Tiểu luận cảm biến nhiệt Độ và Ứng dụng của cảm biến nhiệt Độ trong ngôi nhà thông minh

DANH MỤC HÌNH VẼHình 2-1 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện...5 Hình 2-2 Ứng dụng hiệu ứng hoả điện đo thông lượng của bức xạ ánh sáng...5 Hình 2-3 Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác đ

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN

Trong tiếng Anh, "cảm biến" được gọi là sensor, có nguồn gốc từ tiếng Latin "sensus," nghĩa là "cảm giác" hoặc "tri giác." Từ này xuất hiện trong thế kỷ 20 để chỉ các thiết bị có khả năng phát hiện và đo lường các thay đổi từ môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, và chuyển động Sensor chuyển đổi thông tin thu thập được thành tín hiệu điện hoặc số để các hệ thống có thể xử lý Chúng đóng vai trò như "giác quan" của các hệ thống tự động hóa, robot, và thiết bị điện tử, với ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, và đời sống hàng ngày, từ theo dõi sức khỏe đến tối ưu hóa hoạt động của nhà thông minh và xe tự hành Trong tiếng Việt, cảm biến cũng mang ý nghĩa tương tự, phản ánh khả năng cảm nhận và phản hồi thông tin từ môi trường.

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị thiết yếu trong lĩnh vực đo lường, đã trải qua quá trình phát triển lâu dài từ những nguyên lý cơ bản đến công nghệ hiện đại Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về dòng thời gian lịch sử phát triển của cảm biến nhiệt độ.

1 Thời kỳ sơ khai (Thế kỷ 17 - 18)

Vào năm 1612, Galileo Galilei đã phát minh ra thiết bị đo nhiệt độ đầu tiên mang tên thermoscope Mặc dù không phải là một cảm biến nhiệt độ chính xác, thermoscope giúp hiển thị sự thay đổi nhiệt độ thông qua hiện tượng giãn nở của không khí.

Năm 1714, Daniel Gabriel Fahrenheit đã phát minh ra nhiệt kế thủy ngân, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc đo nhiệt độ với độ chính xác cao Đây là công cụ đầu tiên giúp cải thiện khả năng đo lường nhiệt độ một cách hiệu quả.

 1742: Anders Celsius giới thiệu thang đo nhiệt độ Celsius, giúp chuẩn hóa việc đo nhiệt độ.

2 Phát triển các nguyên lý đo (Thế kỷ 19)

 1821: Thomas Johann Seebeck khám phá hiệu ứng nhiệt điện (hiệu ứng Seebeck), tạo cơ sở cho việc phát triển cặp nhiệt điện (thermocouple).

 1859: Gustav Kirchhoff nghiên cứu về bức xạ nhiệt, dẫn đến việc sử dụng nguyên lý bức xạ trong cảm biến nhiệt độ.

 1871: William Siemens phát triển cảm biến điện trở nhiệt kim loại đầu tiên (RTD), sử dụng bạch kim để đo nhiệt độ.

 1890s: Le Chatelier ứng dụng cặp nhiệt điện trong công nghiệp luyện kim, mở rộng khả năng đo nhiệt độ cao.

3 Thời kỳ công nghiệp hóa (Thế kỷ 20)

 1920: Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại được phát triển, dựa trên nghiên cứu về bức xạ nhiệt từ vật thể.

Vào năm 1950, sự phát triển của vật liệu bán dẫn đã dẫn đến việc ra đời cảm biến NTC và PTC (Thermistor), cho phép đo nhiệt độ với độ nhạy cao trong dải nhiệt độ nhỏ.

 1960: Cảm biến bán dẫn ra đời, sử dụng diode và transistor để đo nhiệt độ trong các thiết bị điện tử.

 1970: Cảm biến thạch anh và cảm biến dựa trên dao động tần số được phát triển, cung cấp khả năng đo nhiệt độ cực kỳ chính xác.

4 Công nghệ hiện đại (Thế kỷ 21)

Vào năm 2000, công nghệ MEMS (Hệ thống vi cơ điện) đã phát triển mạnh mẽ, cho phép sản xuất cảm biến nhiệt độ nhỏ gọn với mức tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp cho các thiết bị di động và Internet vạn vật (IoT).

 2010: Cảm biến nhiệt độ hồng ngoại không tiếp xúc được cải tiến, tích hợp trong các thiết bị y tế và công nghiệp.

Công nghệ cảm biến nhiệt độ thông minh kết hợp với trí tuệ nhân tạo và Internet vạn vật cho phép đo nhiệt độ từ xa, đồng thời tự động phân tích dữ liệu một cách hiệu quả.

2 Vật liệu mới, như graphene, được nghiên cứu để tăng cường độ nhạy và độ bền của cảm biến nhiệt độ.

Cảm biến nhiệt độ, từ những thiết bị cơ bản trong lịch sử, đã trải qua quá trình tiến hóa mạnh mẽ và hiện nay đóng vai trò quan trọng trong đời sống cũng như công nghệ hiện đại.

NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG

Định nghĩa và đặc trưng chung

Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý và phi điện thành các tín hiệu điện có thể đo và xử lý Các đại lượng cần đo, như nhiệt độ và áp suất, tác động lên cảm biến, tạo ra một đặc trưng điện như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng Đặc trưng này, được biểu diễn bằng hàm s = F(m), chứa thông tin giúp xác định giá trị của đại lượng đo.

Đại lượng đầu ra (s) của cảm biến phản ánh phản ứng của nó, trong khi đại lượng đầu vào (m) là kích thích cần đo Qua quá trình đo đạc (s), chúng ta có thể xác định giá trị của (m).

Biểu thức s = F(m) thể hiện hoạt động của cảm biến theo lý thuyết vật lý, đồng thời phản ánh sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo, vật liệu, môi trường và chế độ sử dụng Để khai thác biểu thức này cho mọi loại cảm biến, việc chuẩn hóa cảm biến là rất cần thiết Để thuận tiện cho người sử dụng, cảm biến thường được thiết kế với mối liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra ∆ s và biến thiên đầu vào ∆ m.

Trong đó S là độ nhạy của cảm biến.

Cảm biến tích cực

Cảm biến tích cực là loại cảm biến tự tạo ra tín hiệu điện, hoạt động như một máy phát Khác với cảm biến thụ động, loại cảm biến này không cần nguồn kích thích bên ngoài mà tự cung cấp năng lượng cho tín hiệu đầu ra Bài viết này sẽ mô tả các ứng dụng của hiệu ứng cảm biến tích cực.

Hiệu ứng nhiệt điện là hiện tượng tạo ra điện áp khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của vật liệu dẫn điện, thường là kim loại hoặc hợp kim Nhiệt năng được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng nhờ vào sự chuyển động của các electron trong vật liệu Khi một đầu dây nóng lên, mật độ hạt mang điện tại đó tăng lên, tạo ra sự chênh lệch mật độ giữa hai đầu dây Sự chênh lệch này sinh ra một điện trường, dẫn đến việc hình thành hiệu điện thế giữa hai đầu dây.

Hình NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG-1 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

Hai dây dẫn (M1) và (M2) với bản chất hóa học khác nhau khi được hàn lại tạo ra một suất điện động e(T1, T2) trong mạch, mà độ lớn của suất điện động này phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.

Hiệu ứng hoả điện là hiện tượng vật lý đặc biệt, trong đó một số tinh thể có khả năng tạo ra điện tích khi nhiệt độ thay đổi Sự thay đổi nhiệt độ gây ra phân cực điện trong tinh thể, tạo ra điện áp giữa các bề mặt Các tinh thể này thường có cấu trúc phân cực ở cấp độ nguyên tử, với điện tích dương và âm không phân bố đều mà tập trung ở các vùng khác nhau Khi nhiệt độ biến đổi, cấu trúc phân cực bị ảnh hưởng, dẫn đến sự dịch chuyển của điện tích, từ đó tạo ra điện trường và điện áp giữa các mặt của tinh thể.

Hình NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG-2 Ứng dụng hiệu ứng hoả điện đo thông lượng của bức xạ ánh sáng

Hiệu ứng áp điện là hiện tượng mà một số vật liệu, được gọi là vật liệu áp điện, tạo ra điện tích khi chịu tác động của lực cơ học Những vật liệu này có cấu trúc tinh thể không đối xứng, dẫn đến sự phân bố không đều của các điện tích dương và âm Khi lực tác động lên vật liệu, cấu trúc tinh thể bị biến dạng, làm cho các điện tích dịch chuyển và tạo ra điện trường, từ đó sinh ra điện áp giữa hai mặt của vật liệu Ngược lại, khi một điện trường được áp dụng, các điện tích sẽ dịch chuyển theo hướng của điện trường, gây ra sự biến dạng của vật liệu.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ xảy ra khi một suất điện động (điện áp) được sinh ra trong một mạch kín do sự biến thiên của từ thông Cụ thể, khi từ trường xung quanh một dây dẫn kín thay đổi, dòng điện sẽ xuất hiện trong dây dẫn đó.

Từ thông là đại lượng phản ánh mối liên kết giữa mạch kín và từ trường, tỉ lệ với số đường sức từ xuyên qua mạch Khi từ thông thay đổi, suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín, dẫn đến dòng điện cảm ứng Theo định luật Faraday về cảm ứng điện từ, độ lớn của suất điện động cảm ứng tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín, được biểu diễn bằng công thức ε =−ⅆ ϕ.

 ε: Suất điện động cảm ứng (V)

 ϕ : Từ thông qua mạch kín (Wb)

Dấu trừ trong công thức định luật Lenz chỉ ra rằng dòng điện cảm ứng luôn có chiều ngược lại với nguyên nhân gây ra nó, nhằm mục đích chống lại sự thay đổi của từ thông.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ là nguyên lý cơ bản được sử dụng để đo tốc độ dịch chuyển của vật thể thông qua việc xác định suất điện động cảm ứng Nguyên lý này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng đo lường hiện đại.

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng vật lý quan trọng, trong đó electron được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu khi hấp thụ năng lượng từ ánh sáng Ánh sáng, cấu tạo từ các hạt photon, có khả năng "đánh bật" electron ra khỏi nguyên tử, tạo thành dòng điện Mỗi photon mang một lượng năng lượng nhất định, và mỗi vật liệu có một công thoát cụ thể Để giải phóng electron, năng lượng của photon phải lớn hơn hoặc bằng công thoát Khi photon đủ năng lượng va chạm với electron, electron hấp thụ năng lượng và thoát khỏi lực hút của hạt nhân, trở thành electron tự do.

Hình NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG-4 Hiệu ứng quang điện Điều kiện của hiệu ứng quang điện: ε ≥ A ⇒ hf ≥ A ⇒ hc λ ≥ A ⇒ λ ≤ hc

A Đặt: hc A = λ 0 ta được: λ ≤ λ 0 Đại lượng λ 0 được gọi là giới hạn quang điện của kim loại đó.

Biểu thức của định luật quang điện (Công thức Einstein): ε = h ⋅ f = A + 1

 f: Tần số của ánh sáng chiếu tới (Hz)

 A: Công thoát electron khỏi kim loại (J)

 m: Khối lượng của electron (kg)

 v 0: Vận tốc ban đầu cực đại của electron quang điện (m/s)

Hiệu ứng Hall xảy ra khi một vật dẫn, như kim loại hoặc chất bán dẫn, có dòng điện chạy qua được đặt trong một từ trường vuông góc với hướng dòng điện Các hạt mang điện trong vật dẫn, bao gồm electron hoặc lỗ trống, sẽ bị lệch khỏi quỹ đạo ban đầu do tác dụng của lực Lorentz, dẫn đến sự tạo ra một điện áp vuông góc với cả hướng dòng điện và từ trường, gọi là hiệu điện thế Hall Sự tích tụ các hạt mang điện ở hai cạnh đối diện của vật dẫn tạo ra một điện trường, từ đó gây ra hiệu điện thế Hall.

 I: Cường độ dòng điện chạy qua vật dẫn (A)

 B: Độ lớn cảm ứng từ của từ trường (T)

 n: Mật độ hạt tải điện (số hạt tải điện trên một đơn vị thể tích) (m ³)⁻

 d: Độ dày của vật dẫn (m)

Ta cũng có thể xác định hiệu điện thế Hall qua công thức :

Góc θ được xác định bởi phương của từ trường B và dòng điện I, trong khi hệ số K H phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu.

Hình NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG-5 Ứng dụng của hiệu ứng Hall xác định vị trí của một vật chuyển động

Cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động được chế tạo từ trở kháng nhạy với đại lượng cần đo, với giá trị phụ thuộc vào kích thước hình học và tính chất điện của vật liệu như điện trở suất, độ từ thẩm và hằng số điện môi Sự thay đổi thông số hình học do chuyển động của phần tử cảm biến cho phép xác định vị trí của đối tượng qua đo trở kháng Đối với cảm biến biến dạng, sự biến dạng của phần tử dưới tác động của lực gây ra sự thay đổi trở kháng, liên quan đến đại lượng cần đo Tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào vật liệu chế tạo và yếu tố tác động như nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất và độ ẩm Để đảm bảo tính nhạy chỉ với một đại lượng vật lý, cần chọn vật liệu phù hợp, từ đó thiết lập mối quan hệ đơn trị giữa đại lượng cần đo và trở kháng của cảm biến Bảng 2.1 trình bày các đại lượng có khả năng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu chế tạo cảm biến.

Bảng 2.1 Đại lượng Đặc trưng nhạy Loại vật liệu sử dụng cần đo cảm

Nhiệt độ Điện trở suât (ρ) Kim loại (Pt, Ni, Cu) Bán dẫn Bức xạ ánh sáng Điện trở suât (ρ)

Biến dạng Điện trở suất (ρ)

Từ thẩm (μ) Hợp kim Ni, Si pha tạp Hợp kim sắt từ

Vị trí (nam châm) Điện trở suất (ρ) Vật liệu từ điện trở:Bi, InSb

Mạch đo

Mạch đo là hệ thống thiết bị bao gồm cảm biến, cho phép xác định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong điều kiện tối ưu Cảm biến ở đầu vào tiếp nhận đại lượng cần đo và tạo ra tín hiệu điện mang thông tin liên quan Sau khi xử lý, tín hiệu điện này được chuyển đổi thành dạng có thể đọc được, giúp người dùng dễ dàng xác định giá trị đại lượng đo Việc chuẩn hệ đo đảm bảo rằng mỗi giá trị đầu ra tương ứng chính xác với giá trị đại lượng đo ở đầu vào.

Mạch đo cơ bản bao gồm ba thành phần chính: cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị Ví dụ, trong mạch đo nhiệt độ, cảm biến là cặp nhiệt ghép nối, và tín hiệu được hiển thị qua một milivôn kế.

Hình NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG-6 Sơ đồ mạch đo bằng cặp nhiệt điện

Hình NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG ĐO LƯỜNG-7 Mạch đo điện thế bề mặt

1) Máy phát chức năng, 2) Cảm biến điện tích, 3) Tiền khuếch đại, 4) So pha lọc nhiễu, 5) Khuếch đại, 6) Chuyển đổi tương tự số, 7) Máy tính.

Sai số phép đo

Sai số trong phép đo là sự khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị thực hoặc giá trị chuẩn của một đại lượng Đây là yếu tố không thể tránh khỏi trong mọi phép đo, thường phát sinh từ các yếu tố liên quan đến thiết bị, môi trường, hoặc người thực hiện việc đo lường.

Khi thực hiện đo lường một đại lượng đã biết giá trị thực, nếu giá trị trung bình thu được qua nhiều lần đo luôn có sai số cố định so với giá trị thực, không phụ thuộc vào số lần đo, thì chúng ta có thể xác định rằng có sự xuất hiện của sai số hệ thống.

Sai số hệ thống do một số nguyên nhân như sau:

+) Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.

+) Do đặc tính của thiết bị đo hoặc cảm biến đo.

+) Do điều kiện đo và chế độ sử dụng dụng cụ đo.

+) Do xử lý kết quả đo. Để khắc phục sai số hệ thống ta có thể sử dụng những biện pháp như sau:

+) Kiểm tra lại đại lượng chuẩn.

+) Kiểm tra lại thiết bị đo.

+) Thay thế thiết bị đo phù hợp

+) Xử lý lại kết quả thu được.

Sai số ngẫu nhiên là một loại sai số không theo quy luật cụ thể và mang tính bất định, gây ra sự dao động của giá trị đo xung quanh giá trị thực Loại sai số này thường xuất hiện do các yếu tố ngẫu nhiên liên quan đến môi trường, thiết bị đo, hoặc thao tác của người thực hiện.

Một số nguyên nhân gấy ra sai số ngẫu nhiên:

+) Tính không xác định của đặc trưng thiết bị.

+) Tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.

+) Sai số do yếu tố môi trường.

+) Áp dụng chế độ vận hành đúng đắn.

+) Tìm cách giữ ổn định môi trường đo.

+) Bảo vệ hoặc sử dụng mạch đo khác.

2.5.3 Xác định tính đúng đắn và độ chính xác của kết quả đo

Sai số gây ra sự phân bố khác nhau trong các kết quả đo, khiến cho việc xác định giá trị thực sự của đại lượng cần đo trở nên khó khăn Mặc dù không thể tránh khỏi sai số, nhưng thông qua các phương pháp thống kê, chúng ta có thể xác định giá trị xác suất của đại lượng đo cũng như giới hạn sai số.

Khi đo lặp lại n lần ta sẽ nhận được các giá trị mỗi lần đo lần lượt là m 1 , m 2 , m 3 , … , m n giá trị trung bình như sau: m= ∑ i=1 n m i n

Sai số của mỗi lần đo so với giá trị trung bình được gọi là sai số tuyệt đối của mỗi lần đo, kí hiệu là ∆ m :

Khi này, ta có thể tính chỉ số độ phân bố thông qua độ lệch σ như sau: σ = √ ∑ i=1 n n−1 ( ∆ m i ) 2 PT 3

Các sai số ngẫu nhiên trong quá trình đo lường không chịu ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài Do đó, xác suất xuất hiện của các kết quả đo sẽ tuân theo phân bố Gaussian.

Xác xuất nhận được giá trị đo giữa khoảng ( m i , m j )kí hiệu là P( m i , m j ) được tính như sau:

Trong đó p(m) là hàm phân bố mật độ xác suất của giá trị đo m Trong trường hợp phân bố Gauss: p ( m )= 1 σ √ 2 π exp [ −( 2 ∆ m σ 2 ) 2 ] PT 5

Tính trung thực là một đặc tính quan trọng của thiết bị đo, thể hiện qua sai số ngẫu nhiên nhỏ Điều này có nghĩa là kết quả của các lần đo thường tập trung xung quanh giá trị trung bình, cho thấy độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị.

Tính đúng đắn là chất lượng của thiết bị đo với sai số hệ thống nhỏ, giúp giá trị đo gần với giá trị thực Độ chính xác của thiết bị thể hiện khả năng cho kết quả đo đơn lẻ sát với giá trị thực Một thiết bị chính xác đồng thời cũng đạt độ trung thực và tính đúng đắn cao.

Trong đo lường, có bốn dạng kết quả chính liên quan đến sai số Đầu tiên, sai số hệ thống lớn kết hợp với sai số ngẫu nhiên lớn xảy ra khi thiết bị không đúng đắn và không trung thực Thứ hai, sai số hệ thống lớn nhưng sai số ngẫu nhiên nhỏ xuất hiện khi thiết bị không đúng đắn nhưng vẫn trung thực Thứ ba, sai số hệ thống nhỏ và sai số ngẫu nhiên lớn có thể xảy ra với thiết bị đúng đắn nhưng không trung thực Cuối cùng, sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên đều nhỏ khi thiết bị đúng đắn và trung thực.

Chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là quá trình xác định mối quan hệ giữa giá trị đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị thực của đại lượng đo, xem xét các yếu tố ảnh hưởng Qua đó, người ta xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng đồ thị hoặc biểu thức đại số Để thực hiện chuẩn cảm biến, cần đo giá trị tương ứng của đại lượng s với một loạt giá trị chính xác đã biết của m, từ đó tạo ra đường cong chuẩn.

Khi chỉ có một đại lượng vật lý tác động lên đại lượng đo xác định và cảm biến không nhạy với các đại lượng ảnh hưởng, phương pháp chuẩn đơn giản được áp dụng Phương pháp này thực hiện việc đo các giá trị đầu ra tương ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào Chuẩn được tiến hành qua hai cách khác nhau.

Chuẩn trực tiếp là phương pháp đo lường mà trong đó các giá trị của đại lượng cần xác định được lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao.

Chuẩn gián tiếp là phương pháp kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai hoạt động trong cùng điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị đo, ta sẽ nhận được giá trị tương ứng từ cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn Việc lặp lại quy trình này với các giá trị đo khác nhau giúp xây dựng đường cong chuẩn cho cảm biến cần chuẩn.

Khi cảm biến có độ trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo mà còn vào giá trị trước đó của đại lượng đó Trong những trường hợp này, phương pháp chuẩn nhiều lần được áp dụng để cải thiện độ chính xác của phép đo.

- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0.

- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào.

- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.

Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần.

Độ nhạy

2.7.1 Định nghĩa Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự liên hệ tuyến tính: Δs = S.Δm PT 6 Đại lượng S xác định bởi biểu thức:

PT 7 được gọi là độ nhạy của cảm biến.

Độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị m i Để đảm bảo độ chính xác cao trong phép đo, cần thiết kế và sử dụng cảm biến sao cho độ nhạy S không đổi, tức là ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác.

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.

Đại lượng vật lý không phải là đại lượng đo từ môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến Thông thường, nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S của cảm biến dựa trên các điều kiện làm việc cụ thể.

2.7.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỉ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức chính là độ đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc.Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:

Tỷ số chuyển đổi tĩnh r i không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi, mà chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ.

2.7.3 Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo là hàm tuần hoàn của thời gian Trong điều kiện như vậy, đại lượng đầu ra s ở chế độ làm việc danh định cũng là hàm tuần hoàn của thời gian giống như đại lượng đo Giả sử sự biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng: m t =m 0 + m 1 cos ( ωt ) PT 9 trong đó m 0 là giá trị không đổi, m 1 là biên độ và f = ω

2 π là tần số biến thiên của đại lượng đo. Ở đầu ra của cảm biến, đáp ứng s được mô tả bởi biểu thức: s t = s 0 + s 1 cos ( ωt + ψ ) PT 10 trong đó:

- s 0 là giá trị không đổi tương ứng với m 0 xác định điểm Q 0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh.

- s 1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây nên.

- ψ là độ lệch pha giữa đầu vào và đầu ra. Độ nhạy động trong trường hợp này được xác định như tỷ số giữa biến thiên của s và m:

Trong chế độ động sự phụ thuộc của độ nhạy vào tần số của đại lượng đo S(f) xác định đặc tính tần của cảm biến.

Sự biến thiên của độ nhạy theo tần số chủ yếu xuất phát từ quán tính cơ, nhiệt hoặc diện của cảm biến và các thiết bị phụ trợ, do chúng không thể cung cấp tín hiệu điện tức thời theo kịp với biến thiên của đại lượng Hiện tượng không tức thời này gia tăng ở tần số cao Quán tính liên quan chặt chẽ đến nguyên lý vật lý của cảm biến, đồng thời cũng bị ảnh hưởng bởi các linh kiện điện tử như điện trở, cuộn cảm và điện dung, tạo ra các hằng số thời gian trong đáp ứng (như RC hay L/R) Do đó, để phân tích đáp ứng tần số, cần xem xét tổng thể sơ đồ mạch đo của cảm biến.

Độ tuyến tính

2.8.1 Điều kiện có tuyến tính

Cảm biến tuyến tính trong một dải đo xác định có độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo Nếu cảm biến không tuyến tính, có thể sử dụng thiết bị hiệu chính trong mạch đo để tuyến tính hóa, giúp tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo.

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính được biểu thị qua các đoạn thẳng trên đặc tuyến tĩnh, và cảm biến hoạt động một cách tuyến tính khi các biến đổi của đại lượng đo nằm trong vùng này.

Trong chế độ động, độ tuyến tính thể hiện sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo m Đồng thời, các thông số quyết định đáp ứng như tần số riêng f0 của dao động không tất và hệ số tắt dần ζ cũng không bị ảnh hưởng bởi đại lượng đo.

2.8.2 Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính

Khi tiến hành chuẩn cảm biến, người thực nghiệm thu thập một loạt các điểm tương ứng của s i và m i Dù lý thuyết cho rằng cảm biến là tuyến tính, các điểm này thường không nằm trên một đường thẳng do sự không chính xác trong đo lường và sai lệch trong quá trình chế tạo cảm biến Tuy nhiên, từ các điểm thực nghiệm, có thể tính toán được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến, được gọi là đường thẳng tốt nhất Đường thẳng tốt nhất này được xác định thông qua phương pháp bình phương nhỏ nhất với biểu thức: s = am + b.

PT 14 với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến. Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong chuẩn Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất (tính bằng %) trong dải đo.

Độ nhanh - thời gian đáp ứng

Độ nhanh của cảm biến là đặc trưng quan trọng giúp đánh giá khả năng theo kịp thời gian của đại lượng đầu ra với sự biến thiên của đại lượng đo Thời gian đáp ứng, ký hiệu là t r, được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh, tính từ thời điểm đại lượng đo thay đổi đột ngột cho đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra s chỉ còn khác biệt so với giá trị cuối cùng một lượng quy định bằng ε %.

Thời gian đáp ứng của cảm biến tỷ lệ thuận với tốc độ tiến triển của chế độ quá độ, tức là giai đoạn sau khi xảy ra biến thiên của đại lượng đo Thời gian này được xác định bởi các thông số đặc trưng của chế độ quá độ.

Thời gian đáp ứng là khoảng thời gian cần chờ đợi sau khi có biến thiên của đại lượng đo để đạt được giá trị đầu ra s với độ chính xác đã quy định Bên cạnh đó, còn có các khoảng thời gian khác được xác định để mô tả chế độ quá độ.

Khi đại lượng đo thay đổi theo dạng bậc thang, dẫn đến sự gia tăng của đại lượng đầu ra, khoảng thời gian trễ khi tăng lên (tan) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra s tăng từ giá trị ban đầu đến 10% của biến thiên tổng cộng Trong khi đó, khoảng thời gian tăng (tm) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra s tăng từ 10% đến 90% của biến thiên tổng cộng.

Giới hạn sử dụng cảm biến

Trong quá trình sử dụng cảm biến, chúng luôn phải chịu tác động của lực cơ khí hoặc nhiệt Nếu các lực này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng có thể làm thay đổi các đặc trưng hoạt động của cảm biến Do đó, người sử dụng cần nắm rõ các giới hạn ngưỡng của cảm biến và tuân thủ chúng để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.

Vùng này phản ánh các điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến, với biên giới được xác định bởi các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo và các yếu tố vật lý liên quan có thể đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng hoạt động danh định của cảm biến.

Khi các giá trị của đại lượng do hoặc các đại lượng liên quan vượt quá ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn trong phạm vi an toàn, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi Tuy nhiên, những thay đổi này là thuận nghịch, có nghĩa là khi trở lại vùng danh định, các đặc trưng của cảm biến sẽ phục hồi về giá trị ban đầu.

Khi các giá trị đo và các đại lượng liên quan vượt qua ngưỡng của vùng không gầy nhưng vẫn trong phạm vi không phá hủy, đặc trưng của cảm biến sẽ bị thay đổi Sự thay đổi này là không thuận nghịch, nghĩa là khi trở về vùng danh định, các đặc trưng của cảm biến sẽ không phục hồi được giá trị ban đầu Do đó, nếu muốn tiếp tục sử dụng cảm biến trong trường hợp này, cần phải tiến hành hiệu chuẩn lại.

Dải đo của cảm biến được xác định bởi các giá trị giới hạn của đại lượng đo, đảm bảo rằng cảm biến hoạt động hiệu quả trong vùng này Thông thường, dải đo sẽ tương ứng với vùng danh định của đại lượng Tuy nhiên, tùy thuộc vào mức độ nghiêm ngặt của các chỉ tiêu, dải đo có thể rộng hoặc hẹp hơn so với vùng danh định.

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Thang đo nhiệt độ

Để đo nhiệt độ, cần thiết lập thang nhiệt độ, trong đó thang nhiệt độ tuyệt đối dựa trên tính chất của khí lý tưởng Theo định lý Carnot, hiệu suất η của động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ θ1 và θ2 chỉ phụ thuộc vào hai nhiệt độ này: η = F(θ1).

Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại việc chọn dạng hàm

F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ Đặt F(θ) = T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau: η=1− T 1

Trong nghiên cứu về chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, với T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn Phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ được thể hiện qua công thức: pv = G(θ) PT 17.

Có thể chứng minh được rằng:

R là hằng số khí lý tưởng, còn T là nhiệt độ động học tuyệt đối Để xác định giá trị cho T, cần thiết lập đơn vị cho nhiệt độ bằng cách gán giá trị cho nó dựa trên một hiện tượng cụ thể, đảm bảo hiện tượng này có tính chất xác định và lặp lại.

Thang Kelvin, được phát triển bởi Thomson Kelvin vào năm 1852, là thang nhiệt độ động học tuyệt đối với đơn vị đo là Kelvin (K) Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái của nước, bao gồm nước, nước đá và hơi nước, được gán giá trị 273,15 K.

Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là ℃ và một độ Celsius bằng một độ Kelvin.

Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:

Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32oF và điểm nước sôi là 212 ℉

Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius:

Bảng 3.1 Cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau.

Hỗn hợp nước - nước đá 273,15 0 32

Cân bằngnước - nước đá - hơi 273,16 0,01 32,018

Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

Trong quá trình đo nhiệt độ, nhiệt độ thực tế của môi trường là Tx, trong khi nhiệt độ mà cảm biến ghi nhận được gọi là Tc Để đảm bảo đo đúng nhiệt độ, cần có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường và cảm biến Tuy nhiên, do nhiều yếu tố, nhiệt độ của cảm biến thường không đạt đến nhiệt độ môi trường thực tế.

Để đảm bảo độ chính xác của phép đo, cần lưu ý rằng chênh lệch nhiệt độ giữa Tx và Tc (Tx - Tc) phải được giữ ở mức thấp Độ chính xác của phép đo tỷ lệ nghịch với hiệu số này, nghĩa là khi hiệu số càng nhỏ, độ chính xác càng cao.

- Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo.

- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài.

Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:

 A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt.( m 2 )

 T - thời gian trao đổi nhiệt.(s)

Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ:

 m - khối lượng cảm biến.(kg)

 C - nhiệt dung của cảm biến.(J/K)

Bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường và giá đỡ, ta có phương trình αA (T x − T c )ⅆ t = mC ⅆ T C Đặt mC αA = τ, với τ được gọi là hằng số thời gian nhiệt.

Nghiệm của phương trình có dạng:

Để cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt giữa môi trường và cảm biến, cần sử dụng cảm biến có phần tử cảm nhận với tỉ nhiệt thấp và hệ số dẫn nhiệt cao Đồng thời, để giảm thiểu tổn thất nhiệt từ cảm biến ra bên ngoài, các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận đến mạch đo bên ngoài cũng nên có hệ số dẫn nhiệt thấp.

Đo nhiệt độ bằng điện trở

Giá trị của một điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình như sau:

Trong đó R 0 là điện trở tại T 0 và F là hàm đặc trưng của vật liệu cần đo.

Trường hợp kim loại, hàm cụ thể là:

Trường hợp điện trở là oxit bán dẫn, hàm cụ thể là:

Trong các phương trình đã nêu, các giá trị hằng số được xác định dựa trên những nhiệt độ chính xác đã biết Từ đó, thông qua hệ số R, chúng ta có thể xác định nhiệt độ cần đo.

Khi độ biến thiên của nhiệt độ ΔT (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính:

Hệ số nhiệt của điện trở, hay còn gọi là độ nhạy nhiệt tại nhiệt độ T, được ký hiệu là ⅆ T PT 31 Độ nhạy nhiệt này phụ thuộc vào loại vật liệu và nhiệt độ cụ thể Chẳng hạn, ở nhiệt độ 0 ℃, platin (Pt) có hệ số nhiệt α R = 3,9.

Chất lượng thiết bị đo ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được, từ đó xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện, được biểu thị bằng ΔR.

0 | min = 10 −6 và với những phép đo quanh điểm 0 ℃ , vật liệu là platin thì ΔT min ≈ 2 ,6.10 −4 ℃

Điện trở không chỉ biến đổi khi nhiệt độ thay đổi mà còn bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi kích thước hình học Đối với một điện trở dây có chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ được xác định theo công thức: α R = 1.

1 ρ dρ dT + 1 l dl dT − 1 s ds dT

Trên thực tế thường αρ >> α1 nên có thể coi α R = α ρ

Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:

- Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R 0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ.

- Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu.

- Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc.

- Dễ gia công và có khả năng thay lẫn.

Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni Ngoài ra còn dùng Cu, W.

+ Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện.

Với tính trơ về mặt hóa học và cấu trúc tinh thể ổn định, vật liệu này đảm bảo tính ổn định cao cho các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng.

+ Hệ số nhiệt điện trở ở 0oC bằng 3,9.10 −3 ∕ ℃

+ Điện trở ở 100 ℃ lớn gấp 1,385 lần so với ở 0 ℃

+ Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200 ℃ ÷1000 ℃

+ Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7 10 −3 ∕ ℃

+ Điện trở ở 100 ℃ lớn gấp 1,617 lần so với ở 0 ℃

+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định.

Dải nhiệt độ làm việc của điện trở thường không vượt quá 250 ℃, với đồng được sử dụng nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ, nhưng nhiệt độ làm việc tối đa chỉ khoảng 180 ℃ do hoạt tính hóa học cao Điện trở suất của đồng nhỏ, khiến việc chế tạo điện trở lớn phải tăng chiều dài dây, làm tăng kích thước điện trở Trong khi đó, wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, cho phép làm việc ở nhiệt độ cao hơn và chế tạo điện trở nhỏ với kích thước mảnh Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi kéo sợi khó triệt tiêu hoàn toàn, ảnh hưởng đến tính ổn định của điện trở Để cấu tạo nhiệt kế điện trở, dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở vài mA để tránh làm nóng, yêu cầu điện trở có giá trị lớn bằng cách giảm tiết diện hoặc tăng chiều dài dây Điện trở R ở 0 ℃ thường được chọn khoảng 100Ω, với điện trở platin có đường kính dây vài μm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ có nhiệt kế dài khoảng 1cm Các sản phẩm thương mại thường có điện trở ở 0 ℃ là 50Ω, 500Ω và 1000Ω, thích hợp cho đo ở dải nhiệt độ thấp.

Nhiệt kế công nghiệp được thiết kế đặc biệt để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong môi trường công nghiệp, với vỏ bọc chắc chắn giúp chống va chạm và rung động Các điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong vật liệu thủy tinh hoặc gốm, đảm bảo độ bền và độ chính xác cao Ngoài ra, nhiệt kế còn được đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép, giúp tăng cường khả năng bảo vệ Hình 3.1 minh họa các loại nhiệt kế công nghiệp sử dụng điện trở kim loại platin.

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ-9 Nhiệt kế dùng điện trở platin

1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ống platin 4) Dây nối 5) Sứ cách điện 6) Trục gá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng

Nhiệt kế bề mặt là thiết bị dùng để đo nhiệt độ của bề mặt vật rắn Chúng thường được sản xuất thông qua phương pháp quang hoá, sử dụng vật liệu có điện trở như Ni và Fe.

Nhiệt kế bề mặt được cấu tạo từ vật liệu như Ni hoặc Pt, với thiết kế có chiều dày lớp kim loại khoảng vài micromet và kích thước tổng thể khoảng 1 cm².

Hình CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ-10 Nhiệt kế bề mặt Đặc trưng chính của nhiệt kế bề mặt:

- Độ nhạy nhiệt : ~5.10 −3 /℃ đối với trường hợp Ni và Fe-Ni ~4.10 −3 ∕ ℃ đối với trường hợp Pt.

- Dải nhiệt độ sử dụng: -195 ℃ ÷ 260 ℃ đối với Ni và Fe-Ni.

Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo.

Điện trở này có độ nhạy nhiệt cao gấp khoảng 10 lần so với điện trở kim loại, với hệ số nhiệt âm và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ.

Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp các ôxít dẫn đa tinh thể như MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, và ZnTiO4 Quá trình sản xuất bao gồm việc trộn các bột ôxít theo tỷ lệ thích hợp, định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000 ℃ Các dây kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ kim loại, tạo ra các hình dạng khác nhau như đĩa hình trụ hoặc vòng Những vật liệu có điện trở suất cao cho phép chế tạo điện trở với giá trị thích hợp và kích thước nhỏ (khoảng mm), giúp đo nhiệt độ tại từng điểm với tốc độ đáp ứng nhanh Độ ổn định của nhiệt điện trở phụ thuộc vào quy trình chế tạo và điều kiện sử dụng, trong đó vỏ bọc bảo vệ giúp tăng cường độ bền và ổn định Cần tránh những thay đổi nhiệt độ đột ngột để ngăn ngừa rạn nứt vật liệu Dải nhiệt độ làm việc của nhiệt điện trở có thể từ vài độ tuyệt đối đến khoảng 300 °C, có thể mở rộng nhưng sẽ làm tăng đáng kể trị số điện trở khi hoạt động ở nhiệt độ cao.

3.3.3.2 Độ dẫn của nhiệt điện trở

Một cách tổng quát, độ dẫn của một chất bán dẫn được biểu diễn bởi công thức: σ = q ( μ n ⋅ n + μ p ⋅ p ) PT 37

Nồng độ điện tử và lỗ trống được ký hiệu lần lượt là n và p, trong khi độ linh động và điện tích của chúng được biểu thị bằng μ n, μ p và q Khi nhiệt độ tăng, các liên kết giữa các nguyên tử bị phá vỡ, dẫn đến sự hình thành cặp điện tử-lỗ trống Số lượng cặp điện tử-lỗ trống được hình thành trong một đơn vị thời gian có thể được mô tả bằng công thức cụ thể.

Trong nghiên cứu chất bán dẫn, T đại diện cho nhiệt độ tuyệt đối, Ei là năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết A và a là các hằng số đặc trưng cho từng loại vật liệu Đặc biệt, một điện tử tự do và một lỗ trống có khả năng tái hợp để tạo thành một liên kết, và số lần tái hợp này là một yếu tố quan trọng trong quá trình hoạt động của chất bán dẫn.

R trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị thể tích tỷ lệ với nóng độ điện tử và lỗ trống tự do:

R = r.np PT 39 trong đó r là hệ số tái hợp Vì n = p nên:

R =r n2 PT 40 Ở trạng thái cân bằng nồng độ diện tích tự do không thay đổi:

G¿ R PT 41 nghĩa là: n = √ A ⋅ T a exp r ( − kT q E i ) PT 42

Độ dẫn điện có thể được biểu diễn bằng công thức σ = C T b exp(−q E² / kT i), trong đó nhiệt độ ảnh hưởng đến độ linh động của điện tử μ n và lỗ trống μ p.

Ei là năng lượng liên kết.

C và b là các hằng số đặc trưng cho vật liệu.

3.3.3.3 Quan hệ điện trở - nhiệt độ

Từ biểu thức của độ dẫn ở có thể viết biểu thức của điện trở:

R ( T )= R 0 ⋅ ( T T 0 ) −b ⋅ exp { 2 q E kT i ⋅ ( 1 1 − 1 k ) } PT 44 trong đó R0 là điện trở ở nhiệt độ tuyệt đối T0 Do vậy có thể biểu diễn độ nhạy nhiệt dưới dạng: α R =

PT 45 Ảnh hướng của hàm mũ chiếm ưu thế hơn nên có thể viết lại:

Trong trường hợp này độ nhạy nhiệt có dạng: α R = − q E i

PT 47 Độ nhạy nhiệt cao của nhiệt điện trở cho phép ứng dụng chúng để phát hiện những biến thiên rất nhỏ của nhiệt độ (10 -4 + 10 -3 K).

Các nhiệt điện trở có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ vài độ K đến 300 °C, tuy nhiên, để đo nhiệt độ ngoài dải này, cần sử dụng vật liệu đặc biệt như cacbua silic và áp dụng biện pháp bảo vệ chống lại sự phá hủy hóa học Đối với nhiệt độ thấp, nhiệt điện trở có giá trị nhỏ (50 hoặc 100Ω) được sử dụng ở 25 °C, trong khi nhiệt độ cao yêu cầu nhiệt điện trở có điện trở lớn hơn (từ 100 đến 500Ω) ở nhiệt độ phòng Việc lựa chọn giá trị điện trở phù hợp phụ thuộc vào thiết bị đo cụ thể.

Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

3.4.1 Đặc trưng chung- Độ nhạy nhiệt

Cặp nhiệt điện bao gồm hai dây dẫn A và B được kết nối qua hai mối hàn T1 và T2 Suất điện động của cặp nhiệt điện phụ thuộc vào loại dây dẫn và nhiệt độ tại hai mối hàn Thông thường, nhiệt độ T1 được giữ cố định, gọi là nhiệt độ chuẩn, trong khi nhiệt độ tại T2 là một giá trị chưa biết, ký hiệu là Tx Tx được xác định bởi các yếu tố nhiệt độ và các quá trình trao đổi nhiệt.

Cặp nhiệt điện mang lại hai ưu điểm nổi bật: kích thước nhỏ gọn cho phép đo đạc nhanh chóng và linh hoạt ở nhiều vị trí, cùng với khả năng tự sinh ra điện động mà không cần nguồn điện bên ngoài, giúp loại bỏ hiện tượng đốt nóng.

Mặc dù cặp nhiệt điện có nhiều ưu điểm, nhưng nhược điểm lớn nhất là việc xác định chính xác nhiệt độ T1, dẫn đến sai số trong phép đo cũng ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị của Tx.

Suất điện động của cặp nhiệt điện là một hàm phi tuyến tính, với mỗi cặp có bảng chuẩn riêng để so sánh suất điện động theo nhiệt độ Ngoài ra, mỗi cặp còn có biểu thức phụ thuộc khác nhau, thể hiện sự đa dạng trong tính chất của chúng.

Ta lấy ví dụ cặp platin-30%rodi/platin-6%rodi trong khoảng 0 đến 1820 ℃ theo chuẩn NFC-42-321 sự phụ thuộc của suất điện động và nhiệt độ có dạng :

Trong đó các hệ số lần lượt là:

Trong các cặp nhiệt điện, khoảng làm việc được chia thành nhiều đoạn nhỏ, mỗi đoạn có biểu thức mô tả riêng Độ nhạy nhiệt của từng cặp tại nhiệt độ Tc được xác định qua công thức: s(Tc) = ⅆ ⅆ E T A/B c.

S là hàm nhiệt độ cú đơn vị là àV/ ℃ Vớ dụ: Fe/Constantan: s(0 ℃ )R , 9 àV/ ℃ , s(700 ℃ )c ,8 àV/ ℃

3.4.2 Các hiệu ứng nhiệt điện

3.4.2.1 Hiệu ứng Peltier Ở tiếp xúc giữa hai dây dẫn A và B khác nhau về bản chất nhưng cũng một nhiệt độ tồn tại một hiệu điện thế tiếp xúc Hiệu điện thế này chỉ phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ Đây chính là suất điện động Peltier :

Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm khác nhau trong một vật dẫn đồng nhất, sẽ xuất hiện một suất điện động Suất điện động này phụ thuộc vào bản chất của vật dẫn cũng như nhiệt độ tại hai điểm, được ký hiệu là T1 và T2.

Trong đó h là hệ số Thomson

Trong một mạch kín gồm hai vật dẫn A và B cùng hai chuyển tiếp với nhiệt độ T1 và T2, cặp nhiệt điện này chịu tác động của hiệu ứng Peltier và Thomson, từ đó sinh ra suất điện động Seebeck Suất điện động Seebeck được tính bằng tổng các suất điện động thành phần của mạch.

3.4.3 Phương pháp chế tạo và sơ đồ đo

Trong quá trình chế tạo cặp nhiệt, cần tránh tình trạng cặp nhiệt ký sinh, do các nguyên nhân như gấp khúc dây, nhiễm bẩn hóa học và bức xạ hạt nhân Đặc biệt, mối hàn phải được giữ nhỏ nhất có thể, vì nếu kích thước mối hàn lớn, sẽ dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ giữa các điểm khác nhau, gây ra suất điện động ký sinh không mong muốn.

Có ba kỹ thuật chính thường được sử dụng để hàn cặp nhiệt: - Hàn thiếc khi nhiệt độ sử dụng không cao quá.

- Hàn xì bằng đèn xì axêtylen.

Hàn bằng tia lửa điện yêu cầu dây dẫn phải được đặt trong sứ cách điện để tránh tiếp xúc ở vùng ngoài mối hàn Sứ cách điện cần có tính chất hóa học ổn định và điện trở lớn, tuy nhiên, cấu trúc của nó thường không bền vững cơ học Để bảo vệ, một lớp vỏ bọc bên ngoài được trang bị, đảm bảo kín để khí không lọt qua và chống lại sự thay đổi nhiệt độ đột ngột Vỏ bọc này thường làm bằng sứ hoặc thép; nếu sử dụng thép, mối hàn có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian đáp ứng.

Suất điện động Seebeck giữa hai đầu của cặp nhiệt cung cấp thông tin về nhiệt độ cần đo Để xác định chính xác, cần giảm thiểu sụt áp do dòng điện trong cặp nhiệt và dây dẫn Tuy nhiên, việc đo điện trở của chúng gặp khó khăn vì điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và nhiệt độ cần đo.

Người ta thường áp dụng hai phương pháp đo suất điện động:

- Sử dụng milivôn kế có điện trở trong rất lớn để giảm sụt thế trên dây dẫn.

- Sử dụng phương pháp xung đối để dòng chạy qua cặp nhiệt bằng không.

Phương pháp xung đối dựa trên nguyên tắc so sánh suất điện động cần đo với một điện áp đối V, đảm bảo rằng điện áp này bằng giá trị của suất điện động Giá trị của V có thể được xác định chính xác, thường là điện áp rơi trên một điện trở có dòng điện chạy qua.

Đo nhiệt độ bằng diot và tranzito

Nhiệt độ có thể được đo bằng cách sử dụng linh kiện nhạy cảm như điot hoặc tranzito được mắc theo kiểu điot (nối B với C) với dòng điện I không đổi Điện áp giữa hai cực của linh kiện này sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ Độ nhạy nhiệt của điot hoặc tranzito mắc theo kiểu điot được xác định bởi một biểu thức cụ thể.

Độ nhạy nhiệt có giá trị - 2,5 mV/C và có thể bị ảnh hưởng bởi dòng ngược lạ Dòng này có sự biến đổi lớn giữa các linh kiện khác nhau, vì vậy cần lựa chọn các linh kiện có đặc trưng tương đồng Để đảm bảo tính nhất quán, các linh kiện cần có cùng điện áp V và dòng I cho một giá trị dòng cụ thể.

Hình cảm biến nhiệt độ sử dụng các linh kiện như diode, transistor và cặp transistor mắc theo kiểu diode để cải thiện độ tuyến tính và khả năng thay thế Sơ đồ mạch thường sử dụng cặp tranzito đấu theo kiểu diode đối nhau với hai dòng I1 và I2 không đổi, giúp đo hiệu điện thế B-E và loại trừ ảnh hưởng của dòng ngược lạ Độ nhạy nhiệt được tính toán theo biểu thức cụ thể.

PT 55 hoặc tính bằng số:

Độ nhạy nhiệt của I 2 (μV.K − 1) PT 56 vượt trội hơn so với cặp nhiệt, nhưng lại thấp hơn so với nhiệt điện trở Một điểm đặc biệt là phương pháp này không yêu cầu nhiệt độ chuẩn.

Dải nhiệt độ làm việc của cảm biến bị giới hạn từ -50°C đến 150°C, do sự thay đổi tính chất điện ở các nhiệt độ cực trị Trong khoảng nhiệt độ này, cảm biến đảm bảo độ ổn định cao.

ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ TRONG NGÔI NHÀ THÔNG MINH

Cảm biến nhiệt độ là yếu tố then chốt trong các hệ thống nhà thông minh, giúp tối ưu hóa tiện nghi và hiệu suất năng lượng Chúng không chỉ tự động theo dõi và điều chỉnh nhiệt độ mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống cho cư dân Dưới đây là những ứng dụng cụ thể của cảm biến nhiệt độ trong ngôi nhà thông minh.

1 Điều Khiển Nhiệt Độ Tự Động (HVAC System)

Hệ thống HVAC thông minh sử dụng cảm biến nhiệt độ để tự động điều chỉnh nhiệt độ trong nhà, đáp ứng nhu cầu của người dùng một cách hiệu quả.

Cảm biến nhiệt độ có thể được lắp đặt ở nhiều phòng trong nhà để theo dõi và duy trì nhiệt độ lý tưởng, từ đó tiết kiệm năng lượng bằng cách chỉ điều chỉnh nhiệt độ ở những khu vực cần thiết.

Hệ thống điều hòa không khí thông minh có khả năng học hỏi thói quen của người dùng, giúp tự động điều chỉnh nhiệt độ phù hợp vào các thời điểm khác nhau trong ngày.

2 Tối Ưu Hóa Tiết Kiệm Năng Lượng

Cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa năng lượng cho nhà thông minh, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo sự thoải mái cho cư dân.

Thermostat thông minh là thiết bị tích hợp cảm biến nhiệt độ, cho phép tự động điều chỉnh nhiệt độ trong các phòng dựa trên thói quen sinh hoạt của người dùng và điều kiện thời gian thực.

Giảm năng lượng vào ban đêm là một giải pháp hiệu quả, khi cảm biến nhiệt độ tự động điều chỉnh mức nhiệt độ trong phòng khi không có người Điều này giúp giảm nhiệt độ vào ban đêm hoặc khi không cần thiết, từ đó tiết kiệm năng lượng một cách tối ưu.

3 Quản Lý Nhiệt Độ theo Phòng và Khu Vực

Cảm biến nhiệt độ giúp kiểm soát nhiệt độ cho từng phòng hoặc khu vực trong nhà, từ đó tối ưu hóa sự thoải mái cho từng cá nhân.

Các cảm biến nhiệt độ trong phòng ngủ, phòng khách và nhà bếp có thể kết nối với hệ thống HVAC hoặc thiết bị sưởi ấm/làm mát, giúp tự động điều chỉnh nhiệt độ và tạo ra môi trường sống thoải mái cho mọi người.

Các phòng có mục đích đặc biệt như phòng trẻ em hoặc phòng làm việc có thể yêu cầu mức nhiệt độ khác nhau, và điều này có thể được tự động điều chỉnh thông qua cảm biến nhiệt độ.

4 Phát Hiện và Ngăn Ngừa Vấn Đề Nhiệt Độ

Cảm biến nhiệt độ thông minh trong nhà giúp phát hiện những biến động bất thường về nhiệt độ tại các khu vực cụ thể, từ đó ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng như cháy nổ hoặc rò rỉ nhiệt.

Cảm biến nhiệt độ là công cụ hiệu quả trong việc phát hiện sự gia tăng nhiệt độ nhanh chóng tại các khu vực như bếp hoặc gần thiết bị điện Khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn, hệ thống sẽ gửi cảnh báo đến điện thoại người dùng hoặc tự động kích hoạt hệ thống phòng cháy chữa cháy.

Cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc chống đóng băng ở những khu vực như tầng hầm, gác mái và ống dẫn nước Chúng có khả năng phát hiện nhiệt độ thấp bất thường và gửi cảnh báo cho người dùng khi nhiệt độ đạt mức có thể gây ra sự cố đóng băng, từ đó giúp ngăn ngừa hư hỏng hiệu quả.

5 Tích Hợp với Các Thiết Bị Khác trong Nhà Thông Minh

Cảm biến nhiệt độ có khả năng tích hợp với các thiết bị khác trong hệ thống nhà thông minh, tạo nên một môi trường sống tự động và thông minh Ứng dụng của nó bao gồm việc điều khiển ánh sáng, khi cảm biến nhiệt độ kết hợp với cảm biến độ ẩm để điều chỉnh ánh sáng trong nhà, từ đó giúp tiết kiệm điện năng.

Rèm cửa thông minh sử dụng cảm biến nhiệt độ để tự động điều chỉnh, giúp đóng mở rèm dựa trên mức độ ánh sáng và nhiệt độ trong phòng, mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm năng lượng cho người sử dụng.