BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG

58
CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG.

Trong các hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng vì
nó là thiết bò cung cấp thông tin của quá trình điều khiển cho bộ điều khiển để bộ điều khiển
đưa ra những quyết đònh phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển. Có thể
so sánh các cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động như là các giác quan của con người.
Nội dung của chương này sẽ trình bày một số loại cảm biến thông dụng trong công nghiệp
và các ứng dụng của nó.
I. CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ ĐẶC TRƯNG CHUNG
:
I.1
Đònh Nghóa Cảm Biến
:
Các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp có vô số các đại lượng vật lý cần
đo như: nhiệt độ, áp suất, dòch chuyển, lưu lượng, trọng lượng … cần đo. Các đại lượng vật lý
này không có tính chất điện, trong khi đó các bộ điều khiển và các cơ cấu chỉ thò lại làm việc
với tín hiệu điện vì thế phải có thiết bò để chuyển đổi các đại lượng vật lý không có tính chất
điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ các tính chất của đại lượng vật lý cần đo.
Thiết bò chuyển đổi đó là cảm biến.
a. Cảm biến
:
Cảm biến là thiết bò chòu tác động của các đại lượng vật lý không có tính chất điện m
và cho ra một đại lượng vật lý có tính chất điện x như: điện trở, điện tích, điện áp, dòng điện

à
nđom

59 b. Hiệu ứng áp điện
:
Khi tác động một lực cơ học lên một vật làm bằng chất áp điện (Ví dụ như Thạch
anh), sẽ làm cho vật đó bò biến dạng và làm xuất hiện trên hai mặt đối diện của vật đó một
lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu. Hiệu ứng này được dùng để chế tạo các cảm biến
đo lực, đo áp suất, gia tốc … thông qua việc đo điện tích trên 2 cực của tụ điện.

Hiệu ứng này do nhà vật lý học người pháp là Pierre Curie phát hiện vào năm 1880.
c. Hiệu ứng cảm ứng điện từ
:
Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ
với biến thiên của từ thông nghóa là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Hiệu ứng
điện từ được ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ dòch chuyển của vật thông qua việc đo
sức điện động cảm ứng.


Hình 1.3 Hiệu ứng áp điện

e
B
Hình 1.4 Hiệu ư
ù
ng điện tư
ø
ω

60
f. Hiệu ứng nhiệt điện:
Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau, được hàn kín sẽ xuất hiện một sức
điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối hàn. Hiệu ứng này do Seebeck pháy hiện vào năm 1821 và
được ứng dụng để chế tạo cảm biến nhiệt độ.
I.2
Các thông số đặc trưng của cảm biến
:
a. Độ nhạy của cảm biến
:
Độ nhạy của cảm biến ở giá trò m = m
0
là tỷ số giữa biến thiên ở ngõ ra cửa cảm biến
∆x và biến thiên ở ngõ vào ∆m trong lân cận của m
0
. Gọi s là độ nhạy của cảm biến:
()
1.1lim
0
0

()
2.1100.
x
x
∆
=
δ

Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có độ nhạy là: s = 0,1 [mV/
o
C], tạo ra điện áp ở 100 [
0
C] là
10,5 [mV] thì sai số của cảm biến là:
()
3.1%5100.
10
105,10
=
−
=
δ

Sai số của cảm biến được chia thành 2 loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống
:
Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trò không đổi hoặc
thay đổi châm theo thời gian. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống:
- Do nguyên lý của cảm biến.
- Do đặc tính của bộ cảm biến.

- Mạch khuếch đại đảo:
Đầu ra
Đầu vào
+
-
OP-07
3
2
6
7
1
4
8

1 3
2
R2

R2Hình 1.6 Mạch khuếch đại đảo với biến trở chỉnh offset
()
4.1
1
2
io
V
R
R

Hình 1.5 Mạch đo và cảm biến

Đ
ại lượng đo
Cảm biến
Mạch xủ lý
tín hiệu đo

62
()
5.11
1
2
io
V
R
R
V








+=

Với V
o

+
-
U2
OP07
3
2
6
R1

R3
R2

R4

V1
V2
Vo

Hình 1.9 Mạch khuếch đại vi sai
Chọn R
1
= R
3
, R
2
= R
4
thì:
()()
7.1

3
2
6
+
-
OP07
3
2
6
Ra

R

R2

R2

R3

Vo
V2
V1

63
()()
8.1
2
1
21
2

Trong sơ đồ trên Rx = Ro + ∆R, ∆U = V
+
- V
-
ta có:
()
()
9.1
222
1
2
cc
o
cc
o
o
V
RR
R
V
RR
RR
U
∆+
∆
=





:
Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang dụa trên hiện tượng quang dẫn do kết
qủa của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong
vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng.

Hình 1.12 Tế bào quang dẫn

64
- Các vật liệu dùng để chế tạo tế bào quang dẫn:
Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc
đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp.
+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe.
+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe.
-

Các tính chất cơ bản của tế bào quang dẫn
:
+ Điện trở vùng tối R
co
phụ thuộc vào hình dạng, kích thùc, nhiệt độ và bản chất lý hoá
của vật liệu
Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 10
4
tới 10
5
Ω ở 25
o

có một dòng điện I chảy qua tế bào quang dẫn:
()
2.2
γ
Φ==
a
V
R
V
I
c

Đ
ộ rọi sáng (Lux)
Đ
iện trở (
Ω
)
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2

K2
RELAY SPDT
3
5
4
1
2Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng.
VCC
Tới VĐK hoặc PLC
13
2 Q1
R3

Hình 2.4 Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn để dò vạch dẫn đường, đọc mã vạch.
b. Photo Diode
:
- Cấu tạo của Photo Diode
:
Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật liệu như: Ge, Si (Cho vùng ánh
sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng
ngoại.
Hình 2.5 Cấu tạo của photo diode
- Nguyên lý làm việc của photo diode
:

d
or
I
kT
qV
II +












−=

Trong đó: I
o
là dòng ngược khi không được chiếu sáng, I
p
là dòng quang điện khi ánh
sáng đạt tới vùng nghèo sau khi qua bề dày X của lớp bán dẫn.
(
)
5.2
X

(2.7)
Viết phương trình cho mạch điện hình 2.6: E = V
R
- V
d
(2.8)
Trong đó V
R
= R*I
r
là đường thẳng tải.
Hay
()
9.2
R
V
R
E
I
d
r
+=
Hình 2.7 Đặc tuyến I-V với thông lượng ánh sáng khác nhau của photo diode
R

Trong chế độ quang thế không có điện áp ngoài đặt vào Diode, Photo diode làm việc
như một nguồn dòng. Đặc điểm của chế độ này là không có dòng điện tối do không có
nguồn phân cực ngoài nên giảm được ảnh hưởng của nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ.
Khi chiếu sáng vào photo diode, các hạt dẫn không cơ bản tăng lên làm cho hàng rào
điện thế của tiếp giáp thay đổi một lượng ∆v
b
khi đó ta có :
()
10.201 =+








−
∆
p
kT
vq
o
IeI
b

()
11.21ln



b
I
eK
q
kT
I
I
q
kT
v
α
−
Φ
==∆

Từ (2.12) ta thấy điện áp trên diode phụ thuộc tuyến tính vào thông lượng ánh sáng
Φ.
Khi chiếu sáng mạnh: I
p
>> I
o
, (2.11) được viết lại:
()
13.2ln







Φ
=
- Ứng dụng của photo diode
:
Photo diode có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile
robot, làm dầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch …
Sơ đồ dùng photo diode: Hình 2.7 Sơ đồ mạch đo dòng ngược ở chế độ quang dẫn
E
Vo
+
-
3
2
1
8 4
R1
R2
R3

68
Vo
+
-
3

r
= I
o
+ I
p
(2.15)
Trong (2.15) I
o
là dòng điện ngược khi không được chiếu sáng, I
p
là dòng quang điện
khi có quang thông Φ
o
chiếu qua bề dày X của lớp bán dẫn. I
r
đóng vai trò như dòng Bazơ,
nó sẽ gây nên dòng colector I
c
:
I
c
= (β +1)I
r
(2.16)
Trong (2.16) thì β là hệ số khuếch đại dòng khi emiter nối chung.
- Độ nhạy của transistor quang
:
() ()
17.21
X

:
Cảm biến quang trong công nghiệp có cấu tạo:

Cảm biến gồm phần phát và phần thu:
+ Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò như một nguồn
phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm
tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu.
+ Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm
mục đích tập trung ánh sáng rọi vào trasistor. Transistor quang thu được nối vào mạch ra để
tạo mức logic ở ngõ ra.
- Một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp
:
Sau đây là một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp của hãng OMRON:
p
ha
ù
t riên
g

R

Led
p
hát
Transistor
q
uan
g
thu
Thấu kính
hội tụ
Cảm biến
thu
p
hát
Hình 2.10.b Cấu tạo cảm biến
q
uan
g
dạn
g
thu
p


1
8
3
Mạch cảm
biến
Tải
GND
10-
Nâu
Đen
Xanh
Đèn báo
Hình 2.15 Mach ra kiểu transistor NPN cưc thu để hở
1
8
3
Mạch cảm
biến
Tải
GND
10-30VDC
Nâu
Đen

: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện hộp sữa bằng giấy trên băng tải trong hệ
thống sản xuất sữa hộp giấy (hình 2.19).
Dao cắt
Cảm biến quang
PLC
Cảm biến quang
Chấm đen
Dao cắt
Rulo kéo phim

72
Ví dụ 4: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện thực phẩm trên băng tải trong hệ thống sản
xuất thực phẩm (hình 2.20).
Ví dụ 5
: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chai trên băng tải và đếm số chai trong hệ
thống sản xuất nước uống (hình 2.21).

Hình 2.19 Phát hiện hộp sữa.

Hình 2.20 Phát hiện thực phẩm.

Hình 2.21 Phát hiện và đếm chai. Cảm biến quang
Hộp sữa
Băng tải
Thành băng tải
Cảm biến quang
Băng tải
- Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio.
- Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động.
- Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến.
b. Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện cảm
:
Khi có mục tiêu cần phát hiện (đối tượng) bằng kim loại tới gần cảm biến (vào vùng
từ trường biến thiên của cảm biến), từ trường biến thiên do mạch dao động gây ra tập trung
ở lõi sắt sẽ gây nên một dòng điện xoáy trên bề mặt của đối tượng. Dòng điện xoáy sinh ra
trên bề mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động. Khi
biên độ của tín hiệu ao động nhỏ hơn một ngưỡng đònh trước, mạch phát hiện mức sẽ tác
động mạch ngõ ra để đặt trạng thái ngõ ra lên ON. Khi đối tượng rời khỏi vùng từ trường của
cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động tăng lên, khi tín hiệu ở mạch dao động có biên
Đầu phát
hiện
Mạch dao
động
Mạch phát
hiện mức
Mạch ngõ raMục tiêu
Hình 3.1 Cấu tạo của cảm biến lân cận điện cảm
Hình 3.2 Cấu tạo của đầu phát hiện
Cuộn dâyVỏ bọc Lõi sắt từ
Bố trí của đầu
phát hiện

74
độ lớn hơn ngưỡng, mạch phát hiệm mức sẽ tác động mạch ngõ ra tạo trạng thái ngõ ra là
OFF. Hoạt động của cảm biến được minh hoạ như hình 3.3

Đối tượng
Cảm biến
Tín hiệu
mạch dao
Sóng ra
Mạch ra OFF ON
Mức tác động
Hình 3.3 Hoat động của cảm biến

75 Đầu phát hiện trong cảm biến lân cận điện dung là một bản cực của tụ điện.
b. Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện dung
:
Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến sẽ làm
điện dung của tụ điện (được tạo bởi một bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực còn lại
chính là đối tượng) C bò thay đổi. Khi điện dung của tụ điện bò thay đổi thì mạch dao động sẽ
tạo ra tín hiệu dao động. Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng đặt trước
mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON. Khi đối tượng ở xa cảm biến,
biên độ tín hiệu ở mạch dao động sẽ nhỏ, mạch phat hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng
thái OFF.
c. Một số dạng của cảm biến lân cận điện dung
:

24 VDC
OUT
0 V
Hình 3.7 Mạch ra dạn
g
NPN cực thu để hở

76 III.4
Ứng Dụng Của Cảm Biến Lân Cận:

- Cảm biến lân cận điện cảm được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim
loại tại một vò trí xác đònh trước (vò trí đặt cảm biến) như: Phát hiện Cabin thang máy tại các
tầng, phát hiện chai nước ngọt có nắp hay không (Nắp của chai nước ngọt làm bằng kim
loai), xác đònh vò trí hai đầu mút của mũi khoan, phát hiện trạng thái đóng hay mở van, đo
tốc độ quay của động cơ, phát hiện trạng thái đóng- mở của các xi lanh …
- Cảm biến lân cận điện ung được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại
hoặc phi kim loại tại một vò trí xác đònh trước (vò trí đặt cảm biến) như: Phát hiện thủy tinh,
nhựa, chất lỏng …
- Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng cảm biến lân cận.
Ví dụ 1
: Dùng cảm biến lân cận điện cảm đo tốc độ động cơ hình 3.9

Hình 3.10 Ứng dụng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy Hình 3.11 Ứng dụng cảm biến lân cận điện dung để phát hiện mức chất lỏng.
IV.
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ:

IV.1
Cảm Biến Nhiệt Điện Trở
:
Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Cảm biến
nhiệt điện trở có 2 loại:
- Cảm biến nhiệt điện trở kim loại.
- Thermistor.
Cảm biến
Xy lanh
PLC
Hồ chứa
Van xả
Bơm
Cảm biến
Cảm biến
Ốâng nhựa

78
a. Cảm biến nhiệt điện trở kim loại:
a.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại
:
Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như: Platin, Niken,
Đồng quấn trên một lõi cách điện như hình 4.1.

+
=

Với α là hệ số nhiệt của điện trở, tuỳ thuộc vào kim loại như ở bảng sau:
Kim loại Platin Đồng Niken
α (/
o
C) 3,9.10
-3
4,3.10
-3
5,4.10
-3
Do tính chất của các kim loại dùng chế tạo cảm biến có tính chất lý hoá khác nhau
nên tầm đo của các cảm biến sủ dụng các kim loại khác nhau cũng khác nhau.
Cảm biến Platin Đồng Niken
Tầm đo
(
o
C)
-200 - 1000

< 100

< 300

Do bạch kim có độ bền vật lý cao và không bò oxy hoá nên cảm biến nhiệt điện trở
bạch kim là thông dung nhất. Các cảm biến nhiệt điện trở dùng bạch kim thường được chết
tạo có điện trở R
o

2
6
7
1
4
8
R1
R3
R2
R4

Hình 4.3: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở.
Gọi Rx = R+∆R là điện trở của cảm biến. Với R là điện trở của cảm biến ở 0 [
o
C],
chọn R
1
= R
3
, R
2
= R
4
thì điện áp ngõ ra của mạch đo là:
)3.4(
2)22
1
2
1
2


−
∆+
∆+
−=

b. Thermistor
:
b.1 Cấu tạo của Thermistor
:
Thermistor được chế tạo từ các hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl
2
O
4
,
Mn
2
O
3
, Fe
3
O
4
, Co
2
O
3
, NiO, ZnTiO
4
dưới dạng bột và được trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất

Dây nối
Màng kim loại

80
R(T) và R
0
là điện trở ở nhiệt độ T và T
0
, T được đo theo thang
o
K. β là hằng số có
giá trò từ 3000 đến 5000 tuỳ thuộc vào cách chế tạo.
Thermistor hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 150
o
C. Tuy nhiên do tính phi
tuyến của nó nên người ta không dùng để đo nhiệt độ mà thường dùng trong các mạch cảnh
báo quá nhiệt độ hay mạch bù nhiệt.
VCC
VCC
Tín hiệu cảnh báo
Q1
Rx
R1 R2
+
-
LM339
7
6
1
3 12

C ± 2
o
C 10 mV/
o
C
LM 135A -55 -> 150
o
C ± 1,3
o
C 10 mV/
o
K
LM 335A -40 -> 150
o
C ± 2
o
C 10 mV/
o
K

Hình 4.6: Hình dạng, sơ đồ chân của vi mạch LM 335

81
c.2 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ bán dẫn:
Cảm biến bán dẫn hoạt động trên nguyên tắc của tiếp giáp P-N.
Hình 4.7 Tiếp giáp P-N.
Phương trình chuyển đổi của tiếp giáp P –N





+
=
I
II
q
KT
V
D
AK

Với một tiếp giáp cụ thể thì I
0
là hằng số. Nếu ta cho một dòng điện không đổi I
D

chảy qua tiếp giáp P-N thì V
AK
phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của tiếp giáp.

Phương trình chuyển đổi của cảm biến:

:
Thermocouple gồm 2 kim loại khác nhau được hàn chung với nhau ở một đầu gọi là đầu
nóng, hai đầu còn lại không hàn chung gọi là đầu lạnh hay đầu chuẩn.
NP
V
AK
V
AK
I
D
Hình 4.8: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch
V
AK

Mạch đo

V
o