Giáo trình Kỹ thuật cảm biến và ứng dụng

g, 
như vậy ngõ ra sẽ có sự 
thay đổi điện trở lớn 
hơn, cảm biến được kết 
cấu như hình. Nhiều 
phiến InSb (bề rộng vài 
m ) được ghép nối tiếp 
nhau. Giữa các phiến 
này là các màng kim 
loại. 
Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim người ta tạo ra các cây kim bằng 
Nickelantimon nằm bên trong InSb có chiều song song với hai cực điện. Cho 
mục đích này, một ít NiSb được cho vào trong InSb chảy lỏng và qua các công 
đoạn làm nguội vô số cây kim NiSb được hình thành bên trong InSb. Các cây 
kim này có đường kính khoảng 1 m và dài 50 m . Các cây kim này dẫn điện rất 
tốt và hầu như không có điện áp nơi trên nó. 
Mật độ điện tích phân bố không đều trong InSb do tác dụng của từ trường, sẽ 
phân bố được phân bố đều lại ở trên các cây kim. Như thế ta có sự phân bố điện 
tích ở nơi khởi đầu vùng 1 giống như ở nơi khởi đầu vùng 2. 
Điện trở từ có thể coi như 1 hàm của cảm ứng từ theo cách tính gần đúng 
RB=R0(1+k 
2 
.B 
2 ) 
k là hằng số vật liệu có trị số khoảng 0,85. 
Điện trở cảm biến nằm trong khoảng 10 -500 . Diện tích cắt ngang của bán 
dẫn càng nhỏ càng tốt, tuy nhiên chiều rộng không thể nhỏ hơn 80 
❖ Cảm biến điện trở từ với vật liệu permalloy 
Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu permalloy 
m. 
Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi là permalloy (20% Fe, 80% Ni). 
- Khi không có sự hiện diện của từ trường, vectơ từ hóa bên trong vật liệu nằm 
song song với dòng điện. 
- Với 1 từ trường nằm song song với mặt phẳng màng mỏng nhưng thẳng góc 
với dòng điện, vectơ từ hóa sẽ quay đi 1 góc . Kết quả là điện trở của 
permalloy thay đổi theo . 
143 
143 
R = R0 + R0 cos
2 
   00 R 
max 
   900 R 
min 
R0 và R0 là các thông số 
phụ thuộc vào chất liệu 
permalloy. 
 R0 khoảng 2 đến 3% của 
R0. 
Hình 5.13: Hiệu ứng điện trở từ trên permalloy 
Nguyên tắc này được ứng dụng để đo tốc độ quay và góc quay. 
Tuyến tính hóa đặc tính của cảm biến 
Theo phương trình bậc 2: R = R0 + R0 cos
2  thì điện trở cảm biến điện trở 
từ không tuyến tính (xem đặc tuyến a hình 4.17). Để 1 cảm biến tiện lợi trong sử 
dụng thì tốt nhất là đặc tuyến của nó tuyến tính, vì vậy biện pháp thiết kế tốt hơn 
là điều cần thiết. 
Hiệu ứng điện trở từ có thể 
được tuyến tính hóa bằng cách đặt 
1 màng mỏng nhôm gọi là (barber 
poles) lên trên màng mỏng 
permalloy với góc 450 so với trục 
của màng mỏng (như hình 4.16). 
Nhôm có tính chất dẫn điện tốt hơn 
so với permalloy, barber poles làm 
thay đổi góc của dòng điện 450. 
Như vậy góc giữa dòng điện và 
vectơ sự từ hóa từ  thành( - 
45
0
). Hình 4.17 biểu diễn ảnh 
hưởng của barber poles lên đặc 
tính của cảm biến điện trở từ. 
144 
144 
Ký hiệu Miêu tả Đơn 
vị 
z Số lượng 
răng 
d Đường 
kính 
mm 
m m =d/z mm 
p (bước 
bánh răng) 
p = .m mm 
Để tạo nên một cảm biến 
hoàn chỉnh cầu Wheatstone với 4 
cảm biến điện trở từ được sử dụng. 
Trong đó cặp cảm biến đối diện 
nhau qua đường chéo sẽ có cùng 
“sự định hướng”. Điều này có 
nghĩa là 1 cặp cảm biến có barber 
poles tạo với trục mặt phẳng màng 
1 góc + 45
0 
và 1 cặp có barber 
poles tạo với trục mặt phẳng màng 
1 góc - 45
0
. 
Điều này làm cho biên độ tín 
hiệu ra tăng lên 2 lần và vẫn đảm 
bảo sự tuyến tính. Bên cạnh đó ảnh 
hưởng của nhiệt độ trong cầu điện 
trở sẽ được bù qua lại. 
Hình 5.14 
a: Đặc tuyến R-H của cảm biến loại tiêu 
chuẩn 
b: Đặc tuyến R-H của cảm biến loại có 
barber poles 
Đặc điểm của việc đo tốc độ với cảm biến điện trở từ 
Cảm biến điện trở từ không thể đo trực tiếp tốc độ quay mà chỉ phát hiện sự 
chuyển động của các bánh răng làm từ vật liệu chứa sắt (đối tượng thụ động) và 
hoặc đối tượng quay có các cực nam châm thay đổi tuần tự ( đối tượng tích cực, 
xem hình) 
▪ Đối tượng “thụ động” 
Đặc điểm hoạt động của cảm biến với đối tượng thụ động được mô tả ở hình 
4.13. 
Cảm biến cần được gắn với 1 nam châm vĩnh cữu. 
Hình 5.15. Cấu trúc đối tượng (hình 
tròn) 
145 
145 
Các thông số đặc trưng của đối tượng 
(theo tiêu chuẩn DIN) 
Hình 5.16: Các thành phần chi tiết của cảm biến KMI 15/1 
của hãng Philips Semiconductors với đối tượng thụ động. 
Đối tượng “tích cực “ 
Đối tượng tích cực cung cấp vùng “làm việc”. Do đó không cần nam 
châm châm cho cảm biến để hoạt động. Tuy nhiên để cảm biến hoạt động ổn 
định không chịu tác động không theo ý muốn, một nam châm nhỏ vẫn được 
dùng trong cảm biến. 
146 
146 
Hình 5.17:Các thành phần chi tiết của cảm biến KMI 15/2 của hãng 
Philips Semiconductors với đối tượng “tích cực” 
Cảm biến đo tốc độ quay KMI15/x và KMI16/x do hãng Philips 
Semiconductors sản xuất sử dụng hiệu ứng điện trở từ. Cấu tạo của cảm biến 
bao gồm bộ phận cảm biến điện trở từ, nam châm vĩnh cữu và tích hợp cả mạch 
điều chình tín hiệu. Bộ phận điều chỉnh tín hiệu có chức năng khuếch đại ( với 
KMI15/x) và chuyển đổi tín hiệu thành dạng digital (với KMI16/x). 
Hình 5.18: Cấu trúc loại cảm biến KMI 
147 
147 
Hình 5.19: Sơ đồ khối của cảm biến KMI15/x 
Hình 5.20:Sơ đồ khối của cảm biến KMI16/x 
Mạch ứng dụng 
Việc dùng cảm biến 
KMI15/x trong các ứng 
dụng thực tế cần được 
lắp đặt như hình bên để 
có thể khử nhiễu và bảo 
vệ cảm biến trong 
trường hợp cực tính 
nguồn bị lắp sai. 
II. CẢM BIẾN ĐO GÓC VỚI TỔ HỢP CÓ ĐIỆN TRỞ TỪ 
1. Nguyên tắc: 
Từ công thức cơ bản 
R = R0 + R0 cos
2 
Ta có thể giữa R và có sự liên hệ gần đúng 
R 2 
Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự đụng 
chạm. 
2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor 
148 
148 
Hình 5.21: Cấu trúc cảm biến KM110BH/21 
Loại cảm biến KM110BH/21 có 2 dạng KMB110BH/2130 và 
KMB110BH/2190. Tuy có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau 
(xem hình 4.26) 
KMB110BH/2130 được chế tạo với thang đo nhỏ hơn để có đồ khuếch đại lớn 
hơn, đo từ -150 đến +150. Tín hiệu ra tuyến tính (độ phi tuyến chỉ 1%). 
KMB110BH/2190 
đo từ -450 đến +450, 
tín hiệu ra hình sin. 
Cả hai cảm biến 
đều có tín hiệu ra 
dạng Analog. 
Ngoài 2 dạng cảm 
biến này, còn có các 
thiết kế mới 
KM110BH/23 và 
KM110BH/24 (xem 
bảng 1). Hình 5.22: Sơ đồ khối của các loại cảm biến 
KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390 
149 
149 
Hình 5.23: Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190 
Bảng 1 
Thông số 
KM110BH/ Đơn 
vị 2130 2190 2270 2390 2430 2470 
Thang đo 
30 
90 
70 
90 
30 
70 
0,00 
1 
Điện áp 
ra 
0,5 tới 
4,5 
0,5 tới 
4,5 
- 
0,5 tới 
4,5 
0,5 tới 
4,5 
0,5 tới 
4,5 
V 
Dòng 
điện ra 
4 tới 20 
mA 
Đặc 
tuyến 
ngõ ra 
Tuyến 
tính 
Hình 
sin 
Hình 
sin 
Tuyến 
tính 
Tuyến 
tính 
Hình 
sin 
Điện áp 
hoạt 
động 
5 
5 
8,5 
5 
5 
5 
V 
Nhiệt độ 
hoạt 
động 
-40 
tới 
+125 
-40 tới 
+125 
-40 tới 
+125 
-40 tới 
+125 
-40 tới 
+125 
-40 tới 
+125 
0C 
150 
150 
Độ phân 
giải 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
Độ 
Loại cảm biến KM110BH /2270 có thang đo từ -350 đến +350. Tín hiệu ngõ ra 
là dòng điện từ 4 đến 20 mA. Có thể sử dụng 1 điện trở để chuyển sang dạng 
điện áp. 
Hình 5.24: Tín hiệu ra của 
KM110BH /2270 
Hình 5.25: Sơ đồ khối của loại cảm biến 
KM110BH/2270 
3. 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 
lãnh vực tự động và công nghiệp. 
Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế và phát triển bởi sự hợp 
tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic. 
KMA10 cho tín hiệu ra 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 thì tuyến tính và từ 
KMA20/70 thì hình sin. 
Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị 
Thang đo 70 30 70 90 Độ 
Điện áp ra - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V 
Dòng điện 4 tới 20 - - - mA 
151 
151 
ra 
Đặc tuyến 
ngõ ra 
Hình sin 
Tuyến tính 
Hình sin 
Tuyến tính 
Điện áp 
hoạt động 
8,5 
5 
5 
5 
V 
Nhiệt độ 
hoạt động 
-40 tới 
+100 
-40 tới 
+125 
-40 tới 
+125 
-40 tới 
+125 
0C 
Độ phân 
giải 
0,001 
0,001 
0,001 
0,001 
Độ 
4. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver): 
Máy đo góc tuyệt đối có cấu tạo gồm hai phần: phần động gắn liền với trục 
quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2-10Khz 
qua máy biến áp quay (hình 4.30 a). Phần tĩnh có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin 
và cuộn cos) đặt lệch nhau 900. Đầu ra của hai dây quấn thứ cấp ta thu được 2 
tín hiệu điều biên UU0sintsinϑ và UU0sintcosϑ (hình 4.30 b). Đường bao của kênh tín hiệu ra chứa thông tin về vị trí tuyệt đối (gócϑ) của rotor máy đo, 
có nghĩa là vị trí tuyệt đối của rotor động cơ (hình 4.30 c). 
Có 2 cách thu thập thông tích về : 
- Hiệu chỉnh sửa sai góc thu được trên cơ sở so sánh góc và được cài đặt sẵn 
trong 1 số vi mạch sẵn có. Các vi mạch này cho tín hiệu góc dạng số (độ phân 
giải 10-16 bit/1 vóng và tốc độ quay dưới dạng tương tự. 
- Dùng hai bộ chuyển đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều 
chế. Trong trường hợp này cần đồng bộ chặt chẽ giữa thời điểm lấy mẫu và khâu 
tạo tín hiệu kích thích 2-10 kHz. 
III. THỰC HÀNH VỚI ENCODER ĐĨA MÃ HÓA TƯƠNG ĐỐI 
1. Thực hành với cảm biến đo góc: 
a. Thực hành với encoder đĩa mã hóa tương đối 
Mục đích – yêu cầu 
- Khảo sát encoder E6A2-CW3C 
- Đo tốc độ động cơ với encoder loại đĩa mã hóa tương đối. 
152 
152 
Thiết bị 
- Encoder E6A2-CW3C 
- Máy đo tốc độ góc H7ER. 
- Động cơ 
-Các thiết bị cần thiết khác. 
▪ Máy đo tốc độ góc H7ER: 
+ Kích thước 48 x 24 mm. 
+ Sử dụng pin lithium 3V. 
+ Màn hình hiển thị LCD cao 5,1 
mm. 
+Tốc độ tối đa được hiển thị: 1000 
rps. 
Thực hiện 
▪ Ghi nhận các thông số kỹ thuật trên thiết bị 
Điện áp hoạt động: 
Độ phân giải: 
Vẽ sơ đồ mắc cảm biến: 
▪ Kết nối encoder với động cơ cần đo tốc độ (về mặt cơ) 
▪ Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ như hình. 
▪ Ghi nhận thông số tốc độ đo được. 
b. Thực hành với encoder tuyệt đối: 
153 
153 
Mục đích - Yêu cầu 
- Khảo sát encoder 
E6CP – 1G5C – C 
- Đo tốc độ động cơ với encoder. 
Thiết bị 
Encoder E6CP – 1G5C – C 
Thiết bị đo vị trí H8PS-8P Cam 
Động cơ và các thiết bị cần thiết khác 
Máy đo vị trí E6CP – 1G5C – C 
Đo từ 00 đến 3590 
Thực hiện 
▪ Ghi nhận các thông số kỹ thuật trên encoder 
Điện áp hoạt động: 
Độ phân giải: 
▪ Các thông số kỹ thuật của máy đo vi trí 
Điện áp hoạt động: 24 V DC 
Chức năng các chân: 
Chân E6CP – AG5C - C 
1 Kết nối sẵn bên trong 
2 
3 2
5 
4 2
1 
5 2
0 
6 2
7 
154 
154 
7 2
4 
8 2
2 
9 2
3 
10 2
6 
11 ------ 
12 12 tới 24 VDC 
13 0 V 
Vẽ sơ đồ mắc cảm biến: 
▪ Kết nối encoder với động cơ cần đo tốc độ (về mặt cơ) 
▪ Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ như hình: 
Thiết bị đo vị trí H8PS Cam 
Có thể hiển thị đồng thời vị trí và tốc độ. 
Nhấn nút ON/OFF key ít nhất 1s để chuyển 
chế độ trình bày. 
155 
155 
Thiết lập độ phân giải và chiều quay 
- Tắt nguồn cung cấp tới thiết bị. 
- Thiết lập độ phân giải 256, góc 
hiền thị 3600 (xem hình bên). 
Kiềm tra chiều quay 
- Cấp nguồn cho thiết bị. 
- Cho encoder hoạt động. 
- Xem chiều quay hiển thị trên 
màn hình. 
- Nếu chiều quay theo chiều kim 
đồng hồ thì không cần thay đổi. 
- Nếu quay ngược chiều kim đồng hồ thì tắt nguồn rồi thay đổi công tắc 1 sang 
trạng thái CCW. 
Chú ý: Khi sử dụng encoder với độ phân giải 256, việc trình bày trực tiếp 
360
0 
là không thể thực hiện được với H8PS. Để có thể thể hiện 3600, có thể thiết 
lập các thông số cài đặt, tuy nhiên sẽ có một số giá trị góc sẽ không được hiển 
thị. 
▪ Thiết lập vị trí vị trí “gốc” 
Ví dụ: Cài đặt giá trị hiển thị từ 1500 đến 00. 
- Chuyển công tắc tới vị trí PRG. 
- Chuyển công tắc tới vị trí TCH. 
156 
156 
- Quay Encoder tới vị trí chọn làm 
“gốc” (ví dụ 1500 như hình). 
- 
-Nhấn nút . 
- Trong khoảng 1s giá trị hiển thị sẽ 
thay đổi đến giá trị 00 (xem hình) rồi 
giá trị trước đó sẽ được 
- Sau khi cài đặt các thông số xong, cho các thiết bị hoạt động. Ghi nhận các giá 
trị từ máy đo H8PS. 
2. Thực hành với cảm biến đo vòng quay : 
a. Cảm biến KMI15/1 
Yêu cầu- mục đích 
Khảo sát cảm biến KMI15/1 
Thiết bị 
Cảm biến KMI15/1 
Điện trở 115 
Tụ điện 100nF 
Đối tượng dạng thụ động 
▪ Sơ đồ chân 
157 
157 
Thực hiện 
Lắp mạch: 
Hình: 5.26: Kích thước đối tượng: 
- Điện áp Vcc: 12 V DC 
- Lắp đặt cảm biến ở vị trí như hình vẽ 
d = 2,5 mm 
158 
158 
- Cho đối tượng quay. 
- Dùng máy đo dao động kí đo tín hiệu ra. 
- Vẽ lại dạng sóng 
- Ghi nhận các giá trị nhỏ nhất, lớn nhất, giá trị trung bình của tín hiệu. 
b. Cảm biến đo vòng quay KMI16/1 Yêu cầu- 
mục đích 
Khảo sát cảm biến KMI16/1 
Thiết bị 
Cảm biến KMI16/1 
Điện trở 2,7 k,10k 
Tụ điện 2,2 nF 
Đối tượng dạng thụ động như 
bài KMI15/1. 
159 
159 
Chân Ký hiệu Chức năng 
1 VCC Nối vối nguồn 
DC 
2 Vout Ngõ ra của tín 
hiệu 
3 GND Nối đất 
Sơ đồ chân cảm biến 
Thực hiện 
Lắp mạch 
Điện áp hoạt động VCC: 5 V DC 
Ghi chú: Cảm biến có thể hoạt 
động với điện áp 4,5 V đến 16V 
DC (nhưng giá trị ngõ ra sẽ thay 
đổi) 
Sơ đồ mạch 
Lắp đặt cảm biến ở vị trí như hình vẽ 
d = 2,5 mm 
- Cho đối tượng quay. 
- Dùng máy đo dao động kí đo tín hiệu ra. 
- Giá trị điện áp ra mức cao: 
160 
160 
- Giá trị điện áp ra mức thấp: 
- Vẽ lại dạng sóng 
c. Thực hành với cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 
Mục đích – yêu cầu 
Khảo sát cảm biến KM110BH/2430, KM110BH/2470 
Thiết bị 
Nam châm (NdFeB) kích thước 
11,2x5,5x8 mm. 
Cảm biến KM110BH/2430, 
KM110BH/2470 
Nguồn 5 V DC và Vôn kế các thiết bị 
đo lường cần thiết. 
Các thông số của thiết bị 
Sơ đồ chân 
Thí nghiệm 
- Ghi nhận các thông số hoạt động của cảm biến: 
 Điện áp hoạt động: Thang đo Dạng tín hiệu ra 
KM110BH/2430 
KM110BH/2470 
- Vẽ mạch kết nối cảm biến, ngõ ra dùng RL = 1,7 k(vôn kế đo giá trị tín 
hiệu ra mắc song song với RL ). 
- Lắp đặt nam châm song song với 
cảm biến ( d= 2,5 mm) 
- Thay đổi vị trí nam châm, đo giá trị 
ngõ ra. Vẽ đồ thị biểu diễn sự thay 
đổi của giá trị ngõ ra theo góc quay. 
161 
161 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Đề cương môđun/môn học nghề Sửa chữa thiết bị điện tử công 
nghiệp”, Dự án Giáo dục kỹ thuật và Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, 
Hà Nội, 2003 
2. Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển . Lê văn Doanh, 
Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân. NXB Khoa học và kỹ 
thuật Hà Nội, 2001 
3. Cảm biến và ứng dụng. Dương Minh Trí .NXB Khoa học và kỹ thuật 
Hà Nội, 2001 
4. Giáo trình cảm biến . Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến. NXB Khoa 
học và kỹ thuật Hà Nội, 2001 
5. Giáo trình kỹ thuật điện tử . Trường ĐHSPKT TP HCM 
6. Giáo trình điện tử công nghiệp, Phan Tấn Phước, NXB Khoa học và kỹ 
thuật Hà Nội 
5. Nguyễn Tấn Phước: Điện tử ứng dụng trong công nghiệp