1
KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ
KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG
KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ
KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG
Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNGChương 1: KHÁI NIỆM CHUNG
Biên soạn: ThS. Trần Văn Hùng
03-2012
2:38 PM2:38 PM 11
22
NỘI DUNG MÔN HỌCNỘI DUNG MÔN HỌC
• KHÁI NIỆM CHUNG
• CẢM BIẾN TIỆM CẬN
• CẢM BIẾN QUANG
• CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH
• CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT
• CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ
33
• Khái niệm và phân loại
• ðường cong chuẩn của cảm biến
• Các ñặc trưng cơ bản của cảm biến
• Nguyên lý chế tạo cảm biến
• Mạch ño
NỘI DUNG CHƯƠNG 1NỘI DUNG CHƯƠNG 1
2:38 PM2:38 PM 44
• Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển
1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI
Cảm biến thường
thấy ở ñâu?
2
2:38 PM2:38 PM

Thông qua ño ñạc s cho phép ta nhận biết
giá trị của m.
1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI
2:38 PM2:38 PM
88
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
 Phân loại theo thông số của mô hình
mạch thay thế
 Cảm biến tích cực có ñầu ra là nguồn áp
hoặc nguồn dòng.
 Cảm biến thụ ñộng ñược ñặc trưng bằng
các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc
phi tuyến.
3
2:38 PM2:38 PM
99
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
 Cảm biến quang
 Cảm biến nhiệt ñộ
 Cảm biến từ
Theo nguyên lý và dạng kích thích của
cảm biến. Ta thường gặp các loại cảm biến
như sau:
Cảm biến áp suất
 Cảm biến ño góc
 Cảm biến vận tốc
 Cảm biến gia tốc và rung
 Cảm biến lực và biến dạng
Cảm biến vị trí và dịch chuyển
2:38 PM2:38 PM 1010

Hình ảnh minh họa
2:38 PM2:38 PM
1515
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
Hình ảnh minh họa
2:38 PM2:38 PM
1616
1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
Hình ảnh minh họa
5
2:38 PM2:38 PM
1717
1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN
 ðường cong chuẩn cảm biến là ñường
cong biểu diễn sự phụ thuộc của ñại lượng
ñiện (s) ở ñầu ra của cảm biến vào giá trị
của ñại lượng ño (m) ở ñầu vào.
1.2.1 Khái niệm
2:38 PM2:38 PM
1818
1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN
 ðường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng
biểu thức ñại số dưới dạng s=F(m), hoặc
bằng ñồ thị (Hình (a) là ñường cong chuẩn,
hình (b) là ñường cong chuẩn của cảm biến
tuyến tính hóa)
1.2.1 Khái niệm
2:38 PM2:38 PM 1919
1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN
1.2.1 Khái niệm

của m, ño giá trị tương ứng s
i
của
s và dựng ñường cong chuẩn.
2:38 PM2:38 PM 2222
1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN
1.2.2 Phương pháp chuẩn hoá cảm biến
 Chuẩn ñơn giản
 Khi có một ñại lượng vật lý duy nhất tác ñộng lên
một ñại lượng ño, cảm biến sử dụng không nhạy
với tác ñộng của các ñại lượng ảnh hưởng →
→→
→
dùng phương pháp chuẩn ñơn giản.
 Chuẩn ñơn giản là ño các giá trị của ñại lượng ñầu
ra ứng với các giá trị xác ñịnh không ñổi của ñại
lượng ño ở ñầu vào.
2:38 PM2:38 PM
2323
1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN
1.2.2 Phương pháp chuẩn hoá cảm biến
 Việc chuẩn tiến hành theo 2 cách:
• Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của ñại
lượng ño lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so
sánh có giá trị biết trước với ñộ chính xác cao.
• Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn
với một cảm biến so sánh ñã có sẵn ñường cong
chuẩn, cả hai ñược ñặt trong cùng ñiều kiện làm
việc.
2:38 PM2:38 PM 2424

1.3.1 ðộ nhạy của cảm biến

Khái niệm
ðối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên
ñầu ra ∆s và biến thiên ñầu vào ∆m có sự
liên hệ tuyến tính:
:ñược gọi là ñộ nhạy của cảm
biến
2:38 PM2:38 PM 2828
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
1.3.1 ðộ nhạy của cảm biến
Trường hợp tổng quát, biểu thức xác ñịnh
ñộ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị
m
i
của ñại lượng ño xác ñịnh bởi tỷ số giữa
biến thiên ∆s của ñại lượng ñầu ra và biến
thiên ∆m tương ứng của ñại lượng ño ở ñầu
vào quanh giá trị ñó:
8
2:38 PM2:38 PM 2929
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
1.3.1 ðộ nhạy của cảm biến
Lưu ý: ðể phép ño ñạt ñộ chính xác cao, khi
thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao
cho ñộ nhạy S của nó không ñổi, nghĩa là ít
phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
- Giá trị của ñại lượng cần ño m và tần số
thay ñổi của nó.
- Thời gian sử dụng.

) của ñại lượng ñầu ra và ñại
lượng ñầu vào.
• Với các cảm biến tuyến tính, ñường cong chuẩn là
một ñường thẳng.
• Do sai số khi ño, các ñiểm chuẩn (m
i
, s
i
) nhận
ñược bằng thực nghiệm thường không nằm trên
cùng một ñường thẳng.
9
2:38 PM2:38 PM 3333
1.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến
 ðường thẳng tốt nhất:
ðường thẳng ñược 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 ñược gọi là ñường thẳng tốt
nhất.
Phương trình biểu diễn ñường thẳng tốt nhất ñược
lập bằng phương pháp bình phương bé nhất. Giả sử
khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N ñiểm ño
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
2:38 PM2:38 PM 3434
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
Với:
1.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến
Phương trình có dạng:
2:38 PM2:38 PM 3535
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN

giữa giá trị thực và giá trị ño ñược.
2:38 PM2:38 PM 3838
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
1.3.3 Sai số và ñộ chính xác của cảm biến
• Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có ñộ lớn và
chiều không xác ñịnh. Ta có thể dự ñoán ñược một số
nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không
thể dự ñoán ñược ñộ lớn và dấu của nó. Những
nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:
+ Do sự thay ñổi ñặc tính của thiết bị.
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
+ Do các ñại lượng ảnh hưởng không ñược tính
ñến khi chuẩn cảm biến.
2:38 PM2:38 PM 3939
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
1.3.4 ðộ nhanh và thời gian hồi ñáp của cảm biến
• ðộ nhanh là ñặc trưng của cảm biến cho phép
ñánh giá khả năng theo kịp về thời gian của ñại
lượng ñầu ra khi ñại lượng ñầu vào biến thiên. Thời
gian hồi ñáp là ñại lượng ñược sử dụng ñể xác ñịnh
giá trị số của ñộ nhanh.
ðộ nhanh t
r
là khoảng thời gian từ khi ñại lượng ño
thay ñổi ñột ngột ñến khi biến thiên của ñại lượng
ñầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới
hạn ε tính bằng %
2:38 PM2:38 PM
4040
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN

1.3.4 ðộ nhanh và thời gian hồi ñáp của cảm biến
• Khoảng thời gian trễ khi tăng t
dm
là thời
gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu ra tăng từ
giá trị ban ñầu của nó ñến 10% của biến
thiên tổng cộng của ñại lượng này và
khoảng thời gian tăng t
m
là thời gian cần
thiết ñể ñại lượng ñầu ra tăng từ 10% ñến
90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó.
2:38 PM2:38 PM 4343
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
1.3.4 ðộ nhanh và thời gian hồi ñáp của cảm biến
• Tương tự cho các ñại lượng t
dc
là thời
gian trễ khi giảm và t
c
là thời gian cần thiết
ñể ñại lượng ñầu ra giảm từ 10% ñến
90% biến thiên biến thiên tổng cổng của
nó
2:38 PM2:38 PM
4444
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
Xác ñịnh các
khoảng thời
gian ñặc trưng

• Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà
khi mà các ñại lượng ño hoặc các ñại lượng
vật lý có liên quan và các ñại lượng ảnh
hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc
danh ñịnh nhưng vẫn còn nằm trong phạm
vi không gây nên hư hỏng.
2:38 PM2:38 PM 4848
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
1.3.5 Giới hạn sử dụng của cảm biến
b) Vùng không gây nên hư hỏng
• Các ñặc trưng của cảm biến có thể bị thay
ñổi nhưng những thay ñổi này mang tính
thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm
việc danh ñịnh các ñặc trưng của cảm biến
lấy lại giá trị ban ñầu của chúng.
13
2:38 PM2:38 PM 4949
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN
1.3.5 Giới hạn sử dụng của cảm biến
c) Vùng không phá hủy
• Là vùng khi các ñại lượng ño hoặc các ñại lượng có liên
quan vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư
hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá
hủy
• Vùng này các ñặc trưng của cảm biến bị thay ñổi và
những thay ñổi này mang tính không thuận nghịch.
• Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng ñược,
nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.
2:38 PM2:38 PM 5050
1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN

ñược hàn lại với nhau thành một mạch ñiện kín, nếu nhiệt
ñộ ở hai mối hàn là T
1
và T
2
khác nhau, khi ñó trong mạch
xuất hiện một suất ñiện ñộng e(T
1
, T
2
) mà ñộ lớn của nó
phụ thuộc chênh lệch nhiệt ñộ giữa T
1
và T
2
.
 Hiệu ứng nhiệt ñiện ñược ứng dụng
ñể ño nhiệt ñộ T
1
khi biết trước
nhiệt ñộ T
2
, thường chọn T
2
= 0
o
C.
2:38 PM2:38 PM
14
2:38 PM2:38 PM

là tỷ lệ với tốc ñộ dịch chuyển của dây (Tương tự cho một
khung dây)
 Hiệu ứng cảm ứng ñiện
từ ñược ứng dụng ñể xác
ñịnh tốc ñộ dịch chuyển
của vật thông qua việc ño
suất ñiện ñộng cảm ứng.
2:38 PM2:38 PM 5656
2.4 2.4 NGUYÊN LÝ CHẾ TẠONGUYÊN LÝ CHẾ TẠO CẢM BIẾN
1.4.5 Hiệu ứng quang ñiện
 Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là
hiệu ứng quang ñiện nội) là hiện tượng
giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật
liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào
chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ
ñiện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn
một ngưỡng nhất ñịnh.
15
2:38 PM2:38 PM 5757
2.4 2.4 NGUYÊN LÝ CHẾ TẠONGUYÊN LÝ CHẾ TẠO CẢM BIẾN
1.4.5 Hiệu ứng quang ñiện
 Hiệu ứng quang phát xạ ñiện tử: (hay còn
gọi là hiệu ứng quang ñiện ngoài) là hiện
tượng các ñiện tử ñược giải phóng và thoát
khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể
thu lại nhờ tác dụng của ñiện trường. Hiệu
ứng quang ñiện dùng chế tạo các loại cảm
biến quang
2:38 PM2:38 PM
5858

và góc ố tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật
trung gian. Vì vậy, hiệu ñiện thế V
H
ño ñược giữa hai
cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của
vật trong không gian.
16
2:38 PM2:38 PM 6161
2.4 2.4 NGUYÊN LÝ CHẾ TẠONGUYÊN LÝ CHẾ TẠO CẢM BIẾN
1.4.8 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ ñộng

Cảm biến thụ ñộng thường ñược chế tạo từ một
trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với ñại
lượng cần ño. Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích
thước hình học, tính chất ñiện của vật liệu chế tạo
(như ñiện trở suất ρ, ñộ từ thẩm µ, hằng số ñiện môi
ε). Vì vậy tác ñộng của ñại lượng ño có thể ảnh
hưởng riêng biệt ñến kích thước hình học, tính chất
ñiện hoặc ñồng thời cả hai.
2:38 PM2:38 PM 6262
2.4 2.4 NGUYÊN LÝ CHẾ TẠONGUYÊN LÝ CHẾ TẠO CẢM BIẾN
1.4.8 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ ñộng
 Sự thay ñổi thông số hình học của trở kháng
gây ra do chuyển ñộng của phần tử chuyển ñộng
hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các
cảm biến có phần tử chuyển ñộng, mỗi vị trí của
phần tử ñộng sẽ ứng với một giá trị xác ñịnh của
trở kháng, cho nên ño trở kháng có thể xác ñịnh
ñược vị trí của ñối tượng.
2:38 PM2:38 PM 6363

Các ñại lượng cần ño có khả năng làm thay ñổi tính
chất ñiện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến:
2:38 PM2:38 PM 6767
1.5 1.5 MẠCH ðOMẠCH ðO
1.5.1 Sơ ñồ mạch ño

Mạch ño bao gồm toàn bộ thiết bị ño
(trong ñó có cảm biến) cho phép xác ñịnh
chính xác giá trị của ñại lượng cần ño trong
những ñiều kiện tốt nhất có thể.
 Ở ñầu vào của mạch, cảm biến chịu tác
ñộng của ñại lượng cần ño gây nên tín hiệu
ñiện mang theo thông tin về ñại cần ño.
2:38 PM2:38 PM 6868
1.5 1.5 MẠCH ðOMẠCH ðO
 Ở ñầu ra của mạch, tín hiệu ñiện ñã qua xử lý ñược
chuyển ñổi sang dạng có thể ñọc ñược trực tiếp giá trị
cần tìm của ñại lượng ño. Việc chuẩn hệ ño ñảm bảo
cho mỗi giá trị của chỉ thị ñầu ra tương ứng với một
giá trị của ñại lượng ño tác ñộng ở ñầu vào của mạch.
Sơ ñồ mạch ño nhiệt
ñộ bằng cặp nhiệt
1.5.1 Sơ ñồ mạch ño
18
2:38 PM2:38 PM 6969
1.5 1.5 MẠCH ðOMẠCH ðO
1.5.1 Sơ ñồ mạch ño
Mạch ño thường gồm nhiều thành phần
gồm: các khối ñể tối ưu hoá việc thu thập, xử
lý dữ liệu, mạch tuyến tính hoá tín hiệu nhận

1.5.2 Một số phần tử cơ bản của mạch ño
Sơ ñồ mạch
khuếch ñại ño
lường gồm 3 bộ
KðTT ghép ñiện
trở
 Bộ khuếch ñại ño lường I
A
: có hai ñầu vào
và một ñầu ra. Tín hiệu ñầu ra tỷ lệ với hiệu
của hai ñiện áp ñầu vào:
19
2:38 PM2:38 PM 7373
1.5 1.5 MẠCH ðOMẠCH ðO
1.5.2 Một số phần tử cơ bản của mạch ño

Khử ñiện áp lệch
ðối với một bộ khuếch KðTT lý tưởng khi hở mạch
phải có ñiện áp ra bằng không khi hai ñầu vào nối
mass. Thực tế vì các ñiện áp bên trong nên tạo ra
một ñiện áp nhỏ (ñiện áp phân cực) ở ñầu vào KðTT
cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín ñiện áp này
ñược khuếch ñại và tạo nên ñiện áp khá lớn ở ñầu
ra.
2:38 PM2:38 PM 7474
1.5 1.5 MẠCH ðOMẠCH ðO
 Khử ñiện áp lệch
Sơ ñồ mạch
khử ñiện áp
lệch

Biên soạn: ThS. Trần Văn Hùng
03-2012
2:41 PM2:41 PM
11
22
NỘI DUNG MÔN HỌCNỘI DUNG MÔN HỌC
• KHÁI NIỆM CHUNG
• CẢM BIẾN TIỆM CẬN
• CẢM BIẾN QUANG
• CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH
• CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT
• CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ
33
• Cảm biến tiệm cận
• Cảm biến tiệm cận ñiện cảm
• Cảm biến tiệm cận từ cảm
• Cảm biến tiệm cận ñiện dung
• Cảm biến tiệm cận siêu âm
NỘI DUNG CHƯƠNG 2NỘI DUNG CHƯƠNG 2
PROXIMITY
SENSOR
442:41 PM2:41 PM
2.1 2.1 CẢMCẢM BIẾN TIỆM CẬNBIẾN TIỆM CẬN
2
552:41 PM2:41 PM
Đặc điểm:
Phát hiện vật không cần tiếp xúc.
Tốc độ đáp ứng cao.
Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.
Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

10102:41 PM2:41 PM
Cảm Ứng Từ
2.1 2.1 CẢMCẢM BIẾN TIỆM CẬNBIẾN TIỆM CẬN
1111
2:41 PM2:41 PM
2.2 CẢM2.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢMBIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢM
Cáp kết nối
LED chỉ báo
Cuộn cảm
Bề mặt tác động
Từ trường tần số cao
(300-800kHz)
LOẠI ĐIỆN CẢM (
Inductive sensor)
12122:41 PM2:41 PM
LOẠI ĐIỆN CẢM (
Inductive sensor)
1 - Cuộn dây và lõi ferit.
2 - Mạch dao ñộng.
3 - Mạch phát hiện.
4 - Mạch ñầu ra.
2.2 CẢM2.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢMBIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢM
4
Tần số mạch dao động LC thường từ
100Khz đến Mhz.
Nguyên lýLOẠI ĐIỆN CẢM
13132:41 PM2:41 PM
2.2 CẢM2.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢMBIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢM
• Khi có vật thể bằng kim loại đi vào vùng từ trường.
• Từ trường này cảm ứng lên vật thể một dòng điện

cấp điện
Dòng điện xoay chiều
cấp vào cuộn dây
Dòng điện xoáy
LOẠI ĐIỆN CẢM
18182:41 PM2:41 PM
2.2 CẢM2.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢMBIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢM
Từ trường tạo ra xung
quanh cuộn dây khi có
dòng điện xoay chiều
chay qua.
Khi có vật thể bằng kim
loại đưa vào từ trường.
Dòng điện xoáy sẽ được
cảm ứng vào kim loại.
Dòng điện xoáy
LOẠI ĐIỆN CẢM
19192:41 PM2:41 PM
2.2 CẢM2.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢMBIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢM
Dòng điện xoáy trong kim
loại tạo ra từ trường thứ
hai ngược với từ trường
ban đầu.
Dòng điện sẽ bị ngắt
quảng khi có vết nứt trên
vật liệu dẫn điện.
LOẠI ĐIỆN CẢM
Dòng điện xoáy
20202:41 PM2:41 PM
2.2 CẢM2.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢMBIẾN TIỆM CẬN ðIỆN CẢM