Giáo trình Kỹ thuật cảm biến

vì vậy người ta thường sử dụng hai cảm biến quang. Hình 4.12 
minh họa hai cảm biến V1 và V2 được bố trí trên cùng một đường và lệch nhau. 
Hai photocell được bố trí để phát hiện chiều chuyển động. 
Hình 4.9: Encoder tuyệt đối 
quang sử dụng mã Grey 
Trạng thái lỗi 
Hình 4.10: Trạng thái lỗi của cảm biến 
tuyệt đối quang 
Giá trị đo 
Hình 4.11: Encoder xung 
 109
CCW – Đặc tính dạng sóng 
photocell quay ngược chiều kim 
đồng hồ 
CW – Đặc tính dạng sóng 
photocell quay theo chiều kim 
đồng hồ 
Hình 4.12: Encoder xung dùng làm cảm biến góc 
Tại chu kỳ đầu, V1 ở ON, V2 ở ON, sau khi quay một khoảng thời gian nào đó 
thì V2 chuyển sang OFF, một một khoảng thời gian V1 cũng chuyển sang OFF. 
Khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ, V1 chuyển về OFF, V2 vẫn ON trong nửa 
rãnh sau đó chuyển sang OFF. Khi V1 ON tiếp theo V2 cũng ON. 
So sánh hai dạng sóng ta thấy trong trường hợp quay ngược chiều kim đồng 
hồ, V2 vượt trước 90
0 còn trong trường hợp ngược lại thì V1 vượt trước V2 góc 
900, sự sai lệch về pha cho phép xác định được chiều quay của đĩa. 
1.2.4 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver). 
Cấu tạo: phần động (kết nối với trục quay cần đo góc quay hay tốc độ) có 
cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số khoảng (2 – 10) [kHz] qua 
biến áp quay, phần tĩnh có hai cuộn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 
90 (hình 4.13). 
Hình 4.13: Máy đo góc tuyệt đối resolver: 
a). Nguyên lý cấu tạo; b). Nguyên lý hoạt động; c). Hai kênh tín hiệu ra. 
Đầu ra là tín hiệu điều biên của hai cuộn thứ cấp, chứa thông tin về vị trí 
tuyệt đối của roto máy đo, tương ứng vị trí tuyệt đối của roto động cơ cần đo. 
 110
Bằng cách lấy đạo hàm góc quay ta có tốc độ quay của động cơ. Độ phân giải 
của máy đo phụ thuộc khả năng phân giải của bộ chuyển đổi A/D mắc trong 
mạch đo. 
Nhược điểm của các phương pháp đo trên là làm hệ truyền động không đồng 
nhất do phải tải thêm phần động của cảm biến (mà không phải trong trường hợp 
nào cũng có thể kết nối vào trục quay được). Để khắc phục, người ta ứng dụng 
phương pháp không có cảm biến. 
1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 
1.3.1 Các đơn vị từ trường và các định nghĩa 
Từ thông ϕ 
Từ thông là tích của điện thế và thời gian. 
Trong hệ thống đơn vị SI, đơn vị đơn vị từ thông Weber (Web) hay 
Volt.second (Vs). 
Nếu từ thông thay đổi một đơn vị qua thời gian 1s, điện áp cảm ứng sinh ra 
trong một cuộn dây là 1V. 
 1Wb = 1Vs 
Cảm ứng điện từ (Từ cảm) B 
Cảm ứng điện từ B hay mật độ từ thông là tỷ số từ thông trên một đơn vị diện 
tích. Trong hệ thống đơn vị SI, đơn vị từ cảm là Tesla (T). 
Tesla là cảm ứng từ của 1 từ thông đồng nhất khi nó cắt một diện tích 1m2 
với một cường độ là 1Wb 
 1T = 1 Web/m2 = 1 Vs/m2 
Cảm ứng điện từ B biểu diễn sự ảnh hưởng của từ trường đối với dòng điện 
và điện tích di động. 
Cường độ từ trường H 
Cường độ từ trường H là tỷ số giữa cường độ dòng điện và chiều dài. 
Đơn vị đo: Ampe/ met – A/m 
Cường độ từ trường H đặc trưng cho sự phát sinh từ trường từ dòng điện. 
Bảng 4.1: Mối liên hệ giữa các đơn vị từ trường 
TT Từ trường Đơn vị SI Đơn vị trước đây Mối liên hệ 
1 Cảm ứng từ B Tesla T Gauss G 1G = 10-4T 
2 Từ thông Weber Wb Maxwell M 1M = 10-8Wb 
3 
Cường độ từ trường 
H 
Oersted Oe 1 Oe = 
1.3.2 Cảm biến điện trở từ 
 Cảm biến từ dùng để đo 
dịch chuyển hoặc khoảng 
cách nhỏ. 
Cấu tạo và hoạt động 
của cảm biến điện từ: 
Cảm biến điện từ có cấu 
tạo là một khung dây như 
hình 4.14 
Mục tiêu là một phần 
của đối tượng cần đo dịch chuyển hay khoảng cách nhỏ, khi mục tiêu di chuyển 
là cho khe hở không khí δ thay đổi là cho từ trở của mạch từ thay đổi làm cho 
Hình 4.14: Cấu tạo của cảm biến từ 
 111
điện cảm của cuộn dây thay đổi. Nếu bỏ qua điện trở của dây dẫn và bỏ qua từ 
trở của lõi sắt từ thì điện cảm của cuộn dây: 
2
0
f
0
f
1
W s
l
l +
L 

 (4.8) 
Trong đó: 
 l0 và lf là chiều dài trung bình của đường sức từ trong lõi sắt từ và trong 
không khí, l0 = 2δ = Δx, 
 µ0 là đường từ thẩm của không khí 
 μf là độ từ thẩm của lõi sắt từ 
 s là tiết diện của khe hở không khí 
 W là số vòng dây. 
Mạch điện là một cầu xoay chiều như hình 4.15 
Hình 4.15: Mạch điện dùng cảm biến từ 
Mạch xử lý tín hiệu đó là một khối rời có cơ cấu chỉ thị và cho phép cài đặt 
dạng tín hiệu ra là tuyến tính hay là tín hiệu điều khiển như hình 4.16 
Hình 4.16: Cảm biến từ và bộ xử lý tín hiệu. 
Ứng dụng của cảm biến điện từ trường 
Cảm biến điện từ trường được dùng để đo dịch chuyển nhỏ khoảng vài mm, 
đo độ lệch tâm của các cơ cấu cam, đo độ dày mỏng của kim loại. Sau đây là một 
số ví dụ ứng dụng của cảm biến từ. 
Ví dụ 1: đo độ dày mỏng của kim loại. 
Hình 4.17: Dùng cảm biến từ đo độ dày của tấm thép 
Ví dụ 2: Dùng cảm biến từ đo độ cao của đinh ốc 
 112
Ví dụ 3: Dùng cảm biến từ đo độ lệch tâm của cơ cấu cam 
Hình 4.18: dùng cảm biến từ đo độ lệch tâm của cơ cấu cam 
B. THẢO LUẬN NHÓM 
- Nguyên lý làm việc của cảm biến điện trở từ. 
- Ứng dụng trong công nghiệp? 
C. THỰC HÀNH 
I. Tổ chức thực hiện: 
Chia lớp thành các nhóm, mỗi nhóm 3SV/nhóm 
II. Lập bảng vật tư thiết bị. 
Bảng 4.2: Bảng vật tư thiết bị thực hành 
TT Thiết bị - Vật tư- Dụng cụ Thông số kỹ thuật Số lượng 
1 Máy hiện sóng 20MHz, hai tia 1máy/3nhóm 
2 Đồng hồ vạn năng V-A-OM 1chiếc/ nhóm 
3 Mỏ hàn điện xung 1 chiếc/nhóm 
4 Các bộ nguồn AC,DC ; 0÷220v 1 bộ/2 nhóm 
5 
Encoder tương đối/ tuyệt 
đối 
 1 bộ/2nhóm 
6 Máy đo tốc độ góc H7ER 1bộ/3nhóm 
7 Động cơ 1 pha, 3 pha 1bộ/3nhóm 
8 Các linh kiện điện tử R, C 
9 
Thiết bị, dụng cụ vật tư lắp 
đặt 
 200x400, mạch in 1 bảng/nhóm 
III. Quy trình thực hiện 
Thực hành cảm biến đo góc, cảm biến đo vòng quay của động cơ không đồng 
bộ ba pha dùng Encoder tương đối/ tuyệt đối. 
Mục đích: khảo sát encoder và đo tốc độ động cơ. 
Thiết bị: encoder E6A2 – CW3C, máy đo tốc độ góc H7ER, động cơ, các 
thiết bị cần thiết khác. 
 113
Hình 4.19: Lắp đặt encoder 
 Tháo encoder dùng bulong và ốc vít có ren hoặc dụng cụ đặc biệt: 
1- Bulông giữ nắp encoder. 
2- Bulông chính giữa để giữ encoder 
3- Đai ốc giữ cố định encoder vào đế 
4 -Đế đỡ 
5- Đai ốc ren trong 
6-Bulông có mũ 
7 -Encoder Bulông có ren 
 Lắp đặt encoder 
 Nới lỏng bulông số 3 giữ cố định encoder với đế 
 Kéo encoder ra khỏi trục động cơ bằng cách nới nỏng bulông số 6. 
 Kéo chốt ghép nối với encorder, kéo encoder ra và đặt xuống. 
 Tháo đai ốc số 5 và bulông số 6 
3.1 Thực hành với máy phát tốc một chiều 
Bước 1: Ghi nhận các thông số kỹ thuật trên thiết bị (điện áp, độ phân giải, 
đặc tính...) vào bảng sau: 
Số 
TT 
Nội dung Đánh giá 
1 
Encoder 
Cấu tạo 
Nguyên lý hoạt động 
Thông số kỹ thuật 
Sơ đồ ghép nối 
2 
Cảm biến quang điện 
Cấu tạo 
Nguyên lý hoạt động 
Sơ đồ ghép nối 
3 
Kỹ năng 
Chọn loại cảm biến cần đo 
Kết nối với mạch đo 
Hiệu chuẩn được cảm biến 
Đếm số vòng quay của động cơ hoặc số sản 
phẩm 
Bước 2: thực hiện kết nối với động cơ cần đo tốc độ theo sơ đồ (mạch lực và 
mạch điều khiển). 
 114
Hình 4.20: Sơ đồ đấu nối dây 
Bước 3: Kiểm tra trực quan theo sơ đồ mạch và bằng đồng hồ đo. 
Bước 4: Vận hành và ghi các thông số đo được vào bản Báo cáo thực hành. 
3.2 Thực hành với encorder 
Quan sát giá trị thay đổi tốc độ của động cơ. 
Bước 1: Kết nối Encorder với động cơ như sơ đồ hình 4.21. 
Hình 4.21: Sơ đồ kết nối 
Bước 2: Vận hành hệ thống, thay đổi tốc độ động cơ bằng chiết áp, quan sát 
giá trị đo được trên module hiển thị tốc độ. 
Bước 3: Ghi các thông số đo được vào bản Báo cáo thực hành 
IV. Kiểm tra, đánh giá 
Mục tiêu Nội dung Điểm 
Kiến thức 
- Hiểu nguyên lý làm việc của encoder, các thông số kỹ 
thuật bản. 
- Trình bầy nguyên lý mạch điện thực hành theo sơ đồ 
nguyên lý. 
4 
Kỹ năng 
- Lắp đặt được mạch điện đúng quy trình, đảm bảo yêu 
cầu kỹ thuật, thời gian; 
- Thao tác mạch điện đúng trình tự. 
4 
Thái độ 
Nghiêm túc trong quá trình làm việc, thực hiện đúng nội 
quy an toàn và vệ sinh công nghiệp. 
Hoàn thiện báo cáo thực hành 
2 
 115
2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 
A. LÝ THUYẾT 
2.1 Giới thiệu các loại cảm biến KM110BH/2 
Module cảm biến đo góc dùng tổ hợp điện từ đo không tiếp xúc khoảng cách 
góc trong điện từ trường lớn. Module này đã được tích hợp sẵn (độ nhạy và điểm 
không) cảm biến điện từ KMZ10B và mạch biến đổi tín hiệu bằng công nghệ 
Hybird. Cảm biến KM110B/2130 được chế tạo với thang đo nhỏ hơn để có độ 
khuyếch đại lớn hơn, đo từ -150 đến +150 cung cấp đầu ra tín hiệu tuyến tính và 
tỷ lệ với chiều của điện từ trường (độ phi tuyến chỉ 1%). KMB110BH/2190 đo từ 
- 450 đến + 450 tín hiệu ra hình sin.. Cả 2 cảm biến trên đều có tín hiệu ra dạng 
Analog. Ngoài 2 cảm biến này còn có các dạng cảm biến thiết kế mới 
KM110BH/23 và KM110BH/24 (xem bảng 4.3) 
Tuy có thang đo khác nhau nhưng mạch điện như nhau (hình 4.22 và 4.23). 
Bảng 4.3: Đặc tính kỹ thuật của họ cảm biến KM110BH 
Thông số 
KM110BH 
Đơn vị 
2130 2190 2270 2390 2430 2470 
Thang đo 30 
9
0 
70 90 30 70 0,001 
Điện áp ra 
0,5 ÷ 
4,5 
0,5 ÷ 
4,5 
- 0 5 ÷ 0 V 
Dòng điện 4 ÷ 20 mA 
Đặc tuyến ra 
Tuyến 
tính 
Hình 
sin 
Hình 
sin 
Hình 
sin 
Hình 
sin 
Hình 
sin 
Điện áp làm 
việc 
5 5 8.5 5 5 5 V 
Nhiệt độ 
làm việc 
- 40 ÷ 
+125 
- 40 
÷ 
+125 
- 40 ÷ 
+125 
- 40 ÷ 
+125 
- 40 ÷ 
+125 
- 40 ÷ 
+125 
0C 
Độ phân 
giải 
0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ 
2.2 Cấu tạo 
PIN Miêu tả 
1 Ground 
2 VCC 
3 V0 
Hình 4.22: Ký hiệu các chân IC 
 116
Hình 4.23: Sơ đồ mạch điện 
Bảng 4.4: Đặc tính kỹ thuật của bộ cảm biến đo góc: 
Ký hiệu Tham số Min Loại Max Đơn vị 
VCC Nguồn DC - 5 - V 
V0 Giới hạn điện áp ra 0.5 - 4.5 V 
α 
Góc giới hạn 
KM110BH/2130 
KM110BH/2190 
- 15 
+45 
- 
+15 
+ 45 
Độ 
Độ 
TOP Nhiệt độ làm việc 
- 
40 
- 
+ 
125 
0C 
Bảng 4.5: Giá trị giới hạn tương ứng với Hệ thống tiêu chuẩn IEC 134 
Ký hiệu Tham số Min Max Đơn vị 
VCC Điện áp nguồn 4.5 5.5 V 
ICC Dòng điện nguồn - 20 mA 
Tstg Nhiệt độ bảo quản - 40 +125 
0C 
TOP Nhiệt độ làm việc - 40 +125 
0C 
 Duy trì dòng ngắn mạch đầu ra Vĩnh viễn 
Nếu chân số 3 bị ngắn mạch chỉ có thể với chân số 1 hoặc chân số 2, dòng 
điện có thể chạy qua lâu dài mà không gây phá hỏng linh kiện. 
Nguyên tắc đo: 
Xung điện được đưa đến máy đếm tần số, mạch điện có thể tính được số 
vòng/ phút. Nếu ánh sáng ngắt quãng 60 lần cho mỗi vòng quay, công tắc ánh 
sáng thông suốt có thể cho ta trực tiếp số vòng quay trong một phút, nếu cần biết 
chiều quay, gắn thêm 2 photodiot sát bên nhau, chỉ cần chiếu sáng 1 đèn LED là 
đủ. 
Hình 4.24: Vị trí tối ưu của nam châm so với module cảm biến 
Từ công thức cơ bản: 20 0. . osR R D R c a ta có thể coi giữa R và a có sự liên 
hệ gần đúng: R >> sin2a 
 117
Đặc tính tín hiệu ra của KM110BH/2130 và KM110BH/2190 biểu diễn trên 
hình 4.25 
KM110BH/2130 KM110BH/2190 
Hình 4.25: Đặc tính tín hiệu ra 
Các loại cảm biến KMA10 và KMA20. 
KMA10 và KMA20 là loại cảm biến đo góc (không cần đụng chạm) được 
thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn, ứng dụng trong 
lĩnh vực tự động và công nghiệp. 
Hình 4.26: Họ cảm biến KMA 
Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế để phát triển bởi sự hợp 
tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic. KMA10 cho tín hiệu dưới 
dạng dòng điện.(KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270). 
KMA20 cho tín hiệu ra dưới dạng điện áp, KMA20/30 phát triển từ loại 
KM110BH/2430, KMA20/70 từ loại KM110BH/2470, còn KMA20/90 phát triển 
từ loại KMA20/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 là tuyến tính và từ 
KMA20/70 là hình sin. 
B. THẢO LUẬN NHÓM 
- Sự giống và khác nhau giữa hai loại cảm biến KMA10 và KMA20. 
- Đặc tính kỹ thuật và ứng dụng. 
- Xác định vị trí các chân tín hiệu. 
C. THỰC HÀNH 
I. Tổ chức thực hiện: 
II. Lập bảng vật tư thiết bị. 
TT Thiết bị - Vật tư - Dụng cụ Thông số kỹ thuật Số lượng 
1 Máy hiện sóng 20MHz, hai tia 1máy/3nhóm 
 118
2 Đồng hồ vạn năng V-A-OM 1chiếc/ nhóm 
3 Mỏ hàn điện xung 1 chiếc/nhóm 
4 Các bộ nguồn AC,DC ; 0÷220v 1 bộ/2 nhóm 
5 Encoder tương đối/ tuyệt đối 1 bộ/2nhóm 
6 
Cảm biến KM110BH/2, 
KMA10 và KMA20 
7 Máy đo tốc độ góc H7ER 1bộ/3nhóm 
8 Động cơ 1 pha, 3 pha 1bộ/3nhóm 
9 Các linh kiện điện tử R, C 
10 Nam châm (NdFeB) 11,2 x 5,5 x 8 mm 
11 Thiết bị, dụng cụ vật tư lắp đặt 200x400, mạch in 1 bảng/nhóm 
III. Quy trình thực hiện. 
Thực hành cảm biến đo vòng quay KMI16/1, cảm biến đo góc 
KM110BH/2430, KM110BH/2490. 
Mục đích: Khảo sát cảm biến KMI16/1, KM110BH/2430, KM110BH/2490. 
Thiết bị: 
 Nam châm (NdFeB) kích thước 11,2 x 5,5 x 8 mm. 
 Cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2490. 
 Mô hình thực hành cảm biến có động cơ gắn đĩa quay được sẻ rãnh. 
 Sơ đồ kết nối điện 
 Nguồn 5 vôn DC và vôn kế các thiết bị đo lường cần thiết. 
 Điện trở 115Ω, tụ điện 100nF, đối tượng dạng thụ động 
Các thông số của thiết bị 
P
IN 
Miêu tả 
1 Ground 
2 VCC 
3 V0 
Hình 4.27: Sơ đồ chân 
Yêu cầu: 
 Thực hiện kết nối cảm biến với đối tượng cần đo (theo sơ đồ mạch). 
 Dùng máy đo dao động ký đo tín hiệu ra (điện áp). 
 Ghi các thông số đo được vào bản Báo cáo thực hành. 
1. Ghi nhận các thông số hoạt động của cảm biến 
Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật của cảm biến 
Loại cảm biến 
Điện áp hoạt 
động 
Than
g đo 
Dạng tín 
hiệu 
KM 
110BH/2430 
 119
KM 
110BH/2490 
2. Khảo sát giá trị làm việc 
Bước 1: Vẽ mạch kết nối cảm biến, tín hiệu ra dùng RL = 1,7 kΩ (vôn kế đo 
giá trị tín hiệu ra mắc song song với RL) 
Hình 4.28: Kết nối cảm biến 
Bước 2: Lắp đặt nam châm song song với cảm biến (d = 2,5mm) 
Hình 4.29: Cách đo 
Bước 3: Cho đối tượng quay, dùng máy Osiloscope đo dạng sóng thu được. 
Thay đổi vị trí nam châm, đo giá trị điện áp ra, vẽ đồ thị biểu diễn sự thay đổi 
của giá trị điện áp ra theo góc quay. 
IV. Kiểm tra, đánh giá 
Mục tiêu Nội dung Điểm 
chuẩn 
Kiến thức Nắm vững nguyên lý làm việc của các cảm 
biến, đặc tính kỹ thuật của cảm biến 
2 
Kỹ năng Thực hành lắp đặt đúng và vận hành được 4 
- Lắp đặt được mạch điện đúng quy trình, 
đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, thời gian; 
 Thao tác mạch điện đúng trình tự. 
4 
Thái độ 
Nghiêm túc trong quá trình làm việc, thực 
hiện đúng nội quy an toàn và vệ sinh công 
nghiệp. 
 Hoàn thiện báo cáo thực hành 
2 
 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
Cảm biến và ứng dụng – Dương Minh Trí – NXB Trẻ, 2007. 
Phan Quốc Phô, “Giáo trình cảm biến”, NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 
, 2006 
Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thành, Hoàng Sỹ Hồng, “Đo lường điện và cảm 
biến đo lường”, NXB Giáo Dục, 2005 
Lê Văn Doanh, “Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển”, 
NXB KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT , 2007 
Nguyễn Đức Chiến, Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú; Giáo trình 
cảm biến; NXB Khoa học và kỹ thuật. 
JACOB FRADEN HANDBOOK OF MODERN SENSORS - PHYSICS, 
DESIGNS, and APPLICATIONS 
Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dựng, NXB Khoa học kỹ 
thuật 2006. 
 Các catalog và tài liệu Internet.