NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT


LÊ VĂN DOANH - PHẠM THƯỢNG HÀN - NGUYEN văn hịa
VƠ THẠCH SƠN - ĐÀO VĂN TÂN

CAC BỌ CAM BIEN
TRONG KỸ THUẬT ĐO LƯỊNG
VA ĐIEU KHIEN
In ỉần thứ ba có sửa chữạ
■ •*

- >•?.í

thưviỊn

:

i

NHÀ XUẤT BẤN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

HÀ NỘI


LÒI MỎ ĐẦU

Kỹ thuật do lường - diều khiển hiện dại có bước phát triển nhảy
vọt. Đó là nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết do lường va diều khiển
hiện dại (diều khiển mờ, nơron, tối ưu, thích nghi...) với cơng cụ tốn
học va tin học (trí tuệ nhân tạo). Quá trĩnh tích hợp giữa các lỉnh vực

này hình thành "tin học cơng nghiệp", một lỉnh vực da ngành trong dó
kỹ thuật diện, diện tử, diều khiển, do lường và tin học hòa trộn vào
nhau cùng phát triển.
Các bộ cảm biến dóng vai trị cực kỳ quan trọng trong lỉnh vực do
lường và diều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích
thường là các đại lượng không diện, chuyền dổi các dại lượng này thành
các dại lượng diện và truyền cấc thông tin vẽ hệ thống do lường diều
khiển, giúp chúng ta nhận dạng, dánh giá và diều khiển mọi biến trạng
thái của dối tượng.

Có thể ví vai trị của các bộ cảm biến dổi với kỹ thuật do lường
và diều khiển giống như các giác quan đổi với cơ thể sống.
Một số bộ cảm biến có cấu trúc tương dối dơn giản nhưng xu hướng
chung ngày nay là triệt dể khai thác các thảnh tựu của vật lý học hiện
dại, của cơng nghệ mói trong diện tử và tin học, của lý thuyết diều khiển
hiện dại, nhằm tạo nên các bộ cảm biến thông minh và linh hoạt. Đó
là các bộ cảm biến đa chức năng, có thể lập trinh, cho phép do với độ
nhạy và dộ chinh xác cao, có thể tự dộng thay dổi thang do, tự dộng
bù các ảnh hưởng của. nhiễu, do từ xa, tự dộng xử lý kết quả do...

Các bộ cảm biến ngày nay dược xem như một phàn tủ, dược sản
xuất hàng loạt và có mặt rộng rãi trên thị trường, bao gồm một chuyền
dổi do lường sơ cấp dặt trong vỏ bảo vệ, có hĩnh dáng và kích thước
phù hợp vói dối tượng.
Các chuyển dổi do lường sơ cấp hoạt dộng tuân theo các hiệu ứng
vật lý. Độ nhạy và dộ chính xác của các bộ cảm biến phụ thuộc rất
nhiều vào khả năng chuyền dổi của các hiện tượng vật lý.

Ngoài tên thường dùng là bộ cảm biến, người ta còn gọi chúng là
d'ấu do, dâu dị hay sensơ (theo tiếng Anh Sensor) da trích (theo tiếng

Nga ỊỊarHUK) hoặc Cáp tơ (theo tiếng Pháp Capteur).


Kỹ thuật cảm biến là kỹ thuật da ngành có quan hệ chặt chẽ đến
kỹ thuật diện, diện tử, hóa học, nhiệt học, co học và các lỉnh vực của
vật lý như : bán dẫn, quang học, hạt nhăn... nên khó có thể tập họp
dẫy dù những vấn dề trên trong khuỗn khổ một quyển sách.

Các tác già chi mong muốn trình bày một cách có hệ thống kỹ thuật
cảm biến theo trình tự : nguyên lý làm việc, cấu tạo, các dặc tính co
bản, các mạch do và ứng dụng của các bộ cảm biến trong các hệ thống
do lường - diều khiển.
Các tác giả chú ý di sâu giói thiệu các bộ cảm biến thơng dụng
nhát trong kỹ thuật củng như trong doi sống, các bộ cảm biến mói vói
các tính năng kỹ thuật tốt nhất như các bộ cảm biến dựa trên các hiện
tượng quang diện, quang từ, quang dàn hồi, hịng ngoại, siêu dẫn, hình
ảnh nhiệt, cảm biến thông minh...

Cuốn sách gồm 17 chưong dưọc sắp xếp theo công dụng của các bộ
cảm biến.

Cuốn "Các bộ cảm biến trong kỹ thuật do lường và diều khiển" là
kết quả họp tác cùa các tác giả thuộc bộ môn Thiết bị diện-điện từ, bộ
môn Kỹ thuật do vd Tin học công nghiệp, Viện Vật lý kỹ thuật thuộc
Trường Dại học Bách Khoa Hà Nội và Khoa Co diện mỏ Trường dại
học Mỏ Địa chất do PGS. TS. Lê Văn Doanh chủ biên.
Quyển sách nay dùng lam tài liệu tham khảo cho sinh viên các
ngành diện, diện từ của các trường dại học kỹ thuật, dồng thòi sách
củng giúp ích cho các lớp sau dại học, hệ nghiên cứu sinh, các cán bộ
kỹ thuật diện, diện tủ, do lưòng-dièu khiển dang làm việc trong các Viện

nghiên cứu, các co sò sản xuất.
Vi chủ đề rất rộng lớn của kỹ thuật cảm biến và trinh dộ có hạn
của các tác già nên chắc ràng sách khơng tránh khỏi sai sót.
Các tác già mong muốn nhận dược nhận xét, góp ý của bạn dọc.
Các nhận xét góp ý xin gửi về Bộ môn Thiết bị diện-diện tử, khoa
Diện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. ĐT.8692511.
Chúng tòi xin chân thành cám on.
Các tác giả


MỤC LỤC
Trang
3

LÒIMỎDẦƯ

Chương 1 KHÁI NIỆM co BÀN VÊ CÁC BỘ CẤM BIẾN

...

12

1.1.

Định nghĩa

12

1.2.


Phân loại các bộcảm biến

13

1.3.

Các đơn vị đo lường

16

1.4.

Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến

17

1.5.

Chuẩn các bộ cảmbiến

20

1.6.

Độ tuyến tính

21

1.7


Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng

21

1.8.

Bộ cảm biến tích cực và thụ động

22

1.9.

Mạch

giao diện của các bộ cảm biến

1.10.

Truyền dữ liệu

1.11.

Nhiễu trong các bộ cảm biến

25
30

và mạch

Chương 2 CÁM BIẾN QUANG..........................

niệm cơ bản về ánh

sáng

32

37

2.1.

Khái

2.2.

Các dơn vị đo quang

39

2.3.

Nguồn sáng

41

2.4.

Cảm

2.<5


37

46

biến quang điện

. Câm biến phát xạ

51

2.6.

Ưng dụng của cảm biến quang điện

53

2.7.

Mã vạch

54

2.8.

Cám

2.9.

Cảm biến quang điện tử theo dõi mục tiêu


•

biến quang điện từ logic mờ

59
67

trẽn cấu trúc

2.10.

Kỹ thuật nhận dạng hình ảnh

2.11.

Sừ dụng kỹ thuật quang điện

68

tử vànhận

dạng ảnh phối hợp với bộ nhớ dùng màn

hỉnh ành độ chính xác cao và đo lường

72


Câm biến nhìn tọa độ chuyển


2.12.

động robot

74

sử dụng cơng nghệ nhận dạng ảnh
Bộ phát hiện lửa

2.13.

75

Chương 3. S01 QUANG TRONG HỆ THỐNG CẢM B1ÉN DO . .

77

LƯÒNG VÀ DIÊU KHIỂN
3.1.

Khãi
truyền

niệm chung về sợi quang và hệ thống

dẫn quang

3.2.

Cơ sở lý thuyết vè sợi dẫn quang


79

3.3.

Sự truyềndẫn ánh sáng trong sợi quang

80

3.4.

Khấu độ sô NA

80

3.5.

Các dạng phân bố chiết suất trong sợiquang

81

3.6.

Cấu trúc chung của cáp

82

3.7.

Các thơng số của sợi quang


3.8.

Tính tốn

3.9.

Thừ nghiệm sợi quang

quang

83

tuyến truyền dần quang

86
88

3.10.

Mạng thơng tin cáp

quang

90

3.11.

Ngun lý làm việc


của cảm biến sợiquang

95

3.12.

Cấu trúc sợi quang

dùng cho cảm biến

109

Chương 4. CÂM BIẾN NHIỆT Độ.......................

4

77

112

4.1.

Thang nhiệt độ

4.2.

Nhiệt độ đo được và nhiệt

4.3.


Cảm biến nhiệt điện trở

115

4.4.

Nhiệt điện trở

118

4.5.

Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

119

4.6.

Do nhiệt độ bằng điot vàtranzito

127

4.7.

Cám biến quang đo nhiệt

128

4.8.


Nhiệt

kế áp suất

133

4.9.

Nhiệt

kê' áp suất khi

134

112
độc'ân đo

độ

114

4.10.

Nhiệt kế áp suất chất lỏng

135

4.11.

Hỉnh ảnh nhiệt quét


136

4.12.

Cảm biến siêu ầm nhiệt độ

143


Chương 5. CĂM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DI CHUYỂN.............

146

niệm chung

5.1.

Khái

5.2.

Do di chuyển nhỏ bàng phương pháp

146

147

sóng đàn hồi


Phát hiện di chuyên cơ học bàng phương pháp

5.3.

quang đàn hòi

161

Nhiễu xạ vi sai theo thời gian,

5.4.

167

nhiễu xạ kế doppler

5.5.

Cảm biến sợi quang đo

5.6

Cám biến tiếp cận

175

5.7.

Cám biến tiếp cận quang học


181

5.8.

Càm biến di chuyển sử

185

5.9.

Cảm biến vi so'ng

Bộ cảm biến phát

5.10.

vị tri và dichuyển

172

dụng tia laser

188
hiện hư hỏng trong các

bộ phận chuyển động của máy

189

5.11.


Bộ cảm biến điện tít

192

5.12.

Cảm biến điện dung

201

5.13.

Cảm biến đo dao động của cấu trúc

209

Chương 6. C ÁM BIÉN VẬN Tốc VÀ GIA TÓC.............

212

6.1.

Do tốc độ quay của động cư

212

6.2.

Tóc độ


kế sợi quang

218

6.3.

Gia tốc kế sợi quang

219

6.4.

Dối hướng kê' sợi quang

221

6.5.

Đổi hướng kế con quay hồi chuyển

223

6.6.

Cảm biến tốc độ quay thạch anh

224

6.7.


Ưng dụng con
điêu

quay hồi chuyến

khiển chuột

225

6.6.

Gia tốc kế rung

226

6.7.

Gia tốc kế điện dung

227

6.10.

Gia tốc kế áp trở

228

6.11


Gia tốc kê' áp điện

229

5


Chương 7. CÂM BIẾN BIẾN DẠNG

.....................

chung về cảm biếnbiến dạng

231

7.1.

Khái niệm

7.2.

Nguyên lý của cảm biến biến dạng

7.3.

(.lác loại

7.4.

Cám biến


7.5

Đàu đo trong chế độ động

238

Cám biến dao động sử dụng hiệu ứng Doppler

239

7.7.

Cảm biến ghép các sợi quang

240

7.8.

Ành toàn

241

7.G.

đầu đo

231

232


kim loại

233

áp trở silic

235

(hologram) giao thoa

ký

Kiếm tra trạng thái bồ mật

7.9.

Chương 8. CẤM BIẾN Lực VÀ ỨNG SUẤT

242

...............

cương về cảm biến đo lực và ứng suất.

244

8.1.

Đại


8.2.

Câm biến áp điện

245

8.3.

Cảm biến tù giảo

250

8.4.

Bộ cảm biến lực dựa trên việc

8.5.

Bộ cảm biến xúc giác

8.6.

Bộ cảm biến ứng suất siêuâm đo

244

đo dichuyển

251

252

biến

động

trong vật liệu

256

Chương 9. CẨM BIẾN f)() LƯU LƯỢNG VÀ THẺ: TÍCH CHẤT
U’)NG, KHÍ VÀ HƠI

...............

25X

9.1.

Khái

9.2

Cịng tơ thế tích

259

9.3.

Cơng tơ tốc độ


260

9.4.

Đo

niệm chung về cảm biến đo lưu lượng

lưu lượng bàng thay đổi độ giảm áp suất

Hệ thống đo lưu lượng theo nguyên lý độ

9.5.

258

262

266

giảm áp suất.

9.6.

Do lưu lượng các chất

9.7.

Lưu


lượng

kế mao dẳn

268

9.8.

Lưu

lượng

kế tù điện

269

9.9.

Cảm biến

đo mức

271

9.10.

6

khí có số Reynol nhỏ


Do tính chãt hóa lý cùa chất lỏng và

khí

268

282


Chương 10. CẨM BIẾN ÁP SUẤT CHẤT Lưu.............

296

10.1.

Khái niệm về áp suất

296

10.2.

Dụng cụ đo áp suất, bàng chất lỏng

297

cân thúy tỉnh

10.3.


Do áp suất bàng phàn tử

nhạy cảm

với biến dạng

300

10.4.

Màng

10.5.

Bộ chuyển đổi đo áp suất, bằng biến dạng,

303

phương pháp biến đổitrực tiếp
biến áp

10.6.

Câm

10.7.

Câm biến áp

suất áp trở


304
312

suất silic kiểu

điện dung

315

Chương 11. CÂM BIỂN DO CHÂN KHÔNG.................

317

niệm chung

317

11.1.

Những khái

11.2.

Dặt các cảm biến đo chân

11.3.

Các loại áp kế đo áp suất tổng


11.4.

Ap kế cơ

11.5.

Áp

kếMac Leod

321

11.6.

Ap

kế nhiệt

322

11.7.

Ap

kế ion

11.8.
11.9.

Ap

Do

khơng

khí

318

319
319

324

hóa

kếnhiệt phân tửvà phân

tử

áp suất riêng phần

11.10.

Vấn đê định chuẩn

11.11.

Hiệu chỉnh

11.12.


Kết luận

330
331

335

nhiệt độ

337
340

Chương 12. CĂM BIỂN PHÁT HIỆN VÀ DO ĐỘ ẨM........

341

12.1.

Khái niệm chung

341

12.2.

Phân loại ẩm kế

342

12.3.


Ẩm

12.4.

Ảm

kế điện

ly

345

12.5.

Ẩm

kếháp thu

347

12.6.

Ẩm

kế ngưng tụ

349

kế biến thiên trở


*

kháng

342

7


12.7.

Ám

12.8.

Phạm vi sử dụng cùa ẩm kế

kê' áp điện

352

Chương 13. CĂM BIỂN ĐIỆN HĨA VÀ Y SINH

335

...........

355


13.1.

Cảm

biến điện thế

355

13.2.

Cảm

biến dịng điện

361

13.3.

Càm biến độ dản

13.4.

Câm

13.5.

Vi cảm biến điện hóa

368


13.6.

Cảm biến y sinh

371

13.7.

Cảm biến quang định

363

biến phân tích

khí

365

lượng độ axit

cùa dung dịch
13.8.

Giao thoa

379

kế sợi quang nghiên cứu

381


chuyển động cùa màng nhỉ

Cảm biến cực nhạy phát hiện đơn phân

13.9.

13.10.

Cảm biến

13.11.

Cảm biến phát hiện với lượng lấy mẫu

phát

hiện

và điều trị ung thư phổi

rát. nhỏ

383

384

Chương 14. CẤM BIẾN BỨC XẠ HẠT NHÂN...............

386


14.1.

Đàu đo nhấp nháy

387

14.2.

Đâu đo ion ho'a chất khí

388

Chương 15. CÀM BIỂN DIỆN TỪ

.......................

394

15.1.

SQUID

396

15.2.

SQUID một chiềuSQUID DC

401


15.3.

(’ông nghệ chế tạo các chuyến đổi
Josephson

8

382

tử

và SQUID

15.4.

Thựchiện

15.5.

Giảm nhiễu ở tân số thấp

15.6.

Phối ghép

SQUID với

15.7.


Ung dụng

SQUID trong đo

404

SQUID một chiều

406

408

hệ thôngkhuếch đại

lường

409
410


lõ.8. Từ kế cực nhạy cục bộ

415

15.9.

416

Từ kế trong không gian tự do


15.10.

Càm biến

tìí trờ thayđổi rất nhiêu

417

15.11.

Ampe kế

sợi quang

420

15.12.

Cảm biến hiệu ứngHall

421

15.13.

Bolomet

423

15.14.


Cảm biến cộng hường từ hạt

Chương l(ỉ.

nhân

ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP CỦA TIA IIONG NGOẠI
chung của bộ cảm biến hồng ngoại

426

430

16.1.

Dạc tính

16.2.

Bộ

16.3.

Vật

16.4.

Bộ

16.5.


Các bộ cảm biến truyền diện tích

16.6.

Bộ

cảm biến hỏa điện

454

16.7.

Bộ

câm biến SPRITE

455

16.8.

Ưng dụng cùa cầm biến

16.9.

Hinh ảnh

430

436


cảm biến nhiệt
liệu sử dụng trong hỉnh

ảnh

nhiệt

441

443

cảm biến lượng tử

hòng ngoại

nhiệt hồng ngoại

Chương 17. CÁM BIỂN THÔNG MINH...................

444

456
468

476

17.1.

Khái niệm về cảm biên thơng minh


476

17.2.

Cấu trúc của một cảm biến thịng minh

478

17.3.

Các khâu chức nang của cảm biến thơng minh

479

17.4.

Các thuật

tốn xử lý cho câm biến

thông minh

17

5

Vi dụ vê cảm biến thông minh

TAI L1ÉƯ THAM KHĂO.........................................................................


485
497

502

9


Chương ỉ

KHÁI NIỆM Cơ BẨN VE CÁC BỘ CẨM BIÊN
Chương này có

tính

chất

nhập

mơn,

giới

thiệu

đặc

các


của các bộ cảm biến, phân loại các bộ cảm biến, nêu vai
cảm

biến

nguyên

trong kỹ

lý

thuật

vật lý cơ bản

đo lường và

điếu

ứng dụng trong kỹ

chung

tính

trị của các bộ

bày

khái


qt

thuật cảm biến.

Tiếp

theo

khiển.

Trình

trình bày nhừng đặc trưng đo lường, chuẩn hóa tín hiệu đo và các mạch

đo cơ bản ứng dụng trong cảm biến, vấn để nhiễu tác động đến hệ thống
đo lường-điều khiển.

1.1 ĐỊNH NGHĨA
Trong các hệ thơng đo lường-điều khiển mọi q trình đểu được đặc
trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen... Các

biến trạng thái này thường là các đại lượng khơng điện. Nhằm mục đích
điếu chỉnh, điểu

khiển các q trình ta cần thu thập thơng tin,

đo đạc,

theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm

biến

thực hiện chức

năng này,

chúng thu

nhận

và đáp

ứng với

các

tín

hiệu và kích thích, là "tai mát" của các hoạt động khoa học và công nghệ
của con

người.

Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị

cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích.
Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín

hiệu bên ngồi có đặc tính điện ho'a, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ
như


hoạt

động của

hệ

thổn

kinh...

khiển thơng tin được truyền tải

Trong các

q

trình

và xử lý dưới dạng điện

đo

lường-điều

nhờ sự truyền

tải của các điện tử.
11



Theo mơ hình mạch ta co' thể coi bộ cảm biến
cửa

(hình

1.1)

là đáp ứng

1.1.

Hình

ỵ

của bộ cảm biến với

mơ

tả quan

hệ

một mạng hai

kích thích đấu vào X.

Mơ hình mạch của bộ cảm biến


Phương trinh

như

trạng thái cấn đo X và cửa ra

trong đo' cửa vào là biến

Hlnh

1.2.

Hệ thống diều khiển tự dộng
quá trình
ứng y

giữa đáp

và

kỉch

thích X

của

bộ cảm biến có dạng :

=


y

(1.1)

f(x)

Quan hệ (1.1) thường rất phức tạp vì có q nhiều yếu tố ảnh hưởng
tới quan hệ đáp ứng - kích thích.

Trong các hệ thống đo lường-điều khiển hiện đại quá trình thu thập

và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm.
Trong sơ đổ hình

quá trình

1.2

các biến

trạng thái

bộ cảm

biến được phối ghép với bộ vi

và được

(đối


tượng) được đặc trưng

biến thu nhận.

các bộ cảm

xử lý

bàng

Đấu ra cùa

qua các giao diện.

Đẩu

ra

của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên

q trình

(đối

tượng).

Đây

tượng),


trong đó bộ cảm

giá các

thơng số của hệ

là sơ đố

biến

khiển

điều

do'ng vai

tự động quá

trò cảm nhận,

thống. Bộ vi xử lý

làm nhiệm

đo

vụ

đạc


trình

(đối

và đánh

xử lý thơng

tin và đưa ra tín hiệu điểu khiển quá trình.

1.2 . PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẨM BIEN
Các bộ cànx biến có thể được phân

loại theo các phương pháp khác

nhau.

Ị.2.Ỉ. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Các nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích tóm tắt trong
bảng
12

1.1.


Bủng ỉ.l
Nguyên lý chuyển đổi đáp ứng và kích thích
Hiện tượng

Chuyên dổi dáp ứng và kích thích


Nhiệt diện
Quang diện
Quang từ
Điện từ
Quang dàn hổi
Từ diện
Nhiệt từ
Nhiệt quang...

Vật lý

Hóa học

Biến dổi hóa học
Biến dối điện hóa
Phân tich phố..

Sinh học

Biến dổi sinh hóa
Biến dổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống
Phân tích phơ’.

1.2.2. Theo dạng kích thích có thể phún chiu các bơ cùm biên như sun
Bảng 1.2 trình bày cách phân loại bộ cảm biến theo dạng kích thích.

Bàng 1.2
Phân loại bộ càm biên theo dạng kích thích

Các dặc tính cùa kích thích

KÍch thích

Âm thanh

- biên pha. phân cực
- phơ’
- tốc dộ truyền sóng...

Điện

- điện tích, dịng diện
- điện thế. diện áp

- diện trường (biên pha, phân cực, phô’)
- điện dẫn, hằng số diện mõiTừ

- từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- từ thông, cường dộ từ trường

- độ từ thầm...

*

Quang

- biên pha, phân cực, phổ

- tốc dộ truyền

- hệ số phát xa. khúc xạ

- hệ số hấp thụ. hê số bức xạ13


Tiếp bảng 1.2
Các dặc tính cùa kích thích

Hiện tượng

Cơ

-

vị tri
lực. áp suất
gia tốc, vận tốc
ứng suất, độ cứng
mômen
khối lượng, tỷ trọng
vận tốc chất lưu. dộ nhớt-

- nhiệt dộ
- thông lượng
- nhiệt dung, tỳ nhiệt...

Nhiệt

Bức xạ


- kiểu
- năng lượng
- cường độ...

1.2.3. Theo lính nung các hộ cảm hiến
Các bộ cảm biến có thể phân loại theo tính

nàng (bảng

1.3).

Bàng 1.3
Phân loại các bộ cảm biên theo tính năng
-

Độ nhạy
Độ chính xác
Độ phân giải
Độ chọn lọc
Độ tuyến tính
Cơng suất tiêu thụ
Dải tần
Dộ trề

-

Khả năng quá tải
Tốc độ dáp ứng
Dộ ổn định (ngăn hạn và dài hạn)
Tuổi thọ

Diều kiện mơi trường
Kích thước, trọng lương-

1.2.4. Theo phạm vi sử dụng các bô cùm biến
Theo phạm vi sử dụng, các bộ cảm biến có thể phân chia thành các

loại như bảng

1.4.

Bảng 1.4
Phạm vi sử dụng các bộ càm biến
• Cơng nghiệp
- Nghiên cứu khoa học
- Mơi trường, khí tượng
- Thơng tin, viễn thơng
- Nơng nghiệp
- Dân dụng
- Giao thông
- Vũ tru
- Quân sự14


Theo thơng số cùa mơ hình mạch thay thẽ

1.2.5.

Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thơng số
-


Cảm biến tích cực (co' nguồn) đấu ra là nguốn áp hoặc nguồn dịng.

-

Cảm biêh thụ động (khơng nguốn) được đặc trưng bằng các thơng

số R.

L,

c,

M,

tính hoặc phi tuyến.

... tuyến

1.3. CÁC ĐON VỊ ĐO LƯÒNG
Các đơn

vị

đo

lường cơ sở

International d’ Unites)

của


hệ

đơn

vị

quốc

tế SI

(le

Système

như trong bảng 1.5.

Bàng 1.5
Đơn vị cơ bân hệ SI
Đại lượng

Tên gọi

Ký hiệu

Đưộc dịnh nghĩa (từ nảm)

Chiểu dài

mét


m

chiểu dài dường truyền ánh sáng trong chân

khơng trong khoảng thịi gian 1/299 792 458
giây (1983.)
Khối lương

kilogam

kg

mẫu quà cân platin-indi (1889)

Thòi gian

giây

s

khoảng thòi gian 9 192 613 770 chu kỳ bức

xạ ứng với chuyên dổi giữa hai mức siêu
mịn trạng thái Cổ bản cúa nguyên tú Cesium

133 (1967)
Dòng diện

ampe


A

lực bằng 2.10’7

N trên 1 mét dái cùa hai

dây dẫn mang diên trong chân không dảt
cách nhau 1 mét (1946)

Nhiệt dộ nhiệt động

kelvin

K

1/273.16 cùa nhiệt độ nhiệt dóng của diểm
bội ba cùa nước (1967)

Lượng vật chất

mol

mol

lượng vât chất chứa trong 0,012 kg
cacbon 12 (1971)

Cường dộ sáng


candela

Cd

cường dô sáng theo một phương dâ cho
của một nguồn bữc xạ tia dơn sắc có tần
số 540.10 12Hz và cường dộ năng lượng theo

phương này là 1/683 w/steradian (1967)
Từ các đơn vị cơ bản người

ta xây dựng các đơn vị

dẫn xuất.

15


1.4. CÁC ĐẶC TRƯNG co BẢN CỦA BỘ CẢM BIEN
Theo

đen,

có

(1.1).

điểm

quan


hệ đáp

quan

mạch

ta

bộ

cảm

biến

ứng-kích

thích

được biểu

diễn

bằng phương trình

một

như

hộp


lượng cơ bàn của bộ

nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ

Ta co' thể định

cảm biến

coi

hệ này được đặc trưng bằng nhiểu đại

Quan

cảm biến.

hình

mơ

:

như sau

Ị.4.1. Hùm Iruỳên
Quan

hệ


đáp

giữa

dạng bàng giá

dưới

thích,

y

kích

tính,

kích

graph

hoặc

trị,

thích.

truyền có

Hàm


biểu

của

thức

bộ cảm

tốn

biến

học.

có

X

Gọi

thể được biểu

thê

cho

ỉà

kích


diễn dưới dạng tuyến

hàm luỹ thừa hoặc hàm

tuyến, theo hàm logarit,

phi

thích

hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp

hiệu điện đáp ứng,

là tín

ứng và

ứng và

mũ.

Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kỉch thích co' dạng :

a +

y =
ở đây

a


là hằng sổ bằng tín

là độ nhạy,

độ,

y

bx

hiệu

(1.2)

ra

khi

tín

hiệu

vào bàng khơng,

b

là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên

tấn số hoặc pha tùy theo các tính chất của bộ cảm biến.


truyền logarit

Hàm

co' dạng
y

1

—

(1.3)

blnx

+

Dạng mũ :
y

=

aeLx

(1.4)

Dạng lũy thừa :

=


y

ao +

a^

(1.5)

là hằng số.

ở đây Ả’

Các bộ cảm biến phi tuyến không thê’ được đặc trưng bàng các hàm
truyén kể trên, trong trường hợp này ta phải sù dụng các hàm gần đúng

là các đa

Đối
nhạy

b

thức bậc cao.

với

hàm

truyền


phi

tuyến,

hoặc hàm

truyền ở chế độ động độ

phải được định nghĩa theo biểu thức :

b

=

(1.6)

dx
Trong

nhiéu

trường hợp

ta

có

thể


làm

gấn

đúng

tuyến bàng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.

16

hàm

truyền

phi


ỉ.4.2. Đơ lớn cùa tín hiệu vào
Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ

biến

cảm

mà

sai

số


không vượt,

quá

ngưỡng cho

Đối

phép.

với

các

bộ

cảm biến co' đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được
biểu diễn bằng dexibel, bàng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của
ra và tín hiệu vào :

tín hiệu

u2
20 lg-±
U1

P2

ldB


=

101g

=

P1

tỷ số điện áp

Quan hệ giữa tỷ số công suất,
theo dexibel được cho trong bảng

(1.7)

(hoặc dịng điện)

tính

1.6.

Bàng 1.6.
Quan hệ giữa tỳ số công suất, diện áp theo dexibel
Đexibel

10

10

20


30

40

50

60

70

80

90

100

Tỷ sô công suất

1023 1,26

10

100

103

104

105


106

107

10ố

109

101°

Tỷ sơ diện áp (dịng diện)

1012

3.16

10

31,6

100

316

103

3162

104


3.104

105

0.1

112

1.4.3. Sai SỐ và độ chinh xúc
bộ

Các

cảm

biến

cũng như

(cảm nhận)

lượng cấn đo

còn

các

chịu


dụng cụ

đo

tác động của

lường

khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị

đo.

cần

Gọi Ax độ lệch

tuyệt đối giữa giá trị đo

khác,

nhiều đại

ngoài

đại

lượng vật lý

thực của đại lượng


và giá trị

thực X, sai

số tương đối của bộ ‘cảm biến được tính bàng :

Ax

ỗ% = — •

(1.8)

100

X

Ax - là sai số tuyệt đối.

VÍ dụ
\nini

:

Một bộ cảm

nên sai số tuyệt đối là

biến là

chuyển


10,õ -

thảng có

tạo nên điện

độ

nhạy

áp

ImV trên

10,5mV thi

tạo

10 = 0,5/nV. Sai số tương đối của bộ cảm

:

ỗ%
Trên

hình

1.3 biểu


0,5
= -777-100

diễn

các giới hạn sai số của nó.
’ ■ K % L r

t THU Vlễí t
---- —

di

Nếu di chuyển

chuyển.

di

biến

___ I

hàm

=

5%.

truyén


của

bộ

cảm

biến

lý

tường và


Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân chúng thành
loại : sai sô hệ thống và sai số ngẫu

Sai sô hệ thống
không đổi

lệch

nhiên.

là sai sổ không phụ thuộc vào số lần đo. có giá trị

hoặc

thay


đổi

chậm

đổi

giữa

giá

trị

khơng

hai

theo

thực

thời

và

giá

gian

trị


và

thêm

được.

Sai

đo

đo

vào

số

một độ

hệ

thống

thường đo sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt.
nhân gây sai số

Các nguyên

hệ thống co' thể là :
- Do nguyên lý của cảm


biến

- Giá
chuẩn

lượng

đại

trị

không đúng,

- Do

đặc

tính

của

bộ

và

chể

cảm biến.
- Do


kiện

điểu

độ sử dụng.

-

Do xử lý kết quả đo.

Sai số ngẫu nhiên
số

xuất

hiện

có

độ

là sai

lớn

và

chiều khơng xác định,

Có


dự

thể

đốn

được

một số ngun nhân của sai
số

ngẫu

nhưng

nhiên

thể đự đốn

độ

lớn

khơng

và

dấu
Hlnh


cùa

nó.

1.3.

Xác dinh sai số cùa bộ cảm biến.

Những nguyên nhân

gây sai số ngẫu nhiên co' thể là

:

-

Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị,

-

Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên,

- Do các đại lượng ảnh hưởng như các thơng số mơi
độ,

độ ẩm,

điện từ trường,


độ

rung

...)

khơng được

tính

trường (nhiệt
đến

trong

khi

chuẩn cảm biến. Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện

pháp thực
của

nhiễu,

nghiệm thích

tự

động điéu


hợp

như bào

chỉnh

điện

vệ các

áp

mạch

nguồn

đo tránh

ni,

bù

các

ảnh

hưởng

ảnh


hưởng

nhiệt độ, tấn số, vận hành sử dụng đúng chê' độ hoặc thực hiện phép đo

lường thống kê.

18

UHT


1.5. CH VAN CAC BỌ CAM BIEN
Chuẩn

các bộ cảm

biến

xác định dưới

nhàm

dạng đổ

giải

thị,

tích


mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất

cả các yếu

Các

tố ảnh hưởng.

là

thể

thơng số ảnh hưởng có

các

lượng vật.

đại

liên

lý

đến đáp ứng như độ lớn, chiểu và tốc độ biến thiên của các

quan

kích thích.


Ngồi ra chúng cũng có thể là các đại lượng vật lý khơng liên quan đến
kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi

hổi

đáp.

Thông thường các

trường như nhiệt độ,

biên độ,

tẩn số,

đại

vật

lượng

này

lý

và các

độ ẩm...

áp suất,


là

các

số

mơi

nguốn

như

thịng

thơng số của

điện áp làm việc của các bộ cảm biến.

Chuẩn đơn giản

1.5.1.

Chuẩn đơn giản là phép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động

lên

một

với


các

kích
đại

trường hợp

thích

xác

lượng và

định

và sử

khơng chịu

đặc biệt của các

kích

dụng một

tác

bộ


kích

động của

tĩnh,

thích

cảm biến
thích

khơng nhạy

này.

Dây

là

lượng có

nghĩa là các đại

giá trị không đổi. Trong những điều kiện này việc chuẩn cảm biến chính
là sự

kết hợp các giá trị hồn tồn xác định của kích thích với các giá

trị tương ứng của đáp ứng đầu ra. Có thể chuẩn các bộ cảm biêh bằng


một trong các phương pháp sau đây :

- Chuẩn trực tiếp : các giá trị khác nhau của

kích thích lấy từ

chuẩn hoặc các phẩn tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính

- Chuẩn giáp tiếp

xác

mẫu

cao.

: sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường

cong chuẩn và so sánh với bộ cảm biến

cấn định chuẩn và cả hai

được đặt trong cùng một điều

việc. Khi tác động lấn lượt, lên

hai

bộ


cảm

biến

bằng cùng

kiện làm

một

kích

thích

ta

nhận

được

các

kết

cùng

quả

tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn.


Lặp lại

với

các giá trị

khác nhau của

kích thích ta xác

định

được

đường cong chuẩn cho bộ cảm biến.

ỉ.5.2. Chuẩn nhiêu ữn
Khi bộ cảm biêh có chứa những phần tử có độ trễ, giá trị đáp ứng

khơng chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà cịn phụ thuộc
vào các giá trị trước đó của kích thích này.
chuẩn nhiều lấn theo trình tự sau đây

Khi đó cấn phải

tiến hậnh

:

- Đặt lại điểm 0 của cảm biến, đo' là điểm gốc khi kích thích bằng

khơng thì đáp ứng của bộ cảm biến

phải bằng khơng.


- Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đấu cho kích thích có giá trị cực
đại sau đó giảm dần, nhờ đó có thể xác định đường cong chuẩn theo cả

hai hướng kích thích tăng dần và giảm dần.

1.6. ĐỘ TƯYẾN TÍNH
Bộ cảm biến

dải

đó

nhạy

độ

là tuyến

gọi

khơng phụ

tính

thuộc


trong một

vào

giá

trị

trong

dải

kích

thích

nếu

của

kích

thích

tức là

độ

nhạy là một hằng số.

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên
đặc tuyến tĩnh và hoạt động của bộ cảm biêh là tuyến tính khi các kích

thích tác động còn nằm trong vùng này.

Trong chê' độ động, độ tuyến tính bao gồm sự khơng đổi của độ nhạy
tĩnh,

thời

đống

số

hệ

riêng,

giảm

cũng

*3

31k

3„A.

3..


khơng

phụ

thơng số

các

suy

hồi

đáp

như

tần

số

dao

Kich rhich

kích

vào

thuộc


quyết định

_________ ______________________

thích.

1.7. TÁC ĐỘNG NHANH
VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG
CỦA ĐÁP ỨNG
hổi

Để

đánh

giá

thời

gian

đáp

của

đáp

ứng

theo


kích
khái

độ

niệm

A

ta sử dụng

người

thích

cóc đáp ứng

động

tác

nhanh của bộ cảm biến. Thời
hổi

gian

thời

gian


đáp

từ

bắt

đầu

tác

khi

biến

thiên

khoảng

là

T

kích

khi

thích

động


cho

đến

của

đáp

ứng

chỉ cịn khác giá trị cuối một
giới hạn quỵ định e %. Thời

gian

đáp

hổi

chứng

tỏ

bộ

r càng

nhỏ


biến

đáp

cảm

ứng càng nhanh.

Khi

kích

bước

nhảy

tính

của

đáp

cảm

biến

co'

co'


thích

vị

đơn

20

thì

thể

đặc

bộ

của

ứng
co'

dạng sau đây (hình

dạng

những

1.4)

:


Hình

1.4.

Dạng các đáp ứng vối kich thước
bước nhảy đơn vj

động


-

Đáp ứng tức thời (A)

-

Đáp ứng trễ theo hàm mũ (B)

-

Đáp ứng tức thời và suy giảm (C)

-

Đáp ứng trễ và suy giảm (D)

-

Đáp ứng cộng hưởng dải


hẹp (E)

1.8. BỘ CẨM BIẾN TÍCH cực VÀ THỤ ĐỘNG
tích cực hoạt động như một nguồn áp hoặc nguồn

Các bộ cảm biến

dòng được biểu diễn bằng mạng hai cửa có nguồn cịn bộ cảm biến thụ

động được biểu diễn bàng mạng hai cửa khơng nguổn có trờ kháng phụ

thuộc vào kích thích. Sau đầy giới thiệu sơ lược các hiệu ứng vật lý ứng
dụng trong các bộ cảm biến tích cực.

Chi

về các

hơn

tiết

hiệu

ứng này và

trong các bộ cảm biến xin xem chi

ứng dụng cụ


thể của chúng

tiết ở các chương tiếp theo.

- Hiệu ứng cảm ứng diện từ
một

Khi

dẫn

thanh

chuyển

động trong từ

trường sẽ

xuất

hiện sức

điện động tỳ lệ với biến thiên từ thông, nghĩa là tỳ lệ với tốc độ chuyển
động của thanh dẫn.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ chuyển
động của vật thơng qua việc


sức

đo

(hình

nhà

hiện

sở

lý

điện

luận
từ

ứng

cảm

Hiệu ứng này do

lý

vật

phát


động

điện

1.5).

Anh

năm
cho

như

M.Faraday

các

động

máy phát điện,

là

cơ

thiết

bị


1831,

cơ

điện,

các dụng cụ

đo lường...

Hlnh

1.5.

Hiệu ứng cảm ứng diện tù.

- Hiệu ứng nhiệt diện
Năm

1821

T.J.Seebeck,

nhà vật lý Estonia phát hiện

hiệu

khi

ứng nhiệt điện


hai

dây dẫn co' bản chất ho'a học
khác

nhau

được‘hàn

kín

sẽ

xuất hiện một sức điện động
tỷ

lệ

(hình

với

1.6).

nhiệt

độ

mơi


hàn
Hlnh

1.6.

Hiệu ứng nhiệt diện.
21


Hiệu ứng này thường được ứng dụng đê’ đo nhiệt độ. Ngược lại khi
cho dịng điện chạy từ chất có bản chất hóa học

khác nhau sẽ tạo nên

chêch lệch nhiệt độ. Hiệu ứng này do nhà vật lý Pháp J.c.Peltier (1785
-

1845) phát hiện.

- Hiệu ứng hỏa diện
Một

số

tinh

hỏa

tinh


thể

chất

phân

cực

thể

gọi

là

điện

có

tính

điện

tự

phát

phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên
các


xuất,
dấu

mặt đối
hiện
phụ
r

diện

các

thuộc

•

của chúng

điện

vào độ

•

cực điện

Hiệu

trái


tích

............ ...

phân

•

(hình

Hình

1.7.

, ,.s

, ,

,

Hiệu ứng hịa diện.

1.7).

ứng hỏa

thường được

điện


ứng dụng

để

đo

thơng lượng cùa

bức xạ ánh sáng. Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng nhiệt độ của

chúng tăng lên làm thay đổi phân cực điện làm xuất hiện

điện áp trên

hai cực của tụ điện phụ thuộc vào quang thông d>.

- Hiệu ứng áp diện
Năm

1880 nhà vật lý Pháp Pii

Curie phát hiện hiệu ứng áp điện.

Khi tác động ứng suất cơ lên
bé mặt của vật liệu áp điện
(thạch

anh,

muối


Segnet...)

làm vật liệu bị biến dạng và

xuất hiện các điện tích bằng
nhau và trái dấu. Thơng qua
việc đo điện áp trên hai bản

cực tụ điện (hình

1.8)

ta có
Hình

thể đo được các đại lượng cơ

tác dụng lên vật liệu áp điện như

íp suất,

1.B.

Hiệu úng áp điện.

ứng suất...

- Hiệu ứng quang diện
Hiệu ứng quang điện do A.Einstein


phát hiện nám

1905.

Hiệu ứng quang điện có nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng cùng

22


chung

bản

một

phóng

giải

liệu

trong vật

xạ

bức

đó


hạt

dẫn

tác

dưới

sáng.

ánh

ứng

được

các

chất,

dụng

tự

do

dụng của

Hiệu


để

việc

là

chế

ứng

này

tạo

các

1.9).

cảm biến quang (hình

- Hiệu ứng quang diện từ
Verdet

Do

phát

hiện

năm


Hình

1.9.

Hiệu ứng quang diện

1863.

Khi
vng

tác

động

với

góc

một
xạ

bức

trường

từ

ánh


sáng

trong vật liệu bán dẫn được chiếu

sẽ

sáng

xuất

hiện

một

hiệu

điện

thê' theo phương vng góc với từ

trường

B

và

phương

bức


xạ

ánh

sáng.
Hình

1.10.

Hiệu ứng quang điện từ.

Hiệu ứng này được ứng dụng

trong các bộ cảm biến đo các đại

lượng quang hoặc biến

tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện

(hình

đổi các

thơng

1.10).

- Hiệu ứng Haỉl
1879 nhà vật lý Anh


Năm

E.H.Hall phát hiện

hiệu ứng này.

Trong vật liệu (thường là bán dẫn) co' dịng điện chạy qua đặt trong

B

từ trường
góc

6

có phương tạo thành

với dòng điện

I

sẽ xuất hiện

điện áp 1/ịỊ theo hướng vng
với

B

và


I
=

K

và có độ lớn

là

K.I.B.sinớ

góc

:
(1.9)

lằ hệ số phụ thuộc vào vật

liệu và kích thước của mẫu.
Hiệu

ứng Hall

được sử

dụng

Hình


1.11.

Hiệu ứng Hall.

để đo các đại lượng từ, đại lượng
điện hoặc xác định vị trí chuyển động (hình

1.11).

23


1.9. MẠCH GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIEN
1.9.1. Các đặc tính đâu vào của mạch giao diên
Dáp

nói chung khơngphù

ứng của các bộ cảm biến

phải phối hợp giữa đấu ra của bộ cảm biến và

tải. Cần

thống xử

lý

dữ


liệu.

Cơng việc

là

gọi

này

chuẩn

hóa

mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ này. Hình
đổ

hợp với

tải

vế

bộ cảm biến và

cơng suất,,., vì vậy cấn có mạch giaodiện giữa

điện áp.

đẩu vào của hệ


tín

hiệu

các

và

1.12 biểu diễn sơ

khối của mạch phối hợp tín hiệu ra của bộ cảm biến và tải.

Mặc

dù

quyển

sách

này

tập

trung

chù

yếu


vào

các

bộ

biến

cảm

nhưng mục này sẽ giới thiệu sơ lược các mạch giao diện thơng dụng giữa
bộ cảm biến và q trình đo lường và điều

Hình

1.12.

khiển.

Mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tài.

giao diện

Tổng trở vào của mạch

là tỉ số giữa điện áp và dịng điện

phức nhìn từ cửa vào của mạch


u
z = -?

(1.10)

I

Các dặc tính của bộ khuếch đai thuậl tốn (KĐTT)

1.9.2.

Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở các bộ khuếch
đại thuật

tốn.

Dó là các bộ khuếch đại

rất lớn và tổng trở vào rất

Bộ

khuếch

đại

thuật

lớn.


toán

mạch

hàng trăm tranzito và các điện trờ,

24

một chiếu có hệ số khuếch đại

tích

hợp

tụ điện co'

(hình

1.13.)

có

thể

chứa

:

-


Hai đấu vào, một đầu đảo (-) và một đầu không đảo (+),

-

Diện trở vào rất lớn, cỡ hàng t.rãm MQ hoặc có thể tới GQ,

-

Điện trở ra rất nhỏ (phấn chục Q),

-

Điện áp Jệch đấu vào eo rất nhỏ (cờ vài nV.)

-

Dòng điện phân cực đẩu vào zo rất nhỏ (cỡ pA),

-

Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn (Ao

-

Dải tần làm việc rộng,

=

100.000),