Kĩ Thuật Cảm Biến
Định

Nguyễn Thái

Giải Đề Cương Môn Kĩ Thuật Cảm Biến
I/ Lý Thuyết:
Câu 1: Cảm Biến là gì? Tại sao phải có Cảm Biến?



Cảm Biến là một thiết bị có chức năng cảm nhận các biến đổi của
hiện tượng vật lí và chuyển hoá, biến đổi thành tín hiệu điện
Vì: 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.

Câu 2: Trình bày phân loại Cảm Biến?




Cảm biến tích cực : là các loại cảm biến hoạt động như một máy
phát điện, về mặt nguyên lý nó thường dựa trên các hiệu ứng vật
lý biến đổi một dang năng lượng nào đó(như nhiệt,cơ,quang…)
thành năng lượng điện.
Cảm biến thụ động: là loại cảm biến được chế tạo từ các vật liệu
có những thông số trở kháng nhạy với các đại lượng đo. Giá trị

của trở kháng của cảm biến không những phụ thuộc vào hình
dạng, kích thước mà còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu
như: điện trở suất, từ thẩm, hằng số điện môi…

Câu 3: Trình bày sự khác nhau của cảm biến có ngõ ra dạng NPN & PNP?
Vẽ hình minh hoạ?


Sự Khác Nhau:
Ngõ Ra NPN
Có điện áp ngõ ra là 0V

Ngõ Ra PNP
Có điện áp ra là 24V

1


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định

Nguyễn Thái
Hình minh hoạ

Câu 4:Trình bày cấu tạo, nguyên lí hoạt động của Cảm Biến tiệm cận điện
cảm? Vì sao Cảm Biến tiệm cận loại điện cảm chỉ phát hiện vật bằng kim
loại?


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.

Ản
h minh hoạ
Nguyên lí hoạt động:
Mạch dao động tạo dao động điện từ, từ trường biến thiên từ lõi sắt
sẽ tác động với vật kim loại đặt trước nó.
Khi có đối tượng lại gần, xuất hiện dòng điện cảm ứng chống lại sự
thay đổi dòng điện, giảm biên độ tín hiệu dao động.
Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch
ra lên mức ON.
 Vì: Vật được cấu tạo bằng kim loại đều có tính từ . Mà nguyên lí
hoạt động của cảm biến điện cảm dựa vào sự thay đổi của từ
trường, khi các vật có từ tính đi qua từ trường cuộn dây của cảm
biến thì làm cho từ trường của cảm biến thay đổi. Nên Cảm Biến
điện cảm chỉ nhận biết được những vật làm bằng kim loại.





2


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định


Nguyễn Thái

Câu 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lí hoạt động của cảm biến tiệm cận điện
dung? Vì sao loại cảm biếm tiệm cận điện dung phát hiện được hết tất cả
các vật?



Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung:
 Cảm biến tiệm cận điện dung gồm bốn bộ phận chính :
 Cảm biến(các bản cực cách điện).
 Mạch dao động.`
 Bộ phát hiện.
 Mạch đầu ra.

Hình minh hoạ.
Nguyên lí hoạt động:
Trong cảm biến tiệm cận điện dung có bộ phận làm thay đổi điện
dung C của các bản cực.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung dựa trên việc
đánh giá sự thay đổi điện dung của tụ điện.Bất kì vật nào đi qua
trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dung của tụ điện
tăng lên.Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách,kích
thước và hằng số điện môi của vật liệu.
Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến
dòng, cảm biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách
giữa 2 tấm cực.
 Vì:
Mọi vật đều có 1 giá trị điện dung riêng(tùy vào vật liệu của vật),

cảm biến điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi của giá trị điện
dung, khi vật đi qua giá trị điện dung của vật xẽ làm thây đổi giá trị
điện dung của cảm biến.








3


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định

Nguyễn Thái

Câu 6: Vật liệu kích thước của vật có ảnh hưởng như thế nào đến khoảng
cách phát hiện của cảm biến tiệm cận loại điện cảm? Giải thích?
 Ảnh hưởng:
 Khoảng cách phát hiện của cảm biến điện cảm phụ thuộc rất nhiều
vào vật liệu của vật cảm biến. Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại
có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu không
từ tính hoặc không chứa sắt.
 Nếu vật cảm biến nhỏ hơn vật thử chuẩn, khoảng cách phát hiện của
cảm biến sẽ giảm.
 Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken, …), bề
dày vật phải lớn hơn hoặc bằng 1mm. Với vật cảm biến không thuộc

nhóm kim loại có từ tính, bề dày của vật càng mỏng thì khoảng cách
phát hiện càng xa.
Giải thích:
Vì: đầu dò của cảm biến thường được sử dụng là mạch từ hở làm
bằng lõi sắt hoặc Perit. Trên mạch từ được cuốn dây điện từ . Nếu 1
vật kim loại dẫn điện nối kín mạch khe từ hở thì giá trị điện cảm của
đầu dò điện cảm sẽ giảm , dòng điện tiêu thụ tăng nếu cấp đầu dò
điện áp xoay chiều.




Cậu 7: Vật liệu kích thước của vật có ảnh hưởng như thế nào đến khoảng
cách phát hiện của cảm biến tiệm cận loại điện dung? Giải thích?





Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm
cận điện dung:
Kích thước của điện cực của cảm biến.
Vật liệu và kích thước đối tượng.
Nhiệt độ môi trường.
• Đối tượng tiêu chuẩn và hằng số điện môi
Đối tượng tiêu chuẩn được chỉ định riêng với từng loại cảm
biến tiệm cận điện dung. Thông thường chất liệu của đối
tượng tiêu chuẩn được định nghĩa là kim loại hoặc nước

Giải thích:

Vì:




4


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định

Nguyễn Thái

Câu 8: Trình bày ưu & nhược điểm của cảm biến tiệm cận loại 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.
Câu 9:Trình bày cấu tạo, nguyên lí hoạt động của cảm biến tiệm cận loại
điện quang?
 Cấu tạo:
 Bộ phát sáng
 Bộ thu sáng
 Mạch phát hiện
 Ngõ ra


Hình minh hoạ
Nguyên lí hoạt động:
Trong vật chất các điện tử bao quanh hạt nhân nhờ một lực liên kết
với hạt nhân We , lực này mạnh với các điện tử trong lớp trong và




5


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định

Nguyễn Thái

yếu với điện tử lớp ngoài , do đó các điện tử lớp ngoài để tách khỏi
nguyên tử . Khi ánh sáng chiếu lên vật chất nếu năng lượng của các
photo đủ lớn để cấp cho điện tử thắng lực liên kết thì các điện tử
trong vật chất sẽ được giải phóng để trở thành điện tử tự do.
 Điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của
vật bị chiếu sáng.
 Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lí này.
 Nguồn sáng của cảm biến quang trong thực tế hầu hết dùng ánh
sáng hồng ngoại
Câu 11: Trình bày phân loại cảm biến tiệm cận loại điện quang? Vẽ
hình minh hoạ?



Có 4 loại cảm biến tiệm cận loại điện quang:

Loại 1: Cảm biến quang điện loại bức xạ khuếch đại
Chỉ phát hiện vật thể trong vùng giới hạn , bị ảnh hưởng của màu
nền sau vùng cảm biến , lí tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu
nền




Hình minh hoạ
Loại 2: Cảm biến quang điện loại phát thu độc lập
Bộ phát và thu nằm ở các thiết bị độc lập nhau tạo ra ánh sáng ở
bộ thu có cường độ lớn nhất , phân biệt sáng tối cao, phát hiện
được vật thể không phụ thuộc vào màu sắc và bề mặt vật thể, giá
thành cao.




6


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định

Nguyễn Thái

Hình minh hoạ
Loại 3: Cảm biến quang điện loại phản xạ gương

Khoảng cách phát hiện lớn , khả năng phân biệt cao , có thể phân
biệt được vật thể trong suốt , mờ, bóng giá thành rẻ hơn cảm biến
thu phát độc lập , độ tin cậy cao .






Hình minh hoạ
 Loại 4: Cảm biến quang điện loại sợi quang
Phát hiện vật có kích thước nhỏ , thời gian đáp ứng nhanh , phát
hiện chính xác ngay cả trong khi điều kiện không CB. Thu phát lên
tới 1100mm, phản xạ khuếch đại lên tới 130mm, phản xạ xác định
phát hiện 6mm.

7


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định

Nguyễn Thái

Hinh minh hoạ
Câu 12: Trình bày các chế độ hoạt động của cảm biến quang? Giải
thích? Vẽ hình minh hoạ cụ thể?

Các chế độ hoạt động của cảm biến quang:
 Gồm 4 chế độ:

 Chế độ thu phát
 Chế độ phản xạ (gương)
 Chế độ phản xạ khuếch tán
 Chế độ chống ảnh hưởng của nền
• Chế độ phản xạ (gương):
Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc
biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến. Nếu vật thể xen
vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra.
• Chế độ bức xạ khuếch đại:
Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật
này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán)
ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra.
• Chế độ thu phát:
Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng. Bộ
phát truyền ánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng. Nếu có vật thể
chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm
biến.
• Chế độ chống ảnh hưởng của nền:








8


Kĩ Thuật Cảm Biến

Định


Nguyễn Thái

Đây là cảm biến phản xạ khuếch tán đặc biệt. Trong khi loại
thường phát hiện tổng lượng ánh sáng nhận được, loại BGS phát
hiện góc của ánh sáng phản xạ.Công nghệ này có tên là
triangulation (phép đạc tam giác). Bởi vậy, độ nhạy của cảm biến
sẽ không phụ thuộc vào màu sắc vật hay nền sau vật.

Câu 13: Trình bày cấu tạo, nguyên lí hoạt động của cảm biến tiệm cận
siêu âm?
Cấu tạo:
Mạch tạo dao động
Mạch phát hiện
Mạch so sánh
Ngõ ra







Nguyên lí hoạt động:
Khi có lệnh yêu cầu đo bộ điều khiển sẽ phát lệnh phát ra chu kì
sóng âm bức xạ ra bên ngoài khi gặp vật chắn sẽ phản xạ trở lại
bộ thu. Dựa vào vận tốc từ sóng và quãng thời gian từ khi phát
sóng siêu âm tới khi nhận lại để suy ra khoảng cách từ vật tới vị

trí đặt cảm biến.




Câu 14: Encoder là gì? Trình bày nguyên lí hoạt động? Phân loại?
Encoder:
Là thiết bị đo tốc độ động coe thông dụng nhất, hay còn được gọi
là mã hoá quang học.
 Nguyên lí hoạt động:
Cấu tạo gồm một đĩa mã hoá được chẻ rãnh. Kết hợp với cảm biến
quang (có bộ phận thu & bộ phận phát độc lập). Từ đó sinh ra một
chuỗi xung vuông khi encoder quay.
 Phân loại:
Gồm 2 loại:
 Đĩa mã hoá tương đối







9


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định



Nguyễn Thái

+ Rãnh đơn
+ Rãnh đôi
Đãi mã hoá tuyệt đối

Câu 15:Trình bày cấu tạo, nguyên lí hoạt động, phân loại của cảm biến
nhiệt độ? Vẽ hinh minh hoạ?


Cấu tạo:

Hình minh hoạ
Phân loại:
• Có 2 loại: Là cảm biến thụ động.
NTC viết tắt chữ Negative Temperature Coficient có nghĩa là điện
trở có hệ số nhiệt độ âm. Bản chất là các điện trở bán dẫn có điệ
trở giảm khi nhiệt độ tăng. Cảm biến thụ động




10


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định







Nguyễn Thái

PTC viết tắt của Positive Tenperature Coficient nghĩa là điện trở
có hệ số nhiệt dương. Bản chất là 1 điện trở bán dẫn có điện trở
tăng khi nhiệt độ tăng
 Nguyên lí hoạt động:
Khi nhiệt độ cảm biến nhỏ hơn nhiệt độ cài đặt thì tiếp điểm 2 &
3 đóng cấp nguồn cho Relay K(điểm 13, 14) làm cho tiếp điểm 9,5
& 8,12 đóng cung ccaps nguồn cho điện trở sấy làm cho nhiệt đọ
lò sấy tăng.
Khi nhiệt độ cảm biến bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ cài đặt thì tiếp
điểm 2 & 1 đóng dẫn đến cắt điện Relay K làm cho các tiếp điểm
9,5 & 8,12 mở ra cắt điện điện trở sấy dẫn đến nhiệt đọ lò sấy
giảm.

II/ Bài Tập:


Dạng 1: Tính toán khoảng cách làm việc của Cảm Biến?

Vd: Cho cảm biến tiệm cận loại PNP. Điện áp hoạt động 24VDC loại
không vỏ bọc khoảng cách phát hiện 50mm?
a/ Vẽ sơ đồ kết nối ngõ ra cho 1 bóng đèn ( khi có vật đèn sáng)
b/ Xác định khoảng cách cài đặt. Khi có vật phát hiện là: Nhôm,
Đồng, Đồng Thau. Kích thước vật 75% & 50%
Giải
Bảng hệ số K


Vật Liệu

Thép mềm
Thép không gỉ
Đồng thau
Nhôm
Đồng

Shielded
1.0
0.7
0.4
0.35
0.3

Unshielded
1.0
0.8
0.5
0.45
0.4
11


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định
Kích Thước

Nguyễn Thái


100%
75%
50%
25%

1.0
0.92
0.83
0.56

1.0
0.9
0.73
0.5

a/ Vẽ sơ đồ kết nối mạch:

Hình minh hoạ
b/ Xác định khoảng cách:


Ta có công thức:
Sa= Sn.K
Khi vật phát hiện Nhôm:
Sa= 50 x 0,45 = 22,5 mm
• Khi vật phát hiện Đồng:
Sa= 50 x 0,4 = 20 mm
• Khi vật phát hiện Đồng Thau: Sa= 50 x 0,5 = 25 mm
Kích thước:

• Đồng: Sa= 50 x 0,9 = 45 mm
• Nhôm: Sa= 50 x 0,73 = 36,5 mm
Dạng 2: Thiết kế mạch và chọn cảm biến theo yêu cầu thực tế?
•





Vd:

12


Kĩ Thuật Cảm Biến
Định



Nguyễn Thái

Dạng 3: Thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ theo yêu cầu thực tế?

Vd:

13