TÀI LIỆU MÔ ĐUN KĨ THUẬT CẢM BIẾN

KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể đƣợc 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.

1


KHOA

NT

TR ỜN

LỜ

Ớ T

O

N

N

Ề

NT

U

Kỹ thuật cảm biến là một trong những mô đun cơ sở c a nghề iện tử công
nghiệp đƣợc biên soạn d a theo chƣơng trình khung đ x y d ng và ban hành n m
2017 c a trƣờng Cao đ ng nghề Cần Thơ dành cho nghề iện tử cơng nghiệp hệ Cao
đ ng.
Giáo trình đƣợc biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đ đƣợc
x y d ng ở m c độ đơn giản và d hiểu, trong m i bài học đều có thí dụ và bài tập
tƣơng ng để áp dụng và làm sáng t phần l thuyết.
hi biên soạn, nhóm biên soạn đ d a trên kinh nghiệm th c tế giảng dạy, tham
khảo đồng nghiệp, tham khảo các giáo trình hiện có và cập nhật những kiến th c mới
có liên quan để phù hợp với nội dung chƣơng trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu
đào tạo, nội dung đƣợc biên soạn gắn với nhu cầu th c tế.
Nội dung giáo trình đƣợc biên soạn với lƣợng thời gian đào tạo 90 giờ gồm có:
Bài 1: Bài mở đầu các khái niệm cơ bản về bộ cảm biến
Bài 2: Cảm biến nhiệt độ

Bài 3: Cảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí và khoảng
cách khác
Bài 4: Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng
Bài 5: o vận tốc vịng quay và góc quay
Bài 6: Cảm biến quang điện
Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng nhƣ khoa học và
cơng nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên th c mới cho
phù hợp. Trong giáo trình, chúng tơi có đề ra nội dung th c tập c a từng bài để ngƣời
học cũng cố và áp dụng kiến th c phù hợp với kỹ n ng.
Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sơ vật chất và trang thiết bị, các trƣờng có thề
sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đ cố gắng tổ ch c biên soạn để đáp ng đƣợc mục tiêu
đào tạo nhƣng không tránh đƣợc những khiếm khuyết. Rất mong nhận đƣợc đóng góp
kiến c a các thầy, cơ giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hồn thiện hơn.

Cần Thơ, ngày tháng 8 n m 2018
Tham gia biên soạn
1. hủ biên
u ậu
2. Nguyễn Tuấn Khanh

2


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

MỤ LỤ
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ........................................................................................1
LỜI GIỚI THIỆU ........................................................................................................2
MỤC LỤC ...................................................................................................................3
MÔ UN Ỹ THUẬT CẢM BIẾN ...........................................................................5
BÀI 1: HÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN .........................................8
1. hái niệm cơ bản về các bộ cảm biến: ...................................................................8
2. Phạm vi sử dụng c a cảm biến ................................................................................9
3. Ph n loại cảm biến: .................................................................................................9
BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT Ộ................................................................................11
1. ại cƣơng ...............................................................................................................11
2 Nhiệt điện trở Platin và Niken................................................................................12
3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic .......................................................................17
4. IC cảm biến nhiệt độ .............................................................................................20
5. Nhiệt điện trở NTC ...............................................................................................22
6. Nhiệt điện trở PTC ................................................................................................24
7. Th c hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70 .....................26
8. Th c hành với cảm biến LM35 .............................................................................27
9. Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC ........................................................28
10. Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC .......................................................30
BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ỊNH VỊ TRÍ,

HOẢNG CÁCH .....................................................................................................32
1. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) .................................................................32
2. Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác .......................................41
3. Th c hành với cảm biến tiệm cận điện cảm..........................................................51
BÀI 4: PHƢƠNG PHÁP O LƢU LƢỢNG ...........................................................54
1. ại cƣơng ..............................................................................................................54
2. Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất ...........................56
3. Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng bằng tần số dịng xốy ...............................................60
BÀI 5: O VẬN TỐC VÕNG QUAY VÀ GÓC QUAY ........................................65
1. Một số phƣơng pháp đo vận tốc vòng quay cơ bản ..............................................65
2. o vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp Analog ................................................65
3. o vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp quang điện tử .....................................67
4. o vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ .................................................68
5. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ............................................................72
6. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) ...........................................................................73
7. Th c hành đo góc với encoder tƣơng đối và tuyệt đối .........................................74
8. Th c hành với cảm biến đo vòng quay .................................................................75
BÀI 6: CẢM BIẾN QUANG IỆN .........................................................................78
1. ại cƣơng ..............................................................................................................78
3


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

2. Cảm biến quang loại thu phát độc lập .................................................................. 85
3. Cảm biến quang loại phản xạ gƣơng .................................................................... 87
4. Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán ............................................................. 89
5. Một số ng dụng c a cảm biến quang điện .......................................................... 90
6. Th c hành với cảm biến quang............................................................................. 93
TÀI LIỆU THAM HẢO ........................................................................................ 96

4


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

MƠ UN KỸ T UẬT ẢM B ẾN
Tên mơ đun KỸ T UẬT ẢM B ẾN
Mã mô đun M 16
Vị trí, tính chất, ý nghĩa, vai trị của mơ đun
Trong nền công nghiệp sản xuất hiện đại ngày nay, rất nhiều nhà máy xí nghiệp
đang trang bị cho mình những d y chuyền sản xuất t động hoặc bán t động. Các loại
cảm biến đ có mặt trong hầu hết các lĩnh v c điều khiển t động, nó đóng một vai trị
rất quan trọng, khơng một thiết bị nào có thể thay thế đƣợc. Việc trang bị cho mình
những kiến th c về các loại cảm biến là nhu cầu b c xúc c a các kỹ thuật viên, kỹ sƣ
c a ngành iện tử công nghiệp cũng nhƣ những ngành khác.
Mô đun ỹ thuật cảm biến là một mô đun chuyên môn c a học viên ngành
iện tử công nghiệp.Mô đun này nhằm trang bị cho học viên các trƣờng cao đ ng
nghề, trung cấp nghề và các trung t m dạy nghề những kiến th c về nguyên l , cấu
tạo, các mạch ng dụng trong th c tế c a các loại cảm biến … với các kiến th c này
học viên có thể áp dụng tr c tiếp vào lĩnh v c sản xuất cũng nhƣ đời sống. Ngoài ra
các kiến th c này dùng làm phƣơng tiện để học tiếp các môn chuyên môn c a nghề
iện tử công nghiệp nhƣ PLC, iều khiển điện-khí nén,…
Mục tiêu của mơđun
Sau khi học xong mơ đun này học viên có n ng l c
* Về kiến th c :
- Trình bày đƣợc đặc tính cấu tạo và nguyên l làm việc c a các loại cảm
biến
- Ph n tích đƣợc các phƣơng pháp kết nối mạch điện
* Về kỹ n ng :
- Thiết kế đƣợc mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật
- Th c hành lắp ráp một số mạch điều khiển thiết bị cảm biến đúng yêu cầu

- iểm tra, vận hành và sửa chữa đƣợc mạch ng dụng các loại cảm biến đúng yêu
cầu kỹ thuật
* N ng l c t ch và trách nhiệm:
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an tồn và vệ sinh cơng nghiệp
Nội dung chính của mơđun

Số
TT

1

2

Thời gian (giờ)
Thực
hành, thí
Tên các bài trong mơ đun
Lý
Tổng số
nghiệm,
thuyết
thảo luận,
bài tập
Bài 1: ác khái niệm cơ bản về bộ
2
2
cảm biến
1. hái niệm cơ bản về các bộ cảm
0.5
biến

2. Phạm vi ng dụng
0.5
3. Ph n loại các bộ cảm biến
1
Bài 2: ảm biến nhiệt độ
24
6
18
1. ại cƣơng
1
2. Nhiệt điện trở với Platin và
1
Nickel chung
5

Kiểm
tra


KHOA

3

4

5

NT

TR ỜN

3. Cảm biến nhiệt dộ với vật liệu
Silic
4. IC cảm biến nhiệt độ
5. Nhiệt điện trở NTC
6. Nhiệt trở PTC
7.Th c hành với cảm biến nhiệt độ
8. Th c hành với cảm biến LM35
9. Th c hành với cảm biến nhiệt
điện trở
10. Th c hành với cảm biến nhiệt
điện trở PTC
Bài 3: ảm biến tiệm cận và một
số loại cảm biến xác định vị trí và
khoảng cách khác
1. Cảm biến tiệm cận
2. Một số loại cảm biến xác định vị
trí, khoảng cách khác
3. Th c hành với cảm biến tiệm cận
điện cảm
4. Th c hành với cảm biến tiệm cận
điện dung
5. Th c hành với cảm biến từ.
6. Th c hành với cảm biến ph n
loại màu.
Bài 4: Phương pháp đo lưu lượng
1. ại cƣơng
2. Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng theo
nguyên tắc chênh lệch áp suất.
3. Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng bằng

tần số dịng xốy
4. Th c hành với cảm biến đo lƣu
lƣợng
Bài 5: o vận tốc vòng quay và
góc quay
1. Một số phƣơng pháp cơ bản
2. o vận tốc vòng quay bằng
phƣơng pháp Analog
3. o vận tốc vòng quay bằng
phƣơng pháp quang điện tử
4. o vận tốc vòng quay với
nguyên tắc điện trở từ
5. Cảm biến đo góc với tổ hợp có
điện trở từ
6. Máy đo góc tuyệt đối
7. Th c hành đo góc với encoder
tƣơng đối và tuyệt đối
8. Th c hành với cảm biến đo vòng
6

O

N

N

Ề

NT

1
1
1
1
4
4
4
6
24

12

16

8

15

2
2

2
2

1

2

1

3

1
1

3
3

4
1
1

7
1

1

1

1

5

4

12

0.5
0.5

0.5
0.5

0.5

0.5

1

1

1

1

0.5

0.5
4
4

1

1


KHOA

6

NT

TR ỜN

quay
Bài 6: ảm biến quang điện
1. ại cƣơng
2. Cảm biến quang loại thu phát độc
lập
3. Cảm biến quang loại phản xạ
4. Cảm biến quang loại khuếch tán
5. Một số ng dụng c a cảm biến
quang điện
6. Th c hành với cảm biến quang
ộng

7

12

90

O

N

N

Ề

3
0.5
0.5

8
0.5
0.5

0.5
0.5
1

0.5
0.5
1

27

5
60

NT

1

3


KHOA

NT

BÀI 1: K Á N

TR ỜN

M

O

N

N

Ề

NT

BẢN VỀ Á BỘ ẢM B ẾN

Mã bài M 16-01
Ớ T
U
Các bộ cảm biến đƣợc sử dụng nhiều trong các lĩnh v c kinh tế và kỹ thuật, các
bộ cảm biến đặc biệt rất nhạy cảm đƣợc sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh v c
nghiên c u khoa học. Trong lĩnh v c t động hố ngƣời ta sử dụng các sensor bình
thƣờng cũng nhƣ đặc biệt. Cảm biến có rất nhiều loại, rất đa dạng và phong phú, do
nhiều h ng sản xuất, giúp con ngƣời nhận biết các quá trình làm việc t động c a máy
móc hoặc trong t động hố cơng nghiệp.
MỤ T ÊU BÀ Ọ

Sau khi học xong bài này học viên có đ khả n ng :
- Phát biểu đƣợc khái niệm về các bộ cảm biến
- Trình bày đƣợc các ng dụng và phƣơng pháp ph n loại các bộ cảm biến
- Rèn luyện tính tƣ duy và tác phong công nghiệp

1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
* hái niệm:
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lƣợng vật l và các đại
lƣợng khơng có tính chất về điện cần đo thành các đại lƣợng mang tính chất về điện có
thể đo và xử l đƣợc
Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng khơng có tính chất về điện nhƣ nhiệt độ,áp
suất,…tác động lên cảm biến cho ta một đặc trƣng (s) mang tính chất điện nhƣ điện áp,
điện tích,dịng điện hoặc trở kháng ch a đ ng thông tin cho phép xác định giá trị c a
đại lƣợng đo. ặc trƣng (s) là hàm c a đại lƣợng cần đo (m) :
s = f(m)
(1)
Ngƣời ta gọi (s) là đại lƣợng đầu ra hoặc là phản ng c a cảm biến,(m) là đại lƣợng
đầu vào hay kích thích(có nguồn gốc là đại lƣợng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho
phép nhận biết giá trị (m).
* Các đặc trƣng cơ bản c a cảm biến :
- ộ nhạy c a cảm biến
ối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có s
liên hệ tuyến tính:
(2)
s = S. m
ại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu th c S 

s
(3) đƣợc gọi là độ nhạy c a cảm
m

biến.
- Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo (cảm
nhận) còn chịu tác động c a nhiều đại lƣợng vật l khác g y nên sai số giữa giá trị đo
đƣợc và giá trị th c c a đại lƣợng cần đo. Gọi x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và
giá trị th c x (sai số tuyệt đối), sai số tƣơng đối c a bộ cảm biến đƣợc tính bằng :


x
.100 ,[%]
x

(4)

Sai số c a cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì khơng thể biết chính xác giá trị
th c c a đại lƣợng cần đo.
- ộ nhanh và thời gian hồi đáp
ộ nhanh là đặc trƣng c a cảm biến cho phép đánh giá khả n ng theo kịp về thời
gian c a đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại
lƣợng đƣợc sử dụng để xác định giá trị số c a độ nhanh.
8


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

ộ nhanh t r là khoảng thời gian từ khi đại lƣợng đo thay đổi đột ngột đến khi khi
biến thiên c a đại lƣợng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lƣợng giới hạn 
tính bằng %. Thời gian hồi đáp tƣơng ng với  (%) xác định khoảng thời gian cần
thiết phải chờ đợi sau khi có s biến thiên đại lƣợng đo để lấy giá trị c a đầu ra với độ
chính xác định trƣớc. thời gian hồi đáp đặc trƣng cho chế độ quá độ c a cảm biến và là
hàm c a các thông số thời gian xác định chế độ này.
Trong trƣờng hợp s thay đổi c a đại lƣợng đo có dạng bậc thang, các thơng số
thời gian gồm thời gian tr khi t ng (t dm ) và thời gian t ng (t m ) ng với s t ng đột
ngột c a đại lƣợng đo hoặc thời gian tr khi giảm (t dc ) và thời gian giảm (t c ) ng vơi
s giảm đột ngột c a đại lƣợng đo. hoảng thời gian tr khi t ng (t dm ) là thời gian cần
thiết để đại lƣợng đầu ra t ng từ giá trị ban đầu c a nó đến 10% c a biến thiên tổng
cộng c a đại lƣợng này và khoảng thời gian t ng (t m ) là thời gian cần thiết để đại
lƣợng đầu ra t ng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng c a nó.
Tƣơng t khi đại lƣợng đo giảm, thời gian tr khi giảm (t dc ) là thời gian cần thiết
để đại lƣợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu c a nó đến 10% biến thiên tổng cộng c a
đại lƣợng này và khoảng thời gian giảm (t c ) là thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra
giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng c a nó.
Các thơng số về thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) c a cảm biến cho phép ta
đánh giá về thời gian hồi đáp c a nó.

Hình 1.1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ

2. Phạm vi sử dụng của cảm biến
Ngày nay các bộ các biến đƣợc sử dụng nhiều trong các ngành kinh tế và kỹ
thuật nhƣ trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,….Các bộ
cảm biến đặc biệt rất nhạy đƣợc sử dụng trong các thí nghiệm và trong nghiên c u
khoa học. Trong lĩnh v c t động hóa, các bộ cảm biến đƣợc sử dụng nhiều nhất với
nhiều loại khác nhau kể cả các bộ cảm biến bình thƣờng cũng nhƣ đặc biệt.

3. Phân loại cảm biến
Các bộ cảm biến đƣợc ph n loại theo các đặc trƣng cơ bản sau đ y:
9


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

- Theo nguyên tắc chuyển đổi giữa đáp ng và kích thích
Hiện tượng
Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Nhiệt điện, quang điện, quang từ , điện từ, quang đàn hồi,
Hiện tƣợng vật l
từ điện, nhiệt từ,…
Hóa học
Biến đổi hố học, Biến đổi điện hố, Ph n tích phổ,…
Biến đổi sinh hoá, Biến đổi vật l , Hiệu ng trên cơ thể
Sinh học
sống,…
- Theo dạng kích thích
Kích thích
Các đặc tính của kích thích.
Âm thanh
-Biên pha, ph n c c-Phổ-Tốc độ truyền sóng…
- iện tích, dịng điện- iện thế, điện áp- iện trƣờng- iện
iện
dẫn, hằng số điện môi…
Từ
-Từ trƣờng-Từ thông, cƣờng độ từ trƣờng- ộ từ thẩm…
-Vị trí-L c, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ng suất, độ c ngCơ
Mômen - hối lƣợng, tỉ trọng- ộ nhớt…
Quang
-Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ…
Nhiệt
-Nhiệt độ-Thông lƣợng-Tỷ nhiệt…
B c xạ
- iểu-N ng lƣợng-Cƣờng độ…
- Theo tính n ng

+ ộ nhạy
+ hả n ng quá tải
+ ộ chính xác
+ Tốc độ đáp ng
+ ộ ph n giải
+ ộ ổn định
+ ộ tuyến tính
+ Tuổi thọ
+ Công suất tiêu thụ
+ iều kiện môi trƣờng
+ Dải tần
+ ích thƣớc, trọng lƣợng
+ ộ tr
- Ph n loại theo phạm vi sử dụng
+ Công nghiệp
+ Nông nghiệp
+ Nghiên c u khoa học
+ D n dụng
+ Môi trƣờng, khí tƣợng
+ Giao thơng vận tải...
+ Thơng tin, vi n thơng
- Theo thơng số c a mơ hình mạch điện thay thế
+ Cảm biến tích c c (có nguồn): ầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng
+ Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động khi chúng cần có
thêm nguồn n ng lƣợng phụ để hồn tất nhiệm vụ
đo kiểm, cịn loại c c tính thì
khơng cần. ƣợc đặc trƣng bằng các thơng số: R, L, C...tuyến tính hoặc phi tuyến.
Bài tập:
1. Nêu một số ví dụ cụ thể về ng dụng c a một số loại cảm biến trong công nghiệp và
d n dụng.

YÊU
U VỀ ÁN
Á KẾT QUẢ Ọ TẬP BÀ 1
Nội dung:
+ Về kiến th c: Trình bày đƣợc khái niệm, ng dụng và cách ph n loại các bộ cảm
biến
+ N ng l c t ch và trách nhiệm: ảm bảo an tồn và vệ sinh cơng nghiệp.
Phƣơngpháp:
+ Về kiến th c: ƣợc đánh giá bằng hình th c kiểm tra viết, trắc nghiệm
+ N ng l c t ch và trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ng n nắp trong công
việc.
10


KHOA

NT

TR ỜN

BÀI 2: ẢM B ẾN N

O

N

N

Ề

NT

T Ộ

Mã bài M 16-02
Ớ T
U
Cảm biến nhiệt độ đƣợc sử dụng nhiều trong các lĩnh v c kinh tế và kỹ thuật, vì
cảm biến nhiệt độ đóng vai trị quyết định đến tính chất c a vật chất, nhiệt độ có thể
làm ảnh hƣởng đến các đại lƣợng chịu tác dụng c a nó, ví dụ nhƣ áp suất, thể tích chất
khí ... v.v.
Cảm biến nhiệt độ rất nhạy cảm đƣợc sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh v c
nghiên c u khoa .Trong lĩnh v c t động hoá ngƣời ta sử dụng các sensor bình thƣờng
cũng nhƣ đặc biệt.
MỤ T ÊU BÀ Ọ
Sau khi học xong bài này học viên có đ khả n ng:
- Trình bày đƣợc cấu tạo, đặc tính c a các loại cảm biến theo nội dung đ học
- Th c hiện đƣợc các mạch cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật.
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an tồn vệ sinh cơng nghiệp

1. ại cương
1.1 Thang đo nhiệt độ
Nhiệt độ có ba thang đo
- Thang Kelvin: hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị là . Trong
thang elvin này ngƣời ta gán cho nhiệt độ c a điểm c n bằng c a ba trạng thái nƣớc
đá-nƣớc-hơi một giá trị số bằng 273,15 (thƣờng đƣợc sử dụng là 273 )
Từ thang elvin ngƣời ta xác định thêm các thang mới là thang Celsius và thang
Fahrenheit bằng cách chuyển dịch các giá trị nhiệt độ
- Thang Celsius: đơn vị nhiệt độ là o C . Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ
Kelvin đƣợc xác định theo biểu th c:

T (o C )  T ( K )  273,15 (2-1)
- Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ là o F
Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F nhƣ sau:
5
T (o C )  [T (o F )  32] (2-2)
9
9
T (o F )  T (o C )  32 (2-3)
5

Bảng 2.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau
Fahrenheit
Nhiệt độ
Kelvin (K)
Celsius ( o C )
(oF )
iểm 0 tuyệt đối

0

-273,15

-459,67

H n hợp nƣớc-nƣớc đá

273,15

0

32

C n bằng nƣớc-nƣớc đá-hơi nƣớc

273,16

0,01

32,018

Nƣớc sôi

373,15

100

212

1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo
Trong tất cả các đại lƣợng vật l , nhiệt độ là một trong những đại lƣợng đƣợc quan
t m nhiều nhất. ó là vì nhiệt độ có vai trị quyết định trong nhiều tính chất c a vật
chất nhƣ làm thay đổi áp suất và thể tích c a chất khí, làm thay đổi điện trở c a kim

11


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

loại,…hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lƣợng chịu ảnh hƣởng
c a nó.
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phƣơng pháp chính sau
- Phƣơng pháp quang d a trên s ph n bố phổ b c xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu
ng Doppler)
- Phƣơng pháp cơ d a trên s gi n nở c a vật rắn, c a chất l ng hoặc chất khí (với
áp suất không đổi), hoặc d a trên tốc độ m thanh
- Phƣơng pháp điện d a trên s phụ thuộc c a điện trở vào nhiệt độ (hiệu ng
Seebeck), hoặc d a trên s thay đổi tần số dao động c a thạch anh

2 Nhiệt điện trở Platin và Niken
2.1 iện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
Nhiệt điện trở là linh kiện mà điện trở c a bản th n nó sẽ thay đổi khi nhiệt độ tác
động lên nó thay đổi
Nhiệt điện trở thƣờng đƣợc chế tạo từ các vật liệu có khả n ng chịu nhiệt nhƣ:
- Nhiệt điện trở đồng với khả n ng chịu nhiệt: -50 o C đến 180 o C
- Nhiệt điện trở niken với khả n ng chịu nhiệt: 0 o C đến 300 o C
- Nhiệt điện trở platin với khả n ng chịu nhiệt: -180 o C đến 1200 o C

Ngƣời ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp v
đặc biệt và đƣa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R0) chế tạo khoảng từ 10(Ω) đến
100(Ω)
Trong đó R0 là điện trở tại thời điểm ban đầu
R0 

1
n.e.

(2-4)

Trong đó: n - là số điện tử t do trong một đơn vị diện tích
e - là điện tích c a điện tử t do
 - là tính linh hoạt c a điện tử,  đƣợc đặc trƣng bởi tốc độ c a điện tử
trong từ trƣờng).
iện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ƣu điểm đƣợc sử dụng rất rộng r i và
đƣợc sử dụng nhiều. Song nhƣợc điểm c a điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ là
kích thƣớc lớn, cồng kềnh, có qn tính lớn.
2.2 Nhiệt điện trở Platin
Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở đƣợc dùng rộng rãi trong cơng nghiệp. Có 2 tiêu
chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, s khác nhau giữa chúng nằm ở m c độ tinh khiết
c a vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983
(đƣợc sửa đổi lần th nhất vào n m 1986, lần th 2 vào n m 1995). USA vẫn tiếp tục
sử dụng tiêu chuẩn riêng.
Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phƣơng trình Callendar – VanDusen:
2
0
3
R(t) = R0 [1 + A.t + B.t + C (t – 100 C).t ] (2-5)
0

R0 là trị số điện trở định m c ở 0 C
Bảng 2.2 Tiêu chuẩn quốc tế E -751 và SAMA RC-4
Standard
IEC 751
(Pt100)

Alpha
R0
0
ohms/ohm/ C ohms
0,003855055 100

Hệ số
0

Đất nước
0

-200 C < t < 0 C
-3
A = 3,90830 x 10
-7
B = - 5,77500 x 10
12

Áo,Brazin,Öc,Bỉ,Bu
ngari, Canađa, an
mạch,Ai cập, Phần
Lan,Pháp

KHOA

NT

TR ỜN

O

C = - 4,18301 x 10
0
0
0 C  t  850 C
A & B nhƣ trên,
riêng C = 0,0
SAMA
RC - 4

0,0039200

98,129

-12

-3

A = 3,97869 x 10
-7
B = - 5,86863 x 10
-12

C = - 4,16696 x 10

N

N

Ề

NT

, c,Isaren,Ý,
Nhật,Nam Phi, Thổ
Nhĩ
ỳ, Nga, Anh,
Ba Lan, Rumani
USA

R0 c a nhiệt điện trở Pt 100 là 100Ω, c a Pt 1.000 là 1.000Ω, các loại Pt 500 , Pt 1.000
có hệ số nhiệt độ lớn hơn, do đó độ nhạy lớn hơn (điện trở thay đổi mạnh hơn theo
0
nhiệt độ). Ngồi ra cịn có loại Pt 10 có độ nhạy kém dùng để đo nhiệt độ trên 600 C.
Tiêu chuẩn IEC 751 chỉ định nghĩa 2 đ ng cấp dung sai A, B. Trên th c tế
xuất hiện thêm loại C và D (Bảng 2.3). Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại
nhiệt điện trở khác.
Bảng 2.3 Tiêu chuẩn về dung sai
Đẳng cấp dung sai

0

Dung sai ( C)

A

t =  (0,15 + 0,002. t )

B

t =  (0,30 + 0,005. t )

C

t =  (0,40 + 0,009. t )

D

t =  (0,60 + 0,018. t )

Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp. Do đó khi bị
các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng s thay đổi trị số điện c a nó ít
hơn so với các Platin ròng, nhờ thế s ổn định l u dài theo thời gian, thích hợp hơn
trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở Platin thƣờng dùng có đƣờng
kính 30 m (so sánh với đƣờng kính sợi tóc khoảng 100 m )
* Mạch ng dụng với nhiệt điện trở platin:
ADT70 là IC do h ng Analog Devices sản xuất, cung cấp s kết hợp l tƣởng với
Pt1.000, ta sẽ có dải đo nhiệt độ rộng, nó cũng có thể sử dụng với Pt100. Trong trƣờng
hợp có s cách biệt, với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng m ng, ADT70 có thể đo từ
0
0
0
50 C đến 500 C, cịn với nhiệt điện trở Platin tốt, có thể đo đến 1.000 C. ộ chính xác

0
0
c a hệ thống gồm ADT70 và nhiệt điện trở Platin ở thang đo -200 C đến 1.000 C phụ
thuộc nhiều vào phẩm chất c a nhiệt điện trở Platin.
Các thông số thiết bị ADT70:
0
- Sai số: 1 C
- iện áp hoạt động: 5 vôn hoặc 5 vôn
0
0
- Nhiệt độ hoạt động: Từ – 40 C đến 125 C (dạng 20 – lead DIP, SO packages)
- 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 đƣợc sử dụng để
cung cấp cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu. Bộ phận khuyếch đại so sánh điện
13


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

áp trên nhiệt điện trở và điện áp trên điện trở tham chiếu, sau đó đƣa tín hiệu điện áp
tƣơng ng với nhiệt độ. (ADT70 cịn có 1opamp, 1 nguồn áp 2,5 vôn). Dải đo c a
ADT70 phụ thuộc vào đặc tính c a nhiệt điện trở, vì vậy điều quan trọng là phải chọn
l a nhiệt điện trở thích hợp với ng dụng th c tế

Hình 2.1 Sơ đồ khối ADT70

2.3 Nhiệt điện trở Niken
Nhiệt điện trở niken so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp 2
0
0
0
lần ( 6,18.103 , (o C )1 ). Tuy nhiên dải đo chỉ từ -60 C đến +250 C, vì trên 350 C niken
có s thay đổi về pha, cảm biến niken 100 thƣờng dùng trong cơng nghiệp điều hồ
nhiệt độ phịng.
2
4
6
R(t) = R0 (1 + A.t + B.t + D.t + F.t ) (2-6)
-3
-6
-11
-17
A = 5,485 x 10 ; B = 6,650 x 10 ; D = 2,805 x 10 ; F = -2,000 x 10
Với các trƣờng hợp khơng địi h i s chính xác cao, ta sử dụng phƣơng trình sau:
R(t) = R0 (1 + a.t) (2-7)

0
a = alpha = 0,00672(Ohms/Ohm/ C)
Từ đó d dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ :
T = (Rt/R0 – 1) / a = (Rt/R0 – 1)/0,00672 (2-8)

14


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

Hình 2.2 Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ ZNI 1000

Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 do h ng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng
0
nhiệt điện trở Ni, đƣợc thiết kế có giá trị 1.000( tại 0 C).
- Mạch ng dụng với nhiệt điện trở Ni:

Zni 1.000 với ZMR500 đƣợc dùng với DVM nhƣ là nhiệt kế
* Cách nối d y 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 đƣợc U = R.I, để cảm biến khơng bị nóng lên qua phép đo,
0
dịng điện cần phải nh khoảng 1 mA. Với Pt 100 ở 0 C ta có điện thế khoảng 0,1 vơn,
điện thế này cần đƣợc đƣa đến máy đo qua d y đo. Ta có 3 kỹ thuật nối d y đo:

Hình 2.3 Cách nối dây nhiệt điện trở

Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu d y nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống
nhau (đ hoặc trắng) và d y nối đến 2 đầu phải khác màu.
- ỹ thuật 2 d y:

Hình 2.4 Kỹ thuật nối 2 dây

15


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử đƣợc nối bởi 2 d y, bất c d y dẫn điện nào
đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với điện trở c a 2 d y đo, mạch điện trở sẽ
nhận đƣợc 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 d y đo có thể lên đến vài ôm.
ể đảm tránh sai số c a phép đo do điện trở c a d y đo g y ra, ngƣời ta bù trừ
điện trở c a d y đo bằng một mạch điện nhƣ sau: Một biến trở bù trừ đƣợc nối vào
một trong hai d y đo và nhiệt điện trở đƣợc thay thế bằng một điện trở 100Ω .Mạch
điện tử đƣợc thiết kế với điện trở d phòng c a d y đo là 10Ω. Ta chỉnh biến trở sao
0
có chỉ thị 0 C. Biến trở và điện trở c a d y đo là 10Ω.
- ỹ thuật 3 d y:

Hình 2.5 Kỹ thuật nối 3 dây

Từ nhiệt điện trở c a d y đo đƣợc nối thêm một điện trở. Với cách nối d y này ta
có 2 mạch đo đƣợc hình thành, một trong hai mạch đƣợc dùng làm mạch chuẩn, với kỹ
thuật 3 d y, sai số c a phép đo do điện trở d y đo và s thay đổi c a nó do nhiệt độ
khơng cịn nữa. Tuy nhiên 3 d y đo cần có cùng trị số kỹ thuật và có cùng một nhiệt
độ. ỹ thuật 3 d y rất phổ biến.
- ỹ thuật 4 d y:

Hình 2.6 Kỹ thuật nối 4 dây

Với kỹ thuật 4 d y ngƣời ta đạt kết quả đo tốt nhất, hai d y đƣợc dùng cho một
dịng điện khơng đổi qua nhiệt điện trở. Hai d y khác đƣợc dùng làm d y đo điện thế

trên nhiệt điện trở, trƣờng hợp tổng trở ngõ vào c a mạch đo rất lớn so với điện trở
d y đo, điện trở d y đo coi nhƣ không đáng kể, điện thế đo đƣợc không bị ảnh hƣởng
bởi điện trở d y đo và s thay đổi c a nó do nhiệt.
* Các cấu trúc c a cảm biến nhiệt platin và nickel:
- Nhiệt điện trở với v gốm: Sợi Platin đƣợc giữ chặt trong ống gốm s với bột ốit
0
0
nhôm, dải đo từ – 200 C đến 800 C.
- Nhiệt điện trở với v thuỷ tinh: Loại này có độ bền cơ học và độ nhạy cao, dải đo
0
0
từ – 200 C đến 400 C, đƣợc dùng trong mơi trƣờng hố chất có độ n mịn hố học
cao.
- Nhiệt điện trở với v nh a: Giữa 2 lớp nh a polyamid d y platin có đƣờng kính
khoảng 30 mm đƣợc dán kín. Với cấu trúc mảng, cảm biến này đƣợc dùng để đo nhiệt
0
0
độ bề mặt các ống hay cuộn d y biến thế. Dải đo từ – 80 C đến 230 C
- Nhiệt điện trở với kỹ thuật màng m ng: Loại này có cấu trúc cảm biến gồm một
16


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

lớp màng m ng (platin) đặt trên nền ceramic hoặc thuỷ tinh. Tia lazer đƣợc sử dụng để
chuẩn hoá giá trị điện trở c a nhiệt điện trở.

3 ảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic
Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic đang ngày càng đóng vai trị quan trọng trong
các hệ thống điện tử. Với cảm biến silic, bên cạnh các đặc điểm tuyến tính, s chính
xác, phí tổn thấp, cịn có thể tích hợp trong một IC cùng với bộ phận khuyếch đại và
các yêu cầu xử l tín hiệu khác, hệ thống trở nên nh gọn, m c độ ph c tạp cao hơn và
chạy nhanh hơn. ỹ thuật cảm biến truyền thống nhƣ cặp nhiệt, nhiệt điện trở có đặc
tuyến khơng tuyến tính và u cầu s điều chỉnh có thể chuyển đổi chính xác từ giá trị
nhiệt độ sang đại lƣợng điện (dòng hoặc áp), đang đƣợc hay thế dần bởi các cảm biến
silic với lợi điểm là s nh gọn c a mạch điện tích hợp và d sử dụng.
* Ngun tắc:
Hình vẽ 2.7 thể hiện cấu trúc cơ bản c a một cảm biến, kích thƣớc c a một cảm
biến là 500 x 500 x 200(mặt trên c a cảm biến là một lớp SiO2 có một vùng hình trịn
đƣợc mạ kim loại có đƣờng kính khoảng 20  m, tồn bộ mặt đáy đƣợc mạ kim loại

Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của cảm biến Silic

Hình vẽ 2.8 biểu di n mạch điện tƣơng đƣơng tƣợng trƣng thay thế cho cảm biến
silic (sản xuất theo nguyên tắc điện trở ph n rải). S sắp xếp này dẫn đến s ph n bố
dịng qua tinh thể có dạng hình nón, đ y là nguồn gốc có tên gọi điện trở ph n rải.

Hình 2.8 Mạch điện tương đương tượng trưng thay thế cảm biến Silic

17


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

iện trở cảm biến nhiệt R đƣợc xác định nhƣ sau:

(2-9)
R
 .d
Trong đó: R - là điện trở cảm biến nhiệt
 - là điện trở suất c a vật liệu silic (  lệ thuộc vào nhiệt độ)
d - là đƣờng kính c a hình trịn vùng mạ kim loại mặt trên

- ặc trƣng kỹ thuật cơ bản c a dòng cảm biến TY (h ng Philips sản xuất)
Với s chính xác và ổn định l u dài c a cảm biến với vật liệu silic . YT sử dụng
công nghệ điện trở ph n rải là một s thay thế tốt cho các loại cảm biến nhiệt độ
truyền thống
Ƣu điểm chính:
- S ổn định: Giả thiết cảm biến làm việc ở nhiệt độ có giá trị bằng một nửa giá trị
nhiệt độ hoạt động c c đại, sau thời gian làm việc ít nhất là 45.000 giờ (khoảng 51
n m) hoặc sau 1.000 giờ (1,14 n m), hoạt động liên tục với dòng định m c tại giá trị
nhiệt độ hoạt động c c đại cảm biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số nhƣ bảng dƣới
đ y
Bảng 2.4 Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng)
TYPE
KTY 81 – 1
KTY 82 - 1
KTY 81 – 2
KTY 82 – 2
KTY 83

Sai số tiêu biểu (K)

Sai số lớn nhất (K)

0,20

0,50

0,20

0,80

0,15

0,40

- Sử dụng công nghệ silic: Do cảm biến đƣợc sản xuất d a trên nền tảng công nghệ
silic nên gián tiếp chúng ta đƣợc hƣởng lợi ích từ những tiến bộ trong lĩnh v c công
nghệ này đồng thời điều này cũng gián tiếp mang lại những ảnh hƣởng tích c c cho
cơng nghệ đóng gói, nơi mà ln có xu hƣớng thu nh .
- S tuyến tính: Cảm biến với vật liệu silic có hệ số gần nhƣ là hằng số trên toàn bộ
thang đo, đặc tính này là một điều l tƣởng để khai thác sử dụng (đặc trƣng kỹ thuật
c a YT 81)
0
Nhiệt độ hoạt động c a các cảm biến silic thông thƣờng bị giới hạn ở 150 C.
YT 84 với v bọc SOD68 và công nghệ nối đặc biệt giữa d y dẫn và chip có thể hoạt
0
động đến nhiệt độ 300 C

18


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

Hình 2.9 Đặc trưng kỹ thuật của KYT 81

ặc điểm sản phẩm:
Bảng 2.5 ặc điểm sản phẩm của cảm biến KYT
Tên sản
phẩm
KYT 81 –1
KYT 81 - 2
KYT 82 – 1
KYT 82 – 2
KYT 83 – 1
KYT 84 - 1

1% tới 5%
1% tới 5%
1% tới 5%
1% tới 5%
1% tới 5%

Thang đo
0
( C)
- 55 tới 150
- 55 tới 150

- 55 tới 150
- 55 tới 150
- 55 tới 175

SOD 70
SOD 70
SOT 23
SOT 23
SOD 68 (DO – 34)

1% tới 5%

- 40 tới 300

SOD 68 (DO – 34)

R25 (Ω)

∆R

1.000
2.000
1.000
2.000
1.000
1.000
(R100)

Dạng IC

ối với loại YT 83, ta có phƣơng trình tốn học biểu di n mối quan hệ giữa điện
trở và nhiệt độ nhƣ sau:
RT  Rref [1  A(T  Tref )  B(T  Tref )2 ] (2-10)
Trong đó: RT - là điện trở nhiệt độ
0

Rref - là điện trở tại Tref (100 C với loại

0

YT 84 và 25 C với các cảm biến

còn lại)
A,B - là các hệ số
ối với YT 81/82/84:
RT  Rref [1  A(T  Tref )  B(T  Tref )2  C (T  T1 ) D ] (2-11)

Trong đó: T1 - là nhiệt độ mà độ dốc c a đƣờng cong bắt đầu giảm
C và D - là các hệ số
Bảng 2.6 ác hệ số của các loại cảm biến
Loại cảm
biến

A (K – 1)

B (K – 2)

C(1)(K – D)

19

D

0

T1 ( C)


KHOA

NT

KYT 81 –1
KYT 81 - 2
KYT 82 – 1
KYT 82 – 2
KYT 83
KYT 84

TR ỜN
-3

7,874 x 10
-3
7,874 x 10
-3
7,874 x 10
-3
7,874 x 10
-3

7,635 x 10
-3
6,12 x 10

-5

1,874 x 10
-5
1,874 x 10
-5
1,874 x 10
-5
1,874 x 10
-5
1,731 x 10
-5
1,1 x 10

O

N

-8

3,42 x 10
-6
1,096 x 10
-8
3,42 x 10
-6

1,096 x 10
-8
3,14 x 10

N

3,7
3,0
3,7
3,0
3,6

Ề

NT

100
100
100
100
250

Chú ý: Với loại cảm biến YT 83/84 khi lắp đặt cần chú đến c c tính, đầu có vạch
màu cần nối vào c c m, còn YT 81/82 khi lắp đặt ta khơng cần quan t m đến c c
tính
* Mạch điện tiêu biểu với TY81 hoặc TY82:
Hình vẽ 2.10 cho ta một mạch điện điển hình đƣợc thiết kế cho cảm biến
0
0
KYT 81 – 110 hoặc YT 82 – 110 (nhiệt độ từ 0 C đến 100 C). iện 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 đƣợc chọn sao cho giá trị dịng điện qua cảm biến gần bằng 1A
và tuyến tính hoá cảm biến trong dải nhiệt độ cần đo. iện áp ngõ ra thay đổi tuyến
tính từ 0,2 VS đến 0,6 VS (VS = 5 vơn thì Vout thay đổi từ 1 vôn đến 3 vôn). Ta điều
0
0
chỉnh P1 để Vout = 1 vôn tại 0 C, tại 100 C điều chỉnh P2 Vout = 3 vôn, với mạch điện
này việc điều chỉnh P2 không ảnh hƣởng đến việc chỉnh zero.

Hình 2.10 Mạch đo nhiệt độ sử dụng KYT81-110

4.

cảm biến nhiệt độ

Rất nhiều công ty, các h ng chế tạo và sản xuất IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh
nhiệt độ IC cảm biến nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín
hiệu dƣới dạng điện áp hoặc tín hiệu dịng điện. D a vào các đặc tính rất nhạy cảm c a
các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt
đối C, F, hay tuỳ loại. o tín hiệu điện ta cần biết đƣợc nhiệt độ cần đo. Tầm đo
0
0
giới hạn từ -55 C đến 150 C, độ chính xác từ 1% đến 2% tuỳ theo từng loại.
S tác động c a nhiệt độ sẽ tạo ra điện tích t do và các l trống trong chất bán
dẫn bằng s phá vỡ các ph n tử, b t các electron thành dạng t do di chuyển qua các
vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo s xuất hiện các l trống nhiệt làm cho tỉ lệ điện tử t
do và các l trống t ng lên theo quy luật hàm số mũ với nhiệt độ. ết quả c a hiện
tƣợng này là dƣới m c điện áp thuận, dòng thuận c a mối nối p – n trong diode hay
transistor sẽ t ng theo hàm số mũ theo nhiệt độ.
20

KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

Trong mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt thƣờng là điện áp c a lớp chuyển tiếp p – n
trong một transistor loại bipolar, Texinstruments có STP 35 A/B/C; National
Semiconductor LM 35/4.5/50…vv.
* Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 c a National Semiconductor :
Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến đều sử dụng có phần ph c tạp, ch ng
hạn cặp nhiệt độ ngẫu có m c ngõ ra thấp và u cầu bù nhiệt, thermistor thì khơng
tuyến tính, thêm vào đó ngõ ra c a các loại cảm biến này khơng tuyến tính tƣơng ng
bất kỳ thang chia nhiệt độ nào. Các khối cảm biến tích hợp đƣợc chế tạo khắc phục
đƣợc những đặc điểm đó, nhƣng ngõ ra c a chúng quan hệ với thang đo elvin hơn là
độ Celsius và Fahrenheit

0

0

Thang đo: +2 C đến 150 C
VS = 4Volt tới 30Volt

0

0

Thang đo: -55 C đến 150 C
R1 = VS/50  A
VS = 4Volt tới 30Volt
0
VOUT = 1500mV tại +1500 C
= +250mV tại +25 C
0
= -550mV tại -55 C

Hình 2.11 Các cách kết nối cảm biến LM35

Loại LM35: Precision Centigrade Temperature Sensor: Với loại này ta có điện áp
ngõ ra tỉ lệ tr c tiếp với thang nhiệt độ Celsius (thang bách ph n). Nhƣ thế một mạch
điện bù trừ điểm zero c a thang elvin (thang nhiệt độ tuyệt đối) khơng cịn cần thiết
nhƣ một số IC cảm biến nhiệt khác.
- ặc điểm: iện áp hoạt động: Vs = 4 vôn đến 30 vôn;
0
iện áp ngõ ra tuyến tính: 10 mV/ C
0
0+

- Thang đo: - 55 C đến 150 C với LM 35/35A;
0
0
- 40 C đến 110 C với LM 35C/35CA;
0
0
0 C đến 100 C với LM 35D;
0
- S t nung nóng rất nh : 0,08 C (trong mơi trƣờng khơng khí)
0
- M c độ khơng tuyến tính chỉ 1/4( C)
Loại LM 34:
0
- Giống nhƣ LM 35 nhƣng đƣợc thiết kế cho thang đo Fahrenheit từ -50 đến + 300 F
0
- ộ chính xác 0,4( F)
0
- LM 34 có ngõ ra 10mV/ F
- iện áp hoạt động: Từ 5 vôn DC đến 20 vôn DC
Trở kháng ngõ ra LM 34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá trị đọc ra hay
điều khiển mạch điện d dàng.
21


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

* Cảm biến nhiệt độ AD 590 c a Analog Devices:
Cảm biến AD 590 (Analog Devices) đƣợc thiết kế làm cảm biến nhiệt có tổng trở ngõ
ra khá lớn (10 MΩ), vi mạch đ đƣợc c n bằng bởi nhà sản xuất, khiến cho dòng mA
ra tƣơng ng với chuẩn nhiệt độ . iện áp làm việc càng nh càng tốt để tránh hiện
tƣợng t gia nhiệt, khi cấp điện áp thay đổi, dịng điện thay đổi rất ít.
0
0
- Thang đo: - 55 C đến 150 C
- iện áp hoạt động: Từ 4 vôn DC đến 30 vôn DC
0
- Dòng điện ra tỉ lệ: 1  A/ K

5. Nhiệt điện trở NT
NTC (Negative Temperature Conficient) là nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở
m nghĩa là giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ t ng, giảm từ 3% đến 5% trên 1 độ
* Cấu tạo:
NTC là h n hợp đa tinh thể c a nhiều ôxit gốm đ đƣợc nung chảy ở nhiệt độ
0
0
cao (1.000 C đến 1.400 C) nhƣ Fe2O3; Zn2TiO4; MgCr2O4; TiO2 hay NiO và CO với

Li2O. ể có các NTC có những đặc trƣng kỹ thuật ổn định với thời gian dài, nó cịn
đƣợc xử l với những phƣơng pháp đặc biệt sau khi chế tạo
* ƣờng đặc tính cảm biến nhiệt NTC:
- ặc tính nhiệt độ - điện trở
S phụ thuộc nhiệt độ c a điện trở phần tử thermistor NTC dẫn nóng có thể biểu di n
theo cơng th c:
RT  RN .e

1 1
B(  )
T N

 TN

RT  RN .e

T 
N

(2. 12)

T
.T . N
T

B
T2

hoặc:

(2. 13) ở đ y:
(2. 14)

Trong đó:
RT – điện trở phần tử thermistor NTC ở nhiệt độ T
0

RN – điện trở thermistor NTC ở nhiệt độ dẫn xuất T = 293K = 20 C

B – hằng số vật liệu, xác định s phụ thuộc nhiệt độ dẫn nóng
 T – hệ số nhiệt c a phần tử thermistor NTC
Các biểu th c trên mô tả s phụ thuộc nhiệt độ c a nhiệt điện trở thermistor NTC
ở dạng gần đúng. ối với những phép đo chính xác hơn trong một phạm vi biến thiên
nhiệt độ rộng hơn thì ít nhiều sẽ có sai lệch. Cho nên phải coi hằng số B là hàm biến
thiên theo nhiệt độ. Hình 2.12 vẽ các đặc tuyến biến trở phụ thuộc nhiệt độ đối với các
trị số điện trở dẫn xuất và giá trị B khác nhau.
N

22


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

Hình 2.12 Đặc tính nhiệt độ-điện trở

Hình 2.13 Đặc tính volt-ampere

- ặc tính volt – ampere
Trƣờng hợp dịng điện hay điện áp c a thermistor NTC lớn hơn bình thƣờng sẽ làm
nóng thermistor lên đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ c a môi trƣờng. Việc này dẫn tới
trạng thái tổn hao công suất điện n ng do t ng dịng hay áp sẽ bằng cơng suất mà phần
tử dẫn nóng toả ra mơi trƣờng dƣới dạng độ nóng gia t ng ấy. Nhằm nghiên c u các
đặc tính này ngƣời ta xác định đặc tuyến tĩnh c a phần tử. Hình 2.13 vẽ đặc tuyến nhƣ
vậy c a một thermistor NTC dẫn nóng
Vị trí điểm c c đại trên đặc tuyến volt-ampere tùy thuộc điện trở nguội c a
thermistor NTC, nhiệt độ mơi trƣờng và cả diện tích bề mặt c a phần tử dẫn nóng.
Phần tử có diện tích bề mặt lớn hơn, do đó tản nhiệt tốt hơn, sẽ phát tán công suất ra
môi trƣờng nhiều hơn so với phần tử có diện tíchbề mặt nh . Trong trƣờng hợp đó
điểm c c đại sẽ xê dịch về phía trị số dịng và áp lớn hơn. Các phần tử nhiệt điện trở
dẫn nóng dùng trong đo lƣờng và mạch điều khiển bù c n bằng chỉ nên chịu tải nhẹ,
sao cho không bị phát nhiệt t th n, nhƣ vậy trị số điện trở c a chúng mới thật s chỉ
tùy thuộc nhiệt độ môi trƣờng.
Do điện trở nguội và hệ số nhiệt có thể khác nhau cho những phần tử cùng loại,
đến m c thƣờng phải chỉnh định c n bằng trị số phần tử bằng cách mắc nối tiếp hay
song song một điện trở khơng phụ thuộc nhiệt độ. ể tuyến tính hố đặc tuyến, ngƣời
ta dùng sơ đồ mắc phần tử dẫn nóng vào một bộ phân áp (hình 2.14). iện trở R1 có trị

số sao cho phần tử nhiệt điện trở NTC chỉ thị vào khoảng giữa phạm vi nhiệt độ làm
việc. Trị số điện trở R2 lớn gấp 10 lần điện trở R1 .

Hình 2.14 Tuyến tính hóa đặc tuyến phần tử biến trở NTC

* Các thông số c a biến trở NTC:
- Tmin; Tmax là giới hạn nhiệt độ hoạt động c a NTC.
23


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

- Pmax là công suất lớn nhất cho phép chuyển đổi ra nhiệt trong NTC
* Ứng dụng:
NTC có rất nhiều ng dụng, đƣợc chia ra làm 2 loại đó là loại dùng làm đo lƣờng và
loại làm bộ tr .

- Loại dùng làm đo lƣờng: trong đo lƣờng và tác động bù, cần tránh hiện tƣợng t
sinh nhiệt do dòng NTC lớn, nhƣ vậy NTC hoạt động ch yếu trong vùng tuyến tính,
nhƣ đ mơ tả trƣớc đ y, trong vùng này điện trở c a NTC đƣợc xác định bằng nhiệt độ
môi trƣờng, phạm vi ch yếu c a NTC trong lĩnh v c này là đo nhiệt độ, kiểm tra, điều
khiển. Tuy nhiên NTC cũng đƣợc dùng để bù tính phụ thuộc nhiệt độ c a điện trở, làm
ổn định nhiệt độ cho các mạch điện tử dùng bán dẫn.
- Loại dùng làm bộ tr : NTC có tính chất tr , khi dịng điện qua nó lớn đến n i điện
trở giảm nhiều do quá trình t toả nhiệt, tải càng lớn thì điện trở NTC càng giảm
mạnh. Nhiệt điện trở NTC tạo tác dụng tr nhằm triệt dịng đỉnh trong mạch đèn chiếu
sáng loại có tim, mạch động cơ công suất nh , mạch đốt tim các bóng điện tử, mạch có
tính dung kháng (tụ)
6. Nhiệt điện trở PT
Nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Coefficent) là loại nhiệt điện trở có hệ
số nhiệt điện trở dƣơng (giá trị điện trở t ng khi nhiệt độ t ng). Trong một khoảng
nhiệt độ nhất định PTC có hệ số nhiệt độ  R rất cao.
* Cấu tạo:
Vật liệu chế tạo PTC gồm h n hợp barium carbonate và một vài ôxit kim loại
khác đƣợc ép và nung, nhiều tính chất về điện khác nhau có thể đạt đƣợc bằng cách gia
giảm các hợp chất trộn khác nhau về nguyên vật liệu bằng cách gia nhiệt theo nhiều
phƣơng pháp khác nhau, sau khi gia nhiệt nung kết các mối nối đ đƣợc hình thành ở
trong thermistors sau đó trong quá trình sản xuất các d y nối dẫn ra ngồi đƣợc thêm
vào, nhiệt điện trở PTC thơng thƣờng đƣợc ph bên ngồi một lớp v có cấu tạo nhƣ
vecni để chống lại ảnh hƣởng c a môi trƣờng khơng khí
* ặc tính nhiệt độ - điện trở c a nhiệt điện trở PTC:
Phần tử nhiệt điện trở PTC dẫn nguội có hệ số nhiệt độ dƣơng PTC rất lớn trong
một phạm vi nhiệt độ đặc trƣng. Trong khoảng nhiệt độ này điện trở thermistor gia
t ng hơn mƣời phần tr m. S gia t ng điện trở là do tác động chất bán dẫn và hiệu ng
sắt-điện. Ở vùng l n cận hạt nh n tinh thể có một lớp chặn mà độ lớn m c điện thế c a
nó tùy thuộc hằng số điện mơi c a vật liệu quanh nó. S hình thành lớp chặn quyết
định m c gia t ng điện trở. Ở miền điện trở thấp, lớp chặn dàn ra tƣơng đối yếu, hằng

số điện môi lớn, nhiệt độ làm việc c a phần tử thấp hơn nhiệt độ chuyển pha, đƣợc coi
nhƣ trị số giới hạn hay còn gọi là nhiệt độ Curie. Trên m c ngƣỡng nhiệt độ chuyển
pha thì hằng số điện môi giảm xuống, lớp chặn mạnh lên, và nhƣ vậy điện trở phần tử
t ng lên có dạng dốc đ ng. S hoạt hoá nhiệt c a tải g y ra s sụt giảm điện trở ở chất
bán dẫn, sẽ đƣợc bù hồn, mặc dù vẫn cịn có thể nhận thấy ở miền nhiệt độ thấp hơn
nhiệt độ Curie.
iểm đầu phạm vi làm việc gọi là nhiệt độ ban đầu TA , điện trở tƣơng ng với
nhiệt độ đó là điện trở ban đầu RA – là trị số điện trở nh nhất c a phần tử nhiệt điện
trở PTC. iện trở tƣơng ng điểm đầu đoạn t ng trƣởng dốc đ ng đƣợc coi là trị số
danh định RN ở nhiệt độ danh định TN .Nhiệt độ danh định gần nhƣ tƣơng ng nhiệt
độ Curie c a vật liệu phần tử nhiệt điện trở dẫn nguội. ể trị danh định trở thành giá
trị có thể tái lặp lại, ngƣời ta thống nhất rằng trị số điện trở danh định RN có độ lớn
gấp đơi trị điện trở ban đầu RA
24


KHOA

NT

TR ỜN

O

N

N

Ề

NT

RN  2.RA (2-15)

Nhiệt độ cuối TE là điểm cuối đoạn t ng trƣởng điện trở dốc đ ng. Nhƣ thấy từ
s biến thiên điện trở c a phần tử dẫn nguội phụ thuộc vào nhiệt độ, các giá trị nhiệt
độ cuối TE và điện trở cuối RE không phải là những thông số đặc trƣng c a phần tử
cảm biến nhiệt điện trở

Hình 2.15 Đặc tính nhiệt độ - điện trở

* Các thông số c a cảm biến nhiệt PTC:
- TN: Nhiệt độ danh định, tại giá trị nhiệt độ RN = 2.RA
-  R : Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở PTC.
- TE: Nhiệt độ giới hạn vùng làm việc.
0
- R25: iện trở c a PTC khi ở môi trƣờng nhiệt độ 25 C
* Ứng dụng:
Ứng dụng tính chất giá trị điện trở t ng (khi nhiệt độ t ng): hởi động bóng đèn
huỳnh quang, mạch bảo vệ quá tải ...vv
- Nhiệt điện trở PTC đƣợc mắc trong một cầu đo c a mạch so sánh (hình 2.16), tại
nhiệt độ bình thƣờng RP < RS, điện áp ngõ ra ở m c thấp, khi s t ng nhiệt độ vƣợt
quá ngƣỡng xuất hiện, PTC bị nung nóng nên RP > RS nên điện áp ngõ ra V0 lên m c
cao (hình 2.17)

Hình 2.16 Mạch so sánh

Hình 2.17 Đặc tuyến V0

25