Nguyên lí và ứng dụng một số loại sensor

Nghiên cứu ứng dụng của sensor nhiệt độ dùng chuyển tiếp P-N, sensor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai, sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall, sensor từ trường Fluxgate vào thiết bị đo.

Nguyên lí và ứng dụng một số loại Sensor

Nguyễn Thu Phương

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử; Mã số: 60 44 03

Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Quốc Triệu

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về sensor, phân loại theo chức năng, mục đích sử dụng…,nghiên

cứu về các đặc trưng trong chế độ tĩnh và chế độ hoạt động của sensor Nghiên cứu tổng quan hiện tượng chuyển đổi tín hiệu vật lý nói chung, chuyển đổi tín hiệu không điện sang điện nói riêng, đặc biệt là chuyển đổi tín hiệu từ sang điện Nghiên cứu ứng dụng của sensor nhiệt độ dùng chuyển tiếp P-N, sensor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai, sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall, sensor từ trường Fluxgate vào thiết bị

đo Sử dụng hệ đo tự động khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của chuyển tiếp bán dẫn

p-n, khảo sát sự tương quan tín hiệu giữa đầu dò tự chế và Tesla Meter Các kết quả thực nghiệm thu được phù hợp với tính toán lý thuyết Hệ đo được xây dựng đã vận hành tin cậy và ổn định, đảm bảo độ nhạy, độ phân giải cần thiết để ứng dụng vào thực tiễn trong một số lĩnh vực như quan trắc môi trường, theo dõi địa từ của trái đất, dự báo

vi ứng dụng Giờ đây không có một lĩnh vực nào từ dân sự đến quân sự mà ở đó không sử dụng sensor Chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường, phát hiện an ninhvà đặc biệt gần đây là trong các hệ thống nhà thông minh (smart home) Sensor cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô…

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng trong kỹ thuật đo lường, điều khiển, số lượng và chủng loại các sensor tăng nhanh và đa dạng

cả về tính năng và công nghệ chế tạo Bởi vậy việc khảo sát, chuyển giao công nghệ, nghiên

cứu “Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor” được tác giả lựa chọn làm luận văn của

mình với nội dung được chia làm 4 chương như sau:

Chương 1 Một số đặc trưng cơ bản của sensor

Chương 2 Chuyển đổi tín hiệu vật lý

Chương 3 Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo

Chương 4 Kết quả thực nghiệm

Cuối cùng là phần kết luận và phân tích ưu điểm, nhược điểm và hướng phát triển tiếp theo của luận văn

Một số đặc trưng cơ bản của sensor

Định nghĩa và các khái niệm cơ bản [8,11]

Sensor là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được

Phương trình được mô tả dưới dạng một hàm số (1.1)

Đường cong chuẩn của cảm biến

Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (Y) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (X) ở đầu vào Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng: Y = F(X) hoặc bằng đồ thị như hình 1.4a

Y

Y

a) b)

Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm biến

a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

Đại lượng S được xác định bởi biểu thức S = ∆Y

∆X được gọi là độ nhạy của cảm biến

Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó,

độ nhạy S không phụ thuộc vào đại lượng đo x

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình có dạng:

X

(sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

δ = ∆x

Nhiễu

Nhiễu xuất hiện ở lối ra của cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu do

sự dao động của tín hiệu kích thích Nhiều làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến và được phân bố qua phổ tần số

Để chống nhiễu người ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ cảm biến

Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý

Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện

Hiệu ứng áp điện [9]

Hiệu ứng áp điện là khả năng sản sinh ra điện thế của các tinh thể không đối xứng tâm khi chịu tác dụng của lực cơ học, và ngược lại Hiệu ứng này được tìm ra vào năm 1880

Hình 2.1 (a) vật liệu áp điện, (b) một điện thế tương ứng có thể đo được là kết quả của

sự nén hay kéo, (c) một điện thế đặt vào có thể làm nén hay giãn vật liệu áp điện

Hiệu ứng từ giảo

Hiện tượng từ giảo hay còn gọi là hiệu ứng cơ-từ là sự thay đổi kích thước của vật khi

nó được đặt trong một từ trường, hay thuộc tính từ thay đổi dưới ảnh hưởng của sự nén hay giãn Hiệu ứng này được tìm ra bởi James Joule vào năm 1842 khi ông kiểm tra một mẫu kền

Hình 2.2 Hiệu ứng từ giảo: H=0 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên, H  0 được sắp xếp lại làm tăng kích thước dưới tác dụng của từ trường

Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện

Hiệu ứng nhiệt điện [14]

Gradient nhiệt sinh ra một hiệu điện thế ở mối nối của hai vật dẫn hoặc bán dẫn khác loại Hiện tượng này được quan sát đầu tiên trong kim loại vào năm 1821 bởi Thomas Johann Seebeck và được mang tên ông

Hình 2.3 Vật liệu A và B gắn chặt hai đầu được giữ ở nhiệt độ T1 và T 2

Hình 2.3 mô tả hai vật liệu khác loại A và B, hiệu điện thế V sinh ra khi hai đầu nối

được giữ ở các nhiệt độ khác nhau tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ   T T2 T1, và tuân theo phương trình:

Với S A và S B là hệ số Seebeck của vật liệu A và vật liệu B

Đây là hiệu ứng vật lý cơ bản sử dụng trong dụng cụ nhiệt, cặp nhiệt hay dụng cụ mẫu cho đo lường nhiệt độ

Hiệu ứng nhiệt điện trở [15]

Nhiệt điện trở liên quan đến thay đổi điện trở của vật liệu theo nhiệt độ và được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến nhiệt Đây là hiệu ứng cơ bản của thiết bị cảm biến nhiệt như

nhiệt kế điện trở và nhiệt điện trở Điện trở R được tính theo công thức:

R  Rref(1     1 T 2 T2    n Tn) (2.2) Trong đó Rref là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu,  1 n là các hệ số nhiệt điện trở của vật liệu,  T (T T ref) là chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ T và nhiệt độ tham chiếu

e

r f

T Phương trình cho thấy điện trở tăng theo nhiệt độ Điều này không đúng với mọi vật

liệu, vật liệu có hệ số nhiệt dương (PTC-positive temperature coefficient) thì điện trở tăng theo nhiệt độ, ngược lại hệ số nhiệt âm (NTC-negative temperature coefficient ) thì điện trở sẽ giảm

theo nhiệt độ

Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện

Hiệu ứng quang điện [9, 10]

Khi vật liệu bị chiếu xạ bởi photon điện tử có thể bị bứt ra khỏi vật liệu Điện tử bị bứt

ra gọi là quang electron, động năng E của quang electron bằng năng lượng của photon tới K

(hν) trừ đi năng lượng ngưỡng  là năng lượng tối thiểu để quang electron có thể bứt khỏi bề

mặt vật liệu:

EK  hv   (2.3)

h hằng số Planck, ν tần số của photon

Hình 2.4 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng Faraday xoay

Hiệu ứng Faraday xoay được tìm ra bởi M Faraday vào năm 1845 Nó là một hiệu ứng

từ - quang trong đó mặt phẳng phân cực của một sóng điện từ phát ra dọc một vật liệu sẽ bị xoay khi đặt vào một từ trường song song với hướng phát sóng

Hình 2.5 Mặt phẳng phân cực bị quay do từ trường ngoài

Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect)

Năm 1877 John Kerr nhận thấy mặt phẳng phân cực của tia tới trên bề mặt từ tính quay một góc nhỏ sau khi phản xạ ra khỏi bề mặt Góc quay phụ thuộc vào độ từ hóa M Điều này là do điện trường của tia tới E tác động một lực F lên các điện tử ở bề mặt của vật liệu làm cho chúng dao động trong mặt phẳng phân cực của sóng tới Cả hiệu ứng từ-quang Kerr và hiệu ứng Faraday xoay xuất hiện do sự từ hóa vật liệu làm sản sinh sự thay đổi tensor điện môi của chính vật liệu đó

Hình 2.6 Sự quay của mặt phẳng phân cực trên bề mặt từ tính là kết quả của hiệu ứng từ-quang Kerr

Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10]

Phát hiện bởi John Kerr vào năm 1875, là hiệu ứng điện-quang trong đó vật liệu thay đổi hệ số khúc xạ khi đặt trong điện trường Khi một điện trường tác động tới chất lỏng hay khí, các phân tử của nó (phân tử có lưỡng cực điện) có thể bị định hướng một phần theo trường Điều này gây ra hiện tượng dị thường và là nguyên nhân của hiệu ứng khúc xạ kép đối với ánh sáng truyền qua vật liệu Tuy nhiên, chỉ ánh sáng đi từ môi trường gặp đường sức điện trường mới có hiệu ứng khúc xạ kép này

Hình 2.7 Hiệu ứng Kerrand Pockels

Giá trị khúc xạ kép n gây ra bởi hiệu ứng Kerr có thể tính bởi công thức:

Hình 2.8 Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Spin Hall

Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng spin ngang

với điện trường đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân bằng trong hệ Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của tương tác spin-quỹ đạo Đó là lý thuyết được dự đoán vào năm 1971 bởi Yakonov và Perel Sự phát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc nano là một trong những thách thức của thuyết spin điện

độc lập tìm ra hiện tượng điện từ Các sensor và thiết bị âm thanh thời kỳ đầu (như phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tương tự, và rơle lưỡi gà sử dụng hiệu ứng này

và ngược lại khi nó lùi xa nguồn thu thì vsource âm

Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo

Sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN [1,9,11]

Nam châm di ̣ch chuyển Dòng điện cảm ứng

Từ thông



            exp 1 kT eU J J S Đường đặc trưng V-A được biểu diễn trên hình 3.1

Hình 3.1 Đặc trưng V-A của lớp chuyển tiếp p-n Ta được phương trình phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của hiệu điện thế: U  AT  B (3.1)

Nguyên tắc hoạt động của thiết bị Với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ ta cũng phải đo một giá trị tương đối lớn của hiệu điện thế điều này đòi hỏi dụng cụ đo phải có thang đo lớn, dễ dẫn tới sai số lớn làm phép đo thiếu chính xác Thiết bị của chúng ta được chế tạo theo sơ đồ nguyên tắc hình 3.4 ở sơ đồ này, dòng điện có giá trị I không đổi Lợi dụng tính chất đặc biệt của mạch cầu điện trở, tại một giá trị biết trước của nhiệt độ, ta điều chỉnh biến trở R sao cho mạch cầu là cân bằng, khi đó hiệu điện thế UMN=0 Chỉ cần một sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ trên bán dẫn, mạch cầu sẽ không còn cân bằng làm xuất hiện hiệu điện thế giữa M và N, chỉ thị số sẽ cho ta giá trị tương ứng Như vậy, dụng cụ đo không cần phải có thang đo lớn, sai số sẽ nhỏ

I

U

KĐ K chỉ thị

N

M

I

Hình 3.2 Sơ đồ khối thiết bị đo nhiệt độ dùng chuyển đổi nhiệt- điện

Trong luận văn sử dụng ICL7107 vì IC này có độ nhạy cao và ít tốn năng lượng

Senor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai [7,8,11]

Cấu tạo thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai

Dưới đây là mô hình cấu tạo của một thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai (hình 3.6)

Sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall [8,9,12]

Nguyên lý

Có thể nói nguồn gốc của hiệu ứng Hall là sự tác động của lực điện từ Lorentz lên các hạt tích điện chuyển động trong từ trường Đây là một trong những hiện tượng động lực học quan trọng trong vật lý học

Để tìm hiểu bản chất của hiệu ứng Hall, chúng ta hãy xem xét các quá trình vật lý ở trong mẫu bán dẫn có dòng điện chạy qua và đặt trong từ trường vuông góc (hình 3.10)

Biến thế vi sai Bộ xử lý tín hiệu

Bộ dao động điện từ

Hình 3.4 Sơ đồ mẫu

Thiết bị đo từ trường dùng cảm biến Hall

Hình 3.11 Thiết bị đo từ trường dùng cảm biến Hall

Sensor từ trường Fluxgate [17, 18]

Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc dựa vào tính chất “lõi bão hòa” nghĩa là các vật liệu có độ từ thẩm cao được sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ trường được chọn trong một vòng nhỏ (vài cm hoặc ít hơn) của anten, giống hệ thống anten vòng lõi được mô tả ở trên Sự khác nhau giữa hai hệ thống không chỉ là kích thước của vòng mà cả tính chất (bão hòa) trễ từ được sử dụng trong các trường dao động mạnh Trường này là tùy chọn, theo các hướng đối xứng (+) và (-),

do trường tự nhiên hiện tại Cường độ trường địa từ tác động lên đầu dò, gây ra sự méo hài, được đo trên các vòng thứ cấp

Hình 3.5 Phương pháp lõi bão hòa

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate được chúng tôi xây dựng

theo sơ đồ khối như trên hình 3.14 “Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ”

Hình 3.6 Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ

Kết quả thực nghiệm

Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN

Sự thay đổi đặc trưng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ

- Đặc trưng Vôn-Ampe của chuyển tiếp bán dẫn p-n phụ thuộc nhiệt độ

Sử dụng thiết bị đo tâm sâu trong bán dẫn DL8000 để vẽ đường đặc trưng Vôn-Ampe của chuyển tiếp bán dẫn p-n Kết quả đo được biểu diễn trên đồ thị hình 4.1

Khối phát

sóng sine

Khuếch đại công suất

SENSO

R (đầu dò)

Hình 4.1 Đặc trưng V-A của chuyển tiếp bán dẫn p-n tại một số giá trị nhiệt độ khác nhau

Khảo sát quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN

Kết quả đo

Hình 4.2 Quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN

Nhận xét:

Từ đồ thị thực nghiệm ta có thể rút ra kết luận rằng: Quá trình nguội dùng chuyển tiếp

PN tuân theo đúng quy luật nguội của Newton

Khảo sát sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall

Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam

- Sơ đồ nguyên lý:

- Khảo sát hiệu ứng:

Chúng tôi đã tiến hành đo từ tường B trên bề mặt các mẫu nam châm vĩnh cửu từ mẫu

1 đến mẫu 5 Các kết quả thực nghiệm thu được như sau:

Đo từ trường bề mặt dùng GaussMeter (USA)

Thiết bị đo từ trường Tesla Meter

Ảnh 4.1 - Tesla Meter với đầu đo Hall

- Kết quả thực nghiệm

Hình 4.5Đồ thị đánh giá tương quan giữa hai thiết bị đo từ trường

Nhận xét:

Đường thẳng trên đồ thị biểu diễn sự tương quan tuyến tính giữa hai số liệu đo được

bằng thực nghiệm

Đồ thị tương quan này định hướng cho việc chuẩn thiết bị tự lắp ghép Khi các giá trị

đo trùng khớp, độ dốc của đường thẳng tương quan α = 45º

4.3 Khảo sát từ trường dùng thiết bị Fluxgate Sensor

- Thiết bị đo từ trường nhỏ dùng nguyên lý Fluxgate

Ảnh 4.2 Máy đo từ trường nhỏ dùng nguyên lý Fluxgate sensor

- Kết quả thực nghiệm:

+ Khoảng cách 30cm

Hình 4.6 Tương quan tín hiệu đo giữa thiết bị đo từ trường dùng nguyên lý Fluxgate với thiết

bị đo Tesla Meter (30cm) + Khoảng cách 32cm

Hình 4.7 Tương quan tín hiệu đo giữa thiết bị đo từ trường dùng nguyên lý Fluxgate với thiết

bị đo Tesla Meter (32cm)

Ta có thể kết luận rằng:

+ Máy đo từ trường dùng nguyên lý Fluxgate rất nhạy với các tín hiệu nhỏ

+ Máy đo từ trường dùng hiệu ứng Hall kém nhậy hơn không phát hiện được các tín hiệu nhỏ

4.4 Khảo sát sensor đo dịch chuyển nhỏ

4.4.1 Khảo sát sự nguội đi của thanh nhôm bằng sensor dịch chuyển ngang

Kết luận:

- Sensor đo dịch chuyển ngang rất nhạy với các tín hiệu nhỏ điều này có thể giúp ích cho việc kiểm soát sự giãn nở vì nhiệt của các cây cầu, đường sắt hoặc trong các vật liệu xây dựng…

4.4.2 Khảo sát dịch chuyển của vật nặng ở các vị trí khác nhau bằng sensor dịch chuyển dọc

- Thí nghiệm

Đặt một vật nặng khối lượng M lên sensor đo dịch chuyển dọc, dùng thước chia đều khoảng cách trên thanh dịch chuyển Dịch chuyển vật nặng M lần lượt từ trong ra ngoài, sensor dịch chuyển dọc sẽ phát hiện được sự dịch chuyển nhỏ khi thay đổi khoảng cách vật nặng bằng sự thay đổi chiều cao của sensor

Ta có thể ghi được các giá trị thay đổi của sensor thông qua máy đo dịch chuyển nhỏ

- Các số liệu trên được biểu diễn bằng các đồ thị tương ứng sau: