Giáo trình Mô đun Kỹ thuật cảm biến - Điện công nghiệp

 = 3 số lượng vị trí xác định được là 23 = 8. 
 96 
Ở ví dụ trên, mã nhị phân được tạo ra khi đĩa quay, qua đó có thể xác định 
được vị trí của đĩa quay. Tuy nhiên trong thực tế việc đặt vị trí các rãnh chắn 
sáng và các rãnh cho ánh sáng đi qua khó mà có thể thực hiện 1 cách hoàn 
hảo. Trong khi đó vị trí của chúng lại quyết định giá trị gõ ra. 
Ví dụ khi đĩa chuyển từ vị trí 179,90 tới 180,10 (từ vùng 4 sang vùng 5), 
trong tức khắc, theo bảng giá trị 1, sẽ có sự chuyển trạng thái từ off-on-on 
sang on-off-off. Cách thức hoạt động này sẽ không có được độ tin cậy, bởi vị 
trong thực tế thì sẽ không thể có sự chuyển trạng đồng thời 1 cách hoàn hảo. 
Nếu ở vị trí vòng 1 chuyển trạng thái trước, rồi đến vòng 3 và vòng 2 thì thực 
sự sẽ có chuỗi các mã nhị phân như sau sẽ được tạo ra. 
off-on-on (vị trí bắt đầu) 
on-on-on (đầu tiên, trạng thái vòng 1 lên on) 
on-on-off (kế đến, trạng thái vòng 3 xuống off) 
on-off-off (cuối cùng, trạng thái vòng 2 xuống off) 
 Như vậy chuỗi mã nhị phân tạo ra tương ứng với việc đĩa quay ở các vị 
trí 4, 8, 7, 5. Trong nhiều trường hợp điều này có thể gây nên rắc rối, làm lỗi 
hệ thống. Ví dụ encoder được sử dụng cho cánh tay robot, bộ điều khiển cho 
rằng cánh tay ở sai vị trí và cố gắng thực hiện việc di chuyển 1800 để có thể 
quay về vị trí đúng. 
 Mã Gray 
Để khắc phục những vấn đề nêu trên, mã Gray được sử dụng. Đây cũng 
là một hệ thống mã nhị phân nhưng chỉ có 1 sự khác nhau duy nhất giữa 2 mã 
Gray kế tiếp nhau (chỉ có 1 bit thay đổi trạng thái). Ví dụ trong bảng giá trị 2, 
từ vùng 1 chuyển sang vùng 2 chỉ có sự thay đổi từ off sang on ở vị trí bit đại 
diện cho vòng 3. 
 Bảng giá trị 2 
Mã Gray 
Vùng 
Vòng 
1 
Vòng 2 
Vòng 
3 
Góc 
1 off off off 0° tới 45° 
2 off off on 45° tới 90° 
3 off on on 90° tới 135° 
4 off on off 135°tới 180° 
5 on on off 180°tới 225° 
6 on on on 225°tới 270° 
7 on off on 270°tới 315° 
Hình 4.10: Đĩa mã hóa tuyệt 
đối trường hợp 3 rãnh với 
mã Gray 
 97 
8 on off off 315° ới 360° 
Hình 4.11 : Dạng sóng ra của encoder với đĩa mã hóa tuyệt đối (mã Gray) 
Hình 4.12: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 5 rãnh 
a) mã nhị phân b) mã Gray 
1.3.Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ. 
1.3.1. Các đơn vị từ trường và định nghĩa 
 Từ trường 
Từ trường là một dạng vật chất tồn 
xung quanh dòng, hay nói chính xác là xung quanh các hạt mang điện 
chuyển động. tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên dòng điện, 
lên nam châm. 
 Cảm ứng từ B 
Về mặt gây ra lực từ, từ trường được đặc trưng bằng vectơ cảm ứng từ B. 
Trong hệ thống đơn vị SI dơn vị cảm ứng từ B là T (Tesla). 
1 T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 
 Từ thông  
Từ thông gởi qua diện tích dS là đại lượng về giá trị bằng 
 98 
SdBd
.  
Trong đó: 
- B
là vectơ cảm ứng từ tại 1 điểm bất kì trên diện tích ấy. 
- Sd
là vectơ có phương của vectơ pháp tuyến n
 với diện tích đang xét, 
chiều là chiều dương của pháp tuyến, độ lớn bằng độ lớn diện tích đó. 
Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông là Weber (Wb). Nếu từ thông 
thay đổi 1 đơn vị trong thời gian 1 s, điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây 
là 1 V. 
1Wb = 1Vs 
 Cường độ từ trường H 
Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường do riêng dòng điện sinh ra 
và không phụ thuộc vào tính chất môi trường trong đó đặt dòng điện. 
Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị của cường độ từ trường H là A/m 
1.3.2. Cảm biến điện trở từ 
Cảm biến điện trở từ là 1 linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở của nó gia 
tăng dưới tác động của từ trường. Trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng 
góc mặt phẳng của cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất. Chiều của từ trường 
không ảnh hưởng gì đến hiệu ứng điện trở từ trong trường hợp này. 
Độ lớn của tín hiệu ra của cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc 
độ quay. Khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu ra quan hệ 
trực tiếp với tốc độ quay, vì vậy đòi hỏi các thiết bị điện tử phức tạp để có thể 
thu nhận được các tín hiệu trên 1 dải điện áp rộng. 
Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu ra được hình thành bởi sự đổi 
hướng của đường cảm ứng từ - bending of magnetic field lines (thay đổi theo 
vị trí của bánh răng). Tín hiệu ra của cảm biến vẫn được hình thành dù đối 
tượng không di chuyển rất chậm. 
 Hình 4.13: Tín hiệu tạo ra bởi cảm biến điện trở từ 
 99 
a. Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb 
 Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb 
Vật liệu bán dẫn InSb với liên kết III – V có độ linh động rất lớn. 
Trong vật liệu bán dẫn, dưới tác dụng của từ trường hướng dịch chuyển 
của các điện tích bị lệch đi 1 góc tg =  . B. Do sự lệch này đoạn đường 
dịch chuyển của electron dài hơn. Kết quả là điện trở cảm biến gia tăng dưới 
tác dụng của từ trường. Để hiệu ứng này có thể sử dụng trong thực tế, góc cần 
phải lớn. Trong kim loại, góc này rất bé. Với germanium góc lệch này khoảng 
200, trong Indiumantimon do độ linh động của electron rất cao nên góc lệch = 
800 với B = 1T. 
Để tạo con đường 
dịch chuyển của 
electron càng dài càng 
tốt dưới tác dụng của 
từ trường, 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. 
Hình 4.14: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu 
InSb/ NiSb 
 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
22.B ) 
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 .m 
b. Cảm biến điện trở từ với vật liệu permalloy 
 Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu permalloy 
Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi là permalloy (20% Fe, 80% Ni). 
 100 
- 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 . 
R = R0 + 
2
0 cosR 
max
00 R 
min
090 R 
R0 và 0R là các thông số phụ 
thuộc vào chất liệu permalloy. 
0R khoảng 2 đến 3% của R0. 
Hình 4.15: 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 + 
2
0 cosR 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( - 
450). Hình 4.17 biểu diễn ảnh 
hưởng của barber poles lên đặc 
tính của cảm biến điện trở từ. 
Hình 4.16 
 101 
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 + 450 và 1 cặp có barber 
poles tạo với trục mặt phẳng màng 
1 góc - 450. 
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 4.17: Ảnh hưởng của barber poles 
lên đặc tính của cảm biến điện trở từ. 
a: Đặc tuyến R-H của cảm biến loại tiêu 
chuẩn 
b: Đặc tuyến R-H của cảm biến loại có 
barber poles 
c. 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 cửu. 
Hình 4.18. Cấu trúc đối tượng (hình 
tròn) 
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 
Các thông số đặc trưng của đối 
tượng (theo tiêu chuẩn DIN) 
 102 
Hình 4.19: Các thành phần chi tiết của cảm biến KMI 15/1 
của hãng Philips Semiconductors với đối tượng thụ động. 
 Đối tượng “tích cực “ 
Hình 4.20 
 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. 
 103 
Hình 4.21: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 4.22: Cấu trúc loại cảm biến KMI 
Hình 4.23: Sơ đồ khối của cảm biến KMI15/x 
 104 
Hình 4.24: 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. 
2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 
Mục tiêu: Trình bày được các đặc trưng và nguyên lý làm việc của cảm biến 
đo góc với tổ hợp có điện trở từ. 
 2.1. Nguyên tắc 
Từ công thức cơ bản 
R = R0 + 
2
0 cosR 
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 tiếp 
xúc 
 2.2.Các loại cảm biến KM110BH/2 của hang Philips Semiconductor 
 Loại cảm biến KM110BH/21 có hai dạng KM110BH/2130 và 
KM110BH/2190. Tuy có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau. 
 KM110BH/2130 được chế tạo với thang đo hơn để có độ khuếch đại 
lớn hơn, đo từ -150 đến +150. Tín hiệu ra truyến tính (độ phi tuyến chỉ 1%). 
 KM110BH/2190 đo từ -450 đến +450. Tín hiệu ra hình sin. 
 Cả hai cảm biến đều có tín hiệu ra analog. 
 105 
 Ngoài hai cảm biến này còn có các cảm biến thiết kế KM110BH/23 
KM110BH/24 
* Bảng thông số một số cảm biến KM110BH 
Thông số 
KM110BH Đơn 
vị 2130 2190 2270 2390 2430 2470 
Thang đo 30 90 70 90 30 70 0,001 
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 
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 
+120 
-40 tới 
+120 
-40 tới 
+120 
-40 
tới 
+120 
-40 tới 
+120 
-40 tới 
+120 
0C 
Độ phân 
giải 
0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ 
 Các loại cảm biến KM110BH/2270 có thang đo từ -350 đến +350, có 
thể sử dụng một điện trở để chuyển sang dạng điện áp. 
2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20 
 Cảm biến KMA10 và KMA20là loại cảm biến đo góc (không cần tiếp 
xúc) được thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn. 
Được ứng dụng trong lĩnh 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 Electonic. 
 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 phát triển từ loại KM110BH/2470, 
KMA20/90 phát triển từ loại KM110BH/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ 
KMA20/30 thì tuyến tính và từ KMA20/70 thì hình sin. 
* Bảng thông số một số cảm biến KMA 
Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị 
Thang đo 70 90 70 90 0,001 
Điện áp 
ra 
- 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V 
Dòng 4 tới 20 - - - mA 
 106 
điện 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 
3. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) 
Mục tiêu: Trình bày được các đặc trưng và nguyên lý làm việc của máy đo 
góc tuyệt đối. 
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). 
Hình 4.30: Máy đo góc tuyệt đối 
a) cấu tạo b) sơ đồ nguyên lý c)hai kênh tín hiệu ra 
Có 2 cách thu thập thông tích về  : 
 107 
- 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. 
 108 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dựng, NXB Khoa học 
kỹ thuật 2006. 
[2] Nguyễn Văn Hòa, Giáo trình đo lường và cảm biến đo lường, NXB 
Giáo dục 2005. 
[3] Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các bộ cảm biến trong kĩ thuật đo 
lường và điều khiển, NXB Khoa học và kỹ thuật 2006. 
[4] Lê Văn Doanh, Các bộ cảm biến trong kĩ thuật đo lường và điều khiển, 
NXB Khoa học và kỹ thuật 2001. 
[5] Nguyễn Thị Lan Hương, Kỹ thuật cảm biến, NXB Khoa học và kỹ 
thuật 2008. 
[6] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Cảm biến, NXB Khoa học và kỹ 
thuật 2000.