TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN VẬT LÝ
----------

CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Ngành: Sư phạm Vật Lý

Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

THẦY VƯƠNG TẤN SĨ
Giáo viên hướng dẫn:

NGUYỄN MINH TÀI
MSSV: 1100252

THẦY PHẠM VĂN TUẤN

Lớp: SP Vật Lý – K36

THẦY TRẦN THANH HẢI

Khóa: 36

Cần Thơ, 5/2014


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

LỜI CẢM ƠN
---------

Sau một khoảng thời gian nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn của mình.
Đó là kết quả của sự cố gắng của bản thân cùng với sự hướng dẫn tận tình của
quý thầy cô, đặc biệt là thầy Vương Tấn Sĩ đã cung cấp, tận tình hướng dẫn cho
tôi thực hiện đề tài. Ngoài ra còn có sự đóng góp ý kiến từ các bạn trong lớp Sư
phạm Vật lý, Lý - Tin, Lý - CN khóa 36.
Tuy đã rất cố gắng để hoàn thành luận văn, nhưng khó tránh khỏi những
thiếu sót, rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Cần Thơ, ngày 17 tháng 4 năm 2014
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Tài

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 2

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................

..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 3

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................

..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
..................................................................................................................
GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 4


SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .......................................................... 3
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................. 4
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 5
A. PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 9
I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI ........................................................................................ 9
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ............................................................................. 9
III. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .......................................................................................... 9
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................... 9
V. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ................................................................. 9
B. PHẦN NỘI DUNG .................................................................................................. 10
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN ......................................................... 10
I. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA BỘ CẢM BIẾN .................. 10
II. PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN ............................................................... 11
1. Theo dạng kích thích ....................................................................................... 11
2. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích ................................. 12
4. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến .......................................................... 13
5. Theo thông số của mô hình thực tế ................................................................. 13
III. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BỘ CẢM BIẾN ................................. 13
1. Hàm truyền (hàm chuyển đổi) ........................................................................ 13
2. Độ lớn của tín hiệu vào ................................................................................... 14
3. Sai số và độ chính xác ..................................................................................... 14
IV. CHUẨN CÁC BỘ CẢM BIẾN ..................................................................... 15

1. Chuẩn đơn giản ............................................................................................... 15
2. Chuẩn nhiều lần .............................................................................................. 15
V. ĐỘ TUYẾN TÍNH ........................................................................................... 15
1. Điều kiện có tuyến tính ................................................................................... 15
2. Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính ...................................................... 16
VI. TÁC ĐỘNG NHANH VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐÁP ỨNG............... 16
VII. CẢM BIẾN TÍCH CỰC VÀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG ............................ 17
1. Hiệu ứng cảm ứng điện từ ............................................................................... 17
2. Hiệu ứng nhiệt điện ......................................................................................... 17
3. Hiệu ứng hỏa điện ........................................................................................... 17
4. Hiệu ứng áp điện ............................................................................................. 18
5. Hiệu ứng quang điện ....................................................................................... 18
6. Hiệu ứng quang điện từ ................................................................................... 19
GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 5

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

7. Hiệu ứng Hall .................................................................................................. 19
VIII. MẠCH GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN .................................... 20
1. Các đặc tính đầu của mạch giao diện .............................................................. 20
2. Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA) ..................................... 20
3. Bộ khuếch đại đo lường IA (Instrumentational Amplifier) ............................ 21
3.1. Khử điện áp lệch đầu ra (hình 1.11) ......................................................... 21

3.2. Mạch lập lại điện áp (hình 1.12)............................................................... 22
3.3. Nguồn điện áp chính xác (hình 1.13) ....................................................... 22
3.4. Mạch cầu Wheatstone (hình 1.14) ............................................................ 22
IX. TRUYỀN DỮ LIỆU ....................................................................................... 23
1. Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây ..................................................... 23
2. Đường truyền bốn dây .................................................................................... 23
3. Đường truyền sáu dây ..................................................................................... 23
X. NHIỄU TRONG CÁC BỘ CẢM BIẾN VÀ MẠCH .................................... 24
CHƯƠNG II. SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG HOẠT
ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG DỤNG THỰC
TIỄN .......................................................................................................................... 25
I. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC BỘ CẢM BIẾN ............................................ 25
II. ỨNG DỤNG ..................................................................................................... 25
1. Ứng dụng của quang trở trong mạch tự động bật đèn khi trời tối .................. 25
1.1. Sơ đồ thiết kế mạch .................................................................................. 25
1.2. Sơ lược về các thành phần của mạch ....................................................... 26
1.2.1. Quang trở ........................................................................................... 26
1.2.2. Transistor (T) ..................................................................................... 26
1.2.2.1. Cấu tạo ........................................................................................ 26
1.2.2.2. Nguyên tắc hoạt động ................................................................. 27
1.2.2.3. Ký hiệu và hình dạng .................................................................. 28
1.2.2.4. Cách xác định chân E, B, C của Transistor ................................ 29
1.2.3. Rơ-le điện từ ...................................................................................... 30
1.3. Hoạt động của mạch ................................................................................. 31
1.4. Kết luận .................................................................................................... 32
2. Mạch cảnh báo trộm dùng IC 555 ................................................................... 34
2.1. Sơ đồ thiết kế mạch .................................................................................. 34
2.2.1. Thyristor (SCR) ................................................................................. 34
2.2.2. Phototransistor (Quang Transistor) ................................................... 35
2.2.3. Giới thiệu IC 555 ............................................................................... 35

2.2.3.1. Sơ lược về IC 555 ....................................................................... 35

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 6

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

2.2.3.2. Hình dạng và sơ đồ chân ............................................................. 36
2.2.3.3. Chức năng từng chân của 555 ..................................................... 36
2.2.3.4. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động ................................................ 37
2.3. Hoạt động của mạch ................................................................................. 38
2.4. Kết luận .................................................................................................... 41
3. Mạch báo nước cạn và tự động bơm nước đầy ............................................... 41
3.1. Sơ đồ thiết kế mạch .................................................................................. 41
3.2. Sơ lược về các thành phần chính của mạch.............................................. 42
3.3. Hoạt động của mạch ................................................................................. 43
3.4. Kết luận .................................................................................................... 44
4. Mạch điện tự điều chỉnh nhiệt độ nước của bể nuôi cá cảnh dùng cảm biến
nhiệt điều khiển Opto - Coupler Phototransistor ................................................ 45
4.1. Sơ đồ thiết kế mạch .................................................................................. 45
4.2. Hoạt động của mạch ................................................................................. 45
4.3. Kết luận .................................................................................................... 46
CHƯƠNG III. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM VẼ MẠCH ....................................... 47
I. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH .................................................................... 47

II. VẼ MỘT MẠCH NGUYÊN LÝ BẰNG ORCAD CAPTURE .................... 47
1. Khởi động Capture .......................................................................................... 47
2. Tạo một Project mới........................................................................................ 48
2.1. Cửa sổ Capture ......................................................................................... 48
2.2. Tạo một New Project ................................................................................ 48
2.3. Thiết lập kích thước cho bản vẽ ............................................................... 51
2.4. Một số công cụ hay dùng trong việc vẽ mạch nguyên lý ......................... 52
3. Vẽ sơ đồ nguyên lý ......................................................................................... 53
3.1. Tìm linh kiện ............................................................................................ 53
3.2. Đặt linh kiện ............................................................................................. 56
3.3. Sắp xếp linh kiện ...................................................................................... 57
3.4. Chạy dây và hiệu chỉnh linh kiện ............................................................. 58
4. Kiểm tra lỗi sơ đồ nguyên lý ........................................................................... 59
III. TẠO LINH KIỆN MỚI TỪ CỬA SỔ CAPTURE ..................................... 60
1. Giới thiệu ........................................................................................................ 60
2. Các bước tạo linh kiện mới ............................................................................. 60
2.1. Tìm datasheet ........................................................................................... 61
2.2. Phân tích datasheet ................................................................................... 61
2.3. Khởi động Capture ................................................................................... 62
2.4. Tạo thư viện chứa linh kiện ...................................................................... 62

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 7

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp


Cảm biến và ứng dụng

2.5. Bắt đầu tạo linh kiện................................................................................. 64
2.5.1. Tạo từng nhóm chân linh kiện ........................................................... 65
2.5.2. Chỉnh sửa và vẽ đường bao ............................................................... 69
2.5.3. Lưu..................................................................................................... 69
CHƯƠNG IV. THIẾT KẾ MẠCH VÀ THI CÔNG ĐỀ TÀI .............................. 70
I. MACH ĐẾM SẢN PHẨM DÙNG CẶP LED THU PHÁT HỒNG NGOẠI
VỚI IC SỐ ............................................................................................................. 70
1. Sơ đồ mạch nguyên lý ..................................................................................... 70
2. Nguyên lý hoạt động của mạch ....................................................................... 70
2.1. Giới thiệu sơ lược về nguyên lý hoạt động .............................................. 70
2.2. Phân tích nguyên lý hoạt động của từng phần.......................................... 70
2.2.1. Mạch phát tín hiệu hồng ngoại .......................................................... 71
2.2.2. Mạch thu tín hiệu hồng ngoại ............................................................ 71
2.2.3. Bộ đếm với hai IC 4518 và bộ giải mã với ba IC 4511 điều khiển led
7 đoạn hiển thị số ......................................................................................... 72
2.2.3.1. Giới thiệu và nguyên lý hoạt động của IC đếm 4518 ................. 72
2.2.3.2. Giới thiệu và nguyên lý hoạt động của IC giải mã 4511 ............ 74
2.2.4. Led 7 đoạn Catod chung .................................................................... 76
2.4. Nguyên lý hoạt động tổng quát của mạch đếm sản phẩm ........................ 77
3. Sơ đồ mạch in và hình ảnh mạch thực nghiệm ............................................... 78
4. Ưu - khuyết điểm của mạch ............................................................................ 79
4.1. Ưu điểm .................................................................................................... 79
4.2. Khuyết điểm ............................................................................................. 79
II. MẠCH CẢNH BÁO TRỘM DÙNG CẶP LED THU PHÁT HỒNG
NGOẠI VÀ IC NE555 .......................................................................................... 80
1. Sơ đồ mạch nguyên lý ..................................................................................... 80
1.1. Sơ đồ mạch cảnh báo trộm ....................................................................... 80
1.2. Sơ đồ mạch nguồn .................................................................................... 80

1.3. Sơ đồ mạch phát tín hiệu cảnh báo........................................................... 81
2. Nguyên lý hoạt động của mạch ....................................................................... 82
3. Ưu - khuyết điểm của mạch ............................................................................ 83
4. Sơ đồ mạch in.................................................................................................. 83
5. Kết quả thực nghiệm ....................................................................................... 84
C. PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 86

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 8

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

A. PHẦN MỞ ĐẦU
I. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành điện tử
đã ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Ngày nay với ứng dụng của khoa học kỹ
thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện
đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo nên hàng loạt thiết bị với những đặc
điểm nổi bật như sự chính xác cao, gọn nhẹ, tốc độ nhanh là những yếu tố rất cần thiết
để góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả.
Điện tử đang trở thành một nghành học đa nhiệm vụ. Điện tử đã góp phần đáp
ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công - nông - ngư nghiệp cho
đến nhu cầu cần thiết cho hoạt động đời sống hằng ngày. Một trong những ứng dụng

rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử là lĩnh vực cảm biến, một lĩnh vực khá
quan trọng trong môi trường cuộc sống hiện đại ngày nay. Xuất phát từ nhiều ứng dụng
thực tế của mạch cảm biến trong đời sống và niềm đam mê học hỏi sáng tạo tôi quyết
định chọn đề tài “Cảm biến và ứng dụng” làm đề tài luận văn tốt nghiệp của mình.
II. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Việc sử dụng các cảm biến ngày nay đang trở nên phổ biến và gần gũi hơn với tất
cả mọi người vì vậy chúng ta cần nghiên cứu để tìm hiểu sâu về lĩnh vực này từ đó có
những ứng dụng thực tế phục vụ cho đời sống hằng ngày, hạn chế đi phần nào sức lao
động của con người.
Mục đích chính của đề tài là đưa khái những khái niệm tổng quan nhất về cảm
biến, một lĩnh vực rất quan trọng của ngành công nghệ điện tử, từ cơ sở đó sử dụng
phần mềm mô phỏng một số mạch cảm biến đơn giản và đưa ra ứng dụng thực tế đồng
thời tiến hành ráp một số mạch thực tế.
III. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Do kiến thức và thời gian thực hiện đề tài có giới hạn nên đề tài còn một số hạn
chế nhất định, nếu có điều kiện sẽ tiếp tục nghiên cứu để đề tài được hoàn thiện hơn.
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
 Nghiên cứu lý luận:
- Tham khảo tài liệu có liên quan đến đề tài thực hiện.
- Phân tích tài liệu và chọn thông tin phù hợp.
- Nghiên cứu tìm hiểu các thành phần, cách sử dụng phần mềm và các thiết bị,
phương tiện để ráp mạch thực tế.
- Thiết kế mạch in cho các mạch.
 Thực hành: Tiến hành ráp các mạch thực tế.
V. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Nhận đề tài, xác định nội dung cần thực hiện.
- Lập đề cương tổng quát.
- Tham khảo thu thập các tài liệu có liên quan.
- Thực hiện đề tài.
- Viết bản thảo nộp GVHD và tham khảo ý kiến của GVHD.

- Chỉnh sửa và hoàn tất nội dung đề tài.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 9

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

B. PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN
I. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CHUNG CỦA BỘ CẢM BIẾN
Trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều đặc trưng bởi các
cảm biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment… Các biến trạng thái này
thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá
trình ta cần thu thập thông 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 các tín
hiệu kích thích. Các bộ cảm biến thường định nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp
ứng với các tín hiệu kích thích.
Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên
ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần
kinh… Trong các quá trình đo lường - điều khiển thông tin được truyền vào tải và xử lí
dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử.
Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình 1.1)
trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra đáp ứng y của bộ cảm biến với
kích thích đầu vào x, w(t) là hàm truyền đạt.

Ngõ vào x(t)
(Kích thích)

Bộ cảm biến
w(t)

y(t)

Ngõ ra
(Đáp ứng)

Hình 1.1: Mô hình mạch của bộ cảm biến.
Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến có
dạng:
y = f(x) (1)
Quan hệ (1) rất phức tạp vì có quá 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.
Chương trình

Bộ cảm biến
áp 5V

Bộ vi xử lý

Cơ cấu chấp hành

Hình 1.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình.
Quá trình được đặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu
nhận. Đầu ra của bộ cảm biến được nối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. Đầu ra

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 10

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

của bộ vi xử lý được nối ghép với bộ cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình.
Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm
nhận, đo đạc và đánh giá thông số của hệ thống. Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông
tin và đưa tín hiệu điều khiển quá trình.
II. PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN
Các bộ cảm biến có thể phân loại theo theo các phương pháp khác nhau sau đây.
1. Theo dạng kích thích
Kích thích
Âm thanh

Các đặc tính của kích thích
- 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
- Độ từ thẩm

Quang

Cơ

- Biên, pha, phân cực, phổ
- Tốc độ truyền
- Hệ số phát xạ, khúc xạ
- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ
- Vị trí
- Lực, áp suất
- Gia tốc, vận tốc
- Ứng suất, độ cứng
- Momen
- Khối lượng, tỉ trọng
- Vận tốc chất lưu, độ nhớt

Nhiệt

- Nhiệt độ
- Thông lượng
- Nhiệt dung

- Tỉ nhiệt

Bức xạ

- Kiểu
- Năng lượng
- Cường độ

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 11

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

2. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tượng

Vật lý

Chuyển đổi đáp ứng và kích thích
- Nhiệt điện
- Quang điện
- Quang từ
- Điện từ
- Quang đàn hồi

- Từ điện
- Nhiệt từ
- Nhiệt quang

Hóa học

- Biến đổi hóa học
- Biến đổi điện hóa
- Phân tích phổ

Sinh học

- Biến đổi sinh hóa
- Biến đổi vật lý
- Hiệu ứng trên cơ thể sống

3. Theo tính năng các bộ cảm biến
- Độ nhạy
- Độ chính xác
- Độ phân giải
- Độ chọn lọc
- Độ tuyến tính
- Công suất tiêu thụ
- Dải tần

GVHD: Vương Tấn Sĩ

- Độ trễ
- Khả năng quá tải
- Tốc độ đáp ứng

- Độ ổn định (ngắn, dài hạn)
- Tuổi thọ
- Điều kiện môi trường
- Kích thước, trọng lượng

Trang 12

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

4. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến
- Công nghiệp
- Nghiên cứu
- Môi trường, khí tượng
- Thông tin, viễn thông
- Nông nghiệp
- Dân dụng
- Giao thông
- Vũ trụ, quân sự
5. Theo thông số của mô hình thực tế
Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số:
- Cảm biến tích cực (có nguồn): đầu ra là nguồn áp hay nguồn dòng được biểu
diễn bằng mạng hai cửa có nguồn.
- Cảm biến thụ động (không nguồn): được biểu diễn bằng mạng hai cửa không
nguồn có trở kháng phụ thuộc vào kích thích, được đặc trưng bởi thông số R, L,
C, M… tuyến tính hoặc phi tuyến.

III. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BỘ CẢM BIẾN
Theo quan điểm mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một hộp đen, có
quan hệ đáp ứng - kích thích được biểu diễn bằng phương trình y = f(x). Quan hệ này
được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản của bộ cảm biến. Ta có thể định nghĩa các
đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau:
1. Hàm truyền (hàm chuyển đổi)
Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới bảng giá trị
graph hoặc biểu thức toán học. Gọi x là kích thích y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền
cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể biểu diễn dưới dạng
tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit hàm lũy thừa hoặc hàm mũ.
Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng:
y = a + bx
Ở đây a là hằng số tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng 0, b là độ nhạy, y là một trong
các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất
của bộ cảm biến.
- Hàm truyền logarit có dạng:
y = 1 + blnx
- Dạng mũ:
y = ae kx
- Dạng lũy thừa:
y = a0 + a1xk
Ở đây k là hằng số.
Các bộ cảm biến phi tuyến không thể được đặc trưng bằng các hàm truyền kể
trên, trong trường hợp này ta phải sử dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc cao.
Đối với hàm truyền phi tuyến hoặc hàm truyền ở chế độ động, độ nhạy phải được
định nghĩa theo công thức:

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 13


SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

dy(x0 )
dx
Trong nhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm phi tuyến bằng phương pháp
tuyến tính hóa từng đoạn.
2. Độ lớn của tín hiệu vào
Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai
số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến
ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số
công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào.
b

1dB  10lg

P2
u
 20lg 2
P1
u1

3. Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo
(cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác nên gây sai số giữa giá

trị đo và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi  x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo
và giá trị x, sai số tương đối của bộ cảm biến tính bằng:
δ

Δx
.100
x

Khi đánh giá sai số của bộ cảm biến ta thường phân 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 đo, giá trị không đổi hoặc
thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và
giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử
dụng không tốt.
Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống:
+ Do nguyên lý cảm biến
+ Giá trị đại lượng chuẩn không đúng
+ Do đặc tính của bộ cảm biến
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng
+ Do xử lý kết quả đo
- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Có thể
dự đoán một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán độ lớn và
dấu của nó.
Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên:
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
+ Do các đại lượng ảnh hưởng như thông số môi trường không được tính đến
trong khi chuẩn cảm biến. Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số
phương pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng
của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ,

tần số, vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 14

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

IV. CHUẨN CÁC BỘ CẢM BIẾN
Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải thích mối liên hệ
giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả yếu tố ảnh hưởng.
Các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật lý liên quan tới đáp ứng như
độ lớn, chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích. Ngoài ra chúng có thể là các đại
lượng vật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử
dụng và làm thay đổi hồi áp. Thông thường các đại lượng vật lý này là các thông số
môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm... và các thông số của nguồn như biên độ, tần
số, điện áp làm việc của các bộ cảm biến.
1. Chuẩn đơn giản
Chuẩn đơn giản là phép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích
thích xác định và sử dụng một bộ cảm biến không nhạy với các đại lượng không chịu
tác động của kích thích này. Đây là trường hợp đặc biệt của các kích thích tĩnh, nghĩa
là các đại lượng có giá trị không đổi. Trong điều kiện này việc chuẩn các cảm biến
chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với các giá trị tương
ứng của đáp ứng đầu ra. Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một trong các phương
pháp sau đây:

- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các
phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao.
- Chuẩn gián tiếp: sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so
sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều
kiện làm việc. Khi tác động lần lượt lên hai cảm biến cùng một kích thích ta nhận
được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn.
Thực hiện lại các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong
chuẩn của bộ cảm biến.
2. Chuẩn nhiều lần
Khi bộ cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ (trễ cơ hoặc trễ từ) giá trị đáp
ứng không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các
giá trị trước đó của kích thích này khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình
tự sau đây:
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến, đó là điểm gốc khi kích thích thì đáp ứng của bộ
cảm biến phải bằng không.
- Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đầu 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 tăng dần
và giảm dần.
V. ĐỘ TUYẾN TÍNH
1. Điều kiện có tuyến tính
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó
độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Nếu như cảm biến không phải là
tuyến tính, người ta có thể dựa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính
hóa, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên các đặc tuyến
tĩnh và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào các đại lượng đo còn ở trong
vùng này.
GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 15


SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế
độ tĩnh s(0) vào đại lượng đo m, đồng thời các thông số quyết định đáp ứng (như tần số
riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ) cũng không phụ thuộc vào đại lượng
đo.
2. Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính
Khi chuẩn cảm biến người ta làm thực nghiệm nhận được một loạt các điểm
tương ứng của si, mi. Ngay cả trong trường hợp về mặt lý thuyết cảm biến là tuyến tính
thì các điểm này cũng không nằm trên một đường thẳng. Đó là bởi vì sự không chính
xác trong khi đo và những sai lệch trong khi chế tạo cảm biến. Tuy nhiên, từ các điểm
thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của
cảm biến. Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất. Biểu thức của đường thẳng tốt
nhất được tính bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất.
s  am  b

Trong đó:

a

Ν. s i .m i   s i . m i
Ν. m i2  ( m i ) 2

s . m   s .m . m

b  
Ν. m  ( m )
i

2
i

i

2
i

i

i

2

i

Với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến.
Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong
chuẩn. Nó được xác định từ độ lệch cực đại của đường cong chuẩn và đường thẳng tốt
nhất (tính bằng %) trong dải đo.
VI. TÁC ĐỘNG NHANH VÀ ĐẶC TÍNH ĐỘNG CỦA ĐÁP ỨNG
Để đánh giá thời gian hồi áp của đáp ứng theo kích thích người ta sử dụng khái
niệm độ tác động nhanh của cảm biến. Thời gian hồi áp  là khoảng thời gian từ khi
kích thích bắt đầu tác động cho đến khi biến thiên của đáp ứng chỉ còn khác giá trị cuối
một giới hạn quy định %. Thời gian hồi áp  càng nhỏ chứng tỏ bộ cảm biến đáp ứng
càng nhanh.

Khi kích thích có dạng bước nhảy đơn vị thì đặc tính đáp ứng của bộ cảm biến có
thể có những dạng sau đây:
- Đáp ứng tức thời.
- Đáp ứng trễ theo hàm mũ.
- Đáp ứng tức thời và suy giảm.
- Đáp ứng trễ và suy giảm.
- Đáp ứng cộng hưởng dài hẹp.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 16

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

VII. CẢM BIẾN TÍCH CỰC VÀ CẢM BIẾN THỤ ĐỘNG
Hoạt động của một máy phát, về mặt nguyên lý cảm biến tích cực thường dựa
trên hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành
năng lượng điện. Dưới đây là mô tả một cách tổng quát các dạng ứng dụng của hiệu
ứng này.
1. Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi một thanh dẫn chuyễn động trong từ trường sẽ xuất hiện suất điện động tỷ lệ
với biến thiên từ thông nghĩa là tỉ 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 thông qua việc
đo suất điện động cảm ứng. Hiệu ứng này do nhà vật lý người Anh Micheal Faraday
phát hiện năm 1831, là cơ sở lý luận cho các thiết bị điện từ như động cơ điện, máy

phát điện, dụng cụ đo lường…


B


e



Hình 1.3: Hiệu ứng cảm ứng điện từ
2. Hiệu ứng nhiệt điện
Giữa các đầu ra của hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với
nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 sẽ xuất hiện một suất
điện động e(T 1, T2).
Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, ví dụ
cho T2 = 0, ngược lại khi cho dòng điện chạy từ chất có bản chất hóa học khác nhau sẽ
tạo nên chênh lệch nhiệt độ. Hiệu ứng này do nhà vật lý Pháp J.C.Peltier phát hiện
(hình 1.4).
(M1)

T1

e

(M2)
T2

T1


(M3)

Hình 1.4: Hiệu ứng nhiệt điện.
3. Hiệu ứng hỏa điện
Một số tinh thể, gọi là tinh thể hỏa điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine), có tính
phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng tồn tại
những điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ với độ phân cực điện.
GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 17

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của 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 và xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện phụ thuộc vào quang thông  .


v 

Hình 1.5: Hiệu ứng hỏa điện
4. Hiệu ứng áp điện
Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện, ví dụ thạch anh, sẽ
gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái
dấu trên các mặt đối diện của vật. Đó là hiệu ứng áp điện.

Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác
dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc...) thông qua việc đo điện áp trên hai bản
cực của tụ điện.


F

V  F

Hình 1.6: Hiệu ứng áp điện
5. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện do A. Einstein phát hiện năm 1905. Hiệu ứng quang điện có
nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng cùng chung một bản chất, đó là việc giải phóng
các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được
ứng dụng chế để tạo cảm biến quang.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 18

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

I
A
E


K

R

Hình 1.7: Hiệu ứng quang điện.
6. Hiệu ứng quang điện từ
Do Verdet phát hiện năm 1863. Khi tác dụng một từ trường vuông góc với bức xạ
ánh sáng trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo
phương vuông góc với từ trường B và phương bức xạ ánh sáng.
Hiệu ứng này được ứng dụng trong các bộ cảm biến đo đại lượng quang hoặc
biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện.

I

R u



B

Hình 1.8: Hiệu ứng quang điện từ.
7. Hiệu ứng Hall
Năm 1879 nhà vật lý người Anh E.H.Hall phát hiện hiệu ứng này. Trong vật liệu
(thường là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành
góc  với dòng điện I sẽ xuất hiện điện áp UH theo phương vuông góc với B và I và có
độ lớn là
UH = K.I.B.sin
K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của vật mẫu.
Hiệu ứng Hall được sử dụng để đo các đại lượng từ, đại lượng điện hoặc xác định

vị trí chuyển động.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 19

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng


B


+ I

+
UH


Hình 1.9: Hiệu ứng Hall.
VIII. MẠCH GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN
1. Các đặc tính đầu của mạch giao diện
Đáp ứng của các mạch cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp,
công suất,… vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải. Cần phải phối hợp
giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu. Công việc này gọi
là chuẩn hóa tín hiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ này.

Sơ đồ khối của mạch phối hợp tín hiệu ra của bộ cảm biến và tải:
Kích thích

Bộ cảm biến

Mạch giao diện

Tải Tới hệ thống

Tổng trở vào của mạch giao diện là tỉ số giữa điện áp và dòng điện phức nhìn từ
cửa vào của mạch:
Z=

U
I

2. Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA)
Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở mạch khuếch đại thuật
toán. Đó là mạch khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại và tổng trở vào rất lớn.
Mạch khuếch đại thuật toán thuộc dạng mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm
Transistor và điện trở, tụ điện, mạch khuếch đại thuật toán có:
- Hai ngõ vào đảo (-) và không đảo (+)
- Điện trở vào rất lớn, cỡ hàng trăm M  hoặc có thể tới G 
- Điện trở ra rất nhỏ (vài chục  )
- Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ (cỡ vài nV)
- Dòng điện phân cực đầu vào ii rất nhỏ (cỡ pA)
- Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn (AV = 100000)
- Dải tần làm việc rộng
- Hệ số suy giảm theo cách nói chung CMRR (Comon Mode Rejection Ratio) là tỷ
số hệ số khuếch đại của mạch khuếch đại thuật toán nối chung của cùng bộ khuếch

đại thuật toán. Thông thường CMRR vào khoảng 90 dB.
- Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/µs.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 20

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

Đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán thông dụng:

Tên OPA

Hãng sản
xuất

Điện áp
lệch
(µV)

TL051ACP
LM324
MC34071

TL

Generic
Motorola

800
3mV
3mV

Hệ số
nhiệt độ
(µV/0C)
8
7
10

Dòng
phân cực
ở 25oC
(nA)
4
45
100

Hệ số
khuếch
đại
AV
100
100
100


Nhiễu nV

75
10.3
55

3. Bộ khuếch đại đo lường IA (Instrumentational Amplifier)
Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra (hình 10). Hệ số khuếch đại của
IA không cao (có thể chỉnh từ 1 đến 104) có hai đầu vào nhận tín hiệu cần đo, các điện
trở phản hồi có độ chính xác cao, tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp vào.
V0 = A(V+ - V-) = A.  V
Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan
trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và
tăng điện trở vào của OPA. Điện áp trên R 0
phải bằng điện áp vi sai đầu vào  V và tạo
dòng điện i =  V/R0. Các điện áp ra từ OPA
là V01, V02 bằng nhau về biên độ nhưng ngược
pha.

Hình 1.10
Điện áp V0 biến đầu ra vi sai thành đầu ra đơn cực. Hệ số khuếch đại của IA


A = 1 


2R 1  R 3

R 0  R 2


3.1. Khử điện áp lệch đầu ra (hình 1.11)
Để khử điện áp lệch có thể chỉnh biến trở R3. Bộ OPA lý tưởng khi hở mạch phải
có điện áp bằng 0 khi hai đầu nối vào mass. Thực tế vì các điện áp bên trong OPA nên
tạo ra một điện áp nhỏ (điện áp phân cực) ở đầu vào. Trị số điện áp lệch cỡ vài mV,
nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này được khuếch đại và tạo nên một dòng điện áp
lệch ở đầu ra.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 21

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

Hình 1.11

Hình 1.12

3.2. Mạch lập lại điện áp (hình 1.12)
Mạch có điện áp ra bằng điện áp vào (mạch khuếch đại không đảo với A V = 1) và
tăng điện trở đầu vào, nên được dùng để ghép nối hai khâu trong mạch đo.
3.3. Nguồn điện áp chính xác (hình 1.13)
Để chuẩn các dụng cụ đo chính xác cần có
điện áp chuẩn. Một pin mẫu Weston được dùng
để tạo ra một điện áp chính xác 1,018v như một
điện áp mẫu có trở kháng ra gần bằng 0 và dòng

điện lên tới 5mA.

Hình 1.13
3.4 Mạch cầu Wheatstone (hình 1.14)
Cầu Wheatstone gồm bốn điện trở hoạt động như cầu không cân bằng dựa trên
việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu. Điện áp ra là một hàm phi tuyến nhưng
với biến đổi  < 0,05 có thể coi là tuyến tính.
Độ nhạy của cầu cực đại khi R1 = R2, R3 = RV = R(1+  )
Đặt k = R1/R2, độ nhạy của cầu:
 =

V
k
R (1  k ) 2

Mạch cầu thường được sử dụng trong các phép đo nhiệt độ, áp suất, lực, từ
trường…, trong nhiều trường hợp các điện trở này nhạy với nhiệt độ bù ảnh hưởng
nhiệt độ của điện trở.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 22

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng


Hình 1.14
IX. TRUYỀN DỮ LIỆU
1. Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây
Để phối ghép từ bộ cảm biến đến thiết bị điều khiển và chỉ thị thường sử dụng
đường truyền hai dây. Ví dụ tín hiệu từ bộ cảm biến nhiệt độ qua máy phát được truyền
trực tiếp đến bộ khống chế quá trình. Tín hiệu truyền có thể là điện áp hoặc dòng điện
nhưng dòng điện được chấp nhận như một tiêu chuẩn công nghiệp có giá trị từ 4 đến 20
mA qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa. Sử dụng nguồn dòng có ưu điểm so với nguồn áp là
điện trở của đường dây không ảnh hưởng tới dòng điện trong mạch vì điện trở của
nguồn dòng rất lớn. Ngoài ra nguồn cung cấp công suất cần thiết cho tải. Mạch vòng
dòng điện gây điện áp rơi trên điện trở tải.
Tín hiệu điện áp trên tải thích hợp với việc xử lý tiếp theo của mạch điện tử.
2. Đường truyền bốn dây
Đôi khi người ta mong muốn nói bộ cảm biến với mạch giao diện điều khiển từ
xa. Khi bộ cảm biến có điện trở tương đối thấp (ví dụ điện trở áp điện, nhiệt điện trở có
điện trở vào khoảng 100), việc nối dây điện trở này gặp phải một số vấn đề phức tạp
do điện trở dây nối. Để giải quyết ta có thể dùng sơ đồ bốn dây. Theo nguyên lý của
điện trở bốn dây cho phép đo điện trở Rx từ xa mà không chịu ảnh hưởng của điện trở
dây nối. Điện trở cần đo được nối với mạch giao diện bằng bốn dây, hai dây nối với
nguồn còn hai dây nối với vôn kế. Vì nguồn dòng có điện trở vào rất lớn, do đó dòng
điện do nó cung cấp không phụ thuộc vào điện trở dây nối r của mạch này. Điện trở
vào của vôn kế cũng rất lớn do đó có thể coi dòng điện qua vôn kế bằng 0, do đó điện
áp rơi trên điện trở Rx không phụ thuộc vào điện trở dây nối.
Vx = Rx.i0
Sơ đồ bốn dây được sử dụng rất hiệu quả để đo điện trở từ xa.
3. Đường truyền sáu dây
Khi cầu Wheatstone được sử dụng từ xa điện áp của cầu đóng vai trò quan trọng
trong việc ổn định nhiệt độ của cầu. Để tránh ảnh hưởng của điện trở dây nối r ta sử
dụng sơ đồ sáu dây. Bốn dây nối với dụng cụ đo điện áp có điện trở trong rất lớn còn
hai dây nối với nguồn áp có điện trở vào rất lớn.

Điện áp đó sẽ không phụ thuộc vào điện trở dây nối vì dòng điện của nó bằng 0.
GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 23

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

X. NHIỄU TRONG CÁC BỘ CẢM BIẾN VÀ MẠCH
Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguyên nhân gây ra sai số. Ta có thể
phân nhiễu làm hai loại: nhiễu nội tại và nhiễu trên các mạch truyền dẫn tín hiệu.
Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế
tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến…, do đó đáp ứng có thể bị méo dạng so với
dạng lý tưởng. Sự méo dạng của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên.
Dạng tín hiệu ra có liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính
động của cảm biến.
Nhiễu trên các mạch truyền dẫn từ cảm biến đến các thiết bị đo và thu thập số
liệu cũng gây nên sai số.
Các trường hợp thường gặp:
- Nguồn cung cấp cho cảm biến không ổn định và chính xác.
- Từ trường và điện trường bên ngoài (đối với cảm biến nhiệt do điện trở nhiệt
của germani).
- Nhiệt độ môi trường làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thích của cảm
biến (đối với quang trở).
- Độ ẩm có thể là thay đổi tính chất điện của vật liệu như hằng số điện môi, điện
trở suất.

- Áp suất, gia tốc, dao động có thể gây nên biến dạng và ứng suất trong một số
phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu đáp ứng.
- Bức xạ ion, tác nhân hóa học,… tác động lên cảm biến.
Để chống nhiễu, ta có thể thực hiện một số biện pháp như tăng độ lớn của tín
hiệu đo, dùng màng chắn của điện trường và từ trường, lọc các tần số gây nhiễu và sử
dụng các cảm biến mắc vi sai… Tất cả các biện pháp trên sẽ được thực hiện cho từng
loại cảm biến cụ thể.

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 24

SVTH: Nguyễn Minh Tài


Luận văn tốt nghiệp

Cảm biến và ứng dụng

CHƯƠNG II. SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG
HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG
DỤNG THỰC TIỄN
I. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC CÁC BỘ CẢM BIẾN
Ngày nay các mạch cảm biến đã xâm nhập vào hầu như các lĩnh vực khoa học kỹ
thuật do chúng tạo rất nhiều tính năng tiện ích. Cảm biến được dùng rộng rãi trong lĩnh
vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trò chơi điện tử.
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ đề cập tới mạch cảm biến và phát hiện, mạch
cảm biến điều khiển các mạch điện đơn giản.
Trong các mạch cảm biến nghiên cứu thì nguyên lý hoạt động khá đơn giản, khi
có tác động vào cảm biến thì cảm biến đó thay đổi (thường là thay đổi giá trị điện trở)

để đáp ứng với sự tác động này, từ sự thay đổi của cảm biến đó người ta đưa vào IC
điều khiển hoặc các Rơ-le điện từ để điều khiển các mạch phía sau. Tùy vào mục đích
sử dụng mà ta có thể dùng các cảm biến khác nhau dùng IC hoặc Rơ-le.
II. ỨNG DỤNG.
1. Ứng dụng của quang trở trong mạch tự động bật đèn khi trời tối
1.1. Sơ đồ thiết kế mạch (xem hình 2.1)

Hình 2.1

GVHD: Vương Tấn Sĩ

Trang 25

SVTH: Nguyễn Minh Tài