
cm bin ta phi gim ng kính dây qun và tng s vòng dây qun.
b. Sai s do ti :


Hình 1.9 Hình 1.10
x
U
0
U
r
R

t
R
0

r
U
0
U
r
R
t
R
0
- r

r
ĐH Bách Khoa Hà Nội


32


Khi có ti R
t
ta có s  nh hình v


Hình 1.11
ta có
t

t
td
Rr
R.r
R
+
=
Rr
R.r
IR.IU
t
tdr
+
==

2
0t0
t
0r
td0
0
rr.RRR
R.r
UU
RrR
U
I
−+
=⇒
+−

=
Ta thy in áp U
ra
ph thuc R
t

+ Khi R
t
>> R
0
: không ti
0
r
0
0r
U
R
r
UU ==

c tính U
r0
= f(x) là ng thng
+ Khi R
t
 R
0
có sai s
2
0t

0
2
0
2
0t0
t
0
0
0
r0r
R.R
)rR(rU
rrRRR
R.r
Ur
R
U
UUU
−
≈
−+
−=−=∆

Sai s tng i :
(*)
R.R
)rR(r
U
U
a

2
0t
0
2
0
−
=
∆
=
Ta nhn thy a ph thuc r do ó  tìm a
max
ta xét
l
3
2
x
aa
R
3
2
r
0
dr
da
max
0
=⇔
⎪
⎩
⎪

⎨
⎧
=
=
⇔=

Thay giá tr a vào (*) ta có
η
==
27
4
R27
R4
a
t
0
max
vi
0
t
R
R
=η
gi là h s ti
R
t
R
0
- r

r
U
r
U
o
ĐH Bách Khoa Hà Nội


33
Nhn xét :
a
max
ph thuc R
t
suy ra nu R
t
tng thì a gim và ngc li. Do
ó  gim sai s phi tng R
t
.



Hình 1.12
Nh vy do nh hng ca R
t
nên c tính U
r
= f(x) không phi là ng
thng mà là các ng cong có hình dng ph thuc giá tr ca ti. Do nh

hng R
t
cm bin có sai s U. Sai s càng ln khi R
t
càng nh và ngc
li.




Hình 1.13

Ngoài 2 nguyên nhân trên còn có nhiu nguyên nhân khác gây sai s cho cm
bin VD : nhit , ma sát, in áp tip xúc…
2. Cm bin in tr phi tuyn :
R
t
=∞
2/3l
U
r
η
1
η
2

η
3

η

1
>η
2
>η
3

x
∆U
max
η
3
η
2
η
1
2/3 l

l

x

a

ĐH Bách Khoa Hà Nội


34
-

c tính U

r
= f(x) là phi tuyn
-

Các bin pháp ch to cm bin phi tuyn:
+ Thay i ng kính dây qun
+ Thay i bc dây qun
+ Thay i tit din ngang ca khung dây
+ Mc in tr vào các phân on khác nhau ca cm bin tuyn tính
2 phng pháp u không dùng vì lí do công ngh, ch yu là dùng 2 phng
pháp sau.
a.

Thay i tit din ngang khung dây :
-

d = const
-

bc dây qun không i
-

gi nguyên b rng khung dây (b)
-

thay i chiu cao khung dây (h) : tìm h(x) phù hp vi U
r
= f(x) ã cho
Ví d : Tìm h(x) ca cm bin khi bit U
r

= f(x)
b - b rng khung
l - chiu dài cm bin
w - s vòng dây
R
0
- in tr cm bin
S - tit din dây qun
r
x
- in tr dây qun ng vi x


Hình 1


Khi tip im ng cm bin chuyn dch 1 on là dx thì in tr cm bin
thay i mt lng tng ng là dr
x

dx.
l
w
).hb(2
s
dr
xx
+
ρ
=

Do b << h
x
nên b + h
x
 h
x

dx
l
w
h2
s
dr
xx
ρ
=⇒

ng thi in áp U
r
bin i mt lng tng ng dU
r
dx
x
b
l
hx
ĐH Bách Khoa Hà Nội

35
dx
lsR
wh.U2
dr
R
U
dU
0
x0
x
0
0
r
ρ
==
dx
dU
.Kh
dx
dU
.K
dx
dU
.
w..U2
lsR
h
r
x

rr
0
0
x
=⇒=
ρ
=⇒
b.

Mc in tr vào các phân on khác nhau ca cm bin tuyn tính
-

S dng 1 cm bin in tr tuyn tính và chia nó ra làm nhiu on
bng nhau. Ti mi on ta mc song song vi nó 1 in tr R
si
có tr s phù
hp sao cho in áp ri trên on bng in áp ã chn





td
R
U
I =
vi
∑
+
=

si
si
td
Rr
R.r
R

-

Khi tip im ng  v trí i thì (*)r.IUU
1i
1
k
ixikri
∑
−
=
+=
rR
r
.I
R
1
.
rR
r.R
.I
R
U
I

III
sisisi
si
si
i
si
sii
+
=
+
==
−=

Vy
)
rR
r
1(II
si
i
+
−=
Thay I
i
vào phng trình (*) :
r R
s1
r R
s2
r R

sn
U
ĐH Bách Khoa Hà Nội


36
iiiii
1i
1k
k
1i
1k
ix
si
kri
x.BAxK.K.IUr).
rR
r
1(IUU +=+=
+
−+=
∑∑
−
=
−
=

Ta nhn thy trong 1 phân on th i : U
si
=f(x

i
) có dng ng thng và
nghiêng vi trc x góc 
i
vi tg
i
= B
i
. Giá tr ca 
i
tu thuc vào R
si
. Do ó
U
si
=f(x
i
) là mt ng gãy khúc gm nhiu on thng vi các góc nghiêng
khác nhau c ni vi nhau. Nu phi tuyn hoá ta s c 1 ng cong liên
tc, sai s càng gim khi phân on càng nhiu.




Hình 3



u im :
-

Kt cu n gin,  chính xác cao, trng lng và khi lng nh
-

Có th to c dng in áp U
r
tu ý
-

c tính tng i n nh dùng cho c ngun 1 chiu và xoay chiu
Nhc im :
-

Do có tip xúc nên tui th b nh hng
-

 nhy không cao
-

Tn hao nhit trong quá trình làm vic
2.Cm bin in tr tip xúc
-

Cm bin in tr tip xúc là cm bin mà ng lng u vào là lc
tác ng, còn ng lng u ra là s bin i giá tr ca in tr tip xúc
-

Cu to : gm nhiu a than c xp chng lên nhau. Mi a có chiu
dày t 1-2 mm , ng kính d = 3÷5 mm. Mt cm bin thng có 10÷15 a
than

x
x
i
0


α
U
ri
U
r
ĐH Bách Khoa Hà Nội


37


Hình 1

-

c tính vào ra: R
tx
= f(F)
0tx
m
tx

R
F
K
R +=

k là h s ph thuc vt liu a than
m là h s ph thuc dng tip xúc ( m = 1)
R
tx
in tr tip xúc  0
o
C


Hình 2
+ c tính có dng tr (vì vt liu a than không có tính cht àn hi )
+ Có sai s, ng thi khi nhit  môi trng cng gây sai s cm bin
+ c tính R
tx
= f(F) có dng phi tuyn
-

ng dng : dùng  o áp lc và o ti trng hoc c dùng trong vic
n nh in áp ca máy phát in 1 chiu.
-

u im : kt n gin, công sut ln, giá thành r
-

Nhc im :  bn không cao

3.Cm bin in tr bin dng :
-

Nguyên lý : khi có lc tác ng vào các vt dn in thì kích thc và
cu trúc ca chúng b bin i, khi ó in tr s bin i theo.
-

Loi cm bin này thng c dùng  o các lc tác ng hoc s
bin i ca các chi tit máy.
F
R
tx
F
F
th
0