Linh kiện cảm biến và ứng dụng

Cảm biến là các thiết bị giúp con người có thể điều khiển, đo đạc và xử lý nhiều đại lượng không điện hoặc có điện như: nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm của môi trường, mật độ ion trong dung dị

LINH KIỆN CẢM BIẾN VÀ ỨNG

LỜI CẢM ƠN

Khi bắt đầu nghiên cứu đề tài “Linh kiện cảm biến và ứng dụng” tôi đã biết

có những lúc gặp khó khăn về việc tìm tài liệu, gặp những khúc mắc về kiến thức, nhưng qua quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của GVHD, sự cố gắng của bản thân cuối cùng tôi cũng hoàn thành xong

đề tài “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

Đề tài này là vốn kiến thức quí báu cho tôi sau khi ra trường, nó có ảnh hưởng rất lớn đến công việc học tập và giảng dạy của tôi sau này Vì thế tôi vô cùng biết

ơn các thầy cô trường Đại học Cần Thơ mà đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn

sư phạm Vật Lý đã tận tình giảng dạy cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường, tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến quí thầy cô

Đặc biệt với sự giúp đỡ của thầy Vương Tấn Sĩ tôi đã vượt qua những lúc khó khăn để hoàn thành đề tài, tôi xin chân thành cảm ơn thầy, cảm ơn thầy trong suốt thời gian vừa qua đã giúp đỡ và động viên em, để em hoàn thành đề tài này,

em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện Nguyễn Bình Kha

MỤC LỤC

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài 4

2 Mục đích nghiên cứu 5

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

3.1 Đối tượng nghiên cứu 5

3.2 Phạm vi nghiên cứu 5

4 Phương pháp nghiên cứu 6

5 Các bước thực hiện đề tài 6

6 Tổng quan về việc sử dụng các mạch cảm biến trong đời sống hiện nay 7

B PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÁC CẢM BIẾN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1 Nguyên tắc hoạt động chung của các cảm biến 8

2 Phân loại cảm biến 9

2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích 9

2.2 Theo dạng kích thích 10

2.3 Theo tính năng các bộ cảm biến 11

2.4 Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến 11

3 Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến 11

3.1 Hàm truyền 12

3.2 Độ lớn của tín hiệu vào 13

3.3 Sai số và độ chính xác 13

4 Chuẩn các bộ cảm biến 14

4.1 Chuẩn đơn giản 15

4.2 Chuẩn nhiều lần 15

5 Độ tuyến tính 16

5.1 Điều kiện có tuyến tính 16

5.2 Đường thẳng tốt nhất – độ lệch tuyến tính 16

6 Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng 17

7 Cảm biến tích cực và thụ động 18

8 Mạch giao diện 21

8.1 Các đặc tính đầu vào của mạch giao diện 21

8.2 Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA) 21

8.3 Bộ khuếch đại đo lường IA 22

9 Truyền dữ liệu 25

9.2.Đường truyền bốn dây 25

9.3 Đường truyền sáu dây 26

10 Nhiễu 26

11 Giới thiệu một số cảm biến 27

11.1 Cảm biến nhiệt độ 27

11.2 Cảm biến quang 35

11.3 Cảm biến vị trí và dịch chuyển 48

11.4 Cảm biến đo áp suất 49

11.5 Cảm biến đo vận tốc 54

11.6 Cảm biến thông minh 59

12 Để được một mạch cảm biến hoàn chỉnh 66

CHƯƠNG II SỬ DỤNG PHẦN MỀM CROCODILE MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ MẠCH CẢM BIẾN VÀ ĐƯA RA ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 1 Giới thiệu sơ lược các mạch cảm biến 68

2 Ứng dụng 68

2.1 Ứng dụng của quang điện trở trong mạch tự động bật đèn khi trời tối 68

2.2 Ứng dụng của phototransistor trong mạch chống trộm 72

2.3 Mạch báo nước cạn và tự động bơm nước đầy 74

2.4 Ứng dụng của nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor) trong mạch đo nhiệt độ

môi trường 77

2.5 Ứng dụng của Phototransistor trong mạch đèn nhấp nháy 79

2.6 Mạch cảm biến báo mức chất lỏng và tự động bơm nước khi nước cạn 81

C KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, thế giới đang trên đà phát triển về tất cả mọi mặt mà đặc biệt quan trọng đối với đời sống con người đó chính là việc phát triển mạnh mẽ lĩnh vực công nghệ thông tin, điện và điện tử Ngày nay ánh đèn điện và máy vi tính đã trở nên quen thuộc và là nhu cầu không thể thiếu của con người Sự đóng góp quan trọng của công nghệ kỹ thuật điện và công nghệ thông tin là chìa khóa giúp con người phát triển và tìm ra những điều mới, những phát minh để phục vụ cho đời sống con người Không những biết cách phát triển các lĩnh vực riêng lẻ đó

mà chúng ta đang tiến hành việc kết hợp hai lĩnh vực quan trọng này lại với nhau

để tìm đến những ứng dụng mới tiện lợi mới, sự ra đời của ngành khoa học mang tên “Kỹ thuật điện tử” là bước nhảy vọt quan trọng trong việc kết hợp hai lĩnh vực kỹ thuật điện và công nghệ thông tin

Kỹ thuật điện tử ngày nay đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác nhau mà điển hình đó là Vật Lý học Việc chế tạo ra các vi điều khiển (chip) dựa trên ngôn ngữ lập trình (phần mềm) và các linh kiện điện tử (phần cứng) là một minh chứng cho sự tiện lợi của Kỹ thuật điện tử Gắn liền với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học mới là sự ra đời của các vi điều khiển tinh vi và nhỏ gọn hơn, dần dần đó là sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của cảm biến (sensor) Cảm biến là các thiết bị giúp con người có thể điều khiển, đo đạc và xử lý nhiều đại lượng (không điện hoặc có điện) như: nhiệt

độ, ánh sáng, độ ẩm của môi trường, mật độ ion trong dung dịch, nồng độ chất độc hại trong môi trường, nồng độ phóng xạ, các luồng sóng siêu âm…Từ đó chúng ta có thể đánh gía phẩm chất tình trạng của một vật thể một cách đơn lẻ hay cả trong một hệ thống máy móc tự động hóa Một ví dụ điển hình là các robot công nghiệp hoạt động một cách hoàn toàn tự động dưới sự hỗ trợ và giám sát liên tục của các cảm biến, hay đơn giản hơn là các mạch cảm biến phát cảnh báo, điều khiển hệ thống đèn

Xuất phát từ nhiều ứng dụng thực tế của các mạch cảm biến trong đời sống

và niềm đam mê học hỏi và sáng tạo tôi đã thực hiện đề tài nghiên cứu “Linh kiện cảm biến và ứng dụng”

2 Mục đích nghiên cứu

Việc sử dụng các cảm biến ngày nay đang trở nên phổ biến và gần gũi hơn với tất cả mọi người vì vậy chúng ta cần nghiên cứu các cảm biến về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của chúng, từ đó chúng ta sẽ sử dụng các cảm biến có hiệu quả tốt hơn

Biết được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến và một số kiến thức

về điện tử căn bản ta có thể ráp được một một số mạch cảm biến đơn giản phục

vụ nhu cầu trong gia đình và xa hơn nữa là phục vụ trong các lĩnh vực của đời sống xã hội

Mục đích chính của đề tài cũng chính là việc đưa ra các mạch cảm biến ứng dụng trong cuộc sống từ việc nghiên cứu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chúng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là các cảm biến thường dùng như: cảm biến quang, cảm biến nhiệt, cảm biến áp suất , ngoài ra các linh kiện điện tử như

IC, transistor…các linh kiện bán dẫn cũng là nhóm đối tượng nghiên cứu thêm của đề tài

Từ việc nghiên cứu các đối tượng trên đề tài sẽ đi đến việc nghiên cứu các ứng dụng của chúng là các mạch cảm biến, mạch điện tử đơn giản

4 Phương pháp nghiên cứu

Sưu tầm và tổng hợp các tài liệu có liên quan đến các đối tượng nghiên cứu của đề tài

Thực hành ráp các mạch cảm biến, mạch điện tử trên máy tính (dùng phần mềm Crocodile)

5 Các bước nghiên cứu

Đầu tháng 10 năm 2009 nhận đề tài từ giáo viên hướng dẫn

Từ ngày 02 đến ngày 31 tháng 10 năm 2009 viết đề cương và bản thảo của luận văn

Từ ngày 01 đến 30 tháng 11 năm 2009 sưu tầm và tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài

Từ ngày 01 đến 30 tháng 12 năm 2009 hoàn thành xong phần mở đầu của đề tài

Từ ngày 01 đến 30 tháng 01 năm 2010 hoàn thành xong phần nội dung chương I của đề tài

Từ ngày 20 tháng 02 đến ngày 20 tháng 04 năm 2010 hoàn thành xong phần nội dung chương II (lý thuyết và ráp mạch trên Crocodile) của đề tài

Từ ngày 21 đến ngày 28 tháng 04 năm 2010 hoàn thành xong phần kết luận của đề tài, hoàn thành xong nội dung của đề tài

Ngày 29 tháng 04 năm 2010 nộp bài cho GVHD và GVPB

Ngày 12 tháng 05 năm 2010 báo cáo đề tài

6 Tổng quan về việc sử dụng các mạch cảm biến trong đời sống hiện nay

Trong cơ thể con người các giác quan đóng vai trò thu nhận thông tin từ bên ngoài, cũng như thế các dữ liệu thông tin từ bên ngoài của một hệ thống máy móc, điện tử tự động được cảm biến tiếp nhận xử lý trước khi đưa về trung tâm

để tiếp tục được xử lý và phản hồi cho việc đo đạc và tự động hóa

Các bộ cảm biến ngày nay được xem như một phần tử được sản xuất hang loạt và có mặt rộng rãi trên thị trường bao gồm một chuyển đổi đo lường sơ cấp đặt trong vỏ bảo vệ, có hình dạng và kích thước phù hợp cho nhu cầu sử dụng Với nhiều kích cỡ và chức năng khác nhau cảm biến dễ dàng đi sâu vào các lĩnh vực của đời sống xã hội Trong công nghiệp là các cảm biến điều khiển robot hoạt động, điều khiển một dây chuyền sản xuất, các mã vạch cũng chính là ứng dụng của cảm biến (cảm biến quang) Trong lĩnh vực nông nghiệp thì cảm biến chính là các máy đo độ pH, máy đo độ ẩm Trong công nghệ thông tin: công nghệ cáp quang cũng chính là một thành tựu của cảm biến đo lường và điều khiển

Trong đời sống hàng ngày chúng ta cũng có thể thấy được các ứng dụng của cảm biến như hệ thống đèn đường (cảm biến quang), một số máy đo nhiệt độ và các thiết bị báo động cháy nổ là ứng dụng của cảm biến nhiệt và cảm biến khói, các máy đo lực nén là ứng dụng của cảm biến biến dạng

Việc sử dụng cảm biến để phục vụ nhu cầu của con người ngày nay đã trở nên quen thuộc và dễ dàng hơn cho tất cả mọi người

B PHẦN NỘI DUNG

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CÁC CẢM BIẾN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN

1 Nguyên tắc hoạt động chung của các cảm biến:

Trong các hệ thống đo lường – điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment…Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu kích thích Các bộ cảm biến thường được định nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tính hiệu và kích thích

Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của

hệ thần kinh….Trong các quá trình đo lường – điều khiển thông tin được truyền tải và xử lý dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử

Theo mô hình mạch ta có thể coi bộ cảm biến như một mạng hai cửa (hình 1) trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x, w(t) là hàm truyền đạt

Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến

Hình 1 Mô hình mạch của bộ cảm biến

Quan hệ (1) thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan

hệ đáp ứng kích thích

Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử

lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm

Quá trình được đặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận Đầu ra của bộ cảm biến được nối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện Đầu ra của bộ vi xử lý được nối ghép với bộ cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình, trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống Bộ vi

xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa tín hiệu điều khiển quá trình

2 Phân loại các bộ cảm biến:

Các bộ cảm biến có thể được phân loại theo các phương pháp khác nhau sau đây

2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích:

Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích

Vật lý

Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Quang đàn hồi

Từ điện Nhiệt từ

Chương trình

Bộ cảm biến Bộ vi xử lý Cơ cấu chấp hành

Hình 2 Hệ thống tự động điều khiển quá trình

Nhiệt quang Hóa học

Biến đổi hóa học Biến đổi điện hóa Phân tích phổ Sinh học

Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống

Từ

Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)

Từ thông, cường độ từ trường

Độ từ thẩm Quang

Biên, pha, phân cực, phổ Tốc độ truyền

Hệ số phát xạ, khúc xạ

Hệ số hấp thụ, hẹ số bức xạ

Cơ

Vị trí Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc Ứng suất, độ cứng Momen

Khối lượng, tỉ trọng Vận tôc chất lưu, độ nhớt

Nhiệt

Nhiệt độ Thông lượng Nhiệt dung

Tỉ nhiệt Bức xạ

Kiểu Năng lượng Cường độ

2.3 Theo tính năng các bộ cảm biến:

2.4 Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến:

2.5 Theo thông số của mô hình mạch thực tế:

Các bộ cảm biến có thể phân chia theo thông số:

- Cảm biến tích cực (có nguồn): đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng được biểu diễn bằng mạng hai cửa có nguồn

- Cảm biến thụ động (không nguồn): được biểu diễn bằng mạng hai cửa không nguồn có trở kháng phụ thuộc vào kích thích, được đặc trưng bởi các thông số R, L, C, M…tuyến tính hoặc phi tuyến

3 Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến:

Theo quan điểm mô hình mạch ta coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan

hệ đáp ứng – kích thích được biểu diễn bằng phương trình: y = f(x) Quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản của bộ cảm biến Ta có thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau:

Độ trễ Khả năng quá tải Tốc độ đáp ứng

Độ ổn định (ngắn, dài hạn) Tuổi thọ

Điều kiện môi trường Kích thước, trọng lượng

Công nghiệp Nghiên cứu hóa học Môi trường, khí tượng Thông tin, viễn thông Nông nghiệp

Dân dụng Giao thông

Vữ trụ, quân sự

3.1 Hàm truyền:

Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, graph hoặc biểu thức toán học Gọi x là kích thích, y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit hàm lũy thừa hoặc hàm mũ

Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng:

y = a + bx

Ở đây a là hằng số tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng 0, b là độ nhạy, y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất của bộ cảm biến

Hàm truyền logarit có dạng:

y = 1 + blnx Dạng mũ:

Đối với hàm truyền phi tuyến, hoặc hàm truyền ở chế độ động độ nhạy phải được định nghĩa theo công thức:

) dy(x

=

Trong nhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn

3.2 Độ lớn của tín hiệu vào:

Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logorit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần

đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo và giá trị thực của đại lượng cần đo Gọi x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

+ Do các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi trường không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số phương pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần

số, vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lương thống kê

4 Chuẩn các bộ cảm biến:

Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải thích mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng

Các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật lý liên quan đến đáp ứng như độ lớn, chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích Ngoài ra chúng cũng có thể là các đại lượng vật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi hồi áp Thông thường các đại lượng vật lý này là các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…và các thông số của nguồn như biên độ, tấn số, điện áp làm việc của các bộ cảm biến

4.1 Chuẩn đơn giản:

Chuẩn đơn giản là phép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích thích xác định và sử dụng một bộ cảm biến không nhạy với các đại lượng và không chịu tác động của kích thích này Đây là trường hợp đặc biệt của các kích thích tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi Trong những điều kiện này việc chuẩn cảm biến chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với các giá trị tương ứng của đáp ứng đầu ra Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một trong các phương pháp sau đây:

- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao

- Chuẩn gián tiếp: sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều kiện làm việc Khi tác động lần lượt lên hai bộ cảm biến bằng cùng một kích thích ta nhận được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn

Thực hiện lại với các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong chuẩn cho bộ cảm biến

4.2 Chuẩn nhiều lần:

Khi bộ cảm biến có chưa những phần tử có độ trễ, giá trị đáp ứng không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá trị trước đó của kích thích này Khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình

tự sau đây:

- Đặt lại điểm 0 của cảm biến, đó là điểm gốc khi kích thích thì đáp ứng của bộ cảm biến phải bằng không

- Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đầu cho kích thích có giá trị cực đại sau đó giảm dần, nhờ đó có thể xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng kích thích tăng dần và giảm dần

5 Độ tuyến tính:

5.1 Điều kiện có tuyến tính:

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải

đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo Nếu như cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hóa, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tĩnh và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào các thay đổi của đại lượng đo còn ở trong vùng này

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm 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 tắt, hệ số tắt dần ζ ) cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo

5.2 Đường thẳng tốt nhất – độ lệch tuyến tính:

Khi chuẩn cảm biến người làm thực hiện nhận được một loạt các điểm tương ứng của si, mi Ngay cả trong trường hợp về mặt lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm này cũng không nằm trên một đường thẳng Đó là bởi vì sự không chính xác trong khi đo và những sai lệch trong khi chế tạo cảm biến Tuy nhiên,

từ các điểm thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất Biểu thức của đường thẳng tốt nhất được tính bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất

s = am + b

trong đó:

2 2

2

2 2

.

.

.

.

) m ( m N

m m s m

s

= b

) m ( m N

m s m s N

= a

i i

i i i i i

i i

i i i i

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

6 Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng:

Để đánh gia thời gian hồi đáp của đáp ứng theo kích thích người ta sử dụng khái niệm độ tác động nhanh của bộ cảm biến Thời gian hồi đáp τ là khoảng thời gian từ khi kích thích bắt đầu tác động cho đến khi biến thiên của đáp ứng chỉ còn khác giá trị cuối một giới hạn qui định ε% Thời gian hồi đáp τ càng nhỏ chứng tỏ bộ cảm biến đáp ứng càng nhanh

Khi kích thích có dạng bước nhảy đơn vị thì đặc tính của đáp ứng của bộ cảm biến có thể có những dạng sau đây:

7 Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động:

7.1 Cảm biến tích cực:

Hoạt động như một máy phát, về mặt nguyên lý cảm biến tích cực thường dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi một đạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện Dưới đây mô tả một cách tổng quát các dạng ứng dụng của các hiệu ứng này

* Hiệu ứng nhiệt điện:

Giữa các đầu ra của hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 sẽ xuất hiện một suất điện động e(T1, T2)

Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, ví

dụ cho T2 = 00C

* Hiệu ứng hỏa điện:

Một số tinh thể, gọi là tinh thể hỏa điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ Trên các mặt đối diện của chúng tồn tại những điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng lên làm thay đổi phân cực điện Sự thay đổi phân cực này có thể xác định được bằng cách đo sự biến thiên của điện áp trên 2 cực của tụ điện

* Hiệu ứng áp điện:

Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện, ví dụ thạch anh, sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu trên các mặt đối diện của vật Đó là hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc…) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực của tự điện

* Hiệu ứng quang điện:

Hiệu ứng quang điện do A.Einstein phát hiện năm 1905

Hiệu ứng quang điện có nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng cùng chung một bản chất, đó là việc giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo cảm biến quang

* Hiệu ứng quang điện từ:

Do Verdet phát hiện năm 1863 Khi tác động một từ trường vuông góc với bức xạ ánh sáng trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo phương vuông góc với từ trường B và phương bức xạ ánh sáng Hiệu ứng này được ứng dụng trong các bộ cảm biến đo các đại lượng quang hoặc biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện

* Hiệu ứng HALL:

Năm 1879 nhà vật lý Anh E.H.Hall phát hiện hiệu ứng này Trong vật liệu (thường là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành góc θ với dòng điện I sẽ xuất hiện điện áp UH theo phương vuông góc với

B và I và có độ lớn là:

θ B I K

=

U H sin

K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của mẫu

Hiệu ứng Hall được sử dụng để đo các đại lượng từ, đại lượng điện hoặc xác định vị trí chuyển động

8 Mạch giao diện:

8.1 Các đặc tính đầu vào của mạch giao diện:

Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp, công suất,…vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải Cần phải phôi hợp giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu Công việc này gọi là chuẩn hóa tín hiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm

vụ này

Sơ đồ khối của mạch phối hợp tín hiệu ra của bộ cảm biến và tải:

Tổng trở vào của mạch giao diện là tỉ số giữa điện áp và dòng điện phức nhìn từ cửa vào của mạch:

I

U

= Z

8.2 Các đặc tính của mạch khuếch đại thuật toán (OPA):

Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở mạch khuếch đại thuật toán Đó là mạch khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại rất lớn và tổng trở vào rất lớn

Mạch khuếch đại thuật toán thuộc dạng mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm transistor và các điện trở, tụ điện, mạch khuếch đại thuật toán có:

- Hai ngõ vào đảo (-) và không đảo (+)

- Điện trở vào rất lớn, cỡ hàng trăm MΩ hoặc có thể tới GΩ

- Điện trở ra rất nhỏ (vài chục Ω)

- Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ (cỡ vài nv)

Kích thích Bộ cảm biến Mạch giao diện Tải Tới hệ thống

- Dòng điện phân cực đầu vào ii rất nhỏ (cỡ pA)

- Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn (Av = 100000)

- Dải tần làm việc rộng

- Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR (Comon Mode

Rejection Ratio) là tỷ số hệ khuếch đại của mạch khuếch đại thuật toán nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán Thông thường CMRR vào khoảng 90 dB

- Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng

Hệ số nhiệt độ (µV/ 0 C)

Dòng phân cực

ở 25 0 C (nA)

Hệ số khuếch đại A V

Nhiễu nV

8.3 Bộ khuếch đại đo lường IA (Instrumentational Amplifier)

Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra (hình 10) Hệ số khuếch đại của IA không cao (có thể chỉnh được từ 1 đến 104) có hai đầu vào nhận tín hiệu cần đo, các điện trở phản hồi có độ chính xác cao, tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp vào:

V0 = A(V+ - V-) = A.V

OPA 741

Hình 9 mạch khuếch đại thuật toán 741

Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng

trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và tăng

điện trở vào của OPA Điện áp trên R0 phải

bằng điện áp vi sai đầu vào V và tạo dòng

điện i=V/Ro Các điện áp ra từ OPA là V01,

V02 bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha

Điện áp V0 biến đầu ra vi sai thành đầu ra đơn cực Hệ số khuếch đại của IA:

2 3 0 1

2R 1

R

R ) R + (

= A

8.3.1 Khử điện áp lệch đầu ra: (hình 11)

Để khử điện áp lệch có thể điều chỉnh biến trở R3 Bộ OPA lý tưởng khi hở mạch phải có điện áp bằng 0 khi 2 đầu vào nối MASS Thực tế vì các điện áp bên trong OPA nên tạo ra một điện áp nhỏ (điện áp phân cực) ở đầu vào Trị số điện

áp lệch cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này điện áp này được khuếch đại và tạo nên một dòng điện áp lệch ở đầu ra

Độ nhạy của cầu cực đại khi R1 = R2, R3 = RV = R(1 + )

Đặt k = R1/R2, độ nhạy của cầu:

2

1 k) + (

k R

V

= α

Mạch cầu thường được sử dụng trong các phép đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ trường…., trong nhiều trường hợp các điện trở này nhạy với nhiệt độ bù ảnh hưởng nhiệt độ của điện trở

9 Truyền dữ liệu:

9.1 Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây:

Để phối ghép từ bộ cảm biến đến thiết bị điều khiển và chỉ thị thường sử dụng đường truyền hai dây Ví dụ tín hiệu từ bộ cảm biến nhiệt độ qua máy phát được truyền trực tiếp đến bộ khống chế quá trình Tín hiệu truyền có thể là điện

áp hoặc dòng điện nhưng dòng diện được chấp nhận như một tiêu chuẩn công nghiệp có giá trị từ 4 đến 20mA qua bộ chuyển đổi chuẩn hóa Sử dụng nguồn dòng có ưu điểm so với nguồn áp là điện trở của đường dây không ảnh hưởng tới dòng điện trong mạch vì điện trở của nguồn dòng rất lớn Ngoài ra nguồn cung cấp công suất cần thiết cho tải Mạch vòng dòng điện gây điện áp rơi trên điện trở tải

Tín hiệu điện áp trên tải thích hợp với việc xử lý tiếp theo của các mạch điện

tử

9.2 Đường truyền bốn dây:

Đôi khi người ta mong muốn nối bộ cảm biến với mạch giao diện điều khiển

từ xa Khi bộ cảm biến có điện trở tương đối thấp (ví dụ điện trở áp điện, nhiệt điện trở có điện trở vào khoảng 100Ω), việc nối dây điện trở này gặp phải một số vấn đề phức tạp do điện trở dây nối Để giải quyết ta có thể dùng sơ đồ bốn dây Theo nguyên lý của điện trở bốn dây cho phép đo điện trở Rx từ xa mà không chịu ảnh hưởng của điện trở dây nối Điện trở cần đo được nối với mạch giao diện bằng bốn dây, hai dây nối với nguồn dòng còn hai dây nối với vôn kế Vì nguồn dòng có điện trở vào rất lớn, do đó dòng điện do nó cung cấp không phụ thuộc vào điện trở dây nối r của mạch này Điện trở vào của vôn kế cũng rất lớn

do đó có thể coi dòng điện qua vôn kế bằng 0, do đó điện áp rơi trên điện trở Rxkhông phụ thuộc vào điện trở dây nối

Vx = Rx.i0

Sơ đồ bốn dây được sử dụng rất hiệu quả để đo điện trở từ xa

9.3 Đường truyền sáu dây:

Khi cầu Wheatstone được sử dụng từ xa điện áp của cầu đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định nhiệt của cầu Để tránh ảnh hưởng của điện trở dây nối r

ta sử dụng sơ đồ sáu dây Bốn dây nối với dụng cụ đo điện áp có điện trở trong rất lớn còn hai dây nối với nguồn áp có điện trở vào lớn

Điện áp đó sẽ không phụ thuộc vào điện trở dây nối vì dòng điện của nó bằng 0

10 Nhiễu:

Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguyên nhân gây nên sai số Ta có thể phân nhiễu làm hai loại: nhiễu nội tại và nhiễu trên các mạch truyền dẫn tín hiệu

- Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến…., do đó đáp ứng có thể bị méo dạng so với dạng lý tưởng Sự méo dạng của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên Dạng tín hiệu ra có liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của bộ cảm biến

- Nhiễu trên các mạch truyền dẫn từ cảm biến đến thiết bị đo và thu thập

số liệu cũng gây nên sai số

Các nhiễu thường gặp:

- Nguồn cung cấp cho cảm biến không ổn định và chính xác

- Từ trường và điện trường bên ngoài (đối với cảm biến nhiệt do điện trở của germani)

- Nhiệt độ môi trường làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thích của cảm biến (đối với quang trở)

- Độ ẩm có thể làm thay đôi tính chất điện của vật liệu như hằng số điện môi, điện trở suất

- Áp suất, gia tốc, dao động có thể gây nên biến dạng và ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu đáp ứng

- Bức xạ ion, tác nhân hóa học, v.v… tác động lên cảm biến

Để chống nhiễu, ta có thể thực hiện một số biện pháp như tăng độ lớn của tín hiệu đo, dùng màn chắn của từ trường và điện trường, lọc các tần số gây nhiễu

và sử dụng các cảm biến mắc vi sai… Tất cả các biện pháp trên sẽ được thực hiện cho từng loại cảm biến cụ thể

11 Giới thiệu một số cảm biến:

11.1 Cảm biến nhiệt độ:

11.1.1 Khái niệm cơ bản:

11.1.1.1 Cơ sở vật lý để xây dựng cảm biến nhiệt độ:

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị được sử dụng rộng rãi không những đo nhiệt độ

mà còn đo các đại lượng không điện khác như tốc độ lưu chất, xác định nồng độ

và thành phần của chất khí…

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên quá trình nhiệt (đốt nóng, làm lạnh, và trao đổi nhiệt) mà đại lượng đo là nhiệt độ

Khi nhiệt độ thay đổi làm thay đổi tính chất vật lý của vật thể, các tính chất

đó được sử dụng để thiết kế chế tạo các cảm biến nhiệt độ

Quan hệ giữa nhiệt độ, áp suất và khối lượng đối với chất khí được mô tả bằng phương trình:

Rθ

= ) b )(V V

a + (p 1  1

V: khối lượng; p: áp suất; θ: nhiệt độ; R: hệ số tỉ lệ

Trong đó a1, b1, là hằng số phụ thuộc vào tính chất của vật chất, không phụ thuộc vào trạng thái và điều kiện mà các chất đi qua

Khi thiết kế các mạch cảm biến nhiệt độ có thể sử dụng quan hệ giữa áp suất với nhiệt độ khi khối lượng không đổi hoặc quan hệ giữa khối lượng và nhiệt độ với áp suất không đổi Trong thực tế khi đo nhiệt độ thường xảy ra với áp suất nhỏ và được mô tả bằng phương trình Bertlo:

) Rθ

a + p(b + Rθ

Qv: nhiệt lượng đưa vào cảm biến

Qt: nhiệt lượng tỏa ra môi trường

Qc: nhiệt lượng được duy trì ở cảm biến

Trong trường hợp chung, sự suy giảm nhiệt độ giữa các phần của hệ thống và môi trường là do sự trao đổi nhiệt Sự trao đổi nhiệt có thể thực hiện do nhiệt dẫn, đối lưu và bức xạ nhiệt

Nhiệt lượng toàn phần được biểu diễn bởi công thức:

qt = qn + qk + qb

qn: nhiệt lượng do nhiệt dẫn

qk: nhiệt lượng do đối lưu

qb: nhiệt lượng do bức xạ

Nhiệt lượng do nhiệt dẫn được xác định bằng biểu thức:





n n

n

R

= γ

=

γ n : hệ số nhiệt dẫn của môi trường

Rn: độ cản nhiệt của môi trường



 : hiệu nhiệt độ giữa vật và môi trường

Nhiệt lượng do đối lưu theo công thức Newton ta có:

 : hệ số dẫn nhiệt do đối lưu

Bức xạ là dòng các sóng điện từ mà một vật hấp thụ năng lượng nhiệt toàn

11.1.1.3 Thang nhiệt độ:

Đơn vị đo nhiệt độ được phân thành 3 thang đo:

Tên thang đo Ký

321,8325

9

, T

= + t

= + t

=

11.1.2 Cảm biến nhiệt điện trở:

11.1.2.1 Khái niệm chung và phân loại:

Nhiệt điện trở là loại cảm biến được phát hiện do Humphry (năm 1821) ông

ta nhận thấy điện trở của một số kim loại thay đổi theo nhiệt độ và Wiliam Siemens là người đầu tiên sử dụng nhiệt kế nhiệt điện trở (1871) Từ đó nhiệt điện trở được sử dụng rộng rãi để đo nhiệt độ và các đại lượng khác

Tùy thuộc vào tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chảy qua, người ta phân thành nhiệt điện trở bị đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng

Với nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chảy qua rất nhỏ không làm tăng nhiệt độ của cảm biến do vậy nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường xung quanh Cảm biến được dùng đo nhiệt độ môi trường

Trong cảm biến nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện qua cảm biến có chỉ số lớn làm cho nhiệt độ của bản thân lớn hơn nhiệt độ môi trường xung quanh Sự trao đổi nhiệt giữa điện trở và môi trường được thể hiện do đối lưu, nhiệt dẫn hoặc bức xạ Sự trao đổi nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố như kích thích hình học, trạng thái bề mặt, hình dáng, tính chất vật lý của cảm biến và môi trường xung quanh…

Nhiệt điện trở loại này đo các đại lượng vật lý như tốc độ của lưu chất, nồng

độ và mật độ chất khí Ngoài cách phân loại trên, cảm biến nhiệt điện trở còn được phân loại theo cấu trúc của vật liệu như nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn

11.1.2.2 Nhiệt điện trở kim loại:

Nhiệt điện trở kim loại được chế tạo từ dây kim loại hoặc màng mỏng như Platin, Niken, đồng, Vonfram…Để giảm tổn hao do nhiệt dẫn, chiều dài của dây cần lớn hơn đường kính dây gấp nhiều lần (lớn hơn 200 lần)

Thông thường:

- Đường kính dây thay đổi từ 0,02mm đến 0,06mm

- Chiều dài của dây từ 5mm đến 20mm

- Điện trở của dây từ vài chục Ω đến hàng ngàn Ω

- Vật liệu chế tạo có hệ số nhiệt độ αlớn, bền hóa học với tác dụng của môi trường

- Điện trở suất ρ lớn và chịu được nhiệt độ cao

α: hệ số nhiệt độ (α = 3,9.103/10C) trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến 1000C

R0: điện trở ở 00C

Có thể sử dụng biểu thức:

1 2

1

t t

11.1.2.4 Nhiệt điện trở Niken:

Niken được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn Dãy làm việc từ 1950C đến 2600C

Độ nhạy nhiệt cao Điện trở của Niken ở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với giá trị ở

00C Tính chất của niken phụ thuộc nhiều vào tạp chất và quá trình nhiệt luyện

Ưu điểm của niken là điện trở suất cao (gấp 5 lần đồng)

Trong khoảng nhiệt độ từ 00C đến 1000C; αNi=4,710.1/0C

Do hệ số nhiệt độ lớn cho phép chế tạo được cảm biến có kích thước nhỏ

11.1.2.5 Nhiệt điện trở Platin:

Platin có độ tinh khiết cao (99,99%) được chế tạo thành nhiệt điện dây Phương trình đặc trưng biểu diễn quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ khi đo ở dãy nhiệt độ 0 đến 20000C:

Rt= R0(1 + At + Bt2 + C(1-100)3)

Và: Rt=R0(1 + At + Bt2)

Khi đo với nhiệt độ từ 00C đến 65000C, A,B,C là các hệ số

Đặc điểm của Platin có thể chịu được nhiệt độ cao (12000C); không bị ôxy hóa khi nóng chảy

Đặc tính có dạng phi tuyến Do độ bền hóa học cao, tính dẻo tốt có thể chế tạo thành sợi mỏng (đến 1,25µm)

Nhược điểm của Platin là không dùng được trong môi trường ôxy hóa khử Trong thực tế người ta thường sử dụng nhiệt điện trở Platin được chế tạo dưới dạng chuẩn Pt100 để làm cảm biến đo nhiệt độ từ 00C đến 1000C

Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ có đặc tính gần như tuyến tính:

Rt = R0(1+ αt)

11.1.3 Cấu tạo nhiệt kế nhiệt điện trở dây:

Nhiệt điện trở dây có thể chế tạo theo nhiều cách:

- Quấn dây trên lõi cách điện chịu nhiệt cao

- Chế tạo dưới dạng nhiệt điện trở công nghiệp

Trong trường hợp muốn đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn ta thường dùng nhiệt kế bề mặt

Nhiệt kế bề mặt được chế tạo bằng phương pháp quang hóa với các vật liệu

Ni, Fe-Ni, Pt Chiều dài của lớp kim loại cỡ một vài µm với diện tích 1cm2 Khi

đo, dãy đo:

1950C đến 2600C với Ni, Fe-Ni, độ nhạy: 5.10-3.1/0C

2600C đến 1400C với Pt, độ nhạy: 4.10-3.1/0C

11.1.4 Nhiệt điện trở bán dẫn (Thermistor) :

Thermistor là cảm biến chế tạo từ một số ôxít kim loại khác nhau như MgO; MgAl2O4; Mn2O3; Fe3O4;…

Chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn bằng cách trộn các bột ôxít với nhau theo 1 tỷ

lệ thích hợp sau đó nén định dạng và thêu kết ở nhiệt độ cao (10000C)

Độ dần của Thermistor được tính theo công thức:

p) µ + n q(µ

=

Trong đó: µ n, µ p là độ linh động điện tử và lỗ trống

n,p là nồng độ điện tử và lỗ trống, q là điện tích e (1,6.10-19C) Đối với Thermistor, nhiệt độ ảnh hưởng chủ yếu đến nồng độ điện tích tự

do (n,p) Sự thay đổi nhiệt độ làm đứt mối liên kết giữa các nguyên tử và dẫn đến hình thành các cặp điện tử lỗ trống Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của Thermistor được biểu diễn bằng công thức:

) T T e R

= R

β(

T

0 0

11



Trong đó : R0 là điện trở ở nhiệt độ tuyệt đối T0

β là hệ số nhiệt độ phụ thuộc vào tính chất vật lý của bán dẫn

Độ nhạy nhiệt của cảm biến :

2 1

2 1

2

ln 1 1

1

R R T T

= β T

T1 : nhiệt độ tương ứng với R1

T2 : nhiệt độ tương ứng với R2

Ưu điểm của Thermistor là có độ nhạy nhiệt cao Dãy đo nhiệt độ từ vài độ đến 300 độ

Điện trở Silic được chế tạo bằng cách cho khuếch tán tạp chất vào đơn tinh thể Silic Sự thay đổi điện trở của Silic phụ thuộc vào độ pha tạp khi nhiệt độ thay đổi

11.2 Cảm biến quang :

11.2.1 Khái niệm cơ bản về ánh sáng :

Ánh sáng là sóng điện từ có tính chất sóng và hạt, lan truyền trong chân không với vận tốc v = 299,792km/s

Trong vận tốc ánh sáng có vận tốc

n

c

=

v , n là chiết suất của môi trường Tần

số và bước sóng λ của ánh sáng liên hệ với nhau bằng biểu thức :

Wφ = h.v

h = 6,625.10-34 J.s là hằng số Planck

Trong vật chất, các điện tử liên kết trong nguyên tử có xu hướng muốn được giải phóng khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do Muốn giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần phải cung cấp cho nó một năng lượng bằng năng lượng liên kết W1

Khi một photon được hấp thụ sẽ có một điện tử e được giải phóng nếu:

c h

= λ

1 1 max

1.237

ev: đơn vị đo năng lượng điện tích

Nói chung loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất vật liệu bị chiếu sáng:

- Chiếu vào chất điện môi và bán dẫn tinh khiết : các điện tích được giải phóng là cặp điện tử - lỗ trống

- Chiếu vào bán dẫn pha tạp: giải phóng điện tử (bán dẫn loại n) hoặc lỗ trống (bán dẫn loại p) tùy thuộc vào chất pha tạp

- Chiếu vào kim loại: giải phóng điện tử

Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứng quang điện sẽ gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu Đó là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang Dưới tác dụng ánh sang, hiệu ứng quang điện tỷ lệ thuận với số lượng hạt dẫn được giải phóng trong một đơn vị thời gian Tuy nhiên, ngay cả khi λ  λmax cũng không phải tất cả các photon chiếu xuống vật liệu đều tham gia giải phóng hạt dẫn vì một số bị phản xạ từ bề mặt, số khác sẽ chuyển năng lượng của chúng thành năng lượng dao động nhiệt

Nếu n là số photon chiếu tới trong 1s :

c h

λφ

= v h

φ

= n

Và số photon bị hấp thụ trong 1s:

c h

λφ R) (

= R)n (

=

n ht

.1

λφ n η

= η η

=

G ht ht

11.2.2 Các đơn vị đo quang:

11.2.2.1 Các đơn vị đo năng lượng:

* Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới

dạng bức xạ và được đo bằng Joule (J)

*Quang thông φ: là công suất phát xạ lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng Watt (W) và là đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng:

dt

dQ

= φ

*Cường độ sáng I: là quang thông phát ra theo mọi hướng dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là W/steradian:

dΩ

dφ

= I

*Độ chói năng lượng L: là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dI theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu vuông góc của phần tử bề mặt dAn; có đơn vị là W/Steradian.m2

n

dA

dI

= L

*Độ rọi E: là tỷ số giữa quang thông thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó, có đơn vị là W/m2

11.2.2.2 Đơn vị đo thị giác:

Mắt người cảm nhận được ánh sáng có phổ từ 0,38µm đến 0,76µm với độ nhạy tương đối phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

Độ nhạy của mắt cực đại ở bước sóng λ=0,555µm và giảm về 2 phía

dA

dΦ

= E

Hình 15 Đường cong độ nhạy tương đối của mắt người

Các đơn vị đo quang cơ bản:

Đơn vị thị giác Đơn vị năng lượng Thông lượng Lumen (lm) Watt (W)

Cường độ Candela (cd) Watt/steradian (W/sr)

Độ chói Candela/m2 (cd/m2) Watt/steradian.m2 (W/sr.m2)

Độ rọi Lumen/m2 (lux) Watt/m2

Năng lượng Lumen.sec (lm.s) Joule (J)

11.2.2.3 Nguồn sáng:

Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ Việc sử dụng các chuyển đổi quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, quang thông, tần số)

V ( ) 1

* Diot phát quang:

Diot phát quang LED (Light – Emitting – Diode) là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lượng giải phóng do tái hợp điện tử - lỗ trống gần phần chuyển tiếp P-N làm phát sinh các photon Đặc điểm của LED là thời gian hồi đáp nhỏ

cỡ ns Có khả năng điều biến tần số cao nhờ nguồn nuôi

Phổ áng sáng hoàn toàn xác định, tuổi thọ cao (tới 100.000 giờ) Kích thước nhỏ tiêu thụ công suất thấp và độ bền cơ học cao

Quang thông của LED nhỏ (cỡ mW) và nhạy với nhiệt độ, do đó hạn chế phạm vi sử dụng của đèn

* Laser:

Laser là nguồn sáng đơn sắc có định hướng và đặc biệt là có tính liên kết mạnh (cùng phân cực, cùng pha) vì vậy khi chồng lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và xác định

Laser có bước sóng đơn sắc, thông lượng lớn với độ định hướng cao và truyền đi xa với khoảng cách lớn

11.2.3 Cảm biến quang điện:

Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của chúng

11.2.3.1 Tế bào quang dẫn (quang điện trở):

* Nguyên lý làm việc của quang điện trở: là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ bức xạ đó

Tế bào quang dẫn là cảm biến quang điện có độ nhạy cao Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do hiệu ứng quang dẫn nội Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu (điện trở giảm)