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
tương ứng với m. Quan hệ giữa s và m x = f(m) được gọi là phương trình chuyển đổi của cảm biến, hàm f()
phụ thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến … Để chế tạo cảm biến, người ta sử dụng các
hiệu ứng vật lý.

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. Hiệu ứng này do nhà vật lý học người Anh là M.Faraday phát hiện vào năm 1831.
d. Hiệu ứng quang điện

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
0
mm
mm
mm
m
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.
- Do chế độ và điều kiện sử dụng cảm biến.
- Do xử lý kết quả đo.
Sai số ngẫu nhiên
:
Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác đònh. Nguyên
nhân gây sai số ngẫu nhiên:

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
V −=

Với V
o
là điện áp ở đầu ra, V
i

tín hiệu đo

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

Với V
o
là điện áp ở đầu ra, V
i
là điện áp ở đầu vào.
- Mạch lặp lại điện áp:
Đầu ra
Đầu vào

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
21
1
2
VV
R
R

3
2
6
Ra

R

R2

R2

R3

Vo
V2
V1

63
()()
8.1
2
1
21
2
3
VV
R
R
Ra
R

()
9.1
222
1
2
cc
o
cc
o
o
V
RR
R
V
RR
RR
U
∆+
∆
=








−
∆+
Hình 1.12 Tế bào quang dẫn