Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-1
Chương
4
:
MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG
I.
Cảm
biến
biến
dạng
–
Điện
trở
a.
Nguyên
lý
Sử
dụng
dây
dẫn
có
điện
trở
biến
đổi
tương
ứng
với
sự
thay
đổi
hình
dạng
dây
dẫn
khi
có
ngoại
lực
tác
động
vào.
b.
Đặc
tính
Xét
dây
dẫn
có
chiều
dài
l
,
tiết
diện
S
.
-
Khi
không
có
lực
tác
dụng,
điện
trở
dây
dẫn:
l
R
S
Một lưới bằng dây dẫn mảnh được gắn trực
tiếp lên bề mặt cần khảo sát. Sự biến dạng của cấu
trúc kéo theo biến dạng của cảm biến làm cho điện
trở của nó thay đổi. Dây dẫn có điện trở suất , tiết
diện S, chiều dài nl (n: số đoạn, l: chiều dài một
đoạn). Đối với đầu đo kim loại n = 10 20, đầu đo
bán dẫn n = 1.
Do
ảnh
hưởng
của
biến
dạng,
điện
trở
cảm
biến
thay
đổi
một
lượng
R
:
R l S
R l S

Biến
đổi
dạng
dọc
của
dây
dẫn
đến
thay
đổi
tiết
diện
ngang.
Ta
có
quan
hệ
giữa
điện trở
và
độ
dài:
R l
K
K:
hệ
số
đầu
đo
-
Đầu
đo
kim
loại
K
gần
bằng
2
-
Đầu
đo
bán
dẫn
K
~
100
200
-
Dấu
của
K
phụ
thuộc
vào
loại
bán
dẫn
Điện
trở
đầu
đo
có
giá
trị
chuẩn
từ
100
Ω
5000
Ω
với
độ
chính
xác
0,2
÷
10%.
c.
Ứng
dụng
Dùng
để
đo
lực
tác
dụng
hay
độ
biến
dạng
của
vật
thể.
II.
Cảm
biến
dịch
chuyển
–
Cảm
kháng
a.
Nguyên
lý:
Dựa
trên
mối
quan
hệ
cảm
kháng
của
các
cuộn
dây
khi
thay
đổi
vị
trí
thanh
ferrite
có độ
từ
thẩm
cao.
b.
Đặc
tính:
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-2
-
Các
cuộn
dây
thứ
cấp
được
mắc
nối
tiếp
nhau và
bố
trí
như
hình,
sao
cho:
V
out
(t)
=
V
S1
(t)
–
V
S2
(t)
-
Khi
thanh
ferrite
ở
vị
trí
trung
tâm
thì
điện
thế ngõ
ra
xem
như
gần
bằng
không.
-
Khi
thanh
ferrite
di
chuyển,
giá
trị
các
điện
áp V
S1
,
V
S2
tăng
hoặc
giảm
tương
ứng
với
các
hệ số
k
1
,
k
2
.
V
S1
(t)
=
k
1
V
in
(t)
V
S2
(t)
=
k
2
V
in
(t)
c.
Ứng
dụng:
Phát
hiện
sự
di
chuyển
của
đối
tượng
cần
quan
sát.
III.
Cảm
biến
siêu âm
a.
Nguyên
lý
Thiết
bị
phát
tín
hiệu
từ
bộ
phận
dao
động
ở
tần
số
siêu
âm.
Cấu
tạo
bộ
phận
dao động
được
tạo
thành
từ
hai
đĩa
mỏng.
Những
đĩa
này
có
thể
là
các
phần
tử
áp
điện
hoặc
là sự
kết
nối
giữa
một
phần
tử
áp
điện
và
một
đĩa
kim
loại.
Những
đĩa
này
sẽ
dao
động
khi
có tín
hiệu
có
tần
số
bằng
với
tần
số
cơ
bản
của
các
phần
tử
áp
điện.
Năng
lượng
dao
động
sẽ được
truyền
qua
bề
mặt
cảm
biến.
Cảm
biến
được
cấu
tạo
từ
các
phần
tử
áp
điện.
Khi
một
tín
hiệu
siêu
âm
tác
động
vào phần
tử
áp
điện,
phần
tử
này
phát
ra
tín
hiệu
điện
có
tần
số
tương
ứng
với
tần
số
của
tín
hiệu thu
được.
Dãi
tần
hoạt
động
của
cảm
biến
siêu
âm
từ
38kHz
đến
45kHz.
b.
Đặc
tính
-
Tín
hiệu
siêu
âm
không
tương
tác
với
những
tín
hiệu
âm
thanh
khác
trong
dải âm
tần
từ
50Hz
đến
15kHz.
-
Tín
hiệu
siêu
âm
ít
bị
ảnh
hưởng
bởi
các
tín
hiệu
có
tần
số
dưới
20kHz.
-
Tín
hiệu
siêu
âm
phản
xạ
rất
tốt
và
nhạy
cảm
với
bụi
bẩn.
c.
Ứng
dụng
Cảm
biến
siêu
âm
dùng
để
nhận
biết
sự
hiện
diện
của
vật
thể
và
sử
dụng
trong
các thiết
bị
đo
khoảng
cách,
các
thiết
bị
điều
khiển
từ
xa
và
một
số
thiết
bị
y
khoa.
IV.
Cảm
biến
gas
Có
nhiều
dạng
cảm
biến
gas
khác
nhau.
Đối
với
cảm
biến
gas
cấu
tạo
từ
chất
bán
dẫn thường
dùng
để
phát
hiện
khí
metan.
a.
Nguyên
lý
Nguyên
lý
hoạt
động
cảm
cảm
biến
gas
bán
dẫn
dựa
trên
thuộc
tính
của
phân
tử
Ir
(Iridium)
và
Pd
(Palladium). Cuộn
dây
làm
nóng
được
chế
tạo
từ
Ir
và
Pd. Cho
dòng
điện
qua
cuộn
dây,
cuộn
dây
phát
sinh nhiệt.
Đến
nhiệt
độ
xác
định,
khí
oxy
sẽ
tập
trung
các điện
tử
vùng
cho
đến
bề
mặt
chất
bán
dẫn,
tạo
ra
rào thế
năng.
Rào
điện
thế
này
cản
trở
sự
di
chuyển
của các
hạt
dẫn,
làm
cho
trở
kháng
của
lớp
bán
dẫn
tăng lên.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-3
Nồng
độ
khí
oxy
trong
không
khí
thay
đổi
làm
cho
điện
trở
chất
bán
dẫn
thay
đổi
theo.
b.
Đặc
tính
-
Độ
nhạy
của
cảm
biến
bị
ảnh
hưởng
bởi
nhiệt
độ
và
độ
ẩm
môi
trường.
-
Trước
khi
sử
dụng
cần
phải
có
thời
gian
làm
nóng
(từ
2
đến
3
phút)
để
tăng
độ chính
xác.
-
Điện
trở
cảm
biến
tăng
lên
20%
sau
khi
làm
nóng.
c.
Ứng
dụng
Phát
hiện
khí
metan,
CO
2
,
H
2
…
Chất
bán
dẫn
hoạt
động
như
một
biến
trở
(
điện trở phụ thuộc vào nồng độ gas),
khi gas đi qua bề mặt cảm biến điện trở chất bán dẫn giảm xuống. Dòng kích SCR tăng lên,
kích SCR dẫn. LED D1 sáng, đồng thời IC555 được reset
,
phát
ra
âm
thanh
báo
động.
V.
Bộ
đọc
mã
vạch
Mã
vạch
là
những
vạch
đậm
hoặc
mảnh
dùng
để
mã
hóa
số
hay
chữ
cái.
Có
nhiều
loại
mã
vạch
khác
nhau,
phổ
biến
nhất
là
mã
sản
phẩm
thông
dụng
(Universal
Product
Code
–
UPC)
và
mã
nhận dạng
ký
tự
bằng
quang
học
(Optical
Character Recognition
–
OCR).
Có
hai
loại
mã
vạch
thường
gặp
nhất
là:
-
Vạch
đen
là
1,
vạch
trắng
là
0.
-
Mã
vạch
n
từ
m
phần
tử:
vạch
đen/trắng
rộng
là
1,
vạch
đen/trắng
hẹp
là
0.
Máy
quét
mã
vạch
phát
tia
laser
công
suất
thấp.
Tia
sáng
gặp
mã
vạch
phản
xạ
lại một
cảm
biến
quang.
Cảm
biến
này
chuyển
tín
hiệu
quang
mang
thông
tin
mã
vạch
thành
tín hiệu
điện.
-
Nguồn
sáng
chuyển
động
nhờ
gương
đa
giác
quay,
mã
cố
định.
-
Nguồn
sáng
cố
định,
mã
chuyển
động.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-4
Bút
quang:
Tia
laser
được
led
phát
ra
hội
tụ
qua
thấu
kính hình
cầu
lên
mã
vạch.
Tia
phản
xạ
được
hội
tụ
qua
thấu
kính
về
cảm biến.
Cảm
biến
cho
tín
hiệu
khoảng
1,1V
khi
gặp phần
trắng
và
0V
khi
gặp
phần
đen.
Vận
tốc
quét
tối
đa
1m/s.
Mã
vạch
được
giải mã
thành
ký
tự
ASCII.
Bộ
giải
mã
là
vi
điều
khiển chuyên
dùng,
mã
ASCII
được
truyền
đến
máy
tính thông
qua
giao
tiếp
RS232.
Bộ
giải
mã
được
nối
với
loa
nhỏ,
phát
âm thanh
báo
hiệu
khi
quét
xong.
Trở
ngại
chính
là
không
thể
đọc
chính
xác nếu
các
vạch
bị
bẩn
hoặc
in
nhòe.
VI.
Cảm
biến
đo
mức
chất
lưu
Các
cảm
biến
này
chuyển
đổi
mức
chất
lỏng
thành
tín
hiệu
điện.
a.
Cảm
biến
độ
dẫn
Chỉ
dùng
cho
các
chất
lưu
dẫn
điện
(

50
Scm
-1
),
không
ăn
mòn
kim
loại.
Cấu
tạo
gồm
hai
điện
cực
hình
trụ,
nếu
bình
chứa
bằng
kim
loại
thì
bình
chứa
là
một điện
cực.
Đầu
đo
được
nuôi
bằng
điện
áp
xoay
chiều
10V
để
tránh
hiện
tượng
phân
cực. Có
hai
chế
độ
đo:
Đo
liên
tục
Đầu
đo
được
đặt
theo
vị
trí
thẳng
đứng, chiều
dài
đầu
đo
bằng
chiều
cao
của
mức
chất
lỏng cần
đo.
Dòng
điện
giữa
các
điện
cực
tỷ
lệ
với
chiều
dài
điện
cực
ngập
trong
chất
lưu.
Độ
lớn tín
hiệu
điện
phụ
thuộc
vào
độ
dẫn
của
chất
lưu.
Phát
hiện
theo
ngưỡng:
Điện
cực
được
đặt
theo
phương
nằm
ngang,
vị
trí
mỗi
điện
cực tương
ứng
một
mức
chất
lưu.
Khi
chất
lỏng
đạt
đến
mức
điện
cực,
xuất
hiện
dòng
điện
có biên
độ
không
đổi.
b.
Cảm
biến
tụ
điện
Được
sử
dụng
khi
chất
lỏng
là
chất
cách
điện,
hằng
số
điện
môi
của
chất
lưu
phải
lớn hơn
hằng
số
điện
môi
không
khí,
thường
là
gấp
đôi.
Có
thể
tạo
thành
tụ
điện
bằng
hai
điện
cực
(thành
bình
chứa
kim
loại
và
một
điện cực).
Chất
điện
môi
gữa
hai
điện
cực
là
phần
ngập
chất
lỏng
và
phần
không
khí.
Mức
chất
lưu
được
chuyển
thành
điện
dung
tụ
điện.
Điện
dung
này
thay
đổi
theo mức
chất
lưu.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-5
Nếu
chất
lưu
dẫn
điện,
sử
dụng
một
điện
cực
có
phủ
chất
cách
điện,
lớp
cách
điện đóng
vai
trò
là
điện
môi,
chất
lỏng
là
điện
cực
thứ
hai.
VII.
Cảm
biến
vị
trí
-
Điện
trở
a.
Cấu
tạo
Gồm
một
điện
trở
cố
định
R,
trên
có
một
tiếp
xúc
điện
có
thể
di
chuyển
gọi
là
con chạy.
Giá
trị
của
điện
trở
đo
được
giữa
con
chạy
và
một
đầu
của
điện
trở
R
là
hàm
phụ thuộc
vị
trí
con
chạy
và
bản
thân
điện
trở
R.
Nếu
điện
trở
được
chế
tạo
đồng
đều
thì
R
sẽ
tỉ
lệ
tuyến
tính
với
vị
trí
con
chạy. Có
hai
dạng
cảm
biến
vị
trí
điện
trở:
- Điện trở dịch chuyển thẳng:
l
R(l) R
L
- Điện trở dịch chuyển tròn:
m
R( ) R
Đối
với
điện
trở
tròn:
α
M
<
360
Đối
với
điện
trở
xoắn:
α
M
>
360
Hợp
kim
thường
dùng
làm
điện
trở
là
Ni
–
Cr,
Ni
–
Cu,
Ni
–
G
–
Fe,
Ag
–
Pd.
Dây điện
trở
được
cuốn
trên
lõi
cách
điện
còn
dây
được
cách
điện
bằng
emay.