Kỷ thuật Cảm biến đo lường

Tiểu luận Cảm biến đo lường, giới thiệu về cảm biến, phân loại cảm biến và cấu tạo, hoạt động của một số loại cảm biến, ứng dụng của nó trong thực tế. Có thể sử dụng trong chuyên đề giảng dạy Vật lý chuyên đề lớp 11 THPT.

KHOA VẬT LÝ

BÁO CÁO CUỐI HỌC PHẦN

KỸ THUẬT ĐO ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN

Giảng viên hướng dẫn:

Học viên thực hiện:

Lớp:

MSSV:

Đà Lạt, tháng 11 năm 2023

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 3

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 3

1 Cảm biến là gì? 3

2 Phân loại cảm biến 3

3 Ứng dụng của cảm biến 4

PHẦN 2: CẢM BIẾN QUANG TRỞ 4

1 Độ rọi sáng 4

2 Đặc tính 6

3 Mạch dùng transistor 7

4 Mạch đóng/cắt rơle 8

5 Mạch điều khiển còi báo 9

6 Mạch tự động bật/tắt đèn 9

PHẦN 3: CẢM BIẾN ÂM THANH 12

1 Cấu tạo 12

2 Nguyên lý hoạt động 12

3 Ứng dụng 13

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ di chuyển, ánh sáng, âm thanh v.v…

Để thực hiện các quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng

đo lường, kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tác động của các phần tử khác Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần

đo m không có tính chất điện và cho một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) Cảm biến thường dùng ở khâu đo lường và kiểm tra Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau Chúng có chức năng biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượng đầu ra là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha, Một loại cảm biến mà chúng ta bắt gặp rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày và ứng dụng của nó cũng vô cùng rộng rãi, đó là cảm biến ánh sáng và cảm biến âm thanh Ví dụ như bạn thấy các loại cảm biến trong phòng, khi trời tối thì đèn sẽ bật sáng, khi trời sáng thì đèn sẽ tắt… hay cảm biến âm thanh được sử dụng rộng rãi trong các ngôi nhà thông minh như: vỗ tay đèn sáng hay bật nhạc…vv

Chính vì vậy tôi quyết định thực hiện đề tài giới thiệu về cảm biến ánh sáng và cảm biến âm thanh để có thể hiểu hơn về cảm biến và những lợi ích to lớn của nó trong thực tiễn Do kiến thức còn hạn chế và thời gian tìm hiểu chưa được nhiều nên bài tiểu luận này còn nhiều thiếu sót Tôi hi vọng sẽ nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ thầy hướng dẫn và các bạn đọc để bài viết được hoàn thiện hơn

PHẦN 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN

1 Cảm biến là gì?

Có rất nhiều khái niệm cảm biến trên các trang mạng xã hội, nhưng về cơ bản chúng đều giống nhau Cảm biến là một thuật ngữ chuyên ngành dùng để chỉ các loại cảm biến, đầu dò, công tắc hoặc một loại thiết bị cảm nhận nào đó Là các loại thiết bị

có các bộ phận cảm nhận, tiếp xúc theo một phương thức nào đó để có thể đo lường các đại lượng hay hiện tượng vật lý nào đó Bên cạnh đó các sensor còn có các bộ phận xử

lý tín hiệu và cho ra các dạng tín hiệu khác nhau để người dùng có thể kết nối với các thiết biết hỗ trợ và điều khiển

2 Phân loại cảm biến

Tùy theo các đặc trưng, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau Phân loại cảm biến theo hình thái Cảm biến chủ động: ở đây cảm biến này không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Tiêu biểu là loại cảm biến áp điện được làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt Cảm biến bị động: có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Tiêu biểu là các

photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược

Phân loại cảm biến theo nguyên lý hoạt động

Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn

Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến cảm ứng điện động

Cảm biến điện trường: cảm biến áp điện Phân loại cảm biến theo phạm vi sử dụng

Cảm biến có thể phân ra theo pham vi sử dụng như: Cảm biến dùng trong công nghiệp, Cảm biến dùng cho nghiên cứu khoa học, Cảm biến dùng cho môi trường, khí tượng, Cảm biến dùng cho thông tin, viễn thông, Cảm biến dùng cho nông nghiệp, Cảm biến dùng cho dân dụng, Cảm biến dùng cho giao thông, Cảm biến dùng cho vũ trụ, Cảm biến dùng cho quân sự

3 Ứng dụng của cảm biến

Thiết bị cảm ứng là một sản phẩm công nghệ tiên tiến được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như: trong sinh hoạt, trong kinh doanh thương mại, trong bảo mật, trong vận tải hàng không, Cảm biến là thiết bị có thể nhận biết được vật ở cự

li nhất định theo lập trình của nó mà không phải chạm vào vật Chúng ta có rất nhiều loại cảm biến như: cảm biến nhiệt, cảm biến không khí, cảm biến âm thanh, cảm biến màu sắc, cảm biến tần số, cảm biến từ trường… Mỗi loại cảm biến có những ứng dụng khác nhau Sau đây là một số ứng dụng phổ biến của cảm biến:

Trong sinh hoạt thiết bị cảm biến chúng ta thường thấy là như cảm biến âm thanh ( vỗ tay tắt đèn), cảm biến từ trường ( ra khỏi phòng đèn tự tắt),cảm biến ánh sáng (điều hòa) Trong sản xuất công nghiệp thì thiết bị cảm biến chủ yếu để ngắt dòng điện khi quá tải, nóng hoặc bị ẩm để bảo vệ thiết bị điện an toàn Trong tự động hóa, cảm biến

có vai trò quan trọng trong quá trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung

PHẦN 2: CẢM BIẾN QUANG TRỞ

1 Độ rọi sáng

Để đánh giá mức đô chiếu sáng của một nguồn sáng nào đấy, người ta dùng một đại lượng gọi là đô rọi (illuminance) có đơn vị trong hệ SI là lux (ký hiệu là lx) Đơn vị lux được định nghĩa xuất phát từ đơn vị lumen (là một đơn vị trong hệ SI của quang thông, ký hiệu là lm), mà đơn vị lumen lại được đinh nghĩa dựa trên một đơn vị khác nữa do là candela (là đơn vị trong hệ SI của cường đô chiếu sáng, ký hiệu là cd)

Một lux tương đương với một lumen trên một mét vuông, và một candela tương đương một lumen trên một steradian:

Trong biểu thức trên, steradian (ký hiệu là sr) là đơn vị của góc khối (hay góc đặc), là góc ba chiều của một cung trong khối cầu bán kính r sao cho diện tích bề mặt khối cầu ứng với phần góc đo là r2 như mô tả trong hình 8.1 Thực tế thì góc này được tính ra bằng 2θ ≈65,540

Hình 1: Biểu diễn góc một cung khối cầu 1 steradian (hình a), và cách tính góc khối 1

steradian (hình b)

Cũng giống các đơn vị khác trong hệ SI, lux cũng có bội số - ước số thập phân của

nó ví dụ như:

Bảng 8.1 trình bày ví dụ về độ rọi của một số nguôn sáng thông dụng trong thực tế

Sao Thiên Làng (sao sáng nhất ban đêm) 10-5 Toàn bộ ánh sáng sao ban đêm 10-4 Bầu trời đêm quang không trăng 0,002 Đêm trăng không toàn phần 0,01 Đêm trăng sáng toàn phần 0,27 Đêm trăng toàn phần tại vùng nhiệt đới 1 Xẩm tối hoặc tảng sáng lúc trời quang 3,4

Ban ngày trời mây, âm u 100

Bình minh hoặc hoàng hôn lúc trời

Ban ngày trờ mây hoặc phòng thu hình 1.000

25.000 Ban ngay trời nắng giữa trưa 32.0

~130.000

2 Đặc tính

Hình 2: Hình dạng bên ngoài và ký hiệu của quang trở

Quang trở (hay tế bào quang dẫn - photoconductive cell, photo cell, photoconductor, photoresistor, CdS cell, LDR - Light Dependent Resistor), ngay như tên gọi là mỗi dạng cảm biến ánh sáng có điện trở của nó thay đổi từ khoảng vài mega-Ohm xuống vài trăm mega-Ohm Điều này có được là do hiệu ứng quang điện nội là hiện tượng giải phóng điện tử trọng vật liệu khi được ánh sáng chiếu xạ Ánh sáng chiếu càng nhiều, điện tử được giải phóng càng nhiều làm mật độ điện tử càng tăng dẫn đến

độ dẫn điện càng tăng theo dạng công thức (PL6) phần phụ lục 1 Điều này có nghĩa là điện trở suất, tức là điện trở của vật liệu sẽ giảm

Các vật liệu để chế tạo quang trở gồm chất nền là chất bán dẫn, các chất cảm nhận quang trở là PbS, PbSe, InSb có thể phát hiện ánh sáng hồng ngoại, trong đó phổ biến nhất là vật liệu Cadmium Sulfide (CdS) vì nó tác động với ánh sáng có dải phổ mà mắt người nhìn thấy được nên dễ dàng được điều khiển bằng những nguồn sáng thông thường như ánh sáng mặt trời, đèn điện, đèn pin., đồng thời dải thay đổi điện trở của vật liệu CdS rất lớn (vài trăm Ω đến vài MΩ ) nên độ nhạy là rất cao Bước sóng tác động nhạy nhất của vật liệu CdS đặc trưng trong khoảng 560nm ~ 600nm tương ứng màu vàng (ánh sáng mắt người nhìn thấy được có bước sóng khoảng 380nm ~ 750nm)

Hình 3: Đặc tính thay đổi điện trở của quang trở

Loại cảm biến quang trở rất phổ biến hiện nay thường tác động tại bước sóng khoảng 610nm tương ứng với ánh sáng màu vàng ~ cam và điện trở của nó thay đổi từ khoảng 10MΩ ~ 100Ω ứng với khi không được chiếu sáng và khi được chiếu sáng mạnh Quang trở CdS có giá thành tương đổi rẻ và thường được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng tự động điều chỉnh ánh sáng mờ, phát hiện tối-sáng để đóng/ngắt mạch điện, và những ứng dụng đo lường độ chiếu sáng

3 Mạch dùng transistor

Một ứng dụng đơn giản của LDR kết hợp với transistor để đóng/cắt được trình bày

ở hình 4

Biến trở VR và cảm biến LDR tạo thành một mạch phân áp phân cực cho transistor Khi LDR bị chiếu sáng hoặc che tối, điện trở của nó thay đổi dẫn đến điện áp phân cực cho transistor thay đổi làm kích dẫn hoặc ngưng dẫn transistor VR chỉnh điện

áp trong mạch phân áp nghĩa là chỉnh ngưỡng sự thay đổi của điện trở LDR để có thể kích dẫn transistor, hay nói cách khác VR được dùng để chỉnh mức độ ánh sáng mong muốn tác động của mạch

Hình 4: Mạch đóng/cắt đơn giản theo ánh sáng dùng transistor

Công tắc SW được dùng để đảo chiều tác động của LDR (chiều sáng thì mạch tác động hay che tối thì mạch tác động), ví dụ như trường hợp công tắc được bật lên vị trí phía trên, khi mức độ ánh sáng chiếu vào LDR tăng lên, điện trở của nó giảm xuống dẫn đến điện áp phân cực cho chân B của transistor tăng lên Tại một giá trị điện áp xác định nào đó của mạch phân áp, điện áp phân cực cho transistor đủ lớn để kích dẫn transistor và làm rơle tác động Như vậy, mạch sẽ tác động rơle để điều khiển mạch tại bên ngoài khi LDR được chiếu sáng

Ngược lại nếu bật công tắc xuống vị trí phía dưới, khi được che tối thì điện trở của LDR sẽ có giá trị lớn làm phân cực kích dẫn transistor và mạch rơle tác động Khi được chiếu sáng trở lại thì điện trở của LDR giảm nhỏ dẫn đến transistor ngưng dẫn, rơle không tác động

Đèn LED và điện trở hạn dòng cho nó R1 tạo thành mạch hiển thị tác động: khi rơle tác động thì LED sáng và ngược lại

Diode công suất D1 được đặt song song và nối ngược chiều cuộn dây của rơle như hình vẽ nhằm mục đích bảo vệ các transistor hoặc IC trong mạch khỏi bị hư hỏng do một điện áp xung nhọn tăng quá cao thường xảy ra khi ngắt điện cuộn dây rơle

Mạch điện này hoạt động tốt khi có sự thay đổi lớn về mức độ chiếu sáng và thời gian thay đổi là ngắn Nếu mức độ chiếu sáng thay đổi chậm, rơle có thể tác động đóng /cắt lặp lại (chattering) không đúng theo ý tại thời điểm mong muốn chuyển mạch, hoặc mạch sẽ bị hiện tượng chattering khi nhiệt độ hay điện áp nguồn cung cấp thay đổi Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách dùng các mạch so sánh trễ hoặc mạch Schmitt trigger

4 Mạch đóng/cắt rơle

Hình 5: Mạch đóng-cắt kết hợp với bộ so sánh chuyên dụng

Hình 8.5 trên đây là một dạng mạch điều khiển đóng/cắt rơle dùng quang trở tác động tại mức ánh sáng điều chỉnh được Mạch dùng bộ so sánh chuyên dùng LM311 kết hợp với mạch cấu Wheatstone có độ nhạy cũng như độ chính xác cao, và một đèn LED để báo hiệu tác động của rơle

Điện áp V2 ngõ vào (+) của bộ so sánh được đặt trước bởi phân áp trên hai điện trở R3 và R4 Điện áp V1 ngõ vào (-) chính là điện áp đặt lên LDR sẽ thay đổi phụ thuộc vào ánh sáng

Khi LDR bị che tối, điện trở của nó rất lớn làm điện áp V1 cũng rất lớn so với V2 Điều này dẫn đến điện áp ngõ ra bộ so sánh LM311 sẽ ở mức thấp không đủ kích dẫn transistor Khi LDR được chiếu sáng, điện trở của nó giảm làm V1 giảm đến giá trị nhỏ hơn V2 Lúc này điện áp ngõ ra của bộ so sánh chuyển lên mức cao lạm kích dẫn transistor dẫn đến rơle tác động đóng/cắt các tiếp điểm của nó Như vậy, mạch điều khiển rơle này có thể được dùng để đóng/cắt mạch tải ngoài tùy theo mức độ chiếu sáng lên LDR

Nếu hoán đổi vị trí cảm biến LDR và biến trở VR1 thì hoạt động của rơle tác động khi LDR có ánh sáng chiếu vào hay tác động khi LDR bị che tối cũng được hoán đổi VR1 là biến trở được dùng để chính điện áp V1 ngõ vào (-) của bộ so sánh có nghĩa là điều chỉnh ngưỡng của điện trở LDR để điện áp rơi trên nó đủ làm ngõ ra của

bộ so sánh chuyển trạng thái và tác động đến rơle Như vậy cũng có thể hiểu là VR1 được dùng để điều chỉnh mức độ ánh sáng tác động làm đóng mạch rơle

5 Mạch điều khiển còi báo

Hình 6: Mạch quang trở dùng Opamp

Một dạng mạch khác tương tự dùng Opamp LM741 để tác động khi có hoặc không có ánh sáng chiếu vào LDR trình bày như hình 6

Mạch này sử dụng Opamp đóng vai trò của bộ so sánh và tác động của mạch sẽ được nhân biết bằng còi báo Mặc dù LM 741 thường được dùng làm bộ khuyếch đại, tuy nhiên nó vẫn nhạy với những tín hiệu nhỏ nên vẫn có thể được ứng dụng làm bộ so sánh như trường hợp này

Khi chiếu ánh sáng lên LDR, điện trở của LDR giảm mạnh dẫn đến điện áp ngõ vào chân (+) của LM741 lớn hơn điện áp chân (-), vì LM741 đóng vai trò bộ so sánh nên điện áp ngõ ra Opamp sẽ chuyển lên mức cao làm kích dẫn transistor Transistor dẫn là có dòng điện chạy qua còi báo làm phát ra âm thanh báo hiệu

Khi R2 thay đổi, điện áp phân cực cho chân (-) thay đổi, tức là thay đổi ngưỡng tác động của điện áp chân (+) để ngõ ra bộ so sánh chuyển mạch Ngưỡng tác động này thay đổi có nghĩa là mức độ ánh sáng tác động để LDR phân áp cho chân (+) cũng thay đổi Như vậy điều chỉnh R2 là điều chỉnh mức độ ánh sáng tác động đến mạch hay nói cách khác là điều chỉnh độ nhạy của mạch với ánh sáng

Nếu thay LDR bằng nhiệt điện trở (thermistor - NTC) thì ta cũng sẽ có mạch tác động theo nhiệt độ với nguyên lý tương tự

6 Mạch tự động bật/tắt đèn

Hình 7: Mạch tự động bật tắt đèn dùng P1201 (hãng Hamamatsu)

Hình 7 trình bày một mạch tự động bật sáng một bóng đèn tròn 220V-100W khi trời tối và tự động tắt đèn khi trời sáng Để tránh mạch chuyển trạng thái liên tục khi độ sáng hơi biến động, mạch này sử dụng điện trở R3 để hồi tiếp dương kết hợp với bộ so sánh NJM2904D tạo thành mạch so sánh trễ (hysteresis comparator)

Nguyên lý của mạch so sánh trễ là khi điện áp Vi tăng đến giá trị mà điện áp V+ lớn hơn điện áp V- của bộ so sánh thì ngõ ra chuyển sang mức cao Do điện trở hồi tiếp dương nên V+ sẽ tăng thêm một chút nữa dẫn đến Vi nếu có biến động giảm một khoảng nhỏ cũng không làm ngõ ra bộ so sánh chuyển trạng thái Ngược lại, khi Vi giảm xuống đến giá trị mà V+ < V- thì ngõ ra bộ so sánh chuyển sang mức thấp Điều

và do đó Vi nếu có biến động tăng một khoảng nhỏ cũng không làm ngõ ra bộ so sánh chuyển trạng thái Chi tiết về hoạt động của mạch so sánh trễ đã được trình bày trong Chương 1

Cảm biến được sử dụng trong mạch là loại P1201 của hãng Hamamatsu Photonics Ltd (xem thêm chi tiết trong phần phụ lục), tuy nhiên ta vẫn có thể sử dụng cảm biến LDR của các hãng khác có tính năng tương tự Nguyên lý hoạt động của mạch được trình bày như sau

Trong thực nghiệm đối với bộ so sánh NJM2904D thì điện áp ra bão hòa dương (ngõ ra mức cao) đo được là VoH ~ 3, 46V và điện áp ra bão hòa âm (ngõ ra mức thấp)

đo được VoL ~ 0V Theo công thức trong phần mạch so sánh trễ ở Chương 1, ta tính được ViH = 1, 463V, ViL = 1, 298V

Điều chỉnh VR sao cho điện áp so sánh VS = 1, 4V Ban đầu trời sáng, điện trở RC

của cảm biến nhỏ nên ngõ ra bộ so sánh ở mức thấp làm transistor ngưng dẫn, không có dòng điện qua rơle SSR nên đèn tắt

Khi trời tối, điện trở RC tăng cao Với mạch phân áp gồm R1 và RC thì khi đó điện

áp Vi cũng sẽ tăng vượt quá 1,4V

Khi Vi tăng đến giá trị ViH = 1, 463V thì điện áp ra bộ so sánh chuyển trạng thái từ mức thấp sang mức điện áp bão hoà dương VoH = 3,64V

Điện áp VoH = 3,64V này sẽ tạo ra dòng điện chạy vào cực B kích transistor dẫn nên xuất hiện dòng điện IC chạy qua rơle làm rơle tác động ON, bóng đèn sáng

Khi trời sáng lên, điện trở RC của cảm biến nhỏ đi làm Vi giảm theo Khi Vi giảm tới giá trị ViL = 1, 298V thì điện áp ngõ ra bộ so sánh sẽ chuyển từ mức cao thành mức thấp Điều này dẫn đến transistor ngưng dẫn và không có dòng điện chạy qua rơle làm rơle tác động OFF, bóng đèn tắt

Độ trễ điện áp của mạch so sánh trễ là VH = ViH - ViL = 1, 463 -1, 298 = 0,165V

có nghĩa là với độ sáng thay đổi trong phạm vi nhỏ không đáng kể tương ứng với ∆Vi = 0,165V thì mạch sẽ tác động ổn định không bị hiện tượng đóng ngắt liên tục (chattering) ngoài ý muốn

Điện trở RC của cảm biến tương ứng với ViH = 1, 463V được xác định:

Tương tự thì điện trở của cảm biến tương ứng với khi điện áp vào được xác định: