Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động

Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo Hình 1.6: ối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở Về phương diện năng lư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT

BỊ ĐIỆN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT

BỊ ĐIỆN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Sư phạm kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học: Th.S TRẦN QUANG HUY

HÀ NỘI, 2015

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên trong khoá luận tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới toàn thể các thầy, cô giáo trong khoa Vật Lý, trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã nhiệt tình chỉ bảo, dạy dỗ tôi trong suốt những năm học vừa qua

Tôi xin chân thành cảm ơn Th.S Trần Quang Huy đã hướng dẫn, quan

tâm, chỉ bảo tận tình để tôi hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, khích lệ, giúp đỡ về mọi mặt trong quá trình tôi hoàn thành kh a luận tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 05 năm 2015 Sinh viên

Nguyễn Thị Thu Hà

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài nghiên cứu khoa học này được thực hiện từ tháng 10 năm 2014 đến tháng 05 năm 2015 tại Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, phường Xuân Hòa, thị xã Phúc Yên, tỉnh Vĩnh Phúc

Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu này hoàn thành do sự cố gắng tìm hiểu nghiên cứu của bản thân cùng sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình và hiệu quả của

Th.S Trần Quang Huy cũng như thầy, cô trong khoa Vật Lý, trường Đại học

Sư phạm Hà Nội 2 Đây là đề tài nghiên cứu không trùng với kết quả của các tác giả khác

Nếu những lời trên sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, tháng 05 năm 2015 Sinh viên

Nguyễn Thị Thu Hà

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ của đề tài 2

5 Phương pháp nghiên cứu đề tài 2

6 Cấu trúc kh a luận 2

NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 3

1.1 Điện thoại di động 3

1.1.1 Cấu tạo cơ bản 3

1.1.2 Nguyên lý hoạt động 3

1.2 Tín hiệu DTMF 4

1.2.1 Định nghĩa 4

1.2.2 Phát tín hiệu DTMF thông qua Keypad 4

1.2.3 IC MT8870 thu tín hiệu DTMF 6

1.3 Quang điện trở 9

1.3.1 Định nghĩa 9

1.3.2 Nguyên lý làm việc 9

1.3.3 Ứng dụng của quang điện trở 10

1.4 Kỹ thuật cảm biến 11

1.4.1 Khái niệm và phân loại cảm biến 11

1.4.2 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến 17

1.4.3 Mạch đo 19

1.4.4 Cảm biến quang 21

1.5 Mạch khuếch đại thuật toán 31

1.5.1 Tổng quan về mạch khuếch đại thuật toán 31

1.5.2.Các đặc tính kỹ thuật của mạch khếch đại 32

1.5.3 Các dạng mạch cơ bản của mạch khuếch đại 32

1.5.4.Các dạng vi mạch của mạch khuếch đại 34

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG 37

2.1 Ý tưởng thiết kế 37

2.2 Sơ đồ khối của mạch 37

2.3 Nguyên lý hoạt động 38

2.4 Thiết kế mạch nguyên lý 39

2.4.1 Khối nguồn 39

2.4.2 Khối cảm biến 40

2.4.3 Khối khuếch đại 40

2.4.4 Khối hiển thị 40

CHƯƠNG 3: THI CÔNG VÀ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN TỬ 41

3.1 Mục đích thiết kế mạch điện 42

3.2 Thiết kế phần cứng 42

3.3 Mạch điện sau khi lắp ráp 42

3.4 Sản phẩm chế tạo 43

3.4.1 Hình ảnh hệ thống khi chưa hoạt động 45

3.4.2 Hình ảnh hệ thống khi c người gọi tới 45

3.4.3 Hình ảnh hệ thống khi c tín hiệu báo động 45

3.4.4 Hình ảnh hệ thống khi không c tín hiệu báo động 46

KẾT LUẬN 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Bàn phím chuẩn 12 nút

Hình 1.2: Bàn phím mở rộng 16 phím

Hình 1.3: IC thu DTMF MT8870

Hình 1.4: Sơ đồ khối của MT8870

Hình 1.5: Hình dạng của quang điện trở

Hình 1.6: Mối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở

Hình 1.7: Mạch báo động

Hình 1.8: Mạch mở rộng tự động về đêm dùng AC

Hình 1.9: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt

Hình 1.10: Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán

Hình 1.11: Phổ ánh sáng

Hình 1.12: Ảnh hưởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn được giải ph ng Hình 1.13: Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lượng của điện tử Hình 1.14: Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn

Hình 1.15: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng

Hình 1.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn

Hình 1.17: Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle

Hình 2.1: Sơ đồ khối của mạch

Hình 2.2: Sơ đồ mạch nguyên lý hệ thống

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý của khối nguồn trong mạch

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại trong mạch điện

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị của mạch

Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện sau khi lắp ráp

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống khi chưa hoạt động

Hình 3.3: Hình ảnh hệ thống khi chưa hoạt động

Hình 3.4: Hình ảnh hệ thống khi c người gọi tới

Hình 3.5: Hình ảnh hệ thống khi c tín hiệu báo động

Hình 3.6: Hình ảnh hệ thống khi không c tín hiệu báo động

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, công nghệ điện thoại di động ngày một phát triển mạnh Điện thoại trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con người trong nhịp sống hiện đại chiếc điện thoại gần như lúc nào cũng được chúng ta mang theo bên người Bởi vậy ngoài khả năng nghe, gọi, nhắn tin, truy cập internet, giải trí …

vv thì một câu hỏi được đặt ra là: C thể dùng điện thoại di động để điều khiển các thiết bị điện như tủ lạnh, tivi, điều hoà nhiệt độ, máy tính, lò vi s ng, quạt điện, đèn chiếu sáng, bình n ng lạnh vv không?

Trong thực tế cuộc sống c không ít lần chúng ta đi đến công ty hay đi ra ngoài mà quên không tắt máy tính, điều hoà, bình n ng lạnh … vv và nhiều khi chúng ta phải trở về nhà chỉ để tắt các thiết bị này bởi nhiều lý do như: Nguy cơ cháy nổ, nguy hiểm, hỏng h c, tốn điện … Trong những ngày mùa đông lạnh trước khi đi làm về chúng ta muốn c sẵn nước n ng để tắm cho thoải mái sau một ngày làm việc hay chúng ta muốn ngồi một chỗ để điều khiển công việc từ

xa vv

Xuất phát từ những yêu cầu thực tế cuộc sống, tôi đã chọn đề tài

“Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động” để

nghiên cứu thu tín hiệu DTMF từ điện thoại di động, để từ đ giải mã và đưa ra được các tín hiệu điều khiển bật/ tắt thiết bị điện.Với khả năng này chúng ta chỉ cần mang điện thoại ra và gọi điện nhập mã điều khiển là c thể yên tâm các thiết bị điện chúng ta đã ở trạng thái tắt/ bật như ý muốn

2 Mục tiêu của đề tài

- Hệ thống h a lý luận và nguyên tắc cấu tạo, hoạt động vào việc chế tạo mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện thoại di động

- Nghiên cứu chế tạo mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện thoại di động trong gia đình

- Thí nghiệm, đánh giá, tính khả thi, hiệu quả kinh tế của sản phẩm khi chế tạo

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Mạch điện tử điều khiển thiết bị điện

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Sử dụng mạng điện thoại di động

4 Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu về điện thoại di động

- Thiết kế mạch điều khiển thiết bị điện thông qua mạng điện thoại di động

5 Phương pháp nghiên cứu đề tài

Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

6 Cấu trúc khóa luận

Chương 1: Kiến thức tổng quan

Chương 2: Thiết kế mạch điều khiển thiết bị điện bằng điện thoại di động Chương 3: Thi công và chế tạo mạch điện tử

NỘI DUNG CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1.1 Điện thoại di động

Điện thoại di động (còn gọi là cell phone, điện thoại cầm tay handies hoặc cellular phone) là thiết bị viễn thông liên lạc c gắn anten trong máy với bộ phận phát điện và thu phát tín hiệu

1.1.1 Cấu tạo cơ bản

- Phần thu phát thoại: Gồm c loa và mic Loa c nhiệm vụ biến đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu điện và mic thì c nhiệm vụ ngược lại biến tín hiệu điện thành tín hiệu âm thanh

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Khi ta thực hiện cuộc gọi dao động âm thanh của tiếng n i sẽ tác động vào màng rung của mic làm xuất hiện dòng điện biến đổi tương ứng trong mạch Dòng điện biến đổi này được truyền trên đường dây điện thoại và được chuyển

mạch đến máy điện thoại được gọi, làm cho màng rung của loa dao động, lớp

không khí trước màng sẽ dao động theo phát ra âm thanh tác động đến tai người nghe và quá trình truyền dẫn ngược lại cũng tương tự

Phiên bản của DTMF sử dụng cho tín hiệu điện thoại được biết đến như hãng Touch-Tone, và được tiêu chuẩn hoá bởi ITU-T là Q.23 Tín hiệu DTMF

c thể được phát hoặc thu bằng một IC chuyên dụng (VD: MTD887X)

Hệ thống DTMF đang phát triển và trở thành phổ biến trong hệ thống điện thoại hiện nay Hệ thống này được hình thành vào năm 1960 nhưng mãi đến năm 1970 mới được phát triển rộng rãi

1.2.2 Phát tín hiệu DTMF thông qua Keypad

Trong DTMF mỗi chữ số chọn lựa c tín hiệu dưới dạng tổ hợp của hai tần số xoay chiều Khi một nút được bấm, hai tần số mô tả chữ số được phát ra

và được gửi một cách đồng thời Đặc biệt là hai âm thanh này không cùng âm, tức là tần số của âm thanh này không c cùng ước số chung với âm thanh kia, điều này để tránh sự nhầm lẫn vô tình với âm hiệu n i, sự phân tách rõ ràng giữa hai loại này là rất cần thiết Ví dụ như hai tần số 750 và 500 là hai tần số không thể kết hợp thành tín hiệu DTMF vì c cùng ước số chung là 250, hai tần số này

là hai âm thanh cùng âm

Keypad chuẩn là một ma trận chữ nhật gồm ba cột và bốn hàng (3x4) tạo nên tổng cộng là 12 phím nhấn: Trong đ c 10 phím cho chữ số (từ 0 đến 9), hai phím đặc biệt là „*‟ và „#‟ Mỗi hàng trên bàn phím bấm được gán cho một

tần số tín hiệu thấp, mỗi cột được gán cho tần số tín hiệu cao Mỗi một phím sẽ

c một tín hiệu DTMF riêng được tổng hợp bởi hai tần số tương ứng với hàng và cột mà phím đ đang đứng Những tần số này đã được lựa chọn cẩn thận sao cho

c lợi cho việc thiết kế bộ lọc và dễ dàng truyền đi trên đường dây điện thoại

Hình 1.1: Bàn phím chuẩn 12 nút

Ngày nay, người ta còn cho thêm một vài phím để tạo nên bảng mã được nằm trong một ma trận (4x4) với mỗi hàng miêu tả bằng một tần số thấp và mỗi cột miêu tả bằng một tần số cao

Hình 1.2: Bàn phím mở rộng 16 phím

1.2.3 IC MT8870 thu tín hiệu DTMF

Hình 1.3: C thu D 8870

Định nghĩa các chân như sau:

- PIN 1 (IN+) Non - Investing op - amp: Ngõ vào không đảo

- PIN 2 (IN-) Investing op - amp: Ngõ vào đảo

- PIN 3 (GS) Gain Select: Giúp truy xuất ngõ ra của bộ khuếch đại vi sai đầu cuối qua điện trở hồi tiếp

- PIN 4 (Vref ) Reference Voltage: Ngõ ra (thông thường bằng VDD/ 2)

- PIN 5 (INH) Inhibit: Ngõ vào (khi chân này ở mức logic cao thì không nhận được ký tự A, B, C ở ngõ ra)

- PIN 6 (PWDN) Power down: Ngõ vào tác động mức cao (khi chân này tác động thì sẽ cấm mạch dao động và IC 8870 hoạt động)

- PIN 7 (OSC 1): Clock ngõ vào MHz

- PIN 8 (OSC 2): Clock ngõ ra (nối hai chân 7 và 8 với thạch anh 3.579545 MHz, để tạo một mạch dao động nội)

- PIN 9 (VSS): Nối GND

- PIN 10 (TOE) Three Stage Output Enable: Ngõ vào, ngõ ra Q1- Q4 hoạt động khi TOE ở mức cao

- PIN 11-14 từ Q1- Q4: Ngõ ra (khi TOE ở mức cao các chân này cung cấp mã tương ứng với các cặp Tone dò tìm được theo bảng chức năng Khi TOE

ở mức thấp dữ liệu ngõ ra ở trạng thái trở kháng cao)

- PIN 15 (STD) Delayed Steering: Ngõ ra, ở mức cao khi gặp tần số Tone đã được ghi nhận và ngõ ra chốt thích hợp, trở về mức thấp khi điện áp trên ST/ GT nhỏ hơn điện áp ngưỡng VTST

- PIN 16 (EST): Early Steering (ngõ ra), chân này lên mức [1] khi bộ thuật toán nhận được cặp Tone và trở về mức [0] khi mất Tone

- PIN 17 (ST/ GT): Steering Input / Guard tune output (ngõ ra), khi điện

áp lớn hơn VTST thì ST sẽ điều khiển dò tìm cặp Tone và chốt ngõ ra

- PIN 18 (VDD): Điện áp cung cấp, thường là +5V

IC nhận tín hiệu DTMF từ đường điện thoại qua chân 2 (IN-), sau khi thực hiện giải mã n đưa dữ liệu ra 4 chân (từ chân 11 đến chân 14) dưới dạng 4 bit nhị phân

Hình 1.4: Sơ đồ khối của 8870

Q2: Logic 1 Q1: Logic 0

Q1: Logic

Khi bấm số điện thoại thì StD c mức logic là „1‟, còn khi ta không bấm thì StD c mức logic là „0‟ Còn các chân Q1, Q2, Q3, Q4 là mã BCD của số điện thoại

1.3 Quang điện trở

1.3.1 Định nghĩa

Là điện trở c trị số càng giảm khi được chiếu sáng mạnh Điện trở tối (khi không được chiếu sáng – ở trong b ng tối) thường trên 1MΩ, trị số này giảm rất nhỏ c thể dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh

a) b)

Hình 1.5: Hình dạng của quang điện trở

a) Hình dạng thật b) Ký hiệu

1.3.2 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (c thể là Cadmium sulfide – Cds, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn

Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo

Hình 1.6: ối quan hệ giữa cường độ ánh sáng và giá trị điện trở

Về phương diện năng lượng, ta n i ánh sáng đã cung cấp một năng lượng

E = hf để các điện tử nhảy từ dãy h a trị lên dãy dẫn điện Như vậy năng lượng cần thiết phải lớn hơn năng lượng của dãy cấm

1.3.3 Ứng dụng của quang điện trở

Mạch báo động

Hình 1.7: ạch báo động

Khi quang điện trở được chiếu sáng (trạng thái thường trực) c điện trở

nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, điện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện qua tải làm cho mạch báo động hoạt động

Người ta cũng c thể dùng mạch như trên, với tải là một b ng đèn để c thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày Hoặc c thể tải là một relais để điều khiển một mạch báo động c công suất lớn hơn

Mạch mở điện tự động về đêm dùng AC

Hình 1.8: ạch mở điện tự động về đêm dùng AC

Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ Điện thế ở điểm A không đủ để

mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A, thông Diac và kích Triac dẫn điện, b ng đèn sáng lên

Các đại lượng cần đo (m) thường không c tính chất điện (như nhiệt độ,

áp suất …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):

Trong đ : s là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến

m là đại lượng đầu vào hay kích thích (c nguồn gốc là đại lượng cần đo)

Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m)

1.4.1.2 Phân loại cảm biến

Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến c thể được chia thành nhiều loại khác nhau

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng – kích thích

Hiện tượng vật lý Nhiệt điện

Quang điện Quang từ Điện từ Quang đàn hồi

Từ điện Nhiệt từ

H a học Biến đổi h a học

Biến đổi điện h a Phân tích phổ

Sinh học Biến đổi sinh h a

Biến đổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống

Bảng 1.1: Phân loại cảm biến theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và

kích thích

Theo dạng kích thích

Âm thanh - Biên pha, phân cực – Phổ - Tốc độ truyền s ng

Điện - Điện tích, dòng điện – Điện thế, điện áp – Điện trường (biên,

pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi …

Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ

trường – Độ từ thẩm

- Tốc độ truyền – Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ

Quang - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền – Hệ số phát xạ, khúc

xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ

Cơ - Vị trí – Lực, áp suất – Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng –

Mômen – Khối lượng, tỉ trọng – Vận tốc chất lưu, độ nhớt Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng – Nhiệt dung, tỉ nhiệt

Bức xạ - Kiểu – Năng lượng – Cường độ …

Bảng 1.2: Phân loại cảm biến theo dạng kích thích

Theo tính năng của bộ cảm biến

- Độ nhạy – Độ chính xác – Độ phân

giải – Độ chọn lọc – Độ tuyến tính –

Công suất tiêu thụ - Dải tần

- Khả năng quá tải – Tốc độ đáp ứng

- Độ ổn định – Tuổi thọ - Điều kiện môi trường – Kích thước, trọng lượng – Độ trễ

Bảng 1.3: Phân loại cảm biến theo tính năng bộ cảm biến

Phân loại theo phạm vi sử dụng

- Công nghiệp

- Nghiên cứu khoa học

- Môi trường, khí tượng

- Thông tin, viễn thông

Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế

- Cảm biến tích cực c đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

- Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M … tuyến tính hoặc phi tuyến

1.4.2 Các đặc trưng cơ bản

1.4.2.1 Độ nhạy của cảm biến

Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm c sự liên hệ tuyến tính: Δs = S.Δm

Đại lượng S xác định bởi biểu thức

(1.2) được gọi là độ nhạy của cảm biến

Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung

lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đ :

1.4.2.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh

Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị 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 (1.3) 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:

(1.4)

Từ (1.4),ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ

1.4.2.3 Độ nhạy trong chế độ động

Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian

1.4.3 Giới hạn sử dụng của cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng

sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này

1.4.3.2 Vùng không gây nên hư hỏng

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý c liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên

hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến c thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng

1.4.3.3 Vùng không phá huỷ

Vùng không phá hủy là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý c liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến

1.4.4 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến

Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại:

- Cảm biến tích cực: Là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s)

là điện tích, điện áp hay dòng

- Cảm biến thụ động: Là các cảm biến hoạt động như một trở kháng Trong đ đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung

1.4.4.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực

Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đ (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện Dưới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến

Hiệu ứng quang điện

- Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải

ph ng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ n i chung) c bước s ng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định

- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải ph ng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng c thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường

1.4.4.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng c các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ, hằng số điện môi ε) Vì vậy tác động của đại lượng đo c thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai

Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến Trong các cảm biến

c phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng, cho nên đo trở kháng c thể xác định được vị trí của đối tượng Trong cảm biến c phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đ liên quan đến đại lượng cần đo Xác định trở kháng ta c thể xác định được đại lượng cần đo

Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm )

Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của n chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể Khi đ c thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến

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

Bảng 1.4: Giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi tính

chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến

1.4.5 Mạch đo

1.4.5.1 Sơ đồ mạch đo

Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đ c cảm biến) cho phép xác định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất c thể

Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo gây nên tính hiệu điện mang theo thông tin về đại lượng cần đo

Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang dạng

c thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị đầu ra tương ứng với một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào của mạch

Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu

và thiết bị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivôn kế