[BTL] Cảm biến nhiệt độ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÀI TẬP LỚN

GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Linh

Nhóm thực hiện: Nhóm 3

Khoa: Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa

Lớp: K57M

Hà Nội, ngày 10/05/2015

Đề tài:

Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ và ứng dụng

Bài tập lớn Trang 2

Lời mở đầu

Trong thời buổi công nghệ phát triển như vũ bão, ngày càng có nhiều sản phẩm ra đời với

những tính năng đa dạng, phong phú, và đặc biệt là rất thông minh. Khoa học phát triển làm cho

những ngành khác cũng phát triển theo, điển hình đó là ngành điện tử, thông tin, viễn thông, cơ

khí chế tạo, … Các ngành này kết hợp lại với nhau là tiền đề của sự phát triển các loại máy móc

thông minh. Một hệ thống máy móc thông minh được cấu thành từ rất nhiều bộ phận, các bộ vi

xử lý được lập trình phức tạp, các cơ cấu chấp hành, các cơ cấu xử lý cũng rất phức tạp, … Có

một bộ phận vô cùng quan trọng để tạo lên sự thông minh đó không kể đến đó là các loại cảm

biến. Nhờ có các cảm biến, các robot ngày nay được phát triển để nhận biết được các hành động

phức tạp ví dụ như tay máy nắm lấy cái cốc thủy tinh sao cho không vỡ, hay là hệ thống tự động

đóng mở cửa khi có người ra vào ở các siêu thị, … Có rất nhiều loại cảm biến đã được chế tạo và

sử dụng theo các mục đích khác nhau trong đời sống như cảm biến cảm nhận về nhiệt độ, ánh

sáng, âm thanh, lực, dòng chảy, … Tùy theo mỗi loại công việc mà mỗi loại cảm biến có cách

chế tạo khác nhau.

Một loại cảm biến mà chúng ta bắt gặp rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày và ứng dụng

của nó cũng vô cùng rộng rãi, đó là cảm biến nhiệt độ. Dễ dàng bắt gặp những loại cảm biến này

ở trong cuộc sống như là những máy đo nhiệt độ hiển thị điện tử, các lò điện trở có điều khiển,

hay chiếc đồng hồ lịch vạn niên, … Cảm biến nhiệt độ có ứng dụng vô cùng rộng rãi và phổ

biến. Chính vì vậy, nhóm 3 chúng em quyết định thực hiện đề tài về loại cảm biến này, đó là tìm

hiểu về cảm biến nhiệt độ và ứng dụng trong đo nhiệt độ đơn giản.

Nội dung chính của bài tập lớn gồm có các mục sau:

Giới thiệu chung về cảm biến và đặc điểm của chúng

Nguyên lý đo cơ bản của cảm biến

Giới thiệu về các loại cảm biến thông dụng

Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ LM35 và một mạch điện ứng dụng cụ thể.

Các thành viên của nhóm:

STT Họ và tên Mã sinh viên Ghi chú

1 Phạm Trần Hoàng 12020162

2 Đỗ Văn Lực 12020244

3 Lê Tuấn Anh 12020004

4 Nguyễn Viết Bình 12020525


Mục lục I. Giới thiệu chung ................................................................................................................. 3

1. Khái niệm ............................................................................................................................ 4

2. Phân loại cảm biến ............................................................................................................. 4

3. Đường cong chuẩn của cảm biến ...................................................................................... 5

4. Một số đặc trưng cơ bản ..................................................................................................... 7

II. Nguyên lý đo của cảm biến ......................................................................................... 11

1. Với các cảm biến tích cực ................................................................................................. 11

2. Với các cảm biến thụ động ............................................................................................... 13

III. Giới thiệu các loại cảm biến thông dụng ................................................................ 14

1. Cảm biến quang ................................................................................................................ 14

2. Cảm biến nhiệt độ ............................................................................................................. 14

3. Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển .................................................................................... 14

4. Cảm biến đo biến dạng ..................................................................................................... 15

5. Cảm biến đo lực ................................................................................................................ 15

6. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung ............................................................................... 16

7. Cảm biến đo áp suất chất lưu ........................................................................................... 17

8. Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu ......................................................................... 17

9. Cảm biến thông minh ....................................................................................................... 18

IV. Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ .................................................................................. 18

1. Sơ lược các vấn đề liên quan ............................................................................................ 18

2. Cảm biến nhiệt độ. ............................................................................................................ 20

V. Cảm biến nhiệt độ LM35 và một mạch điện ứng dụng đo nhiệt độ ..................... 32

1. Tìm hiểu về cảm biến LM35 ............................................................................................. 32

2. Mạch đo nhiệt độ dùng LM35 kết hợp với IC ADC0808 và vi điều khiển 8051. ........... 35

Tài liệu tham khảo ................................................................................................................... 40


I. Giới thiệu chung 1. Khái niệm

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng

không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được

Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, khoảng cách,

ánh sáng, độ ẩm, …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (điện

tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng

đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):

s = f(m) (1.1)

Trong công thức (1.1), s là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, x là đại

lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo), thông qua đo đạc (s) cho phép

nhận biết giá trị của kích thích (m).

2. Phân loại cảm biến

Có rất nhiều loại cảm biến đã được chế tạo và ứng dụng trong thực tế, ta có thể phân loại

cảm biến theo các đặc trưng cơ bản như sau:

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

+ Hiện tượng vật lý

o Nhiệt điện

o Quang điện

o Quang từ

o Điện tử

o Quang đàn hồi

o Từ điện

o Nhiệt từ

+ Hiện tượng hóa học

o Biến đổi hóa học

o Biến đổi điện hóa

o Phân tích phổ

+ Hiện tượng sinh học

o Biến đổi sinh hóa

o Biến đổi vật lý

o Hiệu ứng trên cơ thể sống

Theo dạng kích thích

+ Âm thanh

o Biên pha, phân cực

o Phổ

o Tốc độ truyền sóng

+ Điện

o Điện tích, dòng điện

o Điện thế, điện áp

o Điện trường (biên, pha, phân cực,

phổ)

o Điện dẫn, hằng số điện môi,

+ Từ

o Từ trường (biên, pha, phân cực,

phổ)

o Từ thông, cường độ từ trường

o Độ từ thẩm

+ Quang

o Biên, pha, phân cực, phổ

o Tốc độ truyền

o Hệ số phát xạ, khúc xạ

o Hệ số hấp thục, hệ số bức xạ

+ Cơ

o Vị trí

o Lực, áp suất

o Ứng suất, độ cứng

o Moment

o Khối lượng, tỷ trọng

o Vận tốc chất lưu, độ nhớt

+ Nhiệt

o Nhiệt độ

o Thông lượng


o Nhiệt dung, tỷ nhiệt

+ Bức xạ

o Kiểu

o Năng lượng

o Cường độ

Theo tính năng của bộ cảm biến

+ Độ nhạy

+ Độ chính xác

+ Độ phân giải

+ Độ chọn lọc

+ Độ tuyến tính

+ Công suất tiêu thụ

+ Dải tần

+ Độ trễ

+ Khả năng quá tải

+ Tốc độ đáp ứng

+ Độ ổn định

+ Tuổi thọ

+ Điều kiện môi trường

+ Kích thước, trọng lượng

Theo phạm vi sử dụng

+ Công nghiệp

+ Nông nghiệp

+ Môi trường, khí tượng

+ Thông tin, viễn thông

+ Dân dụng

+ Giao thông

+ Nghiên cứu khoa học

+ Vũ trụ

+ Quân sự

Theo thông số của mô hình mạch thay thế

+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, … tuyến tính hoặc phi

tuyến.

3. Đường cong chuẩn của cảm biến

Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng

điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. Đường cong chuẩn có

thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = f(m).

Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m

thông qua giá trị đo được si của s.

Để dễ sử dụng người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại

lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, khi đó phương trình s = f(m) có dạng s = am+b, trong đó a, b

là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng.

Hình 1. Đường cong chuẩn cảm biến


Các phương pháp chuẩn cảm biến:

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được

của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên

cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường mình (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi

chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và

dựng đường cong chuẩn.

Hình 2. Phương pháp chuẩn cảm biến

- Chuẩn đơn giản:

Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một

đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh

hưởng thì dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của

đại lượng đầu ra ứng với các giá trị xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn

được tiến hành theo hai cách:

+ Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các

phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.

+ Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn

đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm

biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh

và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây

dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn.

- Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc

không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị

trước đó của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần

và tiến hành như sau:

+ Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương

uwgns với điểm gốc m = 0 và s = 0.

+ Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá tị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở

đầu vào.

+ Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá tri cực đại.

Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần

và đo giảm dần.


4. Một số đặc trưng cơ bản

a. Độ nhạy của cảm biến

Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự

liên hệ tuyến tính với nhau: Δs = S.Δm (1.2)

Đại lượng S xác định bởi biểu thức s

Sm

được gọi là độ nhạy của cảm biến.

Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị mi

của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm

tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:

im m

sS

m

(1.3)

Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ

nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó

- Thời gian sử dụng

- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường

xung quanh.

Giá trị S thường được cung cấp bởi nhà sản xuất tương ứng với điều kiện làm việc nhất

định của cảm biến.

Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh

Đường chuẩn cảm biến xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các

giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được

gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi, si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm

làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh.

Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ dốc của đặc

trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ

nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc.

Đại lương ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là

tỷ số chuyển đổi tĩnh.

i

i

Q

sr

m

(1.4)

Từ phương trình (1.4): tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và

chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.

Độ nhạy trong chế độ động

Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo

thời gian. Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng:

0 1( ) cosm t m m t (1.5)

Trong đó m0 là giá trị không đổi, m1 là biên độ, ω là tần số góc của biến thiên đại lượng đo.

Ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng: 0 1( ) cos( )s t s s t (1.6)

+ s0 là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 trên đường cong

chuẩn ở chế độ tĩnh.


+ s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây nên.

+ φ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra.

Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biên độ của

biến thiên đầu ra s1 và biên độ của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc được xét Q0,

theo phương trình:

0

1

1

(1.7)

Q

sS

m

Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f). Sự biến thiên

của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của

cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến

thiên của đại lượng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ

đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể.

b. Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó,

độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến

vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên các đặc trưng tĩnh của cảm biến và

hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này.

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ

tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (tần số riêng f0 của dao

động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.

Nếu cảm biến không tuyến tính, dựa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu

điện nhận được ở đầu ra tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được

gọi là sự tuyến tính hóa.

Đường thẳng tốt nhất

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loại điểm tương ứng (si,

mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến

tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng, tuy nhiên do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si)

nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng.

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất,

biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất. Phương trình biểu diễn

đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất trong đa thức nội suy.

Giả sử tiến hành chuẩn cảm biến với N điểm đo, phương trình có dạng:

s am b

Trong đó, các hệ số a, b được xác định bằng các biểu thức sau:

2

2 22 2;

i i i i i i i i i

i i i i

N s m s m s m m s ma b

N m m N m m

Độ lệch tuyến tính

Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, khái niệm độ lệch tuyến tính được

đưa ra và được xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất,

tính bằng % trong dải đo.


c. Sai số và độ chính xác

Ngoài đại lượng cần đo, các bộ phận trong cảm biến còn chịu tác động của nhiều đại

lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi

Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ

cảm biến được tính như sau:

.100 %x

x

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị

thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến thì thường phân thành hai loại là

sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.

- 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 và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị

đo được. Sai số hệ thống thường do điều kiện sử dụng không tốt hoặc do người đo không hiểu

biết về hệ đo gây ra. Các nguyên nhân sai số có thể kể đến đó là:

+ Do nguyên lý của cảm biến

+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

+ Do đặc tính của bộ cảm biến

+ Do điều kiện và chế độ sử dụng

+ Do xử lý kết quả đo.

- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Nguyên nhân

gây ra sai số hệ thống thì có thể dự đoán được, nhưng không thể dự đoán được độ lớn cũng như

dấu của nó. Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến.

Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như

bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các

ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê.

d. Độ nhanh và thời gian hồi đáp

Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian

của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử

dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.

Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên

của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %. Thời gian

hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến

thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước. Thời gian hồi đáp

đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và làm hàm của các thông số thời gian xác định chế

độ này.

Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian

gồm thời gian trễ khi tăng tdm và thời gian tăng tm ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo.

Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu

của nó lên 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời

gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng của nó.


Hình 3. Xác định các khoảng thời gian của cảm biến

Tương tự khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại

lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và

khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 90% đến 10% biến

thiên tổng cộng của nó.

Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời

gian hồi đáp của nó.

e. Giới hạn sử dụng của cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động

nhiệt, … Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm

việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến cần phải biết rõ các giới hạn này.

Vùng làm việc danh định

Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm

biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên

quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm

thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.

Vùng không gây nên hư hỏng

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý

có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định những

vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay

đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh

định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.

Vùng không phá hủy

Vùng không phá hủy là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên

quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn

còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay

đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng


của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này, cảm biến vẫn

còn sử dụng được, nhưng phải chuẩn lại.

I. Nguyên lý đo của cảm biến 1. Với các cảm biến tích cực

Cảm biến tích cực là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích,

điện áp hay dòng. Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật

lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ, bức xạ, …) thành năng lượng điện. Khái

quát lại, có thể kể đến các loại cảm biến với các hiệu ứng vật lý sau:

a. Hiệu ứng nhiệt điện

Hai dây dẫn M1, M2 có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau thành một

mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện

một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.

Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường

chọn T2 = 00C.

Hình 4. Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

b. Hiệu ứng hỏa điện

Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện (ví dụ: tinh thể sulfate triglycine) có tính phân

cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện

của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực

của tinh thể hỏa điện.

Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta chiếu

một chùm ánh sáng vào tinh thể hỏa điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó tăng lên,

làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V ta có thể xác định được thông lượng

ánh sáng Φ.

Hình 5. Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện

c. Hiệu ứng áp điện

Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng

dước tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện


tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể xác định được

cường độ của lực tác dụng F.

Hình 6. Ứng dụng hiệu ứng áp điện

d. Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một

suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc

độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ trường có từ

thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua

khung dây. Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật

thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.

Hình 7. Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ

e. Hiệu ứng quang điện

+ Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải

phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ

ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.

+ Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện

tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại

nhờ tác dụng của điện trường.

f. Hiệu ứng quang – điện – từ

Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn

được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và

hướng bức xạ ánh sáng.

Hình 8. Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ.


g. Hiệu ứng Hall.

Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dòng điện chạy

qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dòng điện I trong tấm một góc θ, sẽ xuất hiện

một hiệu điện thế VH theo hướng vuông góc với B và I. Biểu thức hiệu điện thế có dạng:

sinH HV K IB

Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu.

Hình 9. Ứng dụng hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall được dùng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật cần xác định

vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời điểm, vị trí thanh nam châm xác định giá

trị của từ trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian. Vì vậy, hiệu

điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không

gian.

2. Với các cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy

với các đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học, tính chất

điện của vật liệu chế tạo (điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện môi, …). Vì vậy tác động của

đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời

cả hai.

Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển

động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các cảm biến có phần tử chuyển động, mỗi vị

trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng, cho nên đo trở kháng có thể

xác định được vị trí của đối tượng. Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần

tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay

đổi của trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động,

do đó liên quan đến đại lượng cần đo. Xác định trở kháng ta có thể xác định được đại lượng cần

đo.

Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở

kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, độ ẩm, …). Để chế tạo cảm biến, người ta

chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng

của các đại lượng khác nhau là không đáng kể. Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị

giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến.


II. Giới thiệu các loại cảm biến thông dụng Hiện nay, có rất nhiều loại cảm biến đã được nghiên cứu phát triển và ứng dụng vô cùng

đa dạng trong thực tiễn. Các loại cảm biến này đã giúp giải quyết được rất nhiều vấn đề đa dạng

trong cuộc sống, giúp cho mọi việc trở lên dễ dàng và thuận tiện hơn hẳn. Có rất nhiều cảm biến

có thể kể đến như: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cảm biến ánh sáng, cảm biến từ trường, cảm biến

điện dung, cảm biến khoảng cách, cảm biến mức, cảm biến thay thế, cảm biến vận tốc, cảm biến

gia tốc, cảm biến lực, cảm biến trạng thái căng (strain), cảm biến xúc giác, cảm biến áp suất,

cảm biến dòng chảy, cảm biến hóa học, cảm biến tiệm cận, cảm biến thông minh, …

1. Cảm biến quang

Trong cảm biến quang có cảm biến quang dẫn và cảm biến quang điện phát xạ. Với cảm

biến quang dẫn thì có photodiot, phototransistor, phototransistor hiệu ứng trường các loại này có

nguyên lý hoạt động chính đó là khi ánh sáng chiếu vào sẽ làm thay đổi điện trở của linh kiện.

Với cảm biến quang điện phát xạ thì có tế bào quang điện chân không, tế bào quang điện dạng

khí, chúng hoạt động dựa trên nguyên lý là khi có một bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn

một ngưỡng nhất định chiếu vào bề mặt của tế bào thì sẽ giải phóng các điện tử tạo thành dòng

điện.

Hình 10. Phototransistor trong chế độ chuyển mạch

(Role, Role sau khuếch đại, cổng logic, Thyristor)

2. Cảm biến nhiệt độ

Nhiệt độ chỉ có thể đo được bằng cách đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất

vật liệu vào nhiệt độ. Để đo nhiệt độ, người ta thường sử dụng các cảm biến nhiệt độ. Trong

cảm biến nhiệt độ bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như thermistor, cặp nhiệt điện, nhiệt

điện trở, nhiệt kế bức xạ, … Mỗi loại có một nguyên lý làm việc khác nhau (chi tiết ở trong

phần VI) nhưng đều tuân theo một thang đo nhiệt độ nhất định (Kelvin, Celsius, Fahrenheit).

3. Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật, hiện nay

có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển sử dụng cảm biến:

+ Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử

của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển.

+ Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung, việc xác định vị trí và

dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra


Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc

dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vài trò

trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng. Một số loại cảm biến thông

dụng dùng để xác định vị trí và dịch chuyển của vật như điện thế kế điện trở, cảm biến điện

cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi.

Hình 11. Mạch đo thường dùng với cảm biến tụ điện

4. Cảm biến đo biến dạng

Tác động của ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực. Giữa biến dạng và

ứng lực có quan hệ chặt chẽ với nhau, bằng cách đo biến dạng ta có thể tính được ứng lực tác

động lên kết cấu. Để đo biến dạng, người ta sử dụng cảm biến biến sạng hay còn gọi là đầu đo

biến dạng. Hai loại cảm biến biến dạng đang sử dụng hiện nay đó là đầu đo điện trở và đầu đo

dạng dây rung. Đầu đo điện trở được chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến

dạng, với kích thước nhỏ từ vài milimet đến vài centimet, khi đo chúng được dán trực tiếp lên

cấu trúc biến dạng. Đầu đo dây rung được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm

của cấu trúc cần đo biến dạng. Tần số của dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay

đổi khi khoảng cách hai điểm nối thay đổi. Các loại cảm biến biến dạng phổ biến hiện nay như

đầu đo điện trở kim loại dùng trong công nghiệp, đầu đo điện trở bán dẫn – đo áp điện trở, ứng

suất kế dây rung và các đầu đo trong chế độ động.

Hình 12. Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại

a) Đầu đo dùng dây quấn; b) Đầu đo dùng lưới màng.

5. Cảm biến đo lực

Cảm biến đo lực hoạt động trên nguyên tắc là làm cân bằng lực cần đo với một lực đối

kháng sao cho lực tổng cộng và moment tổng cộng của chúng bằng 0. Trong các cảm biến đo

lực thường có một vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và biến dạng. Biến dạng của vật

trung gian là nguyên nhân gây ra lực đối kháng và trong giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực

đối kháng. Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể đo trực tiếp bằng cảm biến biến dạng, hoặc


đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo vật trung gian phụ thuộc

vào biến dạng. Các cảm biến lực thông dụng hiện nay như cảm biến áp điện, cảm biến từ giảo,

cảm biến dựa trên phép đo dịch chuyển, cảm biến xúc giác.

Hình 13. Sơ đồ tương đương của cảm biến áp điện

6. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

- Để đo vận tốc ta sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ hoạt động dựa trên hiện tượng

cảm ứng điện từ hoặc tốc độ kế vòng loại xung hoạt động theo nguyên tắc đo tần số chuyển

động của phàn tử chuyển động tuần hoàn.

- Trong đo gia tốc, người ta phân biệt mức gia tốc và dải tần của hiện tượng khảo sát

như sau:

+ Đo gia tốc chuyển động của một khối lượng nào đó, trong đó chuyển động của trọng

tâm luôn giữ ở tần số tương đối thấp, giá trị của gia tốc nhỏ. Các cảm biến thường dùng là các

cảm biến gia tốc đo dịch chuyển và cảm biến gia tốc đo biến dạng.

+ Đo gia tốc rung của các cấu trúc cứng hoặc cấu trúc có khối lượng lớn, tần số rung

đạt hàng trăm Hz. Cảm biến gia tốc thường dùng là cảm biến từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng

kim loại hoặc áp điện trở.

+ Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần tương đối cao (~10kHz) thuowgnf gặp khi

vật có khối lượng nhỏ, cảm biến gia tốc sử dụng là loại áp trở hoặc áp điện.

+ Đo gia tốc khi va đập, thay đổi gia tốc có dạng xung, cảm biến gia tốc sử dụng là các

loại có dải thông rộng về cả hai phía tần số thấp và tần số cao.

- Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển, tốc độ hoặc gia tốc ở các điểm trên vật

rung. Cảm biến rung có thể là cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc gia tốc nhưng có thể

mô tả nguyên lý hoạt động của chúng bằng mô hình hệ cơ học một bậc tự do như hình dưới.

- Cảm biến đo rung gồm một phần tử nhạy cảm (lò xo, tỉnh thể áp điện, …) nối với một

khối lượng rung và được đặt chung trong một vỏ hộp. Chuyển động rung của khối lượng M tác

động lên phần tử nhạy cảm của cảm biến và được chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra.


7. Cảm biến đo áp suất chất lưu

Đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình. Để

đo áp suất tĩnh có thể tiến hành như sau: đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên

thành bình nhờ cảm biến thích hợp hoặc đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây

nên. Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặc sau

của một màng đo, tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp

suất tĩnh.

Hình 15. Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai.

1, Lò xo vòng; 2, Phần tử biến đổi; 3&4, Cuộn thứ cấp; 5, Lõi thép; 6, Cuộn sơ cấp.

8. Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu

Đo lưu lượng sử dụng lưu lượng kế, tùy thuộc vào tính chất như chất lưu, yêu cầu công

nghệ, mà sử dụng các lưu lượng kế khác nhau. Nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế dựa trên

cơ sở là quá trình đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian

xác định Δt, sau đó đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vận tốc và

cuối cùng là đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc độ

giảm áp. Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích

hợp.

Hình 14. Sơ đồ nguyên lý cảm biến

đo gia tốc và rung

1. Khối rung

2. Vỏ hộp

3. Phần tử nhạy cảm

4. Giảm chấn


Hình 16. Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ

a. Cảm biến phát hiện ngưỡng, b. Cảm biến đo mức liên tục.

1. Nguồn phát tia bức xạ, 2. Bộ thu, 3. Chất lưu

9. Cảm biến thông minh

Hình 17. Sơ đồ cấu trúc một cảm biến thông minh.

Từ đối tượng đo, qua các cảm biến sơ cấp Si, các đại lượng đo và các đại lượng của yếu

tố ảnh hưởng chuyển thành tín hiệu điện và được đưa vào các bộ chuyển đối chuẩn hóa CĐCH.

Các bộ chuyển đổi chuẩn hóa làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn, thường là điện áp từ 0 – 5V

hoặc 0 – 10V để đưa vào bộ dồn kênh MUX. Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đưa các tín hiệu

vào bộ chuyển đổi tượng tự - số A/D trước khi vào bộ vi xử lý μP. Nếu bộ cảm biến ở đầu vào

là cảm biến thông thường thì đầu ra của chúng được đưa vào một vi mạch công nghệ lai bao

gồm các bộ chuyển đổi chuẩn hóa, bộ dồn kênh MUX, bộ chuyển đổi tương tự - số A/D và vi

xử lý μP trong một khối có đầu ra qua bộ ghép nối để truyền thông tin đi xa hay vào máy tính

cấp trên hay bộ ghi chương trình cho EPROM. Nếu cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn

những thiết bị sau đều được để trong một khối công nghệ lai.

III. Tìm hiểu về cảm biến nhiệt độ 1. Sơ lược các vấn đề liên quan

Các loại thang đo nhiệt độ

Thang Kelvin (Thomson Kelvin – 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị

nhiệt độ là 0K. Trong thang đo này, người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái

nước – nước đá – hơi một giá trị số bằng 273,150K.

Thang Celsius (Andreas Celsius 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là 0C,

là thang đo được mở rộng ra từ thang đo Kelvin bằng cách dịch chuyển các nhiệt độ. Biểu thức

xác định nhiệt độ Celsius qua nhiệt độ Kelvin:

( ) ( ) 273,15T C T K


Thang Fahrenheit (Fahrenheit – 1706): Đơn vị nhiệt độ là 0F. Là thang đo được mở rộng

từ thang đo Celsius, trong thang đo này nhiệt độ của điểm nước đá tan là 320F và điểm nước sôi

là 212 0

F. Biểu thức xác định quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celsius:

9

( ) ( ) 325

T F T C

Nhiệt độ Trạng thái cân bằng của mẫu

- 182,970C Cân bằng khí – lỏng: Oxy

0,000C Cân bằng rắn – lỏng: Nước

0,010C Điểm thử của nước

100,000C Cân bằng lỏng – rắn: nước

419,580C Cân bằng lỏng: Kẽm

444,670C Cân bằng khí – lỏng: Lưu huỳnh

961,620C Cân bằng rắn – lỏng: Bạc

1064,430C Cân bằng răn – lỏng: Vàng

Bảng 1. Thang đo nhiệt độ chuẩn

Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo:

Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ

Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ

Tc gọi là nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi

trường đo và cảm biến. Nhưng do nhiều nguyên nhân nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới

nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác

của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc hiệu số này càng bé thì độ chính xác của phép đo

càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải chú ý:

+ Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo.

+ Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài.

Thực nghiệm: khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc, lượng nhiệt truyền từ môi

trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:

( )x cdQ A T T dt

Với: α - hệ số dẫn nhiệt.

A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.

T - thời gian trao đổi nhiệt.

Khi đó, lượng nhiệt cảm biến hấp thụ được tính bằng công thức:

cdQ mCdT

Với: m - khối lượng cảm biến.

C - nhiệt dung của cảm biến.

Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:

( )x c cA T T dt mCT


Hình 18. Trao đổi nhiệt của cảm biến.

Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải

dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất

nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải

có hệ số dẫn nhiệt thấp.

2. Cảm biến nhiệt độ.

Đối với các loại cảm biến nhiệt thì có hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác

đó là nhiệt độ môi trường cần đo và nhiệt độ cảm nhận của cảm biến. Điều đó nghĩa là việc

truyền nhiệt từ môi trường vào đầu đo của cảm biến nhiệt tổn thất càng ít thì cảm biến đo càng

chính xác. Điều này phụ thuộc lớn vào chất liệu cấu tạo nên phần tử cảm biến (cảm biến nhiệt

đắt hay rẻ cũng do nguyên nhân này quyết định). Đồng thời một nguyên tắc được đưa ra khi sử

dụng cảm biến nhiệt đó là: phải luôn đảm bảo sự trao đổi nhiệt giữa môi trường cần đo với phần

tử cảm biến.

Xét về cấu tạo chung thì cảm biến nhiệt có nhiều dạng, tuy nhiên, loại cảm biến được ưa

chuộng nhất trong các ứng dụng thương mại và công nghiệp thường được đặt trong khung làm

bằng thép không gỉ, được nối với một bộ phận định vị, có các đầu nối với bộ phận định vị, có

các đầu nối với các thiết bị đo lường.

Một số loại cảm biến đang được sử dụng khá thông dụng trên thị trường có thể kể đến

như:

+ Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

+ Nhiệt điện trở (resitance temperature detector)

+ Thermistor

+ Bán dẫn

+ Hỏa kế & Nhiệt kế bức xạ

+ Ngoài ra còn loại đo nhiệt không tiếp xúc, hồng ngoại, lazer

a. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên hiện tượng điện: nếu hai dây dẫn có bản

chất hóa học khác nhau nối với nhau tại hai điểm tạo thành một vòng dây kín và hai điểm đó có

nhiệt độ khác nhau thì sẽ xuất hiện một sức điện động và do đó hình thành nên dòng điện trong

vòng dây. Sức điện động đó được gọi là sức điện động nhiệt điện, là hiệu số của các hàm số

nhiệt độ của hai điểm nối. Mạch điện như vậy gọi là cặp nhiệt điện hay cặp nhiệt ngẫu.


Hình 19. Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện đơn giản

Điểm được đốt nóng gọi là đầu công tác, điểm còn lại gọi là đầu tự do. Nếu giữ nhiệt độ

của điểm tự do là hằng số thì 1 2 1 1( ) ( ) ( ) .( )TE f t f t f t C f t

Đây là biểu thức cơ sở cho phép đo nhiệt độ bằng phương pháp cặp nhiệt điện. Theo

phương pháp này, để đo nhiệt độ (t1) sẽ dẫn tới việc đo sức điện động của cặp nhiệt điện khi giữ

cô định nhiệt độ ở đầu tự do của nó.

Việc dùng vật liệu để chế tạo cặp nhiệt ngẫu cần đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Quan hệ giữa nhiệt độ và sức điện động nhiệt điện là một hàm đơn trị

+ Tính chất nhiệt không thay đổi

+ Độ bền hóa học và cơ học với nhiệt độ phải cao

+ Dẫn nhiệt tốt

+ Có trị số sức điện động nhiệt điện lớn.

STT Tên cặp nhiệt điện Giới hạn nhiệt độ trên

0C Sức điện động nhiệt điện

với 1000C (mV) Đo lâu dài Đo ngắn hạn

1 Platin – platin Rôđi (90%Pt +

10%Rh) 1300 1750 0,64

2 Crommel (90%Ni + 10%Cr)

– Alumel (95%Ni + 5%Al) 900 1300 4,10

3 Crommel – Copei (56%Cu +

44%Ni) 600 800 6,95

4 Đồng – Copei 350 500 4,75

5 Đồng – Constantan 350 500 4,15

6 Vonfram (5%Reni) –

Vonfram (20%Reni) 1800 2500 1,33

Bảng 2: Một số cặp nhiệt điện thông thường.

Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn và đặt trong thiết bị bảo vệ

tránh bị ăn mòn hóa học, thiết bị này được chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt tốt, bền cơ học, không

thấm khí.

Các loại thiết bị này thường là các ống được chế tạo bằng thép đặc biệt. Đối với cặp

nhiệt điện quý, ống chế tạo được bảo vệ bằng thạch anh và gốm. Để cách điện người ta dùng

amiang (3000C), ống thạch anh (1000

0C) hoặc ống sứ (1400

0C).

Nguyên nhân gây sai số và cách hiệu chỉnh

Một cách gần đúng, phương trình biến đổi của cặp nhiệt điện trong trường hợp chung có

thể viết dưới dạng: 2 3

TE At Bt Ct

Trong đó: ET: sức điện động nhiệt điện

t: hiệu nhiệt độ giữa đầu công tác và đầu tự do

A, B, C: các hằng số phụ thuộc vào vật liệu của dây làm cặp nhiệt điện


Độ nhạy của chuyển đổi:

22 3TT

dES A Bt Ct

dt

Phương trình xác định độ nhạy của cơ cấu phụ thuộc vào nhiệt độ, không phải là hằng

số. Do vậy các cặp nhiệt điện trong công nghiệp thường cho trước một bảng sức điện động ứng

với các chuyển đổi nhiệt độ khác nhau trong khoảng 10C với nhiệt độ ở đầu tự do là 0

0C.

Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi

Khi khắc độ các cặp nhiệt điện, đầu tự do được đặt trong môi trường có nhiệt độ 00C,

nhưng trong thực tế sử dụng, nhiệt độ đầu tự do đặt trong môi trường khác 00C. Để khắc phục

tình trạng này, có thể sử dụng một số biện pháp như sau:

+ Hiệu chỉnh hệ số k trên từng đoạn của đường cong đặc tính ( )TE f t .

+ Dùng thiết bị hiệu chỉnh nhiệt độ tự động nhiệt độ đầu tự do

Sai số do sự thay đổi điện trở đường dây, cặp nhiệt và chỉ thị

Cặp nhiệt điện thường được đo sức điện động bằng milivonmet hoặc điện thế kế điện trở

nhỏ điều chỉnh bằng tay hoặc tự động với giới hạn đo đến 100mV. Khi đo sức điện động bằng

milivonmet, dòng điện chạy trong mạch tính được bằng biểu thức:

T

CT ND d

EI

R R R

Trong công thức trên: RCT: điện trở của chỉ thị milivonmet, RND: điện trở của cặp nhiệt điện, Rd:

điện trở của đường dây dẫn.

Điện áp rơi trên milivonmet:

.' ( ) CT

CT ND d

CT ND d

E RU E I R R

R R R

Từ công thức trên, nhận thấy cần giữa cho RND và Rd không thay đổi. Khi khắc độ

thường được tính (RND + Rd) = 5Ω. Nguyên nhân gây ra sai số chủ yếu là do điện trở của

milivonmet thay đổi, vì vậy điện trở của nó chọn có trị số lớn 40 đến 50 lần điện trở của cặp

nhiệt điện để giảm sai số.

Sai số do các yếu tố khác.

Các sai số của cặp nhiệt độ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác có thể kể đến như là đặt

cặp nhiệt điện không đúng vị trí cần đo, không đúng hướng và diện tích tiếp xúc của cặp nhiệt

điện với đối tượng đo quá nhỏ, …

Ứng dụng của cặp nhiệt điện:

Cặp nhiệt điện có ứng dụng chủ yếu dùng để đo nhiệt độ, ngoài ra còn được dùng để đo

các đại lượng không điện và điện khác như đo dòng điện cao tần, đo hướng chuyển đổi và lưu

lượng của các dòng chảy, đo di chuyển, đo áp suất (độ chân không), …


Hình 20. Mạch đo nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện bù nhiệt dùng LM 335

b. Nhiệt điện trở RTD (Resitance Temperature Detector)

Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ (Nhiệt trở PTR và NTR)

Dựa vào hệ số nhiệt điện trở, có thể phân điện trở nhiệt thành điện trở có hệ số nhiệt điện trở

dương PTR (Positive Thermic Resistor) và điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm (Negative

Thermic Resistor).

- Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt trở âm NTR: giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.

- Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt trở dương PTR: giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.

Hình 21. Đường đặc tuyến làm việc của PTR


Đường đặc tuyến của PTR chia làm 3 vùng:

- Vùng nhiệt độ thấp < TA: giống NTR

- Vùng hệ số nhiệt tăng chậm (TA, TN)

- Vùng làm việc > TN

Điện trở kim loại với Platin và Nickel (Điện trở nhiệt kim loại RTD)

Cấu tạo đầu dò nhiệt RTD

RTD được sản xuất từ các vật liệu có nhiệt điện trở dương, phổ biến nhất là Đồng,

Nikel, hợp kim Sắt – Nikel, Vonfram, Platin. Tuy nhiên, bạch kim được xem là chính xác nhất,

ổn định nhất và có thể đo nhiệt độ lên đến 1200oF. Phạm vi nhiệt độ làm việc của nó cũng cao

hơn Nikel, Đồng, hợp kim Sắt – Nikel. Ngoài ra sự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ của nó

tuyến tính nhất.

Tên vật liệu Phạm vi nhiệt độ làm việc

Platin -450 F đến 1200 F

Nickel -150 F đến 600 F

Đồng -100 F đến 300 F

Hơp kim Sắt/ Nikel 32 F đến 400 F

Bảng 3. Vật liệu chế tạo RTD

Các vật liệu đồng, nikel, hợp kim sắt/nikel cũng được dùng để làm RTD, nhưng hầu hết

chúng đều có giá thành thấp và được sử dụng trong các ứng dụng không đòi hỏi yêu cầu cao.

Đặt tính của Platin và Nickel:

- Platin :

+ Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các

tính chất điện.

+ Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính

ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng.

+ Hệ số nhiệt điện trở ở 00C bằng 3,9.10-3/

0C.

+ Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,385 lần so với ở 0

0C.

+ Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -2000C ÷ 1000

0C.

- Nikel:

+ Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/0C.

+ Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với ở 0

0C.

+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định.

+ Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 2500C.

Phân loại đầu dò nhiệt RTD

Loại dây nối (Wire wound Element):

Đây là loại thiết kế đơn giản nhất, sợi dây cảm biến (được chế tạo bằng bạch kim) được

quấn xung quanh một cái lõi hoặc trục. Lõi có thể có dạng tròn hoặc phẳng, nhưng quan trọng là

phải được cách điện. Người ta cách điện bằng cách đặt lõi và dây quấn trong một cái ống bằng

sứ hoặc kiếng. Dây cảm biến được nối ra ngoài bằng những sợi dây lớn hơn.


Hình 22. RTD loại dây nối

Loại màng mỏng (Thin Film Element)

Người ta phủ một lớp bạch kim mỏng (dày khoảng 10-7

mm đến 10-6

mm) lên một cái đế

bằng sứ. Ưu điểm của loại này là giá thành thấp và khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho

chúng đáp ứng nhanh và dễ dàng đặt vào các vỏ nhỏ. Nhưng nhược điểm của nó là không làm

việc ổn định như loại dây nối (Wire wound Element).

Hình 23. RTD loại màng mỏng

Cách nối dây đo

Loại 2 dây:

Đây là loại cấu hình dây đơn giản nhất và độ chính xác cũng thấp nhất. Điện trở của dây

mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ chính xác. Dây nối càng dài càng ảnh

hưởng càng lớn. Sơ đồ mạch cầu 2 dây được minh họa trong sơ đồ sau:

Hình 24. RTD cấu hình 2 dây

Trong sơ đồ mạch loại 2 dây, dòng điện đi qua phần tử cảm biến. Khi nhiệt độ của cảm

biến tăng, điện trở sẽ gia tăng. Kết quả là điện áp tăng (V=I.R). Trở kháng thực làm cho điện áp

tăng chính là tổng trở của phần tử cảm biến và trở kháng của dây nối. Vì vậy để sử dụng được

loại này thì dây nối cần phải ngắn.

Loại 3 dây :

Có 3 sợi dây nối từ RTD thay vì 2 dây. L1 và L3 dẫn dòng đo, L2 có vai trò như dây

chiết áp. Lý tưởng thì điện trở của dây L1 và L3 không có. Trở kháng của R3 thì bằng với trở

kháng của phần tử cảm biến Rt.


Hình 25: RTD cấu hình 3 dây

Loại 4 dây:

Loại này khắc phục được lỗi do trở kháng của điểm nối gây ra. Dòng điện đi từ nguồn

dòng đến L1 rồi đến dây L4; Dây L2 và L3 đo áp rơi trên RTD. Với nguồn dòng cố định thì

phép đo chính xác hơn. Loại cấu hình này có giá thành cao hơn so với cấu hình 2 hay 3 dây, tuy

nhiên nếu đòi hỏi chính xác cao thì nên lựa chọn loại cấu hình này ( trong phòng thí nghiệm, ít

dùng trong công nghiệp)

Hình 26: RTD Cấu hình 4 dây

Ứng dụng

Sử dụng phổ biến nhất là RTD cấu hình 3 dây. RTD có nhiều ứng dụng, đo được nhiệt

độ của chất lỏng, bề mặt vật, các dòng khí. RTD là loại thiết bị thụ động, khi sử dụng cần có

nguồn cung cấp.

Trong công nghiệp, RTD thường được sử dụng kết hợp với các bộ hiển thị nhiệt độ

(Controller) của các hãng Autonics, Honeywell,… ; các bộ chuyển đổi (transmitter) hoặc được

nối trực tiếp vào các module AI (của Siemens chẳng hạn). Nếu sử dụng các bộ hiển thị hay

module thì không cần có nguồn cung cấp riêng vì các thiết bị này đã cung cấp nguồn cho RTD.

Hình 27. Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở


c. Thermistor

Thermistor là một thuật ngữ thông dụng của thermally sensitive resistor. Đầu dò nhiệt

của chúng là chất bán dẫn có α âm / dương. Những thiết bị này được cấu tạo bởi vật liệu sứ có

tính chất dẫn điện phụ thuộc vào nhiệt độ.

Thermistor thường được chế tạo từ những hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể của Mangan,

Nikel, Coban, Sắt dưới dạng bột và được trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất định, sau khi trộn

hỗn hợp này được nén định dạng thành phiến và nung ở nhiệt độ 10000C. Trên bề mặt của phiến

sau khi nung, có hàn các dây nối và được phủ kim loại. Với những chất oxid khác nhau, tỷ lệ

pha trộn khác nhau thì ta sẽ có sản phẩm khác nhau mang tính chất ta muốn có.

Hình 28. Sơ đồ cấu tạo thermistor

Nguyên lý hoạt động của thermistor dựa trên sự thay đổi của bán dẫn theo nhiệt độ T, do

số lượng cặp điện tử - lỗ trống tăng làm giảm điện trở.

0

1 1

0

T T

TR R e

Trong công thức: β là hằng số vật liệu phụ thuộc nhiệt điện trở, RT: điện trở tại nhiệt độ

cần đo T (0K), R0: điện trở tại nhiệt độ T0 (

0K).

2

1;

T

dR

R dT T

Đối với nhiệt độ lớn hơn thì phải dùng phương trình Steinhart – Hart:

31ln lnT TA B R C R

T

Do tính phi tuyến nên thermistor không được dùng để đo nhiệt độ mà thường dùng trong

các mạch cảnh báo quá nhiệt độ hay mạch bù nhiệt.

Hình 29. Mạch cảnh báo nhiệt dùng thermistor


d. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn

Cảm biến nhiệt bán dẫn với vật liệu silic (Si):

Cảm biến nhiệt bán dẫn được chế tạo từ các loại bán dẫn thường là Silic tinh khiết hoặc

đơn tinh thể. Nó có nguyên lý hoạt động là sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi

nhiệt độ. Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm. Sự thay đổi điện trở

suất theo nhiệt độ của Si phụ thuộc vào nồng độ pha tạp (dẫn tới số diện tích tự do) và vào nhiệt

độ. Do vậy, có thể phân ra hai miền nhiệt độ như sau: dưới 1200C, hệ số nhiệt độ của điện trở

suất dương nghĩa là điện trở suất tăng theo nhiệt độ. Do độ tuyến tính hạn chế mà dải nhiệt độ

ứng dụng của điện trở Si là: -50 đến 1200C. Trên khoảng 120

0 C, hệ số nhiệt điện trở của Si là

âm và độ tuyến tính kém hơn. Trong vùng nhiệt độ trên 1200C thì hệ số nhiệt điện trở không

phụ thuộc vào mức độ pha tạp.

Cảm biến nhiệt bán dẫn có ưu điểm là dễ chế tạo, rẻ tiền, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt

và có mạch xử lý đơn giản. Tuy vậy, nhược điểm của nó là không chịu được nhiệt độ cao và

kém bền.

Cảm biến nhiệt bán dẫn được ứng dụng nhiều trong việc đo nhiệt độ không khí, dùng

trong các thiết bị đo và dùng trong bảo vệ các mạch điện tử.

IC cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có

các loại như diode, transistor, vi mạch tích hợp (IC). Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ

phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của

ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều

ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ

tiền,….

Một số cảm biến nhiệt độ được dùng phổ biến có thể kể đến như IC như: LM35, LM335,

LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được

phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.

Hình 30. IC cảm biến nhiệt LM35

IC DS18B20 là loại IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông

I2C mở ra một xu hướng mới trong thế giới cảm biến.

Hình 31. IC cảm biến nhiệt DS18B20


Lưu ý khi sử dụng:

Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn kém bền, không

chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến.

Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm

biến sẽ mất tác dụng. Do vậy cần phải hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt

được sự chính xác.

Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: độ ẩm cao, hóa chất có

tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.

Hình 32. Mạch đo nhiệt độ dùng vi mạch bán dẫn

e. Hỏa kế & Nhiệt kế bức xạ.

Hỏa kế bức xạ toàn phần

Nguyên lý dựa trên quy luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỷ lệ

với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật. 4E T

Trong công thức: σ là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối (0K).

Thông thường có hai loại: hỏa kế bức xạ có ống kính hội tụ, hỏa kế bức xạ có kính phản

xạ.

Hình a) là hỏa kế bức xạ có ống kính hội tụ, ánh sáng từ nguồn bức xạ 1 qua thấu kính

hội tụ 2 đập tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ 4, bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ

cấp 5.

Hình b) là hỏa kế bức xạ có kính phản xạ: ánh sáng từ nguồn bức xạ 1 đập tới gương

phản xạ 3 và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ 4, bộ phận này được nối với dụng cụ

đo thứ cấp 5.

Bộ phận thu năng lượng có thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiệt,

chúng phải thỏa mãn các yêu cầu sau:


+ Có thể làm việc bình thường trong khoảng nhiệt độ từ 100 – 1500C.

+ Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 – 5 giây

+ Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đó.

Hỏa kế dùng gương phản xạ tổn thất năng lượng thấp (~10%), hỏa kế dùng thấu kính hội

tụ có thể tổn thất tới 30 – 40%. Tuy nhiên loại thứ nhất có nhược ddiemr là khi môi trường

nhiều bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm do đó sai số tăng. Khi đo nhiệt độ bằng hỏa kế bức xạ

sai số thường không vượt quá 270C trong điều kiện:

+ Vật đo phải có độ đen xấp xỉ bằng 1.

+ Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn 1/16.

+ Nhiệt độ môi trường 20±20C.

Trong thực tế độ đen của vật đo ε < 1, khi đó 41

do docT T

. Thông thường xác định

theo công thức: do docT T T ; trong đó ΔT là lượng hiệu chỉnh phụ thuộc Tđọc và độ đen của

vật đo.

Hình 33. Hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen

Hỏa kế quang điện

Hỏa kế quang điện được chế tạo dựa trên định luật Plăng:

2

1

5 1T C

RT

CI

e

Trong đó λ là bước sóng, C1, C2 là các hằng số.

Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học là so sánh cường độ sáng của vật cần đo

và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng.

Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau.

Hình 34. Sự phụ thuộc của cường độ sáng vào bước sóng vào nhiệt độ.

Từ hình trên ta nhận thấy sự phụ thuộc giữa I và λ không đơn trị, do đó người ta thường

cố định bước sóng ở 0,65μm.


Hình 35. Sơ đồ hỏa kế quang học

1. Nguồn nuôi; 2. Vật kính; 3. Kính lọc; 4&6. Thành ngăn;

5. Bóng đèn mẫu; 7. Kính lọc ánh sáng đỏ; 8. Thị kính.

Khi đo, hướng hỏa kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ 1 qua vật

kính 2, kính lọc 3, và các vách ngăn 4, 6; kính lọc 7 tới thị kính 8 và mắt. Bật công tắc K để cấp

điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu 5, điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng

đèn trùng với độ sáng của vật cần đo.

Sai số do độ đen của vật đo ε < 1. Khi đó Tdo xác định bởi công thức:

2

1 1ln

doT C

Công thức hiệu chỉnh: do docT T T . Giá trị của ΔT được cho theo đồ thị.

Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này

thường nhỏ. Khi môi trường có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng.

f. Nhiệt kế hồng ngoại

Nhiệt kế hồng ngoại (IRT) cơ bản gồm có 4 thành phần:

+ Ống dẫn sóng (waveguide) để thu gom năng lượng phát ra từ bia (target).

+ Cảm biến có tác dụng chuyển đổi năng lượng sang tín hiệu điện.

+ Bộ điều chỉnh độ nhạy để phối hợp phép đo của thiết bị hồng ngọai với chỉ số bức xạ

của vật thể được đo.

+ Một mạch cảm biến bù nhiệt để đảm bảo sự thay đổi nhiệt độ phía bên trong thiết bị

không bị truyền đến ngõ ra.


Màng phát ra năng lượng hồng ngoại, bộ vi xử lý sẽ điều khiển việc điều chỉnh độ nhạy

và bù nhiệt, và tiến hành tính toán nhiệt độ bệnh nhân theo phương trình: 4 4( )T a b aN A T T

Trong đó A: Diện tích vùng cơ thể

8 2 45,76.10 W / .m K : hằng số Stefan – Boltzmann

εa: Độ nhạy của môi trường (cảm biến)

Tb: nhiệt độ cơ thể (0K)

Ta: nhiệt độ cảm biến (0K)

Cảm biến môi trường là một nhiệt điện trở có tác dụng điều chỉnh cảm biến đo nhiệt độ

(Ta). Cảm biến hồng ngoại là một cảm biến hỏa điện (Pyroelectric sensor) theo sau là bộ chuyển

đổi dòng áp.

Cảm biến hồng ngoại có ưu điểm đó là cảm biến không tiếp xúc, có đáp ứng nhanh hơn

hoặc ngang bằng với cặp nhiệt điện, không ảnh hưởng bởi quá trình ăn mòn hoặc oxy hóa và có

tính ổn định cao. Tuy nhiên có có nhược điểm là giá thành cao, mạch điện tử giao tiếp phức tạp,

chịu ảnh hưởng của bụi, khói, bức xạ môi trường.

IV. Cảm biến nhiệt độ LM35 và một mạch điện ứng dụng đo nhiệt LM35 là một loại cảm biến nhiệt độ rất phổ biến và được ứng dụng rất nhiều trong thực

tế hiện nay. Nó được dùng nhiều trong các mạch điện tử cũng như trong các nghiên cứu.

1. Tìm hiểu về cảm biến LM35

LM35 là một cảm biến nhiệt độ tương tự, nhiệt độ được xác định bằng cách đo hiệu điện

thế ngõ ra của LM35.

→ Đơn vị nhiệt độ: °C.

→ Nhiệt độ thay đổi tuyến tính: 10mV/°C

Sơ đồ chân của LM35 và hình dáng bên ngoài:

Hình 36. Sơ đồ chân của cảm biến LM 35.


Hình 37. Hình ảnh thực thế cảm biến LM35

LM35 không cần phải căn chỉnh nhiệt độ khi sử dụng. Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở

nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài (khoảng -55°C tới 150°C). LM35 có hiệu năng cao, công suất

tiêu thụ là 60μA, thay đổi nhiệt độ nhanh và chính xác.

Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cho ra một giá trị hiệu điện thế nhất định tại chân

Vout (chân ở giữa) ứng với mỗi mức nhiệt độ. Như vậy, bằng cách đưa vào chân bên trái của

cảm biến LM35 hiệu điện thế 5V, chân phải nối đất, đo hiệu điện thế ở chân giữa bằng các chân

được gắn tương ứng trên vi điều khiển sẽ thu được nhiệt độ hiện tại.

Có thể chế tạo mạch cảm biến nhiệt độ sử dụng LM35 để tự động ngắt điện khi nhiệt độ

vượt ngưỡng tối đa, đóng điện khi nhiệt độ tháp hơn ngưỡng tối thiểu thông qua module role.

Cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện áp đầu ra

của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh

ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh.

Đặc điểm chính của cảm biến LM35:

+ Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V

+ Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/0C

+ Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C

+ Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải

Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -550C đến 150

0C với các mức điện áp ra khác

nhau. Xét một số mức điện áp sau :

+ Nhiệt độ -550C điện áp đầu ra -550mV

+ Nhiệt độ 250C điện áp đầu ra 250mV

+ Nhiệt độ 1500C điện áp đầu ra 1500mV

Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp. Đối với hệ thống này

thì đo từ 00C đến 150

0C.

Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35.

Việc đo nhiệt độ sự dụng LM35 thông thường được sử dụng bằng cách đưa tín hiệu từ

LM35 qua bộ giải mã ADC đến vi điều khiển để xử lý tín hiệu.

Như vậy ta có: .u t k

Trong đó u: điện áp đầu ra

t: nhiệt độ môi trường đo

k: là hệ số theo nhiệt độ của LM35 10mV/10C


Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 là 5V, bộ giải mã ADC sử dụng 10bit, thì bước thay

đổi của LM35 sẽ là 5/(2^10) = 5/1024. Giá trị ADC đo được thì điện áp đầu vào của LM35 là:

(t*k)/(5/1024) = ((10^-2)*1024*t)/5 = 2.048*t. Vậy nhiệt độ ta đo được t = giá trị ADC/2048.

Tương tự với ADC 11bit và Vcc khác ta cũng tính như trên để được công thức lấy nhiệt

độ:

set_adc_channel(0);

value = (float)read_adc();

value=value/2.048;

Sai số của LM35:

+ Tại 0 độ C thì điện áp của LM35 là 10mV

+ Tại 150 độ C thì điện áp của LM35 là 1.5V

==> Dải điện áp ADC biến đổi là 1.5 - 0.01 = 1.49 (V)

+ ADC 11 bit nên bước thay đổi của ADC là : n = 2.44mV

Vậy sai số của hệ thống đo là : Y = 0.00244/1.49 = 0.164%

Dải nhiệt độ và sự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ của LM35

Các bộ biến đổi chuyển đổi các đại lượng vật lý như nhiệt độ, cường độ anh sáng, lưu

tốc và tốc độ thành các tín hiệu điện phụ thuộc vào bộ biến đổi mà đầu ra có thể là tín hiệu dạng

điện áp, dòng, trở kháng hay dung kháng. Ví dụ như nhiệt độ được biến đổi về tín hiệu điện sử

dụng một bộ biến đổi gọi là bộ cảm biến nhiệt (thermistor), một bọ cảm biến nhiệt đáp ứng sự

thay đổi nhiệt độ bằng cách thay đổi trở kháng nhưng đáp ứng của nó không tuyến tính.

Nhiệt độ (0C) Trở kháng của cảm biến (kΩ)

0 29,490

25 10,000

50 3,893

75 1,700

100 0,817

Bảng 4. Trở kháng của bộ cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ.

Các bộ cảm biến nhiệt họ LM35

Loạt các bộ cảm biến LM35 là bộ cảm biến nhiệt mạch tích hợp chính xác cao mà điện

áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ Celsius. Chúng cũng không yêu cầu

cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh. Chúng đưa ra điện áp 10mV cho mỗi sự thay

đổi 10C.

Mã sản phẩm Dải nhiệt độ Độ chính xác Đầu ra

LM35A -550C đến 150

0C 1,0

0C 10mV/F

LM35 -550C đến 150

0C 1,5

0C 10mV/F

LM35CA -400C đến 110

0C 1,0

0C 10mV/F

LM35C -400C đến 110

0C 1,5

0C 10mV/F

LM35D 00C đến 100

0C 2,0

0C 10mV/F

Bảng 5. Hướng dẫn chọn cảm biến nhiệt họ LM35


2. Mạch đo nhiệt độ dùng LM35 kết hợp với IC ADC0808 và vi điều khiển 8051.

IC ADC0808 là một vi mạch tích hợp có chức năng chuyển đổi tín hiệu tương tự sang

tín hiệu số (Analog to Digital Converters), độ phân giải của bộ ADC là 8bit tức nó sẽ chuyển

đổi tín hiệu điện tương tự sang 256 mức điện áp so với Vref cấp vào bộ chuyển đổi.

Hình 38. Sơ đồ chân của ADC0808

Ý nghĩa của các chân:

+ Các chân từ IN0-IN7 là ngõ vào analog.

+ Vref+/Vref- là chân cấp áp so sánh.

+ ALE là chân cho phép giao tiếp

+ Từ 2-1

đến 2-8

là các ngõ ra song song 8bit

+ START là chân cho phép chuyển đổi

+ EOC là chân báo quá trình chuyển đổi hoàn tất, kiểu dạng cờ ngắt

+ ADD A, ADD B, ADD C là 3bit địa chỉ chọn kênh đầu vào từ IN0-IN7

+ VCC, GND là chân cấp nguồn dương 5V và nguồn âm (Mass)

+ CLOCK là chân cấp xung đồng hồ cho IC hoạt động, tốc độ lấy mẫu và chuyển đổi

phụ thuộc vào cái này, tối đa 640khz

+ OUTPUT ENABLE (OE) là chân báo cho IC xuất data ra Port để vi điều khiển lấy đi.

Giản đồ xung giao tiếp IC ADC0808


Hình 39. Giản đồ xung giao tiếp của ADC0808

Công thức tính điện áp chuyển đổi: ( * ) / 256Vin Vref ADC

Do độ phân giải của ADC0808 là 8bit lên sẽ có 256 mức điện áp so với Vref. Tức nếu ta

cấp vào Vref là 5V và tín hiệu input vào là 2.5V chẳng hạn thì giá trị ADC = 256 / 2 = 128 (do

Vin = 1⁄2 Vref) từ đó suy ra Vref = 2.56V thì để ADC = 25 thì điện áp đầu vào input phải là

250mV. Do vậy cứ tăng/giảm 10mV là ADC tăng/giảm 1 giá trị. Mà cảm biến nhiệt độ LM35

lại có ngõ ra cứ 10mV là thay đổi 10C như vậy suy ra ADC = 25 thì LM35 đang ở 25

0C. Với

cách này ta không cần phải tính toán giá trị nhiệt độ sau khi chuyển đổi mà có thể xuất luôn giá

trị ADC đó ra màn hình LCD.

Mạch mô phỏng và chương trình:

Mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus, mô phỏng hoạt động của cảm biến LM35 với

bộ giải mã ADC0808 và vi điều khiển 8051, kết quả được hiển thị trên màn hình LCD 16x2.


Code chương trình: #include <REGX51.H>

#define VREF 5 //VREF=5V

//Khai bao chan giao tiep ADC0808

#define ADC0808_DATA P3 //PORT

#define ADC0808_A P2_0 //PIN

#define ADC0808_B P2_1

#define ADC0808_C P2_2

#define ADC0808_ALE P2_3

#define ADC0808_START P2_4

#define ADC0808_EOC P2_5

#define ADC0808_OE P2_6

#define ADC0808_CLK P2_7

//Khai bao chan giao tiep LCD16x2 4bit

#define LCD_RS P0_0

#define LCD_RW P0_1

#define LCD_EN P0_2

#define LCD_D4 P0_4

#define LCD_D5 P0_5

#define LCD_D6 P0_6

#define LCD_D7 P0_7

/*****************ADC0808*********************/

//Ham doc ADC0808 theo kenh

unsigned char ADC0808_Read(unsigned char channel){

unsigned char kq;


ADC0808_A = channel & 0x01;

ADC0808_B = channel & 0x02;

ADC0808_C = channel & 0x04;

ADC0808_ALE = 1;

ADC0808_START = 1;

ADC0808_ALE = 0;

ADC0808_START = 0;

while(ADC0808_EOC);

while(!ADC0808_EOC);

ADC0808_OE = 1;

kq = ADC0808_DATA;

ADC0808_OE = 0;

return kq;

}

/*****************Ham delay*********************/

void delay_us(unsigned int t){

unsigned int i;

for(i=0;i<t;i++);

}

void delay_ms(unsigned int t){

unsigned int i,j;

for(i=0;i<t;i++)

for(j=0;j<125;j++);

}

/**************Ctr giao tiep LCD 16x2 4bit**********************/

void LCD_Enable(void){

LCD_EN =1;

delay_us(3);

LCD_EN=0;

delay_us(50);

}

//Ham Gui 4 Bit Du Lieu Ra LCD

void LCD_Send4Bit(unsigned char Data){

LCD_D4=Data & 0x01;

LCD_D5=(Data>>1)&1;

LCD_D6=(Data>>2)&1;

LCD_D7=(Data>>3)&1;

}

// Ham Gui 1 Lenh Cho LCD

void LCD_SendCommand(unsigned char command){

LCD_Send4Bit(command >>4);/* Gui 4 bit cao */

LCD_Enable();

LCD_Send4Bit(command); /* Gui 4 bit thap*/

LCD_Enable();

}

void LCD_Clear(){// Ham Xoa Man Hinh LCD

LCD_SendCommand(0x01);

delay_us(10);

}

// Ham Khoi Tao LCD

void LCD_Init(){

LCD_Send4Bit(0x00);


delay_ms(20);

LCD_RS=0;

LCD_RW=0;

LCD_Send4Bit(0x03);

LCD_Enable();

delay_ms(5);

LCD_Enable();

delay_us(100);

LCD_Enable();

LCD_Send4Bit(0x02);

LCD_Enable();

LCD_SendCommand( 0x28 ); // giao thuc 4 bit, hien thi 2 hang,

ki tu 5x8

LCD_SendCommand( 0x0c); // cho phep hien thi man hinh

LCD_SendCommand( 0x06 ); // tang ID, khong dich khung hinh

LCD_SendCommand(0x01); // xoa toan bo khung hinh

}

void LCD_Gotoxy(unsigned char x, unsigned char y){

unsigned char address;

if(!y)address=(0x80+x);

else address=(0xc0+x);

delay_us(1000);

LCD_SendCommand(address);

delay_us(50);

}

void LCD_PutChar(unsigned char Data){//Ham Gui 1 Ki Tu

LCD_RS=1;

LCD_SendCommand(Data);

LCD_RS=0 ;

}

void LCD_Puts(char *s){//Ham gui 1 chuoi ky tu

while (*s){

LCD_PutChar(*s);

s++;

}

}

/**************Show Temp***********************

unsigned char Temp(unsigned char adc){//Tinh nhiet do tu adc8bit

return ((VREF*adc)/2.56f); //Tinh nhiet do

} */

void TempShow(unsigned char z){ //Chuyen doi hien thi

LCD_Puts("Nhiet do: ");

LCD_PutChar((z/100)+48);//Tram

LCD_PutChar((z%100/10)+48);//Chuc

LCD_PutChar((z%10)+48);//Don vi

LCD_Puts("'C");

}

/******************Ctr ngat timer 0**************************/

void INT_Timer0()interrupt 1 {

//ctr phuc vu ngat tao xung clock cho ADC0808

ADC0808_CLK=~ADC0808_CLK; //Dao bit

}


/******************Ctr chinh**************************/

unsigned char temp;

void main(){

//Tao xung clock cho ADC0808 dung ngat timer

TMOD=0x02; //Timer0 8bit tu nap lai

TH0=TL0=236;//Tao ngat 20us

TR0=1;//Khoi dong timer0

ET0=1;//Ngat timer0

EA=1;//Cho phep ngat cuc bo

//init

LCD_Init();//Khoi tao LCD

delay_ms(200);

LCD_Puts("Do nhiet do...");//Gui chuoi len LCD

delay_ms(500);

LCD_Clear();//Xoa man hinh

LCD_Gotoxy(0,1);

LCD_Puts("SangTaoClub.Net");

while(1){

LCD_Gotoxy(0,0);

temp=ADC0808_Read(0); //Doc ADC0

//temp=Temp(temp); //Tinh nhiet do

TempShow(temp); //Hien thi nhiet do

delay_ms(500);//0.5s doc mot lan

}

Trong thực tế, khi chế tạo người ta thường kết hợp cảm biến nhiệt độ và cảm biến đo độ

ẩm vào một thiết bị dùng để đo đa năng hơn, có thể kể đến đó là đồng hồ vạn niên, ngoài chức

năng hiện ngày giờ, nó còn có thể báo được cả nhiệt độ và độ ẩm trong phòng.

Tài liệu tham khảo 1. Tài liệu

+ Giáo trình cảm biến công nghiệp – Ths. Hoàng Minh Công

+ Kỹ thuật đo lường và cảm biến – ĐH SPKT TPHCM

+ Giáo trình Đo lường và cảm biến

2. Trang web

http://sangtaoclub.net/bai-viet/192-bai-13-do-nhiet-do-dung-lm35-ket-hop-ic-adc0808-

voi-8051.html

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf (datasheet LM35)

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/adc0808-n.pdf (datasheet ADC0808)

http://sangtaoclub.net/bai-viet/192-bai-13-do-nhiet-do-dung-lm35-ket-hop-ic-adc0808-voi-8051.html

http://sangtaoclub.net/bai-viet/192-bai-13-do-nhiet-do-dung-lm35-ket-hop-ic-adc0808-voi-8051.html

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/adc0808-n.pdf

Engineering

[BTL] Cảm biến nhiệt độ