Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận,...các đại lƣợng vật lý không điện thành các tín hiệu điện.
Ví dụ: Nhiệt độ là 1 đại lƣợng không liê quan đến điện, chúng ta phải chuyển nó về 1 đại lƣợng khác (điện trở, điện áp,...) để phù hợp với các cơ cấu điện tử.
Cảm biến nhiệt độ: Nhiệt độ môi trƣờng sẽ đƣợc cảm biến hấp thụ, tại đây tùy theo cơ cấu của cảm biến sẽ biến đại lƣợng nhiệt này thành 1 đại lƣợng điện nào đó. Nhƣ thế 1 yếu tố hết sức quan trọng đó là “nhiệt độ môi trƣờng cần đo” và “nhiệt độ cảm nhận của cảm biến”. Cụ thể điều này là: Các loại cảm biến mà chúng ta trông thấy nó đều là cái vỏ bảo vệ, phần tử cảm biến nằm trong cái vỏ này (bán dẫn, lƣỡng kim,...) do đó việc đo có chính xác hay không tùy thuộc vào việc truyền nhiệt độ từ môi trƣờng vào đến phần tử cảm biến tổn thất bao nhiêu (1 trong những yếu tố quyết định giá cả cảm biến nhiệt). Một nguyên tắc đặt ra là tăng cƣờng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trƣờng cần đo.
Phân loại cảm biến nhiệt. Cặp nhiệt điện (thermocouple)
Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính 1 đầu. Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi (mV). Ƣu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.
Khuyết điểm: Nhiều ảnh hƣởng làm sai số. Độ nhạy không cao.
Thƣờng dùng: Lò nhiệt, môi trƣờng khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,... Tầm đo: -100 °C
Hình 3.1 Thermocouple
Nhiệt điện trở (RTD)
Cấu tạo của RTD gồm có: dây kim loại làm từ đồng, Nikel, Platinum,...đƣợc quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. Khi nhiệt độ thay đổi sẽ có độ tuyến tính trong 1 khoảng nhiệt độ nhất định. Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, đƣợc làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo đƣợc dài. Thƣờng có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm tại 0 D.C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.
RTD thƣờng có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây
Lƣu ý sử dụng: Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2 , giúp hạn chế sai sô. Cách sử dụng của RTD khá dễ chịu hơn so với Thermocouple, chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này (hàn kĩ, chất lƣợng dây tốt, có chống nhiễu) và có thể đo test bằng VOM đƣợc. Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều dai đầu dây.
Hình 3.2 Nhiệt điện trở (RTD)
Nguyên lý: thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi Ƣu điểm: bền, rẻ, dễ chế tạo
Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.
Thƣờng dùng: Làm các chức năng bảo vệ, éo vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.
Tầm đo: 50
Thermistor đƣợc cấu tạo từ hỗn hợp các oxit. Các bột này đƣợc hòa trộn theo tỉ lệ và khối lƣợng nhất định, sau đó đƣợc nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ thay đổ khi nhiệt độ thay đổi
Có 2 loại Thermistor: Hệ số nhiệt dƣơng PTC – điện trở tăng theo nhiệt độ. Hệ số nhiệt âm NTC- điện trở giảm theo nhiệt độ. Thƣờng dùng nhất là loại NTC.
Thermistor chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50 – 150 D.C. Do vậy ngƣời ta ít dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt
Lƣu ý sử dụng: Tùy vào nhiệt độ môi trƣờng nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lƣu ý 2 loại PTC và NTC. Nên ép chặt vào bề mặt cần đo. Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.
Bán dẫn (diode, IC,...)
Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.
Nguyên lý: sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ. Ƣu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.
Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.
Thƣờng dùng: đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử
Tầm đo: -50 D.C đến 150 D.C