Bài giảng Đo lường và tự động hóa - Bùi Thúc Minh

1BÀI GIẢNG
ĐO LƯỜNG VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
GV: Ths. Bùi Thúc Minh
Email: buithucminh@gmail.com 
Sđt: 0989 712961
Bộ môn: Điện công nghiệp
ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KHAI THÁC TS
NHA TRANG 2011
2
Mục tiêu
• Các phương pháp đo các thông số vật lý dựa 
trên các nguyên tắc tự động điều khiển.
• Một số thiết bị đo lường cảm biến sử dụng 
trong các hệ thống sản xuất.
2NỘI DUNG
Chương 1. Cơ sở lý thuyết về đo lường, tự 
động hoá
Chương 2. Các dụng cụ đo nhiệt độ
Chương 3. Đo áp suất, lưu lượng
Chương 4. Đo một số thông số khác 
4
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Văn Hòa, Đo lường điện và cảm biến 
đo lường, NXBGD 2005
[2] Hoàng Công Minh, Cảm biến công nghiệp, 
NXB Xây dựng 2007
[3] O. Gassmann, H. Meixner, Sensors in 
Intelligent Buildings, Wiley-VCH Verlag 
GmbH 2001
[4] Jon S. Wilson, Sensor Technology Handbook, 
the United States of America 2006
[5] Internet
35
ĐÁNH GIÁ
• Thời gian lên lớp: 30 tiết
• Kiểm tra, tiểu luận: 40%
• Thi kết thúc môn: 60% (không dùng tài liệu)
• Thời gian: 60 phút (từ 3-4 câu)
6
TIỂU LUẬN
1. Cảm biến nhiệt độ và ứng dụng
2. Cảm biến lực
3. Thiết bị đo áp suất 
4. Thiết bị đo lưu lượng
5. Thiết bị đo vị trí và dịch chuyển
6. Đo khối lượng và trọng lượng
7. Cảm biến sinh học
8. Cảm biến độ ẩm
9. Cảm biến tiệm cận
47
8
Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự 
động hoá
Counting dropping
59
Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự 
động hoá
liquid level measuring
10
Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự 
động hoá
Measure box dimension
611
Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự 
động hoá
Full case packing inspaction
12
Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự 
động hoá
1.1.Mở đầu
• Đo lường: là một quá trình đánh giá định lượng 
đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với 
đơn vị đo.
• Kết quả đo được biểu diễn: 0
0
.XAX
X
XA 
713
Simple instrument model
14
815
Các thuật ngữ cơ bản
• Thiết bị đo: là thiết bị cung cấp cho chúng ta 
kết quả của đại lượng cần đo. Thiết bị đo được 
chia làm nhiều loại.
Đại lượng đo: dựa vào tính chất cơ bản của đại 
lượng đo mà ta phân ra 2 loại:
- Đại lượng không điện
- Đại lượng điện
16
• Đơn vị đo: là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một 
đại lượng đo nào đó được quốc tế qui định mà
mỗi quốc gia đều phải tuân thủ
• Chuẩn trong đo lường: gồm 4 cấp
– Chuẩn quốc tế
– Chuẩn quốc gia
– Chuẩn khu vực
– Chuẩn phòng thí nghiệm
917
• Các phương pháp đo:
– Phương pháp đo trực tiếp : là phương pháp đo mà 
lượng cần đo được so sánh trực tiếp với mẫu đo 
(đơn vị đo cùng loại).
– Phương pháp đo gián tiếp: là phương pháp đo 
trong đó lượng cần đo sẽ được tính ra từ kết quả đo 
các đại lượng khác có liên quan.
18
Sai số trong đo lường:
• Nguyên nhân:
– Nguyên nhân chủ quan: là do lỗi lầm của người sử dụng 
thiết bị đo và phụ thuộc vào việc đọc sai kết quả, hoặc ghi 
sai, hoặc sử dụng sai không đúng qui trình hoạt động.
– Sai số khách quan: sai số không phụ thuộc vào người đo.
(Thiết bị đo không đo được trị số chính xác vì những lý do sau:
• Không nắm vững những thông số đo và điều kiện thiết kế.
• Thiết kế nhiều khuyết điểm.
• Thiết bị đo không ổn định sự hoạt động.
• Bảo trì thiết bị đo kém.
• Do người vận hành thiết bị đo không đúng.
• Do những giới hạn của thiết kế.
10
19
Một số khái niệm về cảm biến
Khái niệm
• Cảm biến là bộ phận dùng để cảm nhận và biến đổi
các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính 
chất điện cần đo thành các đại lượng điện chứa đựng 
thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần 
đo.
20
• Đại lượng đầu vào (hay kích thích) (m): Tác 
động của đại lượng cần đo (có tính chất điện 
hoặc không)
• Đại lượng đầu ra (hay đáp ứng) (s): Tín hiệu ra 
của CB (thường mang tính chất điện).
• Đáp ứng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):
s = F(m)
Thông qua đo (s) → xác định giá trị (m).
11
21
Phân loại cảm biến
22
Hoặc phân theo những đặc trưng sau
12
23
Phân loại cảm biến
• Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng 
sau đây:
– Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích.
– Phân loại theo dạng kích thích
– Phân loại theo phạm vi sử dụng
– Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế
24
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích 
thích
- Biến đổi sinh hoá; - Biến đổi vật lý.
- Hiệu ứng trên cơ thể sống
Sinh Học
- Biến đổi hoá học ; - Biến đổi điện hoá
- Phân tích phổ..
Hoá học
- Nhiệt điện; - Quang điện; - Quang từ
- Điện từ; - Quang đàn hồi; - Từ điện
- Nhiệt từ....
Vật lý
Chuyển đổi và đáp ứng kích thíchHiện tượng
13
25
Phân loại theo dạng kích thích
-Kiểu; -Năng lượng; -Cường độBức xạ
-Nhiệt độ; -Thông lượng; -Nhiệt dung, tỉ nhiệtNhiệt
-Vị trí; -lực ,áp suất; -Gia tốc, vận tốc
-Ứng suất, độ cứng; -Moment; -Khối luợng tỷ trọng
-Vân tốc chất lưu, độ nhớt
Cơ
-Biên, pha, phâ cực,phổ; -Tốc độ truyền
-Hệ số phát xạ, khúc xạ; -Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ
Quang
-Từ trường; -Từ thông, cường độ điện trường; -Độ từ
thẩm
Từ
-Điện tích, dòng điện; -Điện thế, điện áp
-Điện trường; -Điện dẫn, hằng số điện môi
Điện
-Biên pha, phân cực; -Phổ; -Tốc độ truyền sóngÂm
thanh
26
Theo tính năng của bộ cảm biến
• Độ trễ
• Khả năng quá tải
• Tốc độ đáp ứng
• Độ ổn định
• Tuổi thọ
• Điều kiện lựa chọn
• Kích thước, trọng
lượng
• Độ nhạy
• Độ chính xác
• Độ phân giải
• Độ chọn lọc
• Độ chính xác
• Độ tuyến tính
• Công suất tiêu thụ
• Dải tần
14
27
Phân loại theo phạm vi sử dụng
• Khả năng quá tải
• Tốc độ đáp ứng
• Độ ổn định
• Tuổi thọ
• Điều kiện lựa chọn
• Kích thước, trọng lượng
• Công nghiệp
• Nghiên cứu khoa học
• Môi trường, khí tượng
• Thông tin, viễn thông
• Nông nghiệp
• Dân dụng
• Vũ trụ
• Quân sự
28
Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế
• Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn 
dòng (NPN, PNP)
• Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số
R, L, C, Mtuyến tính hoặc phi tuyến
• Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong 
được biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện 
(S) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại 
lượng đo (m) ở đầu vào.
15
29
Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện
30
Thông số đặc trưng của chuyển đổi
1. Phương trình chuyển đổi
16
31
32
2. Độ nhạy
17
33
34
18
35
36
4. Độ tuyến tính
19
37
38
Đường cong chuẩn
a) Khái niệm đường cong chuẩn: đường cong 
biểu diễn sự phụ thuộc của đáp ứng (s) ở đầu ra 
của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở 
đầu vào. 
• Biểu diễn:
+ Bằng biểu thức đại số.
+ Bằng đồ thị. 
20
39
Đường cong chuẩn
• Biểu diễn bằng biểu thức đại số
s= F(m) 
 Ví dụ cảm biến tuyến tính:
 s= a.m +b
 Trong đó: a, b là các hằng số.
40
Đường cong chuẩn
Biểu diễn bằng đồ thị
s
mi
si
m
a) Dạng chung
0
s
m
b) Dạng tuyến tính
0
21
41
Đường cong chuẩn
b) Chuẩn cảm biến: phép đo xác lập mối 
quan hệ giữa giá trị (s) đo được của đại 
lượng đầu ra của CB và giá trị (m) của đại 
lượng cần đo có tính đến các yếu tố ảnh 
hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong 
chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc 
biểu thức đại số). 
42
Đường cong chuẩn
b) Phương pháp chuẩn:
• Chuẩn đơn giản: áp dụng khi cảm biến chỉ 
chịu tác động của một đại lượng đo duy nhất.
• Chuẩn nhiều lần: áp dụng khi cảm biến có 
phần tử trễ, kết quả đo theo hai chiều tăng giảm 
của đại lượng đo khác nhau.
22
43
Đường cong chuẩn
• Chuẩn đơn giản: đo các giá trị của đại lượng đầu ra 
(si) ứng với một loạt các giá trị xác định không đổi 
của đại lượng đầu vào (mi).
 Chuẩn trực tiếp: giá trị 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 CB cần chuẩn với một 
CB so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn (trong cùng 
điều kiện làm việc).
44
Đường cong chuẩn
• Chuẩn nhiều lần: đo các giá trị (si) của đại 
lượng đầu ra ứng với một loạt các giá trị (mi) 
của đại lượng đầu vào theo hai chiều tăng và 
giảm của đại lượng cần đo. 
s
si
mmi
si’
mmi
si
Chuẩn đơn giản Chuẩn nhiều lần
23
45
Giới hạn sử dụng cảm biến
• Vùng làm việc danh định: là vùng làm việc bình 
thường của cảm biến 
• Vùng không gây hư hỏng: là khi các giá trị của 
đại lượng đo và các đại lượng ảnh hưởng khác 
vượt quá ngưỡng của vùng danh định nhưng vẫn 
còn trong phạm vi không gây hư hỏng, các đặc 
trưng của cảm biến bị thay đổi. 
• Vùng không gây phá huỷ: khi các đại lượng cần 
đo và các đại lượng vật lí liên quan vượt giá trị 
ngưỡng không gây hư hỏng thì chúng sẽ rơi vào 
vùng không phá huỷ
46
Các bước để lựa chọn cảm biến
24
47
Chương 1: cơ sở lý thuyết về tự động hoá
1.4. Một số đặc tính của sự điều chỉnh 
1.4.1.Điều chỉnh hai vị trí ON-OFF
1.4.2.Điều chỉnh nhẩy cấp 
1.4.3.Điều chỉnh liên tục
48
Chương 1: cơ sở lý thuyết về tự động hoá
1.4.1.Điều chỉnh hai vị trí ON-OFF
Các cảm biến đóng cắt dạng ON-OFF
a. Công tắc giới hạn hành trình
- Các ký hiệu điện
- Kiểu tác động tức thời
- Kiểu tác động có trễ
- Bố trí tiếp điểm
25
49
Chương 1: cơ sở lý thuyết về tự động hoá
Các ký hiệu điện
Tiếp điểm thường mở (NO)
Tiếp điểm thường đóng (NC)
50
Kiểu tác động tức thời
26
51
Kiểu tác động có trễ
52
Bố trí tiếp điểm
27
53
Các cảm biến đóng cắt dạng ON-OFF
b. Cảm biến tiệm cận
- Tiệm cận điện cảm
- Tiệm cận điện dung
- Tiệm cận siêu âm
- Tiệm cận quang học
54
Câu hỏi chương 1
1. Một số thuật ngữ về đo lường?
2. Cảm biến? Phân loại cảm biến?
3. Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện.
4. Mạch đo
5. Một số ứng dụng cảm biến thường gặp?
6. Cảm biến đóng cắt dạng ON-OFF?
7. Cảm biến tiệm cận.
28
55
Hệ SI
– Chuẩn đơn vị chiều dài: mét (m).
– Chuẩn đơn vị khối lượng : Kilogam (Kg).
– Chuẩn đơn vị thời gian : giây (s)
– Chuẩn đơn vị dòng điện : Ampe (A).
– Chuẩn đơn vị nhiệt độ : Kelvin (K).
– Chuẩn cường độ ánh sáng : Candela (Cd).
– Đơn vị số lượng vật chất : mol.
56
Các mạch khuếch đại trong đo lường
• Do các tín hiệu điện ở ngõ ra của các cảm biến 
thường rất nhỏ, để tăng giá trị của các tín hiệu 
này ta dùng các mạch khuếch đại
29
57
Mạch khuếch đại đảo
Mạch khuếch đại đảo với biến trở chỉnh offset
58
Mạch khuếch đại không đảo
30
59
Mạch khuếch đại vi sai
60
Mạch cầu Wheastone
• Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi sự thay đổi 
của điện trở thành sự thay đổi của điện áp trên đường 
chéo của cầu.
31
61
62
Cảm biến quang trong công nghiệp
• Cấu tạo
Đầu phát Đầu thu
Cấu tạo cảm biến quang dạng thu phát riêng
32
63
Cấu tạo cảm biến quang dạng thu phát chung
64
• Cảm biến gồm: phần phát và phần thu
– Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led 
phát Laser có vai trò như một nguồn phát sáng được 
đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát 
nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu 
đến phần thu.
– Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu 
điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập 
trung ánh sáng rọi vào trasistor. Transistor quang 
thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra.
33
65
Một số hình dạng cảm biến quang trong công 
nghiệp
• Hãng Omron
Dạng thu phát chung không cần gương phản
66
Dạng thu phát riêng Dạng thu phát chung có gương phản xạ
34
67
Cấu trúc mạch ra của cảm biến
Mach ra kiểu transistor NPN cưc thu để hở
68
Mạch ra kiểu transistor PNP cực thu để hở
35
69
Ứng dụng của cảm biến quang
• Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vị trí định 
trước như: 
– Phát hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản 
phẩm và đóng thùng sản phẩm.
– Phát hiện có vật cản ngay cửa của các thang máy.
– Phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống 
đóng gói sản phẩm
– Dùng đo tốc độ động cơ
70
Một số ứng dụng cảm biến quang
1. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện đầu vật 
liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài
Hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài
36
71
Một số ứng dụng cảm biến quang
2. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chấm đen ở 
đầu bao bì trong hệ thống đóng gói sản phẩm.
72
Một số ứng dụng cảm biến quang
3. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện hộp sữa 
bằng giấy trên băng tải trong hệ thống sản xuất 
sữa hộp giấy
37
73
Một số ứng dụng cảm biến quang
4. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện thực 
phẩm trên băng tải trong hệ thống sản xuất thực 
phẩm
74
Một số ứng dụng cảm biến quang
5. Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chai 
trên băng tải và đếm số chai trong hệ thống sản 
xuất nước uống
38
75
Cảm biến tiệm cận
76
Cảm biến tiệm cận
• Cảm Biến tiệm cận (Lân Cận) dạng Điện 
Cảm
• Cảm Biến tiệm Cận Dạng Điện Dung
• Cảm biến tiệm cận siêu âm
• Cảm biến tiệm cận quang học
39
77
Câu hỏi
1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cảm biến 
tiệm cận điện cảm?
2. Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cảm biến 
tiệm cận điện dung?
3. Ứng dụng của cảm biến tiệm cận.
4. Sự giống và khác nhau giữa cảm biến tiệm 
cận điện cảm và điện dung?
78
Cảm Biến tiệm cận (Lân Cận) dạng Điện Cảm
– Là cảm biến dùng trường điện - từ để phát hiện đối 
tượng bằng kim loại.
– Điện áp làm việc DC, AC hoặc AC/DC
• Phân loại:
– Theo chức năng chia làm 2 loại: NPN và PNP
– Theo khoảng cách chia làm 2 loại: có bảo vệ và
không bảo vệ
40
79
Cảm Biến tiệm cận (Lân Cận) dạng Điện Cảm
• Cấu tạo: Cảm biến lân cận dạng điện cảm có
cấu tạo gồm 4 bộ phận chính
Cấu tạo của cảm biến lân cận điện cảm
80
• Đầu phát hiện gồm 1 cuộn dây quấn trên lõi sắt 
từ có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến thiên
trong không gian phía trước. 
– Cấu tạo và cách bố trí cuộn dây và lõi sắt của đầu 
phát hiện như hình
Cấu tạo của đầu phát hiện
41
81
• Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện 
từ tần số radio.
• Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín 
hiệu của mạch dao động.
• Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu 
ngõ ra của cảm biến.
82
Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện cảm
• Khi có mục tiêu cần phát hiện (đối tượng) bằng kim 
loại tới gần cảm biến (vào vùng từ trường biến thiên 
của cảm biến), 
• Từ trường biến thiên do mạch dao động gây ra tập 
trung ở lõi sắt sẽ gây nên một dòng điện xoáy trên bề
mặt của đối tượng. 
• Dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt đối tượng tạo nên 
một tải làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động.
• Khi biên độ của tín hiệu dao động nhỏ hơn một ngưỡng 
định trước, mạch phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ 
ra để đặt trạng thái ngõ ra lên ON
42
83
• Khi đối tượng rời khỏi vùng từ trường của cảm biến, 
biên độ tín hiệu ở mạch dao động tăng lên, khi tín hiệu 
ở mạch dao động có biên độ lớn hơn ngưỡng, mạch 
phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ ra tạo trạng thái 
ngõ ra là OFF
84
• Chia theo khoảng cách:
43
85
• Nhận xét:
86
Một số dạng cảm biến lân cận điện cảm trong 
công nghiệp
• Hãng Omron
Cảm biến lân cận điện cảm dạng tròn
44
87
Cảm biến lân cận điện cảm dạng vuông
88
Mạch ra dạng NPN cực thu để hở
45
89
Mạch ra dạng PNP cực thu để hở
90
Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Dung
– Là cảm biến sử dụng trường tĩnh điện để phát hiện 
đối tượng bằng kim loại và phi kim loại.
– Điện áp làm việc là DC, AC hoặc AC/DC
• Phân loại: 
– Theo chức năng được chia làm 2 loại: PNP và NPN
– Tất cả cảm biến tiệm cận điện dung của Siemen đều có
bảo vệ
46
91
Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Dung
• Cấu tạo:
Đầu phát hiện trong cảm biến lân cận điện dung là một bản cực 
của tụ điện
92
Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận 
điện dung
• Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát 
hiện của cảm biến sẽ làm điện dung của tụ điện (được 
tạo bởi một bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực 
còn lại chính là đối tượng) C bị thay đổi.
• Khi điện dung của tụ điện bị thay đổi thì mạch dao 
động sẽ tạo ra tín hiệu dao động.
• Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng 
đặt trước mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở
trạng thái ON.
• Khi đối tượng ở xa cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch 
dao động sẽ nhỏ, mạch phát hiện mức sẽ điều khiển 
mạch ra ở trạng thái OFF.
47
93
94
• Nhận xét:
– Khoảng cách cảm nhận từ 5 – 20mm
– Có khả năng phát hiện mức chất lỏng xuyên qua 
thùng trong suốt (chất lỏng phải có hằng số điện môi 
cao hơn vỏ thùng)
– Môi trường làm việc phải khô (khi chất lỏng trên bề
mặt của cảm biến, cảm biến có thể tác động nhầm)
48
95
• Một số dạng của cảm biến lân cận điện dung 
của hãng OMRON
96
Cấu Trúc Mạch Ra Của Cảm Biến Lân Cận
Mạch ra dạng NPN cực thu để hở
49
97
Mạch ra dạng PNP cực thu để hở
98
Ứng Dụng Của Cảm Biến Lân Cận điện cảm
• Cảm biến lân cận điện cảm được dùng để phát 
hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại tại 
một vị trí xác định trước (vị trí đặt cảm biến) 
như: 
– Phát hiện Cabin thang máy tại các tầng, 
– Phát hiện chai nước ngọt có nắp hay không (Nắp của 
chai nước ngọt làm bằng kim loai)
– Xác định vị trí hai đầu mút của mũi khoan, 
– Phát hiện trạng thái đóng hay mở van, 
– Đo tốc độ quay của động cơ, phát hiện trạng thái 
đóng- mở của các xi lanh 
50
99
• Cảm biến lân cận điện dung được dùng để phát 
hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại hoặc 
phi kim loại tại một vị trí xác định trước (vị trí 
đặt cảm biến) như: Phát hiện thủy tinh, nhựa, 
chất lỏng.
100
1. Dùng cảm biến lân cận điện cảm đo tốc độ 
động cơ
51
101
2. Dùng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa 
không đầy trong dây chuyền sản xuất sửa hộp
102
Dùng cảm biến điện dung để xác định mức của 
chất lỏng