Giáo trình Cảm biến công nghiệp

⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+∆⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂=∆ (10.21) 
và sai số t−ơng đối của kết quả đo sẽ là: 
2
n
2
n
2
2
2
2
2
1
2
1
Y X
Y
Y
X
...
X
Y
Y
X
X
Y
Y
X
Y
Y
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∆
∂⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∂++⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∆
∂⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∂+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∆
∂⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∂=∆=γ 
 2Xn
2
2X
2
1X
... γ++γ+γ= (10.22) 
Trong đó 
1X
γ , 
2X
γ , . . .,
nX
γ - là sai số t−ơng đối của các đại l−ợng đo trực tiếp X1, 
 X2, . . . , Xn. 
Nếu các kết quả đo trực tiếp Xi đ−ợc xác định với sai số bình quân ph−ơng nXσ , thì: 
 2X
2
n
2
X
2
21
2
X
2
1
n21 X
Y
...
X
Y
X
Y σ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂++σ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+σ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂=σγ (10.23) 
ở đây 
iX
iX
Y σ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
∂
∂
 là sai số riêng của phép đo gián tiếp thứ i. 
 ở bảng 10.2 trình bày biểu thức tính sai số tuyệt đối và sai số t−ơng đối của một số 
hàm Y th−ờng gặp nhất trong các phép đo gián tiếp. 
 Bảng 10.2 
Hàm Y Sai số tuyệt đối Y∆ Sai số t−ơng đối 
Y
Y
Y
∆=γ 
X1 + X2 ( ) ( )2221 XX ∆+∆± ( ) ( )[ ] ( )2212221 XX/XX +∆+∆±
X1.X2 ( ) ( )21222221 XXXX ∆+∆± 
2
2
2
2
1
1
X
X
X
X
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ∆+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ∆± 
2
1
X
X
 ( ) ( )[ ] 4222222121 XXXXX ∆+∆±
2
2
2
2
1
1
X
X
X
X
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ∆+⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ ∆± 
nX XnX 1n ∆± − ( )X/Xn ∆± 
10.4.5. Bù sai số 
a) Bù sai số cộng tính 
 Trong cảm biến có sai số cộng tính, ta có: 
 aXX YXKY ∆+= (10.24) 
 Với 
i1i
i1i
X XX
YY
K −
−=
+
+ . 
Giá trị aY∆ không thay đổi theo X là sai số cộng tính. (hình 10.11). 
Loại trừ sai số loại này bằng một bộ trừ (hình 10.12). 
Ta có: 
 aiii YXKY ∆+= (10.25) 
CB 
X 
Hình 10.11 Sơ đồ nguyên lý cảm 
biến có sai số cộng tính 
YX = KXX + ∆Ya 
Hình 10.12 Loại trừ sai số 
 cộng tính 
X
CB
Xi
Y 
Yi 
Thực hiện phép trừ theo vế (10.24) và (10.25) và biến đổi ta có: 
 ( ) ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
−
−−=−
+
+
i1i
i1i
iXi YY
XX
YYXX (10.26) 
Bằng cách này ta đã loại trừ đ−ợc sai số cộng tính aY∆ . 
b) Bù sai số nhân tính 
Nếu đại l−ợng vào là Xo, ta có: 
 ( )k000 1KXY γ−= (10.28) 
Thực hiện phép chia theo vế (10.27) và (10.28) ta có: 
( )
( ) 0
X
0k0
kX
00
X
K
K
X
X
1K
1K
X
X
Y
Y =γ−
γ−= 
Nhận đ−ợc 0
X
0
0
X
K
K
Y
Y
X = 
 (10.29) 
c) Bù sai số do các yếu tố ảnh h−ởng 
 Một trong những sai số khó loại trừ nhất trong các cảm biến là sai số do các yếu tố 
ảnh h−ởng (hay các yếu tố không mang thông tin). Khi nghiên cứu các cảm biến, 
ng−ời ta cũng đ−a vào các biện pháp để loại trừ những yếu tố đơn nh−ng trong nhiều 
cảm biến ảnh h−ởng này rất khó loại trừ. Không những thế ở các cảm biến khác 
nhau cùng một công nghệ chế tạo, ảnh h−ởng này cũng khác nhau, vì thế trong các 
cảm biến thông minh ng−ời ta th−ờng bù ảnh h−ởng của các yếu tố không mang thông 
tin ngay trên cảm biến sử dụng. Từ ph−ơng trình biến đổi của cảm biến ta có thể viết 
sai số: 
 ...b
b
F
a
a
F
X
X
F
Y +∆∂
∂+∆∂
∂+∆∂
∂=∆ (10.30) 
Hình 10.12 Loại trừ sai số nhân tính 
X 
CB 
X0
YX 
Y0 
 Trong cảm biến có sai số nhân
tính, ta có: 
 ( )kXX 1XKY γ−= 
(10.27) 
Trong đó kγ là sai số nhân tính. 
Muốn bù sai số nhân tính ta dùng
Trong đó a
a
F ∆∂
∂
 là ảnh h−ởng của yếu tố a đến kết quả đo Y. Nhờ khả năng xử lý của 
máy tính ta có thể sai phân hoá và nội suy tuyến tính. 
 Bằng thực nghiệm ta lập ra bảng yếu tố ảnh h−ởng (bảng 10.3). 
Bảng 10.3 
 X1 X2 Xj Xn 
A1 ∆11 ∆12 . . . ∆1j ∆1n 
A2 ∆21 ∆22 . . . ∆2j ∆2n 
 . . . 
Ai ∆i1 ∆i2 . . . ∆ij ∆in 
Am ∆m1 ∆m2 .... ∆mj ∆mn 
 Từ giá trị Ai nhận đ−ợc do một cảm biến đo phụ và giá trị của đại l−ợng đo Xj, tra 
bảng nhận đ−ợc giá trị ∆ij, sau đó nội suy ra giá trị phải bù để loại trừ sai số do ảnh 
h−ởng của yếu tố A. 
Tài liệu tham khảo 
1. Lê Văn Doanh, Phạm Th−ợng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Võ Thạch Sơn, Đào Văn 
Tân. Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo l−ờng & điều khiển. NXB Khoa học và 
Kỹ thuật - 2001. 
2. Phan Quang Phô, Nguyễn Đức Chiến. Giáo trình Cảm biến. Nhà xuất bản Khoa 
học và Kỹ thuật - 2000. 
3. Tạ Duy Liêm. Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ. Tr−ờng Đại học Bách 
khoa Hà Nội - 1998. 
4. Đỗ Xuân Thụ (chủ biên). Kỹ thuật điện tử. Nhà xuất bản Giáo dục - 2002. 
5. S.C. Jomathon Lin. Computer Nummerical Control. Pelmar Publishers Inc. 
A 
X 
Mục lục 
Lời mở đầu 
 3 
Ch−ơng I. Các khái niệm và đặc tr−ng cơ bản 
1.1. Khái niệm và phân loại cảm biến 
 5 
1.1.1. Khái niệm về cảm biến 
 5 
1.1.2. Phân loại cảm biến 
 5 
1.2. Đ−ờng cong chuẩn 
 7 
1.2.1. Khái niệm 
 7 
1.2.2. Ph−ơng pháp chuẩn cảm biến 
 8 
1.3. Các đặc tr−ng cơ bản 
 9 
1.3.1. Độ nhạy 
 9 
1.3.2. Độ tuyến tính 
 11 
1.3.3. Sai số và độ chính xác 
 12 
1.3.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp 
 13 
1.3.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến 
 14 
1.4. Nguyên lý chế tạo cảm biến 
 15 
1.4.1. Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 
 15 
1.4.2. Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động 
 19 
1.5. Mạch đo 
 20 
1.5.1. Sơ đồ mạch đo 
 20 
1.5.2. Một số phần tử cơ bản của mạch đo 
 21 
Ch−ơng II. Cảm biến quang 
2.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 
 24 
2.1.1. Tính chất ánh sáng 
 24 
2.1.2. Các đơn vị đo quang 
 25 
2.2. Cảm biến quang dẫn 
 26 
2.2.1. Hiệu ứng quang dẫn 
 26 
2.2.2. Tế bào quang dẫn 
 29 
2.2.3. Photodiot 
 33 
2.2.4. Phototranzito 
 40 
2.2.5. Phototranzito hiệu ứng tr−ờng 
 43 
2.3. Cảm biến quang điện phát xạ 
 44 
2.3.1. Hiệu ứng quang điện pháp xạ 
 44 
2.3.2. Tế bào quang điện chân không 
 45 
2.3.3. Tế bào quang điện dạng khí 
 46 
2.3.4. Thiết bị nhân quang 
 46 
Ch−ơng III. Cảm biến đo nhiệt độ 
3.1. Khái niệm cơ bản 
 48 
3.1.1. Nhiệt độ và thang đo nhiệt độ 
 48 
3.1.2. Nhiệt độ đo đ−ợc và nhiệt độ cần đo 
 49 
3.1.3. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ 
 50 
3.2. Nhiệt kế giản nở 
 51 
3.2.1. Nhiệt kế giản nở dùng chất rắn 
 51 
3.2.2. Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng 
 51 
3.3. Nhiệt kế điện trở 
 52 
3.3.1. Nguyên lý chung 
 52 
3.3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại 
 53 
3.3.3. Nhiệt kế điện trở silic 
 56 
3.3.4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn 
 56 
3.4. Cảm biến nhiệt ngẫu 
 57 
3.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện 
 57 
3.4.2. Cấu tạo cặp nhiệt 
 59 
3.4.3. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp 
 62 
3.5. Hoả kế 
 67 
3.5.1. Hoả kế bức xạ toàm phần 
 67 
3.5.2. Hoả kế quang điện 
 68 
Ch−ơng IV. Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển 
4.1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển 
 71 
4.2. Điện thế kế điện trở 
 71 
4.2.1. Điện thế kế điện trở dùng con chạy cơ học 
 71 
4.2.2. Điện thế kế điện trở không dùng con chạy cơ học 
 73 
4.3. Cảm biến điện cảm 
 75 
4.3.1. Cảm biến tự cảm 
 75 
4.3.2. Cảm biến hỗ cảm 
 78 
4.4. Cảm biến điện dung 
 81 
4.4.1. Cảm biến tụ đơn 
 81 
4.4.2. Cảm biến tụ kép vi sai 
 83 
4.4.3. Mạch đo 
 84 
4.5. Cảm biến quang 
 84 
4.5.1. Cảm biến quang phản xạ 
 84 
4.5.2. Cảm biến quang soi thấu 
 85 
4.6. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi 
 86 
4.6.1. Nguyên lý đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi 
 86 
4.6.2. Cảm biến sử dụng phần tử áp điện 
 87 
4.6.3. Cảm biến âm từ 
 88 
Ch−ơng V. Cảm biến đo biến dạng 
5.1. Biến dạng và ph−ơng pháp đo 
 90 
5.1.1. Định nghĩa một số đại l−ợng co học 
 90 
5.1.2. Ph−ơng pháp đo biến dạng 
 91 
5.2. Đầu đo điện trở kim loại 
 91 
5.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
 91 
5.2.2. Các đặc tr−ng chủ yếu 
 93 
5.3. Cảm biến áp trở silic 
 94 
5.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
 94 
5.3.2. Các đặc tr−ng chủ yếu 
 95 
5.4. Đầu đo trong chế độ động 
 96 
5.4.1. Tần số sử dụng tối đa 
 96 
5.4.2. Giới hạn mỏi 
 97 
5.5. ứng suất kế dây rung 
 97 
Ch−ơng VI. Cảm biến đo lực 
6.1. Nguyên lý đo lực 
 99 
6.2. Cảm biến áp điện 
 100 
6.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
 100 
6.2.2. Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm 
101 
6.2.3. Cảm biến thạch anh nhiều thành phần 
 102 
6.2.4. Sơ đồ mạch đo 
 102 
6.3. Cảm biến từ giảo 
 104 
6.3.1. Hiệu ứng từ giảo 
104 
6.3.2. Cảm biến từ thẩm biến thiên 
105 
6.3.3. Cảm biến từ d− biến thiên 
 106 
6.4. Cảm biến dựa trên phép đo dịch chuyển 
106 
6.5. Cảm biến xúc giác 
 107 
Ch−ơng VII. Cảm biến đo vận tốc, gia 
tốc và rung 
7.1. Cảm biến đo vận tốc 
 108 
7.1.1. Nguyên lý đo vận tốc 
 108 
7.1.2. Tốc độ kế điện từ 
 108 
7.1.3. Tốc độ kế xung 
 113 
7.1.4. Máy đo góc tuyệt đối 
 115 
7.1.5. Đổi h−ớng kế 
 116 
7.2. Cảm biến đo rung và gia tốc 
118 
7.2.1. Khái niệm cơ bản 
118 
7.2.2. Cảm biến đo tốc độ rung 
 121 
7.2.3. Gia tốc kế áp điện 
 122 
7.2.4. Gia tốc kế áp trở 
123 
Ch−ơng VIII. Cảm biến đo áp suất chất 
l−u 
8.1. áp suất và nguyên lý đo áp suất 
 126 
8.1.1. áp suất và đơn vị đo 
 126 
8.1.2. Nguyên lý đo áp suất 
127 
8.2. áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh 
128 
8.2.1. áp kế vi sai kiểu phao 
 128 
8.2.2. áp kế vi sai kiểu chuông 
 129 
8.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng 
130 
8.3.1. Phần tử biến dạng 
131 
8.3.2. Các bộ chuyển đổi điện 
 135 
Ch−ơng IX. Cảm biến đo l−u l−ợng và 
mức chất l−u 
9.1. Cảm biến đo l−u l−ợng 
 142 
9.1.1. L−u l−ợng và đơn vị đo 
142 
9.1.2. Công tơ thể tích 
 142 
9.1.3. Công tơ tốc độ 
 144 
9.1.4. L−u l−ợng kế màng chắn 
 146 
9.1.5. L−u l−ợng kế điện từ 
 149 
9.2. Cảm biến đo và phát hiện mức chất l−u 
150 
9.2.1. Mục đích và ph−ơng pháp đo 
150 
9.2.2. Ph−ơng pháp thuỷ tỉnh 
151 
9.2.3. Ph−ơng pháp điện 
 152 
9.2.4. Ph−ơng pháp bức xạ 
153 
Ch−ơng X. Cảm biến thông minh 
10.1. Khái niệm về cảm biến thông minh 
 155 
10.2. Cấu trúc của một cảm biến thông minh 
156 
10.3. Các khâu chức năng của cảm biến thông minh 
157 
10.3.1. Bộ chuyển đổi chuẩn hoá 
157 
10.3.2. Bộ dồn kênh MUX 
159 
10.3.3. Bộ chuyển đổi t−ơng tự - số A/D 
160 
10.4. Các thuật toán xử lý trong cảm biến thông minh 163 
10.4.1. Tự động khắc độ 
163 
10.4.2. Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn 
163 
10.4.3. Gia công kết quả đo 
166 
10.4.4. Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp 
171 
Tài liệu tham khảo 
 174 
Mục lục 
 175