cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến

Dưới đây là các nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ:+Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cảm biến NTC Negative Temperature Coefficient: Nhiệt độ càng tăng, điện trở của cảm biến tụt xuống v

I) Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của cảm biến1) Nguyên lý hoạt động

-Cảm biến nhiệt độ (Temperature sensor) là một thiết bị được sử dụng để đo độ nóng hoặc lạnh của môi trường xung quanh nó Dưới đây là các nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ:

+Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cảm biến NTC (Negative Temperature

Coefficient): Nhiệt độ càng tăng, điện trở của cảm biến tụt xuống và ngược lại nhiệt độ càng giảm, điện trở của cảm biến càng tăng.

+Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cảm biến PTC (Positive Temperature Coefficient): Nhiệt độ tăng, điện trở của cảm biến tăng và ngược lại nhiệt độ giảm, điện trở của cảm biến giảm.

+Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cảm biến RTD (Resistance Temperature Detector): Cảm biến RTD sử dụng khả năng dẫn điện của kim loại và khả năng thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, điện trở của cảm biến cũng tăng và ngược lại.

+Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cảm biến Thermocouple: Cảm biến Thermocouple sử dụng hai đoạn kết nối của kim loại khác nhau Khi nhiệt độ thay đổi, xuất hiện điện thế khác nhau giữa hai đoạn kim loại này, đây chính là thông số đo được bởi cảm biến.

+Nguyên lý đo nhiệt độ bằng cảm biến Infrared (IR): Cảm biến IR sử dụng khả năng thu phát sóng IR và biến đổi năng lượng của sóng để xác định nhiệt độ của vật thể Thông qua bước sóng phản xạ từ vật thể, cảm biến có thể đo được nhiệt độ mà không tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó.

+Nguyên lý phản ứng hóa học: Một số cảm biến nhiệt độ sử dụng nguyên lý phản ứng hóa học, trong đó sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm thay đổi tốc độ phản ứng hóa học của một chất

+Nguyên lý bán dẫn: Cảm biến nhiệt độ bán dẫn sử dụng nguyên lý bán dẫn, khi nhiệt độ tăng lên thì sự dẫn điện của vật liệu bán dẫn cũng tăng lên

2) Cấu tạo :

-Cảm biến nhiệt độ (Temperature sensor) có nhiều kiểu dáng và nguyên lý hoạt động khác nhau Dưới đây là một số kiểu cảm biến nhiệt độ phổ biến bao gồm: 1 Thermocouple: Là cảm biến nhiệt độ dựa trên hiệu điện thế của 2 sợi dây khác chất nhiệt, khi chịu nhiệt sợi dây sẽ phát ra điện thế khác nhau Thermocouple chính xác, tuy nhiên chi phí đắt và chỉ phù hợp với các ứng dụng nhiệt độ cao 2 RTD (Resistance Temperature Detectors): Cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở theo nhiệt độ của vật liệu, phổ biến nhất là vật liệu Pt100 3 Thermistor: Là cảm biến nhiệt độ dựa trên thay đổi điện trở theo nhiệt độ của vật liệu, chủ yếu sử dụng hai vật liệu là NTC và PTC.

4 IC Sensor: Là cảm biến nhiệt độ được tích hợp trên một mạch IC, cho phép đo nhiệt độ với độ chính xác cao và chi phí thấp.

- Nhóm chúng em sử dụng cảm biến Ntc cụ thể là cảm biến Ntc3950 là một loại cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở theo nhiệt độ của vật liệu (NTC) Cấu trúc của cảm biến Ntc3950 bao gồm các thành phần sau:

1 Điện trở NTC: Là thành phần quan trọng nhất trong cảm biến Ntc3950, có thể được sản xuất từ các vật liệu khác nhau như titan, đồng, sắt, nickel khi chịu nhiệt độ thì trở kháng của vật liệu này sẽ thay đổi theo một đường cong xác định, đây là cơ sở cho việc đo nhiệt độ.

2 Vỏ bảo vệ: Giúp bảo vệ cảm biến khỏi giảm độ nhạy, ảnh hưởng bởi tác động của môi trường bên ngoài như sự chịu ẩm, ăn mòn, va đập

3 Dây dẫn: Dùng để kết nối cảm biến với mạch điều khiển.

4 Đầu cắm: Loại đầu dùng để kết nối với mạch điều khiển theo chuẩn đầu cắm JST.

Cảm biến Ntc3950 được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng đo nhiệt độ và điều khiển nhiệt độ như trong các ứng dụng điện tử, thiết bị gia dụng, hệ thống làm mát, tự động hóa công nghiệp, ô tô, tàu thủy

II) Đặc tính của cảm biến

Specifications for NTC Thermistor

The lead wire shall be dipped into solder bath of 235±5 for 2~3sec ℃ with 6mm space from the body

Solder dipped on lead wire should be uniform and smooth; the coverage area should be more than 95% 5.2 Withstand

Soldering heat

The lead wire shall be dipped into solder bath of 265±5 for 5±1sec ℃ with 6mm space from the body

5.5 High temperature Temperature 125： ℃，time：16hrs No obvious damage,

When soldering, space between iron tip and thermistor body must be more than 10mm, temperature should be less than 350 , soldering time should be as short as℃ possible

7、 Storage conditions

7.1Storage temp：-10℃ ～ 40℃；

7.2Storage humidity ：≤75% RH； 7.3Avoid air corrosion or sunlight

7.4Remake sealed storage after package opening

0 314.240 321.140 328.157 2.18 5

-2.148 0.428 -0.421

1) Đặc tính của hàm truyền :

-Ntc3950 là một cảm biến nhiệt độ dựa trên sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ Hàm truyền của Ntc3950 là phi tuyến, có nghĩa là giá trị trở kháng của cảm biến sẽ thay đổi phi tuyến theo nhiệt độ Tức là, khi nhiệt độ thay đổi, trở kháng của cảm biến sẽ không thay đổi theo cùng một tỉ lệ, mà sẽ thay đổi với một mối quan hệ phi tuyến Để đọc giá trị nhiệt độ từ Ntc3950, thường sử dụng bảng giá trị chuẩn (lookup table) hoặc công thức tính toán được xây dựng dựa trên mối quan hệ phi tuyến này

- Ta sử dụng phương trình Steinhart-Hart, một phương trình toán học được sử dụng để mô hình hóa độ phản ứng nhiệt của một thermistor.

Phương trình Steinhart-Hart có dạng: 1/T = A + B.ln(R) + C.ln(R)^3

Trong đó:

T là nhiệt độ (tính bằng độ K)

R là trở kháng của thermistor (tính bằng ohm)

A, B, và C là hằng số được xác định bằng phương pháp nhiễu điện.

-Tuy nhiên, để giản lược, ta có thể sử dụng phương trình tuyến tính gần đúng sau

2) Dải đo của cảm biến :

-Cảm biến NTC 3950 là một cảm biến nhiệt độ, được sử dụng để đo nhiệt độ trong các ứng dụng điện tử Dãy đo nhiệt độ của NTC 3950 là từ -40 đến 125 độ C, và độ chính xác của cảm biến là ±1 độ C Có thể suy ra được là sai số của cảm biến cũng

-Điều này có nghĩa là, khi nhiệt độ tăng lên 1 độ C, trở kháng của cảm biến NTC 3950 sẽ giảm đi khoảng 39.5% so với trở kháng tại nhiệt độ ban đầu.

4) Loại tín hiệu đầu ra :

-Cảm biến NTC 3950 là một loại cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên lý đo thay đổi điện trở của vật liệu dẫn điện khi nhiệt độ thay đổi Cụ thể, NTC 3950 được làm bằng vật liệu dẫn điện bán dẫn đặc biệt có đặc tính điện trở thay đổi tùy thuộc vào nhiệt độ Điện trở của cảm biến NTC 3950 giảm khi nhiệt độ tăng lên và tăng khi nhiệt độ giảm xuống.

-Khi cảm biến NTC 3950 được kết nối trong một mạch đo nhiệt độ, tín hiệu đầu ra của nó là giá trị điện trở tương ứng với nhiệt độ hiện tại Tuy nhiên, để đọc và xử lý tín hiệu này, nó cần được chuyển đổi thành tín hiệu số hoặc tín hiệu analog phù hợp.

-Có nhiều cách để chuyển đổi tín hiệu trở kháng điện trở thành tín hiệu số hoặc tín hiệu analog phù hợp, tùy thuộc vào thiết kế của mạch đo nhiệt độ hoặc vi điều khiển được sử dụng Một số phương pháp thông dụng bao gồm sử dụng một mạch cầu điện trở hoặc mạch khuếch đại tín hiệu để đo giá trị trở kháng của cảm biến, sau đó chuyển đổi giá trị này thành tín hiệu số hoặc tín hiệu analog thông qua một bộ chuyển đổi.

5) Độ phân giải :

- Cảm biến Ntc3950 có dãy đo từ -55 đến 125 độ C nó đo được 180 giá trị nhiệt độ khác nhau nên ta một bộ chuyển đổi tín hiệu 8 bit để phù hợp với độ phân giải của cảm biến

6) Phương pháp đo, các thức kết nối dây của cảm biến :

-Cảm biến NTC3950 thường có 2 chân kết nối Để kết nối cảm biến với mạch đo nhiệt độ, ta cần biết đúng vị trí của mỗi chân.

-Thông thường, chân A của cảm biến được kết nối với điện trở nội của cảm biến và có điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi Chân B của cảm biến được kết nối với điện trở bên ngoài và được sử dụng để đo giá trị điện trở của cảm biến -Các cách kết nối dây của cảm biến NTC3950 có thể khác nhau tùy vào mạch đo nhiệt độ mà bạn sử dụng Dưới đây là một số cách kết nối phổ biến:

+Kết nối đơn giản: Kết nối chân A của cảm biến với đất (GND) và kết nối chân B với một đầu vào ADC hoặc đầu vào của mạch đo nhiệt độ.

+Kết nối với mạch cầu Wheatstone: Kết nối chân A của cảm biến với một điện trở chuẩn và kết nối chân B với một điện trở khác của mạch cầu Wheatstone Sau đó, đo giá trị điện áp tại điểm giữa của hai điện trở này để tính toán giá trị nhiệt độ tương ứng.

+Kết nối với ampli khuếch đại: Kết nối chân A của cảm biến với một đầu vào của ampli khuếch đại, kết nối chân B với một điện trở để tạo thành một mạch phân áp Sau đó, đo giá trị điện áp tại điểm giữa của hai điện trở này để tính toán giá trị nhiệt độ tương ứng.

*Chân A là dây màu vàng theo như bảng datasheet *Chân B là chân còn lại

III) So sánh các loại nguyên lý về đặc tính

-Các nguyên lý của các cảm biến NTC, PTC, RTD, Thermocouple và Infrared (IR) có những đặc tính hàm truyền, dải đo, độ nhạy, tín hiệu vào ra, sensitivity và sai số khác nhau Dưới đây là so sánh các nguyên lý này:

+Nguyên lý về đặc tính của cảm biến NTC: Hàm truyền phi tuyến.

Dải đo thường từ -50 đến 150 độ C Độ nhạy cao hơn các cảm biến PTC và RTD Tín hiệu ra là giá trị điện trở.

Sensitivity thường được tính dựa trên độ thay đổi của giá trị điện trở theo độ C tại một nhiệt độ cụ thể.

Sai số thường có giá trị khá cao, do ảnh hưởng của nhiễu và sai số đo lường +Nguyên lý về đặc tính của cảm biến PTC:

Hàm truyền tuyến tính trong phạm vi nhiệt độ hẹp Dải đo thường từ -50 đến 150 độ C.

Độ nhạy thấp hơn các cảm biến NTC và RTD Tín hiệu ra là giá trị điện trở.

Sensitivity thường được tính dựa trên độ thay đổi của giá trị điện trở theo độ C tại một nhiệt độ cụ thể.

Sai số thường có giá trị thấp hơn so với NTC nhưng vẫn có ảnh hưởng của nhiễu và sai số đo lường.

+Nguyên lý về đặc tính của cảm biến RTD: Hàm truyền tuyến tính.

Dải đo rộng, thường từ -200 đến 850 độ C Độ nhạy cao hơn các cảm biến NTC và PTC Tín hiệu ra là giá trị điện trở.

Sensitivity thường được tính dựa trên độ thay đổi của giá trị điện trở theo độ C tại một nhiệt độ cụ thể.

Sai số thường thấp hơn so với NTC và PTC +Nguyên lý về đặc tính của cảm biến Thermocouple: Hàm truyền phi tuyến.

Dải đo rộng, thường từ -200 đến 1800 độ C Độ nhạy cao hơn các cảm biến NTC, PTC và RTD Tín hiệu ra là sự thay đổi điện thế gi

IV) Ứng dụng của cảm biến đang xem xétỨng dụng:

Mục đích chính của điện trở nhiệt NTC là để ngắt và bảo vệ nhiệt và nó được dùng phổ biến trong các bảng mạch điện tử Các bảng mạch này có thể là cảm biến của tủ lạnh, nồi cơm, cảm biến nhiệt của điều hòa nhiệt độ, lò vi sóng, lò nướng, bếp cảm ứng, lò điện, ấm đun bằng điện, bể khử trùng.

- Dùng để đo lường và bù nhiệt ở những thiết bị tự hoạt động trong văn phòng như máy in, máy photocopy,….

- Kiểm tra, đo lường nhiệt độ và được ứng dụng trong các nghành dự báo thời tiết, chế biến thực phẩm hay y tế, dược phẩm,.…

- Bảo vệ bộ sạc pin cũng như nhiệt độ của pin.

- Bù nhiệt vòng lặp trong cặp nhiệt điện và các thiết bị, mạch tích hợp - Giúp bảo vệ quá trình phát nhiệt ở những bộ cấp nguồn điện.

Chọn cảm biến NTC

Việc chọn cảm biến nhiệt độ sao cho đúng ảnh hưởng trực tiếp khả năng đo chính xác, độ bền cũng như giá thành của cảm biến nhiệt độ Vì có rất nhiều chủng loại cảm biến nhiệt độ khác nhau cũng như giá thành chênh lệch rất lớn giữa các hãng làm chúng ta bối rối không biết nên mua loại nào cho phù hợp.

Để chọn mua cảm biến nhiệt độ như ý muốn bạn cần xác định rõ loại cảm biến nhiệt độ cần mua cũng như thông số kỹ thuật của từng loại

Các thông số cần lưu ý khi chọn cảm biến nhiệt độ

Loại cảm biến cần sử dụng : RTD , Thermocouple hay loại nào khác

Độ dài đầu dò cảm biến nhiệt độ Đường kính của đầu dò cảm biến nhiệt độ Thang đo nhiệt độ cần đo

Kiểu kết nối của cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ có cần tích hợp bộ chuyển đổi nhiệt độ 4-20mA hay không

Môi trường đo nhiệt độ : nước , hoá chất , khí , hơi nóng … cần xác định rõ chọn cảm biến

Chuẩn Atex được dùng cho cảm biến nhiệt độ Atex trong môi trường nguy hiểm như Zone 0 , zone 1 , zone 2 , zone 20 , zone 21 , zone 22