Bài giảng Kỹ thuật đo lường cảm biến

1 
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 
CẢM BIẾN 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
2 
PHẦN 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG 
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG – CÁC CƠ CẤU 
CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG 
1.1. Lý luận chung về đo lường 
1.1.1 Định nghĩa và phân loại phép đo 
a. Định nghĩa 
Định nghĩa đo lường rất quan trọng vì nó thể hiện quan điểm đối với kỹ thuật đo 
lường. Nó là tiền đề cơ bản cho mọi lý luận về thiết bị đo và hệ thống thông tin đo lường. 
Do đó ta có thể thống nhất về định nghĩa đo lường như sau: 
Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả 
bằng số so với đơn vị đo. 
Khái niệm về đánh giá định lượng ở đây có thể hiểu rất hẹp như phép đo biến đổi 
thẳng nhưng cũng có thể hiểu là quá trình thu thập và biến đổi tin tức hoặc quá trình ước 
lượng và đánh giá ước lượng của các quá trình ngẫu nhiên, kết quả đánh giá là một con số 
so với đơn vị thể hiện quá trình lượng tử hoá và mã hoá ra kết quả bằng số và một phép 
so với đơn vị. 
Với định nghĩa trên thì đo lường là một quá trình thể hiện ba thao tác chính là: 
- Biến đổi tín hiệu và tin tức 
- So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trong quá trình đo lường 
- Chuyển đơn vị, mã hoá để có kết quả bằng số so với đơn vị 
Vậy quá trình đo có thể viết dưới dạng: 
 Ax = X/Xo 
Trong đó: Ax : Là kết quả của đại lượng cần đo 
 X : Đại lượng cần đo 
 Xo : Đơn vị đo 
Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác 
nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo gọi là đo lường học 
Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áo dụng các thành quả của đo lường học 
vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường 
Để thực hiện quá trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác nhau phụ thuộc 
vào đối tượng đo, điều kiện đo và độ chính xác yêu cầu của phép đo 
b. Phân loại phép đo 
Để thực hiện một phép đo người ta có thể thực hiện nhiều cách khác nhau. Ta có 
thể phân ra như sau: 
a. Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được từ một phép đo duy nhất. 
Cách đo này nhận được kết quả ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết quả 
đo. Ví dụ: đo điện áp dùng Vôn mét. Chúng ta thấy thực tế các phép đo đều sử dụng 
phép đo đều sử dụng cách đo trực tiếp này. 
b. Đo gián tiếp: 
Là cách đo mà kết quả đo suy ra từ sự phố hợp kết quả của nhiều phép đo trự tiếp. 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
3 
Ví dụ: Đo điện trở dùng Vôn mét và ampe mét, sau đó ta tính ra điện trở. Cách đo 
này gặp phải sai số là tổng sai số của các phép đo. 
c. Đo hợp bộ: 
Cách đo mà kết quả đo sẽ được đưa ra cùng một lúc với nhau khi giải hệ phương 
trình. 
d. Đo thống kê 
Là cách đo mà ta đo nhiều lần sau đó lấy trung bình. Thực hiện khi tín hiệu đo là 
ngẫu nhiên hoặc khi kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo 
1.1.2. Sai số, phương pháp giảm sai số 
a. Sai số của phép đo 
Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo cũng gây ra nhiều sai số. 
Những sai số này gây ra bởi những yếu tố như: Phương pháp đo được chọn, mức độ cẩn 
thận khi đoDo vậy kết quả đo lường không đúng với giá trị chính xác của đại lượng đo 
mà có sai số. Đó là sai số của phép đo. Có thể phân loại sai số của phép đo như sau: 
 Theo cách thể hiện bằng số 
• Sai số tuyệt đối là hiệu giữa đại lượng đo X và giá trị thực Xth 
ΔX = X – Xth 
• Sai số tương đối γX được tính bằng phần trăm của tỉ số sai số tuyệt đối và giá trị 
thực: 
 = 


100 ≈ 


100 
Vì X và Xth gần bằng nhau. 
 Theo nguồn gây ra sai số 
Người ta phân thành: 
• Sai số phương pháp là sai số sinh ra do sự không hoàn thiện của phương pháp đo 
và sự không chính xác biểu thức lý thuyết cho ta kết quả của đại lượng đo. 
• Sai số thiết bị là sai số của thiết bị đo sử dụng trong phép đo, nó liên quan đến 
cấu trúc và mạch đo của dụng cụ không được hoàn chỉnh, tình trạng của dụng cụ đo 
• Sai số chủ quan là sai số gây ra do người sử dụng. Ví dụ như do mắt kém, do cẩu 
thả 
• Sai số khách quan là sai số gây ra do ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài lên đối 
tượng đo cũng như dụng cụ đo. Ví dụ như nhiệt độ, độ ẩm 
 Theo quy luật xuất hiện của sai số 
• Sai số hệ thống là thành phần sai số của phép đo luôn không đổi hay là thay đổi 
có quy luật khi đo nhiều lần một đại lượng đo. 
Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai số do hiệu 
chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh “0” không đúng), sai số nhiệt độ tại thời điểm 
đo. v.v. 
Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung cấp (pin 
bị yếu đi) do ảnh hưởng của các trường điện từ hay những yếu tố khác. 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
4 
Việc phát hiện sai số hệ thống là rất phức tạp nhưng nếu đã phát hiện được thì việc 
đánh giá và loại trừ nó sẽ không còn khó khăn 
Việc loại trừ sai số hệ thống có thể tiến hành bằng cách: phân tích lý thuyết; kiểm 
tra dụng cụ đo trước khi sử dụng nó; chuẩn trước khi đo; chỉnh “0” trước khi đo; tiến 
hành nhiều phép đo bằng các phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế; sử dụng 
các bù sai số ngược dấu (cho một lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trong trường hợp 
sai số hệ thống không đổi thì có thể loại được bằng cách đưa vào một lượng hiệu chỉnh 
hay một hệ số hiệu chỉnh. 
Lượng hiệu chỉnh là giá trị cùng loại với đại lượng đo được đưa thêm vào kết quả 
đo nhằm loại sai số hệ thống. 
Hệ số hiệu chỉnh là số được nhân với kết quả đo nhằm loại sai số hệ thống. 
• Sai số ngẫu nhiên là thành phần sai số của phép đo thay đổi không theo một quy 
luật nào cả mà ngẫu nhiên khi nhắc lại phép đo nhiều lần một đại lượng duy nhất. Giá trị 
và dấu của sai số ngẫu nhiên không thể xác định được, vì sai số ngẫu nhiên gây ra do 
những nguyên nhân mà tác động của chúng không giống nhau trong mỗi lần đo cũng như 
không thể xác định được. Để phát hiện sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần đo 
cùng một đại lượng và vì thế để xét ảnh hưởng của nó đến kết quả đo người ta sử dụng 
toán học thống kê và lý thuyết xác suất. 
b. Sai số của dụng cụ đo 
Nguyên nhân gây ra sai số của dụng cụ đo thì có nhiều loại. Có thể đó là những 
nguyên nhân do chính phương pháp đo gây ra hoặc 1 nguyên nhân nào đấy có tính quy 
luật hoặc cũng có thể là do các yếu tố biến động ngẫu nhiên gây ra. Trên cơ sở đó người 
ta phân biệt hai loại sai số là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên 
• Sai số hệ thống: còn gọi là sai số cơ bản, là sai số mà giá trị của nó luôn luôn 
không đổi hay thay đổi có quy luật. Sai số này về nguyên tắc có thể loại trừ được. 
• Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó thay đổi rất ngẫu nhiên do các biến 
động của môi trường bên ngoài (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm). Sai số này còn gọi là sai số 
phụ 
Tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác của dụng cụ đo là cấp chính xác. 
Người ta quy định cấp chính xác của dụng cụ đo đúng bằng sai số tương đối quy 
đổi của dụng cụ đo đó: 
% =


100% 
XN: là giá trị cực đại của thang đo 
Δm: là sai số tuyệt đố cực đại 
c. Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp 
Khi tính toán các sai số ngẫu nhiên của phép đo gián tiếp cần nhớ rằng đại lượng 
cần đo có quan hệ hàm với một hay nhiều đại lượng đo trực tiếp. 
Giả sử X là đại lượng cần đo bằng phép đo gián tiếp; Y,V,Z là các đại lượng đo 
được bằng phép đo trực tiếp 
X = F(Y,V,Z) 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
5 
ΔY, ΔV, ΔZ là các sai số hệ thống tương ứng khi đo Y, V, Z ; ΔX là sai số hệ 
thống khi xác định X 
TH1: X = aY + bV + cZ 
ΔX = a ΔY + bΔV+ cΔZ 
TH2: 
Ví dụ: Phương pháp đo điện áp dùng Ôm kế và Ampe kế. Biết 


= ±3% và 


= ±1%. Tính 


=?% 
LG 
Ta có U = I.R 
ΔU = 


 +


 = .  + .  
→ 


=
.  + . 

=
.  + . 
. 
=


+


= ±(3% + 1%) = ±4% 
1.2. Đặc tính của thiết bị đo 
1.2.1. Độ nhạy 
Độ nhạy của một dụng cụ đo được tính bằng: 
X
Y
S
Nêu nên sự biến thiên của đại lượng đầu ra Y 
so với sự biến thiên nhỏ ở đầu vào X. 
- Trong trường hợp quan hệ giữa đại lượng ở 
đầu ra và đại lượng đầu vào là tuyến tính thì độ nhạy S 
= const và được gọi là độ nhạy của thiết bị đo. 
 - Trong trường hợp S là hàm của X thì quan hệ 
là phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo). 
X
Y
X
Y
Y=f(X)
Như vậy khi nói đến độ nhạy nghĩa là xác định S trong phạm vi nhỏ xung quanh X 
thì ta có quan hệ tuyến tính. 
- Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu thì ta có: 
 S = S1. S2 ....Sn. 
Theo lý thuyết thì xét quan hệ Y, X thì X nhỏ bao nhiêu cũng được nhưng thực tế 
cho thấy với X nhỏ đến một giá trị nào đấy ( X ) thì Y không thể xác định được. 
Nguyên nhân do ma sát, hiện tượng trễ,..... 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
6 
  : được gọi là ngưỡng nhạy (có thể nói đó là giá trị nhỏ nhất mà thiết bị đo có thể 
phân biệt - người quan sát hay góc quay đủ lớn) 
Khả năng phân ly: 

DXX
R 
 minmax 
1.2.2. Tốc độ đo. 
Là thời gian để xác lập kết quả đo. Cho phép đánh giá đại lượng đầu ra Y có theo 
kịp về thời gian với sự biến thiên của đại lượng đo không (đại lượng đầu vào X) 
 Thời gian hồi đáp (tr) là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị của độ 
nhanh. 
 Tốc độ đo: 
T
v
1
; 
 T là khoảng thời gian ngắn nhất giữa hai lần đo ổn định. 
1.2.3. Độ chính xác. 
 Tiêu chuẩn quan trọng 
nhất của thiết bị đo là tính chính xác 
của nó: 
X
D
X
X
A
m
N

1
Với thiết bị sai số chủ yếu do 
ngưỡngnhạy thì độ chính xác chính là 
khả năng phân ly: 

D
RA 
1.2.4. Điện trở - công suất tiêu thụ. 
a) Điện trở vào: Mỗi dụng dụ đo có điện trở của nó. Điện trở lớn hay nhỏ phụ 
thuộc vào tính chất của đối tượng đo. Điện trở vào phải lớn khi mà tín hiệu ra của khâu 
trước đó dưới dạng điện áp (nghĩa là dòng nhỏ và công suất tiêu thụ ít nhất). Ví dụ 
vônmét phải có RV >> thì càng tốt. 
b) Điện trở ra: Xác định công suất có thể truyền tải cho chuyển đổi tiếp theo. Điện 
trở ra càng nhỏ thì công suất càng lớn. 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
7 
1.3 Cơ cấu chỉ thị của dụng cụ đo tương tự 
1.3.1 Cơ sở chung 
Dụng cụ đo cơ điện là loại thiết bị đo sử dụng năng lượng điện từ trường của mạch 
đo thành năng lượng cơ học làm quay phần động đi một góc so với phần tĩnh. Loại 
dụng cụ này là dụng cụ đo chuyển đổi thẳng. 
Sơ đồ khối dụng cụ cơ điện: hình 1.7 
 Y = fY(X) 
 = f (X) 
 = F(X); quan hệ , X là tuyến tính hay phi tuyến tương ứng ta có 
thang đo đều hay không đều 
Phương trình đặc tính thang đo: 
- Mô men quay: Khi có dòng điện qua cơ cấu, trong cơ cấu tích luỹ một năng 
lượng điện từ trường We. Năng lượng này biến đổi thành cơ năng làm quay phần động 
một góc d . Thực hiện một công cơ học: 
 dA = Mq.d 
Theo định luật bảo toàn năng lượng: dA = dWe 
 Suy ra: 
 d
dW
M eq 
 +. Trong tụ: 2.
2
1
UCWe - cơ cấu tĩnh điện. 
 +. Trong cuộn dây: 2.
2
1
ILWe - cơ cấu điện từ. 
 +. Năng lượng hỗ cảm giữa hai cuộn dây: We = M1,2.I1.I2 - cơ cấu, 
điện động 
- Mô men cản hình 1.8: 
Dưới tác động của Mq, nếu không có gì cản thì phần động sẽ quay đi một góc lớn 
nhất có thể, không phụ thuộc mô men quay lớn hay bé. Để xác định quan hệ chặt chẽ 
giữa góc quay và mô men quay Mq ( do đó với đại lượng cần đo X) cần có một mô men 
tác động ngược chiều với mô men quay gọi là mô men cản (Mc). 
Ta dễ dàng tạo một mô men tỷ lệ với 
nhờ lò xo xoắn, dây căng, dây treo: 
Mc = D. 
Trong đó: 
 D - mô men cản riêng của lò xo 
(phụ thuộc vào vật liệu, kích thước) 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
8 
- Phương trình đặc tính thang đo: 
Dưới tác động đồng thời của mô men quay và mô men cản, phần động của cơ cấu 
đo sẽ dừng tại vị trí c khi Mq = Mc. ( c là vị trí cân bằng của phần động). Ta có: 
.D
d
dWe 
Ta có phương trình đặc tính thang đo: 
d
dW
D
e.
1
Phương trình đặc tính thang đo cho biết có thang đo đều hay không đều. Nhưng 
không phải trường hợp nào các đường cong Mq cũng có thể biểu diễn dưới dạng giải tích 
được. Vì vậy thực tế để xây dựng thang đo một cơ cấu người ta dùng phương pháp đồ thị. 
Nội dung phương pháp: Bằng thực 
nghiệm xây dựng các đường cong mô men quay 
Mq = f( ) với các giá trị X khác nhau. Ví dụ với 
cơ cấu điện từ ta xây dựng các đừng cong 
1;2;3;4 (hình 1.9) với các giá trị X tương ứng 
40;60;80 và 100% Xm (Xm - giá trị định mức làm 
kim lệch toàn thang). Giả sử Xm = I0 = 50mA; 
các đường cong Mq cắt đường cong mô men cản 
tại các điểm A, B, C, D ta được các vị trí 1, 2, 
 3, 4. ứng với các trị số này các trị số tương 
ứng của X là 20, 30, 40, 50mA. Như vậy ta có 
thang đo theo đơn vị của đại lượng đầu vào. 
 Nếu Y = fy(X) là tuyến tính thì dạng thang đo X cũng là của Y. 
Nghĩa là không cần khắc độ lại mà chỉ thay giá trị X bằng Y theo một hệ số. 
 Nếu Y = fy(X) là phi tuyến ta phải thực hiện thêm một bước trung 
gian; từ quan hệ cho giá trị X tính ra Y. Trên thang đo theo đơn vị X thay bằng trị 
số Y ta được thang đo theo đơn vị Y. 
- Mô men ổn định hình 1.10: 
Dưới tác động của mô men quay phần 
động lêch khỏi vị trí 0 tới vị trí cân bằng c ứng 
với lúc Mq = Mc . Nhưng vì quán tính nên phần 
động không dừng ở c mà di chuyển đến vị trí 1 
= c + , ở vị trí này mô men tác động lên phần 
động: 
 Mc - Mq = Môđ 
Quá trình ngược lại: 2 = c - ; mô men 
tác động: 
 Mq - Mc = Môđ 
BÀI GI
Mô men ổn định tác đ
 c. Chiều của mô men ổn
- Mô men ma sát: (v
ma sát). Ta xét cơ cấu trụ
+. Khi phần động t
có ma sát nên không đến đư
ở 1 : 
 - Mc
 Hay: Mq -
 +. Quá trình 
phần động từ max về 0, do
 2 trước khi về c. Phương tr
 Mc -
Hay: Mc - Mq - M
 Từ đồ thị hình 1.11 ta có:
 ms = 
 ms = 
 Theo sự phân tích trên thì M
phần động về vị trí cân b
Mms thì kim dừng ở vị trí 
1.3.2. Những bộ phận, chi ti
 a) Trục và trụ. (Hình 1.12).
Trục quay
 Trục và trụ là hai b
động quay (kim chỉ, lò xo ph
do ma sát. 
- Trục: được làm b
cùng bán kính 0,05 
- Trụ: Làm b
trụ có thể được điề
ẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾ
ộng lên phần động để kéo phần động tr
 định là chiều của mô men có trị số nhỏ hơn.
ới phần động dùng dây căng, dây treo 
c, trụ. hình 1.11: 
ừ = 0 đến c do 
ợc c mà dừng lại 
 + Mq = Mms 
 Mc - Mms = 0 
đại lượng đo giảm, 
 ma sát nó dừng ở 
ình cân bằng: 
 Mq = Mms 
ms = 0 
 c - 1 
 2 - c 
ôđ ngược với Mms; Môđ
ằng, còn mô men ma sát có khuynh hướng ng
 nào đó khác c 
ết chung của cơ cấu chỉ thị cơ điện.
Tr
Hình 1.12 
ộ phận rất quan trọng của các cơ cấu: nó đ
ản, khung quay,...). Chất lượng của chúng quy
ằng thép tròn đường kính 0,8 1,5 mm, 
 0,3mm; có độ cứng cao. 
ằng đá cứng, mặt trụ được khoét nón lõm có góc 
u chỉnh lên xuống. 
N 
9 
ở về vị trí cân bằng 
không xét đến mô men 
 có khuynh hướng kéo 
ựơc lại. Khi Môđ = 
ụ quay 
ảm bảo cho phần 
ết định sai số 
 = 45  600, tận 
đỉnh bằng 80o 
BÀI GIẢNG K
b) Lò xo phản kháng. 
- Công dụng: 
 + Đưa dòng vào khung dây (t
 + Tạo ra mômen cản cân b
Yêu cầu: Để đảm bảo chỉ thị đượ
lò xo phải ổn định ( trị số của nó không thay đ
nhiệt độ). Để đạt được yêu cầu 
 trên lò xo thường được chế tạ
 - Đặc điểm: 
 + Có dạng hình xoắn ốc (Hình 1.13)
 + Đầu trong của lò xo gắn v
kim cố định trên trục quay. 
 + Trong một cơ cấu chỉ thị
c)  ... ử dụng ánh sáng hồng ngoại là ánh sáng không nhìn 
thấy. Nguồn sáng được tạo ra từ các LED phát ra ánh sáng hồng ngoại và nó được gọi 
là bộ phát. Bộ thu có thể là Photodiode hoặc Phototransistor. 
Hình 4.29: Nguyên lý cảm biến hồng ngoại phản xạ 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
177 
* Các dạng hoạt động của cảm biến quang 
Cảm biến quang có 2 dạng hoạt động chính đó là: 
 - Tối hoạt động (Dark Operate) 
 - Sáng hoạt động (Light Operate) 
 Tối hoạt động là một dạng hoạt động của cảm biến, mà tải được cấp điện khi 
ánh sáng từ bộ phát không đến được bộ thu của cảm biến. 
Hình 4.30: Nguyên lý “tối hoạt động” 
 Sáng hoạt động là một dạng hoạt động của cảm biến, mà tải được cấp điện khi 
ánh sáng từ bộ phát được truyền tới bộ thu của cảm biến. 
Hình 4.31: Nguyên lý “sáng hoạt động” 
c) Cảm biến quang ứng dụng cáp quang và công nghệ Laser 
* Sợi quang (Fiber Optics) 
 Sợi quang được dùng để truyền dẫn ánh sáng. Những cảm biến sợi quang 
thường có bộ phát, bộ thu, và cáp uốn cong với rất nhiều sợi quang truyền ánh sáng. 
Cảm biến có thể sử dụng cáp đôi tách riêng cho bộ phát và bộ thu, hoặc nó cũng có thể 
sử dụng cáp đơn. 
Khi sử dụng cáp đơn, thì bộ phát và bộ thu sử dụng ở dạng biến đổi đến sự phân 
phối bộ phát và sợi truyền bên trong cáp quang. Có các dạng cơ bản như sau. 
BÀI GIẢNG K
Hình 4.32: C
Sợi thuỷ tinh được sử d
được sử dụng khi nguồn phát là ánh sáng nhìn th
* Các dạng cảm biến dùng cáp quang. 
Hình 4.33: C
Hình 4.34: C
Hình 4.35: C
* Laser (LASER: Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation
 Ánh sáng Laser cũng th
Thông thường người ta sử dụng ánh sáng Laser thu
điểm phát cực đại ở 1mV. Đố
cảnh báo sự nguy hiểm của nó.
Những cảm biến Laser thì 
tán xạ với cơ sở loại bỏ những bi
sáng nhìn thấy, ánh sáng này có th
nghệ Laser được sử dụng để kiểm tra các đ
Ví dụ đối với loại Cảm bi
kích thước 0,03 mm tại một kho
Ỹ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
ấu trúc cáp quang 
ụng khi nguồn phát là ánh sáng hồng ngo
ấy. 
ảm biến sợi quang đối xứng 
ảm biến sợi quang phản xạ gương 
ảm biến sợi quang phản xạ 
ường được sử dụng làm nguồn sáng c
ộc nhóm 2, nhóm này có công su
i với ánh sáng Lasers khi sử dụng cần ph
được dùng dưới dạng chùm tia, quét tán x
ến thái. Ánh sáng Laser có cường đ
ể thiết lập và hiệu chỉnh một cách d
ối tượng rất nhỏ tại một khoảng cách l
ến L18 của Siemens có thể kiểm tra mộ
ảng cách là 80 cm. 
178 
ại. Sợi nhựa 
) 
ủa cảm biến. 
ất 
ải chú ý đến 
ạ, và quét 
ộ cao hơn ánh 
ễ dàng. Công 
ớn. 
t đối tượng có 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
179 
Cảm biến sử dụng công nghệ Laser được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực 
đo lường và điều khiển tự động. Nó được dùng để xác định vị trí, kiểm tra tốc độ quay, 
hoặc kiểm tra độ dày tới 0,1mm, ngoài ra còn nhiều ứng dụng khác nữa. 
4.4.3 Lắp đặt ứng dụng cảm biến quang công ngiệp 
a) Sơ đồ kết nối của cảm biến quang. 
 Mạch điện đầu ra của cảm biến quang cũng có 2 loại cơ bản đó là: NPN và PNP. 
 Các sơ đồ kết nối như sau: 
Hình 4.36: Bộ phát và thu nằm trong một vỏ 
Hình 4.37: Bộ phát và thu tách rời nhau 
 Nguồn cung cấp cho cảm biến từ 10 đến 30VDC. Dòng điện từ 100mA đến 
200mA. Khoảng cách tác động phụ thuộc vào vật liệu cần cảm biến và phương pháp 
điều chế ánh sáng. 
b) Ứng dụng cảm biến quang phản xạ 
* Cảm biến quang sử dụng kỹ thuật tán xạ ngược. 
 Đó là những cảm biến quang có bộ phát và bộ thu đặt trong cùng một vỏ và ánh 
sáng chiếu đến vật cần kiểm tra có khả năng làm cho ánh sáng tán xạ trở lại. Một số ví 
dụ về ứng dụng và lắp đặt được mô tả trong các hình vẽ sau: 
a) Kiểm tra vị trí đánh dấu chân 1 IC 
b) Kiểm tra nắp lọ 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
180 
c) Kiểm tra Ren 
d) Phát hiện cuối cuộn 
Hình 4.38: Một số ứng dụng 
* Cảm biến quang sử dụng kỹ thuật phản xạ (dùng vật phản xạ). 
 Đó cũng là những cảm biến quang có bộ phát và bộ thu đặt trong cùng một vỏ 
nhưng ánh sáng chiếu đến vật cần kiểm tra không có khả năng phản xạ trở lại ánh sáng 
chỉ phản xạ trở lại khi gặp vật phản xạ đặt ở phía đối diện. 
 Một số ví dụ về ứng dụng và lắp đặt được mô tả trong các hình vẽ sau: 
a) Phát hiện xe tại cổng bãi đỗ xe 
b) Đếm chai 
c) Đếm hộp 
d) Đếm hộp Các tông 
e) Đếm vật ở mọi vị trí trên băng 
f) Phát hiện người qua lại 
Hình 4.39: Một số ứng dụng 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
181 
c) Ứng dụng cảm biến quang đối xứng 
 Bộ cảm biến này có bộ phát và bộ thu tách rời nhau có khả năng làm việc với 
khoảng cách lớn. 
 Một số ví dụ về ứng dụng và lắp đặt được mô tả trong các hình vẽ sau: 
a) Đếm chân IC 
b) Kiểm tra chân ốc 
c) Kiểm tra độ cao 
d) Kiểm tra hộp có hay không có 
Hình 4.40: ứng dụng cảm biến quang đối xứng 
4.5 Encoder 
4.5.1 Nguyên lý cơ bản 
Encoder là thiết bị mã hoá các đại lượng dịch chuyển có thể là chuyển động 
thẳng hoặc chuyển động quay. Các đại lượng này được biến đổi thành các đại lượng 
điện tương ứng, có thể là điện áp biến thiên liên tục hoặc xung điện áp. Trong khuôn 
khổ tài liệu chúng ta chỉ nghiên cứu một loại Encoder mã hoá vòng quay thành các 
xung điện áp. Cấu trúc cơ bản của một bộ Encoder được thể hiện trong hình 4.41. 
Hình 4.41: Bộ cảm biến tốc độ với đĩa mã hóa 
a) Sơ đồ khối biến đổi tốc độ thành xung ánh sáng 
b) Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi xung ánh sáng thành xung điện 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
182 
 Tuỳ theo mức độ yêu cầu về chính xác và chất lượng của tín hiện mã hoá được 
tạo ra mà người ta thiết kế và chế tạo ra các loại Encoder khác nhau. 
4.5.2 Cấu trúc của một Encoder 
Hình 4.42: Cấu trúc của Encoder 
 Mã tín hiệu đầu ra của Encoder phụ thuộc vào cấu tạo của đĩa mã hoá, đĩa chỉ 
có một loại khe sáng và đĩa có nhiều loại khe sáng. Đĩa có một loại khe sáng chỉ cho ta 
nhiều nhất là 2 tín hiệu ra lệch pha nhau 90o . Với loại có nhiều khe sáng có độ rộng 
khe khác nhau sẽ cho ta nhiều chuỗi xung ra có độ rộng khác nhau. 
 * Loại có một loại khe sáng (có nhiều khe rộng bằng nhau) 
Hình 4.43: Đĩa mã hoá có một loại khe sáng và dạng xung được tạo 
 * Loại có nhiều dạng khe sáng 
Hình 4.44: Đĩa mã hoá có nhiều dạng khe sáng 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
183 
 Như trong hình 4.44 ta thấy đĩa mã hoá này có 10 loại khe sáng với kích thước 
độ rộng khác nhau. Cúng được bố trí sao cho tạo thành một loại mã thông dụng, trong 
trường hợp này ta thu được một mã Gray ví dụ được thể hiện trên hình vẽ 4.44 với 5 
đầu ra tương ứng với 5 bít. 
4.5.3 Lắp đặt 
Hình 4.45: Các dạng liên kết truyền động 
 1) Biến đổi chuyển động thẳng thành chuyển động quay 
 2) Biến đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng 
 3) Đo độ dài hoặc tốc độ của đối tượng 
 4) Gắn trực tiếp với trục của động cơ 
 5) Nối trực tiếp trục để điều khiển xoay bàn 
 6) Gắn trực tiếp lên thang đo của máy 
 * Lưu ý khi sử dụng Encoder 
Hình 4.46: Các chú ý khi sử dụng Encoder 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
184 
4.5.4 Ứng dụng 
 Tính tốc độ quay của trục Encoder 
 Tần số xung: 
Tần số xung ra = 
Số vòng trên phút 
x Số khe hở trên đĩa 
60 
 Tốc độ quay: 
Số vòng trên phút = 
Tần số xung ra 
x 60 
Số khe hở trên đĩa 
4.5 Cảm biến hoả điện hồng ngoại (Pyroelectric Infrared Sensors) 
4.5.1 Cơ sở nguyên lý 
4.5.2 Cấu trúc cơ bản 
4.5.3 Ứng dụng 
4.6 Vision sensor 
4.6.1 Nguyên lý cơ bản 
4.6.2 Ứng dụng 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
185 
CHƯƠNG 11. GhÐp nèi c¶m biÕn víi m¹ch ®iÖn xö lý 
5.1 Môc ®Ých 
 Mét tÝn hiÖu ph¶n håi chøa ®ùng th«ng tin vÒ tr¹ng th¸i t×nh tr¹ng cña hÖ thèng 
th× lu«n cÇn thiÕt cho mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn vµ ®iÒu chØnh tù ®éng. ChØ cã thiÕt bÞ 
c¶m biÕn míi lµm ®­îc ®iÒu ®ã. Do ®ã thiÕt bÞ xö lý ®iÒu khiÓn hÖ thèng cÇn ph¶i cã 
sù liªn kÕt víi c¸c c¶m biÕn. Nh­ng chóng ®­îc liªn kÕt víi nhau nh­ thÕ nµo th× l¹i 
phô thuéc vµo tÝnh chÊt yªu cÇu kü thuËt cña thiÕt bÞ xö lý, vµ kh¶ n¨ng ®¸p øng nh÷ng 
yªu cÇu ®ã cña c¸c c¶m biÕn. V× vËy chóng ta sÏ lÇn l­ît xem xÐt tõng vÊn ®Ò cô thÓ 
khi tiÕn hµnh kÕt nèi. 
 5.2 CÊu tróc hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng c¬ b¶n 
H×nh 5.1: CÊu tróc hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng 
5.3 C¸c c¸ch m¾c c¶m biÕn 
5.3.1 M¾c nèi tiÕp 
H×nh 5.2: S¬ ®å m¾c nèi tiÕp 3 c¶m biÕn lo¹i PNP 
Nguyªn lý lµm viÖc ®­îc m« t¶ trong b¶ng tr¹ng th¸i nh­ sau: 
 Quy ­íc c¸c c¶m biÕn khi cã ®èi t­îng t¸c ®éng cã gi¸ trÞ 1, kh«ng cã ®èi t­-
îng t¸c ®éng nhËn gi¸ trÞ 0 vµ ®Çu ra còng cã 2 tr¹ng th¸i t­¬ng øng. 
B¶ng 5.1 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
186 
TT S1 S2 S3 Q 
0 0 0 0 0 
1 0 0 1 0 
2 0 1 0 0 
3 0 1 1 0 
4 1 0 0 0 
5 1 0 1 0 
6 1 1 0 0 
7 1 1 1 1 
Víi b¶ng tr¹ng th¸i trªn ta nhËn thÊy r»ng ®Çu ra Q chØ cã tÝn hiÖu khi tÊt c¸c 
c¸c c¶m biÕn ®Çu cã ®èi t­îng t¸c ®éng. 
5.3.2 M¾c song song 
H×nh 5.3: S¬ ®å m¾c song song 3 c¶m biÕn lo¹i PNP 
Nguyªn lý lµm viÖc ®­îc m« t¶ trong b¶ng tr¹ng th¸i nh­ sau: 
 Quy ­íc c¸c c¶m biÕn khi cã ®èi t­îng t¸c ®éng cã gi¸ trÞ 1, kh«ng cã ®èi t-
wîng t¸c ®éng nhËn gi¸ trÞ 0 vµ ®Çu ra còng cã 2 tr¹ng th¸i t­¬ng øng. 
B¶ng 5.2 
TT S1 S2 S3 Q 
0 0 0 0 0 
1 0 0 1 1 
2 0 1 0 1 
3 0 1 1 1 
4 1 0 0 1 
5 1 0 1 1 
6 1 1 0 1 
7 1 1 1 1 
 Víi b¶ng tr¹ng th¸i trªn ta nhËn thÊy r»ng chØ cÇn khi mét c¶m biÕn cã ®èi t­-
îng t¸c ®éng th× ®Çu ra Q cã tÝn hiÖu. Trong s¬ ®å trªn c¸c ®iot ®­îc m¾c ®Ó b¶o vÖ 
tr¸nh sù ¶nh h­ëng lÉn nhau gi÷a c¸c ®Çu ra cña c¶m biÕn. 
5.4 C¸c ph¬ng ph¸p ghÐp nèi. 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
187 
 C¨n cø vµo c¸c yªu cÇu kü thuËt: 
 - Nguån ®iÖn ¸p 
 - Møc ®iÖn ¸p tÝn hiÖu 
 - D¹ng tÝn hiÖu 
5.4.1 GhÐp trùc tiÕp, gi¸n tiÕp. 
 a) GhÐp trùc tiÕp. 
 Khi mµ nguån ®iÖn ¸p cña thiÕt bÞ c¶m biÕn vµ thiÕt bÞ xö lý lµ t­¬ng ®­¬ng, 
kh«ng cÇn c¸ch ly vÒ m¸t, tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn phï hîp. 
 VÝ dô ®èi víi thiÕt bÞ xö lµ bé ®iÒu khiÓn kh¶ lËp tr×nh PLC th× nguån ®iÖn ¸p sö 
dông lµ 24V. ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn LOGO, EASY ®iÖn ¸p nguån lµ 12VDC. Cßn c¸c c¶m 
biÕn cña chóng ta th­êng sö dông nguån ®iÖn ¸p n»m trong kho¶ng tõ 10 ®Õn 30VDC. 
Do ®ã cã nh÷ng ®iÓm t­¬ng thÝch cho viÖc ghÐp nèi trùc tiÕp nh­ sau: 
- VÒ mÆt ®iÖn ¸p nguån lµ phï hîp. 
- Møc ®iÖn ¸p tÝn hiÖu ra cña c¶m biÕn xÊp xØ 24V víi nguån sö dông lµ 24V, lµ 
gÇn 12V víi nguån ®iÖn ¸p sö dông lµ 12V. 
- D¹ng tÝn hiÖu ra lµ tÝn hiÖu d¹ng chuyÓn m¹ch rêi r¹c nªn còng phï hîp. 
- Mét d¹ng tÝn hiÖu ra kh¸c cña c¶m biÕn lµ d¹ng biÕn thiªn liªn tôc ®­îc sö 
dông cho c¸c ®Çu vµo t¬ng tù cña PLC, LOGO, EASY. 
 b) GhÐp gi¸n tiÕp 
Khi cÇn cã sù c¸ch ly vÒ m¸t, vµ møc tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn kh«ng t­¬ng thÝch cã 
thÓ qu¸ cao so víi møc quy ®Þnh, d¹ng tÝn hiÖu kh«ng phï hîp. 
VÝ dô víi c¸c thiÕt bÞ xö lý sö dông c«ng nghÖ sè vµ kü thuËt vi ®iÒu khiÓn. Møc 
nguån ®iÖn ¸p sö dông ®èi víi c¸c thiÕt bÞ nµy th­êng rÊt thÊp kho¶ng 5V. Do ®ã c¸c 
tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn nã nhËn ®îc víi møc ®iÖn ¸p tèi ®a còng chØ kho¶ng 5V mµ th«i. 
Tuú theo c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn lµm viÖc víi sên xung tÝn hiÖu hay víi møc tÝn 
hiÖu mµ chóng ta sö dông c¸c ph¬ng ph¸p ghÐp kh¸c nhau: GhÐp quang ®iÖn, ghÐp 
biÕn ¸p (biÕn ¸p xung), c¸c bé ph©n ¸p, ghÐp A/D 
5.5.2 GhÐp th«ng qua chuyÓn ®æi A/D (Analog to Digital) 
a) S¬ ®å cña bé chuyÓn ®æi A/D 8bit (ADC0804) 
H×nh 5.4: CÊu tróc ch©n cña ADC0804 
b) Nguyªn lý lµm viÖc. 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
188 
 Chøc n¨ng c¸c ch©n: 
- Ch©n 1: /CS (Chip Select) Chän chÝp, dïng ®Ó ®iÒu khiÓn lùa chän khi cã nhiÒu 
IC cïng lµm viÖc 1 lóc. 
 - Ch©n 2: /RD (Read) ®iÒu khiÓn ®äc d÷ liÖu ë ®Çu vµo (ch©n 6 vµ 7) 
- Ch©n 3: /WR (Write) ®iÒu khiÓn ghi d÷ liÖu vµo m¹ch ngoµi(XuÊt d÷ liÖu). 
- Ch©n 4 vµ 19: T¹o xung nhÞp Clock. 640 KHz 
- Ch©n 5: /INTR (Interup)Ch©n ®a tÝn hiÖu ng¾t vÒ m¹ch xö lý. 
- Ch©n 6 vµ 7 lµ ®Çu vµo cña ®iÖn ¸p tÝn hiÖu Analog cÇn chuyÓn ®æi. 
- Ch©n 8 vµ 10: GND nèi ®Êt (0V) 
- Ch©n 9: Vref/2 t¹o ®iÖn ¸p so s¸nh. 
- Ch©n 11 – 18: 8 bit d÷ liÖu ra kiÓu song song tõ D0 ®Õn D7. 
- Ch©n 20: Vcc Cung cÊp nguån ®iÖn ¸p 5V 
 Nguyªn lý: (§o l­êng vµ ®iÒu khiÓn b»ng m¸y tÝnh  Ng« Diªn TËp) 
5.6 GhÐp nèi víi vi ®iÒu khiÓn. 
a) S¬ ®å ch©n cña bé vi ®iÒu khiÓn AT89C51 
H×nh 5.5: IC 80C51/AT89C51 
 Chøc n¨ng cña c¸c ch©n tÝn hiÖu nh­ sau: 
- P0.0 ®Õn P0.7 lµ c¸c ch©n cña cæng 0. 
- P1.0 ®Õn P1.7 lµ c¸c ch©n cña cæng 1. 
- P2.0 ®Õn P2.7 lµ c¸c ch©n cña cæng 2 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
189 
- P3.0 ®Õn P3.7 lµ c¸c ch©n cña cæng 3 
- RxD: NhËn tÝn hiÖu kiÓu nèi tiÕp. 
- TxD: TruyÒn tÝn hiÖu kiÓu nèi tiÕp. 
- /INT0: Ng¾t ngoµi 0. 
- /INT1: Ng¾t ngoµi 1. 
- T0: Ch©n vµo 0 cña bé Timer/Counter 0. 
- T1: Ch©n vµo 1 cña bé Timer/Counter 1. 
- /Wr: Ghi d÷ liÖu vµo bé nhí ngoµi. 
- /Rd: §äc d÷ liÖu tõ bé nhí ngoµi. 
- RST: Ch©n vµo Reset, tÝch cùc ë møc logic cao trong kho¶ng 2 chu kú m¸y. 
- XTAL1: Ch©n vµo m¹ch khuyÕch ®¹i dao ®éng 
- XTAL2: Ch©n ra tõ m¹ch khuyÕch ®¹i dao ®éng. 
- /PSEN : Ch©n cho phÐp ®äc bé nhí ch¬ng tr×nh ngoµi (ROM ngoµi). 
- ALE (/PROG): Ch©n tÝn hiÖu cho phÐp chèt ®Þa chØ ®Ó truy cËp bé nhí ngoµi, khi 
On-chip xuÊt ra byte thÊp cña ®Þa chØ. TÝn hiÖu chèt ®îc kÝch ho¹t ë møc cao, tÇn sè 
xung chèt = 1/6 tÇn sè dao ®éng cña bé V§K. Nã cã thÓ ®îc dïng cho c¸c bé Timer 
ngoµi hoÆc cho môc ®Ých t¹o xung Clock. §©y còng lµ ch©n nhËn xung vµo ®Ó n¹p 
ch¬ng tr×nh cho Flash (hoÆc EEPROM) bªn trong On-chip khi nã ë møc thÊp. 
- /EA/Vpp: Cho phÐp On-chip truy cËp bé nhí ch¬ng tr×nh ngoµi khi /EA=0, nÕu 
/EA=1 th× On-chip sÏ lµm viÖc víi bé nhí ch­¬ng tr×nh néi tró. Khi ch©n nµy ®­îc 
cÊp nguån ®iÖn ¸p 12V (Vpp) th× On-chip ®¶m nhËn chøc n¨ng n¹p ch­¬ng tr×nh cho 
Flash bªn trong nã. 
- Vcc: Cung cÊp d­¬ng nguån cho On-chip (+ 5V). 
- GND: nèi m¸t. 
b) Ph¬ng ph¸p ghÐp nèi. 
 §Ó ghÐp nèi c¶m biÕn víi vi ®iÒu khiÓn cÇn ph¶i lùa chän c¸c c¶m biÕn cã møc 
®iÖn ¸p tÝn hiÖu ®Çu ra cho phï hîp víi ®iÖn ¸p lµm viÖc cña vi ®iÒu khiÓn. 
 Víi tÝn hiÖu xung ®iÖn ¸p cña c¶m biÕn tõ møc 5VDC trë xuèng th× ta cã thÓ 
ghÐp trùc tiÕp víi vi ®iÒu khiÓn, cßn nÕu ®iÖn ¸p xung tÝn hiÖu lín h¬n 5VDC th× chóng 
ta ph¶i sö dông bé phèi ghÐp quang ®iÖn ®Ó ghÐp nèi víi vi ®iÒu khiÓn. 
 Víi c¶m biÕn mµ tÝn hiÖu ra cña nã biÕn ®æi t¬ng tù th× chóng ta ph¶i sö dông 
bé chuyÓn ®æi ADC ®Ó ghÐp nèi víi vi ®iÒu khiÓn. 
Tµi liÖu tham kh¶o: 
BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 
190 
I. S¸ch tham kh¶o: 
 1. §o l­êng c¸c ®¹i l­îng vËt lý – Ph¹m Th­îng Hµn. 
 2. Kü thuËt ®o – NguyÔn Ngäc T©n – NXB KH&KT 
 3. Gi¸o tr×nh c¶m biÕn – Phan Quèc Ph« §HBK HN – NXB KH&KT 
 4. C¶m biÕn vµ øng dông – D­¬ng Minh TrÝ – NXB KH&KT 
 5. Linh kiÖn quang ®iÖn tö – D­¬ng Minh TrÝ – NXB KH&KT 
 6. C¸c bé c¶m biÕn trong KT§L vµ §K – Lª V¨n Doanh – NXBKH&KT 
 7. Sensoren Praxis – Guenther W.Schanz – Huenthig Verlag. Germany. 
 8. Sensorik fuer Praktiker – Kleger – AZ Verlag. Germany. 
II. T¹p chÝ: 
 1. Tù ®éng ho¸ ngµy nay – Héi khoa häc c«ng nghÖ tù ®éng ViÖt nam. 
 2. §iÖn tö – Héi v« tuyÕn ®iÖn tö ViÖt nam. 
 3. Elektronik & Computertechnik – Elektor Verlag - Germany 
III. §Üa CD 
 1. Sensors – Crystal Books Programme – GTZ - Germany. 
 2. Sensor V2.0 – OMRON 
 3. Elcis 
IV. Catalog 
 1. Sensor solutions for the automation industry – Baumer electric. 
 2. Selection Guide - Autonics 
VI. Internet 
 1. Component Sensor -  
 2. Sensorik Festo -