3
LỜI GIỚI THIỆU
Trong nền công nghiệp sản xuất hiện đại ngày nay, rất nhiều nhà máy xí nghiệp
đã trang bị cho mình những dây chuyền sản xuất hoàn toàn tự động hoặc bán tự động.
Các loại cảm biến đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực điều khiển tự động, nó đóng
một vai trò rất quan trọng, không một thiết bị nào có thể thay thế được. Việc trang bị
cho mình một kiến thức về các loại cảm biến là như cầu bức xúc của các kỹ thuật viên,
kỹ sư của ngành điện cũng như những ngành khác.
Môđun kỹ thuật cảm biến là một môđun chuyên môn của học viên ngành điện
công nghiệp. Môđun này nhằm trang bị cho học viên các trường cao đẳng và các
trung tâm dạy nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo và sử dụng được một số loại
cảm biến thông dụng,….với các kiến thức này, học viên có thể ứng dụng trực tiếp vào
lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống. Ngoài ra các kiến thức này dung làm phương
tiện để học tiếp các môđun chuyên môn khác như trang bị điện, PLC…Môđun này
cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, các học viên của các
ngành khác quan tâm đến lĩnh vực này.
Khi biên soạn giáo trình này, chúng tôi dựa trên chương trình đào tạo mô đun Kỹ
thuật cảm biến dành cho cấp trình độ Cao đẳng do trường Cao đẳng nghề Cần Thơ
ban hành (Theo Thông tư 03/ 2017 /T T- BLĐTBXH ngày 01 tháng 3 năm 2017 của Bộ
trưởng Bộ Lao động - Thương binh và Xã hội).
Môđun này cần phải học sau khi đã học xong các môn học/mô-đun Máy
điện,Trang bị điện, Cung cấp điện, Truyền động điện.
Chúng tôi xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao đẳng nghề Cần
Thơ và các cá nhân, các đồng nghiệp đã góp nhiều công sức để nội dung giáo trình
được hoàn thành một cách tốt nhất.
Mặc dù chúng tôi đã rất cố gắng khi biên soạn, nhưng chắc chắn còn những sai
sót. Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo, đồng
nghiệp và bạn đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn trong những lần tái bản sau.
Mọi đóng góp xin gửi về khoa Điện, trường Cao đẳng nghề Cần Thơ, số 57
đường Cách mạng tháng tám, phường An Thới, quận Bình Thủy, thành phố Cần Thơ.
Cần Thơ, ngày …… tháng …… năm 2021
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Nguyễn Xuân Phương
2. Phạm Bỉnh Tiến
4
MỤC LỤC
1. Lời giới thiệu …………………………………………………………3
2. Mục lục ……………………………………………………………….4
3. Nội dung
Bài 1: Khái niệm về đo lường và cảm biến
1. Sơ đồ cấu trúc của một dụng cụ đo không điện……………………….6
2. Các thông số đặc trưng của chuyển đổi ……………………………….6
Bài 2: Cảm biến nhiệt độ
1. Đại cương …………………………………………………………....11
2. Nhiệt điện trở với Platin và Nickel ………………………………….12
3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic …………………………………14
4. IC cảm biến nhiệt độ ………………………………………………...18
5. Nhiệt điện trở NTC …………………………………………………..20
Bài 3: Cảm biến tiệm cận và các loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách
1. Cảm biến tiệm cận …………………………………………………..25
2. Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác…………….36
Bài 4: Cảm biến quang
1. Đại cương ……………………………………………………………42
2. Cảm biến quang loại thu phát độc lập ……………………………….43
3. Cảm biến quang loại phản xạ ………………………………………. 45
4. Cảm biến quang loại khuếch tán …………………………………… 46
5. Một số ứng dụng trong công nghiệp ……………………………….. 47
Tài liệu tham khảo …………………………………………………….. 52
5
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN
Tên mô đun: Kỹ thuật cảm biến
Mã mô đun: MĐ20
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun:
- Vị trí: Trước khi học mô đun này cần hoàn thành các môn học, mô đun cơ sở, đặc biệt
các môn học, mô đun: Mạch điện, Điện tử cơ bản, Đo lường điện và Trang bị điện.
- Tính chất: Là mô đun chuyên môn nghề, thuộc mô đun nghề bắt buộc
- Ý nghĩa và vai trò của mô đun: là nội dung bổ trợ cho các mô đun khác như: PLC,
truyền động điện…
Mục tiêu của mô đun:
- Về kiến thức:
+ Phân tích được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến.
+ Phân tích được nguyên lý của mạch điện cảm biến.
- Về kỹ năng:
+ Đấu nối được các loại cảm biến trong mạch điện cụ thể
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Hình thành tư duy khoa học phát triển năng lực làm việc theo nhóm. Rèn luyện tính
chính xác và tác phong công nghiệp
Nội dung của mô đun:
6
Đại lượng không
điện
Đại lượng điện
Chuyển đổi
sơ cấp
Mạch đo
Cơ cấu chỉ thị
X
Y
Bài 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN
Mã chương: MĐ20 – 01
Giới thiệu:
Cảm biến là thiết bị thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện
đặc trưng cho đối tượng đặc trưng cần nghiên cứu thành sự thay đổi của đại lượng điện
đầu ra theo quan hệ hàm đơn trị.
Mục tiêu:
- Trình bày được cấu trúc, đặc điểm, phân loại, ứng dụng của cảm biến.
- Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp
Nội dung chính:
1. Sơ đồ câu trúc của một dụng cụ đo không điện
Máy đo dù đơn giản hay phức tạp đều có cấu tạo gồm 3 khâu (hình 1.1)
Chuyển đổi sơ cấp
Mạch đo
Cơ cấu chỉ thị
Hình 1.1 Cấu tạo của một dụng cụ đo không điện
Chuyển đổi là bộ phận thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không
điện đặc trưng cho đối tượng cần nghiên cứu thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu
ra theo quan hệ hàm đơn trị. Trong dụng cụ đo không điện chuyển đổi là khâu quan
trọng nhất của máy đo nó quy định độ nhạy và độ chính xác của máy đo, khâu chuyển
đổi sơ cấp biến đại lượng không điện thành đại lượng điện.
Mạch đo : gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi sơ cấp cho phù hợp với cơ cấu
chỉ thị gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng
Cơ cấu chỉ thị : chỉ thị kết quả đo (số, điện tử, kim …)
2. Các thông số đặc trưng của chuyển đổi
2.1. Phương trình chuyển đổi
Đại lượng điện (Y) ở ngõ ra của chuyển đổi luôn có thể biểu diễn theo ngõ vào
không điện (X) qua một hàm f. Tức là Y = f (X ) (1.1)
Y
X
Chuyển đổi
điện
Đại lượng điện
Hình 1.2 ngõ vào và ra của chuyển đổi
7
Biểu thức (1.1) được gọi là phương trình chuyển đổi của cảm biến. Như vậy,
phương trình chuyển đổi là biểu thức toán học biểu thị mối quan hệ đầu vào và đầu ra
của chuyển đổi.
Thực tế ngoài đại lượng cần đo tác động vào chuyển đổi thì vẫn có nhiều yếu tố
tác động vào chuyển đổi nữa. Vì vậy, có thể biểu diễn ngõ vào và ngõ ra của chuyển
đổi như hình 1.2
Theo hình 1.2 quan hệ vào ra của chuyển đổi có thể biểu diễn:
Y = f(X, X1, X2 … ) (1.2)
Trong đó
X là đại lượng không điện cần đo ( đại lượng chủ đạo ).
X1 ,X2 … là đại lượng phụ (nhiễu). Do vậy luôn mong muốn ảnh hưởng của Xi là
bằng 0 tức là đạt được (1.1).
2.2. Độ nhạy
a/ Định nghĩa:
Độ nhạy là tỉ số biến thiên đầu ra trên biến thiên đầu vào
b/ Độ nhạy chủ đạo :
(1.3)
SX càng lớn càng đo được các đại lượng có độ biến thiên nhỏ, tức là chuyển đổi
càng tốt.
c/ Độ nhạy phụ
(1.4)
với Xi là biến phụ thứ i.
SXi càng bé càng tốt ( lí tưởng SXi =0 )
Ví dụ1 Để đo kích thước thì nên chọn cảm biến nào trong các cảm biến sau :
Cảm biến
SX
SX1
CB1
100/mm
1/0C
X3
Đại lượng không
điện
X
X2
Y
Đại lượng điện
CĐ
Xn
Hình 1.3 biểu diễn ngõ vào và ra của chuyển đổi theo thực tế
X
Y
X
Y
X
X
S
=
=→ 0
lim
Xi
Y
Xi
Y
Xi
Xi
S
=
=→ 0
lim