Đề cương có giải đáp Cảm biến và hệ thống đo

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG ĐO
ÔN TẬP CHƯƠNG 1
1. Thế nào là đường cong chuẩn của cảm biến? Trình bày phương pháp chuẩn nhiều lần?
Trả lời:

2. Trình bày Độ nhạy trong chế độ tĩnh và chế độ động, ví dụ thực tiễn.
Trả lời:

1


Ví dụ thực tiễn:
+ Mơ hình khí hậu tồn cầu được sử dụng cho cả dự báo thời tiết ngắn hạn và biến đổi khí hậu
dài hạn
+ Để đánh giá tác động của nhà máy xử lý nước thải trên một dịng sơng, hoặc để đánh giá
hành vi và chiều dài cuộc sống của sinh bộ lọc đối với nước thải bị ô nhiễm
3. Em hiểu thế nào về khái niệm đường thẳng tốt nhất của cảm biến?
Trả lời:
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt 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 (mi, 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.
4. Hãy phân tích các loại sai số của cảm biến, nguyên nhân sai số, phương pháp hạn chế sai số?
Lấy một ví dụ liên hệ với thực tế?
Trả lời:
-

Có 2 loại sai số là: Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.

Nguyên nhân:
o Sai số hệ thống:


Do nguyên 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.

o Sai số ngẫu nhiên:
2


-



Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.



Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.



Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến.

Phương pháp hạn chế sai số:
o Sai số hệ thống: chú ý công tác đo lường, và dùng dụng cụ đạt chuẩn.
o Sai số ngẫu nhiên: sai số ngẫu nhiên xuất hiện ngoài ý muốn chủ quan của con
người, chủ yếu do điều kiện bên ngồi, ta khó khắc phục mà chỉ có thể tìm cách
hạn chế ảnh hưởng của nó qua một số quy luật đặc tính như giới hạn, tập trung, đối
xứng, bù trừ.

Ví dụ liên hệ thực tế:
- Sai số trong các dụng cụ đo: thước kẹp, đồng hồ đo, thước panme… là 0,01
- Sai số trong chế tạo các cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ rung…
-Sai số xảy ra ở dự báo thời tiết
5. Trình bày các hiệu ứng trong chế tạo cảm biến

3


4


5. Mạch cầu wheatstone có cấu tạo thế nào? Hãy cho một ví dụ sử dụng mạch cầu

wheatstone trong cảm biến và đo lường?
Trả lời:
-

Cấu tạo mạch cầu wheastone:

Ví dụ:
- Đo giá trị điện trở: biến trở con chạy
5


- Mạch phát hiện ánh sáng: quang trở CdS

6. Phân tích độ tuyến tính của cảm biến? Làm rõ khái niệm đường thẳng tốt nhất và độ lệch
tuyến tính?
Trả lời:
6


1.Độ tuyến tính
a) Khái niệm
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 không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào
giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên 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 (như tần số riêng f0 của dao
động không tắt, hệ số tắt dần cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín

hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh
đó được gọi là sự tuyến tính hố.
b) Đường thẳng tốt nhất
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt 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 (mi, 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.
c) Độ lệch tuyến tính
Đối với các cảm biến khơng hồn tồn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch tuyến
tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng
% trong dải đo.
7. Phân tích các giới hạn sử dụng cảm biến? Lấy ví dụ liên hệ với thực tế sử dụng?
Lời giải:
- Giới hạn sử dụng của cảm biến:
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến ln chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động
nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng
làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các
giới hạn này.
a) Vùng làm việc danh định
Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm
biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có
liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà
7


không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.
b) Vùng không gây nên hư hỏng

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật
lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định
nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có
thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng
làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.
c) Vùng không phá huỷ
Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên
quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng
nhưng vẫn cịn nằm trong phạm vi khơng bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay
đổi và những thay đổi này mang tính khơng thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc
danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong
trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.
Ví dụ liên hệ thực tiễn:

ƠN TẬP CHƯƠNG 2
1. Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của photodiot?

Lời giải:

Cấu tạo:
Cấu tạo gồm 2 tấm bán dẫn, 1 tấm thuộc loại N và 1 tấm thuộc loại P, ghép tiếp xúc với nhau. Tại
mặt tiếp xúc hình thành vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại 1 điện trường và hình thành 1
hàng rào điện thế Vb.
Nguyên lý hoạt động: Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng,
sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống. Đề các hạt dẫn này tham gia dẫn điện ta cần nhanh
chóng tách rời cặp điện tử – lỗ trống. Sự tách cặp điện tử – lỗ trống chỉ xẩy ra trong vùng nghèo
nhờ tác dụng của điện trường.

Số hạt dẫn được giải phóng phụ thuộc vào thơng lượng ánh sáng tới vùng nghèo và khả năng hấp
thụ của vùng này. Thông lượng ánh sáng tới vùng nghèo phụ thuộc đáng kể vào bề dày lớp bán

dẫn mà nó đi qua: Φ(X)= Φ0.e–∝x
với (∝ xấp xỉ 105 cm-1)
=>Vì vậy để tăng thơng lượng ánh sáng đến vùng nghèo người ta thường chế tạo điot với phiến
bán dẫn có bề dày rất bé. Ví dụ loại PIN:
8


Ứng dụng: Được dùng trong kỹ thuật điện tử, làm các thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin, thiết
bị giám sát, điều khiển.
2. Photodiot có bao nhiêu chế độ hoạt động hãy phân tích chế độ quang dẫn? ( CÂU 1)
3. Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phototranzito?
Trả lời:
Cấu tạo:
-Phototranzito là các tranzito mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng, khơng có điện áp đặt
lên bazơ, chỉ có điện áp đặt trên Collector, và chuyển tiếp B-C phân cực ngược.
-Điện áp đặt vào tập trung chủ yếu ở BC, điện áp ở chuyển tiếp BE nhỏ 0.6 - 0.7 V
-Khi chuyển tiếp BC được chiếu sáng, nó hoạt động như photodiode ở chế độ quang dẫn.
Nguyên lý hoạt động:
- Có thể coi phototranzito như tổ hợp của photodiode và tranzito. Photodiode đóng vai trị
cung cấp dòng quang điện tại bazơ (khi bazơ được chiếu sáng) . Còn tranzitor cho hiệu
ứng khuếch đại β
-Khi bị chiếu sáng thì các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ sẽ phân chia dưới
tác dụng của điện trường tại chuyển tiếp bazơ.
4. So sánh photodiot và phototranzito ?
Trả lời:
- Về nguyên lí hoạt động là giống nhau

9

Sự khác biệt chính giữa Photodiode và Phototransistor
-

Một photodiode bao gồm một diode bán dẫn, tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh
sáng. Mặt khác, phototransistor bao gồm một bóng bán dẫn tiếp giáp mà khi tiếp xúc với
năng lượng ánh sáng sẽ tạo ra dòng điện.

-

Một phototransistor hiệu quả hơn so với photodiode.
Khi chúng ta nói về khả năng miễn nhiễm tiếng ồn thì đáng chú ý là một điốt quang không
tránh khỏi nhiễu do nhiễu gây ra. Tuy nhiên, phototransistors miễn nhiễm với sự can thiệp
đó. Điều này đôi khi chứng tỏ là một bất lợi của photodiode.
Ở dải tần số cao, phototransistor không chuyển đổi hiệu quả năng lượng ánh sáng thành
năng lượng điện. Vì chống lại nhược điểm này không chiếm ưu thế trong photodiode và
do đó cung cấp phản ứng tốt so với phototransistor.
Một phototransistor như cảm biến ánh sáng là một thiết bị ít tốn kém hơn so với bất kỳ
thiết bị nhạy cảm ánh sáng nào khác. Do đó được sử dụng rộng rãi.
Photodiodes có khả năng tạo ra một đầu ra với tốc độ nhanh hơn nhiều khi ánh sáng rơi
xuống bề mặt của nó so với phototransistor.

-

10


5. Phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo?
Trả lời:
Giả sử, khi đo ta nhận đc nhiệt độ

là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến nhưng

mơi trường đo có nhiệt độ thực =

. Như vậy ,nhiệt độ đo đc là

,nhiệt độ cần đo gọi là

Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa mơi trường đô và cảm
biến . Tuy nhiên trong thực tế , nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường
do nhiêu nguyên nhân , nên đã tồn tại 1 chêch lệch nhiệt độ

nhất định . Độ chính xác

của phép đo phụ thuộc vào hiệu số
, nếu hiệu số này càng bé thì độ chính xác của
phép đo càng cao .
Biện pháp nhằm đạt đc hiệu sổ
nhỏ nhất :
- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và mơi trg bên ngồi.
- Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo .

6. Có bao nhiêu loại nhiệt kế điện trở? Nêu cấu tạo và hoạt động của nhiệt điện trở kim
loại?
Lời giải:
Có 3 loại nhiệt kế điện trở:
- Nhiệt kế điện trở kim loại
- Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn
- Nhiệt kế điện trở silic
Cấu tạo:

- Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt người ta thường làm điện trở bằng
platin, niken, ngồi ra có thể dùng Cu, wonfram.
Nhiệt điện trở kim loại có 2 loại:
- Nhiệt kế công nhiệp: Để sử dụng cho mục đích cơng nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc
tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuộn và bao bọc trong
thủy tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép.
- Nhiệt kế bề mặt: dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt vật rắn. Chúng thường được chế tạo
bằng phương pháp quang hóa và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt.
Nguyên lý hoạt động:
- Hoạt động dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi, với điện trở kim
loại ta có biểu thức sau:
R(T)=R0.[1+AT+BT2+CT3 ]
Trong đó: A,B,C là hệ số thực nghiệm.Và R0: giá trị điện trở của cảm biến tại 0C
-

Ứng dụng: Được dùng trong công nghiệp, những vùng có nhiệt độ khắc nghiệt,…

11


7. So sánh nhiệt kế điện trở kim loại và nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn?

12


8. Phân tích các phương pháp chuẩn cảm biến? Cho một liên hệ thực tế?
Trả lời:
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 minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm
biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác m i của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường
cong chuẩn.

Hình 1.2 : Phương pháp chuẩn cảm biến
• 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,
người ta 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 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.
13


- 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 của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta 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.
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào.
- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.

Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo
giảm dần.
9.
Từ hiệu ứng nhiệt điện hãy viết phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu?
Lời giải:
Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và ở nhiệt độ t nồng độ
điện tử trong A là NA(t), trong B là NB(t), nếu NA(t0) > NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t).
Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do N A(t) > NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A -> B và ở chổ
tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế e AB(t) có tác dụng cản trở sự khuếch tán. Khi đạt cân bằng
eAB(t) sẽ khơng đổi.

Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu
Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t0). Giữa
hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do đó cũng có sự khuếch tán
điện tử và hình thành hiệu điện thế tương ứng trong A là e A(t,t0) và trong B là eB(t,t0). Sức điện
động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi cơng thức sau:
(5.1)
Vì eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ngược chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có:
14


(5.2)
Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t0 khi đó sức điện động tổng:
(5.3)
Hay:
(5.4)
Như vậy:
(5.5) Phương trình (5.5) gọi là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu.
Từ phương trình (5.5) nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t = const thì:
(5.6)

10.

Nêu phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu? Cho một ví dụ của một cặp nhiệt
ngẫu được sử dụng trên thực tế?
Lời giải:
Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện.
Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được
nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t 0 khác nhau thì
trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức
điện động nhiệt điện. Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, cịn đầu thứ hai để hở
thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế. Hiện tượng trên có thể giải thích như sau:
Trong kim loại ln luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chất
kim loại và nhiệt độ. Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng.
Ví dụ:
11.

Chứng minh rằng khi thêm thanh C và D sao cho

Lời giải: tương tự trang 71( giáo trình)
15

thì


12.

Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến vị trí điện thế kế dùng con chạy

cơ học?
Lời giải:

16


13.

Hãy trình bày ngun lý hoạt động, cơng thức liên hệ, phạm vi sử dụng của loại cảm
biến có cấu tạo như hình 1? Cho ví dụ ứng dụng cụ thể?

17


Trả lời:
- Cảm biến trên là cảm biến xác định vị trí Hall.
- Nguyên lí hoạt động: cảm biến hall dựa trên nguyên lí của hiệu ứng hall.

-

ứng dụng: Ứng dụng chủ yếu của Cảm biến Hall là đo tốc độ bánh xe ,xác định vị trí của
trục khuỷu hoặc trục cam trong các hệ thống động cơ .Các cảm biến này gồm 1 thanh hall
và một nam châm được đặt gần bánh răng của trục quay
ví dụ: điển hình là động cơ trong xe đạp điện chúng có nhiệm vụ kiểm sốt vị trí của roto
18


theo stato .
← 13. Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến vị trí tụ điện đơn?
Trả lời:
- Cấu tạo:là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực
gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật

cần đo.
- Nguyên lí hoạt động: Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ
điện.
14. Phân tích tại sao người ta thường sử dụng đĩa mã hóa theo bảng mã Grey (2) thay cho

đĩa mã hóa nhị phân (1) như Hình 2

Trả lời:

Để tránh hiện tượng này, người ta cần mã hóa mỗi số hạng sao cho hai số liên tiếp chỉ khác nhau
một phần tử nhị phân (1 bit) gọi là mã cách khoảng đơn vị hay mã Gray.
Cách chuyển mã bcd về gray:

19


15. Có bao nhiêu loại encoder? Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại?

Trả lời:
Encoder tương đối
Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :
Đĩa mã hóa gồm 1 hoặc nhiều dải băng tạo xung, trên dải băng này đc chia
ra làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể thay bằng vật liệu trong suốt cho
ánh sáng truyền qua). Khi đĩa mã hóa quay, cứ qua 1 lỗ, cảm biến nhận đc tín hiệu từ
đèn LED chiếu qua thì Encoder sẽ tăng lên 1 giá trị trong biến đếm.
Thông thường với encoder tương đối có 3 xung A, B và Z. Khi đĩa mã hóa
quay, lỗ trống sẽ lần lượt đi qua các trục tia sáng của xung A và B. khi trục tia sáng của
xung nào xuyên qua lỗ trống thì ở cảm biến sẽ cho ra tín hiệu mức 1, ngược lại thì cảm
biến sẽ cho ra tín hiệu ở mức 0. Số xung phát ra ở của ra của mỗi cảm biến là số lỗ
trống trên đĩa mã hóa. Khi đĩa mã hóa quay đc 1 vịng thì xung Z sẽ phát ra 1 xung.

Dựa vào 2 xung này có thể biết đc chiều quay của động cơ.
Ưu điểm :
tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số.
có độ phân giải cao
Nhược điểm :
Khơng thích hợp sự dụng trong mỗi trường có dao động lớn.
Khơng cho phép biết đc vị trí tuyệt đối của vật.
Encoder tuyệt đối
Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :
20


Cấu tạo của encoder tuyệt đối tương tự như cấu tạo chung của encoder, tuy
nhiên khác biệt với encoder tương đối ở phần tử đĩa mã hóa.
Đĩa mã hóa đc chế tạo từ vật liệu trong suốt, mặt đĩa chia thành các góc đều
nhau và các đường trịn đồng tâm, trên các đường tròn đồng tâm này chia thành các
phần trong suốt ánh sáng có thể xuyên qua và các phần tử mà ánh sáng không thể
xuyên qua đc (đc phủ 1 lớp chắn sáng).
Khi đĩa mã hóa quay, ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa:
+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích trong suốt. ánh sáng xuyên qua đĩa đến
cảm biến quang, lúc này cảm biến, lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiêu 1 trong mã
nhị phân.
+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không
đến đc cảm biến quang, lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiệu 0 trong mã nhị phân
Ưu điểm :
Tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số.
Xác định chính xác vị trí tuyệt đối của vật.
Thuận lợi cho q trình tính tốn và giao tiếp của các chip xử lý.
Nhược điểm :
Chế tạo phức tạp dẫn tới giá thành cao hơn encoder tương đối

16. Cánh tay robot được minh họa trên hình 3 quay giữa 2 điểm dừng là 120o và sử dụng

Potentiometer (biến trở) làm cảm biến vị trí. Bộ điều khiển 8 bít cho biết vị trí thực của
cánh tay chính xác đến 0.5°. Hãy xác định xem cấu hình này có thực hiện được nhiệm vụ
khơng? Tính độ phân giải thực của hệ thống ?

Trả lời:
- ta có tổng giá trị: 28 -1 = 255 ( giá trị)
- độ phân giải đến 0,5° => góc đo tối đa: 0,5.255=127,5°>120°.
Vậy cấu hình này có thể thực hiện nhiệm vụ.
17. So sánh encoder tuyệt đối với encoder tương đối? vẽ hình minh họa?

Trả lời:
21


Encoder tương đối
Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :
- Đĩa mã hóa gồm 1 hoặc nhiều dải băng tạo xung, trên dải băng này đc chia ra làm
nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể thay bằng vật liệu trong suốt cho ánh
sáng truyền qua). Khi đĩa mã hóa quay, cứ qua 1 lỗ, cảm biến nhận đc tín hiệu từ đèn
LED chiếu qua thì Encoder sẽ tăng lên 1 giá trị trong biến đếm.
- Thông thường với encoder tương đối có 3 xung A, B và Z. Khi đĩa mã hóa quay, lỗ
trống sẽ lần lượt đi qua các trục tia sáng của xung A và B. khi trục tia sáng của xung
nào xuyên qua lỗ trống thì ở cảm biến sẽ cho ra tín hiệu mức 1, ngược lại thì cảm biến
sẽ cho ra tín hiệu ở mức 0. Số xung phát ra ở của ra của mỗi cảm biến là số lỗ trống
trên đĩa mã hóa. Khi đĩa mã hóa quay đc 1 vịng thì xung Z sẽ phát ra 1 xung. Dựa vào
2 xung này có thể biết đc chiều quay của động cơ.
Ưu điểm :

- tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số.
- có độ phân giải cao
Nhược điểm :
- Khơng thích hợp sự dụng trong mỗi trường có dao động lớn.
- Khơng cho phép biết đc vị trí tuyệt đối của vật.
Encoder tuyệt đối
Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :
- Cấu tạo của encoder tuyệt đối tương tự như cấu tạo chung của encoder, tuy nhiên khác
biệt với encoder tương đối ở phần tử đĩa mã hóa.
- Đĩa mã hóa đc chế tạo từ vật liệu trong suốt, mặt đĩa chia thành các góc đều nhau và
các đường tròn đồng tâm, trên các đường tròn đồng tâm này chia thành các phần trong
suốt ánh sáng có thể xuyên qua và các phần tử mà ánh sáng không thể xuyên qua đc
(đc phủ 1 lớp chắn sáng).
- Khi đĩa mã hóa quay, ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa:
+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích trong suốt. ánh sáng xuyên qua đĩa đến cảm
biến quang, lúc này cảm biến, lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiêu 1 trong mã nhị
phân.
+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không đến đc
cảm biến quang, lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiệu 0 trong mã nhị phân
Ưu điểm :
- Tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số.
- Xác định chính xác vị trí tuyệt đối của vật.
- Thuận lợi cho q trình tính tốn và giao tiếp của các chip xử lý.
Nhược điểm :
- Chế tạo phức tạp dẫn tới giá thành cao hơn encoder tương đối
18. Hãy cho một ví dụ về encoder tương đối, nói rõ làm thế nào để xác định được chiều

quay của nó?
22

Trả lời:
-

Ví dụ: trong động cơ servo sử dụng ecoder tương đối để xác định chiều quay và tốc
độ của máy cho người dùng qua hệ thống giám sát của máy tính điều khiển.

-

Xét 2 giản đồ xung A và B

19. Hãy cho một ví dụ về encoder tuyệt đối 16 bít , vẽ cấu tạo, giản đồ xung, bảng mã hóa nhị

phân của encoder đó.
Trả lời:
-

Ví dụ: Bộ mã hóa độ phân giải cao 16bits mã nhị phân trục rỗng quay mã hóa quang
tuyệt đối.
23


-

Vẽ cấu tạo:
Ta có: 216 = 65536 .
Gồm có 16 đường trịn đồng tâm, và có 65536 vị trí chia độ phân giải.

-

Độ phân giải: 360/65536=0,0005483º
(chú ý: hình tượng trưng, do quá lớn)

24


-

Bảng mã hóa nhị phân và giản đồ xung: (cái này là của hệ 4 bits. Mk nhầm. Mn có thể
vẽ cái 16 bits vì nó tương tự)

2n

20. Hãy trình bày nguyên lý hoạt động và phạm vi sử dụng của loại cảm biến có cấu tạo

như hình 1? Cho ví dụ ứng dụng cụ thể?

Trả lời:
-

Đây là cảm biến đo vận tốc sử dụng tốc kế từ trở biến thiên
Nguyên lí hoạt động: + Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có
lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm
bằng vật liệu sắt từ trên đó có khía răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên
một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất
hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay.
25