Điện, Điện tử - Chương 6: Khái niệm chung về cảm biến

 47 
Chương 6: KH¸I NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN 
 Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên các khái niệm cơ bản về cảm biến, các thông 
số cơ bản khi sử dụng cảm biến và phương pháp chuẩn cảm biến 
6.1 Kh¸i niệm chung 
6.1.1Vai trò của cảm biến trong đo lường và điều khiển 
 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. 
6.1.2 Các đặc trưng cơ bản 
6.1.2.1 Độ nhạy của cảm biến 
 Khái niệm 
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu 
vào Δm có sự liên hệ tuyến tính: 
.Δs = S.Δm (6.1) 
Đại lượng S xác định bởi biểu thức S = được gọi là độ nhạy của cảm biến 
Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung 
quanh giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại 
lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị 
đó: 
 S = (6.2) 
 m=mi 
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm 
sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: 
- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó. 
- Thời gian sử dụng. 
- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) 
Δs 
Δm 
Δs 
Δm 
 48 
của môi trường xung quanh. 
Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với 
những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. 
* Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh 
Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương 
ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế 
độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) 
trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. 
Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (6.3) chính là độ 
đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh 
không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc. 
Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào 
được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh: 
iQ
i
m
S
r 
 (6.4) 
Từ (6.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm 
việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. 
* Độ nhạy trong chế độ động 
Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần 
hoàn theo thời gian. 
Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng: 
m(t) = m 0 + m1 cos ωt (6.5) 
Trong đó m0 là giá trị không đổi, m1 là biên độ và ω tần số góc của biến thiên 
đạị lượng đo ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng (6.5) 
 s(t) = so + s1 cos(ωt + ϕ) 
- so là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Qo trên 
 49 
đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh. 
- s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo 
gây nên. 
- ϕ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra. 
Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỉ số với 
điểm là việc xét Q0 theo công thức: 
0
1
1
Q
m
S
S 
Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f ) . Sự 
biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện 
của đầu đo, tức là của cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức 
thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lượng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có 
phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng 
thể. 
6.1.2.2 Độ tuyến tính 
 Khái niệm 
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải 
chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến 
tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại 
lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt 
động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này. 
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, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần 
ố riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại 
lượng đo 
Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu 
chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng 
đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá. 
 Đường thẳng tốt nhất 
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm 
tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, 
đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy 
nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường 
không nằm trên cùng một đường thẳng. 
 50 
Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số 
là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt 
nhất. Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình 
phương bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình 
có dạng: 
s = am + b 
Trong đó 
 
  
22 )(.
...
ii
iiii
mmN
mSmSN
a 
 
  
22
2
)(.
...
ii
iiiii
mmN
mSmmS
b 
 Độ lệch tuyến tính 
Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm 
độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường 
thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo. 
6.1.2.3 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 gây nên sai số giữa giá 
trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá 
trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính 
bằng: 
 %100.
x
x 
  
Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác 
giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường 
phân chúng 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, có 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 sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều 
kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là: 
 Do nguyên lý của cảm biến. 
 51 
+ Do giá trị của 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. Ta 
có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể 
dự đoán được độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có 
thể là: 
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị. 
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. 
+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến. 
Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện 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 đúng chế độ 
hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. 
6.1.2.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp 
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về 
thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là 
đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. 
Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi 
biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn 
ε tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần 
thiết phải chờ đợi sau khi có sự 
biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định 
trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các 
thông số thời gian xác định chế độ này. 
Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số 
thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột 
ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với 
sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian 
cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên 
tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để 
 52 
đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó. 
 m 
 m0 
 t 
 s 
Hình 6.1 
Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần 
thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng 
của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu 
ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. 
Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá 
về thời gian hồi đáp của nó. 
Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần 
thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng 
của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu 
ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. 
Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá 
về thời gian hồi đáp của nó. 
6.1.2.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến 
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, 
tác động nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay 
đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng 
cần phải biết rõ các giới hạn này. 
 Vùng làm việc danh định 
Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường 
của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại 
lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể 
thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của 
cảm biến. 
 53 
 Vùng không gây nên hư hỏng 
Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại 
lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm 
việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc 
trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận 
nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy 
lại giá trị ban đầu của chúng. 
6.2 Ph©n lo¹i c¶m biÕn 
6.2.1 ph©n lo¹i theo nguyªn lý chuyÓn ®æi 
 C¶m biÕn ®îc gäi tªn theo nguyªn lý chuyÓn ®æi sö dông trong c¶m biÕn. Nh-
ững c¶m biÕn ®iÖn trë-c¶m biÕn cã chuyÓn ®æi lµ ®iÖn trë, c¶m biÕn ®iÖn tõ-c¶m biÕn 
cã chuyÓn ®æi lµm viÖc theo nguyªn lý vÒ lùc ®iÖn tõ c¸c ®¹i lîng kh«ng ®iÖn cÇn ®o ®-
îc biÕn ®æi thµnh sù thay ®æi cña c¸c th«ng sè như ®iÖn c¶m hç c¶m hoÆc tõ th«ng, 
c¶m biÕn hãa ®iÖn- chuyÓn ®æi lµm viÖc dùa trªn hiÖn tîng hãa ®iÖn 
6.2.2 Ph©n lo¹i theo tÝnh chÊt nguån 
- C¶m Ph¸t ®iÖn: c¶m biÕn cã ®¹i lîng ra lµ ®iÖn ¸p U, søc ®iÖn ®éng E, dßng 
®iÖn I cßn ®Çu vµo lµ c¸c ®¹i lîng kh«ng ®iÖn cÇn ®o 
- C¶m biÕn th«ng sè: c¶m biÕn cã ®¹i lîng ra lµ c¸c th«ng sè nh: ®iÖn trë R, ®iÖn 
c¶m L, hç c¶m M ®Çu vµo lµ c¸c ®¹i lượng kh«ng ®iÖn cÇn ®o 
6.2.3 Ph©n lo¹i theo ph¬ng ph¸p ®o 
- C¶m BiÕn cã chuyÓn ®æi biÕn ®æi trùc tiÕp 
- C¶m biÕn cã chuyÓn ®æi bï 
6.3 C¸c hiÖu øng thêng dïng trong c¶m biÕn 
 Hiệu ứng nhiệt điện 
Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại với 
nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, 
khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc 
chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2. 
T1 
T2 
(M2) 
(M1) 
(M2) 
e T1 
 54 
Hình 6.2 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 
 Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường 
chọn T2 = 0
o
C. 
 Hiệu ứng hoả điện 
Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có 
tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện 
trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa 
hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện. 
v Φ 
Hình 6.3 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 
Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi 
ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và 
nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp 
V ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng Φ. 
 Hiệu ứng áp điện 
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị 
biến dạng dước tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất 
hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp 
điện. Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F 
 V F 
 Hình6 .4 Ứng dụng hiệu ứng áp điện 
 Hiệu ứng cảm ứng điện từ 
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất 
hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời 
gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một 
khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện 
động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây. 
Φ 
F 
 55 
 Ω e Ω 
Hình 6.5 Ứng dụng hiệu ứng điện từ 
Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của 
vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng. 
 Hiệu ứng quang điện 
- Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện 
tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng 
một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một 
ngưỡng nhất định. 
- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện 
ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo 
thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường. 
 Hiệu ứng quang - điện - từ 
Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu 
bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc 
với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng. 
 V Φ 
Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ 
 Hiệu ứng Hall 
Khi đặt một tấm mỏng vật l ... g ngưìng 
 H×nh a: ®iÒu khiÓn trùc tiÕp r¬le 
 H×nh b: Sau khi khuÕch ®¹i ®iÒu khiÓn r¬le 
 H×nh c: ®iÒu khiÓn cæng logic 
 H×nh d: ®iÒu khiÓn thyristor 
8.3 Sợi quang 
 Sợi quang ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần khi ánh sáng được chiếu từ 
môi trường trong xuốt có hệ số chiết quang n1 lớn (như nước, thủy tinh, chất dẻo trong 
xuốt) qua mặt phân cách sang một môi trường trong xuốt khác có chiết suất n2 nhỏ 
hơn(như không khí). Hiện tượng phản xạu toàn phần xảy ra khi góc tới (hình )lớn hơn 
góc phản xạ toàn phần 0 
Hình 8.10 Truyền ánh sáng trong sợi quang 
 Sợi quang thông thường có dạng trụ với lõi bằng vật liệu thạch anh hoặc thủy 
tinh đa thành phần hoặc nhựa tổng hợp trong suốt với chiết suất lớn hơn nhiều so với 
không khí. Bên ngoài lõi là một màng vỏ làm bằng chất có chiết suất nhỏ hơn. Như 
trên hình 8.10 ánh sáng đi vào sợi quang qua mặt đầu của sợi quang và phản xạ toàn 
phần liên tục giữa mặt phân cách lõi và màng vỏ rồi ra ngoài ở mặt đầu kia của sợi. 
Những tia sáng không phản xạ toàn phần được thì xuyên ra ngoài sợi quang và gây ra 
tổn hao năng lượng ánh sáng truyền. 
 Các sợi quang được chế tạo để sợi có bị uốn thì phần lớn ánh vẫn được truyền 
dọc theo sợi. 
 12 
Hình 8.11 Cảm biến quang học dùng sợi quang kiểu ánh sáng xuyên a, và ánh 
sáng phản xạ b 
 Hình 8.11 là sơ đồ lắp cảm biến quang học dạng sợi quang. Trên đó SQ: sợi 
quang, ĐT: đối tượng, TQ: Transzitor quang. 
 Đường kính sợi quang cỡ 1mm.Ưu điểm của loại này là có thể cảm nhận những 
vật có kích thước nhỏ tới 1mm. Cảm biến chịu tốt các rung động, va đập vì đầu sợi 
quang không có mạch điện, thiết bị nào cả. Do sợi quang có đường kính nhỏ nên có 
thể luồn lách và đặt ở những nơi rất hẹp. 
8.4 Sơ lược về áp dụng cảm biến quang 
 Cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp để phát hiện sự 
có mặt của vật, đếm số sản phẩm. 
 Phát hiện vật thể bóng loáng, gồ ghề 
 13 
Chương 9.CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN 
 Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp đo vị trí, làm 
quen với một số thiết bị vị trí có trên thị trường 
9.1 Cảm biến điện cảm 
Cảm biến vịt rí kiểu cảm ứng ( hay còn gọi là cảm biến điện cảm)làm việc dựa trên 
nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một 
phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm 
được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm. 
 Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên 
- Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 1.10 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của 
một số loại cảm biến tự cảm đơn. 
1 
3 1 
2 2 
 XV 
R 
2 3 
1 
δ 
a) b) c) 
Hình 9.1 Cảm biến tự cảm đơn 
1, lõi sắt từ 2, cuộn dây 3, phần động 
Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) 
và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần 
tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở. 
Sơ đồ hình 9.1a: dưới tác động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến di 
chuyển, khe hở không khí δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến 
thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. 
Sơ đồ hình 9.1b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm 
Xv 
 14 
cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay 
đổi theo. 
Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra 
bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo Xv 
(hình 9.1c). 
Ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không 
khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ. 
Hình 9.2 Sự phụ thuộc giữa L và Z với chiều dày khe hở không khí δ 
Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(Δδ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần 
số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng 
cao (hình 9.2). 
- Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và 
tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo 
kiểu vi sai (hình 4.3). 
x
V
a) b) c) 
Hình 9.3 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai 
xv 
xv 
Z, L 
L=f( ) 
Z5000Hz=f( ) 
Z5000Hz=f( ) 
  
 15 
 Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng như hình 9.4 
L 
L = f(δ) 
L1 - L2 = f(δ) 
δ 
L2 = f(δ) 
Hình 9.4 Đặc tính của cảm biến tự cảm kép mắc kiểu vi sai 
 Cảm biến tự cảm có lõi từ di động 
Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được (hình 4.5). 
1 
2 
XV 
l0 lf 
l 
Hình 9.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm lõi sắt từ 
1, cuộn dây 2, lõi sắt từ 
Dưới tác động của đại lượng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của 
lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn 
dây. Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải 
thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một 
cầu điện trở có chung một lõi sắt. 
9.2Cảm biến hỗ cảm 
 16 
Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có 
thêm một cuộn dây đo (hình 4.6). 
Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hình 4 . 6 a) hoặc 
tiết diện khe không khí thay đổi (hình 4 . 6 b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy 
thay đổi (hình 4 . 6 c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất 
điện động e trong cuộn đo thay đổi. 
- Cảm biến đơn có khe hở không khí: 
1 
3 1 2 
x
V 
 ~ 
Hình 9.6 Cảm biến hỗ cảm 1, cuộn sơ cấp 2, gồn từ 3, lõi từ di động 4, 
cuộn thứ cấp (cuộn đo) 
W2 - số vòng dây của cuộn dây đo. 
Khi làm việc với dòng xoay chiều i = I m sin ωt , ta có: 
e = -W2*d*Φt = -W2*W1*µoS di 
 dt δ dt 
Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng tương 
tự như cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0. Độ nhạy của cảm 
biến hỗ cảm Sδ và SS cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng. 
- Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến 
~ 
2 4 4 
3 
a b 
~ 
xv 
1 2 
xv 
xv 
~ 
 17 
người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 9.6 d,đ,e). Khi mắc vi sai độ nhạy của 
cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể. 
- Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai 
cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình9.7). Các cuộn thứ 
cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau. 
~ ~ 
Hình 9.7 Cảm biến hỗ cảm vi sai 
1, cuộn sơ cấp 2, cuộ thứ cấp 3, lõi từ 
Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo Vm ở đầu ra hai 
cuộn thứ cấp bằng không. Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa 
cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ 
cấp với các cuộn thứ cấp. Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo Vm gần 
như tuyến tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp 
9.3Cảm biến điện dung. 
 Mét sè hình d¸ng cña c¶m biÕn ®iÖn dung thưêng gÆp 
Hình 9.8 Mét sè hình d¸ng cña c¶m biÕn ®iÖn dung thưêng gÆp 
Nguyªn lý lµm viÖc cña c¸c c¶m biÕn ®iÖn dung dùa trªn sù t¸c ®éng t¬ng hç gi÷a 
hai ®iÖn cùc t¹o thµnh mét tô ®iÖn.®iÖn dung cña nã sÏ thay ®æi díi t¸c ®éng cña 
®¹i lưîng ®Çu vµo. 
- C¶m biÕn ®iÖn dung chia thµnh hai nhãm chÝnh: c¶m biÕn m¸y ph¸t vµ c¶m biÕn 
th«ng sè 
 1 
2 
2 
3 
 18 
- C¶m biÕn ®iÖn dung m¸y ph¸t ®¹i lîng ra lµ ®iÖn ¸p m¸y ph¸t, ®¹i lîng vµo lµ di 
chuyÓn th¼ng, di chuyÓn gãc cña b¶n ®iÖn cùc ®éng cña cña c¶m biÕn. Lo¹i nµy 
thêng dïng ®o c¸c ®¹i lîng c¬ häc 
 U=q/c=(q)/(S) 
- C¶m biÕn ®iÖn dung th«ng sè cã ®¹i lîng ra lµ sù thay ®æi ®iÖn dung cña c¶m biÕn ®¹i 
lîng ®¹i lîng vµo vµo lµ sù di chuyÓn. 
 c=(S)/ 
9.4Cảm biến Hall. 
Cảm biến Hall là một mảnh bán dẫn mỏng có kết cấu đặc biệt. Khi có 
dòng điện I chạy dọc theo tấm bán dẫn, đồng thời có từ cảm B tác động lên tấm 
này thì trên hai cực ngang của nó xuất hiện suất điện động Hall. 
EH = kH.I.B.sin 
I: dòng điện dọc theo cảm biến 
B: từ cảm xuyên qua cảm biến  
góc lệch giữa I và B 
kH: hệ số Hall 
Cảm biến Hall được dùng rộng rãi trong các thiết bị đo từ, cảm biến tiếp 
cận, có dải đo từ 1  106 Gauss. 
9.5Cảm biến tiếp cận 
- C¶m biÕn tiÖm cËn ®îc sö dông ®Ó ph¸t hiÖn sù cã mÆt hay kh«ng cã mÆt cña 
®èi tượng b»ng kü thuËt c¶m biÕn kh«ng cã tiÕp xóc c¬ häc. 
- C¶m biÕn tiÖm cËn sö dông nguyªn lý thay ®æi ®iÖn c¶m hay ®iÖn dung cña 
phÇn tö m¹ch ®iÖn khi cã mÆt hoÆc kh«ng cã mÆt ®èi tîng. C¶m biÕn nµy cã cÊu 
tróc tư¬ng ®èi ®¬n gi¶n, kh«ng ®ßi hái tiÕp xóc c¬ häc nhng tÇm ho¹t ®éng bÞ 
h¹n chÕ víi kho¶ng c¸ch tèi ®a 100mm 
- HiÖn nay c¸c c¶m biÕn tiÖm cËn dùa trªn nguyªn lý vi sãng vµ quang häc cã 
tÇm ho¹t ®éng lín vµ ®îc sö dông réng r·i trong thùc tÕ 
9.5.1 C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m 
 19 
- CÊu t¹o: 1 bé c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m gåm 4 khèi chÝnh: 
• Cuén d©y vµ lâi Ferit 
• M¹ch dao ®éng 
• M¹ch ph¸t hiÖn 
• M¹ch ®Çu ra 
- Nguyªn lý lµm viÖc: M¹ch dao ®éng ph¸t dao ®éng ®iÖn tõ tÇn sè radio. Tõ tr-êng 
biÕn thiªn tËp trung tõ lâi s¾t sÏ mãc vßng ®èi tîng kim lo¹i ®Æt ®èi diÖn víi nã. Khi 
®èi tîng l¹i gÇn sÏ cã dßng ®iÖn Foucault c¶m øng trªn bÒ mÆt ®èi tîng t¹o nªn mét t¶i 
lµm gi¶m biªn ®é tÝn hiÖu dao ®éng. Bé ph¸t hiÖn sÏ ph¸t hiÖn ra sù thay ®æi tr¹ng th¸i 
biªn ®é m¹ch dao ®éng...M¹ch bÞ ph¸t hiÖn sÏ ë vÞ trÝ ON ph¸t tÝn hiÖu lµm m¹ch ra ë 
vÞ trÝ ON. Khi môc tiªu rêi khái 
 Trêng cña bé c¶m biÕn biªn ®é m¹ch dao ®éng t¨ng lªn trªn gi¸ trÞ ng-ìng vµ 
bé ph¸t hiÖn trë vÒ vÞ trÝ OFF lµ vÞ trÝ b×nh th-êng 
 20 
HiÖu sè biªn ®é t¸c ®éng vµ kh«ng t¸c ®éng cña bé t¸c ®éng t-¬ng øng víi sù 
trÔ víi c¶m biÕn. Nã t¬ng øng víi ®iÓm ph¸t hiÖn vµ ®iÓm nh¶ cña c¶m biÕn ®èi diÖn 
bÒ mÆt ®èi tîng. 
- Ph¹m vi cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m liªn quan ®Õn kho¶ng c¸ch giữa bÒ 
mÆt cña c¶m biÕn vµ ®èi tîng cã liªn quan ®Õn h×nh d¸ng cña lâi vµ d©y quÊn. 
- Nh÷ng yÕu tè ¶nh hëng ®Õn tÇm(ph¹m vi) cña c¶m biÕn 
• KÝch th-íc vµ h×nh d¸ng lâi, cuén d©y, vËt liÖu lâi 
• VËt liÖu vµ kÝch th-íc ®èi tîng 
• §iÒu kiÖn ®iÖn tõ xung quanh 
• NhiÖt ®é m«i trêng xung quanh 
9.5.2 C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung 
- C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung: sù cã mÆt cña ®èi tîng lµm thay ®æi ®iÖn dung 
cña c¸c b¶n cùc c¶m biÕn. C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung còng gåm 4 bé phËn 
 + C¶m biÕn(c¸c b¶n cùc c¸ch ®iÖn) 
 + M¹ch dao ®éng 
 + Bé ph¸t hiÖn 
 + M¹ch ®Çu ra 
- ®Æc ®iÓm: c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung kh«ng ®ßi hái ®èi tîng lµ kim lo¹i. ®èi 
tîng ph¸t hiÖn cã thÓ lµ chÊt láng, vËt liÖu phi kim, thñy tinh, nhùa. Tèc ®é 
chuyÓn m¹ch t¬ng ®èi nhanh, cã thÓ ph¸t hiÖn c¸c ®èi tùîng kÝch 
 th-íc nhá, ph¹m vi c¶m nhËn lín 
C¶m biÕn 
VËt ph¸t hiÖn 
 21 
 - H¹n chÕ cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung lµ chÞu ¶nh h-ëng cña ®é Èm vµ 
bôi. C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung cã vïng c¶m nhËn lín h¬n vïng c¶m nhËn cña c¶m 
biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m. VÝ dô víi èng 18mm c¶m biÕn ®iÖn dung cã vïng c¶m nhËn lµ 
10mm, vïng c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖn cËn ®iÖn c¶m lµ 8mm. Víi èng 30mm vïng 
c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung lµ 25 mm, ®iÖn c¶m lµ 15mm 
 - §Ó bï ¶nh h-ëng cña m«i trêng c¸c c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung th-êng cã 
chiÕt ¸p ®iÒu chØnh 
 22 
Chương 10 ĐO LƯU LƯỢNG VẬN TỐC LƯU CHẤT VÀ MỨC 
10.1 Đo lưu lượng bằng chênh lệch áp suất 
- Mét trong nh÷ng nguyªn t¾c phæ biÕn ®Ó ®o lu lîng chÊt láng, khÝ vµ h¬i lµ 
nguyªn t¾c thay ®æi ®é gi¶m ¸p suÊt qua èng thu hÑp. ¦u ®iÓm cña c¸c dông cô 
nµy lµ ®¬n gi¶n ch¾c ch¾n kh«ng cã tiÕng ån, dÔ chÕ t¹o hµng lo¹t, ®o ®îc ë bÊt 
kú m«i trêng, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt nµo, gi¸ thµnh thÊp 
- Kh¶o s¸t nguyªn lý dßng ch¶y trong mét èng dÉn cã ®Æt thiÕt bÞ thu hÑp. Khi cã 
dßng chÊt láng ch¶y qua lç thu hÑp th× tèc ®é cña nã t¨ng lªn so víi tèc ®é tríc 
lç thu hÑp. Do ®ã ¸p suÊt dßng ch¶y ë cöa ra cña lç thu hÑp gi¶m xuèng t¹o nªn 
sù chªnh lÖch ¸p suÊt phÝa tríc vµ phÝa sau lç thu hÑp. Sö dông ¸p kÕ vi sai ®o ®-
îc sù chªnh lÖch ¸p suÊt nµy tõ ®ã ®o ®îc lu lîng nµy 
- Tèc ®é dßng ch¶y sau èng thu hÑp lín h¬n tríc èng do ®ã ¸p suÊt sau èng lín 
h¬n 
- L-u l-îng phô thuéc vµo tèc ®é nªn còng phô thuéc vµo ®é chªnh lÖch ¸p suÊt 
 d: ®-êng kÝnh lç thu hÑp; - hÖ sè l-u l-îng - mËt ®é dßng ch¶y 
10.2 Đo mức bằng cảm biến điện dung 
2
2
1
2
221
vvpp 
)(
2
4
)(2
4
21
2
21
2
pp
d
Q
pp
d
G


 23 
- Sö dông sù phô thuéc ®iÖn dung cña phÇn tö nh¹y c¶m cña bé chuyÓn ®æi vµo 
møc chÊt láng 
- CÊu t¹o: phÇn tö nh¹y c¶m ®iÖn dung ®îc thùc hiÖn díi d¹ng c¸c ®iÖn cùc hình 
trô trßn ®Æt ®ång trôc hay c¸c ®iÖn cùc ph¼ng ®Æt song song víi nhau. CÊu t¹o 
cña c¸c phÇn tö thô c¶m ®iÖn dung ®îc x¸c ®Þnh theo tÝnh chÊt hãa lý cña chÊt 
láng. Víi chÊt láng c¸ch ®iÖn(cã ®iÖn dÉn suÊt nhá h¬n 10-6 simen/m) ta cã c¸c 
s¬ ®å c¶m biÕn nh hình díi ®©y 
C¶m biÕn ®o møc chÊt láng c¸ch ®iÖn 
 Hình 10.2 Cảm biến đo mức chất lỏng cách 
- H×nh a: phÇn tö thô c¶m gåm 2 ®iÖn cùc ®ång trôc 1 vµ 2 cã phÇn nhóng ch×m 
vµo chÊt láng. C¸c ®iÖn cùc t¹o thµnh 1 tô ®iÖn h×nh trßn, gi÷a hai ®iÖn cùc ®iÒn 
®Çy chÊt láng cã chiÒu cao h, H-h lµ kh«ng gian chøa hçn hîp h¬i khÝ. ®iÖn 
dung cña tô ®iÖn h×nh trô ®-îc x¸c ®Þnh b»ng ph-¬ng tr×nh: 
h 
H 
1 
2 
3 
d 
D 
a 
h 
H 
2 
1 
b 
)/ln(
0
2
dD
H
c

 1 
 Trong ®ã: + : h»ng sè cña ®iÖn m«i ®iÒn ®Çy gi÷a 2 
 ®iÖn cùc 
 + 0: h»ng sè ®iÖn m«i cña ch©n kh«ng 
 H: chiÒu cao ®iÖn cùc 
 + D, d: ®-êng kÝnh ngoµi vµ trong cña ®iÖn cùc 
- Víi tô h×nh trô trßn h×nh a cã h»ng sè ®iÖn m«i kh¸c nhau, ®iÖn dung cña tô lµ: 
 c=c0+ c1+c2 
 ë ®©y c0: ®iÖn dung cña c¸ch ®iÖn xuyªn qua n¾p 
 c1: ®iÖn dung giữa hai ®iÖn cùc cã chøa chÊt 
 láng 
 c2: ®iÖn dung cña kh«ng gian chøa h¬i vµ khÝ 
VËy 
- ®èi víi h¬i vµ khÝ r=1 cßn c0= h»ng sè nªn 
 Ph-¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña phÇn tö nh¹y ®iÖn dung ®èi víi m«i tr-êng c¸ch 
®iÖn 
- ®Ó ®o møc c¸c chÊt láng dÉn ®iÖn (cã ®iÖn dÉn suÊt >10-4 simen/m) ngêi ta sö 
dông phÇn tö thô c¶m cã c¸ch ®iÖn ngoµi(h×nh b), phÇn tö thô c¶m lµ c¸c ®iÖn 
cùc kim lo¹i 1 cã phñ líp c¸ch ®iÖn 2 vµ nhóng ch×m vµo chÊt láng. ®iÖn cùc thø 
2 lµ thµnh bÓ chøa (nÕu lµ kim lo¹i) hay lµ ®iÖn cùc riªng. 
- ®iÖn dung toµn phÇn cña phÇn tö nh¹y c¶m ®îc tÝnh b»ng 
 trong ®ã 
 c0: ®iÖn dung cña c¸ch ®iÖn xuyªn qua n¾p 
)/ln(
)(2
)/ln(
2 00
0
dD
hH
dD
h
cc rL
 


])1(1[
)/ln(
2 0
0
H
h
dD
H
cc L 

 

21
21
0
cc
cc
cc
 2 
 c1: ®iÖn dung gi÷a ®iÖn cùc 1 vµ bÒ mÆt chÊt láng trªn giíi h¹n cã c¸ch 
®iÖn 
 c2: ®iÖn dung cña tô ®iÖn t¹o bëi mÆt chÊt láng trªn mÆt giíi h¹n c¸ch 
®iÖn vµ thµnh bÓ 
 3 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Lê Văn Doanh - Phạm Thượng Hàn - Nguyễn Văn Hoà – Võ Thạch Sơn – Đoàn 
Văn Tân,(2002), Các Bộ cảm biến trong kỹ thuật Đo lường và điều khiển; NXB Khoa 
học kỹ thuật; 
2. Th.s Hoàng Minh Thông, Giáo trình cảm biến công nghiệp, NXB Khoa học kỹ 
thuật; 
 3. Phạm Công Hoà, Kỹ thuật cảm biến , NXB Khoa học kỹ thuật 
4. Ngô Văn Ky, Kỹ thuật đo, Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 
1993.