Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Chương
1
:
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN
I.

Định

nghĩa
Cảm biến trong tiếng Anh gọi là “sensor”, xuất phát từ chữ “sense” theo nghĩa la
tinh là cảm nhận. Cảm

biến

được

định

nghĩa

theo

nghĩa

rộng

là

thiết


lường

–

điều

khiển,

mọi

quá

trình

đều

được

đặc

trưng

bởi

các
biến

trạng

thái:

đại

lượng

không

điện.
Tuy nhiên, t
rong

các

quá

trình

đo

lường

–

điều

khiển,

thông

tin
được

có

thể

coi

cảm

biến

như

một

mạch

hai

cửa.

Trong

đó
cửa

vào

là

biến


biến

với

kích

thích
đầu

vào

x.
Phương

trình

quan

hệ:

y

=

f(x)

thường

rất


cảm

nhận,

đo

đạc

và

đánh

giá

các

thông

số

hệ

thống.
- Bộ

xử

lý


trình.
II.

Phân

loại

cảm

biến
a.

Phân

loại

theo

nguyên

lý

chuyển

đổi

giữa

đáp


hóa

điện,

phổ,…
- Sinh

học:

sinh

điện,

…
b.

Phân

loại

theo

dạng

kích

thích:

âm



xác,

độ

phân

giải,

độ

tuyến

tính…
Trang IV-1
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
d.

Phân

loại

theo

phạm

vi

sử


theo

thông

số

của

mô

hình

thay

thế:
- Cảm

biến

tích

cực

(có

nguồn)

ngõ

ra

C,

tuyến

tính,

phi

tuyến.
III.

Bộ

cảm

biến

tích

cực

và

thụ

động
1.

Cảm



hoặc

nguồn

dòng.
Các

hiệu

ứng

vật

lý

ứng

dụng

trong

các

cảm

biến

tích


dẫn

chuyển

động

trong

từ

trường
sẽ

xuất

hiện

sức

điện

động

tỉ

lệ

với

biến


dụng

để

xác

định

tốc

độ

chuyển

động

của
vật

thông

qua

việc

đo

sức


dây

dẫn

có

bản

chất

hóa

học

khác

nhau

được

hàn
kín

sẽ

xuất

hiện

sức


khi

cho

dòng

điện

chạy

qua

chất

có

bản
chất hóa

học

khác

nhau

sẽ

tạo



hỏa

điện

có

tính

chất

phân

cực

điện
tự phát

phụ

thuộc

vào

nhiệt

độ.

Trên



lệ
thuận với

độ

phân

cực

điện

phụ

thuộc

vào

quang

thông
φ
.
Được

ứng

dụng

để

ánh

sáng,

nhiệt

độ

của

chúng

tăng

lên

làm

thay

đổi
phân

cực

điện,

xuất

hiện

phát

hiện

năm

1880)
Khi

tác

động

cơ

học

lên

bề

mặt

vật

liệu

áp

điện


nhau

và

trái

dấu.
Ứng

dụng

để

đo

các

đại

lượng

cơ

như

áp

suất,


quang

điện.

(A.

Einstein

phát

hiện

năm

1905)
Bản

chất

hiệu

ứng

quang

điện

là

việc

xạ

ánh

sáng.
Ứng

dụng

để

chế

tạo

các

cảm

biến

quang.
Hiệu

ứng

quang

phát



dòng

dưới

tác

dụng
của điện

trường.
Trang IV-2
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
f.

Hiệu

ứng

quang-điện-từ.
Khi

tác

dụng

một

từ


xuất hiện

hiệu

điện

thế

vuông

góc

với

phương

từ
trường

và phương

bức

xạ

ánh

sáng.

Cho

các

bộ

cảm

biến

đo

các

đại

lượng
quang

hoặc

chuyển

đổi

thông

tin

dạng

ánh


điện

chạy

qua

vật

liệu

bán

dẫn

đặt

trong

từ
trường

B

có

phương

tạo



I,

có

độ

lớn:
V
H
=

KIBsin
θ
Hệ

số

K

phụ

thuộc

vào

vật

liệu



trí chuyển

động.
2.

Cảm

biến

thụ

động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông
số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo
.

Chẳng

hạn,

giá

trị

trở kháng

phụ

thuộc

suất,

từ

thẩm,

hằng

số
điện

môi.

Do

đó,

giá

trị

trở

kháng

thay

đổi

được

Bán dẫn
Bức xạ ánh sáng
Điện trở suất,
ρ
Thuỷ tinh
Bán dẫn
Biến dạng
Điện trở suất,
ρ
Độ từ thẩm,
µ
Hợp kim Ni, Si pha tạp
Hợp kim sắt từ
Vị trí (nam châm)
Điện trở suất,
ρ
Vật liệu từ điện trở: Bi, InSb
Trang IV-3
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Độ ẩm
Điện trở suất,
ρ
Hằng số điện môi,
ε
LiCl
Al
2

kháng

dưới

tác

dụng

của

đại
lượng

đo

chỉ

có

thể

xác

định

được

khi

cảm

thể,

mà

ta

chọn

mạch

đo

thích

hợp.
IV.

Các

đặc

trưng

cơ

bản

của

cảm


thể

cho

dưới

dạng

bảng

giá
trị,

đồ

thị

hoặc

biểu

thức

toán

học.
- Hàm

tuyến


mũ: y

=

a.e
kx
-
Hàm

lũy

thừa: y= a
0
+ a
1
k
x
-
Hàm

phi

tuyến,

sử

dụng

các

là

khoảng

giá

trị

tín

hiệu

kích

thích

mà

cảm

biến

có

thể

đáp

ứng.
Những

3.

Sai

số

và

độ

chính

xác
Ngoài

đại

lượng

cần

đo,

cảm

biến

còn

chịu

trị

đo

được

và

giá

trị

thực

của

đại

lượng

cần

đo.
Gọi ∆x là sai số tuyệt đối, sai số tương đối của cảm biến:

% 100%
x
x
x
δ

trị

không

đổi

và

có

độ

lệch

không

đổi

giữa

giá

trị

thực
và giá

trị

đo


đặc

tính

của

bộ

cảm

biến.
- Do

điều

kiện

và

chế

độ

sử

dụng.
-
Do


- Do

thay

đổi

đặc

tính

của

thiết

bị.
- Do

nhiễu

ngẫu

nhiên.
Trang IV-4
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
- Do

ảnh

hưởng



giải
Độ

phân

giải

cảm

biến

được

hiểu

là

khả

năng

phát

hiện

sự

thay



đều

có

giới

hạn

thời

gian

đáp

ứng

đối

với

sự

thay

đổi

của

tín

tức

là

khoảng

thời

gian

đáp
ứng

giảm

dần

thay

đổi

theo

tín

hiệu

kích

thích.


được

xác

định

bởi

tỉ

số

giữa

độ
biến

thiên

∆
s

của

đáp

ứng

và

 
Độ

nhạy

được

định

nghĩa

bằng

giới

hạn

giữa

tín

hiệu

kích

thích

và

đáp

đổi

nhỏ

trong

tín

hiệu

kích

thích.
Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều
kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ
lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo. Điều
này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện
đặt ra.
7.

Độ

tuyến

tính
Một

cảm

biến


đó
độ

nhạy

S

không

phụ

thuộc

vào

giá

trị

của

đại

lượng

đo

m.
Trên


điểm

S
i
,

m
i
cũng

không

nằm

trên

một

đường

thẳng.

Đó

là

do

có

biến.
Từ

thực

nghiệm

có

thể

tính

được

phương

trình

đường

thẳng

biểu

diễn

sự
tuyến tính,


+

b
Trong

đó:
với

N

là

số

điểm

thực

nghiệm

đo

chuẩn

cảm

biến.
Độ

lệch

xác

định

từ

độ

lệch

cực

đại

giữa

đường

cong

chuẩn

và

đường

thẳng

tốt



của

cảm

biến

cho

phép

đánh

giá

đại

lượng

ngõ

ra

có

đáp

ứng

được


đáp

ứng

là

đại

lượng

xác

định

giá

trị

của

độ

nhanh.
9.

Hiện

tượng



thích.

Độ

rộng
của

sự

sai

lệch

được

gọi

là

hiện

tượng

trễ.
10.

Nhiễu
Nhiễu


và

nhiễu
do

sự

dao

động

của

tín

hiệu

kích

thích.

Nhiễu

làm

giới

hạn

khả


thể

loại

trừ

mà

chỉ

có

thể

phòng

ngừa.

Làm

giảm

ảnh

hưởng

và

khắc


loại:
- Nhiễu

nội

tại

phát

sinh

do

sự

không

hoàn

thiện

trong

việc

thiết

kế,



so

với

dạng

lý

tưởng.
- Nhiễu

do

truyền

dẫn.
Để

chống

nhiễu

ta

thường

dùng

kỹ

của

hai

tín

hiệu

ra

của

từng

bộ.

Một

bộ

được

gọi

là

cảm

biến


đường

truyền

ta

có

thể

sử

dụng

các

biện

pháp

sau:
- Cách

ly

nguồn

nuôi,

màn

cao

áp

gần

đầu

vào

và

cảm

biến.
- Sử

dụng

cáp

ít

nhiễu.
11.

Giới

hạn



cơ

khí

hoặc

nhiệt

độ

tác
động

lên

chúng.

Nếu

các

ứng

lực

này

vượt



người

sử

dụng

phải

biết

các

giới

hạn

ngưỡng

của

cảm

biến.
- Vùng

làm

việc



nên

hư

hỏng.
- Vùng

không

phá

hủy.
Dải

đo

của

cảm

biến

được

xác

định

bởi

đáp

ứng

các

yêu

cầu

đề

ra.

Thông

thường

dải

đo

trùng

với

vùng
danh

định.


ánh

sáng
Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia
hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện.
Ánh sáng có

2

tính

chất

cơ

bản

là

sóng

và

hạt.
Dạng

sóng

ánh

mức năng

lượng

của

nguyên

tử

nguồn

sáng.
Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân
không là c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là:
c
v
n
=
(n: chiết suất của môi trường)
Tần

số

γ

và

bước


c
λ
γ
Phổ

ánh

sáng

được

biểu

diễn

như

hình:
Tính

chất

hạt

thể

hiện

qua


phụ

thuộc
duy nhất
vào

tần

số.
W
φ

=

h
γ
(h

=

6,6256.10
-24
Js:

hằng

số

Planck)
Các


lượng:

J
Trang IV-7
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Một

điện

tử

được

liên

kết

có

năng

lượng

W
l
,

để


W
l
.
Vậy

một

điện

tử

sẽ

được

giải

phóng

nếu

nó

hấp

thụ

một

photon

=
Hiện tượng hạt
dẫn

điện

được

giải

phóng

dưới

tác

dụng

của

ánh

sáng

làm

thay
đổi tính

chất


bản

của

cảm
biến quang.
II.

CÁC

LOẠI

NGUỒN

SÁNG
Một

cảm

biến

quang

chỉ

hiệu

quả



mọi

đặc

tính

của

bức

xạ.
1.

Đèn
sợi đốt v
onfram
Cấu tạo: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh có chứa khí halogen để giảm
bay hơi sợi đốt.
Đặc

điểm:
- Nhiệt

độ

giống

như


- Quang

thông

lớn,

dải

phổ

rộng.
- Quán

tính

nhiệt

lớn

nên

không

thể

thay

đổi

bức

P-N.

Năng

lượng

giải

phóng

do

sự

tái

hợp

các

hạt

dẫn

làm
phát sinh

các

photon.


cao.
- Phổ

ánh

sáng

hoàn

toàn

xác

định,

độ

tin

cậy

cao.
- Tuổi

thọ

cao,

kích

nhiệt

độ là nhược điểm hạn chế phạm vi
sử dụng của đèn.
3.

Laser

(Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

Radiation)
Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, rất định hướng và đặc biệt là tính liên
kết mạnh (cùng phân cực, cùng pha). Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát ra là sự
chồng chéo của rất nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác nhau. Trong trường hợp
tia laser, tất cả các bức xạ cấu thành đều cùng pha cùng phân cực và bởi vậy khi chồng chéo
lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và rất xác định.
Đặc

điểm chính của laser là có bước

sóng



mảnh
với
độ

định

hướng

cao,

truyền

đi
khoảng

cách

rất

lớn.
Trang IV-8Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
III.

CÁC

CẢM


quang

có

độ

nhạy

cao.
Đặc

trưng

của

tế

bào

quang

dẫn

là

sự

phụ


bào

quang

dẫn

là

hiện

tượng

giải

phóng

hạt

dẫn

điện

trong
vật liệu

dưới

tác

dụng

thường

được

chế

tạo

từ

các

bán

dẫn

đa

tinh

thể

đồng

nhất

hoặc
đơn tinh

thể,


tinh

thể:

Ge,

Si

tinh

khiết

hoặc

pha

tạp

Au,

Cu,

Sb,

In,

SbIn,

AsIn, PIn, CdHgTe.

:
Phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất lý hóa của vật liệu. Khi
chiếu sáng R
CO
giảm rất nhanh, quan hệ điện trở và độ sáng là phi tuyến
.
PbS,

CdS,

CdSe

có

R
CO
rất

lớn:

từ

10
4
Ω đến 10
5
Ω ở 25
o
C
.

biểu

thức:

( ) ( / )
( )
I
S A W
λ
φ λ
∆
=
∆
I:

dòng

quang

điện

chạy

qua

tế

bào

quang

10V,

diện

tích

bề

mặt

tế

bào
bằng
1cm
2
,

độ

nhạy
phổ có giá trị nằm trong
khoảng

0,1

÷
10 A/W.
•
Nhược


tuyến. Thời

gian

đáp

ứng

tương

đối

lớn.
o
Các

thông

số

không

ổn

định

(lão

hóa).

dùng

tế

bào

quang

dẫn

để

xác

định

quang

thông,

thông

thường

dùng

để
phân

biệt mức


phải

cấp

dòng

không

đổi và lắp mạch
theo sơ đồ
đo

thế,
dùng
cầu

Wheatstone,

khuếch

đại

thuật

toán.
Trong

thực



hai

bán

dẫn

loại

n

và

loại

p

(nối

P-N)

tạo

nên

vùng

hiếm,

ở

điện

áp

bên

ngoài

đặt

lên

nối

P-N,

dòng

điện

qua

nối

I

=

0.


điện

đa

số

có

năng

lượng

đủ

lớn

vượt

qua
rào điện

thế.
- Dòng

hạt

dẫn

điện



diode,

chiều

cao

của hàng rào

thế sẽ thay

đổi

kéo

theo
thay

đổi

độ rộng

vùng

hiếm.

Dòng

qua



áp

ngược

V
d
đủ

lớn

26
 
− = −
 ÷
 
=
d
kT
V mV
q
(ở 300K),
dòng

khuếch

tán

các


sẽ xuất hiện thêm các cặp
điện tử - lỗ trống. Để ngăn cản quá trình tái hợp phải tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác
dụng của điện trường. Điều này chỉ xảy ra trong vùng hiếm làm tăng dòng ngược I
r
.
Để đến được vùng hiếm, ánh sáng phải đi qua một
bề

dầy

của

chất

bán

dẫn

và

tiêu
hao

năng

lượng

theo

biểu


khi

đi

qua

bề

dầy

10
3

A

.
Trang IV-10
a) b)
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trong

thực

tế,

phiến

bán



hữu

hiệu

nhất.

Chẳng

hạn,

các

diode

PIN

có

lớp

bán

dẫn

I

giữa

2

hiếm

ra

toàn

bộ

lớp

bán
dẫn

I.
Các

vật

liệu

thường

dùng

để

chế

tạo


HgCdTe:

vùng

hồng

ngoại.
b.

Nguyên

tắc

hoạt

động
• Chế độ quang dẫn
Nguồn

E
S
phân

cực

ngược

diode,

R


I
r

chạy

qua

diode:

d
r 0 0 p
qV
I I exp I I
kT
 
= − + +
 ÷
 
I
p

:

dòng

điện

sinh


đủ

lớn:

I
r
#

I
0
+

I
p
,

nghĩa

là

I
r
#

I
p
.
Phương

trình

E V
I
R
+
=
Chế

độ

này

là

tuyến

tính,

V
r
tỉ

lệ

với

thông

lượng.
•
Chế

hoạt

động

như

bộ
chuyển

đổi năng

lượng,

người

ta

đo

điện

áp

hở

mạch

V
OC
hoặc


rào

điện

thế

giảm

một

lượng

∆
V
b
.

Sự

giảm

này

làm

dòng
hạt

dẫn

− + + = ⇒ ∆ = +
 ÷
 ÷
 
 
Trang IV-11
V
d
R
m
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Đo

điện

áp

hai

đầu

diode

trong

chế

độ

hở

lớn

V
OC
phụ

thuộc

vào

thông

lượng

có

dạng

hàm

logarit.
- Dòng

ngắn

mạch

I
SC
Nối


của

nối
P-N. Dòng

ngắn

mạch

I
SC
=

I
p
,

tỷ

lệ

với

thông

lượng.
c.

Độ

đến

1

A/W.
d.

Sơ

đồ

sử

dụng
Tùy

mục

đích

sử

dụng

mà

ta

chọn



ứng

ngắn,

băng

thông

rộng.
- Sơ

đồ

cơ

sở:
2
O m r
1
R
V R 1 I
R
 
= +
 ÷
 
Để

giảm

Đặc

điểm:
-
Có thể làm việc ở chế độ t
uyến

tính

hoặc

logarit

phụ

thuộc

vào

tải.
- Ít

nhiễu.
- Thời

gian

đáp

ứng


tính: Sơ

đồ

logarit:
3.

Phototransistor
Phototransistor

là

các

transistor

loại

NPN

mà

cực

nền

có

thể

tại

C,

nối

B-C

phân

cực

ngược.
Khi

nối

B-C

được

chiếu

sáng,

nó

hoạt

động giống

dòng

ngược

tối
I
p
:

dòng

quang

điện

khi

được

chiếu

sáng
Dòng

cực

thu:

I
c


hợp

của

một

photo

diode

và

một
transistor. Photodiode

cung

cấp

dòng

điện

tại

cực

nền


chế độ
chuyển

mạch để điều khiển:
a) Rơle, b)Rơle (sau khuếch đại), c) Cổng logic d) Thyristo
Trang IV-13
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
4.

Phototransistor

hiệu

ứng

trường

–

photo

FET
Trong

photo

FET,

ánh


thay

đổi

điện

áp

V
GS
.
I
DSS
:

dòng

thoát

khi

V
GS

=

0
V
P
:

tạo

dòng

ngược.
Dòng

ngược

I
r
=

I
o
+

I
p
I
o
:

dòng

ngược

tối
I
p


diode

cổng

kênh
Dòng

I
r
chạy

qua

điện

trở

Rg

tạo

ra

điện

thế

V
GS

ánh

sáng.
Khi

điện

áp

V
DS
nhỏ,

photo

FET

giống

như

một

điện

trở

R
DS
.


thay

đổi

thông

lượng

ánh

sáng

chiếu
tới.
IV.

CẢM

BIẾN

QUANG

PHÁT

XẠ
Cảm

biến



khỏi

vật

liệu

photocatode.
Số

lượng

điện

tử

thoát

khỏi

catode

tỉ

lệ

với

quang


giai

đoạn:
- Hấp

thụ

photon

và

giải

phóng

điện

tử.
- Điện

tử

được

giải

phóng

di


được

giải

phóng,

điện

tử

di

chuyển

ngẫu

nhiên

theo

mọi

hướng,

do

đó

chỉ
Trang IV-14


với

các

điện
tử

và photon

khác

làm

mất

đi

một

phần

năng

lượng.

Sự

phát



với

môi

trường

bên

ngoài.

Do

đó,

hiệu

suất

phát
xạ

điện

tử thường

nhỏ

hơn


2
CsSb

nhạy

trong

vùng

ánh

sáng

nhìn

thấy

và

tử

ngoại.
Cs
2
Te,

Rb
2
Te



trên

từ

1

÷

20%.
Ngoài

ra,

các

hợp

chất

nhóm

III

–

V

như


tới

30%.
3.

Tế

bào

quang

điện

chân

không
Là

một

ống

hình

trụ,

có

một


đặt

một

catode

có

khả

năng

phát

xạ

và

một

anode.
Đặc

tuyến

của

tế

bào

điện

áp

tăng

dòng

điện

tăng

nhanh.

Một

phần
nhỏ điện

tích

phát

xạ

đẩy

điện

tử

điện

ít

phụ

thuộc

vào

điện

áp

mà

chỉ

phụ

thuộc

vào

quang

thông.
Tế

bào

chỉ

phụ

thuộc

vào

quang

thông.
Điện

trở

trong

tế

bào

quang

điện

chân

không

rất

quang

điện

chất

khí
Cấu

tạo

giống

tế

bào

quang

điện

chân

không,

chỉ

khác

là

V
ak
<

20V,

đặc

tuyến

giống

như

trường

hợp

tế

bào

quang

điện

chân

không.
Khi


Dòng
anode tăng

lên

từ

5
÷
10

lần.
5.

Thiết

bị

nhân

quang
Khi

bề

mặt

anode


xạ
điện tử

(phát

xạ

thứ

cấp).

Nếu

số

điện

tử

phát

xạ

thứ

cấp

lớn

hơn


tử

sơ

cấp)

được

phát

xạ

từ

một

photocatode

bị

chiếu

sáng.
Sau đó

chúng

được



mặt

được phủ

bằng

vật

liệu

có

khả

năng

bức

xạ

thứ

cấp.

Các
điện

cực


sao

cho
điện

tử

thứ

cấp

phát

ra

từ

điện

cực

thứ

k

sẽ bị

hút

về

cực

này

cũng

tăng lên.
V.

CÁP

QUANG
1.

Cấu

tạo

và

tính

chất
Gồm

một

lõi

chiết

1
dày
50
µ
m. Vật

liệu

chế

tạo

cáp

quang:
- SiO
2
tinh

khiết

hoặc

pha

tạp

nhẹ.
- Thủy


1
sinθ
1
= n
2
sinθ
2

Điều kiện xảy ra phản
xạ

toàn

phần:
2
1 0
1
n
arcsin
n
 
θ > = θ
 ÷
 

Với điều kiện như vậy, trong trường hợp cáp quang tia sáng sẽ bị giam giữ trong lõi và
được truyền đi bằng phản xạ liên tục nối nhau.
2.

Ứng


điện

giữa

mạch

phát

và

mạch

thu.
Thông

tin

được

truyền

chủ

yếu

bằng

cách


b.

Quan

sát

và

đo

lường
Cáp

quang

cho

phép

quan

sát

hoặc

đo

đạc

ở

đến

những

vị

trí

mà

điều

kiện

bình

thường

ánh
sáng không

tới

được.
Nguồn

sáng

phát



dẫn

đến

khu

vực

đo.

Tại

khu

vực

đo,

bức

xạ

thay

đổi

phụ

thuộc

số

tỉ

lệ

với

tốc

độ

quay.
-

Thay

đổi

bước

sóng

trong

trường

hợp

đo

và

được

đưa

đến

cảm

biến.
Một

số

trường

hợp,

tín

hiệu

quang

dưới

tác

động

điều

kiện

truyền

sóng.

Lúc

này

cáp

quang

đóng
vai

trò cảm

biến

chuyển

đổi

đại

lượng

biến hồng ngoại.
1.a) Quang trở (photoresistor):
Quang trở
Giá trị điện trở của quang trở thay đổi khi có cường độ ánh sáng chiếu vào bề mặt
của nó thay đổi. Giá trị điện trở của quang trở càng giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào nó
càng mạnh và ngược lại.
Độ nhạy của quang trở được xác định:
R
I
K
photo
∆
∆
=
Trong đó: ∆I: sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
∆R: sự thay đổi điện trở.
Đặc tuyến của quang trở
Trang IV-18
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
1.b) Cảm biến hồng ngoại (infrared sensor):
Cảm biến hồng ngoại được chia ra làm ba loại: cảm biến hồng ngoại thường, cảm
biến hồng ngoại kiểu phản xạ (infrared reflective sensor) và cảm biến hồng ngoại kiểu thấu
xạ (infrared slotted sensor).
Cảm biến hồng ngoại thường: đây là loại cảm biến mà bộ phát và bộ thu không
được kết cấu trong một khối. Bộ phát và bộ thu là hai bộ phận riêng rẽ. Bộ phát hồng ngoại
(infrared emitter) có hình dạng như một diode phát quang (LED-light emitting diode). Tuy
nhiên ánh sáng phát ra là hồng ngoại. Bộ thu hồng ngoại (infrared detector) là một transistor
quang. Khi transistor nhận được ánh sáng hồng ngoại, nó sẽ dẫn bảo hòa. Ngược lại, nó sẽ
ngưng dẫn.
Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ: là một linh kiện hình thang được thiết kế

R R
=
+
Một mạch sensor tốt là mạch có sự thay đổi điện thế lớn nhất tại chân “2” của bộ so
sánh khi có ánh sáng IR chiếu vào sensor và không chiếu vào sensor.
Để có được mức điện thế thay đổi này lớn nhất thì việc chọn lựa R
1
là hết sức quan
trọng. Gọi a là điện trở của sensor khi không có ánh sáng, b là điện trở của sensor khi có ánh
sáng chiếu vào và V
diff
là sự thay đổi điện thế, ta có:
1 1
( )
diff CC
a b
V V
a R b R
= −
+ +
Vậy để tìm được R
1
ta vẽ
diff
V
theo R
1
( a,b : ta tìm được từ phép đo) và sau đó chọn
giá trị R
1

trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết.
Có

nhiều

cách

đo

nhiệt

đo:
- Phương

pháp

quang

dựa

trên

sự

phân

bố

phổ


của

vật

rắn,

lỏng hoặc

khí (với áp suất không
đổi), hoặc

dựa

trên

tốc
độ
âm.
- Phương

pháp

điện

dựa

trên

sự



tần

số

dao

động

của

thạch

anh.
I.

THANG

NHIỆT

ĐỘ
Thang

nhiệt

độ

tuyệt

đối

nhiệt

động

học

tuyệt

đối
Thang

Kelvin:

đơn

vị

là

K.

Người

ta

gán

nhiệt

độ

trị

số

bằng

273,15K.
2.

Thang

Celsius
Đơn

vị

nhiệt

độ

là

(
0
C).

Quan

hệ


T

(K)

–

273,15
3.

Thang

Fahrenheit
Đơn

vị

nhiệt

độ

là

Fahrenheit

(
0
F).

Quan


 
= +
Nhiệt

độ

đo
được (nhờ một điện trở hoặc một cặp nhiệt) chí
nh

là

nhiệt

độ

của

cảm
biến,

ký

hiệu

T
c
.

T

là

phải

giảm

hiệu

số

T
x
–

T
c
,

có

2

biện

pháp:
- Tăng

sự

trao

cảm

biến

và

môi

trường

bên

ngoài.
Trang IV-22
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Để

đo

nhiệt

độ

của

một

vật

rắn,

sâu

L

để

đưa

cảm

biến

vào

sâu

trong

vật

rắn.

Để

tăng

độ

chính



giữa

vật

rắn

và

cảm

biến

bằng

cách

giảm

khoảng

cách

giữa
vỏ cảm

biến

và



NHIỆT

ĐIỆN

TRỞ
Ưu

điểm

của

nhiệt

điện

trở

là

đơn

giản,

độ

nhạy

cao,



loại,

điện

trở

bán

dẫn

và

nhiệt

điện

trở.
1.

Nhiệt

điện

trở

kim

loại
Thường

theo nhiệt

độ.

Người

ta

thường

làm

điện

trở

bằng

platin,

niken,

đôi

khi

cũng

sử


chính

xác

của

đặc

tính
điện. Platin

trơ

về

hóa

học

và

ổn

định

về

tinh

thể


nhiệt

cao

hơn

nhiều

so

với

platin.

Điện

trở

niken

ở
100°C

gấp 1,617

lần

ở



tăng

do

đó

dải

nhiệt

bị

giới

hạn

dưới

250°C.
- Đồng

được

dử

dụng

trong



cao.

Dải

làm

việc

bị

hạn

chế

dưới

180°C.
-
V
onfram

có

độ

nhạy

nhiệt



thể

sử

dụng

ở

nhiệt

độ

cao

hơn.

Vonfram

có

thể

chế

tạo
thành

các sợi



nên

điện

trở

vonfram

có

độ

ổn

định

nhỏ

hơn

điện

trở

platin.
Để

có



vì

tiết

diện

càng

nhỏ

dây

càng

dễ

dứt.
- Tăng

chiều

dài

dây,
việc này cũng bị giới
hạn vì

tăng


trị

R

vào

khoảng
100Ω ở 0
o
C. Trên thực tế các
sản phẩm thương mại có điện trở ở 0
o
C là 50Ω, 500Ω, 1000Ω. Các điện trở có
trị

số

lớn
thường

dùng

đo

ở dải

nhiệt

độ



công

nghiệp,

nhiệt

kế

phải

có

vỏ

bọc

tốt

chống

va
chạm

và rung

động.

Điện


Minh họa nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở Pt
Trang IV-23
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Để

đo

nhiệt

độ

bề

mặt

vật

rắn,

người

ta

sử

dụng

nhiệt

điện

Fe

–

Ni

hoặc

Pt (Pt được sử dụng
khi cần độ chính xác cao).

Chiều

dày

lớp

kim

loại
cở

vài

µ
m,

kích

thước


đặc

tính

chủ

yếu

của

nhiệt

điện

trở

bề

mặt:
Độ nhạy: 5.10
-3
/
o
C : Ni và Fe - Ni
4.10
-4
/
o
C : Pt

tinh

thể

silic

có

hệ

số

điện

trở

âm,

tuy

nhiên

khi

được
kích tạp

loại

n

nhiệt

độ

sử

dụng

từ

-50°C

đến

150°C.
Hệ

số

nhiệt

cảm

biến

silic

khoảng

0,7%/°C,

đối

nhỏ

nên

có

thể

tuyến

tính

hóa

đặc

tuyến

trong

vùng
nhiệt độ

làm

việc

bằng

đo).
Sự

thay

đổi

nhiệt

của

điện

trở

suất

silic

phụ

thuộc

vào

nồng

độ

chất

điện

trở

suất

tăng

khi

nhiệt
độ tăng.

Hệ

số

nhiệt

của

điện

trở

càng

nhỏ

khi

khi

nhiệt

độ

tăng.

Hệ

số
nhiệt của

điện

trở

suất

không

phụ

thuộc

vào

pha

tạp.


lần

độ

nhạy

nhiệt

điện

trở
kim loại.

Nhiệt

điện

trở

có

thể

chia

thành

2


số

nhiệt

điện

trở

âm.
Nhiệt

điện

trở

được

làm

từ

các

hỗn

hợp

oxit

bán

O
3
,

NiO,

ZnTiO
4
.

Bột

oxit

được

trộn

với

nhau

theo

tỉ
lệ

nhất định

sau

được

hàn

tại hai

điểm

trên

bề

mặt.
Nhiệt

điện

trở

có

kích

thước

nhỏ

cho

phép

ngắn.
Dải

nhiệt

độ

làm

việc

từ

vài

độ
K
đến

300°C.
Vì

độ

nhạy

cao,

nhiệt


÷

10
-3
K).
Trang IV-24
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Để

đo

nhiệt

độ

thấp,

ta

sử

dụng

các

nhiệt

điện

trở

phải

sử

dụng

những

nhiệt

điện

trở

có

điện

trở

cao
ở

25°C (100

÷

500
Ω
).

dây

dẫn

A

và

B

được

nối

với

nhau

bởi

hai

mối

hàn
có nhiệt

độ

T


nhiệt

độ

T
1
,

T
2
.
Thông

thường

một

mối

hàn

được

giữ

ở

nhiệt



đặt

mối

hàn

thứ

hai

vào

môi

trường

đo

nhiệt

độ

sẽ

đạt

đến
giá


từng

điểm

của

đối

tượng

đo
và tăng

tốc

độ

đáp

ứng.

Cặp

nhiệt

cung

cấp

suất

ứng

đốt

nóng.
Tuy

nhiên,

phải

biết

trước

nhiệt

độ

chuẩn

T
ref
,

sai

số

T

loại

cặp

nhiệt

có

suất

điện

động

phụ
thuộc

khác nhau

vào

nhiệt

độ.
Mỗi

loại

cặp



điểm

so

với

nhiệt

kế

điện

trở.
Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ:
o
A /B
c
c
dE
S(T ) ( V / C)
dT
= µ
Cặp

nhiệt

Fe/Constantan:
S(0°C)



6,4

µ
V/°C ; S(1400°C)

=

11,93

µ
V/°C
2.

Các

hiệu

ứng

nhiệt

điện
- Hiệu

ứng

Peltier:
Ở



cùng

một

nhiệt

độ

tồn
tại

một hiệu

điện

thế

tiếp

xúc.

Hiệu

điện

thế

này
phụ


Volta

phát

biểu:
Trong

một

chuỗi

cách

nhiệt

được

tạo

thành

từ

các

vật

dẫn khác