G
G
I
I
Á
Á
O
OT
T
R
R
Ì
Ì
N
N
H
HL
L
Ý
ÝT
T
C
C
Ả
Ả
M
MB
B
I
I
Ế
Ế
N
NV
V
À
ÀĐ
Đ
O
O
N
N
Ộ
Ộ
I
IB
B
Ộ
Ộ2
2
0
0
1
1
2
2Đ
Đ
Ạ
Ạ

Ệ
Ệ
P
PT
T
P
P
.
.
H
H
C
C
M
MK
K
H
H
O
O
A
A
T
T
Ử
Ử-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-BIÊN SOẠN:
TRẦN VĂN HÙNG
Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 1
Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
1.1 Giới thiệu

Cảm biến là thiết bị dùng ñể cảm nhận biến ñổi các ñại lượng vật lý và các ñại
lượng không có tính chất ñiện cần ño thành các ñại lượng ñiện có thể ño và xử lý
ñược.
Trong quá trình sản xuất có nhiều ñại lượng vật lý như nhiệt ñộ, áp suất, tốc ñộ,
tốc ñộ quay, nồng ñộ pH, ñộ nhờn cần ñược xử lý cho ño lường, cho mục ñích ñiều
khiển truyền ñộng. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận, ñáp
ứng các kích thích.
Cảm biến cũng ñược xem như kỹ thuật ñể chuyển ñổi các lượng vật lý như nhiệt
ñộ, áp suất, khoảng cách sang một ñại lượng khác ñể có thể ñánh giá tốt hơn. Các ñại
lượng này phần lớn là tín hiệu ñiện.
Thí dụ: ðiện áp, dòng ñiện, ñiện trở hoặc tần số dao ñộng. Các tên khác của khác
của bộ cảm biến: Sensor, bộ cảm biến ño lường, ñầu dò, van ño lường, bộ nhận biết
hoặc bộ biến ñổi.
Các ñại lượng cần ño (m) thường không có tính chất ñiện như (nhiệt ñộ, áp
suất…) tác ñộng lên cảm biến cho ta một ñặc trưng (s) mang tính chất ñiện như (ñiện
áp, dòng ñiện, trở kháng…) chứa thông tin cho phép ta có thể xác ñịnh giá trị của ñại

i
của s. ðể dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm
Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 3
biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa ñại lượng ñầu ra và ñại lượng ñầu vào, phương
trình s= F(m) sau phép biến ñổi tuyến tính sẽ có dạng:
s = am +b
(1.2)
với a, b là các hệ số, khi ñó ñường cong chuẩn là ñường thẳng.
1.2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép ño nhằm mục ñích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s ño
ñược của ñại lượng ñiện ở ñầu ra và giá trị m của ñại lượng ño có tính ñến các yếu tố
ảnh hưởng, trên cơ sở ñó xây dựng ñường cong chuẩn dưới dạng dễ nhận biết hơn (ñồ
thị hoặc biểu thức ñại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị ñã biết chính xác m
i

của m, ño giá trị tương ứng s
i
của s và dựng ñường cong chuẩn.
a. Chuẩn ñơn giản
Trong trường hợp ñại lượng ño chỉ có một ñại lượng vật lý duy nhất tác ñộng lên
một ñại lượng ño xác ñịnh và cảm biến sử dụng không nhạy với tác ñộng của các ñại
lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn ñơn giản. Thực chất của 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. Việc chuẩn tiến hành theo 2 cách:
o 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.
o 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.

∆
∆
=⇒
: gọi là ñộ nhạy của cảm biến. (1.4)
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:
i
mm
m
S
S
=






∆
∆
=
(1.5)
b. Lưu ý
ðể phép ño ñạt ñộ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần thực hiện
cho ñộ nhạy S của nó không ñổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố:
o Giá trị của ñại lượng cần ño m và tần số thay ñổi của nó.
o Thời gian sử dụng.

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, phương trình
có dạng:
bmaS
+
=
.
(1.6)
với
( )
∑
∑
∑
∑
∑
−
−
=
2
2

ii
iiii
mmN
msmsN
a
;
( )
∑
∑

100
x
x
∆
=
δ

[%]
(1.8)
b. Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính
Bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của ñại lượng cần ño. Khi ñánh giá
sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: Sai số hệ thống và sai
số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống: Là sai số không phụ thuộc vào số lần ño, có giá trị không ñổi
hoặc thay ñổi chậm theo thời gian ño và thêm vào một ñộ lệch không ñổi giữa giá trị
thực và giá trị ño ñược. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ ño, do ñiều
kiện sử dụng không tốt gây ra
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:
o Do sự thay ñổi ñặc tính của thiết bị.
o Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
o Do các ñại lượng ảnh hưởng không ñược tính ñến khi chuẩn cảm biến.
1.3.4 ðộ nhanh và thời gian ñáp ứng của cảm biến
a. ðộ nhanh 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 ñáp ứng là
ñại lượng ñược sử dụng ñể xác ñịnh giá trị số của ñộ nhanh.


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.
o Thời gian trễ khi giảm t
dc
: Thời gian trễ khi giảm t
dc
là thời gian cần thiết ñể ñại
lượng ñầu ra giảm từ 10% ñến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó.

Hình 1.3 Các khoảng thời gian ñặc trưng cho chế ñộ quá ñộ.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 8
1.3.5 Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác ñộng của ứng lực cơ học, tác
ñộng nhiệt Khi các tác ñộng này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay ñổi
ñặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần
phải biết rõ các giới hạn này.
o Vùng làm việc ñịnh danh: Vùng làm việc ñịnh danh tương ứng với những ñiều
kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng
mà các ñại lượng ño, các ñại lượng vật lý có liên quan ñến ñại lượng ño hoặc các
ñại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên ñạt tới mà không làm thay ñổi các ñặc
trưng làm việc ñịnh danh của cảm biến.
o Vùng không gây nên hư hỏng: Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi các
ñại lượng ño hoặc các ñại lượng vật lý có liên quan nhau và các ñại lượng ảnh
hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc ñịnh danh nhưng vẫn còn nằm trong
phạm vi không gây nên hư hỏng.

và (M
2
) có bản chất hoá học khác nhau 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 vào sự chênh lệch nhiệt ñộ
giữa T
1
và T
2
.

Hình 1.4 Hiệu ứng nhiệt ñiện.
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.


Trang 11
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.
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.
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.
1.4.6 Hiệu ứng quang-ñiện-từ
Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán
dẫn ñược chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu ñiện thế theo hướng vuông góc với từ
trường B và hướng bức xạ ánh sáng.

Hình 1.8 Hiệu ứng quang- ñiện từ.
1.4.7 Hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall ñược ứng dụng ñể xác ñịnh vị trí của một vật chuyển ñộng. Vật
cần xác ñịnh vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời ñiểm, vị trí thanh
nam châm xác ñịnh giá trị của từ trường B 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.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 12

ρ
Bán dẫn
Biến dạng
ρ
Từ thẩm (µ)
Hợp kim Ni, Si pha tạp
Hợp kim sắt từ
Vị trí (nam châm)
ρ
Vật liệu từ ñiện trở: Bi,
InSb

Hình 1.10 Sơ ñồ chuyển ñổi giữa các ñại lượng của cảm biến
1.5 Phân loại cảm biến

Cảm biến ñược phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau. Tùy theo cách chọn
mà người ta có thể phân loại cảm biến theo các cách sau:
a. Theo nguyên lý chuyển ñổi giữa ñáp ứng và kích thích.
Hiện tượng Chuyển ñổi giữa ñáp ứng và kích thích

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 14
Vật lý
Nhiệt ñiện.
Quang ñiện
Quang từ.
ðiện từ
Từ ñiện…
Hóa học


Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 15
Quang
Phổ
Tốc ñộ truyền
Hệ số phát xạ, khúc xạ…
Nhiệt
Nhiệt ñộ
Thông lượng
Tỷ nhiệt…
Bức xạ
Kiểu: Năng lượng
Kiểu: Cường ñộ…
c. Theo tính năng.
 ðộ nhạy
 ðộ chính xác
 ðộ phân giải
 ðộ tuyến tính
 Công suất tiêu thụ
d. Theo phạm vi sử dụng
 Cảm biến công nghiệp
 Cảm biến nghiên cứu khoa học
 Cảm biến môi trường, khí tượng
 Cảm biến thông tin, viễn thông
 Cảm biến nông nghiệp
 Cảm biến dân dụng
 Cảm biến giao thông vận tải…
e. Theo thông số của mô hình mạch ñiện thay thế

o Cảm biến l
ưu lư
o Cảm biến si
êu âm
g. Ký hi
ệu các loại cảm biến
Hình 1.11

Chương 1:
Các

Trang 16
ảm biến thụ ñộng (không có nguồn): Cảm biến gọi l
à th
thêm ngu
ồn năng lượng phụ ñể hoàn t
ất nhiệm vụ ño kiểm, c
ì không c
ần thêm nguồn năng lượng. C
ảm biến thụ ñộng
ằng các thông số: R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến.
thư
ờng sử dụng trong công nghiệp v
à dân d
ảm biến tiệm cận.

ảm biến quang.

àu s
ắc.

à dân d
ụngùngChương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 17
Cảm biến ñược ký hiệu như hình 1.11, tùy theo loại cảm biến mà trong ký hiệu sẽ
kèm thêm các ký hiệu riêng ñặc trưng cho loại cảm biến ñó như cuộn dây cho cảm
biến ñiện cảm, tụ cho cảm biến ñiện dung…
Ví dụ: Hình 1.12 là ký hiệu của cảm biến ñiện dung, ngõ ra dạng ON/OFF loại thường
hở, chuyển mạch dương.

Hình 1.12 Ký hiệu cảm biến ñiện dung
1.6 Mạch ño cảm biến
1.6.1 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.
o 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.
o 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.

Hình 1.13 Sơ ñồ mạch ño nhiệt ñộ bằng cặp nhiệt



Trang 19
b. Bộ khuếch ñại ño lường I
A

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:
UAUUAU
ra
∆=−=
−+
)(
(1.9)

Hình 1.16 Sơ ñồ mạch khuếch ñại ño lường gồm 3 bộ KðTT ghép ñiện trở
c. Khử ñiện áp lệch
o ðối với một bộ khuếch KðTT lý tưởng khi hở mạch phải có ñiện áp ra bằng
không khi hai ñầu vào nối mass.
o 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. ðể khử ñiện áp lệch có
thể sử dụng sơ ñồ hình như sau, bằng cách ñiều chỉnh biến trở R3.

Chương 1: Các Khái Niệm Chung

Trang 20

Hình 1.17 Sơ ñồ mạch khử ñiện áp lệch

o Hệ thống sử dụng sự thay ñổi ñiện dung khi ñến gần vật thể cần phát hiện
o Hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ.
Theo tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật (JIS) ñịnh nghĩa cảm biến tiệm cận (JIS C
8201-5-2) phù hợp với chuẩn IEC 60947-5-2 là bộ chuyển mạch phát hiện vị trí
không tiếp xúc. Cảm biến tiệm cận dùng phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại
không từ tính (như Nhôm, ñồng ) sử dụng cảm biến loại ñiện cảm (Inductivity
Proximity Sensor) và phát hiện vật phi kim sử dụng loại cảm biến tiệm cận kiểu ñiện
dung (Capacitve Proximity Sensor). ðồng thời có sẵn các loại ñáp ứng ñược hầu hết
các ñiều kiện môi trường lắp ñặt: nhiệt ñộ cao, nhiệt ñộ thấp, chống nước, chống hóa
chất …

2.2 ðặc ñiểm cảm biến tiệm cận
Theo hướng ứng dụng, cảm biến tiệm cận thường có các ñặc ñiểm sau:
o Phát hiện vật không cẩn tiếp xúc
o Tốc ñộ ñáp ứng cao
o ðầu cảm biến nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi
o Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt Hình 2.
C
ảm biến tiệm cận l
m
ột vật thể với cảm biến ñiện tử không công tắc (không ñụng chạm). Cảm biến tiệm
c
ận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế. Thí dụ phát hiện vật tr
robot bắt gi
ữ lấy; phát hiện chai, lon nhôm tr
cảm biến thư
ờng dạng logic

Hình 2.
1 Cảm biến tiệm cận loại phát hiện vật r
ơi và v
ảm biến tiệm cận l
à m
ột kỹ thuật ñể nhận biết sự có mặt hay không có mặt của
ột vật thể với cảm biến ñiện tử không công tắc (không ñụng chạm). Cảm biến tiệm
ận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế. Thí dụ phát hiện vật tr
ữ lấy; phát hiện chai, lon nhôm tr
ên băng chuy
ền…. Tín hiệu ở ng
ờng dạng logic
(có hoặc không).
ảm biến tiệm cận có
các loại:
có hai lo
ại ñiện cảm và từ cảm, loại n
ày có t
ợc nhữ
ng vật có từ tính
ện dung: tầm phát hiện ngắn phát hiện ñ
ư
ợc các vật có hằng số
, thư
ờng có bộ phận chỉnh ñộ nhạy.
ại cảm biến quang: có ba loại xuy
ên suốt, phản xạ v
à khuy
ối xa có thể l
ên ñến 30m, phát hiện ñư

à khuy
ết tán loại này có
ợc hầu hết các vật
.
ể phát hiện tất cả các vật tầm phát hiện trung b
ình
ưng thư
ờng sử dụng là

Chương 2: Cảm Biến Tiệm Cận

Trang 23
b. Nguyên tắc chế tạo cảm biến cảm ứng từ
Nguyên tác chế tạo cảm biến từ dựa theo hiện tượng cảm ứng từ Hall

Hình 2.3 Hiện tượng cảm ứng từ Hall.
Khi ñặt một tấm vật liệu mỏng (thường là bán dẫn) khi có dòng ñiện I chạy qua
sẽ sinh ra một từ trường B có phương tạo với dòng ñiện một góc θ thì sẽ xuất hiện một
ñiện thế V
h
theo hướng vuông góc giữa B và I như hình 2.4
θ
sin BIKV
hh
=
(2.1)
Trong ñó K
h
là hệ số vật liệu


ùng ñ
ể chế tạo cảm biến xác ñịnh sự di chuyển của vật, vật
ào thanh nam châm t
ạo từ trường B. Từ trư
ờng do cuộn dây của cảm biến
ương tác v
ới vật thể kim loại do ñó chỉ phát hiện ñ
Hình 2.5 Nguyên tắc chung c
ủa cảm biến từ.
ừ loại ñiện cảm
(Inductive sensor)
ảm
cũng có rất nhiều hình d
ạng khác nhau, nh
òn võ b
ọc bằng kim loại như hình 2.6

Hình 2.6 Các loại cảm biến từ lo
ại ñiện cảm
ừ loại ñiện cảm dựa v
ào ñi
ện cảm của cuộn dây sinh ra từ tr
ể nhận biết vật. Cảm biến loại ñiện cảm rất ña dạng nh
ận ñiện cảm có nhiều kích th
ước và hình d
ạng khác nhau t
ảm biến tiệm cận ñiện cảm ñ
ược d
ùng ñ
Chương 2: C