Giáo trình kỹ thuật sensor và đo lường điện

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Chương 1 : KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN I. Định nghĩa Cảm biến trong tiếng Anh gọi là “sensor”, xuất phát từ chữ “sense” theo nghĩa la tinh là cảm nhận. Cảm biến được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Trong hệ thống đo lường – điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái: nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment… Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện. Tuy nhiên, t rong các quá trình đo lường – điều khiển, thông tin được truyền tải và xử lý dưới dạng điện. Do đó, c ảm biến được định nghĩa như những thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng v.v…). Trong mô hình mạch điện, ta có thể coi cảm biến như một mạch hai cửa. Trong đó cửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thích đầu vào x. Phương trình quan hệ: y = f(x) thường rất phức tạp. Sơ đồ điều khiển tự động quá trình: - Bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số hệ thống. - Bộ xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình. II. Phân loại cảm biến a. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích - Vật lý: nhiệt điện, quang điện, điện từ, từ điện,… - Hóa học: hóa điện, phổ,… - Sinh học: sinh điện, … b. Phân loại theo dạng kích thích: âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiệt,… c. Phân loại theo tính năng: độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải, độ tuyến tính… Trang IV-1 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường d. Phân loại theo phạm vi sử dụng: công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, thông tin, nông nghiệp… e. Phân loại theo thông số của mô hình thay thế: - Cảm biến tích cực (có nguồn) ngõ ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. - Cảm biến thụ động (không có nguồn): R, L, C, tuyến tính, phi tuyến. III. Bộ cảm biến tích cực và thụ động 1. Cảm biến tích cực Bộ cảm biến tích cực có nguồn, hoạt động như một nguồn áp hoặc nguồn dòng. Các hiệu ứng vật lý ứng dụng trong các cảm biến tích cực: a. Hiệu ứng cảm ứng điện từ. (Faraday phát hiện năm 1831) Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện sức điện động tỉ lệ với biến thiên từ thông, tức là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Ứng dụng để xác định tốc độ chuyển động của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng. b. Hiệu ứng nhiệt điện. (Seebeck phát hiện năm 1821) Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn kín sẽ xuất hiện sức điện động tỉ lệ nhiệt độ mối hàn. Ứng dụng để đo nhiệt độ. Ngược lại khi cho dòng điện chạy qua chất có bản chất hóa học khác nhau sẽ tạo nên sự chênh lệch nhiệt độ. (Peltire phát hiện) c. Hiệu ứng hỏa điện. Một số tinh thể hỏa điện có tính chất phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng xuất hiện các điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện phụ thuộc vào quang thông φ . Được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của chúng tăng lên làm thay đổi phân cực điện, xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện. d. Hiệu ứng áp điện. (Pierre Curie phát hiện năm 1880) Khi tác động cơ học lên bề mặt vật liệu áp điện (thạch anh, muối Segnet…) làm vật liệu biến dạng và xuất hiện các điện tích bằng nhau và trái dấu. Ứng dụng để đo các đại lượng cơ như áp suất, ứng suất… thông qua việc đo điện áp trên hai cực tụ điện. e. Hiệu ứng quang điện. (A. Einstein phát hiện năm 1905) Bản chất hiệu ứng quang điện là việc giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng. Ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang. Hiệu ứng quang phát xạ điện tử là hiện tượng các điện tử được giải phóng khỏi vật liệu tạo thành dòng dưới tác dụng của điện trường. Trang IV-2 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường f. Hiệu ứng quang-điện-từ. Khi tác dụng một từ trường vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện hiệu điện thế vuông góc với phương từ trường và phương bức xạ ánh sáng. Cho phép nhận được dòng điện hoặc điện áp phụ thuộc vào độ chiếu sáng. Ứng dụng trong các bộ cảm biến đo các đại lượng quang hoặc chuyển đổi thông tin dạng ánh sáng thành tín hiệu điện. g. Hiệu ứng Hall. (Hall phát hiện năm 1879) Cho dòng điện chạy qua vật liệu bán dẫn đặt trong từ trường B có phương tạo thành góc θ với dòng điện sẽ xuất hiện điện áp V H vuông góc với B và I, có độ lớn: V H = KIBsin θ Hệ số K phụ thuộc vào vật liệu và kích thước vật. Ứng dụng đo các đại lượng từ, điện hoặc xác định vị trí chuyển động. 2. Cảm biến thụ động Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo . Chẳng hạn, giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu, tính chất điện của vật liệu như điện trở suất, từ thẩm, hằng số điện môi. Do đó, giá trị trở kháng thay đổi được dưới tác dụng của các đại lượng đo. Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng: + Cảm biến có chứa phần tử chuyển động: mỗi vị trí của phần tử chuyển động tương ứng với một giá trị của trở kháng cho nên đo trở kháng sẽ xác định được vị trí của đối tượng. Đây là nguyên lý của nhiều loại cảm biến vị trí hoặc dịch chuyển (cảm biến điện thế, cảm biến cảm ứng có lõi động…). + Cảm biến có chứa phần tử biến dạng: sự biến dạng được gây nên bởi lực hoặc các đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cảm biến. Sự thay đổi của trở kháng (do biến dạng) liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa là tác động của đại lượng cần đo được biến đổi thành tín hiệu điện. Trong bảng dưới đây giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi các tính chất điện của vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến thụ động. Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng Nhiệt độ Điện trở suất, ρ Kim loại: Pt, Ni, Cu Bán dẫn Bức xạ ánh sáng Điện trở suất, ρ Thuỷ tinh Bán dẫn Biến dạng Điện trở suất, ρ Độ 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 Trang IV-3 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Độ ẩm Điện trở suất, ρ Hằng số điện môi, ε LiCl Al 2 O 3 , polyme Mức chất lưu Hằng số điện môi, ε Chất cách lưu điện Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi trở kháng dưới tác dụng của đại lượng đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là một thành phần trong mạch điện. Trên thực tế, tùy trường hợp cụ thể, mà ta chọn mạch đo thích hợp. IV. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến 1. Hàm truyền Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thức toán học. - Hàm tuyến tính: y = a + bx - Hàm logarit: y = 1 + b ln x - Hàm mũ: y = a.e kx - Hàm lũy thừa: y= a 0 + a 1 k x - Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. 2. Dãy động Dãy động là khoảng giá trị tín hiệu kích thích mà cảm biến có thể đáp ứng. Những tín hiệu vượt ngoài dãy này sẽ tạo ra những đáp ứng không chính xác. 3. Sai số và độ chính xác Ngoài đại lượng cần đo, cảm biến còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x là sai số tuyệt đối, sai số tương đối của cảm biến: % 100% x x x δ ∆ = Có 2 loại sai số của cảm biến: • Sai số hệ thống: có giá trị không đổi và có độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Nguyên nhân: - Do nguyên lý của cảm biến. - Giá trị đại lượng chuẩn không đúng. - Do đặc tính của bộ cảm biến. - Do điều kiện và chế độ sử dụng. - Do xử lý kết quả đo. • Sai số ngẫu nhiên: có độ lớn và chiều không xác định. Nguyên nhân: - Do thay đổi đặc tính của thiết bị. - Do nhiễu ngẫu nhiên. Trang IV-4 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường - Do ảnh hưởng các thông số môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ…). 4. Độ phân giải Độ phân giải cảm biến được hiểu là khả năng phát hiện sự thay đổi tín hiệu kích thích nhỏ nhất theo thời gian. 5. Băng thông Tất cả cảm biến đều có giới hạn thời gian đáp ứng đối với sự thay đổi của tín hiệu kích thích. Một số loại cảm biến có thời gian đáp ứng tắt dần, tức là khoảng thời gian đáp ứng giảm dần thay đổi theo tín hiệu kích thích. 6. Độ nhạy S (sensitivity) Độ nhạy S xung quanh giá trị m i của kích thích được xác định bởi tỉ số giữa độ biến thiên ∆ s của đáp ứng và độ biến thiên ∆ m tương ứng của kích thích. i m m s S m = ∆   =  ÷ ∆   Độ nhạy được định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng. Là tỉ số giữa sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo. Điều này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện đặt ra. 7. Độ tuyến tính Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo m. Trên thực tế và ngay cả trong lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm S i , m i cũng không nằm trên một đường thẳng. Đó là do có sự không chính xác trong khi đo và sai lệch trong khi chế tạo cảm biến. Từ thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính, đường thẳng đó gọi là đường thẳng tốt nhất có phương trình: S = am + b Trong đó: với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến. Độ lệch tuyến tính 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 trong dải đo (tính bằng %). 8. Độ nhanh và thời gian đáp ứng Độ nhanh của cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ ra có đáp ứng được về mặt thời gian với độ biến thiên của đại lượng đo hay không. Thời gian đáp ứng là đại lượng xác định giá trị của độ nhanh. 9. Hiện tượng trễ Trang IV-5 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Một số cảm biến không đáp ứng cùng thời điểm với tín hiệu kích thích. Độ rộng của sự sai lệch được gọi là hiện tượng trễ. 10. Nhiễu Nhiễu xuất hiện ở ngõ ra cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu do sự dao động của tín hiệu kích thích. Nhiễu làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến. Nhiễu được phân bố qua phổ tần số. Nhiễu không thể loại trừ mà chỉ có thể phòng ngừa. Làm giảm ảnh hưởng và khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp. Ta có thể phân nhiễu thành 2 loại: - Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, vật liệu cảm biến,… do đó đáp ứng có thể bị méo so với dạng lý tưởng. - Nhiễu do truyền dẫn. Để chống nhiễu ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ. Một bộ được gọi là cảm biến chính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn. Để giảm nhiễu đường truyền ta có thể sử dụng các biện pháp sau: - Cách ly nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn. - Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến. - Sử dụng cáp ít nhiễu. 11. Giới hạn sử dụng cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng. Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặc trưng của cảm biến. Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến. - Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. - Vùng không gây nên hư hỏng. - Vùng không phá hủy. Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra. Thông thường dải đo trùng với vùng danh định. Trang IV-6 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Chương 2: CẢM BIẾN QUANG I. ÁNH SÁNG – CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ÁNH SÁNG 1. Tính chất ánh sáng Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện. Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt. Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử nguồn sáng. Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân không là c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là: c v n = (n: chiết suất của môi trường) Tần số γ và bước sóng λ của ánh sáng liên hệ với nhau qua biểu thức: v λ γ = trong chân không = c λ γ Phổ ánh sáng được biểu diễn như hình: Tính chất hạt thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Ánh sáng bao gồm các hạt photon mang năng lượng W φ phụ thuộc duy nhất vào tần số. W φ = h γ (h = 6,6256.10 -24 Js: hằng số Planck) Các đại lượng quang học: - Thông lượng: oat (W) - Cường độ: oat/steradian (W/Sr) - Độ chói: (W/Sr.m 2 ) - Năng lượng: J Trang IV-7 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Một điện tử được liên kết có năng lượng W l , để giải phóng các điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho n ó năng lượng bằng với năng lượng liên kết W l . Vậy một điện tử sẽ được giải phóng nếu nó hấp thụ một photon có năng lượng W φ ≥ W 1 , nghĩa là  W h φ γ ≥ hay 1 hc W λ ≤ Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính từ biểu thức: 1 s hc W λ = Hiện tượng hạt dẫn điện được giải phóng dưới tác dụng của ánh sáng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu gọi là hiệu ứng quang điện. Đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang. II. CÁC LOẠI NGUỒN SÁNG Một cảm biến quang chỉ hiệu quả khi phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số). Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính của bức xạ. 1. Đèn sợi đốt v onfram Cấu tạo: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh có chứa khí halogen để giảm bay hơi sợi đốt. Đặc điểm: - Nhiệt độ giống như nhiệt độ của một vật đen tuyệt đối. - Phổ phát xạ nằm trong vùng nhìn thấy. - Quang thông lớn, dải phổ rộng. - Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ nhanh chóng. - Tuổi thọ thấp, dễ vỡ. 2. Diode phát quang Cấu tạo: gồm nối P-N. Năng lượng giải phóng do sự tái hợp các hạt dẫn làm phát sinh các photon. Đặc điểm: - Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả năng biến điệu tần số cao. - Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao. - Tuổi thọ cao, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp. - Quang thông tương đối nhỏ và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm hạn chế phạm vi sử dụng của đèn. 3. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, rất định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh (cùng phân cực, cùng pha). Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát ra là sự chồng chéo của rất nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác nhau. Trong trường hợp tia laser, tất cả các bức xạ cấu thành đều cùng pha cùng phân cực và bởi vậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và rất xác định. Đặc điểm chính của laser là có bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác định, quang thông lớn, có khả năng nhận được chùm tia rất mảnh với độ định hướng cao, truyền đi khoảng cách rất lớn. Trang IV-8 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường III. CÁC CẢM BIẾN QUANG 1. Tế bào quang dẫn Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang có độ nhạy cao. Đặc trưng của tế bào quang dẫn là sự phụ thuộc điện trở vào thông lượng và phổ của bức xạ. Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng giải phóng hạt dẫn điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Vật liệu chế tạo: thường được chế tạo từ các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp. - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe. • Các tính chất cơ bản của cảm biến quang dẫn: a. Điện trở tối R CO : Phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất lý hóa của vật liệu. Khi chiếu sáng R CO giảm rất nhanh, quan hệ điện trở và độ sáng là phi tuyến . PbS, CdS, CdSe có R CO rất lớn: từ 10 4 Ω đến 10 5 Ω ở 25 o C . SbIn, AbSn, CdHgTe có R CO rất nhỏ: 10Ω – 10 3 Ω ở 25 o C . b. Độ nhạy: Định nghĩa theo biểu thức: ( ) ( / ) ( ) I S A W λ φ λ ∆ = ∆ I: dòng quang điện chạy qua tế bào quang dẫn (A) φ : thông lượng ánh sáng (W) Khi đặt vào điện áp U = 10V, diện tích bề mặt tế bào bằng 1cm 2 , độ nhạy phổ có giá trị nằm trong khoảng 0,1 ÷ 10 A/W. • Nhược điểm của tế bào quang dẫn o Đặc tính điện trở - độ rọi là phi tuyến. Thời gian đáp ứng tương đối lớn. o Các thông số không ổn định (lão hóa). o Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ, một số loại đòi hỏi phải làm nguội. • Ứng dụng: Không dùng tế bào quang dẫn để xác định quang thông, thông thường dùng để phân biệt mức sáng khác nhau: trạng thái tối – sáng hoặc xung ánh sáng. Việc đo điện trở của tế bào quang dẫn cần phải có mạch đo như áp dụng cho một cảm biến thụ động, nghĩa là phải cấp dòng không đổi và lắp mạch theo sơ đồ đo thế, dùng cầu Wheatstone, khuếch đại thuật toán. Trong thực tế các tế bào quang dẫn thường được ứng dụng trong hai trường hợp: - Điều khiển relay. - Thu tín hiệu quang: tế bào quang điện có thể được sử dụng để biến đổi xung Trang IV-9 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường quang thành xung điện. Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật, đo tốc độ quay đĩa . Minh họa dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle: a) Điều khiển trực tiếp; b) Điều khiển thông qua transistor khuếch đại 2. Photodiode a. Cấu tạo Lớp tiếp xúc của hai bán dẫn loại n và loại p (nối P-N) tạo nên vùng hiếm, ở đó tồn tại điện trường và hình thành rào điện thế V b . Khi không có điện áp bên ngoài đặt lên nối P-N, dòng điện qua nối I = 0. Thực tế có tồn tại dòng I gồm các thành phần: - Dòng khuếch tán các hạt dẫn điện đa số có năng lượng đủ lớn vượt qua rào điện thế. - Dòng hạt dẫn điện thiểu số chuyển động dưới tác động của điện trường. Khi đặt điện áp V d lên diode, chiều cao của hàng rào thế sẽ thay đổi kéo theo thay đổi độ rộng vùng hiếm. Dòng qua nối: d 0 0 qV I I exp I kT   = −  ÷   I 0 : dòng hạt dẫn điện thiểu số Khi điện áp ngược V d đủ lớn 26   − = −  ÷   = d kT V mV q (ở 300K), dòng khuếch tán các hạt dẫn đa số rất nhỏ có thể bỏ qua. Dòng ngược I r = I 0 . Khi chiếu sáng diode bằng ánh sáng có bước sóng λ < λ S sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để ngăn cản quá trình tái hợp phải tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Điều này chỉ xảy ra trong vùng hiếm làm tăng dòng ngược I r . Để đến được vùng hiếm, ánh sáng phải đi qua một bề dầy của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng theo biểu thức 0 ( ) x x e α φ φ − = Trong đó α ∼ 10 5 cm -1 , thông lượng giảm 63% khi đi qua bề dầy 10 3 A . Trang IV-10 a) b) [...]... IV-35 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Được sử dụng khi chất lỏng là chất cách điện, hằng số điện môi của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi không khí, thường là gấp đôi Có thể tạo thành tụ điện bằng hai điện cực (thành bình chứa kim loại và một điện cực) Chất điện môi gữa hai điện cực là phần ngập chất lỏng và phần không khí Mức chất lưu được chuyển thành điện dung tụ điện Điện dung này thay đổi theo... chất lưu dẫn điện, sử dụng một điện cực có phủ chất cách điện, lớp cách điện đóng vai trò là điện môi, chất lỏng là điện cực thứ hai VII Cảm biến vị trí - Điện trở a Cấu tạo Gồm một điện trở cố định R, trên có một tiếp xúc điện có thể di chuyển gọi là con chạy Giá trị của điện trở đo được giữa con chạy và một đầu của điện trở R là hàm phụ thuộc vị trí con chạy và bản thân điện trở R Nếu điện trở được... mạch sensor tốt là mạch có sự thay đổi điện thế lớn nhất tại chân “2” của bộ so sánh khi có ánh sáng IR chiếu vào sensor và không chiếu vào sensor Để có được mức điện thế thay đổi này lớn nhất thì việc chọn lựa R 1 là hết sức quan trọng Gọi a là điện trở của sensor khi không có ánh sáng, b là điện trở của sensor khi có ánh sáng chiếu vào và Vdiff là sự thay đổi điện thế, ta có: Vdiff = VCC ( a b − )... >> Rt + Rl • Phương pháp xung đối Đấu suất điện động cần đo với điện áp V đúng bằng giá trị suất điện động Giá trị V có thể đo chính xác, là điện áp rơi của một điện trở có dòng điện chạy qua Cặp nhiệt nối tiếp với một điện kế G và đấu song song với điện trở chuẩn Re Điều chỉnh dòng điện I sao cho dòng điện chạy qua điện kế bằng 0 Ta có: Dòng điện I có thể được điều chỉnh bằng biến trở Rh Hoặc điều... rệt: - Vùng điện tích không gian, khi điện áp tăng dòng điện tăng nhanh Một phần nhỏ điện tích phát xạ đẩy điện tử mới phát xạ bật trở lại làm hạn chế dòng anode - Vùng bão hòa, dòng điện ít phụ thuộc vào điện áp mà chỉ phụ thuộc vào quang thông Tế bào quang điện được sử dụng trong vùng bão hòa, khi đó nó giống như nguồn dòng, chỉ phụ thuộc vào quang thông 10 Điện trở trong tế bào quang điện chân không... chiều dài đầu đo bằng chiều cao của mức chất lỏng cần đo Dòng điện giữa các điện cực tỷ lệ với chiều dài điện cực ngập trong chất lưu Độ lớn tín hiệu điện phụ thuộc vào độ dẫn của chất lưu • Phát hiện theo ngưỡng: Điện cực được đặt theo phương nằm ngang, vị trí mỗi điện cực tương ứng một mức chất lưu Khi chất lỏng đạt đến mức điện cực, xuất hiện dòng điện có biên độ không đổi b Cảm biến tụ điện Trang... ra sức điện động ký sinh Có 3 kỹ thuật hàn: - Hàn thiết - Hàn xì, bằng axêtylen - Hàn bằng tia lửa điện Dây được đặt trong sứ cách điện trơ về hóa học và có điện trở lớn Vỏ bọc bảo vệ bên ngoài làm bằng sứ hoặc thép, không cho khí lọt qua, chống tăng giảm nhiệt độ đột ngột b Sơ đồ đo Điều kiện: từng đôi cùng nhiệt độ A/M1, B/M1, M1/M2, M2/M3 Trang IV-26 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Suất điện động:... tín hiệu điện Cụ thể dưới đây là cảm biến hồng ngoại: điện trở của sensor sẽ giảm xuống khi ánh sáng hồng ngoại chiếu lên nó, một cảm biến tốt nếu có điện trở gần bằng 0 khi ánh sáng IR chiếu vào Sơ đồ nguyên lý mạch sensor Ta lợi dụng tính năng này của sensor để thiết kế một cầu chia thế như hình vẽ, khi đó RSENSOR VCC điện thế tạo chân “2” của bộ so sánh là VSENSOR = RSENSOR + R1 Một mạch sensor tốt... phủ bằng vật liệu có khả năng bức xạ thứ cấp Các điện cực mắc nối tiếp nhau và được cung cấp điện thế thông qua các cầu điện trở sao cho điện tử thứ cấp phát ra từ điện cực thứ k sẽ bị hút về điện cực thứ k+1, đồng thời số điện tử thứ cấp phát ra ở điện cực này cũng tăng lên V CÁP QUANG 1 Cấu tạo và tính chất Gồm một lõi chiết suất n1, bán kính 10 ÷ 100µm và vỏ chiết suất n2 < n1 dày 50µm Vật liệu chế... Mạch đo sai lệch điện áp Hai cảm biến T1 và T2 đo nhiệt độ ở hai nơi Vo = Vo2 – Vo1 Trang IV-31 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Chương 4: MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG I Cảm biến biến dạng – Điện trở a Nguyên lý Sử dụng dây dẫn có điện trở biến đổi tương ứng với sự thay đổi hình dạng dây dẫn khi có ngoại lực tác động vào b Đặc tính Xét dây dẫn có chiều dài l, tiết diện S - Khi không có lực tác dụng, điện . đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng v.v…). Trong . môn Cảm biến và đo lường Độ ẩm Điện trở suất, ρ Hằng số điện môi, ε LiCl Al 2 O 3 , polyme Mức chất lưu Hằng số điện môi, ε Chất cách lưu điện Trở kháng