Kỹ thuật cảm biến
Bài 1
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN.
1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa là giác quan – do đó nó
như các giác quan trong cơ thể con người. Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ
thống điện có thể thu nhân thông tin từ bên ngoài. Từ đó, hệ thống máy móc,
điện tử tự động mới có thể tự động hiển thị thông tin về đại lượng đang cảm
nhận hay điều khiển quá trình định trước có khả năng thay đổi một cách uyển
chuyển theo môi trường hoạt động.
Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của
người như sau:
5 giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến
Thị giác
Xúc giác
Vị giác
Thính giác
Khứu giác
Ánh sáng, hình dạng, kích
thước, vị trí xa gần, màu sắc.
Áp suất, nhiệt độ, cơn đau,
tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô.
Ngọt, mặn, chua cay, béo.
Âm rầm bổng, sóng âm, âm
lượng.
Mùi của các chất khí, chất
lỏng.
Cảm biến thu hình, cảm
biến quang.
Nhiệt trở, cảm biến tiệm
cận, cảm biến độ rung

2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng:
Hiện tượng vật lý:
- Nhiệt điện
- Quang điện
- Quang từ
- Điện từ
- Quang đàn hồi
- Từ điện
- Nhiệt từ
Hiện tượng hoá học:
- Biến đổi hoá học
- Biến đổi điện hoá
- Phân tích phổ
- Biến đổi sinh hoá
Hiện tượng sinh học :
- Biến đổi vật lý
- Hiệu ứng trên cơ thể sống
2.2 Phân loại theo dạng kích thích :
Âm thanh:
- Biên pha, phân cực
- Phổ
- Tốc độ truyền sóng
Điện:
- Điện tích, dòng điện
- Điện thế, điện áp
- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Điện dẫn, hằng số điện môi
Từ:
- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Từ thông, cường độ từ trường

- Công suất tiêu thụ
- Dải tần
- Độ trễ
- Khả năng quá tải
- Tốc độ đáp ứng
- Độ ổn định
- Tuổi thọ
- Điều kiện môi trường
- Kích thước, trọng lượng
2.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng
- Công nghiệp
- Nghiên cứu khoa học
- Môi trường, khí tượng
- Thông tin, viễn thông
- Nông nghiệp
- Dân dụng
- Giao thông
- Vũ trụ
- Quân sự
2.5 Phân loại theo thông số của mô hình mạch điện thay thế :
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến
tính hoặc phi tuyến.
3 Vai trò - ứng dụng của cảm biến
Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường
và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các
đại lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện
và truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận
dạng đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng.
3

nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là
nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng
nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến. Tuy
nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ
môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ
chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số này càng bé, độ
chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải:
- Tăng cườnng sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo.
- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài.
Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc. Lượng nhiệt
truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:
dQ = αA(Tx − Tc )dt
Với: α - hệ số dẫn nhiệt.
A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.
T - thời gian trao đổi nhiệt.
Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ:
dQ = mCdTc
Với: m - khối lượng cảm biến.
4
Kỹ thuật cảm biến
C - nhiệt dung của cảm biến.
Nêu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta
có:
αA Tx − Tc dt = mCdTc
Trao đổi nhiệt của cảm biến.
Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm
biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn
nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn
từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp.
2. Nhiệt điện trở với Platin và Nickel:

trở kháng theo nhiệt độ của nó tuyến tính nhất
Tên vật liệu Phạm vi nhiệt độ làm việc
Bạch kim
-450
°
F đến 1200
°
F
Nickel
-150
°
F đến 600
°
F
Đồng
-100
°
F đến 300
°
F
Hơp kim sắt/ nickel
32
°
F đến 400
°
F
Bảng 2.1: Vật liệu chế tạo RTD
Các vật liệu đồng, nickel, hợp kim sắt/nickel cũng được dùng để làm RTD, nhưng
hầu hết chúng đều có giá thành thấp và được sử dụng trong các ứng dụng không đòi
hỏi yêu cầu cao.

đế bằng sứ. Ưu điểm của loại này là giá thành thấp và khối lượng tác dụng nhiệt thấp,
làm cho chúng đáp ứng nhanh và dễ dàng đặt vào các vỏ nhỏ. Nhưng nó không làm
việc ổn định như loại Wire wound.
Hình 2.3: RTD loại màng mỏng
2.23 Cách nối dây đo
Cấu hình dây có ba loại
7
Kỹ thuật cảm biến
a. Loại 2 dây :
Đây là loại cấu hình dây đơn giản nhất và độ chính xác cũng thấp nhất. Điện trở
của dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ chính xác. Dây nối
càng dài càng ảnh hưởng càng lớn. Sơ đồ mạch cầu 2 dây được minh họa trong sơ đồ
sau:
Hình 2.4: RTD cấu hình 2 dây
Trong sơ đồ mạch loại 2 dây, dòng điện đi qua phần tử cảm biến. Khi nhiệt độ của
cảm biến tăng, điện trở sẽ gia tăng. Kết quả là điện áp tăng (V=I.R). Trở kháng thực
làm cho điện áp tăng chính là tổng trở của phần tử cảm biến và trở kháng của dây nối.
Vì vậy để sử dụng được loại này thì dây nối cần phải ngắn.
b. Loại 3 dây :
Có 3 sợi dây nối từ RTD thay vì 2 dây. L1 và L3 dẫn dòng đo, L2 có vai trò như
dây chiết áp. Lý tưởng thì điện trở của dây L1 và L3 không có. Trở kháng của R3 thì
bằng với trở kháng của phần tử cảm biến Rt.
Hình 2.5: RTD cấu hình 3 dây
c. Loại 4 dây:
Loại này khắc phục được lỗi do trở kháng của điểm nối gây ra. Dòng điện đi từ
nguồn dòng đến L1 rồi đến dây L4; Dây L2 và L3 đo áp rơi trên RTD. Với nguồn
dòng cố định thì phép đo chính xác hơn. Loại cấu hình này có giá thành cao hơn so
với cấu hình 2 hay 3 dây, tuy nhiên nếu đòi hỏi chính xác cao thì nên lựa chọn loại
cấu hình này ( trong phòng thí nghiệm, ít dùng trong công nghiệp)
Hình 2.6: RTD Cấu hình 4 dây

Trên khoảng 120
0
C, hệ số nhiệt điện trở của Si là âm và độ tuyến tính kém
hơn. Trong vùng nhiệt độ trên 120
0
C thì hệ số nhiệt điện trở không phụ thuộc
vào mức độ pha tạp.
3.1.3 Ưu – nhược điểm
- Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý
đơn giản.
- Nhược điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
3.1.4 Ứng dụng:
Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.
3.2 IC cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất
bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa
trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường.
Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất
10
Kỹ thuật cảm biến
nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao,
chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….
- Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode ( hình dáng
tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45.
Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện
áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.
IC cảm biến nhiệt LM35 Cảm biến nhiệt dạng
Diode
Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn
truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm

cho phép điều chỉnh nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ môi trường.
- Làm mát: kiểu đối lưu cưỡng bức sử dụng quạt gió
- Công suất quạt làm mát: 3.5W
- Công suất bộ gia nhiệt: 300W
- Các đầu vào / ra
+ Tín hiệu của cảm biến nhiệt độ
+ Tín hiệu điều khiển bộ gia nhiệt
+ Tín hiệu điều khiển quạt làm mát
- Thông số cảm biến nhiệt độ
+ Dải đo của cảm biến: 0 ~ 400 độ C
12
Kỹ thuật cảm biến
+ Kiểu cảm biến: PT-100
 Module bộ hiển thị - điều khiển nhiệt độ
- Điện áp hoạt động: AC220V,50Hz
- Kiểu hiển thị: Led 7 thanh
- Các tham số hiển thị đươc:
+ Nhiệt độ hiện thời
+ Nhiệt độ đặt xuống bộ điều khiển (nhiệt độ mong muốn của người sử
dụng)
- Các loại cảm biến có thể tương thích được:
+ Can nhiệt: K, J, R, E, T, N, W
+ Điện trở nhiệt: Pt100, JIS Pt100
- Công suất đầu ra bộ gia nhiệt: 400W
- Công suất đầu ra điều khiển quạt làm mát: 60W
- Kiểu điều khiển: On/Off, P, PI, PD, PID
Các đầu vào ra
- A, B, C: Đầu ra cảm biến nhiệt độ.
- 3, 4, 5: Đầu vào bộ điều khiển nhiệt độ TZN4S.
- 1, 2, 6, 7, 8: Tiếp điểm điều khiển (đã đấu nối bên trong)

S: Ngõ ra SSR
C: Ngõ ra dòng (4-20mADC)
2. Thông số kỹ thuật
Nguồn cung cấp 100-240VAC 50/60Hz
Công suất tiêu thụ 5VA
Cách thức hiển thị Hiển thị bằng LED 7 thanh (Giá trị xử lý (PV):
màu đỏ, giá trị cài đặt (SV): màu xanh.
Kích thước chữ PV: W7.8×H11mm
SV: W5.8×H8mm
Ngõ
vào
Can nhiệt K (CA), J(IC), R(PR), E(CR), T(CC), S(PR),
N(NN), W(TT) <sai số điện trở lớn nhất trên
đường dây 100Ω cho mỗi dây>
RTD Pt100Ω, JIS Pt100Ω, loại 3 dây <sai số điện trở
lớn nhất trên đường dây 5Ω cho mỗi dây>
Analog 1-5VDC, 0-10VDC, 4-29mADC
Ngõ ra Relay 250VAC 3A 1c
SSR 12VDC ±3V 30mA max
Dòng 4-20mADC tải max 600 Ω
Phụ Event1: Rơle 250VAC 1A
Loại điều khiển Điều khiển ON/OFF, P, PI, PD, PIDF, PIDS
Hiển thị chính xác F.S ±0.3% hoặc 3
o
C
Thời gian lấy mẫu 0.5 giây
Thời gian cài đặt
LBA
1~999 giây
Cài đặt cạnh xung Cạnh lên, cạnh xuống 1~99 phút

o
F
16
Kỹ thuật cảm biến
: Đặt giá trị giới hạn cao
: Đặt giá trị giới hạn thấp
: Lựa chọn vị trí điểm thập phân cho đầu vào analog
: Cho phép đặt ON hoặc OFF của chức năng Ramp
: Dữ liệu không thể thay đổi kihi phím khóa là ON
7. Thay đổi giá trị cài đặt
1. Trong trường hợp thay đổi giá trị cài đặt ở trạng thái RUN, ấn phím
số tại SV sẽ nhấp nháy.
17
Kỹ thuật cảm biến
→
2. Ấn phím số tại SV sẽ lần lượt nhấp nháy.
→
3. Ấn phím hoặc tại số nhấp nháy để thay đổi giá trị cài đặt.
4. Ấn phím khi hoàn thành cài đặt. Nó sẽ ngừng nhấp nháy và sau đó
trở lại chế độ RUN.
B. TRÌNH TỰ THỰC HIỆN:
Bước 1: Cài đặt thông số cho bộ hiển thị.
Bước 2: Đấu nối giữa lò nhiệt và module cảm biến nhiệt độ.
Bước 3: Cấp nguồn cho mudule lò nhiệt và cảm biến nhiệt độ. Chú ý: tránh
điện giật, chập điện…
Bước 4: Theo dõi sự thay đổi nhiệt độ trên màn hình, quan sát các loại đèn
báo( ổ định), đèn báo quá nhiệt, đèn báo thấp nhiệt, các đèn báo: Alm1, out1,
out2( chế độ làm nóng/ lạnh) và theo dõi các đèn báo Alm1, Alm2,out1( chế độ
điều khiển tiêu chuẩn) trên mặt hiển thị của mudule cảm biến nhiệt độ
18

mặt
cảm
biến
Cảm
Biến
Tiệm
Cận
D
ãi
ho
ạt
độ
ng
Vật
Cảm
Biến
Trong dải hoạt động
Ngoài dải hoạt động
Kỹ thuật cảm biến
1.2. CẢM BIẾN TIỆM CẬN ĐIỆN CẢM
1.2.1 Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện cảm:
Hình 6.13 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm
Một bộ cảm biến tiệm cận điện cảm gồm có 4 khối chính:
- Cuộn dây và lõi ferit.
- Mạch dao động.
- Mạch phát hiện.
- Mạch đầu ra.
1.2.2. Nguyên lý hoạt động:
20
+. Tần Số Đáp Ứng (Response Frequency):

cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bị
nhiễu của kim loại xung quanh.
Vật
Cảm
Biến
Sensor
Shielded
Vật Cảm Biến
Sensor
Un-
Shielded
Kỹ thuật cảm biến
1.2.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm
cận điện cảm.
22
a. Vật Liệu Đối Tượng (Material):
Iron
SUS
Brass
Aluminum
Copper
Độ dẫn của vật
K
ho
ản
g
cá
ch
cả
m

t
Đầu Sensor
Vậ
t
Đầu Sensor
Kích thước vật nhỏ
Nếu vật cảm biến nhỏ hơn vật thử chuẩn (test object), khoảng cách
phát hiện của sensor sẽ giảm.
Kỹ thuật cảm biến
1.2.5. Ưu, nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm:
Ưu điểm:
- Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc.
- Không gây nhiễu cho các sóng điện từ, sóng siêu âm.
- Tốc độ đáp ứng nhanh.
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
- Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi.
Nhược điểm:
- Khoảng phát hiện vật còn hơi nhỏ.
- Chỉ phát hiện được các vật bằng kim loại.
* Giới thiệu các đầu cảm biến tiệm cận điện cảm trong thực tế
23
c. Bề Dày Của Đối Tượng (Size):
Đầu
Sensor
Vật
Khoảng cách
cảm biến
Độ dày
vật
Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken,

Ưu điểm:
- Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng,vật liệu phi kim
- Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh
- Có thể phát hiện các đối tượng có kích thước nhỏ.
- Phạm vi cảm nhận lớn.
- Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi.
Nhược điểm
- Chịu ảnh hưởng của bụi và độ ẩm
* Giới thiệu các đầu cảm biến tiệm cận điện dung trong thực tế
25