Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Trình độ: Cao đẳng) - Trường CĐ Cơ điện-Xây dựng và Nông lâm Trung bộ

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN – XÂY DỰNG VÀ NÔNG LÂM TRUNG BỘ GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ : ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số 77/QĐ-CĐTB-ĐT ngày 19 tháng 01 năm 2021 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơ điện – Xây dựng Nông lâm Trung Năm 2021 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NĨI ĐẦU Trong cơng nghiệp sản xuất đại ngày nay, loại cảm biến có mặt hầu hết lĩnh vực điều khiển tự động Việc trang bị cho kiến thức lọai cảm biến nhu cầu cần thiết kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Mô đun kỹ thuật cảm biến mô đun chuyên môn học viên ngành sửa chữa thiết bị điện công nghiệp Mô đun nhằm trang bị cho học viên trường công nhân kỹ thuật trung tâm dạy nghề kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế số lọai cảm biến với kiến thức học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phương tiện để học tiếp môn chuyên môn ngành điện trang bị điện, PLC Mô đun làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Giáo trình biên soạn theo chương trình khung đào tạo trình độ cao đẳng Nghề Điện cơng nghiệp, giáo trình chia làm 10 bài, sau kết thúc mô đun này, học viên có khả : Phân tích cấu tạo, ngun lý hoạt động loại cảm biến ; Phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến ; Thực số ứng dụng cảm biến điều khiển điện cơng nghiệp Trong q trình biên soạn giáo trình, Tác giả có gắng tham khảo nhiều tài liệu chuyên ngành, tạp chí chào hàng, thiết bị chuyên dụng lĩnh vực cảm biến điện tử đo lường, … với mong muốn cập nhật kịp thời tiến khoa học lĩnh vực cung cấp điện Tuy nhiên kinh nghiệm thời gian có hạn, giáo trình khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng tơi mong bạn đọc lượng thứ đóng góp ý kiến nhận xét để giáo trình ngày hoàn thiện Mọi ý kiến xin gửi địa khoa.dientu@gmail.com Tác giả : Ks Lê Kim Ngọc MỤC LỤC NỘI DUNG TT Bài 1: Khái niệm chung cảm biến Cảm biến gì? Các yếu tố ảnh hưởng tới cảm biến Các tiêu đánh giá cảm biến Phân loại cảm biến Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Đại cương Cảm biến nhiệt điện trở Cặp nhiệt điện Cài đặt khống chế nhiệt thông dụng Bài 3: Cảm biến quang Đại cương Các loại cảm biến quang Bài 4: Cảm biến vị trí dịch chuyển Đại cương Cảm biến kiểu biến trở Cảm biến cảm ứng Cảm biến điện dung Cảm biến tiếp cận 5.1 Cảm biến tiếp cận điện cảm 5.2 Cảm biến tiếp cận điện dung 5.3 Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall 5.4 Cảm biến tiếp cận quang học Bài 5: Cảm biến áp suất chất lỏng Đại cương Đo áp suất biến dạng Chuyển đổi tín hiệu Đo áp suất biến thiên trở kháng Đo áp suất biến thiên điện dung Đo áp suất biến thiên độ từ cảm Đo áp suất biến thiên độ hỗ cảm Đo áp suất phần tử áp điện Cài đặt khống chế áp suất thông dụng Bài 6: Cảm biến độ ẩm Đại cương Các phương pháp đo độ ẩm Khảo sát số cảm biến đo độ ẩm thông dụng Bài 7: Cảm biến khói Đại cương Cảm biến khói ion hóa TRANG 6 11 13 13 15 20 23 24 24 29 35 35 35 37 40 43 43 46 49 51 64 64 64 65 67 67 68 68 69 69 70 70 70 71 72 72 72 Cảm biến khói quang học Bài 8: Cảm biến siêu âm Đại cương Cảm biến siêu âm công nghiệp Bài 9: Cảm biến hồng ngoại Đại cương Cảm biến hồng ngoại thụ động Cảm biến hồng ngoại chủ động Bài 10 Các hiệu ứng vật lý thƣờng đƣợc sử dụng cảm biến Hiệu ứng Joule Hiệu ứng hall Hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng xạ điện tử Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng Doppler Hiện tượng từ giảo Siêu âm Tài liệu tham khảo 73 74 74 75 78 78 79 79 81 81 81 82 83 83 84 85 86 88 BÀI KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN Mục tiêu bài: Học xong người học có khả năng: - Trình bày khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng cảm biến - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học Nội dung học : Cảm biến ? 1.1 Khái niệm Trong hệ thống đo lường – điều khiển trình đặc trưng biến trạng thái nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mômen, Các biến trạng thái thường đại lượng khơng điện Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi biến thiên biến trạng thái trình Các cảm biến thực chức này, chúng thu nhận đáp ứng với tín hiệu kích thích, tai mắt hoạt động khoa học công nghệ người Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng với tín hiệu kích thích Trong giới tự nhiên thể sống thường đáp ứng với tín hiệu bên ngồi có đặc tính điện hóa, dựa sở trao đổi ion, ví dụ hoạt động hệ thần kinh, Trong q trình đo lường – điều khiển thơng tin truyền tải điện tử 1.2 Nguyên lý làm việc cảm biến Theo mơ hình mạch ta coi cảm biến mạng hai cửa, cửa vào biến trạng thái cần đo x cửa đáp ứng y cảm biến với kích thích đầu vào x x y Bộ cảm biến Kích thích Đáp ứng Q trình Mơ hình mạch cảm biến (Các biến trạng thái) Phương trình mơ tả quan hệ đáp ứng y kích thích x cảm biến có Bộ cảm Cơ cấu dạng: biến chấp hành y = f(x) (1) Quan hệ (1) thường phức tạp có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp trình Chương ứng – kích thích Bộ vi xử lý Trong hệ thống đo lường – điều khiển đại trình thu thập xử lý tín hiệu thường máy tính đảm nhiệm y x Bộ cảm biến Kích thích Đáp ứng Q trình (Các biến trạng thái) Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến Chương trình Bộ vi xử lý Hệ thống điều khiển tự động trình Trong sơ đồ hình trình đặc trưng biến trạng thái cảm biến thu nhận Đầu cảm biến phối ghép với cấu chấp hành nhằm tác động trình, cảm biến đóng vai trị cảm nhận, đo đạc đánh giá thông số hệ thống Bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin đưa tín hiệu điều khiển q trình Các yếu tố ảnh hƣởng tới cảm biến 2.1 Nhiễu Khi dùng CB để đo lường, đại lượng cần đo tác động vào cảm biến, cịn có yếu tố khác gọi nhiễu tác động tới CB, gây sai số đo Nhiễu phân thành dạng nhiễu nội nhiễu mạch truyền dẫn Nhiễu nội sinh trình thiết kế, cơng nghệ chế tạo khơng hồn thiện, tính chất vật liệu chế tạo khơng với u cầu tín hiệu CB khơng đảm bảo dộ xác Nhiễu mạch truyền dẫn từ CB đến thiết bị đo thu thập số liệu gây nên sai số Các dạng nhiễu thường gặp : Do nguồn cung cấp không ổn định, khơng xác Do từ trường điện trường ngồi Nhiệt độ môi trường, độ ẩm, xạ ion, tác nhân hóa học v.v… 2.2 Biện pháp hạn chế nhiễu Để hạn chế nhiễu mạch truyền dẫn, thường người ta dùng số phương pháp sau : Giảm thiễu nhiễu xâm nhập : Dùng chắn từ trường, điện trường, dùng dây bọc kim loại Bù trừ nhằm triệt tiêu ảnh hưởng nhiễu phạm vi Xác định mức cho phép khơng để nhiễu vượt q giới hạn Các tiêu đánh giá cảm biến 3.1 Sai số Các cảm biến dụng cụ đo lường khác, đại lượng cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi x độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối cảm biến tính bằng:  Δx 100 % x Sai số cảm biến mang tính chất ước tính khơng thể biết xác giá trị thực đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại : sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên - Sai số hệ thống: sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khơng đổi thay đổi chậm theo thời gian đo thêm vào độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo Sai số hệ thống thường thiếu hiểu biết hệ đo, điều kiện sử dụng không tốt gây Các nguyên nhân gây sai số hệ thống là: Do nguyên lý cảm biến + Do giá trị đại lượng chuẩn khơng + Do đặc tính cảm biến + Do điều kiện chế độ sử dụng + Do xử lý kết đo - Sai số ngẫu nhiên: sai số xuất có độ lớn chiều khơng xác định Ta dự đốn số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên khơng thể dự đốn độ lớn dấu Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: + Do thay đổi đặc tính thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do đại lượng ảnh hưởng không tính đến chuẩn cảm biến Chúng ta giảm thiểu sai số ngẫu nhiên số biện pháp thực nghiệm thích hợp bảo vệ mạch đo tránh ảnh hưởng nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành chế độ thực phép đo lường thống kê 3.2 Độ nhạy Đối với cảm biến tuyến tính, biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m có liên hệ tuyến tính: s = S.m Đại lượng S xác định biểu thức S  s gọi độ nhạy cảm biến m Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S cảm biến xung quanh giá trị m đại lượng đo xác định tỷ số biến thiên s đại lượng đầu biến thiên m tương ứng đại lượng đo đầu vào quanh giá trị đó: * Độ nhạy chế độ tĩnh tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng sở đo giá trị si đầu tương ứng với giá trị không đổi mi đại lượng đo đại lượng đạt đến chế độ làm việc danh định gọi đặc trưng tĩnh cảm biến S s m Độ nhạy chế độ tĩnh độ dốc đặc trưng tĩnh điểm làm việc xét Như vậy, đặc trưng tĩnh khơng phải tuyến tính độ nhạy chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc * Độ nhạy chế độ động Độ nhạy chế độ động xác định đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian Độ nhạy chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f) Sự biến thiên độ nhạy theo tần số có nguồn gốc qn tính cơ, nhiệt điện đầu đo, tức cảm biến thiết bị phụ trợ, chúng cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên đại lượng đo Bởi xét hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo cảm biến cách tổng thể 3.3 Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo Nói cách khác, cảm biến có tính tuyến tính dải đo dải đo đại lượng tỷ lệ bậc với đại lượng cần đo đầu vào Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính khơng phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào giá trị đại lượng đo, thể đoạn thẳng đặc trưng tĩnh cảm biến hoạt động cảm biến tuyến tính chừng đại lượng đo cịn nằm vùng Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm không phụ thuộc độ nhạy chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời thông số định hồi đáp (như tần số riêng fo dao động không tắt, hệ số tắt dần không phụ thuộc vào đại lượng đo Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỉ lệ với thay đổi đại lượng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hố 3.4 Thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng thời gian kể từ lúc đại lượng cần đo đầu vào cảm biến thay đổi đột ngột lúc đại lượng cảm biến thay đổi theo đạt xấp xỉ giá trị đo tương ứng, thua ε%=10% Trong trường hợp thay đổi đại lượng đo có dạng bậc thang, thơng số thời gian gồm thời gian trễ tăng (tdm) thời gian tăng (tm) ứng với tăng đột ngột đại lượng đo thời gian trễ giảm (tdc) thời gian giảm (tc) ứng với giảm đột ngột đại lượng đo Khoảng thời gian trễ tăng tdm thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian tăng tm thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng Tương tự, đại lượng đo giảm, thời gian trễ giảm tdc thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian giảm tc thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng Các thơng số thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp 3.5 Giới hạn hay điều kiện sử dụng Trong trình sử dụng, cảm biến chịu tác động ứng lực học, tác động nhiệt Khi tác động vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ giới hạn * Vùng làm việc danh định 10 BÀI CẢM BIẾN SIÊU ÂM Mục tiêu bài: - Trình bày nguyên lý cấu tạo, nguyên lý làm việc cảm biến siêu âm - Lựa chọn, cài đặt số loại cảm biến siêu âm thơng dụng - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, tích cực, chủ động, sáng tạo Nội dung học : Đại cƣơng Cảm biến siêu âm gì? Nói cách đơn giản, cảm biến siêu âm thiết bị cảm biến hoạt động dựa sóng siêu âm Cũng giống loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm dùng chủ yếu để đo khoảng cách vận tốc Ngồi sử dụng ứng dụng làm sóng siêu âm dùng siêu âm y khoa (siêu âm chuẩn đốn hình ảnh) Siêu âm loại âm có tần số cao tần số mà tai người nghe Trung bình tần số siêu âm rơi vào khoảng 20kHz trở lên Nguyên lý cảm biến siêu âm: Đầu tiên, đầu cảm biến phát chùm sóng siêu âm xuống bề mặt cần đo khoảng cách Khi sóng siêu âm gặp bề mặt vật cản phản xạ ngược lại Khi cảm biến thu lại chùm sóng siêu âm Dựa vào thời gian phản xạ vận tốc sóng, cảm biến tính khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt chất lỏng 74 Ưu nhược điểm cảm biến sóng siêu âm: + Ưu điểm cảm biến sóng siêu âm: Sử dụng sóng siêu âm nên đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc với vật chất cần đo Vì thế, cảm biến siêu âm thường dùng để đo mức chất lỏng có độ ăn mịn cao acid xăng, dầu,… Sóng siêu âm loại âm có tần số cao nên độ nhạy cảm biến cao, thời gian đáp ứng nhanh Độ xác cảm biến siêu âm gần tuyệt đối, sai số trung bình khoảng 0,15% khoảng cách 2m trở lại +Nhược điểm cảm biến sóng siêu âm: Cảm biến siêu âm chịu ảnh hưởng nhiều nhiệt độ áp suất Vì hoạt động tốt mơi trường có nhiệt độ từ 60 độ C trở xuống áp suất khoảng bar trở lại Các loại cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng có chi phí đầu tư ban đầu cao so với loại cảm biến đo mức chất lỏng khác Một nhược điểm khác cảm biến siêu âm dễ bị nhiễu tín hiệu nên lắp đặt, bạn cần phải lắp theo hướng dẫn nhà sản xuất Cảm biến siêu âm công nghiệp 2.1 Cảm biến siêu âm đo khoảng cách Cảm biến phát chùm tia sóng hình nón xuống vị trí cần đo khoảng cách Thông thường người ta dùng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm băng chuyền Nếu khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm đột ngột tăng cao khả sản phẩm bị móp, méo bị nứt Từ cảm biến báo động loại sản phẩm khỏi băng chuyền 2.2 Cảm biến siêu âm xác định vật cản 75 Khi phát phần đầu xe xe gần va chạm cảm biến xuất tín hiệu báo động để báo cho tài xế biết có va chạm 2.3 Cảm biến siêu âm đo mức nước Ngoài ứng dụng để đo mức nước, người ta dùng cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng nói chung Tức bao gồm dầu ăn, dầu diesel, socola, nước trái cây, đường, muối, acid ăn mịn,… Lý dịng cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng đo mức mà không cần tiếp xúc với môi trường đo nên khơng bị ảnh hưởng độ ăn mịn đươc dùng ứng dụng đo mức thực phẩm 76 Thông thường người ta lắp đặt cảm biến siêu âm phía bồn chứa, sau tín hiệu output cảm biến đưa tủ điện để điều khiển mức nước báo động mức nước vượt giới hạn đặt 77 BÀI CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI Mục tiêu bài: - Trình bày nguyên lý cấu tạo, nguyên lý làm việc cảm biến hồng ngoại - Lựa chọn, cài đặt số loại cảm biến hồng ngoại thơng dụng - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, tích cực, chủ động, sáng tạo Nội dung học : Đại cƣơng Cảm biến hồng ngoại hay gọi IR Sensor, chúng thiết bị điện tử có khả đo phát xạ hồng ngoại môi trường xung quanh Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) phát tia vơ hình mắt người, bước sóng dài ánh sáng khả kiến (mặc dù nằm phổ điện từ) Bất thứ phát nhiệt (mọi thứ có nhiệt độ năm độ Kelvin) phát xạ hồng ngoại Hồng ngoại hay gọi tia hồng ngoại xạ điện từ có bước sóng dài ánh sáng ngắn tia xạ Vi ba Hồng ngoại tức ngồi sóng đỏ Màu đỏ màu có bước sóng dài ánh sáng thường Thơng thường vật thể có nhiệt độ 35° C phát bước sóng hồng ngoại Có hai loại cảm biến hồng ngoại cảm biến dạng chủ động thụ động Cảm biến hồng ngoại hoạt động cách phát phát xạ hồng ngoại 78 Cảm biến hồng ngoại thụ động Hồng ngoại thụ động có nghĩa nhận tia hồng ngoại phát từ vật thể khác người, động vật nguồn nhiệt bất kỳ, tự khơng phát tia hồng ngoại Sau nhận biết nguồn nhiệt, phận cảm biến phân tích để xách định điều kiện báo động Cảm biến hồng ngoại thụ động bao gồm: - Hai dải vật liệu nhiệt điện (cảm biến nhiệt điện) - Một lọc hồng ngoại (chặn tất bước sóng ánh sáng khác) - Thấu kính Fresnel ( thu thập ánh sáng từ nhiều góc độ vào điểm nhất) - Vỏ bảo vệ cảm biến khỏi biến môi trường khác Cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR) sử dụng phổ biến phát dựa chuyển động; chẳng hạn hệ thống an ninh nhà Khi đối tượng chuyển động tạo xạ hồng ngoại vào phạm vi cảm nhận máy dò; khác biệt mức IR hai phần tử nhiệt điện đo Sau đó, cảm biến gửi tín hiệu điện tử đến máy tính nhúng, từ kích hoạt cảnh báo Cảm biến hồng ngoại chủ động Cảm biến hồng ngoại chủ động thường cấu tạo có hai phần: diode phát sáng (LED) máy thu Khi vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED phản xạ khỏi vật thể đầu thu phát Cảm biến hồng ngoại hoạt động 79 đóng vai trị cảm biến tiệm cận chúng thường sử dụng hệ thống phát chướng ngại vật (như robot) 80 BÀI 10 CÁC HIỆU ỨNG VẬT LÝ THƢỜNG ĐƢỢC SỬ DỤNG Ở CẢM BIẾN Mục tiêu bài: - Trình bày nguyên lý cấu tạo, nguyên lý làm việc cảm biến hồng ngoại - Lựa chọn, cài đặt số loại cảm biến hồng ngoại thơng dụng - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, tích cực, chủ động, sáng tạo Nội dung học : Hiệu ứng Joule Hiệu ứng Joule hiệu ứng sinh nhiệt vật dẫn có dịng điện chạy qua Đây ngun tắc chung thiết kế, chế tạo cảm biến nhiệt độ Hiệu ứng hall Phát vào năm 1880 Edwin Hall, đặt từ trường vng góc với hướng dòng điện kim loại hay chất bán dẫn xuất điện trường vng góc với hướng dòng điện hướng từ trường xuất điện áp hai bên vật dẫn Đây hiệu ứng sử dụng rộng rãi công nghệ sensor Hiệu ứng Hall ứng dụng để xác định vị trí vật chuyển động Vật cần xác định vị trí liên kết học với nam châm, thời điểm, vị trí nam châm xác định giá trị từ trường B góc θ tương ứng với bán dẫn mỏng làm vật trung gian Vì vậy, hiệu điện VH đo hai cạnh bán dẫn hàm phụ thuộc vào vị trí vật không gian 81 Hiệu ứng nhiệt điện 3.1 Hiệu ứng Thomson Hiệu ứng Thomson hiệu ứng: Một dây dẫn đồng chất mà hai đầu có nhiệt độ khác hai đầu xuất sđđ nhiệt S.đ.đ nhiệt phụ thuộc vào chất dây nhiệt độ chênh lệch 3.2 Hiệu ứng Peltier Hiệu ứng Peltier hiệu ứng: Hai dây dẫn khác loại nối với mối nối xuất sđđ tiếp xúc S.đ.đ tiếp xúc phụ thuộc vào chất hai dây dẫn nhiệt độ mối nối Giá trị s.đ.đ tiếp xúc cỡ vài mV 3.2 Hiệu ứng Seebeck Hiệu ứng Seebeck hiệu ứng: Hai dây dẫn khác loại tạo thành mạch kín mà nhiệt độ hai mối nối khác mạch kín có dịng điện chạy có sđđ nhiệt điện 82 S.đ.đ nhiệt điện phụ thuộc vào chất hai vật dẫn chênh lệch nhiệt độ mối nối Hiệu ứng xạ điện tử 4.1 Hiện tượng xạ nhiệt điện Là tượng hạt điện tử rời khỏi bề mặt vật bị đốt nóng 4.2 Hiện tượng xạ lạnh Là tượng xạ điện tử kim loại tác dụng điện trường 4.3 Hiện tượng xạ quang điện Là tượng xạ điện tử khỏi bề mặt vật (chủ yếu kim loại) chân không hay chất khí tác dụng ánh sáng chiếu vào Khi bị ánh sáng chiếu vào, tia sáng mang theo photon có lượng Điện tử nhận lượng photon kích hoạt tăng thêm lượng vượt qua hàng rào điện tạo thành dòng điện Người ta ứng dụng tượng xạ quang điện để chế tạo pin mặt trời, photodiode,phototransistor… Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện xuất điện tích trái dấu hai mặt đối diện số tinh thể tác dụng lực học theo hướng xác định Một số vật liệu gọi chung vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) bị biến dạng dước tác động lực học, mặt đối diện vật liệu xuất lượng điện tích trái dấu, gọi hiệu ứng áp điện Đo V ta xác định cường độ lực tác dụng F 83 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler hiệu ứng tần số bước sóng sóng âm, sóng điện từ hay sóng nói chung bị thay đổi mà nguồn phát sóng chuyển động tương người quan sát Đối với sóng chuyển động mơi trường (như sóng âm), nguồn sóng người quan sát chuyển động tương đối so với mơi trường Hiệu ứng Doppler lúc tổng hợp hai hiệu ứng riêng rẽ gây hai chuyển động Tần số tăng lên nguồn tiến phía người quan sát, giảm nguồn xa người quan sát(với điều kiện chuyển động nguồn người chuyển động đều) Trong hiệu ứng Doppler thật tần số nguồn sóng khơng bị thay đổi Để hiểu rõ ngun nhân tạo hiệu ứng Doppler, thay đổi tần số, ta lấy ví dụ hai người ném bóng Người A ném bóng đến người B khoảng cách định Giả sử vận tốc trái bóng khơng đổi phút người B nhận x số bóng Nếu người A từ từ tiến lại gần người B, người B nhận nhiều bóng phút khoảng cách họ bị rút ngắn Vậy số bước sóng bị thay đổi nên gây thay đổi tần số Một tiếng còi xe cấp cứu tiến đến ta có tần số cao (chói hơn) xe đứng yên Tần số giảm dần (trầm hơn) xe vượt qua ta nhỏ bình thường xe chạy xa Nói cách khác, xe theo phương thẳng tới bạn, tần số giữ nguyên (vì thành phần vận tốc v theo phương tới bạn khơng đổi, chúng vượt qua bạn, chuyển sang tần số thấp Sự khác biệt tần số cao lúc tiến đến so với tần số chuẩn còi khác biệt tần số 84 thấp lúc xa so với tần số chuẩn Khi xe không tông vào bạn mà qua mặt bạn, thành phần vận tốc theo phương tới bạn không giữ nguyên phương ln thay đổi tùy thuộc vị trí xe: Sử dụng chế radar hiệu ứng Doppler, phát bước sóng radio có tần số xác định f0 thu nhận tần số sóng radio f1 phản xạ ngược trở lại từ phương tiện giao thông di chuyển với vận tốc u Từ f0 f1 ta tính vận tốc phương tiện giao thơng Hiện tƣợng từ giảo Từ giảo ( magnetostriction) tượng hình dạng, kích thước vật từ (thường sắt từ) bị thay đổi tác dụng từ trường (từ giảo thuận) ngược lại, tính chất từ vật từ bị thay đổi có thay đổi hình dạng kích thước (từ giảo nghịch) Hiện tượng từ giảo dẫn đến thay đổi chiều dài gọi từ giảo dài, tượng dẫn đến thay đổi tồn thể tích gọi từ giảo khối Trong nghiên cứu từ học kỹ thuật, người ta quan tâm đến đại lượng độ cảm từ giảo, định nghĩa biến thiên hệ số từ giảo theo từ trường Hình ảnh mơ tả chế hiệu ứng từ giảo Bản chất tượng từ giảo tương tác spin-quỹ đạo điện tử vật liệu sắt từ Hiện tượng từ giảo xảy đám mây điện tử khơng có dạng đối xứng cầu có tương tác spin-quỹ đạo mạnh Dưới tác dụng từ trường ngoài, phân bố điện tử (ở mômen quỹ đạo) quay theo quay mômen từ (mômen spin) từ hướng sang hướng khác từ giảo tạo thay đổi tương ứng tương tác tĩnh điện điện tử từ điện tích mơi trường Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa mômen quỹ đạo 0), tất vị trí iơn lân cận tương đương phân bố điện tử Khi có tác động từ trường ngồi, mơmen spin có quay đi, phân bố không gian điện tử hồn tồn khơng thay đổi nên khoảng cách điện tử giữ nguyên (không dẫn đến thay đổi kích thước 85 hình dạng mẫu Nếu đám mây điện tử khơng có dạng đối xứng cầu (có nghĩa mơmen quỹ đạo khác 0), lúc vị trí phân bố xung quanh khơng cịn tính chất đối xứng, quay mơmen spin có từ trường ngồi dẫn đến thay đổi đám mây điện tử, dẫn đến thay đổi kích thước hình dạng mẫu Hay nói cách đơn giản, từ giảo phản ánh tính chất đối xứng mạng tinh thể Từ giảo mang tính chất đối xứng tinh thể nên phụ thuộc vào phương từ trường, véctơ từ độ hướng tinh thể Hầu hết nguyên tố sắt từ có từ giảo Trong nguyên tố sắt từ, cơban (Co) ngun tố có hệ số từ giảo lớn nhiệt độ phịng(do cơban có cấu trúc bất đối xứng cao - lục giác xếp chặt), đạt tới 60.10−6 từ trường bão hòa Các vật liệu có hệ số từ giảo lớn gọi vật liệu từ giảo khổng lồ Có nhiều loại vật liệu từ giảo khác nhau, thời điểm tại, vật liệu từ giảo thương phẩm tốt Terfenol-D (có tên từ viết tắt ghép bởi: Ter Terbium - Tb, Fe - sắt, Nol - Naval Ordnance Laboratory, D - Dysproxium - Dy) hợp kim TbxDy1-xFe2 có hệ số từ giảo đạt tới 2000.10−6 từ trường kOe[1], đạt 400.10−6 dạng màng mỏng [2] Đây vật liệu từ giảo dùng phổ biến Vật liệu từ giảo ứng dụng linh kiện, thiết bị chuyển đổi điện - từ dạng vật liệu dạng khối vật liệu dạng màng mỏng, ví dụ cảm biến từ trường (dựa tổ hợp từ giảo-áp điện), cảm biến đo gia tốc, cảm biến đo dịch chuyển học, máy phát siêu âm - từ giảo, linh kiện vi vi điện tử (MEMS) Siêu âm Sóng siêu âm định nghĩa loại sóng có tần số cao mà người khơng thể nghe thấy Trong tự nhiên, sóng siêu âm tìm thấy lồi động vật dơi, cá heo … Chúng dùng sóng siêu âm để định hướng đi, liên lạc với đồng loại, hay để săn mồi… Khi nghiên cứu loài động vật này, nhà khoa học tìm hiểu nguyên tắc mà chúng sử dụng sóng âm để định hướng đơn giản thú vị Cơ gồm:  Đối tượng phát sóng âm  Sóng âm va chạm với vật cản phản xạ lại  Khoảng cách xác định dựa thời gian phát / thu 86 Tuy nhiên, trình xác định khoảng cách phụ thuộc nhiều vào mơi trường truyền dẫn Cụ thể, sóng âm truyền mơi trường khác có thời gian phản hồi khác Ví dụ: Sóng âm truyền môi trường chất lỏng hay rắn nhanh nhiều so với sóng âm truyền mơi trường khơng khí Điểm hạn chế lớn sóng âm truyền môi trường chân không Dựa nguyên tắc này, với tiến khoa học công nghệ đại, nhà khoa học cung cấp thị trường nhiều ứng dụng như: thiết bị định hướng cho tàu ngầm, hệ thống đo khoảng cách công nghiệp, môi trường như: đo độ sâu hồ nước, đo khoảng cách vật thể dây chuyền, đo mức chất lỏng… từ loại cảm biến siêu âm… Như định nghĩa mục trên, sóng siêu âm đơn sóng âm có tần số cao, ngồi khả cảm nhận âm tai người Chính thế, sóng siêu âm khơng gây hại cho sức khoẻ người môi trường sống Vì sóng an tồn, sóng siêu âm cịn ứng dụng ngành như: chuẩn đốn hình ảnh siêu âm y khoa, kiểm tra không phá huỷ kết cấu khí, ứng dụng ngành quan trắc mơi trường, hố học, sinh học,… qua loại cảm biến siêu âm * Đại lượng có khả làm thay đổi tính chất điện Đại lƣợng cần đo Loại vật liệu sử dụng Nhiệt độ Kim loại (Platinum-Pt, Nickel-Ni, Copper-Cu), bán dẫn Bức xạ ánh sáng Bán dẫn Biến dạng Hợp kim Nicken-Ni, Bán dẫn tạp Si, hợp kim sắt từ Vị trí nam châm Vật liệu từ điện trở Bismuth-Bi, Indium Antimony-InSb 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình nội bộ, Kỹ thuật cảm biến, khoa Điện-Điện Tử, Trường Cao đẳng nghề Cơ điện-Xây dựng Nông lâm Trung [2] Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [3] Nguyễn Thị Lan Hương, Kỹ thuật cảm biến, NXB Khoa học Kỹ thuật 2008 88