Đề cương bài giảng môn: Kỹ thuật cảm biến và ứng dụng (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông)

1
BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MƠN:

KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
(Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thơng)

GVBS: MAI THỊ BÍCH VÂN

TPHCM, tháng 03 năm 2018

1


Tên môn học: KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN:
* Vị trí:
Mơ đun được bố trí dạy sau khi học song các mơ đun An toàn lao động, Kỹ thuật điện tử, kỹ
thuật số. Có thể học song song với các mơ đun điều khiển khí nén thủy lực, điện tử cơng suất,...
* Tính chất:
- Rèn luyện kỹ năng phân tích mạch, phân biệt các dạng mạch, dạng tín hiệu ngõ ra và phạm vi
ứng dụng của các loại cảm biến.
- Rèn luyện kỹ năng phán đoán xử lý, sửa chữa được các hư hỏng thường gặp trong các
mạch cảm biến.
- Rèn luyện lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa các dạng mạch điều khiển bằng cảm biến.
- Rèn luyện tác phong, thái độ làm việc, các biện pháp an toàn điện và thiết bị khi thực hiện các
thao tác lắp ráp cân chỉnh mạch điều khiển bằng cảm biến.
Là mô đun chuyên môn trong chương trình đào tạo cao đẳng nghề điện tử công nghiệp, nhằm

trang bị cho sinh viên những kiến thức, kỹ năng chuyên sâu trong lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa các hư
hỏng của các mạch cảm biến.
II. MỤC TIÊU CỦA MƠ ĐUN:
Sau khi học xong mơn học này học viên có năng lực
* Về kiến thức:
Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm theo các nội dung sau:
- Phân tích nguyên lý cấu tao, đặc điểm, ứng dụng của các loại cảm biến thông dụng.
- Phân tích được nguyên lý hoạt động của các mạch điều khiển bằng cảm biến.
- Các qui tình thực hiện cơng việc
- Phân tích, phán đốn các linh kiện hư hỏng theo tình huống giả định
* Về kỹ năng:
- Kiểm tra xác định được thông số, hư hỏng của các loại cảm biến.
- Thiết kế mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật
- Thực hành lắp ráp một số mạch điều khiển theo tiêu chuẩn điện VN
- Kiểm tra, thử mạch trong lắp đặt mạch cảm biến.
- Lắp ráp, cân chỉnh, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng của các mạch cảm biến công nghiệp đúng yêu
cầu kỹ thuật
* Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
Có khả năng làm việc độc lập, tự thiết kế lắp đặt, sửa chữa được các mạch ứng dụng cảm biến
Đánh giá phong cách học tập thể hiện ở: Tỉ mỉ, cẩn thận, chính xác.
III. NỘI DUNG MÔ ĐUN:

2


BÀI MỞ ĐẦU:KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN
Mục tiêu của bài:
- Phân tích tổng thể về cấu tạo, nguyên lý, phạm vi ứng dụng của một số loại
cảm biến thường dùng trong công nghiệp.
- Nhận dạng và giải thích đặc tính cơ bản của một số loại cảm biến nói trên.

- Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập.
Nội dung bài:
I. KHÁI NIỆM CHUNG:
Trong quá trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất,
tốc độ, tốc độ quay, nồng độ pH, độ nhờn...vv cần được xử lý cho đo lường, cho
mục đích điều khiển truyền động. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này,
chúng thu nhận, đáp ứng các kích thích. Cảm biến là một bộ chuyển đổi kỹ thuật
để chuyển đổi các lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách...vv sang một
đại lượng khác để có thể đo, đếm được. Các đại lượng này phần lớn là tín hiệu
điện. Thí dụ: Điện áp, dịng điện, điện trở hoặc tần số dao động. Các tên khác
của khác của bộ cảm biến: Sensor, bộ cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường,
bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi.
Từ sen-sor là một từ mượn tiếng la tinh Sensus, trong tiếng Đức và tiếng
Anh được gọi là sensor, trong tiếng Việt thường gọi là bộ cảm biến.
Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị
cảm nhận, kích thích và đáp ứng các tín hiệu.
II. PHẠM VI ỨNG DỤNG.
Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ
thuật. Các bộ cảm biến đặc biệt và rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí
nghiệm các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hoá người ta
sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt.
III. PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN.
Cảm biến được phân loại theo nhiều tiêu chí. Người ta có thể
phân loại cảm biến theo các cách sau:
1. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng.
Hiện tượng

Chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng

3

Nhiệt điện.
Quang điện
Vật lý

Quang từ.
Điện từ, Từ điện
…vv

Hóa học

Biến đổi hóa học

4


Biến đổi điện hóa
Phân tích phổ
…vv
Biến đổi sinh hóa
Sinh học

Biến đổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống
..vv

2. Theo dạng kích thích.
Các đặc tính của kích thích

Kích thích

Biên pha, phân cực
Âm thanh

Phổ
Tốc độ truyền sóng
…vv
Điện tích, dịng điện
Điện thế, điện áp

Điện

Điện trường
Điện dẫn, hằng số điện môi
…vv
Từ trường

Từ

Từ thông, cường độ từ trường.
Độ từ thẩm
…vv
Vị trí, Lực, áp suất
Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng

Cơ

Mô men
Khối lượng, tỉ trọng

Độ nhớt
…vv

Quang

Phổ

5


Tốc độ truyền
Hệ số phát xạ, khúc xạ
…VV
Nhiệt độ
Nhiệt

Thông lượng
Tỷ nhiệt
…vv
Kiểu

Bức xạ

Năng lượng
Cường độ
…vv

3. Theo tính năng.
▪ Độ nhạy
▪ Độ chính xác

▪ Độ phân giải
▪ Độ tuyến tính
▪ Cơng suất tiêu thụ
4. Theo phạm vi sử dụng
▪ Công nghiệp
▪ Nghiên cứu khoa học
▪ Mơi trường, khí tượng
▪ Thơng tin, viễn thông
▪ Nông nghiệp
▪ Dân dụng
▪ Giao thông vận tải…vv
5. Theo thơng số của mơ hình mạch điện thay thế
▪ Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn
dịng.
▪ Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động
khi chúng cần có thêm nguồn năng lượng phụ để hồn tất nhiệm vụ
đo kiểm, cịn loại tích cực thì khơng cần. Được đặc trưng bằng các
thơng số: R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến.

6


BÀI 1:CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Mục tiêu của bài:
- Trình bày cấu tạo, đặc tính của các loại cảm biến theo nội dung đã học
- Phân tích được nguyên lý hoạt động của một số mạch điều khiển theo nhiệt
độ.
- Lắp ráp, cân chỉnh được các mạch hoạt động theo yêu cầu.
- Đo đạc, kiểm tra và sửa chữa được các mạch cảm biến nhiệt độ cảm biến
đúng yêu cầu kỹ thuật khi bị hư hỏng.

Nội dung chính:
I. ĐẠI CƯƠNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ:
1. Khái niệm cơ bản
Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính
chất vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như
trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác
định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng
vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng
bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của
tính chất vật liệu vào nhiệt độ.
Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật
liệu phụ thuộc vào nhiệt độ. Tính chất đó là khi nhiệt độ tác dụng vào vật liệu
thay đổi thì độ dẫn điện của vật liệu hay điện trở của chúng thay đổi theo.
Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý
khác nhau như các nhiệt điện trở; nhiệt ngẫu; phương pháp quang dựa trên phân
bố phổ bức xạ do dao động nhiệt…
2. Các thông số về cảm biến nhiệt độ
Cam biến nhiệt độ là cảm biến có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt
độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp, dịng
điện, điện trở...
Thơng số cấu tạo : Phụ thuộc vào từng loại cảm biến, cũng như cách chế
tạo và phương thức chuyển đổi của từng loại cảm biến đó.
Thơng số sử dụng bao gồm các yếu tố sau :
- Khoảng làm việc : Là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng hoạt
động khi chưa vượt qua gới hạn bão hòa. Khoảng làm việc cao hay thấp tùy theo
tính chất. Cấu tạo và tính chất lý hóa của từng loại cảm biến quy định.
7


- Độ nhạy được định nghĩa : S  dF

dx

(2.3)

Trong đó : dF sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến
dx sự thay đổi đại lượng vật lý
- Ngưỡng độ nhạy : Là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được
- Tính trễ : Cịn gọi là quán tính của cảm biến và là nguyên nhân gây ra sai
số của phép đo. Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của
cảm biến. Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà qn tính của cảm biến lớn
thì khơng thể đo chính xác được. Mọi cảm biến đều có tính trễ do ảnh hưởng của
vỏ bảo vệ.
3. Thang đo nhiệt độ
Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt
đối được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng.
Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt
đối, đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này ngừời ta gán cho nhiệt độ của điểm
cân bằng ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K.
Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị
nhiệt độ là oC và một độ Celsius bằng một độ Kelvin.
Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:
T(oC)= T(K) - 273,15 (3.3)
Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang
đo này, nhiệt độ của điểm nứớc đá tan là 32oF và điểm nứớc sôi là 212oF.
4. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo
Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận
được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi
là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng
nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa mơi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên,
do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ mơi

trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác
của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số này càng bé, độ chính xác
của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải:
- Tăng cườnng sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo.
- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và mơi trường bên ngồi.
II. CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

8


Khi điều khiển nhiệt độ, chúng ta phải có thiết bị để đọc nhiệt độ hiện tại
của lò về, từ đó mới có thể điều khiển nhiệt độ một cách chính xác. Thiết bị đó là
cảm biến. Trong thực tế người ta thường sử dụng những loại cảm biến như :
Thermocouple, RTD, thermistor, và các IC bán dẫn.
Các loại cảm biến được phân biệt dựa trên nguyên lý làm việc của chúng
như sau :
- Nhiệt kế dùng chất lỏng dựa trên sự giãn nở của thể tích
- Nhiệt kế điện trở dựa trên sự thay đổi của điện trở
- Cặp nhiệt dựa trên nguyên lý sức điện động sinh ra ở vị trí tiếp xúc (mối
hàn) khi có sự chênh lệch nhiệt độ.
- Hỏa kế quang học dựa trên độ chiếu sáng của sợi tim đèn đốt nóng và độ
chiếu sáng của vật thể cần đo.
Thực tế các cảm biến đo nhiệt độ được chia làm hai nhóm:
- Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm:
+ Cảm biến giản nở (nhiệt kế giản nở).
+ Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở).
+ Cặp nhiệt ngẫu.
- Cảm biến không tiếp xúc: hoả kế.
Các cảm biến thông dụng gồm có một số loại sau :
- Điện trở kim loại.

- Nhiệt điện trở
- Cảm biến bán dẫn.
1. Cảm biến nhiệt điện trở
a. Đặc điểm chung
Một tính chất rất quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt rất
cao, khoảng 10 lần lớn hơn so với độ nhạy của điện trở kim loại. Ngoài ra hệ số
nhiệt của chúng có giá trị âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ
Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời do nhiệt
dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn
Độ ổn định của một nhiệt điện trở phụ thuộc vào sự chế tạo nó và điều
kiện sử dụng.
Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở cần phải tránh những thăng giáng
nhiệt độ đột ngột bởi vì điều này có thể dẫn đến làm dạn nứt vật liệu. Phụ thuộc
vào loại nhiệt điện trở, dải nhiệt độ làm việc có thể thay đổi từ một vài độ tuyệt

9


đối đến khoảng 3000C. Có thể mở rộng dải nhiệt độ này nhưng khi có trị số của
điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao. Các nhiệt điện trở thông
thường được chế tạo từ các ơxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4,
Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện
trở, có thể từ -273 C đến 300 C.
b. Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ.
- Được sử dụng các kim loại nguyên chất (Pt; Cu; Ni) với hệ số nhiệt điện
trở càng lớn càng tốt
Pt làm việc ở nhiệt độ 1900 C đến 6500C
Cu làm việc ở nhiệt độ 500C đến 1500C
- Người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt
vào hộp vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R) chế tạo

khoảng từ 10(Ω)đến 100(Ω)
- Độ nhạy của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Ġ
- Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm được sử dụng rất
rộng dãi và được sử dụng nhiều, nhưng nhược điểm của điện trở kim loại thay
đổi theo nhiệt độ là kích thước lớn, cồng kềnh, có qn tính lớn
c. Cách nối dây đo:
Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với một dịng điện khơng đổi
qua nhiệt điện trở, ta có thể đo được U = R.I, để cảm biến khơng bị nóng lên qua
phép đo, dịng điện cần phải nhỏt khoảng 1 mA. Với Pt 100 ở 0C ta có điện thế
khoảng 0,1 vơn, điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo. Ta có 4 kỹ
thuật nối dây đo:

Hình 1.1: 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:

10


17

Hình 1.2: Kỹ thuật nối 2 dây
Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử được nối bởi 2 dây, bất cứ dây dẫn
điện nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với điện trởcủa 2 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 ôm.
Ví dụ với dây đồng: Diện tích mặt cắt dây đo = 0,5 mm2. Điện trở suất =
0,0017 (Ω/mm2m-1). Chiều dài = 100m.

R = 6,8Ω, với 6,8Ω tương ứng cho nhiệt điện trở Pt 100 một thay đổi nhiệt
độ là 170C. Để đảm 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 trong hai dây đo và nhiệt điện rở được thay thế bằng một
điện trở 100Ω. Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là
10Ω. Ta chỉnh biến trở sao có chỉ thị 00C: Biến trở và điện trở của dây đo là
10Ω.
d. Các mạch ứng dụng nhiệt trở:.
Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin.
ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản xuất, cung cấp sự kết hợp lý
tưởng với Pt1.000, ta sẽ có dải đo nhiệt độ rộng, nó cũng có thể sử dụng với
Pt100. Trong trường hợp có sự cách biệt, với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng
mỏng, ADT70 có thể đo từ 500C đến 5000C, còn với nhiệt điện trở Platin tốt, có
thể đo đến 1.0000C. Độ chính xác của hệ thống gồm ADT70 và nhiệt điện trở
Platin ở thang đo -2000C đến 1.0000C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất của nhiệt
điện trở Platin.
- Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ.
ADT70 có 2 thành phần chính: Nguồn dịng có thể điều chỉnh và bộ phận
khuyếch đại, nguồn dịng có thể điều chỉnh bộ phận khuyếch đại. Nguồn dòng
được sử dụng để cung cấp cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu. Bộ phận
khuyếch đại so sánh điện áp trên nhiệt điện trở và điện áp trên điện trở tham
chiếu, sau đó đưa tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ. (ADT70 cịn có 1
opamp, 1 nguồn áp 2,5 vôn). Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của

11


18

nhiệt điện trở, vì vậy điều quan trọng là phải chọn lựa nhiệt điện trở thích hợp

với ứng dụng thực tế.
Mạch ứng dụng với nhiệt diện trở Ni
Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế
Mạch điện tiêu biểu với KTY81 hoặc KTY82

Hình 1.3. Mạch đo nhiệt độ sử dụng KYT81-110
Mạch điện điển hình được thiết kế cho cảm biến KYT 81 – 110 hoặc KYT
82 – 110 (nhiệt độ từ 00C đến 1000C). Điện trở R1 và R2, cảm biến và các
nhánh điện trở R3, biến trở P1 và R4 tạo thành một mạch cầu.
Giá trị R1 và R2 được chọn sao cho giá trị dòng điện qua cảm biến gần
bằng 1A và tuyến tính hố cảm biến trong dải nhiệt độ cần đo. Điện áp ngõ ra
thay đổi tuyến tính từ 0,2VS đến 0,6 VS (VS = 5 vơn thì Vout thay đổi từ 1 vôn
đến 3 vôn). Ta điều chỉnh P1 để Vout = 1 vôn tại 00C, tại 1000C điều chỉnh P2
Vout = 3 vôn, với mạch điện này việc điều chỉnh P2 không ảnh hưởng đến việc
chỉnh zero.
2. Nhiệt điện trở NTC
* Tính chất và các giá trị của tính chất
Thơng thường NTC chỉ chịu được tải nhẹ, tính chất của nó đáp ứng theo
mơi trường nhiệt độ chung quanh.
Khi dịng điện lớn chạy qua NTC sẽ làm cho NTC nóng lên và điện trở của
nó giảm xuống (nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở NTC giảm và ngược lại)
* Ứng dụng.
NTC có nhiều ứng dụng, chia làm 2 loại:
• Bổ chính và đo lường.

18


19

• Làm bộ trễ.
* Bổ chính và đo lường : Trong đo lường và tác động bù cần tránh hiện
tượng tự sinh ra nhiệt do dòng qua NTC lớn. NTC trong lĩnh vực này là đo nhiệt
độ, kiểm tra, điều khiển, tuy nhiên NTC cũng được dùng để bù tính phụ thuộc
nhiệt độ của điện trở, nhằm ổn định nhiệt cho các mạch điện tử dùng bán dẫn.
* Làm bộ trễ: NTC có tính chất trễ khi dịng điện qua nó lớn đến nỗi điện
trở giảm nhiều do q trình tự toả nhiệt. Tải càng lớn thì điện trở NTC càng giảm
mạnh. Nhiệt điện trở NTC tạo tác dụng trễ nhằm triệt dịng đỉnh trong mạch đèn
chiếu sáng loại có tim, mạch động cơ có cơng suất nhỏ, mạch chốt tim bóng điện
tử.
3. Nhiệt điện trở PTC
* Các đặc tính và giá trị.
Nhiệt điện trở PTC thông thường phủ ở bên ngồi một lớp vỏ có cấu tạo
như vecni để chống lại ảnh hưởng của mơi trường khơng khí. Dạng cấu tạo và
hình thức xác suất cũng tương tự như là nhiệt điện trở thermistors(NTC).
Khi dòng điện lớn chạy qua NTC sẽ làm cho NTC nóng lên và điện trở của
nó tăng lên (nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở NTC tăng và ngược lại)
Dùng PTC để bảo vệ động cơ điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc quá tải
.Hoặc dùng PTC để điều khiển mức nhiệt độ và Nhiệt điện trở PTC chỉ dùng cho
những ứng dụng cần hệ số nhiệt dương.
*. Lĩnh vực ứng dụng.
Mỗi loại nhiệt điện trở có ứng dụng khác nhau, sau đây là hai ứng dụng của
PTC.
- Cho những ứng dụng mà nhiệt độ các PTC được xác định chủ yếu qua
nhiệt độ môi trường. Nhiệt điện trở PTC làm việc như là cảm biến nhiệt độ có độ
nhạy cao.
- Đối với những ứng dụng có sử dụng tính chất gia tăng điện trở của nhiệt
điện trở PTC để từ đó biến đổi thành năng lực điện. Có những thí dụ như mạch
bảo vệ quá tải, khi bồn chứa nguyên liệu quá đầy người ta cũng có thể dùng
mạch này hoặc là để khởi động bóng đèn huỳnh quang, hay là để ổn định tính

chất của sợi đốt tim trong các bóng đèn, cũng có thể thấy PTC trong các mạch trễ
hay trong các mạch khử từ của bóng hình trong truyền hình, mạch bảo vệ quá tải
...vv.
* Mạch ứng dụng với PTC.

19


20

Nhiệt điện trở PTC được mắc trong một cầu đo của mạch so sánh, tại
nhiệt độ bình thường RPTC ( RS, điện áp ngõ ra ở mức thấp, khi sự tăng nhiệt
độ vượt quá ngưỡng xuất hiện, PTC bị nung nóng nên RPTC ( RS nên điện áp
ngõ ra V0 lên mức cao (hình dưới).

PTC được dùng để phát hiện sự tăng nhiệt bất thường trong động cơ bằng
cách đo trực tiếp, cảm biến nhiệt được gắn chìm trong cuộn Stato, tín hiệu được
sử lý nhờ một thiết bị điều khiển dẫn đến tác động (Hình dưới)

Nếu nhiệt độ trong cuộn dây động cơ ở trạng thái bình thường thì cảm
biến điện trở giảm xuống đến mức thấp cần thiết Reset, thiết bị tự động reset nếu
thiết bị không cài đặt reset bằng tay.
4. RTD
Có độ ổn định cao nhất, chính xác, độ tuyến tính cao. Tuy nhiên giá thành
cao, cần phải cung cấp nguồn dòng, tự gia tăng nhiệt.
Nguyên lí của cảm biến điện trở kim loại
- Cảm biến điện trở kim loại RTD (Resitive Temperature Detector) là loại
cảm biến mà nhiệt độ tăng thì điện trở tăng.

20

21

- Kim loại dùng để chế taọ cảm biến có thể là platin, niken , đồng hay
volfram.Các cảm biến platin có miền đo khá rộng với nhiệt độ từ -200C đến
1000C
.

Cảm biến điện trở kim loại
Cấu tạo của cảm biến điện trở kim loại
Dây platin
Ống platin

Dây nối
đất

vỏ

Sứ cách điện
Xi măng

Dây platin

6. Thermistor
Ngõ ra có giá trị lớn, đáp ứng nhanh nhưng có khuyết điểm phi tuyến, giới
hạn tầm đo nhiệt, dễ vỡ, cần phải cung cấp nguồn dòng, tự gia tăng nhiệt.
7. Thermocouple (Cặp nhiệt điện)
Có cấu tạo gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn lại ở một đầu được gọi
là đầu nối nóng, hai đầu cịn lại gọi là đầu nối lạnh hay đầu nối chuẩn được gắn

cố định vào thiết bị đo. Hai đầu này sẽ cho ra một sức điện động phụ thuộc vào
hiệu số nhiệt độ của đầu đo và nhiệt độ môi trường.

21


22

Theo hiệu ứng Seebeck, khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng hay đầu
lạnh thì phát sinh suất điện động giữa 2 đầu lạnh, hai đầu lạnh đặt cùng nhiệt độ
To.
V = a + b. T + c. T2

(2.4)

T

(2.5)

= T-To

Trong đó : T là nhiệt độ đo, To là nhiệt độ đầu lạnh và qua công thức trên
ta thấy quan hệ giữa V và T là phi tuyến .
Nhưng khi sử dụng tầm đo hẹp có thể tuyến tính hóa đặc tính cặp nhiệt
điện theo biểu thức: V = k. T, trong đó k là hệ số nhiệt, đơn vị µV/oC.
Nếu dây cặp nhiệt khơng được dài và ta phải sử dụng dây đồng để nối đến
dụng cụ đo thì số chỉ của dụng cụ đo là hiệu số giữa nhiệt độ đo T và nhiệt độ
chỗ nối To, nhiệt độ To thường là không ổn định

III. CẢM BIẾN VI MẠCH BÁN DẪN

1. Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ:
Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng
điện áp hoặc tín hiệu dịng điện. Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với
nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối C, F, hay
K tùy loại. Đo tín hiệu điện, ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo. Tầm đo nhiệt
độ giới hạn từ –55oC đến 150oC, độ chính xác từ 1oC đến 2oC tùy loại.
Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán
dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua
các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho tỷ lệ
điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm 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 mũ theo nhiệt độ.
2. IC AD590, AD595
Cảm biến IC AD590, AD595. Cảm biến này tạo ra một dòng điện thay đổi
tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, nó được dùng đo nhiệt độ trong trường hợp
dùng dây dẫn với khoảng cách xa.

22


23

Cảm biến AD 590 (Analog Devices) được thiết kế làm cảm biến nhiệt
có tổng trở ngõ ra khá lớn (10 M(), vi mạch đã được cân bằng bởi nhà sản xuất,
khiến cho dòng mA ra tương ứng với chuẩn nhiệt độ K. Điện áp làm việc càng
nhỏ càng tốt để tránh hiện tượng tự gia nhiệt, khi cấp điện áp thay đổi, dịng
điện thay đổi rất ít.
3. Cảm biến nhiệt bán dẫn LM335/34:
Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến đều sử dụng có phần phức
tạp, chẳng hạn cặp nhiệt độ ngẫu có mức ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt,

thermistor thì khơng tuyến tính, thêm vào đó ngõ ra của các loại cảm biến này
khơng tuyến tính tương ứng bất kỳ thang chia nhiệt độ nào. Các khối cảm biến
tích hợp được chế tạo khắc phục được những đặc điểm đó, nhưng ngõ ra của
chúng quan hệ với thang đo Kelvin hơn là độ Celsius và Fahrenheit.

IV. MỘT SỐ MẠCH ỨNG DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ:
1.

Cảm biến điều khiển nhiệt độ lò nung:

2. Đo nhiệt với cảm biến nhiệt bán dẫn LM335:
Sơ đồ đo cảm biến nhiệt bán dẫn gồm trở tải cấp dòng cho cảm biến, bộ
khuếch đại tín hiệu ra từ cảm biến IC1a, bộ khuếch đại lối ra IC1b, và một cảm
biến LM335.
LM 335 là cảm biến nhiệt độ được dùng để tạo dòng chuẩn điều chỉnh
được , nó có đặc điểm là cho điện áp ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ_10mV/oK
nên được chọn chuyển đổi nhiệt thành điện áp trong mạch này.
Sơ đồ mạch như sau:

23


+ Sơ đồ nguyên lý:

24

+ Nguyên lý hoạt động: Khi có tín hiệu kích thích tác động vào cảm biến
tùy vào nhiệt độ cao hay thấp mà điện áp đặt lên cảm biến sẽ thay đổi và điến áp
này được đưa tới tầng khuếch đại vi sai(mạch trừ)mạch này cho phép chỉnh nhiệt
về 0oC cho tương ứng với nhiệt độ thật khi đo nhiệt của đá đang tan(0V),và tín

hiệu ngõ ra tần này sẽ tiếp tục đưa qua tần khuếch đại đảo để nâng cao biên độ áp
,áp ngõ ra của tầng này là 10V tương ứng với 100oC
3. Mạch ứng dụng LM35 với thiết bị khuyếch đại âm thanh
Trong mạch ứng dụng này, nhiệt độ IC khuyếch đại âm thanh (IC1) là
đại lượng được quan tâm. LM35 và IC1 có sự gắn kết về nhiệt, tín hiệu ngõ
ra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn (thông
số này được chọn bằng R1 và R2 và điện áp tham chiếu). Hệ thống được
thiết kế để quạt hoạt động khi nhiệt độ vượt quá khoảng giá trị 800C và tắt khi
nhiệt độ xuống dưới 600C.
4. Mạch đo nhiệt độ bằng LM 35.

5. Hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng vi xử lý
24


25

V. CÁC BÀI THỰC HÀNH ỨNG DỤNG CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT
ĐỘ.
1. Lắp ráp các mạch khảo sát cảm biến nhiệt độ Platin Pt100, Pt100 và
AD595, PTC, NTC, RTD.

2. Thiết kế các mạch điều khiển ổn định nhiệt độ sử dụng cảm biến
LM 35

25


26

26


27

BÀI 2:
CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ,
KHOẢNG CÁCH
Mục tiêu:
- Phát biểu đặc tính của cảm biến tiệm cận theo nội dung đã học
- Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dung của các loại
cảm biến tiệm cận
- Trình bày các phân loại các loại cảm biến theo nội dung đã học
- Thực hiện các mạch cảm biến điện cảm và điện dung đạt các yêu cầu về
kỹ thuật.
Nội dung chính:
I. CẢM BIẾN TIỆM CẬN (TIẾP CẬN - PROXIMITY SENSOR):
1. Đại cương.
Là loại cảm biến khi đối tượng tác động có khoảng cách phù hợp thì trạng
thi nó sẽ thay đổi.
* Đặc điểm: - Phát hiện vật không cần tiếp xúc.
- Tốc độ đáp ứng nhanh.
- Đầu sensor nhỏ, có thể lắp được ở nhiều nơi.
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Cảm biến tiệm cận là mọt kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay khơng có
mặt của một vật thể với cảm biến điện tử khơng cơng tắc (khơng đụng chạm),
cảm biến tiệm cận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế, ví dụ phát hiện vật
trên dây chuyền để rôbốt bắt giữ lấy, phát hiện chai, lon nhôm trên dây chuyền,
băng chuyền ...vv. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến tiệm cận thường ở dạng logic
có hoặc khơng.

* Một số định nghĩa:
- Khoảng cách phát hiện: Là khoảng cách xa nhất từ đầu cảm biến đến vị
trí vật chuẩn mà cảm biến phát hiện được.
- Khoảng cách cài đặt: Là khoảng cách để cảm biến có thể nhận biết vật
một cách ổn định (thường bằng 70% đến 80% khoảng cách phát hiện).
- Thời gian đáp ứng: t2 là thời gian từ lúc đối tượng đi vào vùng cảm
biến phát hiện của cảm biến đến lúc cảm biến báo hiệu. t2 là thời gian từ
lúc đối tượng đi ra khỏi vùng phát hiện cho đến khi cảm biến hết báo tín hiệu.

27


28

* Phân loại
Vật Cảm Biến

Cảm Biến
Vật Cảm Biến

Cảm Biến Tiệm Cận

Cảm Biến
Loại

Loại

Cảm Ứng Từ

Điện Dung

* Loại cảm biến này có các đặc tính sau:
- Đối tượng điều khiển khơng cần tiếp xúc trực tiếp với cảm biến mà chỉ
cần có một khoảng cách phù hợp do người sử dụng điều chỉnh.
- Tín hiệu thay đổi dạng ON/OFF.
- Cần phải có nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho cảm biến hoạt động.
- Tốc độ đáp ứng cao.
- Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
2. Cảm biến tiệm cận điện từ (inductive proximity sensor – điện cảm)
- Là loại cảm biến (điện cảm) sử dụng trường Điện – Từ để phát hiện đối
tượng bằng kim loại (chìa khố), (loại cảm biến này khơng phát hiện các đối
tượng có cấu tạo khơng phải là kim loại).
- Điện áp làm việc DC, AC hoặc AC/DC.
- Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình dạng khác
nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau.
* Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện cảm: Gồm 4 phần chính
ĐỐI TƯNG
CUỘN DÂY

VỎ BẢO VỆ

TÍN
HIỆU
RA

TỪ TRƯỜNG

TẠO TỪ TRƯỜNG

BIẾN ĐỔI

- Cuộn dây và lõi ferit.
- Mạch dao động.
- Mạch phát hiện.
- Mạch đầu ra.

28


40

* Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm.
Cảm biến tiệm cận điện cảm được thiết kế để tạo ra một vùng điện trường,
khi một vật bằng kim loại tiến vào khu vực này, xuất hiện dòng điện xốy
(dịng điện cảm ứng) trong vật thể kim loại này. Dịng điện xốy gây nên sự
tiêu hao năng lượng (do điện trở của kim loại) làm ảnh hưởng đến biên độ sóng
dao động, đến một trị số nào đó tín hiệu này được ghi nhận. Mạch phát hiện sẽ
phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON. Khi đối tượng
rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái
bình thường.
* Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm.
- Theo chức năng được chia ra làm 2 loại: NPN (Sinking) và PNP
(Sourcing).
- Cảm biến tiệm cận điện cảm có thể chia ra làm 2 loại: Loại được bảo
vệ (Shielded) và loại không được bảo vệ (Unshielded), loại khơng được bảo
vệ thường có tầm phát hiện lớn hơn loại được bảo vệ.
* Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện
cảm:
- Kích thước, hình dáng, vật liệu lõi và cuộn dây.

- Vật liệu và kích thước đối tượng.
- Nhiệt độ môi trường.
Đặc điểm của đối tượng tiêu chuẩn (mục tiêu): Hình vng, độ dài cạnh
bằng d (đường kính của bề mặt cảm biến), dày 1mm và làm bằng thép mềm
(mild steel).
Nếu đối tượng cần phát hiện có kích thước nhỏ hơn tiêu chuẩn, tầm phát
hiện của cảm biến sẽ giảm (do dịng điện xốy yếu). Nhưng nếu kích thước lớn
hơn kích thước tiêu chuẩn khơng có nghĩa là tầm phát hiện tăng lên.
Độ dày của đối tượng cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát
hiện của cảm biến, đối với vật liệu khơng mang từ tính (khơng chứa chất
sắt) như đồng, nhôm, đồng thau chịu ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt. Tầm phát
hiện của cảm biến tăng lên khi đọ dày đối tượng giảm.
* Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm.
- Ưu điểm:
+ Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm.
+ Khơng có bộ phận chuyển động.
+ Không chịu ảnh hưởng của bụi bặm.

40


41

+ Khơng phụ thuộc vào màu sắc.
+ ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng ơn so với các kỹ thuật khác.
+ Khơng có khu vực mù (blind zone: cảm biến không phát hiện ra
đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến).
- Nhược điểm:
+ Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại.
+ Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh.

+ Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kỹ thuật khác.
* Sơ đồ nguyên lý cho loại NPN (Sinking):
Giản đồ xung chế độ hoạt động

Sơ đồ kết nối đầu ra

* Kiểm tra xác định loại NPN:
- Cấp nguồn 24VDC cho cảm biến, đồng hồ VOM thang đo DC.
- Dùng đồng hồ VOM thang đo DC: que đen ở dây màu Black, que đỏ ở
dây màu Brown . kết quả kim đồng hồ lên gần bằng 24VDC.
- Đối với loại NPN: tín hiệu ra âm (Output (-)).
* Sơ đồ đấu nối thử tín hiệu ngõ ra (Output):

Fe

OU T(-)

B R O W N (+)

BLUE
LO AD
BLACK
+ 24 VD C

0V

41


42

* Sơ đồ nguyên lý cho loại PNP (Sourcing):
Sơ đồ kết nối đầu ra

Giản đồ xung chế độ hoạt động

* Kiểm tra xác định loại PNP:
- Cấp nguồn 24VDC cho cảm biến, đồng hồ VOM thang đo DC.
- Dùng đồng hồ VOM thang đo DC: que đỏ ở dây màu Black, que đen ở
dây màu Blue . kết quả kim đồng hồ lên gần bằng 24VDC.
- Đối với loại NPN: tín hiệu ra dương (Output (+)).
* Sơ đồ đấu nối thử tín hiệu ngõ ra:

F e

B R O W
N

O U T (+
B L A) C K
L O A D

B L U E

0 V

2 4 V D C

❖ Ví dụ cảm biến điện cảm E2E

 -Hình dáng cảm biến
 -Cách mắc dây
 -ng dụng :
 Phát hiện các vật thể
bằng kim loại, thường
dùng để khống chế
hành trình.
 Khoảng phát hiện tối đa : 10 mm,

Nguồn : 12-24VDC, 24-240VAC
 Có loại DC 2dây, 3dây hoặc
AC(2dây).

42