Bài giảng Kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng

Bài giảng kỹ thuật đo và 
cảm biến trong công nghiệp 
xi măng 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
1 
LỜI NÓI ĐẦU 
Kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp là môn học quan trọng dành 
cho sinh viên các trường đại học và các kỹ sư đang làm việc trong lĩnh vực Đo 
lường – Điều khiển - Tự động hoá. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay 
đã và đang tạo ra những bước đột phá mới trong lĩnh vực đo và Cảm biến. 
Bài giảng được biên soạn nhằm trình bày về Kỹ thuật đo và Cảm biến trong 
công nghiệp. Nội dung trình bày được chú trọng chính là sự kết hợp chặt chẽ giữa 
lí thuyết và các ví dụ thực tiễn. Đây là phần tài liệu cập nhật mới được đúc kết từ 
kinh nghiệm giảng dạy cho sinh viên đại học và trong các nhà máy công nghiệp 
gần đây của tác giả và các đồng nghiệp 
Bài giảng này được biên soạn nhằm phục vụ các cán bộ kỹ thuật của các 
ngành công nghiệp như: Xi- măng, hoá chất, bia đồng thời nó cũng có thể được 
làm tài liệu tham khảo tốt cho các sinh viên trong các trường Đại học. Do thời gian 
và trình độ có hạn nên bài giảng chắc sẽ có những thiếu sót. Mọi thư từ và góp ý 
xin chuyển đến tác giả biên soạn theo địa chỉ: 
Bùi Đăng Thảnh 
Khoa Điện- ĐHBK Hà Nội 
Tel: 0915.897.699 
Email: Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
2 
Chương 1. KỸ THUẬT ĐO 
1.1. Định nghĩa và phân loại phép đo 
1.1.1. Định nghĩa 
+ Đo lường: là quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết bằng số 
so với đơn vị đo 
Ax = X/X0 
+ 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 được gọi là đo lường học 
+ Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của đo lường học 
vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường 
1.1.2. Phân loại phép đo 
+ Phép đo trực tiếp 
+ Phép đo gián tiếp 
+ Phép đo thống kê 
1.2. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường 
1.2.1. Đại lượng đo 
+ Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo 
+ Phân loại theo sự biến đổi của tín hiệu: 
 + Đại lượng tiền định 
 + Đại lượng gần tiền định 
 + Đại lượng ngẫu nhiên 
+ Phân loại theo đặc tính của tín hiệu 
 + Đại lượng số 
 VD về quy định mức logic trong một số chuẩn công nghiệp 
 + Đại lượng tương tự 
 VD về các đại lượng đo thông dụng như nhiệt độ, áp suất  
1.2.2. Điều kiện đo 
Điều kiện đo là điều kiện để tiến hành phép đo, nó có ảnh hưởng lớn đến kết quả 
của phép đo 
1.2.3. Đơn vị đo 
+ Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế 
quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
3 
`+ Bao gồm: 
- Các đơn vị cơ bản (m, kg, s, A, K, Cd, mol): được thể hiện bằng các 
đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể thực 
hiện được 
- Đơn vị dẫn xuất là đơn vị có liên quan đến các đơn vị cơ bản bởi những 
quy luật thể hiện bằng các biểu thức. Các đơn vị cơ bản được chọn sao cho với 
số lượng ít nhất có thể suy ra các đơn vị dẫn suất cho tất cả các đại lượng vật lí 
1.2.4. Thiết bị đo và phương pháp đo 
Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành 
dạng tiện lợi cho người quan sát 
Phương pháp đo: biến đổi thẳng, kiểu bù 
1.2.5. Người quan sát 
Là một trong những nguyên nhân gây sai số khi đo 
1.2.6. Kết quả đo 
Kết quả đo trong nhiều trường hợp là tương đối, có thể đúng với hoặc sai tuỳ theo 
yêu cầu về độ chính xác của phép đo 
1.3. Tín hiệu đo 
Tín hiệu là diễn biến của 1 đại lượng vật lí chứa đựng tham số thông tin, dữ liệu 
và có thể truyền dẫn được 
Tín hiệu đo là tín hiệu mang các đặc tính thông tin đo 
1.4. Chuẩn và mẫu 
- Chuẩn cấp I được gọi là chuẩn, bảo đảm tạo ra những đại lượng có đơn 
vị chính xác nhất của một quốc gia 
- Các thiết bị chuẩn và mẫu dùng để khôi phục một đại lượng vật lí nhất 
định. Chúng thường có độ chính xác cao tuỳ theo từng cấp 
1.5. Sai số của phép đo và gia công kết quả đo 
1.5.1. Sai số của phép đo 
+ Phân loại sai số theo cách thể hiện bằng số: sai số tuyệt đối, tương đối 
+ Phân loại sai số theo nguồn gây ra sai số: sai số phương pháp, thiết bị, chủ 
quan, bên ngoài 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
4 
+ Phân loại sai số theo quy luật suất hiện của sai số: sai số hệ thống, sai số ngẫu 
nhiên 
1.6. Các cơ cấu hiển thị 
1.6.1. Hiển thị tương tự 
- Cơ cấu từ điện 
- Cơ cấu điện từ 
- Cơ cấu điện động 
- Cơ cấu cảm ứng 
1.6.2. Hiển thị tự ghi 
Bao gồm các cơ cấu chỉ thị tự ghi tốc độ thấp, trung bình và cao 
Có thể sử dụng PC với các phần mềm thông dụng - một ví dụ trong VB 
1.6.3. Hiển thị số 
Thuận lợi trong quan sát, đa dạng trong hiển thị 
Có thể hiển thị LED 7 thanh, LCD hay PC 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
5 
Chương 2. TỔNG QUAN CHUNG VỀ CẢM BIẾN 
2.1. Các khái niệm và định nghĩa 
2.1.1. Chuyển đổi đo lường và chuyển đổi đo lường sơ cấp 
Trong các hệ thống đo lường - điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi 
các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mômen..... các biến trạng thái 
này thường là các đại lượng không điện. Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển 
các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các 
biến trạng thái của quá trình. Chính các chuyển đổi đo lường và đo lường sơ cấp 
thực hiện chức năng này. 
Trên thực tế tín hiệu cần xử lý có thể là điện hoặc không điện. Ta đưa ra các khái 
niệm sau: 
+ Chuyển đổi đo lường: Là chuyển đổi làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý 
này sang đại lượng vật lý khác theo một quan hệ hàm. Mối quan hệ giữa đại 
lượng vào và ra có thể tuyến tính hoặc phi tuyến. 
 y = f(x) 
Trong đó: x: Đại lượng vật lý tác động 
 y: Đại lượng vật lý khác 
 f: Là một hàm có tính chất đơn trị, phi tuyến hoặc tuyến tính 
+ Chuyển đổi đo lường sơ cấp: là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vào là 
đại lượng không điện và đại lượng ra là đại lượng điện hoặc mang thông tin về 
điện. 
y = f(x) 
 Trong đó: x: Đại lượng vào không điện 
 y: Đại lượng ra là điện 
2.1.2. Cảm biến đo lường 
Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và 
đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Nói cách khác cảm biến chính là các 
chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một vỏ hộp có kích thước và hình dáng rất khác 
nhau phù hợp với chỗ đặt của điểm đo để tạo thành cảm biến hay còn gọi là 
sensor. 
+ Đầu ra của cảm biến thường được ghép với các bộ vi xử lý thông qua các mạch 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
6 
giao diện thích hợp. 
+ Nguyên lí của các cảm biến đa số dựa trên các hiệu ứng vật lí. 
Ví dụ: nhiệt điện, quy điện, hoá điện 
2.2. Các đặc trưng của cảm biến 
2.2.1. Sai số và độ chính xác 
+ Sai số tuyệt đối: x= X - Xth 
+ Sai số tương đối: %100*%
X
x 
  
+ 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 hoặc thay đổi có quy luật. 
Nguyên nhân: 
- Do nguyên lý của cảm biến 
- Do không hoàn thiện cấu trúc . 
- Do yếu kém của công nghệ chế tạo . 
- Do đặc tính của cảm biến hoặc xử lý kết quả đo 
+ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số có độ lơn là chiều không xác định 
Nguyên nhân: 
Do điều kiện ngoài khác điều kiện chuẩn 
Do tín hiệu ngẫu nhiên 
Khắc phục sai số: 
- Bảo vệ mạch đo chống ảnh hưởng của nhiễu 
- Tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi 
- Bù nhiệt độ, tần số 
- Vận hành đúng...... 
2.2.2. Độ nhạy 
- Giả sử sensor có mối liên hệ y=f(x) 
Độ nhạy: 
dx
dy
S 
- Độ nhạy: có tác dụng quyết định cấu trúc mạch đo để đảm bảo cho phép đo có 
thể bắt nhạy với những biến động nhỏ của đại lượng đo. 
2.2.3. Đặc tính của cảm biến. 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
7 
Để làm rõ các đặc tính cơ bản của cảm biến ta xét dựa trên mô hình thiết bị đo 
(TBĐ) sau 
Mô hình của TBĐ đơn giản 
Chúng được mô tả trên hình 2.1 
Hình 2.1. Mô hình một TBĐ đơn giản 
Trong đó, quá trình vật lý cần đo nằm ở bên trái của hình vẽ và đại lượng cần đo 
được mô tả bởi đại lượng vật lý có thể quan sát được X (biến đo lường). Tuy 
nhiên, đại lượng quan sát được X không nhất thiết phải là đại lượng cần đo, 
nhưng lại có quan hệ với đại lượng cần đo theo một cách nào đó. Chẳng hạn khối 
lượng được đo bởi quá trình cân, trong đó đại lượng cần đo là khối lượng, nhưng 
đại lượng đo vật lý (measurement) là lực hút của trái đất trong trường lực hấp dẫn 
trái đất. 
Có rất nhiều đại lượng vật lý cần đo như nhiệt độ, độ ẩm, lực, áp suất và tín 
hiệu sau sensor đo cũng rất đa dạng như: điện áp, dòng điện, điện trở, điện dung 
Phần tử chức năng chính của của TBĐ là sensor (hình 1). Sensor có chức năng 
biến đổi đại lượng vật lý ở đầu vào thành tín hiệu thích hợp ở đầu ra. Đặc điểm 
của tín hiệu này là có thể điều khiển được trong một hệ thống truyền dẫn, chẳng 
hạn như mạch điện hay mạch cơ. Chính vì đặc điểm này mà tín hiệu có thể được 
truyền đến một đầu ra, hoặc được ghi vào một thiết bị mà nó ở xa sensor. Trong 
mạch điện, điện áp và dòng điện là những tín hiệu phổ biến. Tương tự vậy trong 
hệ thống cơ là độ dịch chuyển và lực. Tín hiệu đi ra từ sensor có thể được hiển 
thị, ghi lại, hoặc làm tín hiệu đầu vào cho một thiết bị hoặc hệ thống khác. Trong 
một thiết bị đo cơ sở, tín hiệu được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc thiết bị ghi mà 
ở đó đại lượng đo được đọc bởi quan sát viên. Đầu ra quan sát được là đại lượng 
đo M. Có rất nhiều loại thiết bị hiển thị. Từ những loại khắc độ và tay quay đơn 
giản đến những hệ thống hiển thị tinh vi bằng máy tính. Tín hiệu cũng có thể 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
8 
được dùng trực tiếp cho một hệ thống lớn hơn mà ở đó thiết bị đo chỉ là một thành 
phần trong hệ thống. Ví dụ, tín hiệu đầu ra của một sensor có thể được sử dụng 
làm tín hiệu vào cho một hệ thống điều khiển vòng kín. 
Nếu tín hiệu ra từ sensor nhỏ thì cần khuếch đại tín hiệu. Hình sau mô tả việc 
khuếch đại tín hiệu nhỏ có sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu 
số ADC để ghép nối mới máy tính (PC) 
Hình 2.2. Thiết bị đo ghép nối PC 
Tín hiệu ra sau khuếch đại có thể được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc được ghi 
lại, tuỳ thuộc vào từng ứng dụng đo. Trong một số trường hợp TBĐ cần tín hiệu ra 
là số để giao tiếp với hệ thống thu thập dữ liệu hoặc hệ thống giao tiếp trên máy 
tính(computer-based). Hình 2.2 đúng trong trường hợp Sensor không cho tín hiệu 
đầu ra là số. 
Việc lưu trữ và hiển thị thông tin đo trên máy tính ngày nay đang là một giải pháp 
rất hiệu quả. Bởi máy tính cho phép hiển thị linh hoạt đồng thời nhiều giá trị đo 
của các điểm đo khác nhau, đồng thời máy tính cũng hỗ trợ mạnh mẽ trong lưu 
trữ số liệu, quản lí thông tin đo 
Sensor tích cực và thụ động 
Như đã trình bày ở trên, sensor biến các đại lượng vật lý thành các tín hiệu. 
Sensor có thể chia làm 2 loại chính tuỳ thuộc vào cách mà chúng tương tác với 
môi trường chúng đo. Sensor thụ động (Passive sensor) không nhận thêm năng 
lượng như là một phần của quá trình đo nhưng lại có thể mất mát năng lượng 
trong quá trình đo đó. Chẳng hạn với cặp nhiệt điện nhiệt, ở đó nhiệt độ vật lý 
được biến đổi thành tín hiệu điện áp. Trong trường hợp này, gradient nhiệt độ 
trong môi trường đo tạo nên một điện áp nhiệt điện và trở thành tín hiệu. 
Sensor tích cực (Active sensor) là loại sensor nhận năng lượng từ môi trường như 
là một phần của quá trình đo. Một ví dụ về sensor tích cực là hệ thống radar, ở đó 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
9 
khoảng cách đến một đối tượng nào đó được đo bằng cách chủ động gửi đi một 
sóng radar, rồi sóng đó phản xạ lại, đếm thời gian lan truyền kết hợp với vận tốc 
lan truyền sẽ cho ta khoảng cách cần đo. 
Khắc độ 
Quan hệ giữa đại lượng đo đầu vào và tín hiệu đầu ra của một sensor được gọi 
là sự khắc độ của sensor. Thông thường, một sensor (hoặc cả một hệ thống đo) 
được khắc độ bằng cách đưa vào một đại lượng vật lý đã biết và ghi lại giá trị ra. 
Số liệu được vẽ trên một đường cong khắc độ như ví dụ trong hình 2.3. 
Hình 2.3. Minh họa về khắc độ sensor 
 Trong ví dụ này, sensor có đáp ứng tuyến tính khi đầu vào nhỏ hơn X0. Độ nhạy 
của thiết bị chính bằng độ dốc của đường cong khắc độ. Sensor sẽ ít nhạy hơn 
khi đầu vào lớn hơn X0 và trở nên bão hoà khi tín hiệu ra đạt đến giá trị tới hạn. 
Sensor không thể đo được giá trị lớn hơn giá trị bão hoà. Trong một số trường 
hợp, sensor sẽ không phản ứng với những đầu vào có giá trị quá nhỏ. Độ chênh 
lệch giữa đầu vào có giá trị nhỏ nhất và đầu vào có giá trị lớn nhất được đo bằng 
một TBĐ xác định dải đo động. 
Đầu vào hiệu chỉnh và nhiễu đầu vào 
Trong một số trường hợp, tín hiệu ra của sensor chịu tác động của các đại lượng 
vật lý khác nhiều hơn là của đại lượng cần đo. Trong hình 2.4, X là đại lượng cần 
đo, Y là nhiễu đầu vào, Z là đầu vào hiệu chỉnh. 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
10 
Hình 2.4. Mô hình đo lường có tính đến tác động của nhiễu 
Nhiễu đầu vào Y làm cho sensor phản ứng như là sự xếp chồng tuyến tính của Y 
và X. Do đó, tín hiệu ra đo được cũng phải là sự kết hợp của X và Y, trong đó Y 
gây nhiễu lên đại lượng cần đo X. Các đầu vào hiệu chỉnh có thể làm thay đổi 
hoạt động của sensor, theo đó sẽ làm thay đổi quan hệ vào/ra và khắc độ của 
thiết bị. 
Sai số và lỗi 
Sai số của phép đo được xác định bằng hiệu của giá trị đúng của đại lượng cần 
đo và giá trị đo được hiển thị trên TBĐ. Thông thường, giá trị đúng được xác định 
dựa trên các chuẩn. Bất kỳ một phép đo nào cũng có sai số bao gồm sai số hệ 
thống và sai số ngẫu nhiên. Sự kết hợp giữa sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên 
có thể hình dung như trong hình 2.5. Ta sẽ xem xét cụ thể các nguồn gây ra sai 
số. 
Hình 2.5. Minh họa lỗi hệ thống và lỗi ngẫu nhiên 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
11 
Các nguồn sai số hệ thống 
Có rất nhiều loại nguyên nhân gây nên sai số hệ thống của phép đo. Một trong 
những lớp nguyên nhân đó làm thay đổi đáp ứng vào/ ra của sensor và kết quả là 
sự khắc độ bị sai. Các đầu vào hiệu chỉnh và đầu vào nhiễu đã nói ở trên có thể 
làm cho sensor bị khắc độ sai. Chẳng hạn, nếu có một đầu vào hiệu chỉnh là nhiệt 
độ mà ta lại sử dụng  ...  chất lỏng 
Sensor đo mức chất lỏng (Liquid –level Sensors) được sử dụng để đo chiều cao 
của chất lỏng trong một bể chứa (container), nó gồm hai loại sau: 
 Rời rạc (Discrete) 
 Liên tục (Continuous) 
Phát hiện mức rời rạc (Discrete –Level Detectors) chỉ có thể phát hiện khi chất 
lỏng đạt đến một mức nào đó. 
Phát hiện mức liên tục (Continuous-Level Detector) đưa ra một tín hiệu tương tự 
có tỉ lệ đúng với mức chất lỏng đo được. 
Phát hiện mức rời rạc (Discrete –Level Detectors) 
Phát hiện mức rời rạc hoạt động khi một chất lỏng đã đạt tới một mức xác định 
.Một ứng dụng của sensor loại này được áp dụng để dừng chu trình của một máy 
giặt. 
Cảm biến đơn giản nhất trong loại cảm biến này đó là một phao(float) và một công 
tắc giới hạn (limit switch) .Có nhiều loại cảm biến được sử dụng để đo mức rời rạc 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
81 
,một trong số đó được trình bày trên hình 9.1(a): trong trường hợp này phao được 
nối với một thanh thẳng đứng (vertical rod).Tại một mức chất lỏng xác định ,cam 
sẽ bật công tắc gới hạn .Mức chất lỏng có thể đặt lại được bằng cách thay đổi 
cam hoặc công tắc giới hạn 
Một loại sensor phát hiện mức rời rạc được thiết kế dựa trên một tế bào quang 
điện (photocell hình 9.1(b) ).Khi mức chất lỏng vượt qua đường ánh sáng truyền 
từ bên phát tới bên thu của photocell thì sẽ làm thay đổi mức tín hiệu của 
photocell,từ đó chỉ ra rằng chất lỏng đã đạt tới một mức xác định. 
Với nhiều loại chất lỏng như nước, axit, bia, coffee có suất dẫn nhỏ thì có thể sử 
dụng một phương pháp khác để phát hiện mức chất lỏng.Minh hoạ như trong hình 
9.1c, một đầu rò điện tử (electric probe) được để lơ lửng trong chất lỏng .Khi chất 
lỏng đạt tới đầu rò điện trở trong mạch đột ngột giảm đi.Thông thường sử dụng 
loại cảm biến này như một thiết bị tự động đo độ nguội chất lỏng (automotive low-
coolant sensor) 
 Hình 9.1. 
Phát hiện mức liên tục (Continuous –Level Detectors) 
Phát hiện mức liên tục đưa ra một tín hiệu tỉ lệ tương ứng với mức chất lỏng đo 
được. 
Có một số cách để thực hiện phương pháp này .Một trong những phương pháp 
trực tiếp (dùng trong bình xăng ô tô) là sử dụng một phao nối với một cảm biến vị 
chí. Hình 9.2(a) minh hoạ một cách thực hiện phương pháp này . 
Một cách khác để đo mức chất lỏng là đo áp suất (pressure) tại đáy của bể chứa 
như trình bày trong hình 9.2b. Phương pháp này dựa trên cơ sở áp suất tại đáy 
của bể chứa (được gọi là head) là trực tiếp tỉ lệ với mức chất lỏng như phương 
trình sau: 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
82 
Phuơng trình 6.12 
 Pressure=P=dH 
Ở đây : 
 P= áp suất đo tại đáy (head) 
 d= mật độ khối lượng ( khối lượng chất lỏng cho mỗi đơn vị thể tích) 
 H=chiều caocủa chất lỏng có trong bể 
Ví dụ 1: Tính toán áp suất tại đáy (head) bể nước với độ sâu của nước là 10 ft 
Giải: 
Sử dụng phương trình 6.12 chúng ta cần biết mật độ khối lượng của chất lỏng 
(chúng ta thường tra trong sổ tay) Mật độ khối lượng của nước là 64lb/ 3ft 
 P=dH=64lb/ 3ft x 10ft=640 lb/ft 2 
Chúng ta có thể chuyển đổi kết quả này sang psi(lb/in 2 ) 
 640 lb/ft 2 x 
2
2
144
1
in
ft
= 4.44 lb/in 2 
Ta biết 4.44 psi là áp suất đo được ,có nghĩa rằng áp suất tại đáy của bể là 4.44 
psi lớn hơn áp suất tại bề mặt .Áp suất tuyệt đối tại đáy sẽ là: 
 4.44 psi + 14.7 psi = 19.1 psi 
 Đo được Xung quanh Tuyệt đối 
Ví dụ 6.18 (lặp lại với các đơn vị SI) 
Tính toán áp suất tại đáy bể (head) với chiều sâu của nước trong bể là 3m 
Giải pháp : 
Sử dụng phương trình 6.12 chúng ta cần biết mật độ khối lượng của nước .Tra 
trong sổ tay chúng ta có mật độ khối lượng của nước là : 9800N/m 3 
 P=dH=3m x 
3
9800
m
N
 =29,400 N/m 2 =29,400Pa 
Áp xuất đo được tại đáy bể là 29,400 Pa 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
83 
Giám sát khối lượng chất lỏng với cảm biến dạng load cell là một phương pháp 
khác có thể xác định được mức chất lỏng (hình 9.2 c).Mức chất lỏng có thể được 
tính toán được khi biết đường kính và khối lượng của bể (lúc không chứa chất 
lỏng –empty) và mật độ của chất lỏng. Chú ý rằng khối lượng tổng cộng của bể là 
tổng của khối lượng đo được từ 3 load cells. 
 Hình 9.2. 
Một số thiết bị khác có thể phát hiện trực tiếp mức chất lỏng .Thiết bị trình bày 
trong hình 9.2d là hai điện cực đơn giản đặt thẳng đứng bên trong bể. Đầu ra của 
thiết bị phải được khuếch đại hoặc xử lí cách khác ,một trong hai đầu ra điện trở 
hoặc điện dung là tỉ lệ với mức chất lỏng . 
Hình 9.2e trình bày một cách đo mức chất lỏng trực tiếp trong hệ thống sử dụng 
một loại sóng siêu âm (ultrasonic –range) để phát hiện chất lỏng tràn ra khỏi bể . 
Đơn vị bổ xung ( the complete unit ) bao gồm bộ chuyển đổi (transducer) và điện 
tử (electronics), có thể được sử dụng được như một module và hơn nữa có giá 
thành rẻ. 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
84 
9.3. Ứng dụng trong công nghiệp 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
85 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
86 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
87 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
88 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
89 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
90 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
91 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
92 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
93 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
94 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
95 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
96 
Chương 10. CẢM BIẾN HÌNH ẢNH 
10.1. Tổng quan 
Đang được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, chúng giúp đắc lực trong 
việc giám sát các hoạt động của nhà máy, xí nghiệp. 
10.2. Nguyên lí và cấu tạo( vision sensors) 
Một cảm biến quan sát là một TV camera được kết nối tới một máy tính. Máy quan 
sát (Machine vision ) đã được sử dụng để thực hiện giám sát và dẫn đường cho 
máy thực hiện các thao tác. 
Ví dụ : Có một hệ thống phải sử dụng một máy quan sát để xác định các phần đã 
được tạo ra và lắp gép với nhau hay chưa, hoặc một hệ thống quan sát được sử 
dụng để loại bỏ các quả cam(orange) từ một dây truyền xử lí trái cây. 
Như một sự lựa chọn, một hệ thống quan sát được sử dụng để hướng dẫn thao 
tác và vị chí cho một robot. để làm các công việc như là tháo bốc dỡ các hộp từ 
một tấm nâng hàng (pallet) hoặc thêm các linh kiện trong một board mạch. 
Hệ thống quan sát yêu cầu một máy tính công suất để xử lí hàng nghìn điểm ảnh 
thông tin (pixels of information) liên tục trong quá trình để quyết định di chuyển 
hay không di chuyển (hình 10.1a) 
Trước đây các quá trình này chỉ có thể thực hiện với các thiết bị chuyên dụng với 
phần cứng đắt tiền nhưng cùng với sự phát triển trong công nghệ PC đã có những 
sự thay đổi lớn trong lĩnh vực này . 
Đầu tiên là sự phát triển về vi xử lí tốc độ cao và khả năng tính toán lớn sử dụng 
công nghệ Pentium MMX . 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
97 
 Hình 10.1. 
Sự phát triển thứ hai là mở rộng sử dụng bus PCI cho PC.PCI card có thể giao 
tiếp với vi xử lí với tỉ lệ dữ liệu cao hơn so với card ISA cũ .Như vậy công nghệ đã 
tạo ra một khả năng mà các máy PC có giá thành thấp nhưng có thể xử lí được 
hiệu qủa thông tin video để thực hiện các hệ thống quan sát. 
Phần cứng cho một hệ thống quan sát được trình bày trên hình 10.1(b) bao gồm 
camera điện tử kết nối tới một card PCI đặc biệt xử lí video(được gọi là frame 
gradbber).PCI card được cắm trên nền bộ xử lí của PC tức là chạy với một phần 
mềm đặc biệt .Thường thì camera gắn cố định nó quan sát từ trên xuống dưới 
của vùng làm việc.Các thông tin cơ bản được chuyển từ camera tới card frame 
gradbber .Card này chuyển đổi các thông tin cơ bản thành dạng số .Nó có dạng 
frame điển hình 640x480 pixel (hình 6.61 a).Mỗi pixel tương ứng với 8-bit tỉ lệ đen 
trắng (8bit gray-scale number) được gọi là cường độ (intensity) ,có nghĩa là mỗi 
pixel được ấn định một trong 255 sắc thái (shades) giữa màu đen và màu trắng 
.Sau đó toàn bộ frame này được chuyển đến PC 30 lần một giây.PC đang chạy 
phần mềm để tiếp tục phân tích dữ liệu cơ bản là cơ sỏ của nhiều tiêu chuẩn và 
sau đó gửi các tín hiệu trở lại vùng làm việc để có thể kiểm tra và loại bỏ phần bị 
lỗi hoặc trực tiếp điều khiển robot di chuyển tới vùng xác định để nâng lên một 
hộp (box). 
Có một số cách tiếp cận khác nhau để xử lí các dữ liệu cơ sở các cách này tuỳ 
thuộc vào ứng dụng cần thực hiện.Hầu như nhiều hệ thống quan sát dựa trên sự 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
98 
phát hiện ra các cạnh (edge) của đối tượng.Trong phương pháp phát hiện cạnh, 
máy tính cố gắng xác định các cạnh của đối tượng.Hình 10.2.(a) trình bày các kết 
quả của quá trình phát hiện cạnh .Máy tính quét toàn bộ frame để tìm các cạnh -
nó phát hiện ra chúng trên cơ sở thay đổi cưòng độ sáng tối (gray-scale) 
Một cạnh là nơi mà có cường độ sắc nét và không liên tục. Nó được phát hiện 
trên cơ sở ba thông số cơ bản : Độ tương phản (contrast), chiều rộng (width), và 
độ dốc (steepness) như mô tả trong hình 10.2(b). 
 Hình 10.2. 
Độ tương phản (contrast) là số điểm khác nhau trong cường độ giữa hai vùng kề 
nhau của frame. 
Độ dốc (steepness) biểu diễn sự thay đổi nhanh về cường độ giữa các vùng 
Chiều rộng (width) là vùng mà cường độ gần như không thay đổi trên mặt cạnh 
Các cạnh thực tế được xác định thông qua đường cong cường độ. 
Các giá trị ban đầu của độ tương phản ,độ dốc và chiều rộng đây là những thông 
số được CPU sử dụng để tìm ra các cạnh .Ngoài ra sự bố trí đèn chiếu sáng và 
độ tương phản hình nền có thể được sử dụng để làm nổi bật các cạnh . 
Máy tính tạo ra một đường bề ngoài của đối tượng ,các chiều có thể được kiểm 
tra trên các hình ảnh cơ bản để xác định khi nào các phần (part) được chấp nhận. 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
99 
Trên hình 10.3 trình bày một hệ thống, nó kiểm tra vật đúc thô,mỗi vật đúc dạng 
hexa có thể được kiểm tra với ba phép đo.Ngoài ra chú ý rằng một hình sáu 
cạnh(hexagon) không có sự định hướng giống nhau trên các hàng. 
Phần mềm có thể được sử dụng để tạo ra các phép đo vật đúc với nhiều sự định 
hướng . 
Một ứng dụng khác của hệ thống quan sát dẫn đường cho robot ( pick-and-place 
robots) với chức năng này hệ thống quan sát chỉ cho robot các thành phần(part) ở 
đâu và sự định hướng như thế nào vì vậy các robot có thể di chuyển được các 
thành phần . 
Trong ví dụ hình 10.2a robot cần nâng lên và đặt suống một hộp. Máy tính đưa ra 
các hình ảnh để phát hiện các cạnh, nó có thể xử lí hình dạng chính xác để di 
chuyển tại trọng tâm và trục dài. Sử dụng thông tin này thì robot có thể định vị cho 
chính nó vượt qua những rung động (wrench) để đặt xuống được các hộp (box). 
Kĩ thuật này được gọi là kĩ thuật nhận dạng (pattern recognition). Nhận dạng được 
sử dụng khi một đối tượng cần được nhận dạng. Ví dụ một hệ thống được sử 
dụng để lựa chọn các thành phần (part) bên trong các thùng khác nhau,máy tính 
duy trì một thư viện hình dạng của tất cả các thành phần và bằng cách sử dụng 
nhiều giải thuật “best-fit”, để tìm ra thành phần tương ứng nhất cho mỗi hình ảnh 
nhận được .Trong một ứng dụng khác ,công việc của máy tính phải quét toàn bộ 
frame cơ bản để tìm ra một hình dạng cụ thể. 
Hình 10.3. 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
100 
Tài liệu tham khảo: 
1. Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lí, T1, T2. Phạm Thượng Hàn, NXB 
Giáo Dục, 2002 
2. Giáo trình đo lường điện và cảm biến đo lường. Nguyễn Văn Hoà, Bùi Đăng 
Thảnh, Hoàng Sỹ Hồng, NXB Giáo Dục, 2005 
Mục lục 
 Trang 
 Lời nói đầu. 1 
 Chương 1. Kỹ thuật đo .. 2 
1.1. Định nghĩa và phân loại phép đo . 2 
1.2. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường  2 
1.3. Tín hiệu đo . 3 
1.4. Chuẩn và mẫu .. 3 
1.5. Sai số của phép đo và gia công kết quả đo . 3 
1.6. Các cơ cấu hiển thị .. 4 
 Chương 2. Tổng quan chung về cảm biến . 5 
2.1. Các khái niệm và định nghĩa .. 5 
2.2. Các đặc trưng của cảm biến .. 6 
2.3. Phân loại các cảm biến . 13 
2.4. Vấn đề nhiễu loạn  14 
 Chương 3. Cảm biến vị trí  15 
3.1. Tổng quan . 15 
3.2. Cảm biến biến trở trong đo ví trí  15 
3.3. Encoder quang . 21 
3.4. Biến áp vi sai . 29 
3.5 Ứng dụng trong công nghiệp .. 30 
 Chương 4. Cảm biến tốc độ và cảm biến giới hạn . 31 
4.1. Tổng quan chung . 31 
4.2. Xác định vận tốc góc từ cảm biến vị trí . 31 
4.3 Cảm biến giới hạn  38 
Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng Bùi Đăng Thảnh – ĐHBK Hà Nội 
® 03.2007. Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn 
101 
4.4 Ứng dụng trong công nghiệp .. 44 
 Chương 5. Cảm biến lực, khối lượng .. 45 
5.1. Tổng quan . 45 
5.2. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động . 45 
5.3 Ứng dụng trong công nghiệp . 53 
 Chương 6. Cảm biến áp suất .. 58 
6.1. Tổng quan .. 58 
6.2. Đo áp suất . 58 
6.3. Ứng dụng trong công nghiệp ... 60 
 Chương 7. Cảm biến nhiệt độ . 63 
7.1. Tổng quan .. 63 
7.2. Nguyên lí, cấu tạo  63 
7.3 Ứng dụng trong công nghiệp .. 71 
 Chương 8. Cảm biến lưu lượng . 74 
8.1. Tổng quan chung ... 74 
8.2. Nguyên lí và cấu tạo . 76 
8.3. Ứng dụng trong công nghiệp .. 79 
 Chương 9. Cảm biến mức .. 80 
9.1. Tổng quan chung . 80 
9.2. Sensor đo mức chất lỏng  80 
9.3 Ứng dụng trong công nghiệp . 84 
 Chương 10. Cảm biến hình ảnh . 96 
10.1. Tổng quan chung .. 96 
10.2. Nguyên lí và cấu tạo . 96 
 Tài liệu tham khảo  100