đề tài nghiên cứu lý thuyết về cảm biến nhệt xây dựng mô hình vật lý ứng dụng cảm biến hồng ngoại vào hệ thống chống trộm

 Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện nhiệt độ, vận tốc, ápsuất,… tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điệnđiện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng,…

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN NHIỆT

 Cảm biến: Là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được.

 Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (nhiệt độ, vận tốc, áp suất,…) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng,…) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị cần đo.

1.1.1 Cấu trúc một dụng cụ đo không điện

 Cảm biến (sensor): thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầura.

 Mạch đo: gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cơ cấu chỉ thị Bao gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng

 Cơ cấu chỉ thị: hiển thị kết quả đo (Số, kim, điện tử).

Giới thiệu cảm biến

Khái niệm cảm biến

 Cảm biến: Là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được.

 Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (nhiệt độ, vận tốc, áp suất,…) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng,…) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị cần đo.

1.1.1 Cấu trúc một dụng cụ đo không điện

 Cảm biến (sensor): thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầura.

 Mạch đo: gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cơ cấu chỉ thị Bao gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng

 Cơ cấu chỉ thị: hiển thị kết quả đo (Số, kim, điện tử).

Đặc trưng cơ bản

Đại lượng điện(Y) ở ngõ ra của chuyển đổi luôn có thể biểu diễn theo ngõ vào không điện (X) qua một hàm f.

Tác dụng của nhiễu: Y = f(X, X1, X2,…, Xn)

Trong đó X1, X2,… là những đại lượng nhiễu, do vậy điều kiện lý tưởng là các đại lượng này bằng 0.

Phương pháp chuẩn cảm biến (Calibration)

 Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi của cảm biến hoặc dưới dạng phương trình hoặc dạng đồ thị.

 Thực hiện phép đo với những tín hiệu ngõ vào xi xác định để tìm được ngõ ra yi → xây dựng đường đặc tính.

 Chuẩn đơn giản: đại lượng đo chỉ có đlvl duy nhất tác động lên và cảm biến ko nhạy với tác động của các đại lưởng ảnh hưởng Đo giá trị ngõ ra ứng với giá trị ngõ vào không đổi Tiến hành theo 2 pp: chuẩn trực tiếp và chuẩn gián tiếp.

 Chuẩn nhiều lần: áp dụng các cảm biến có tính trễ, xây dựng đường đặc tính khi ngõ vào tăng lên và xây dựng đường đặc tính khi ngõ vào giảm xuống.

 Độ nhạy: Là tỉ số biến thiên đầu ra theo biến thiên đầu vào.

 Độ nhạy chủ đạo Sx càng lớn tức khả năng đo được các đại lượng biến thiên đầu vào càng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt

 Độ nhạy phụ Sxi càng nhỏ tức ảnh hưởng của các đại lượng phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt.

 Độ chọn lựa: Tỷ lệ giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ.

 Cảm biến có Ki càng lớn thì càng tốt

 Ví dụ: cho 2 cảm biến có độ nhạy như bảng sau:

 Nên chọn cảm biến nào? Tại sao?

1.2.3 Ngưỡng độ nhạy và giới hạn đo

Ngưỡng độ nhạy: là độ biến thiên lớn nhất của ngõ vào mà ngõ ra chưa thay đổi.

Y = f(X + ∆0) thì ∆0 càng nhỏ càng tốt

Giới hạn đo: là phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi còn nghiệm đúng.

Khi lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn hơn hoặc bằng khoảng muốn đo.

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đo.

Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta sử dụng các mạch đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi là sự tuyến tính hóa. Đường thẳng tốt nhất (Best Straight Line)

 Khi chuẩn một cảm biến, người ta đo được các cặp giá trị ứng với ngõ ra và ngõ vào {xi, yi}

Lý tưởng thì những giá trị này sẽ nằm trên một đường đặc trưng là đường thẳng.

Thực nghiệm các điểm này không nằm trên cùng đuờng thẳng mà nằm trên1 đường gọi là đượng cong chuẩn.

Đường thẳng được xây dựng từ kết quả thực nghiệm sao cho sai số là nhỏ nhất: đường thẳng tốt nhất.

 Sai số: là sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo được gồm sai số tuyệt đối và sai số tương đối.

 Có 3 lọai sai số chủ yếu trong chuyển đổi đại lượng đo lường không điện:

 Sai số phi tuyến: là sai số xuất hiện trong kết quả đo do đặc tính chuyển đổi là phi tuyến.

 Khắc phục: tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi.

 Sai số phụ: là sai số xuất hiện do ảnh hưởng của các đại lượng phụ.

 Khắc phục: sử dụng cảm biến đúng trong môi trường theo yêu cầu của nhà sản xuất, Lọc nhiễu, Bù nhiễu, Phối hợp tổng trở v.v…

 Sai số ngưỡng : sai số do ngưỡng độ nhạy Sai số này phụ thuộc vào công nghệ chế tạo nên không có cách khắc phục.

Phân loại cảm biến

Cảm biến có thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau:

Yêu cầu về nguồn cung cấp:

- Tích cực và thụ động.

 Trạng thái tín hiệu ra:

- Trạng thái lệch và cân bằng.

Cảm biến tích cực: đòi hỏi sự cung cấp năng lượng bên ngòai hay tín hiệu kích thích để tác động.

- Các cảm biến hoạt động như máy phát, đáp ứng là điện áp, điện tích hay dòng điện.

Nguyên lý chuyển đổi: dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện.

Cảm biến tích cực gồm các hiệu ứng sau:

Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hiệu ứng quang – điện – từ

Hiệu ứng Hall a) Hiệu hứng nhiệt điện

Hai dây dẫn (M ) và (M1 2) có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T và T khác1 2 nhau, khi đó trong mạch xuất hiệm một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T và T 1 2

Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T khi biết trước nhiệt độ1

T2, thường chọn T2=0 C ₒ b) Hiệu ứng hỏa điện

Một số tinh thể được gọi là tinh thể hỏa điện có tính phân điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hỏa điện.

Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta chiếu một chùm sáng vào tinh thể hỏa điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ. c) Hiệu ứng áp điện

Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệp ứng áp điện Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F. d) Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây Tương tự như vậy,trong một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng. e) Hiệu ứng quang – điện – từ

Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng.

1.3.2 Cảm ứng thụ động Đại lượng Thông số biến đổi Vật liệu làm cảm biến Nhiệt độ

Nhiệt độ rất thấp Điện trở suất

Kimloại: Platine, nickel, đồng, chất bán dẫn

Biến dạng Điện trở suất Độ từ thẩm

Hợp kim niken và silic mạ

Vị trí Điện trở suất Từ trở

Từ thông của bức xạ quang Điện trở suất Bán dẫn Độ ẩm Điện trở suất

Chlorure de lithium Hợp kim polimere

Mức Hằng số điện môi Cách điện lỏng

1.3.3 Cảm biến tương tự và số

 Cảm biến tưởng tự: cung cấp tín hiệu liên tục trong cả cường độ, thời gian và không gian Hầu hết các giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự.

 Ví dụ: nhiệt độ, sự di chuyển, cường độ sáng

 Cảm biến số: tín hiệu ra giữ ở trạng thái các bước hoặc rời rạc.Tín hiệu số dễ bị lặp đi lặp lại, đáng tin cậy và dễ truyền đi xa.

 Ví dụ: Shaft Encoder, Contact switch…

 Ngõ ra dòng điện: 0-20mA, 4-20mA

 Ngõ ra điện áp: Đơn cực (unipolar): 0-1V, 0-5V, 0-10V,…

 Ngõ ra analog kết hợp đầu lọc tín hiệu ( mạch xử lý & bộ khuếch đại amplifier)

 Ngõ ra Relay: NO, NC

 Ngõ ra transistor (TTL&HTL) : NPN vs PNP with or without Open Collector (NO, NC) ,(Sinking and Sourcing)

 Chế độ lệch: Tín hiệu phản hồi là sự thay đổi (lệch) so với trạng thái ban đầu của thiết bị đo Sự thay đổi này ứng với giá trị đo.

 Chế độ cân bằng: Đưa ảnh hưởng của tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động của hệ thống đo lường.

 Dụng cụ đo lường ở trạng thái cân bằng có thế có kết quả đo chính xác hơn ở chế độ lệch nhưng đáp ứng thường chậm hơn.

Nhiễu đo

 Chia làm 2 loại chính: Nhiễu nội tại và nhiễu đường truyền.

 Nhiễu nội tại: phát sinh do không hoàn thiện trong việc thiết kế, chế tạo các bộ cảm biến Nhiễu nội tại không thể khắc phục nhưng có thể giảm thiểu.

 Nhiễu đo đường truyền: phát sinh do những nguồn nhiễu, từ trường, trường điện từ sóng radio, do mạch phối hợp trên đường truyền, hoặc phát sinh tại máy thu Để giảm nhiễu trên đường truyền ta có thể sử dụng một số phương pháp như: cách ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý.

 Một số biện pháp khắc phục nhiễu:

Nguồn nhiễu Độ lớn Biện pháp khắc phục

150Hz do máy biến áp bị bão hòa Đài phát thanh

Tia lửa do chuyển mạch

Cách ly nguồn nuôi, màn , nối đất Lọc nguồn

Bố trí linh kiện hợp lý

Màn chắn Lọc, nối đất, màn chắn

Ghép nối cơ khí, không để dây cao áp gần đầu vào chuyển đổi

Sử dụng cáp ít nhiễu(điện môi tẩm Cacbon)

Lau sạch, dùng cách điện Teflon

Các bước lựa chọn cảm biến

 Đại lương vật lý cần đo

 Môi trường: Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm….

 Kết nối: nguồn cung cấp điện áp, công suất

 Tín hiệu: Tương tự (dòng điện, điện áp, tần số)

 Số: kết nối nối tiếp hay song song

 Cơ: Chọn loại đầu nối

Cảm biến nhiệt độ

Giới thiệu

- Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo.

- Thiết bị cảm biến nhiệt được thiết kế đặc biệt cho các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, ô tô, hàng hải và vật liệu nhựa, cũng như tất cả các ngành đòi hỏi độ chính xác, độ tin cậy cao trong các phép đo.

- Cảm biến nhiệt được cấu tạo gồm hai dây kim loại khác nhau được gắn vào một đầu gọi là đầu nóng( đầu đo) và đầu lạnh( đầu chuẩn) Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu thì sẽ phát sinh một nhiệt điện động tại đầu lạnh Vì thế cần kiểm soát nhiệt độ đầu lạnh( tùy thuộc vào loại chất liệu).

- Nguyên lý làm việc đối với nhiệt kế điện trở metaI, thường được gọi là cảm biến nhiệt, là cơ sở dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội.

- Vật liệu: Bạch kim và niken, do điện trở suất cao và tính ổn định của chúng.

- Các phép đo nhiệt độ được thực hiện với cảm biến nhiệt có độ chính xác và đáng tin cậy hơn nhiều so với các phép đo được thực hiện với các loại cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế khác.

-Nhiệt kế kháng niken được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn DIN 43760 của Đức.

Thang đo nhiệt độ

Trong thang Kelvin, người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng thái nước, nước đá : 273,15 b) Thang Celsius

Một độ Celsius bằng 1 độ kelvin Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được thể hiện: T()= T ( ) –273,15. c) Thang Fahrenheit

 Nhiệt độ đo được chính là nhiệt độ của cảm biến và được ký hiệu là Tc.

 Nhiệt độ này phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài.

 Để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường:

 Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo.

 Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài.

 Ví dụ: đo nhiệt độ trong lòng chất rắn : khoan 1 lỗ sâu L với bán kính r thì L

≥ 10.r và lỗ khoan phải được lấp đầy bằng vật liệu dẫn nhiệt tốt.

2.2.2 Phân loại cảm biến nhiệt độ

 Cảm biến tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra ở chỗ tiếp xúc giữa đối tượng và cảm biến.

- Cảm biến giản nỡ (nhiệt kế giản nỡ)

- Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở)

 Cảm biến không tiếp xúc: trao đổi nhiệt xảy ra nhờ vào bức xạ, năng lượng nhiệt ở dạng ánh sáng hồng ngoại, hoả kế.

 Cảm biến bị tác động của môi trường đo, gây ra sai số khi đo nhiệt độ Yêu cầu: Cực tiểu sai số (thiết kế cảm biến thích hợp hoặc pp đo chính xác).

Có 2 phương pháp xử lý tín hiệu nhiệt độ:

 Phương pháp cân bằng: Nhiệt độ xác định hoàn toàn khi không có sự sai lệch đáng kể giữa nhiệt độ bề mặt đo và nhiệt độ cảm biến, tức là cân bằng nhiệt đạt đến giữa cảm biến và đối tượng đo.

 Phương pháp dự báo: Cân bằng nhiệt không đạt đến trong thời gian đo, nhiệt độ được xác định thông qua tốc độ thay đổi nhiệt của cảm biến.

2.2.4 Các bộ phận của cảm biến nhiệt độ

 Phần tử cảm nhận: Vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ.

 Đầu kết nối: Kết nối giữa phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngoài, có nhiệt dẫn suất và điện trở nhỏ.

 Vỏ bọc bảo vệ: Phân cách phần tử cảm nhận với môi trường, có nhiệt trở thấp và cách điện tốt, chịu ẩm và chống ăn mòn tốt.

Các loại cảm biến nhiệt:

Thermistor

 Thermistor: điện trở nhạy với nhiệt được sử dụng để đo nhiệt độ.

 Là hỗn hợp của các oxit kim loại được nén định dạng Có thể có kích thước rất nhỏ, một số trường hợp nhỏ hơn 1mm.

 Mô hình đơn giản biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở:

 k > 0: thermistor có hệ số nhiệt dương (PTC)

 k < 0: thermistor có hệ số nhiệt âm (NTC)

 Thermistor NTC được sử dụng ở 3 chế độ hoạt động khác nhau:

 Chế độ điện áp – dòng điện

 Chế độ dòng điện – thời gian

 Chế độ điện trở - nhiệt độ

2.3.1 Thermistor: Chế độ điện áp – dòng điện

 Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lượng của nó, thiết bị hoạt động ở chế độ điện áp – dòng điện Ở chế độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của điều kiện môi trường, ví dụ như sự thay đổi của lưu lượng khí qua cảm biến.

2.3.2 Thermistor: Chế độ dòng điện – thời gian

 Đặc trưng dòng điện – thời gian của thermistor phụ thuộc vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và nhiệt dung của phần tử Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng Nếu dòng điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm.

 Đặc trưng này được sử dụng để làm chậm các ảnh hưởng của các gai áp cao.

2.3.3 Thermistor: Chế độ điện trở – nhiệt độ

 Ở chế độ điện trở - nhiệt độ, thermistor hoạt động ở điều kiện công suất zero, nghĩa là không xảy ra sự tự đốt nóng.

 Đa thức bậc 3 xấp xỉ đặc tuyến điện trở - nhiệt độ của thermistor là phương trình Steinhart – Hart

 A0, A1, A3 : các hệ số được nhà sản xuất cấp

 B : hằng số phụ thuộc vật liệu thermistor (thường ký hiệu BT1/T2, ví dụB25/85 = 3540K )

2.3.4 Ưu điểm và nhược điểm

 Đáp ứng nhanh hơn hoặc bằng với thermocouples.

 Không ảnh hưởng bởi quá trình ăn mòn hoặc oxy hóa.

 Mạch điện tử giao tiếp phức tạp.

 Chịu ảnh hưởng của bụi, khói, bức xạ môi trường,

 Trong gia đình: tủ lạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy sấy tóc,…

 Trong xe hơi: đo nhiệt độ nước làm lạnh hay dầu, theo dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh hay hệ thống thắng,…

 Hệ thống điều hòa và sưởi: theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt độ khí thải hay lò đốt,…

 Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,…

 Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động.

RTD

2.4.1 Khái niệm RTD (Nhiệt điện trở)

 RTD (Resistance Temperature Detector): là cảm biến nhiệt dựa vào hiện tượng điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng (Cấu tạo từ dây kim loại như

Cu, Niken, có điện trở suất thay đổi nhiều theo nhiệt độ).

 Có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi nhiều theo nhiệt độ.

 Cần cung cấp một dòng điện để tạo ra điện áp rơi trên cảm biến Khi t° thay đổi R giữa 2 đầu dây kim loại cũng sẽ thay đổi và tùy vào chất liệu của kim loại sẽ có sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng t nhất định.

 Gần như tuyến tính trên một dải đo rộng (quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ gần tuyến tính).

 Cần cung cấp một dòng điện để tạo ra điện áp rơi trên cảm biến.

 Có khả năng chống bụi, chống ăn mòn cao.

 Hoạt động ổn định, dễ sử dụng hơn và chiều dài dây không hạn chế.

 Thời gian đáp ứng chậm.

 Độ nhạy thấp khi nhiệt độ thay đổi ít.

 Nhạy cảm với rung sốc.

 Cần hiệu chỉnh nếu sử dụng ngoài tầm nhiệt độ định mức.

- Trong các nghành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất ngày nay hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt làm từ Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo nhiệt dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 Ω khi ở 0 ℃

R c ng cao th ộ nhạy nhiệt càng cao.à ì đ

Thermocouples (Cặp nhiệt ngẫu)

 Gồm 2 hay nhiều thanh dẫn điện được hàn với nhau.

 Biến đổi nhiệt năng thành điện năng.

 Cần có sự chênh nhiệt giữa mối nối có nhiệt độ cần đo t và mối nối có nhiệt độ chuẩn t0.

 Dễ dàng sử dụng và đo lường.

- Khi 2 kim loại khác nhau được nối 2 đầu, một đầu đốt nóng thì có một dòng điện chạy trong mạch.

Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt độ và thành phần của 2 kim loại Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ: DeAB = aDT (a: hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ).

Chromel® gồm 90% niken và 10% crom, là dây dương.

Alumel® là hợp kim bao gồm 95% niken, 2% mangan, 2% nhôm và 1% silic, là dây âm.

Phạm vi nhiệt độ: loại 270°C đến 1260°C.Là cặp nhiệt điện phổ biến nhất. Tính chính xác, độ tin cậy cao, giá thành thấp, có phạm vi cảm nhận nhiệt độ khá rộng.

Các cặp nhiệt điện loại J có phạm vi tiềm năng hạn chế hơn loại K từ –200 đến +1200 °C (–328 đến 2193 °F) Loại J cũng khá phổ biến Có độ tin cậy, tính chính xác và giá thành tương đương với loại K Nhưng lại có phạm vi nhiệt độ và tuổi thọ thấp hơn loại K.

Chromel là một hợp kim của 90% niken và 10% crom và là dây dương.

Constantan là hợp kim thường gồm 55% đồng và 45% niken.

Loại E là loại có độ cảm nhận nhiệt mạnh hơn & độ chính xác cao hơn loại

K, loại J ở dải nhiệt độ từ 537°C trở xuống Phạm vi nhiệt độ: -270°C đến 870°C.

Đây là cảm biến nhiệt độ thermocouple rất ổn định và thường được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cực thấp như đông lạnh hoặc hệ thống làm lạnh. Phạm vi nhiệt độ: -270°C đến 370°C.

Nicrosil là hợp kim niken có chứa 14.4% crom, 1.4% silic, và 0.1% magie và là dây dương Nisil là hợp kim của hợp kim niken với 4.4% silic.

Có cùng độ chính xác và giới hạn nhiệt độ như loại K nhưng có giá thành sản phẩm đắt hơn một chút Phạm vi nhiệt độ: -270°C đến 392°C.

2.5.2.6 Loại R (Platinum Rhodium -13% / Bạch kim)

Thermocouple loại S được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ rất cao Dễ dàng thấy cặp nhiệt điện thermocouple loại S trong các ngành công nghiệp như: ngành sinh học, dược phẩm…Phạm vi nhiệt độ: -50°C đến 1480°C.

2.5.2.7 Loại S (Bạch kim Rhodium – 10% / Bạch kim)

Cặp nhiệt điện loại R được sử dụng trong các ứng dụng có nhiệt độ rất cao.

Do có tỷ lệ Rhodium cao hơn can nhiệt S nên giá thành cũng đắt hơn Phạm vi nhiệt độ: -50°C đến 1480°C.

2.5.2.8 Loại B (Platinum Rhodium – 30% / Platinum Rhodium – 6%)

Các cặp nhiệt điện loại B (Platin – 30% Rhodi / Platin – 6% Rhodi).

Cặp nhiệt điện loại B có giới hạn nhiệt độ cao nhất trong tất cả các cặp nhiệt điện Cho nên can nhiệt loại B được dùng trong ứng dụng có nhiệt độ cực cao là do nó duy trì được mức độ chính xác và ổn định cao ở nhiệt độ rất cao Phạm vi nhiệt độ: 0°C đến 1700°C.

Dòng nhiệt điện không thể tạo ra trong các mạch đồng nhất.

Tổng đại số sức nhiệt điện trong một mạch được cấu tạo từ các chất dẫn điện khác nhau bằng 0 nếu nhiệt độ tại các chỗ tiếp giáp như nhau.

Nếu 2 tiếp giáp tại nhiệt độ T1 và T2 tạo ra điện áp Seebeck V2, tại nhiệt độ T2 và T3 tạo ra điện áp V1 thì tại nhiệt độ T1 và T3 tạo ra điện áp là V3 V1 + V2.

Không thể đo trực tiếp điệp áp Seebeck vì: Phải nối vôn kế vào Thermocouple và chính các dây dẫn vôn kế tạo ra một mạch nhiệt điện khác.

2.5.5 Lớp tiếp giáp tham chiếu

 Khả năng đo nhiệt độ cao.

 Đáp ứng nhanh đối với sự thay đổi nhiệt độ.

 Ít nhạy cảm với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ.

 Dây dẫn nối dài phải dùng cùng loại thermocouple.

 Dây dẫn có thể bị nhiễu nếu không bọc giáp chống nhiễu.

 Ứng dụng: trong sản xuất công nghiệp như luyện kim, gia công vật liệu.

 Trên thị trường có nhiều loại cặp nhiệt khác nhau như E,J,K,R,S,T,B, Đó là bởi vì mỗi cặp nhiệt đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau -> sức điện động cũng khác nhau -> dải đo cũng khác nhau.

Cảm biến hồng ngoại

 Là một thiết bị điện tử dùng để đo và phát hiện ra bức xạ hồng ngoại trong nhiều môi trường xung quanh bạn Thật ra rất đơn giản, đối với tôi thì cảm biến hồng ngoại = bộ cảm biến + phát hiện tia hồng ngoại.

 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại cũng khá đơn giản Khi con vật hay con người đi ngang qua thiết bị, sẽ xuất hiện một tín hiệu, tín hiệu này sẽ được cảm biến thu vào và cho vào mạch xử lý để tạo tác dụng điều khiển hay báo động.

2.6.1 Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm:

 Cảm biến không tiếp xúc.

 Đáp ứng nhanh hơn hoặc bằng với thermocouples.

 Không ảnh hưởng bởi quá trình ăn mòn hoặc oxy hóa.

 Mạch điện tử giao tiếp phức tạp.

 Chịu ảnh hưởng của bụi, khói, bức xạ môi trường,…

 Cảm biến hồng ngoại được ứng dụng rất rộng đặc biệt là chụp ảnh đêm, tìm kiếm người mất tích, hay cứu nạn trong đám cháy

 Cảm biến hồng ngoại giúp bật tắt đèn tự động, chống trộm, mở cửa tự động.

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn

 Cấu tạo từ các chất bán dẫn(Chất bán dẫn là vật liệu có độ dẫn điện giữa chất dẫn điện ,nói chung là kim loại).

 Nguyên lý hoạt động: là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường

 Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ làm, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.

 Khuyết điểm: không chịu đc nhiệt độ cao, kém bền.

 Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.

 Các linh kiện bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ: diode hoặc transitor nối theo kiểu diode Điện áp trên diode hoặc giữa 2 mối nối C-E của transitor là hàm của nhiệt độ Các loại cảm biến bán dẫn điển hình như: kiểu diode, kiểu IC LM35, LM45,

 Tầm đo nhỏ hơn so với thermocouples và RTD, nhưng khá chính xác và có giá thành rẻ.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÍ

Ý tưởng nghiên cứu

Hiện nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội thì tình hình tội phạm trộm cắp ngày càng manh động và gia tăng chóng mặt, đặc biê £t là tại các thành phố lớn như TP Hồ Chí Minh và Hà Nô £i Theo điều tra, các đối trượng đã tận dụng thời điểm sơ hở để đột nhập và thực hiện hành vi trộm cắp Số lượng các vụ trô £m cắp tài sản gia đình tăng cao với mức đô £ vô cùng tinh vi và nguy hiểm Dẫn đến thiệt hại về của cải, tài sản vật chất tiếp diễn một cách mất kiểm soát

Thông qua khao sát thực tế trên và những gì tìm hiểu được thì nhóm chúng tôi đã chọn ra được đề tài nghiên cứu mang nhiều tính năng thông minh, đa dạng hóa, ưu điểm nổi bật phù hợp xu thế hiện tại đó là

“NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN NHIỆT XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI VÀO HỆ THỐNG CHỐNG TRỘM”.

Lựa chọn thiết bị

2.2.1 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18 – D80NK

Thông số kỹ thuật E18 – D80NK

 Khoảng cách hoạt động tối đa: 3-80 cm

 Dòng kích ngõ ra: 300mA

 Thời gian phản hồi: Khoảng 2ms

 Hiển thị ngõ ra: LED đỏ

 Khẳng năng phát hiện đối tượng: trong suốt hoặc đục

 Chiều dài cảm biến: 45mm

 Chiều dài của dây: 45cm

 Chất liệu vỏ cảm biến: Nhựa

Thông số kỹ thuật Arduino R3 DIP

 Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit

 Tần số hoạt động: 16 MHz

 Dòng tiêu thụ: khoảng 30mA

 Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V

 Điện áp vào giới hạn: 6-20V

 Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM)

 Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10bit)

 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA

 Dòng ra tối đa (5V): 500 mA

 Dòng ra tối đa (3.3V): 50 mA

 Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader

2.2.3 Màn hình LCD 1602 xanh lá

Thông số kỹ thuật LCD 1602

 LCD 16x2 được sử dụng để hiển thị trạng thái hoặc các thông số

 LCD 16x2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 - D7) và 3 chân điều

 5 chần còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16x2

 Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc

 Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.

 LCD 16x2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta đang làm

 Chức năng các chân của LCD:

 Chân 1: (Vss) Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển.

 Chân 2: VDD Là chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC = 5V của mạch điều khiển.

 Chân 3: VEE là chân điều chỉnh độ tương phán của LCD + Chân 4: RS Là chân chọn thanh ghi (Register select) Nối chân RS với logic “0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của LCD (ở chế độ “đọc” - read) Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD.

 Chân 5: R/W là chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc.

 Chân 6: E Là chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E.Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào (chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện. cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.

 Chân 7 - 14: DB0 - DB7 - Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao | đổi thông tin với MPU Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này

- Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB là bit DB7.

- Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB

 Chân 15: Nguồn dương cho đèn nền

 Chân 16: GND cho đèn nền.

Thông số kỹ thuật module sim 800L

 Nguồn cấp: 4.2VDC , có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mAh trở lên (như cổng USB, nguồn từ Board Arduino)

 Dòng khi ở chế độ chờ: 10 mA

 Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 2A.

 Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến.

 TXD: Chân truyền Uart TX.

 RXD: Chân nhận Uart RX.

 DTR : Chân UART DTR, thường không xài.

 SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh (8 Ohm- 0.87W).

 MICP, MICN: ngõ vao âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh.

 Reset: Chân khởi động lại Sim800L (thường không xài).

 RING : báo có cuộc gọi đến

LCD có quá nhiều chân gây khó khăn trong quá trình kết nối và chiếm dụng nhiều chân của vi điều khiển? Module chuyển đổi I2C cho LCD sẽ giải quyết vấn đề này cho bạn, thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD (RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi bạn chỉ cần sử dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD 2004, … ), kết nối với vi điều khiển thông qua giao tiếp I2C, tương thích với hầu hết các vi điều khiển hiện nay.

 Tiết kiệm chân cho vi điều khiển

 Dễ dàng kết nối với LCD

Thông số kĩ thuật module I2C

 Điện áp hoạt động: 2.5-6V DC

 Hỗ trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver HD44780)

 Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn mạch chân A0/A1/A2)

 Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)

 Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

 Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

Thông số kỹ thuật Loa Buzzer 5V

 Dòng điện tiêu thụ: 80 dB

 Nhiệt độ hoạt động:-20 °C đến +70 °C

 Kích thước : Đường kính 12mm, cao 9,7 mm.

 Anten hỗ trợ mạng: GSM, GPRS, CDMA, WCDMA, TDSCDMA, 3G

 Kết nối loại: IPEX ipx13

 Tần số hoạt đô £ng: 800~900MHz, 1710~2170MHz

 Mă £t lưng có lớp dán 3M

2.2.8 Mạch Giảm Áp DC LM2596 có hiển thị

 Dùng IC LM2596 với tần số lên đến 150Khz.

 Có nút nhấn chuyển chế độ hiển thị ngõ ra/vào.

 Điện áp đầu vào: Từ 4V đến 30V.

 Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 29V.

 Dòng ngõ ra tối đa là 3A.

Mô hình ghép nối

2.4 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Là cảm biến được kết nối bởi 2 chữ Passive – InfaRed hay bộ (Passive) dùng nguồn kích là tia hồng ngoại (InfaRed) Cơ thể con người thông thường là 37 độ C và phát ra các tia hồng ngoại đo đó cảm biến sẽ hấp thụ và chuyển hóa nó thành tín hiệu điện Vì nó hấp thụ nhiệt ra nên nó được gọi là thụ động (Passive) Mọi vật thể đều có thể phát ra được một loại tia được gọi là tia hồng ngoại, thân con người cũng phát ra tia nhiệt - tia hồng ngoại khi con người cảm biến hồng ngoại sẽ nhận biết được sự có mặt của nguồn nhiệt thế hồng ngoại và tự động cấp nguồn điện và báo động cho thiết bị Khi chuyển động trong vùng quét của hồng ngoại thì thiết bị sẽ lập tức gửi đến trung tâm xử lí, lúc này hệ thống sẽ chạy theo chương trình mà bạn đã cà đặt còi hú tại chỗ và gọi điện thoại hay gửi tin nhắn tới điện thoại của bạn.

 Cảm biến hồng ngoại được đánh giá là một trong những thiết bị ba ôm có giá thành tầm trung, phù hợp với điều kiện kinh tế của đông đảo lớp người dùng Việt Bạn có thể lắp đặt sản phẩm tại nhà ở, nhà xưởng , kho chứa hàng Tại những vị trí dễ dàng bị kẻ gian đột nhập nhất để giúp bảo vệ tài sản hiệu quả cho khu vực ứng dụng.

 Có độ nhạy cao, vì thế khi phát hiện có sự chuyển động của con gười trong vùng bảo vệ thì ngay lập tức chế độ báo động được kích hoạt Với nguyên tắc hoạt động đó, thiết bị thường được lắp đặt khu vực xung quanh của ngôi nhà nhằm ngăn chặn kịp thời trước khi kẻ trộm đột nhập được vào bên trong. Bên cạnh đó, với còi hú âm lượng lớn sẽ khiến chúng hoảng sợ và nhanh chóng thoát chạy

 Bộ thiết bị chống trộm hoạt động trên nguyên lý phát hiện sự chuyển động nên đối với gia đình nuôi mèo hay chó thì khi chạy qua sẽ gây báo động giả

 Công nghệ hồng ngoại có nhược điểm là góc quét nhỏ, có điểm chết, không thể cảm biến xuyên vật cản Chính vì công nghệ này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ để cảm biến hoạt động nên tại môi trường có nhiệt độ cao thì càng kém nhạy Nhiệt độ môi trường càng thấp thì cảm biến hồng ngoại có độ nhạy cao hơn.

2.6.3 Phạm vi ứng dụng và giới hạn nghiên cứu

 Phạm vi ứng dụng: “Hệ thống cảnh báo chống trộm sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại” hoàn thành sẽ góp phần vào việc ổn định an ninh xã hội, giảm thiểu thời gian và chi phí cho việc bảo vệ các tài sản cá nhân, tập thể, các cơ quan xí nghiệp Đồng thời là một giải pháp phù hợp với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại ngày nay, khi mà một người từ một vị trí bất kì nơi đâu đều có thể gián tiếp bảo vệ tài sản của mình thông qua mạng điện thoại

 Giới hạn nghiên cứu: Dùng Arduino Uno R3 làm bộ điều khiển xử lí tín hiệu Dùng cảm biến vật cảng hồng ngoại để cảm biến có trộm đưa vào vi xử lí điều khiển Dùng Module SIM800L gọi điện và nhắn tin cảnh báo cho người dùng Dùng còi hú để báo động.

 Ngày nay đi cùng với sự phát triển của hiện đại, việc bảo mật đã trở nên quen thuộc và thông dụng đối với người dân Việt Nam Tuy nhiên trong thời gian gần đây tình trạng trộm cắp ở các gia đình, cơ quan Diễn ra thường xuyên án hưởng tới tài sản, an ninh trật tự, an toàn xã hội Xu hướng sử dụng thiết bị chống trộm được xem là giải pháp phòng vệ an toàn trong mọi tình huống có người lạ vào nhà Từ những nhu cầu thực tế đó , nhóm tôi muốn đưa ra giải pháp thiết kế một hệ thống giám sát cho các gia đình, cơ quan thông qua cuộc gọi, ý tưởng lấy cơ sở là cuộc gọi để cảnh báo người dùng Việc sử dụng cuộc gọi để cảnh có những thuận lợi là nhanh chóng,hiệu quả cao, mang tính cạnh tranh và cơ động cao (nghĩa là chỗ nào có phủ sóng mạng điện thoại di động ta cũng có thể nhận được thông báo báo trộm.Ngoài ra , sản phẩm của ý tưởng cảm biến nhiệt này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp.

 Đặt không đúng thì thiết bị không thể đo được những sự thay đổi nhiệt độ một cách tối ưu nhất khi có người đi vào Đặt thiết bị đúng cách sẽ là một vũ khí rất hữu ích cho việc bảo vệ tài sản và gia đình khỏi những trường hợp xấu có thể xảy ra Và để tránh báo động giả ta cần tránh lắp đặt những nơi có ánh nắng trực tiếp chiếu vào hay có vật nuôi, tránh những nơi có thiết bị tảo nhiệt như máy điều hòa và mấy lạnh, tủ lạnh

 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK nên được lắp đặt ở trên đầu vật cần được bảo vệ như là đầu tủ, với khoảng cách tầm 1m Khoảng cách vừa phải giúp phạm vi quét của cảm biến được bao quát và rộng hơn, dễ dàng nhận biết các chuyển động trong khu vực này hơn Tuy nhiên, cảm biến hồng ngoại có một góc quét ngang và dọc cố định, người dùng nên chủ động căn chỉnh để góc quét này trùng với khu vực cần cảnh báo

 Sau khi lắp, người dùng có thể di chuyển lại gần, hoặc ra xa cảm biến, để kiểm tra phạm vi quét cũng như độ nhạy của cảm biến Cảm biến hồng ngoại có thể chỉnh độ nhạy, nên cài đặt ở mức độ vừa phải Cảm biến quá nhạy sẽ dễ phát tín hiệu báo giả liên tục, độ nhạy thấp lại cho cảnh báo không chính xác, dễ bị sót.

 Đối với các thiết bị sử dụng cảm biến hồng ngoại nên có một số lưu ý về vị trí lắp đặt, cách canh chỉnh vùng quét và cách chống báo động giả.

 Hiện nay nhiều người sử dụng thiết bị chống trộm hồng ngoại nhưng đa số 90% là câu hỏi về thiết bị báo trộm hay có hiện tượng báo động giả liên tục. Nhiều người thì lại khẳng định do thiết bị hư hoặc nghi ngờ đến hoạt động của cảm biến hồng ngoại.

 Không hướng mắt sensor về phía dàn nóng máy lạnh Vì dàn nóng máy lạnh khi hoạt động thường có nhiệt độ cao, tia bức xạ hồng ngoại của nó phát ra sẽ gây nhiễu cảm biến, khiến nó hoạt động không chính xác.

 Không hướng mắt sensor về phía cửa sổ có rèm che Lý do của việc này là để tránh báo động giả Khi cửa sổ mở, nhiều nguồn nhiệt xâm nhập, rèm che gặp gió sẽ có thể gây nhiễu cảm biến vi sóng.

Đánh giá