GIÁO TRÌNH cảm BIẾN, đại học cần THƠ

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC CAÀN THÔ KHOA CÔNG NGH THÔNG TIN VÀ TRUY N THÔNG Giáo Trình C M BI N Chuû bieân: Ks. Nguy n H u C Caàn Thô, 2007 ng M CL C Ch 1.1 ng 1: nh ngh a và các đ c tr ng c a c m bi n nh ngh a c m bi n ..................................................................... 1 1.2 Phân lo i c m bi n ....................................................................... 2 1.2.1 C m bi n tích c c ....................................................................... 2 1.2.2 C m bi n th đ ng ...................................................................... 2 1.2.3 Các phân lo i khác ...................................................................... 3 1.3 Các đ c tr ng c b n c a c m bi n............................................. 3 1.3.1 Sai s c a phép đo....................................................................... 3 1.3.2 nh y ...................................................................................... 4 1.3.3 tuy n tính............................................................................... 5 1.3.4 nhanh ..................................................................................... 6 1.3.5 M t s đ c tr ng khác................................................................. 6 1.4 Gi i h n s d ng .......................................................................... 7 1.5 Nhi u và bi n pháp kh c ph c...................................................... 7 1.5.1 Các đ i l ng nh h ng đ n k t qu đo ................................... 7 1.5.2 Nhi u ........................................................................................... 8 1.5.3 Bi n pháp kh c ph c................................................................... 8 Ch 2.1 ng 2: Các hi u ng v t lý ng d ng trong c m bi n Hi u ng c m ng đi n t ............................................................ 10 2.1.1 Thí nghi m Faraday .................................................................... 10 2.2 2.1.2 nh lu t Lenz............................................................................. 11 2.1.3 nh lu t c m ng đi n t ........................................................... 12 Hi u ng nhi t đi n....................................................................... 12 2.2.1 Hi u ng Peltier .......................................................................... 12 2.2.2 Hi u ng Thomson...................................................................... 13 2.2.3 Hi u ng Seebeck ....................................................................... 13 2.3 Hi u ng quang đi n .................................................................... 14 2.3.1 Hi u ng quang đi n ................................................................... 15 2.3.2 Hi n t ng quang d n................................................................. 16 2.3.3 Hi n t ng quang phát x đi n t ............................................... 17 2.4 Hi u ng quang đi n t ................................................................ 18 2.5 Hi u ng Hall ................................................................................ 18 2.5.1 Hi u ng Hall.............................................................................. 18 2.5.2 ng d ng..................................................................................... 19 2.6 Hi u ng áp đi n .......................................................................... 20 2.7 Hi u ng h a đi n ........................................................................ 21 2.8 Hi u ng Doppler.......................................................................... 21 2.8.1 Hi u ng Doppler........................................................................ 21 2.8.2 ng d ng..................................................................................... 22 Ch 3.1 ng 3: C m bi n nhi t đ Các đ c tr ng c a nhi t đ ........................................................... 24 3.1.1 Thang nhi t đ ............................................................................ 24 ng pháp đo nhi t đ ............................................................. 25 3.2 Ph 3.3 C m bi n nhi t đi n tr ................................................................ 25 3.3.1 H s nhi t đ c a đi n tr ......................................................... 25 3.3.2 i n tr kim lo i ......................................................................... 26 3.3.3 Nhi t đi n tr .............................................................................. 28 3.3.4 3.4 i n tr silic................................................................................ 29 C p nhi t đi n............................................................................... 30 3.4.1 3.4.2 Ph c tr ng..................................................................................... 30 ng pháp ch t o và s đ đo ............................................... 31 3.5 o nhi t đ b ng diode và transistor ............................................ 34 3.6 C m bi n nhi t đ LM35D ............................................................ 36 3.6.1 c đi m ..................................................................................... 36 3.6.2 Các m ch ng d ng..................................................................... 37 Ch 4.1 ng 4: C m bi n quang Ánh sáng và các đ i l ng quang h c ......................................... 40 4.1.1 Tính ch t c a ánh sáng................................................................ 40 4.1.2 Các đ n v đo quang ................................................................... 41 4.2 Ngu n sáng .................................................................................. 41 4.2.1 èn s i đ t wonfram................................................................... 41 4.2.2 Diode phát sáng........................................................................... 42 4.2.3 Laser............................................................................................ 42 4.3 C m bi n quang bán d n.............................................................. 44 4.3.1 T bào quang d n ........................................................................ 44 4.3.2 Photodiode .................................................................................. 47 4.3.3 Phototransistor ............................................................................ 54 4.3.4 Phototransistor tr 4.4 ng ng (photoFET) ..................................... 56 C m bi n quang phát x ............................................................... 57 4.4.1 V t li u ch t o ........................................................................... 57 4.4.2 T bào quang đi n chân không ................................................... 57 4.4.3 T bào quang đi n d ng khí ........................................................ 59 4.4.4 Thi t b nhân quang .................................................................... 59 Ch 5.1 ng 5: M t s ng d ng và các d ng c m bi n khác C m bi n bi n d ng...................................................................... 62 5.1.1 Nguyên lý chung ......................................................................... 62 5.1.2 u đo đi n tr kim lo i ............................................................. 63 5.1.3 u đo đi n tr bán d n.............................................................. 64 5.2 C m bi n siêu âm ......................................................................... 65 5.3 C m bi n khí................................................................................. 66 5.3.1 C m bi n áp đi n th ch anh ........................................................ 67 5.3.2 C m bi n xúc tác......................................................................... 68 5.4 C m bi n t .................................................................................. 68 5.4.1 C m bi n đo v trí và d ch chuy n .............................................. 69 5.4.2 C m bi n đo v n t c ................................................................... 71 5.5 C m bi n công t c ........................................................................ 72 5.5.1 Công t c l i gà .......................................................................... 72 5.5.2 Công t c th y ngân ..................................................................... 73 5.5.3 Công t c gi i h n ........................................................................ 73 5.6 Encoder quang ............................................................................. 74 5.6.1 Encoder d ng t ng....................................................................... 75 5.6.2 Encoder chính xác....................................................................... 76 5.7 Cáp quang .................................................................................... 77 5.7.1 C u t o và tính n ng ................................................................... 77 5.7.2 5.8 M ts ng d ng..................................................................................... 77 ng d ng c a c m bi n .................................................... 78 5.8.1 Tachometer quang hi n th t c đ quay b ng LED .................... 78 5.8.2 ng d ng c m bi n khí phát hi n khí metan .............................. 80 5.8.3 B đ c mã v ch........................................................................... 80 5.8.4 o m c ch t l u.......................................................................... 81 Giáo trình C m bi n Ch ng 1 NH NGH A VÀ CÁC 1.1 C TR NG C A C M BI N nh ngh a c m bi n Các đ i l ng c n đo m là các đ i l ng v t lý nh nhi t đ , áp su t… Khi ti n hành đo đ i l ng m này ta nh n đ c đ i l ng đi n s t ng ng đ u ra. Vi c đo đ c m đ c th c hi n b ng các c m bi n. i l ng c n đo (m) i l ng đi n (s) C m bi n Hình 1-1: Ch c n ng c a c m bi n C m bi n đ c đ nh ngh a theo ngh a r ng là thi t b c m nh n và đáp ng v i các tín hi u và kích thích. C m bi n là thi t b ch u tác đ ng c a đ i l ng c n đo m không có tính ch t đi n và t o đ u ra m t đ i l ng đi n s có th đo đ c (đi n tích, đi n áp, dòng đi n ho c tr kháng). i l ng đi n s là hàm c a đ i l ng c n đo m: s = F (m ) trong đó: s–đ il m–đ il (1.1) ng đ u ra ho c đáp ng c a c m bi n ng đ u vào hay kích thích (đ i l ng c n đo) Bi u th c s = F (m ) bi u di n ho t đ ng c a c m bi n, đ ng th i bi u di n s ph thu c vào c u t o, v t li u làm c m bi n, vào môi tr ng và ch đ s d ng. s d ng bi u th c này đòi h i ph i chu n hóa c m bi n: t nh ng giá tr đã ng bi t chính xác c a m, đo giá tr t ng ng c a s và d ng đ ng cong chu n. cong này cho phép xác đ nh m i giá tr c a m t s. s sj si mi Hình 1-2: mj m ng cong chu n Thông th ng đ d s d ng ng i ta ch t o c m bi n sao cho bi n thiên đ u ra ∆s tuy n tính v i bi n thiên đ u vào ∆m: ∆s = S .∆m trong đó: (1.2) S – đ nh y c a c m bi n M t c m bi n t t ph i có đ nh y S không đ i, ít ph thu c vào các y u t sau: Trang 1 Giáo trình C m bi n - Giá tr c a đ i l thông). - Th i gian s d ng (đ lão hóa). - nh h ng c n đo m (đ tuy n tính) và t n s bi n đ i c a nó (d i ng c a các đ i l ng v t lý khác (nhi u) c a môi tr ng xung quanh. Trong mô hình m ch đi n, ta có th coi c m bi n nh m t m ch hai c a. Trong đó c a vào là bi n tr ng thái c n đo x và c a ra là đáp ng y c a b c m bi n v i kích thích đ u vào x. Ph ng trình quan h : y = f(x) th ng r t ph c t p. 1.2 Phân lo i c m bi n C m bi n là m t ph n t c a m ch đi n, do đó ta có th coi c m bi n: - Là m t máy phát, trong đó đáp ng ngõ ra c a c m bi n là đi n tích, đi n áp hay dòng đi n, ta g i là c m bi n tích c c. - Là m t tr kháng, trong đó đáp ng ngõ ra c a c m bi n là đi n tr , đ t c m ho c đi n dung, ta g i là c m bi n th đ ng. 1.2.1 C m bi n tích c c V m t nguyên lý, c m bi n tích c c th ng d a trên hi u ng v t lý bi n đ i m t d ng n ng l ng nào đó (nhi t, c , b c x ,…) thành n ng l ng đi n. Nh ng hi u ng đ c ng d ng trong c m bi n tích c c đ c trình bày trong Ch ng 2. 1.2.2 C m bi n th đ ng C m bi n th đ ng th ng đ c ch t o t nh ng tr kháng có các thông s nh y v i đ i l ng c n đo. Giá tr c a tr kháng ph thu c vào kích th c hình h c, tính ch t đi n c a v t li u nh đi n tr su t ρ, đ t th m µ, h ng s đi n môi ε. Do đó, giá tr tr kháng b thay đ i khi đ i l ng c n đo tác đ ng nh h ng đ n kích th c hình h c và tính ch t đi n c a v t li u. Kích th c hình h c c a tr kháng thay đ i n u c m bi n có ph n t chuy n đ ng ho c ph n t bi n d ng: - C m bi n ch a ph n t chuy n đ ng, m i v trí c a ph n t t ng ng v i m t giá tr tr kháng. Cho nên, đo tr kháng s xác đ nh đ c v trí đ i t ng. ây là nguyên lý c a các lo i c m bi n v trí ho c d ch chuy n. - C m bi n ch a ph n t bi n d ng. S thay đ i tr kháng do bi n d ng gây nên b i l c ho c các đ i l ng c n đo tác đ ng tr c ti p ho c gián ti p lên c u trúc c m bi n. Tính ch t đi n ph thu c vào b n ch t các v t li u, có th nh y v i m t ho c hi u đ i l ng v t lý nh nhi t đ , đ chi u sáng, áp su t, đ m. S thay đ i c a tr kháng d i tác d ng c a đ i l ng c n đo ch có th xác đ nh đ c khi c m bi n là m t thành ph n trong m ch đi n. Tùy tr ng h p c th mà ta ch n m ch đo thích h p v i c m bi n. Trang 2 Giáo trình C m bi n i l ng c n đo Nhi t đ c tr ng nh y c m i n tr su t, ρ B c x ánh sáng i n tr su t, ρ Bi n d ng V trí m M c ch t l u Lo i v t li u s d ng Kim lo i: Pt, Ni, Cu Bán d n Th y tinh Bán d n H p kim Ni, Si pha t p H p kim s t t V t li u t đi n tr : Bi, InSb LiCl Al2O3, polyme Ch t l u cách đi n i n tr su t, ρ t th m, µ i n tr su t, ρ i n tr su t, ρ H ng s đi n môi, ε H ng s đi n môi, ε B ng 1.1 - 1.2.3 Các phân lo i khác a. Phân lo i theo nguyên lý chuy n đ i gi a đáp ng và kích thích - V t lý: nhi t đi n, quang đi n, đi n t , t đi n… - Hóa h c: hóa đi n, ph … - Sinh h c: sinh đi n… b. Phân lo i theo d ng kích thích: âm thanh, đi n, t , quang, nhi t, l c… c. Phân lo i theo đ c tr ng: đ nh y, đ chính xác, đ phân gi i, đ tuy n tính… d. Phân lo i theo ph m vi s d ng: công nghi p, nghiên c u khoa h c, môi tr ng, thông tin, nông nghi p… 1.3 Các đ c tr ng c b n c a c m bi n 1.3.1 Sai s c a phép đo K t qu c a m i phép đo đ u ch a đ ng sai s . Giá tr th c c a đ i l ng đo cho bi t s kích thích tác đ ng lên c m bi n, nh ng ta ch có đ c đáp ng c a h đo, g i là giá tr đo. Hi u s gi a giá tr th c và giá tr đo đ c là sai s c a phép đo. N u g i ∆x là sai s tuy t đ i, thì sai s t δ% = ng đ i c a c m bi n là: ∆x .100% x (1.3) Sai s c a phép đo ch có th đánh giá m t cách c l ng b i vì không th bi t đ c giá tr th c c a đ i l ng đo. Ng i ta th ng phân sai s làm hai lo i, sai s h th ng và sai s ng u nhiên. a. Sai s h th ng: Gi s ta đo m t đ i l ng đã bi t tr c giá tr th c. N u nh giá tr trung bình c a các giá tr đo luôn l ch giá tr th c không ph thu c vào s l n đo thì ta nói có sai s h th ng. Sai s h th ng có th không đ i ho c thay đ i ch m theo th i gian đo, xu t hi n đ l ch không đ i gi a giá tr th c và giá tr đo. Sai s h th ng th ng do hi u bi t sai ho c không đ y đ v h đo hay đi u ki n s d ng không t t. M t s nguyên nhân th ng g p: Trang 3 Giáo trình C m bi n - Sai s do giá tr đ i l ng chu n không đúng. - Sai s do đ c tính c a c m bi n (đ nh y ho c đ - Sai s do đi u ki n s d ng và ch đ s d ng. - Sai s do x lý k t qu đo. ng cong chu n). b. Sai s ng u nhiên Sai s ng u nhiên có biên đ và d u không xác đ nh. Có th d đoán đ c nguyên nhân sai s ng u nhiên nh ng không th bi t tr c đ l n c a chúng. M t s nguyên nhân d n đ n sai s ng u nhiên: - Sai s do tính không xác đ nh c a đ c tr ng thi t b : tính linh đ ng c a thi t b , đ c sai s li u, sai s tr do m ch đo ch a ph n t có đ tr . - Sai s do tín hi u nhi u ng u nhiên: gây kích thích nhi t các h t d n trong linh ki n, c m ng ký sinh do b c x đi n t , đi n áp ngu n t ng gi m. - Sai s do các đ i l ng nh h ng. Có th gi m đ l n c a sai s ng u nhiên b ng m t s bi n pháp th c nghi m: b o v m ch đo b ng cách n đ nh nhi t đ và đ m môi tr ng đo, dùng giá đ ch ng rung, s d ng các b đi u ch nh đi n áp ngu n t đ ng, các b ADC có đ phân gi i thích h p, che ch n, n i đ t các thi t b đi n, s d ng các b l c tín hi u… 1.3.2 a. nh y nh ngh a nh y S xung quanh m t giá tr đ i l ng đo không đ i mi đ c xác đ nh b i t s gi a bi n thiên ∆s c a đ i l ng đ u ra và bi n thiên t ng ng ∆m c a đ i l ng đ u vào: ⎛ ∆s ⎞ S =⎜ ⎟ ⎝ ∆m ⎠ m = m (1.4) i n v đo đ nh y ph thu c vào nguyên lý c a c m bi n và các đ i l ng liên quan. Thí d : Ω/°C, µV/°C. Tr s đ nh y có th ph thu c vào v t li u, kích th c hay ki u l p ráp. Giá tr c a đ nh y S t ng ng v i nh ng đi u ki n làm vi c c a c m bi n th ng do nhà s n xu t cung c p. D a vào đó có th đánh giá đ c đ l n c a đ i l ng đ u ra và đ l n c a bi n thiên c a đ i l ng đo. Cho phép l a ch n các c m bi n phù h p th a mãn các đi u ki n đ t ra. nh y có th là hàm c a các thông s b sung có nh h ng đ n đáp ng c a c m bi n (đi n áp, t n s ngu n nuôi, nhi t đ môi tr ng, t n s bi n thiên c a đ i l ng đo. Thí d , đ nh y c a bi n th vi sai có đáp ng t l v i biên đ đi n áp ngu n E: ⎛ ∆s ⎞ S (E ) = S1 .E = ⎜ ⎟ ⎝ ∆m ⎠ m = m (1.5) i có ngh a là: S1 = 1 ⎛ ∆s ⎞ .⎜ ⎟ E ⎝ ∆m ⎠ m = m (1.6) i Trang 4 Giáo trình C m bi n b. nh y t nh c tr ng t nh c a c m bi n là đ th bi u di n các giá tr si c a đ i l ng đi n t ng ng v i các giá tr không đ i mi c a đ i l ng đo khi đ i l ng này đ t ch đ làm vi c danh đ nh. i m làm vi c Qi là đ c tr ng t nh t ng ng v i các giá tr mi, si. nh y t nh đi m làm vi c Qi là t s gi a ∆s và ∆m t ng ng. Nh v y, đ nh y t nh là đ d c c a đ c tr ng t nh đi m làm vi c. N u đ c tr ng t nh không tuy n tính thì đ nh y t nh ph thu c vào đi m làm vi c. nh y đ ng c. Khi đ i l ng đo là hàm tu n hoàn theo th i gian thì đ i l làm vi c danh đ nh c ng là hàm tu n hoàn theo th i gian. Gi s đ i l trong đó: ng đo m có d ng: ng đ u ra m(t ) = m0 + m1 cos ωt (1.7) m0 – giá tr không đ i m1 – biên đ đ i l f = ng đo ω - t n s bi n thiên c a đ i l 2π ng đo áp ng s có d ng: s (t ) = s 0 + m1 cos(ωt + ϕ ) trong đó: ch đ s0 – giá tr không đ i ng v i m0 t i đi m Q0 trên đ ch đ t nh (1.8) ng cong chu n s1 – biên đ đ u ra ϕ - đ l ch pha gi a đ u vào và đ u ra Lúc này, đ nh y đ ng đ c xác đ nh b ng t s gi a bi n thiên c a s và m: ⎛s ⎞ S = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ m1 ⎠ Q (1.9) 0 D a vào đ nh y đ ng cho phép xác đ nh đ c tính t n s c a c m bi n. 1.3.3 tuy n tính a. Tuy n tính M t c m bi n đ c g i là tuy n tính n u trong m t d i đo xác đ nh đ nh y không ph thu c vào giá tr c a đ i l ng đo. N u c m bi n không tuy n tính, ta có th b sung vào m ch đo các thi t b hi u ch nh (tuy n tính hóa), làm cho tín hi u đi n t l v i s thay đ i c a đ i l ng đo. b. ng th ng t t nh t B ng th c nghi m, ng i ta nh n đ c m t lo t các đi m t ng ng si, mi. Trong các tr ng h p c m bi n là tuy n tính v m t lý thuy t nh ng các đi m này c ng không n m trên m t đ ng th ng. Nguyên nhân là do có s không chính xác trong khi đo và nh ng sai l ch trong quá trình ch t o c m bi n. Tuy nhiên, t các đi m th c nghi m có th xây d ng đ c đ ng th ng bi u di n s tuy n tính c a c m bi n. ng th ng này g i là đ ng th ng t t nh t, có bi u th c: Trang 5 Giáo trình C m bi n s = am + b trong đó: a= (1.10) N .∑ si .mi − ∑ si .∑ mi N .∑ mi2 − (∑ mi ) 2 ∑ s .∑ m − ∑ s .m ∑ m b= N .∑ m − (∑ m ) i 2 i i 2 i i i 2 i v i N là s đi m th c nghi m c. l ch tuy n tính l ch tuy n tính là đ l ch c c đ i gi a đ ng cong chu n và đ ng th ng t t nh t (tính b ng %) trong d i đo. l ch tuy n tính cho phép đánh giá đ tuy n tính c a đ ng cong chu n. 1.3.4 a. nhanh nhanh nhanh tr là kho ng th i gian t khi đ i l ng đo thay đ i đ t ng t đ n khi bi n thiên c a đ i l ng đ u ra s c a c m bi n khác giá tr cu i cùng c a nó m t l ng ε%. nhanh cho phép đánh giá đ i l s bi n thiên đ i l ng đo hay không. ng đ u ra có đáp ng k p v th i gian v i b. Th i gian đáp ng Th i gian đáp ng dùng đ xác đ nh giá tr c a đ nhanh. C m bi n càng nhanh thì th i gian đáp ng càng nh . Th i gian đáp ng t ng ng kho ng th i gian đ i ch sau khi có bi n thiên c a đ i l ng đo đ có giá tr s ngõ ra v i đ chính xác ε%. - Trong tr ng h p s thay đ i c a đ i l ng đo có d ng b c thang d n đ n s t ng lên c a đ i l ng đ u ra, kho ng th i gian tr khi t ng lên, tdm, là th i gian c n thi t đ đ i l ng đ u ra s t ng t giá tr ban đ u c a nó đ n 10% c a bi n thiên t ng c ng c a đ i l ng này và kho ng th i gian t ng tm là th i gian c n thi t đ đ i l ng đ u ra s t ng t 10% đ n 90% c a bi n thiên t ng c ng c a nó. - Trong tr ng h p s thay đ i c a đ i l ng đo có d ng b c thang d n đ n s gi m xu ng c a đ i l ng đ u ra, kho ng th i gian tr khi gi m xu ng, tdc, là th i gian c n thi t đ đ i l ng đ u ra s gi m t giá tr ban đ u c a nó đ n 10% c a bi n thiên t ng c ng c a đ i l ng này và kho ng th i gian gi m xu ng tc là th i gian c n thi t đ đ i l ng đ u ra s gi m t 10% đ n 90% c a bi n thiên t ng c ng c a nó. Thông qua các thông s tr, tdm, tm, tdc, tc có th đánh giá v th i gian đáp ng c a m t c m bi n. 1.3.5 M t s đ c tr ng khác a. Dãy đ ng Dãy đ ng là kho ng giá tr c a đ i l ng đo mà c m bi n có th đáp ng. Nh ng giá tr v t ngoài dãy này s t o ra nh ng đáp ng không chính xác. b. đ il phân gi i phân gi i c m bi n đ c hi u là kh n ng phát hi n s thay đ i giá tr c a ng đo nh nh t theo th i gian. Trang 6 Giáo trình C m bi n c. B ng thông T t c c m bi n đ u có gi i h n th i gian đáp ng đ i v i s bi n thiên c a đ i l ng đo. M t s lo i c m bi n có th i gian đáp ng t t d n, t c là kho ng th i gian đáp ng gi m d n thay đ i theo đ i l ng đo. 1.4 Gi i h n s d ng Trong quá trình s d ng, c m bi n luôn ch u tác đ ng c a ng l c c khí ho c nhi t. N u các ng l c này v t quá ng ng cho phép s làm thay đ i các đ c tr ng c a c m bi n. a. Vùng làm vi c danh đ nh Vùng này t ng ng v i các đi u ki n bình th ng c a c m bi n. Biên c a vùng là các giá tr ng ng mà các đ i l ng đo, các đ i l ng v t lý có liên quan đ n đ i l ng đo ho c các đ i l ng nh h ng có th đ t t i mà không làm thay đ i các đ c tr ng c a c m bi n. b. Vùng không gây nên h h ng Khi các giá tr c a đ i l ng đo ho c các đ i l ng có liên quan và các đ i l ng nh h ng v t quá ng ng c a vùng làm vi c danh đ nh nh ng v n còn trong ph m vi c a vùng không gây nên h h ng, các đ c tr ng c a c m bi n có nguy c b thay đ i nh ng nh ng thay đ i này có tính ch t thu n ngh ch, t c là khi tr v vùng danh đ nh thì các đ c tr ng c a c m bi n c ng s tìm l i đ c giá tr ban đ u c a chúng. c. Vùng không phá h y Khi các giá tr c a đ i l ng đo ho c các đ i l ng có liên quan và các đ i l ng nh h ng v t quá ng ng c a vùng không gây nên h h ng nh ng v n còn trong ph m vi c a vùng không phá h y, các đ c tr ng c a c m bi n b thay đ i, và s thay đ i này không thu n ngh ch, t c là khi tr v vùng danh đ nh các đ c tr ng c a c m bi n c ng s không tìm l i đ c giá tr ban đ u c a chúng. Trong tr ng h p nh v y, mu n ti p t c s d ng c m bi n c n ph i ti n hành chu n l i. d. D i đo D i đo c a c m bi n đ c xác đ nh b ng các giá tr gi i h n c a vùng đ i l ng đo mà trong vùng đó ho t đ ng c a c m bi n đáp ng các yêu c u đ ra. Thông th ng d i đo trùng v i vùng làm vi c danh đ nh. Tuy nhiên, tùy theo các ch tiêu mà trong m t s tr ng h p d i đo có th r ng ho c h p h n vùng làm vi c danh đ nh. 1.5 Nhi u và bi n pháp kh c ph c 1.5.1 Các đ i l ng nh h ng đ n tín hi u đo Trên th c t , ngoài đ i l ng c n đo còn có nhi u đ i l ng v t lý khác có th tác đ ng đ n c m bi n nh h ng đ n tín hi u đo. Nh ng đ i l ng này g i là đ i l ng nh h ng ho c đ i l ng gây nhi u. Ch ng h n: - Nhi t đ làm thay đ i các đ c tr ng đi n, c và kích th c c a c m bi n - Áp su t, gia t c, dao đ ng (rung) có th gây bi n d ng và ng su t trong m t s ph n t c a c m bi n Trang 7 Giáo trình C m bi n - m làm thay đ i tính ch t đi n c a v t li u - T tr ng gây nên su t đi n đ ng c m ng ch ng lên tín hi u c n đo, làm thay đ i tính ch t đi n v t li u c u thành c m bi n. l N u g i các đ i l ng nh h ng là g1, g2,… thì bi u th c quan h gi a đ i ng đi n đ u ra s và đ i l ng c n đo m đ c vi t l i: s = F (m, g 1 , g 2 ,...) (1.11) 1.5.2 Nhi u Nhi u xu t hi n ngõ ra c m bi n, bao g m nhi u do c m bi n sinh ra và nhi u do s dao đ ng c a tín hi u kích thích. Nhi u làm gi i h n kh n ng ho t đ ng c a c m bi n. Nhi u đ c phân b qua ph t n s . Ta có th phân nhi u thành 2 lo i: - Nhi u n i t i do s không hoàn thi n trong vi c thi t k , công ngh ch t o, v t li u c m bi n,… đáp ng có th b méo so v i d ng lý t ng. - Nhi u do truy n d n. 1.5.3 Bi n pháp kh c ph c có đ pháp sau đây: c giá tr c n đo m chính xác c n ph i áp d ng m t trong nh ng bi n - Gi m nh h ng c a các đ i l ng gây nhi u đ n m c th p nh t b ng các bi n pháp nh cách đi n, ch ng rung, ch ng t tr ng… n đ nh các đ i l ng nh h ng nh ng giá tr bi t tr trong nh ng đi u ki n đó ( n nhi t, n áp). - S d ng các s đ ghép n i bù tr nh h ng c a các đ i l Nhi u không th lo i tr mà ch có th phòng ng a. kh c ph c nhi u đòi h i nhi u bi n pháp t ng h p. c và chu n c m bi n ng gây nhi u. làm gi m nh h ng và ch ng nhi u ta th ng dùng k thu t vi sai ph i h p c m bi n đôi, trong đó tín hi u ra là hi u c a hai tín hi u ra c a t ng b c m bi n. M t b đ c g i là c m bi n chính, b kia là c m bi n chu n đ c đ t trong màn ch n. Hình 1-3: S đ k thu t vi sai gi m nhi u đ ng truy n ta có th s d ng các bi n pháp sau: - Cách ly ngu n nuôi, dùng màn ch n, n i đ t, l c ngu n. - B trí các linh ki n h p lý, không đ dây cao áp g n đ u vào c m bi n. - S d ng cáp ít nhi u. Trang 8 Giáo trình C m bi n Câu h i ôn t p 1. Phát bi u nào d i đây là sai a. C m bi n là thi t b c m nh n và đáp ng v i tín hi u và kích thích. b. C m bi n là m t m ch hai c a trong mô hình m ch đi n. c. C m bi n đóng vai trò c m nh n, đo đ c các thông s h th ng đi u khi n t đ ng. d. áp ng c m bi n ch ph thu c vào tín hi u kích thích. 2. C m bi n quang là c m bi n đ c phân lo i theo: a. Nguyên lý chuy n đ i gi a đáp ng và kích thích. b. Ph m vi s d ng. c. Thông s mô hình thay th . d. D ng kích thích. 3. Th nào là sai s h th ng và sai s ng u nhiên? Nêu m t s nguyên nhân d n đ n sai s c m bi n. 4. nh y c a c m bi n đ c xác đ nh nh th nào? Trang 9 Giáo trình C m bi n Ch ng 2 CÁC HI U 2.1 Hi n t NG V T LÝ NG D NG TRONG C M BI N ng c m ng đi n t N m 1831, Faraday th c hi n thí nghi m ch ng minh r ng t tr ng có th sinh ra dòng đi n. Khi cho t thông qua m t m ch kín thay đ i thì trong m ch xu t hi n m t dòng đi n. Dòng đi n đó đ c g i là dòng đi n c m ng. Hi n t ng này đ c g i là hi n t ng c m ng đi n t . Hình 2-1 : Michael Faraday (1791 – 1867) 2.1.1 Thí nghi m Faraday L y m t ng dây đi n (g m nhi u vòng dây) m c n i ti p nó v i m t đi n k G thành m t m ch kín. Phía trên ng dây ta đ t m t thanh nam châm có hai c c b c (N) và nam (S). Khi di chuy n thanh nam châm vào trong ng dây, kim c a đi n k b l ch đi, đi u đó ch ng t trong ng dây xu t hi n m t dòng đi n, đó là dòng đi n c m ng Ic. Ic Ic Hình 2-2 : Thí nghi m Faraday - N u rút thanh nam châm ra, dòng đi n c m ng có chi u ng - Di chuy n thanh nam châm càng nhanh, c l n. c l i. ng đ dòng đi n c m ng Ic càng Trang 10 Giáo trình C m bi n - Gi thanh nam châm đ ng yên so v i ng dây, dòng đi n c m ng s b ng không. - N u thay nam châm b ng m t ng dây có dòng đi n ch y qua, r i ti n hành các thí nghi m nh trên, ta c ng có nh ng k t qu t ng t . T thí nghi m, Faraday rút ra k t lu n nh sau: - T thông g i qua m ch kín bi n đ i theo th i gian là nguyên nhân sinh ra dòng đi n c m ng trong m ch đó. - Dòng đi n c m ng ch t n t i trong th i gian t thông g i qua m ch kín bi n đ i. - C - Chi u c a dòng đi n c m ng ph thu c vào s t ng hay gi m c a t thông g i qua m ch. 2.1.2 ng đ dòng đi n c m ng t l thu n v i t c đ bi n đ i c a t thông. nh lu t Lenz Ð ng th i v i Faraday, nhà v t lý ng i c, Lenz c ng nghiên c u hi n t ng c m ng đi n t và đã đ a đ nh lu t t ng quát vào n m 1833 giúp ta xác đ nh chi u c a dòng đi n c m ng, g i là đ nh lu t Lenz. Hình 2-3 : Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804 – 1865) tr nh lu t phát bi u nh sau: Dòng đi n c m ng ph i có chi u sao cho t ng do nó sinh ra có tác d ng ch ng l i nguyên nhân sinh ra nó Có ngh a là khi t thông qua m ch t ng lên, t tr ng c m ng sinh ra có tác d ng ch ng l i s t ng c a t thông: t tr ng c m ng s ng c chi u v i t tr ng ngoài. N u t thông qua m ch gi m, t tr ng c m ng (do dòng đi n c m ng sinh ra nó) có tác d ng ch ng l i s gi m c a t thông, lúc đó t tr ng c m ng s cùng chi u v i t tr ng ngoài. D a vào đ nh lu t Lenz đ xác đ nh chi u c a dòng đi n c m ng trong thí nghi m Faraday. Khi c c B c c a thanh nam châm di chuy n vào trong lòng ng dây làm cho t thông g i qua ng dây t ng lên. Theo đ nh lu t Lenz, dòng đi n c m ng ph i sinh ra t tr ng ng c chi u v i t tr ng c a thanh nam châm đ t thông ΦB sinh ra có tác d ng làm gi m s t ng c a là nguyên nhân sinh ra nó. Mu n v y dòng đi n c m ng ph i có chi u nh trên hình 2-2. B ng l p lu n ta nh n th y n u d ch chuy n c c B c c a thanh nam châm ra xa ng dây, dòng đi n c m ng xu t hi n trong m ch s có chi u ng c l i. Trang 11 Giáo trình C m bi n Nh v y, theo đ nh lu t Lenz, dòng đi n c m ng bao gi c ng có tác d ng ch ng l i s d ch chuy n c a thanh nam châm. Do đó, đ d ch chuy n thanh nam châm, ta ph i t n công. Chính công mà ta t n đ c bi n thành đi n n ng c a dòng đi n c m ng. 2.1.3 nh lu t c m ng đi n t Khi có s bi n thiên t thông qua di n tích gi i h n b i m t m ch đi n kín thì trong m ch su t hi n dòng đi n c m ng. Chi u dòng đi n c m ng tuân theo đ nh lu t Lenz, t c là có chi u sau cho sinh ra t tr ng ch ng l i s bi n thiên c a t thông qua m ch. S xu t hi n dòng đi n c m ng ch ng t trong m ch có m t su t đi n đ ng, g i là su t đi n đ ng c m ng. Su t đi n đ ng c m ng có đ l n b ng v i t c đ bi n thiên c a t thông g i qua di n tích m ch đi n nh ng trái d u: e=− dΦ B dt ( 2.1 ) Trong đó: dΦB – bi n thiên t thông qua m ch kín Hi u ng c m ng đi n t đ c ng d ng đ xác đ nh t c đ chuy n đ ng c a v t thông qua vi c đo s c đi n đ ng c m ng. 2.2 Hi u ng nhi t đi n 2.2.1 Hi u ng Peltier L p ti p xúc gi a hai dây d n A và B khác nhau v b n ch t nh ng cùng m t nhi t đ t n t i m t hi u đi n th ti p xúc. Hi u đi n th này ch ph thu c vào b n ch t c a v t d n và nhi t đ , g i là su t đi n đ ng Peltier. PAT/ B = VM − VN ( 2.2 ) Trong đó: VM, VN – đi n áp t i các đi m M và N trên các dây d n A và B t ng ng. nh lu t Volta: Phát bi u: Trong m t chu i cách nhi t đ nhau, t ng su t đi n đ ng Peltier b ng 0. A (T) M N c c u thành t nh ng v t d n khác (T) B PAT/ B Hình 2-4 : Hi u ng Peltier – nh lu t Volta Trang 12 Giáo trình C m bi n Thí d , trong m t chu i b n v t d n A B C D m c n i ti p, t ng su t đi n đ ng s b ng không. PAT/ B + PBT/ C + PCT/ D + PDT / A = 0 Bi u th c có th đ c vi t l i: Vì: PAT/ D = − PDT / A ⇒ PAT/ B + PBT/ C + PCT/ D = − PDT / A PAT/ B + PBT/ C + PCT/ D = PAT/ D K t lu n, khi hai v t d n A và D đ c phân cách b i các v t d n trung gian và toàn h đ ng nhi t thì hi u đi n th gi a hai v t d n A và D đ u mút b ng hi u đi n th n u chúng ti p xúc tr c ti p v i nhau. 2.2.2 Hi u ng Thomson Trong m t v t d n đ ng ch t A, gi a hai đi m M và N có nhi t đ khác nhau s sinh ra m t su t đi n đ ng ph thu c vào b n ch t c a v t d n và nhi t đ TM, TN c a hai đi m đó. Su t đi n đ ng Thomson là hàm c a nhi t đ . TM E AT M TN = ∫ hA dT ( 2.3 ) TN Trong đó: hA – h s Thomson ph thu c vào b n ch t c a v t d n A. nh lu t Magnus: Phát bi u: N u hai đ u ngoài c a m t m ch ch g m m t v t d n duy nh t và đ ng ch t đ c duy trì cùng m t nhi t đ thì su t đi n đ ng Thomson b ng không. Hình 2-5 : Hi u ng Thomson 2.2.3 Hi u ng Seebeck Xét m t m ch kín đ c t o thành t hai v t d n A B và hai đi m n i đ c gi nhi t đ T1 và T2, khi đó m ch t o thành m t c p nhi t đi n. C p nhi t đi n này gây nên m t su t đi n đ ng là t ng h p tác đ ng c a hai hi u ng Peltier và Thomson. Su t đi n đ ng đó g i là su t đi n đ ng Seebeck. Hình 2-6 : Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831) và Hi u ng Seebeck Trang 13 Giáo trình C m bi n Su t đi n đ ng các thành ph n là: T2 eab = ∫ hA dT ; T1 ecd = ∫ hB dT ; ebc = PAT/ B ; 2 T1 eda = PBT/ A 1 T2 Su t đi n đ ng Seebeck b ng t ng các su t đi n đ ng thành ph n: E T2T1 A/ B =P T2 A/ B −P T2 T1 A/ B + ∫ (hA − hB )dT ( 2.4 ) T1 Các hi u ng nhi t đi n th nhi t đ c a m t v t. 2.3 Hi u ng đ c ng d ng đ ch t o c p nhi t đi n đ đo ng quang đi n Hi u ng quang đi n là hi n t ng gi i phóng các hat d n đi n t do trong v t li u d i tác d ng c a b c x ánh sáng. Do Antoine Henri Becquerel phát hi n n m 1839. N m 1905 Albert Einstein ch ng minh đ c hi n t ng quan đi n x y ra do s h p th photon c a ánh sáng. a) b) Hình 2-7 : a) - Antoine Henri Becquerel (1850 – 1908) b) - Albert Einstein (1879 – 1955) nh lu t quang đi n: c, thì t c đ gi i - i v i m t v t li u kim lo i và t n s b c x t i bi t tr phóng quang đi n t t l thu n v i c ng đ ánh sáng t i. - i v i m t v t li u kim lo i bi t tr c, s t n t i m t t n s t i thi u c a b c x t i mà n u nh h n nó thì không có quang đi n t nào có th đ c gi i phóng. T n s này đ c g i là t n s ng ng. - Khi t n s b c x t i l n h n t n s ng ng, thì đ ng n ng c c đ i c a các quang đi n t đ c gi i phóng không ph thu c vào c ng đ mà ph thu c vào t n s c a ánh sáng t i. - Th i gian đ b c x chi u t i và gi i phóng m t quang đi n t r t nh , nh h n 10-9s. Khi b m t c a m t t m kim lo i đ c chi u b i b c x đi n t có t n s l n h n m t t n s ng ng (t n s ng ng này là giá tr đ c tr ng cho v t ch t làm nên Trang 14 Giáo trình C m bi n t m kim lo i này), các đi n t s h p th n ng l đi n (g i là dòng quang đi n). ng t các photon và sinh ra dòng Khi các đi n t b b t ra kh i b m t c a t m kim lo i, ta có hi u ng quang đi n ngoài (external photoelectric effect). Các đi n t không th phát ra n u t n s c a b c x nh h n t n s ng ng b i đi n t không đ c cung c p đ n ng l ng c n thi t đ v t ra kh i rào th (g i là công thoát). i n t phát x ra d i tác d ng c a b c x đi n t đ c g i là quang đi n t . m t s ch t khác, khi đ c chi u sáng v i t n s v t trên t n s ng ng, các đi n t không b t ra kh i b m t, mà thoát ra kh i liên k t v i nguyên t , tr thành đi n t t do (đi n t d n) chuy n đ ng trong lòng c a kh i v t d n, và ta có hiêu ng quang đi n trong (internal photoelectric effect). Hi u ng này d n đ n s thay đ i v tính ch t d n đi n c a v t d n, do đó, ng i ta còn g i hi u ng này là hi u ng quang d n. 2.3.1 Hi u ng quang đi n Trong v t ch t, các đi n t trong nguyên t có xu h ng đ c gi i phóng kh i nguyên t đ tr thành đi n t t do. gi i phóng đi n t kh i nguyên t c n ph i cung c p cho nó m t n ng l ng l n h n n ng l ng liên k t Wl. Nh v y, m t đi n t đ c gi i phóng n u nó h p th m t photon có Wφ ≥ Wl. B c sóng l n nh t c a ánh sáng có th gây nên hi n t g i là b c sóng ng ng: λs = hay hc Wl λ s (µm ) = ng gi i phóng đi n t ( 2.5 ) 1,237 Wl ( 2.6 ) Hi n t ng gi i phóng h t d n d i tác d ng c a ánh sáng gây nên s thay đ i tính ch t đi n c a v t li u g i là hi u ng quang đi n. ây là nguyên lý c b n c a các c m bi n quang. đ Lo i đi n tích đ c chi u sáng: c gi i phóng do chi u sáng ph thu c vào b n ch t c a v t li u - Khi chi u sáng vào ch t đi n môi ho c bán d n tinh khi t, các đi n tích đ gi i phóng là c p đi n t - l tr ng. c - Khi chi u sáng vào ch t bán d n pha t p s gi i phóng đi n t (ch t bán d n lo i N) ho c l tr ng (ch t bán d n lo i N). Khi chi u sáng vào v t li u b ng ánh sáng có b c sóng λ ≤ λs thì không ph i t t c các photon chi u xu ng b m t đ u tham gia gi i phóng h t d n, m t s b ph n x t b m t, m t s s chuy n n ng l ng c a chúng thành nhi t n ng. su t Φ: - i v i v t li u có h s ph n x R, b chi u sáng b i ánh sáng đ n s c có công S photon chi u t i trong m t giây: ns = Φ λΦ = hγ hc ( 2.7 ) Trang 15 Giáo trình C m bi n - S photon b h p th trong m t giây: na = (1 − R )ns = (1 − R ) S h t d n đi n đ - λΦ ( 2.8 ) hc c gi i phóng trong m t giây: G = η .na = η (1 − R ) λΦ ( 2.9 ) hc Trong đó: η - hi u su t l 2.3.2 Hi n t ng t : s h t d n đ c gi i phóng khi h p th m t photon ng quang d n Hi n t ng quang d n là hi n t ng gi i phóng h t d n đi n bên trong v t li u d i tác d ng c a ánh sáng (hi u ng quang đi n n i), làm t ng đ d n đi n c a v t li u. ây là c s v t lý c a t bào quan d n. Xét m t b n bán d n ph ng th tích V = A.L pha t p lo i n v i n ng đ ch t pha Nd có m c n ng l ng d i vùng d n m t kho ng Wd. chi u sáng V Ip A L vùng d n Wd vùng hóa tr Hình 2-8 : S chuy n m c n ng l a. ng c a đi n t d i tác d ng c a ánh sáng i u ki n trong t i, nhi t đ phòng Gi s nhi t đ phòng và t i n ng đ nguyên t ch t pha b ion hóa n0 là r t nh . - S đi n t đ c gi i phóng do nhi t trong m t đ n v th i gian t l thu n v i n ng đ nguyên t ch a b ion hóa là a(Nd – n0), trong đó: a ≈ e − qWd kT . - S đi n t tái h p v i các nguyên t đã b ion hóa trong m t đ n v th i gian t l thu n v i n ng đ các nguyên t đã b ion hóa là r .n02 , trong đó: r – h s tái h p. Ph ng trình bi u di n s thay đ i c a m t đ đi n t t do có d ng: dn0 = a( N d − n0 ) − rn02 dt ( 2.10 ) Trang 16 Giáo trình C m bi n tr ng thái cân b ng: dn0 =0 dt ⇒ n0 = − a a 2 aN d + + 2r 4r 2 r ( 2.11 ) d n trong t i: σ 0 = qµn0 ( 2.12 ) trong đó: q – tr tuy t đ i c a đi n tích, µ - đ linh đ ng c a đi n t Khi nhi t đ t ng, m t đ n0 t ng làm nh h ng r t l n đ i v i đ d n. b. Khi chi u sáng Các photon có n ng l ng l n h n Wd s ion hóa các nguyên t ch t pha, gi i phóng g đi n t trong m t đ n v th i gian trên m t đ n v th tích. g= t đ G 1 η(1 − R ) . = .Φ hν V AL ( 2.13 ) M t đ đi n t t do bao g m s đi n t đ c gi i phóng do chi u sáng, s đi n c gi i phóng do nhi t và s đi n t tái h p đ c bi u di n b ng ph ng trình: dn = a( N d − n ) + g − rn 2 dt ( 2.14 ) Thông th ng s đi n t do các photon gi i phóng l n h n r t nhi u so v i só đi n t đ c gi i phóng do nhi t: g >> a(Nd – n) Nên đi u ki n cân b ng khi chi u sáng, m t đ đi n t : g r ( 2.15 ) σ = qµn ( 2.16 ) n= d n khi chi u sáng: ta th y đ d n là m t hàm không tuy n tính theo thông l 2.3.3 Hi n t ng ánh sáng. ng quang phát x đi n t Hi u ng quang phát x đi n t là hi n t v t li u d i tác d ng c a b c x ánh sáng. Hình 2-9 : Hi n t ng các đi n t đ c gi i phóng kh i ng quang phát x đi n t Trang 17 Giáo trình C m bi n C ch phát x x y ra theo ba giai đo n: - H p th photon và gi i phóng đi n t bên trong v t li u - i nt v ađ c gi i phóng di chuy n đ n b m t v t li u - i n t thoát ra kh i b m t v t li u i v i tr ng h p bán d n riêng, vi c gi i phóng đi n t đòi h i n ng l photon t i b ng ho c l n h n b r ng vùng c m Eg. ng S di chuy n c a đi n t sau khi đ c gi i phóng mang tính ng u nhiên theo m i h ng, đó đó ch có m t l ng r t nh trong t ng s đi n t đ c gi i phóng đ n đ c b m t v t li u. Trong quá trình di chuy n các đi n t này và ch m v i các đi n t khác ho c v i các photon t i làm tiêu hao m t ph n n ng l ng c a nó. S phát x c a đi n t sau khi đ n đ c b m t ch có th x y ra n u nó có đ n ng l ng th ng đ c n ng l ng liên k t b m t v t li u. Hi u ng quang đi n đ c ng d ng đ ch t o các c m bi n quang (nh công t c t đ ng đóng ng t đèn chi u sáng). 2.4 Hi u ng quang đi n t Khi tác d ng m t t tr ng vuông góc v i b c x ánh sáng, trong v t li u bán d n đ c chi u sáng s xu t hi n hi u đi n th vuông góc v i ph ng t tr ng và ph ng b c x ánh sáng. Cho phép nh n đ c dòng đi n ho c đi n áp ph thu c vào đ chi u sáng. Hình 2-10 : Hi u ng quang-đi n-t ng d ng trong các b c m bi n đo các đ i l tin d ng ánh sáng thành tín hi u đi n. 2.5 Hi u ng quang ho c chuy n đ i thông ng Hall 2.5.1 Hi u ng Hall Hi u ng Hall là hi u ng v t lý đ n m 1879. c phát hi n b i Edwin Herbert Hall vào Trang 18 Giáo trình C m bi n Hình 2-11 : Edwin Herbert Hall (1855 – 1938) Khi cho tác d ng m t t tr ng vuông góc lên m t b n làm b ng ch t bán d n hay ch t d n đi n (thanh Hall) đang có dòng đi n ch y qua. Lúc đó, xu t hi n hi u đi n th (hi u đi n th Hall) t i hai m t đ i di n c a thanh Hall. VH = IB d .e.n ( 2.17 ) Trong đó: I–c B–c ng đ dòng đi n ng đ t tr ng d – đ dày thanh Hall e – đi n tích h t d n đi n trong thanh Hall n – m t đ các h t d n đi n trong thanh Hall T tr ng + V Dòng đi n Tr ng h p t tr Hall đ c xác đ nh: - Hình 2-12 : Hi u ng Hall ng có ph ng h p v i dòng đi n góc θ, khi đó hi u đi n th VH = 2.5.2 IB sin θ d .e.n ( 2.18 ) ng d ng - o c ng đ dòng đi n thông qua t tr ng do dòng đi n này sinh ra. Ph ng pháp đo này không c n s ti p xúc c h c tr c ti p v i m ch đi n, không t o ra đi n tr ph trong m ch đi n, không b nh h ng b i đi n áp ngu n đi n, t ng tính an toàn (đi n cao áp). - Xác đ nh v trí và chuy n đ ng. Hi u qu c a ng d ng này là không b nh h ng b i môi tr ng: khói, b i, ch t b n, đ m… hay c n ph i che ch n nh các thi t b quang h c, quang đi n, c đi n… Trang 19 Giáo trình C m bi n Hình 2-13 : C m bi n xác đ nh v trí ng d ng hi u ng Hall 2.6 Hi u Hi n t ng áp đi n ng áp đ cđ c anh em nhà Curie nghiên c u vào n m 1880. Hình 2-14 : Pierrie Curie (1859 – 1906) Hi n t ng x y ra nh sau: ng i ta tìm đ c m t lo i ch t có tính ch t hóa h c g n gi ng g m (ceramic) và nó có hai hi u ng thu n và ngh ch nh ng khi áp vào nó m t tr ng đi n thì nó bi n đ i hình d ng và ng c l i khi dùng l c c h c tác đ ng vào nó thì nó t o ra dòng đi n. Nó nh m t máy bi n đ i tr c ti p t n ng l ng đi n sang n ng l ng c h c và ng c l i. Hình 2-15: Hi n t ng áp đi n V t li u áp đi n là ch t mà c u trúc tinh th không có tâm đ i x ng. Các v t li u áp đi n th ng dùng: tinh th th ch anh, g m BaTiO3, g m PZT [Pb(TiZn)O3], ... V t li u áp đi n đ c dùng trong các b c m bi n, các thi t b đo đ a ch n, các máy phát t n s chu n (máy phát vô tuy n đi n), d ng c đo huy t áp, phát siêu âm,.. ng d ng đ đo các đ i l đi n áp trên hai c c t đi n. ng c nh áp su t, ng su t… thông qua vi c đo Trang 20 Giáo trình C m bi n 2.7 Hi u ng h a đi n M t s tinh th h a đi n có tính ch t phân c c đi n t phát ph thu c vào nhi t đ . Trên các m t đ i di n c a chúng xu t hi n các đi n tích trái d u có đ l n t l thu n v i đ phân c c đi n ph thu c vào quang thông chi u vào. c ng d ng đ đo thông l ng c a b c x ánh sáng. Khi tinh th h a đi n h p th ánh sáng, nhi t đ c a chúng t ng lên làm thay đ i phân c c đi n, xu t hi n đi n áp trên hai c c c a t đi n. Φ + V Hình 1-16: Hi u ng h a đi n 2.8 Hi u ng Doppler 2.8.1 Hi u ng Doppler Hi u ng Doppler là hi u ng v t lý, trong đó t n s và b c sóng c a các sóng đi n t hay sóng âm b thay đ i khi đ i t ng quan sát chuy n đ ng t ng đ i so vói ngu n phát. Hình 2-17 : Christian Andreas Doppler (1803 – 1853) Trong m t môi tr ng c đ nh, ngu n sóng và đ i t ng quan sát đ u chuy n đ ng t ng đ i so v i môi tr ng. Khi đó, hi u ng Doppler là s t ng h p c a các hi u ng gây ra b i s chuy n đ ng này. T n s Doppler đ c xác đ nh b i bi u th c: Fd = 2V Ft c ( 2.19 ) Trong đó: Ft – t n s sóng đ c phát ra c – t c đ lan truy n c a sóng trong môi tr v – v n t c chuy n đ ng c a đ i t ng ng Trang 21 Giáo trình C m bi n Hình 2-18 : Sóng phát ra t m t ngu n phát đang chuy n đ ng t ph i sang trái N u ngu n phát sóng và h ng chuy n đ ng c a đ i t góc θ, khi đó t n s Doppler có d ng: Fd = 2V Nh v y, khi đ i t Doppler b ng 0. 2.8.2 ng t o v i nhau m t Ft cosθ c ( 2.20 ) ng chuy n đ ng ngang qua m t c a ngu n phát, t n s ng d ng K t h p c ch siêu âm và hi u ng Doppler, ng i ta ch t o súng b n t c đ trong giao thông. Súng phát ra m t sóng radio có t n s xác đ nh f0, sau đó thu l i sóng ph n x có t n s f1 t ph ng ti n giao thông đang chuy n đ ng v i v n t c v. T f0 và f1 ta tính ra đ c v n t c chuy n đ ng c a ph ng ti n giao thông đó. Hi u ng Doppler còn đ c ng d ng trong r t nhi u l nh v c: y h c, thám hi m đáy bi n, đo kho ng cách… Hình 2-19 : Thi t b siêu âm y h c và súng b n t c đ Trang 22 Giáo trình C m bi n Câu h i ôn t p 1. Hi n t ng các h t d n t do trong v t li u đ sáng là hi n t ng c a: a. Hi u ng quang đi n. b. Hi u ng quang phát x đi n t . c. Hi u ng quang – đi n – t . d. T t c đ u sai. c gi i phóng d 2. Khi cho dòng đi n ch y qua v t li u bán d n đ t trong t tr thành góc v i dòng đi n s xu t hi n đi n áp VH: a. Vuông góc v i B, có đ l n VH = KBsin . b. Vuông góc v i I, có đ l n VH = KIsin . c. Vuông góc v i B và I, có đ l n VH = KIBsin . d. Vuông góc v i B và I, có đ l n VH = KIBcos i tác d ng c a ánh ng B có ph ng t o 3. i u ki n đ m t điên t có n ng l ng liên k t Wl, gi i phóng kh i nguyên t khi: a. i n t đó nh n đ c m t n ng l ng nh h n n ng l ng liên k t Wl. b. i n t đó h p th m t photon có n ng l ng W nh h n n ng l ng liên k t. c. i n t đó h p th m t photon có b c sóng λ ≤ hc Wl d. T t c đ u sai. Trang 23 Giáo trình C m bi n Ch ng 3 C M BI N NHI T 3.1 Các đ c tr ng c a nhi t đ Nhi t đ là tính ch t v t lý c a v t ch t (nóng và l nh). V t ch t có nhi t đ cao h n thì nóng h n. Nhi t đ đ c đ nh ngh a chính xác d a vào các đ nh lu t nhi t đ ng l c h c. Thang nhi t đ : a. Thang Kelvin Trong h th ng đo l ng qu c t , Kelvin là đ n v đo c b n cho nhi t đ , ký hi u: K. Thang nhi t đ này đ c l y theo tên nhà v t lý William Thomson, nam t c Kelvin I. Nhi t đ 0K trong thang Kelvin g i là nhi t đ tuy t đ i, đây là nhi t đ nh nh t mà v t ch t có th đ t đ c. Nhi t đ c a đi m cân b ng n c–n c đá – h i n c là 273,15K (t ng ng 0°C). M i đ K trong thang Kelvin b ng m t đ trong thang Celcius (1°C). b. Thang Celsius Celsius (°C hay đ C) là đ n v đo nhi t đ đ c đ t tên theo nhà thiên v n h c ng i Th y i n Anders Celsius (1701–1744), ông đ u tiên đ ngh h th ng đo nhi t đ gi ng nó vào n m 1742. Vào kho ng 1750, đ C đ c g i đ bách phân, tuy đã đ c đ i tên theo ông Celsius vào n m 1948 nh ng tên c v n còn đ c s d ng ph bi n. T(°C) = T(K) – 273,15 ( 3.1 ) c. Thang Fahrenheit ng i Fahrenheit (°F hay đ F) là m t thang nhi t đ đ c, Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736). c đ t theo tên nhà v t lý Thang nhi t đ này xác đ nh theo hai đi m nhi t đ chu n là nhi t đ đóng b ng và nhi t đ sôi c a n c, t c là 32°F (0°C) và 212°F (100°C) Thang nhi t đ Fahrenheit đã đ c s d ng khá lâu Châu Âu, cho t i khi b thay th b i thang nhi t đ Celsius. Thang nhi t đ Fahrenheit ngày nay v n đ c s d ng r ng rãi M và m t s qu c gia nói ti ng Anh khác. T ( O C ) = {T ( O F ) − 32}. 5 9 ( 3.2 ) 9 T ( O F ) = T ( O C ) + 32 5 ( 3.3 ) Trang 24 Giáo trình C m bi n Nhi t đ i m 0 tuy t đ i H n h p n c-n c đá Cân b ng n c-n c đá-h i n N c sôi c Kelvin (K) 0 273,15 273,16 373,15 Celsius (°C) Fahrenheit (°F) -273,15 -459,67 0 32 0,01 32,018 100 212 B ng 3-1: B ng giá tr m t s nhi t đ quang tr ng 3.2 Ph các thang đo ng pháp đo nhi t đ Có nhi u ph ng pháp đo nhi t đ : - Ph ng pháp quang h c: d a trên s phân b ph b c x nhi t do dao đ ng nhi t. - Ph ng pháp c h c: d a trên s giãn n c a v t r n, l ng, khí, d a trên v n t c sóng âm. - Ph ng pháp đi n: d a trên s ph thu c c a đi n tr vào nhi t đ , ho c d a trên s thay đ i t n s dao đ ng c a th ch anh. Nhi t đ đo đ c chính là b ng nhi t đ c a c m bi n, ký hi u Tc, ph thu c vào nhi t đ môi tr ng Tx (nhi t đ c n đo) và s trao đ i nhi t trong đó. Có hai bi n pháp đ gi m s khác bi t gi a Tx và Tc: - T ng s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng đo. - Gi m s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng bên ngoài. đo nhi t đ c a m t v t r n b ng c m bi n nhi t đ , t b m t c a v t ng i ta khoan m t l nh v i đ ng kính d và đ sâu L. L này dùng đ đ a c m bi n vào sâu trong v t r n. t ng đ chính xác c a k t qu , ph i đ m b o hai đi u ki n: il nđ ng kính (L ≥ 10r). - Chi u sâu l khoan ph i b ng ho c l n h n g p m - Gi m tr kháng nhi t gi a v t r n và c m bi n b ng cách gi m kho ng cách gi a v c m bi n và thanh l khoan. Kho ng tr ng gi a v c m bi n và thành l khoan ph i đ c l p đ y b ng m t v t li u d n nhi t t t. 3.3 C m bi n nhi t đi n tr 3.3.1 H s nhi t đ c a đi n tr Giá tr đi n tr là m t hàm ph thu c vào nhi t đ R(T) = R0F(T – T0) ( 3.4 ) Trong đó: R0 – đi n tr nhi t đ T0 F – hàm đ c tr ng cho v t li u (F = 1 khi T = T0) Trang 25 Giáo trình C m bi n Khi bi n thiên nhi t đ ∆T quanh giá tr T nh , đi n tr có th xem nh thay đ i theo hàm tuy n tính: R(T + ∆T) = R(T).(1 + αR∆T) Khi đó: αR = ( 3.5 ) 1 dR R (T ) dT ( 3.6 ) αR – h s nhi t đ c a đi n tr hay đ nh y nhi t nhi t đ T. H s nhi t đ αR ph thu c vào v t li u và nhi t đ . Thí d , 0°C, platin có h s αR = 3,9.10-3 °C-1 S thay đ i đi n tr theo nhi t đ ph thu c đ ng th i vào đi n tr ρ và kích th c hình h c c a đi n tr . i v i m t dây đi n tr chi u dài l, ti t di n s, h s nhi t đ đ c tính b ng bi u th c: αR = 1 dR 1 dρ 1 dl 1 ds = + − R dT ρ dT l dT s dT ( 3.7 ) Trong đó: 1 dρ = α ρ - h s nhi t đ c a đi n tr su t ρ dT 1 dl = α l - h s co giãn c a v t li u l dT 1 ds = 2α l s dT Do đó: αR = αρ - αl Th c t , các nhi t đi n tr có các h s αρ ~ 10-3 °C-1 và αl ~ 10-5 °C-1, nên αR = αρ. 3.3.2 i n tr kim lo i D a vào d i nhi t đ c n đo và các tính ch t đ c bi t ng i ta th Platin (Pt), Niken (Ni), ng (Cu), ho c Wonfram (W) làm đi n tr . ng dùng - Platin đ c ch t o v i đ tinh khi t cao (99,99%) cho phép t ng đ chính xác c a các tính ch t đi n. Platin tr v hóa h c và c u trúc tinh th n đ nh b o đ m s n đ nh các đ c tính đi n c a đi n tr . Các đi n tr làm b ng platin ho t đ ng t t trong d i nhi t đ khá r ng t -200°C đên 1000°C. Giá tr đi n tr 100°C g p 1,385 l n 0°C. - Niken có đ nh y nhi t cao h n nhi u so v i platin. Niken d b oxy hóa khi nhi t đ làm vi c t ng, làm gi m tính n đ nh và h n ch d i nhi t đ làm vi c c a đi n tr . Thông th ng các đi n tr làm b ng niken làm vi c nhi t đ th p h n 250°C. Giá tr đi n tr 100°C g p 1,617 l n 0°C. - ng có s thay đ i đi n tr nhi t có đ hóa h c c a đ ng quá l n nên các đi n tr 180°C. Bên c nh đó, đi n tr su t c a đ cao ph i t ng chi u dài, làm t ng kích th tuy n tính cao. Tuy nhiên, ho t tính ch đ c s d ng nhi t đ th p h n ng nh nên mu n có giá tr đi n tr c c a đi n tr . Trang 26 Giáo trình C m bi n - Wonfram có đ nh y nhi t cao h n platin, có th s d ng nhi t đ cao và đ tuy n tính t t h n. Có th kéo thành các s i r t m nh đ ch t o các đi n tr có tr s cao, ho c gi m kích th c c a đi n tr . Tuy nhiên các đi n tr wonfram có đ n đ nh th p h n so v i các đi n tr platin. Nhi t đ nóng ch y Nhi t l ng riêng d n nhi t H s giãn n i n tr su t H s nhi t đ c a đi n tr su t Cu 1083 400 400 16,7.10-6 1,72.10-8 3,9.10-3 Ni 1453 450 90 12,8.10-6 10.10-8 4,7.10-3 Pt 1769 135 73 8,9.10-6 10,6.10-8 3,9.10-3 B ng 3-2: B ng li t kê đ c tính các v t li u ch t o đi n tr W 3380 125 120 6.10-6 5,25.10-8 4,5.10-3 nhi t đ 20°C S thay đ i nhi t đ c a đi n tr làm xu t hi n ∆R = Rα∆T s t o ra đi n áp đo Vm = ∆R.i, trong đó i là dòng đi n ch y qua đi n tr (th ng có giá tr vài mA đ không làm nóng đ u đo). M t khác, đ có đ nh y cao c n s d ng đi n tr có giá tr t Mu n v y c n ph i: ng đ i l n. - Gi m ti t di n dây, b h n ch vì ti t di n càng nh dây càng d b đ t. - T ng chi u dài dây, c ng b gi i h n vì làm t ng kích th c c a đi n tr . N u dùng Platin có đ ng kính c vài ch c µm, chi u dài kho ng 10cm, giá tr đi n tr R ~ 100Ω 0°C, sau khi cu n l i có đ c chi u dài nhi t k c 1cm. Trên th c t các s n ph m th ng m i có đi n tr 0°C là 50Ω, 500Ω và 1000Ω. Các đi n tr l n th ng đ c s d ng đo d i nhi t đ th p cho phép có đ nh y t ng đ i t t. i v i môi tr ng công nghi p, các nhi t k có v b c t t ch ng đ c va ch m m nh và rung đ ng. i n tr đ c bao b c trong th y tinh ho c g m đ t trong v thép. V t li u v b c ph i có đ cách đi n t t đ tránh hi n t ng đi n phân làm h ng kim lo i. M i lo i v b c ch đ c dùng trong m t kho ng nhi t đ nh t đ nh đ tránh ng su t giãn n (th y tinh – d i 500°C và g m – d i 1000°C). Hình 3-1 : Nhi t k công nghi p dùng đi n tr Pt Trang 27 Giáo trình C m bi n đo nhi t đ trên b m t c a v t r n, đi n tr th ng đ c ch t o b ng ph ng pháp quang kh c và s d ng các v t li u là Ni, Fe-Ni ho c Pt. Chi u dày l p kim lo i c vài µm, kích th c kho ng 1cm2. Khi s d ng, nhi t k đ c dán trên b m t c n đo nhi t đ . Hình 3-2 : Nhi t k b m t 3.3.3 Nhi t đi n tr Nhi t đi n tr có đ nh y nhi t r t cao, l n h n kho ng 10 l n so v i đi n tr kim lo i. Ngoài ra h s nhi t có giá tr âm và ph thu c nhi u vào nhi t đ . nh y nhi t cao c a nhi t đi n tr cho phép ng d ng đ phát hi n nh ng bi n thiên nhi t đ r t nh (10-4 ÷ 10-3K) Nhi t đi n tr đ c làm t h n h p các oxit bán d n đa tinh th : MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Các b t oxit đ c tr n v i nhau theo m t t l thích h p, sau đó đ c nén đ nh d ng và thiêu k t nhi t đ 1000°C. Nhi t đi n tr đ c ch t o v i nhi u hình d ng khác nhau (đ a, vòng, hình tr …), các ph n t nh y nhi t có th đ c b c kín ho c đ tr n. V t li u th ng s d ng có đi n tr su t cao cho phép ch t o đi n tr có giá tr thích h p v i l ng v t li u và kích th c t i thi u. Kích th c nh cho phép đo nhi t đ t i t ng đi m và t c đ đáp ng cao do nhi t dung nh . Hình 3-3: i n tr c a nhi t đi n tr Trang 28 Giáo trình C m bi n n đ nh ph thu c vào vi c ch t o nhi t đi n tr và đi u ki n s d ng. t ng tính n đ nh và b o v nhi t đi n tr không b phá h y hóa h c ng i ta th ng dùng v b c. C n tránh s thay đ i nhi t đ đ t ng t có th làm r n n t v t li u. D i nhi t đ làm vi c t vài đ tuy t đ i đ n kho ng 300°C tùy thu c vào lo i nhi t đi n tr . Ta có th m r ng d i nhi t đ này nh ng tr s đi n tr s t ng đáng k khi làm vi c nhi t đ cao, c n ph i ch n các v t li u đ c bi t (cacbua silic) và có bi n pháp đ c bi t đ ch ng phá h y hóa h c. đo nhi t đ th p, ng i ta s d ng các nhi t đi n tr có tr s nh 25°C (t 50Ω đ n 100Ω). đo nhi t đ cao c n s d ng nh ng nhi t đi n tr có tr s l n 25°C (100Ω đ n 500Ω). Hình 3-4: 3.3.4 nh y nhi t c a nhi t đi n tr i n tr silic ây là đi n tr bán d n có nh ng đ c đi m sau: - H s nhi t c a đi n tr su t có giá tr d ng (0,7%/°C 25°C). thay đ i nhi t t ng đ i nh có th tuy n tính hóa đ c tuy n c a c m bi n trong d i nhi t đ làm vi c b ng cách m c thêm đi n tr ph . - D i nhi t đ làm vi c b h n ch t -50°C đ n 120°C. silic. i n tr silic đ c ch t o b ng công ngh khu ch tán t p ch t vào đ n tinh th thay đ i nhi t c a đi n tr su t ph thu c vào n ng đ pha t p và nhi t đ . - Khi nhi t đ nh h n 120°C, đi n tr su t t ng khi nhi t đ t ng. B i vì n ng đ các h t d n đi n t o ra do pha t p l n h n r t nhi u so v i n ng đ các h t d n đi n đ c t o ra b i s ion hóa do nhi t. H s nhi t c a đi n tr càng nh khi pha t p càng m nh. - Khi nhi t đ l n h n 120°C, đi n tr su t gi m khi nhi t đ t ng. Vì quá trình ion hóa do nhi t chi m u th làm n ng đ các h t d n đi n t ng lên l n h n nhi u so v i n ng đ pha t p. H s nhi t c a đi n tr su t không ph thu c vào pha t p (tr ng h p bán d n riêng). Trang 29 Giáo trình C m bi n Hình 3-5: S ph thu c nhi t đ c a đi n tr silic Hình 3-6 : ng d ng nhi t đi n tr đ ch t o nhi t k đi n t 3.4 C p nhi t đi n 3.4.1 c tr ng C p nhi t đ c ch t o d a trên nguyên lý c a các hi u ng nhi t đi n. C u t o g m hai dây d n A và B có b n ch t khác nhau, đ c n i vói nhau b ng hai m i hàn có nhi t đ T1 và T2. Su t đi n đ ng E ph thu c vào b n ch t v t li u làm các dây d n A, B và nhi t đ T1, T2. Thông th ng nhi t đ c a m t m i hàn đ c gi n đ nh giá tr bi t tr c, g i là nhi t đ chu n (T1 = Tref). Khi đ t m i hàn th hai trong môi tr ng đo nó s đ t t i nhi t đ T2 = Tc ch a bi t. Nhi t đ Tc là hàm c a nhi t đ Tx và các quá trình trao đ i nhi t. Kích th c c p nhi t nh nên có th đo nhi t đ t ng đi m và t ng t c đ đáp ng do nhi t dung nh . Su t đi n đ ng do c p nhi t t o ra trong khi đo không c n có dòng đi n ch y qua do đó không có hi u ng đ t nóng. Trang 30 Giáo trình C m bi n Tuy nhiên, c n ph i bi t tr là sai s Tc. c nhi t đ chu n Tref, vì v y sai s Tref c ng chính Su t đi n đ ng c a c p nhi t là hàm không tuy n tính c a Tc. M i lo i c p nhi t có m t b ng chu n ghi giá tr c a su t đi n đ ng ph thu c vào nhi t đ và bi u th c mô t s ph thu c đó. Thí d , đ i v i c p nhi t platin – 30% rodi/platin – 6% rodi, trong kho ng nhi t đ t 0°C đ n 1820°C theo chu n NF C 42-321 bi u th c mô t s ph thu c có d ng: i =8 E = ∑ aiT i ( 3.8 ) i =0 trong đó, E (µV) và T (°C) Giá tr c th c a các h s ai, nh sau: a0 = 0 a1 = -2,4674601620.10-1 a2 = 5,9102111169.10-3 a3 = -1,4307123430.10-6 a4 = 2,1509149750.10-9 a5 = -3,1757800720.10-12 a6 = 2,4010367459.10-15 a7 = -9,0928148159.10-19 a8 = 1,3299505137.10-22 M t s c p nhi t có d i nhi t đ làm vi c đ c chia ra nh ng vùng nh . Trong m i vùng, m i quan h gi a su t đi n đ ng và nhi t đ đ c mô t b ng bi u th c đ c tr ng riêng. C p nhi t có d i nhi t đ làm vi c r ng h n nhi u so v i nhi t k đi n tr . M i lo i c p nhi t có m t gi i h n c a d i nhi t đ làm vi c. Thí d , t -270°C đ i v i c p nhi t đ ng/vàng-coban đ n 2700°C đ i v i c p nhi t wofram-reni 5%/wonfram-reni 26%. nh y nhi t c a c p nhi t đi n là hàm c a nhi t đ , đ c xác đ nh b ng bi u th c: s (Tc ) = dE A / B dTc (µV/°C) ( 3.9 ) Thí d : - C p nhi t Fe/constantan: - C p nhi t Pt – Rh 10%/Pt: s(0°C) = 6,4 µV/°C; s(1400°C) = 11,93 µV/°C 3.4.2 Ph s(0°C) = 52,9 µV/°C; s(700°C) = 63,8 µV/°C ng pháp ch t o và s đ đo a. Ch t o Trong quá trình ch t o c p nhi t c n ph i tránh t o ra nh ng c p nhi t ký sinh do g p khúc dây, nhi m b n hóa h c, b c x hât nhân. M i hàn c ng ph i nh , b i vì n u vùng hàn có kích th c l n s t o ra su t đi n đ ng ký sinh do chênh l ch nhi t đ gi a các đi m khác nhau trên m i hàn. tránh ti p xúc v i bên ngoài, m i hàn và dây đ c đ t trong s cách đi n tr v hóa h c và có đi n tr l n. b o v c u trúc c p nhi t – s cách đi n, ng i ta Trang 31 Giáo trình C m bi n trang b thêm l p v b c bên ngoài làm b ng s ho c thép. V b c này kín không đ không khí l t vào và ch ng đ c s thay đ i nhi t đ t ng t. N u v b c làm b ng thép thì m i hàn có th ti p xúc v i v thép đ gi m th i gian đáp ng. b. S đ đo Hình 3-7 : S đ l p ráp c p nhi t v i thi t b đo L p ráp t ng đôi cùng nhi t đ : các m i hàn c a c p nhi t A/M1 và B/M1; các m i hàn c a dây d n trung gian M1/M2 và M2/M3. Khi đó trong m ch ch có su t đi n đ ng Seebeck c a c p nhi t: e=P Tc A/ B −P Tref A/ B + Tref ∫ (h B − hA )dT = E A / B TcTref ( 3.10 ) Tc S đ vi sai: đo nhi t đ gi a hai đi m hai m i hàn A/B c a c p nhi t. Các m i hàn gi ng nhau đ t cùng nhi t đ A/M1, M1/M2, M2/M3. Hình 3-8 : S đ vi sai N u kho ng nhi t đ t Tc1 đ n Tc2 nh , ta có: E ATc/ BTc = s (Tc1 − Tc2 ) 1 c. Ph 2 ( 3.11 ) ng pháp đo xác đ nh chính xác su t đi n đ ng c p nhi t ta ph i gi m s s t áp trong các ph n t c p nhi t và dây d n do có dòng đi n ch y qua, thông th ng r t khó xác đ nh đi n tr c a các ph n t này vì đi n tr là hàm c a nhi t đ môi tr ng và nhi t đ c n đo. Trang 32 Giáo trình C m bi n H S d ng milivon k có đi n tr n i r t l n đ gi m s t áp trên dây d n. Hình 3-9 : o su t đi n đ ng b ng milivonk i n áp gi a hai đ u milivon k : Vm = E A / B TcTref Do không th xác đ nh đ ch n sao cho: Rv >> Rt + Rl Rv Rt + Rl + Rv ( 3.12 ) c đi n tr c a c p nhi t và dây n i, đ gi m sai s ta Khi đó: E A / B = Vm TcTref H Dùng ph ng pháp xung đ i đ dòng đi n qua c p nhi t b ng không. Hình 3-10 : o su t đi n đ ng b ng ph ng pháp xung đ i i u ch nh dòng đi n qua Re (b ng Rh) sao cho kim đi n k G ch s 0 (không có dòng đi n qua c p nhi t). Ta có: E A / B = Re I TcTref 3.4.3 Các c p nhi t đi n th ( 3.13 ) ng dùng trong th c t D i nhi t đ làm vi c đ i v i m t c p nhi t đi n th ng b h n ch . nhi t đ th p n ng su t nhi t đi n c a nó gi m đi. nhi t đ cao c p nhi t có th b nhi m b n do môi tr ng đo ho c x y ra hi n t ng bay h i m t trong các ch t thành ph n c a h p kim làm c p nhi t, ho c b t ng kích th c h t tinh th d n đ n làm t ng đ dòn c h c, th m chí có th b nóng ch y. Trang 33 Giáo trình C m bi n C p nhi t đi n ng/Constantan Φ = 1,63mm S t/Constantan Φ = 3,25mm Chromel/Alumel Φ = 3,25mm Chromel/Constantan Φ = 3,25mm Platin-Rodi(10%)/Platin Φ = 0,51mm Platin-Rodi(13%)/Platin Φ = 0,51mm Platin-Rodi(30%)/PlatinRodi(6%) Φ = 0,51mm Wonfram-Reni(5%)/ Wonfram-Reni(26%) Nhi t đ làm vi c (°C) -270 ÷ 370 -6,258 ÷ 19,027 -210 ÷ 800 -8,096 ÷ 45,498 -270 ÷ 1250 -5,354 ÷ 50,633 -270 ÷ 870 -9,853 ÷ 66,473 -50 ÷ 1500 -0,236 ÷ 15,576 -50 ÷ 1500 -0,226 ÷ 17,445 0 ÷ 1700 0 ÷ 12,426 0 ÷ 2700 0 ÷ 38,45 E (mV) B ng 3-3: M t s lo i c p nhi t đi n th chính xác (-100°C ÷ -40°C): ±2% (-40°C ÷ 100°C): ±0,8% (100°C ÷ 350°C): ±0,75% (0°C ÷ 400°C): ±3% (400°C ÷ 800°C): ±0,75% (0°C ÷ 400°C): ±3% (400°C ÷ 1250°C): ±0,75% (0°C ÷ 400°C): ±3% (400°C ÷ 1250°C): ±0,75% (0°C ÷ 600°C): ±2,5% (600°C ÷ 1500°C): ±0,4% (0°C ÷ 538°C): ±1,4% (538°C ÷ 1500°C): ±0,25% (870°C ÷ 17500°C): ±0,5% ng g p trong th c t Hình 3-11 : M t d ng c p nhi t đi n và thi t b đo nhi t đ 3.5 o nhi t đ b ng diode và transistor Có th s d ng các linh ki n bán d n là diode hay transistor m c theo ki u diode (n i B v i C) phân c c thu n v i dòng I không đ i đ đo nhi t đ . Khi đó, đi n áp gi a hai c c là hàm c a nhi t đ . Trang 34 Giáo trình C m bi n v v I I Hình 3-12 : S d ng diode, transistor làm c m bi n nhi t đ nh y nhi t: S= dV dT ( 3.14 ) nh y nhi t có giá tr kho ng -2,5mV/°C. nh y nhi t ph thu c vào dòng ng c I0, dòng đi n này thay đ i r t khác đ i v i linh ki n khác nhau, vì v y nên ch n các linh ki n có đ c tr ng t ng t nhau. lo i tr nh h ng c a dòng ng dùng m t c p transistor m c đ i nhau. c I0 và t ng đ tuy n tính, ng V1 i ta th ng V2 Vd I1 I2 Hình 3-13 : C p transistor m c theo ki u diode đ i Gi s dòng I0 c a hai transistor là nh nhau, dòng đi n ch y qua các transistor và đi n áp B-E t ng ng là I1, I2 và V1, V2. Khi đó: I1 = I 0 exp qV1 KT ⇒ V1 = I 2 = I 0 exp qV2 KT ⇒ V2 = Vd = V1 − V2 = KT I1 ln q I0 KT I 2 ln q I0 KT I1 KT ln = ln n q I2 q v i n= I1 I2 Ta có đ nh y nhi t: S= dVd K = ln n = 8,56.ln n (µV.K-1) dT q ( 3.15 ) nh y nhi t này nh h n so v i tr ng h p ch s d ng m t diode ho c m t transistor, nh ng không ph thu c vào nhi t đ T do đó đ tuy n tính đ c cài thi n đáng k . Trang 35 Giáo trình C m bi n c đi m: tr . - nh y nhi t l n h n nhi u so v i c p nhi t nh ng nh h n so v i nhi t đi n c bi t là không c n nhi t đ chu n. D i nhi t đ làm vi c b h n ch so s thay đ i tính ch t đi n c a c m bi n các nhi t đ gi i h n. C m bi n có đ n đ nh cao trong kho ng t -50°C đ n 150°C. 3.6 C m bi n nhi t LM35D 3.6.1 c đi m Hình 3-14 : S đ chân LM35D và s d ng LM35D là lo i c m bi n nhi t đ có đi n áp ngõ ra ph thu c vào nhi t đ . - nh y 10mV/°C - D i nhi t đ làm vi c t 0°C đ n 100°C - Ph m vi đi n áp s d ng t 4V đ n 30V - chính xác ±1°C. tuy n tính t t (sai s phi tuy n t i đa ±0,5°C) - Dòng đi n tr ng thái t nh nh (80mA) - V ngoài gi ng nh các transistor (ki u TO-92) Khi s d ng không c n linh ki n ngoài, c ng nh không c n tinh ch nh, ch c n n i v i vôn k 1V ho c VOM s có th dùng làm máy đo nhi t đ . Trang 36 Giáo trình C m bi n 3.6.2 Các m ch ng d ng a. M ch đi u ch nh nhi t đ n c Hình 3-15 : M ch đi u ch nh nhi t đ n c dùng LM35D M ch so sánh có ngõ vào không đ o chi t áp t PR1 (dùng đ t nhi t đ c n thi t). Ngõ vào không đ o l y đi n áp ngõ ra c a b c m bi n nhi t đ LM35D. Khi nhi t đ n c th p h n nhi t đ đ t tr c, ngõ vào không đ o có đi n áp cao h n ngõ vào đ o, đi n áp ngõ ra b so sánh m c cao, đèn D2 sáng (bi u hi n đang gia nhi t). Q1 d n, đèn D3 sáng, đi n tr Rcds nh n ánh sáng t D3 chi u vào, đi n tr s t xu ng kho ng 1kΩ, triac d n, b gia nhi t đ c c p đi n, nhi t đ n c t ng lên. Khi nhi t đ n c b ng ho c cao h n nhi t đ đ t tr c, đi n áp ngõ vào đ o cao h n đi n áp ngõ vào không đ o. i n áp ngõ ra b so sánh xu ng m c th p, đèn D1 sáng (báo ng ng gia nhi t). Q1 ng ng, đèn D3 t t, Rcds không đ c chi u sáng có giá tr l n kho ng 1MΩ, triac ng ng d n, b gia nhi t b ng t đi n ng ng gia nhi t. b. M ch đo nhi t đ trung bình Hình 3-16 : M ch đo nhi t đ trung bình Trang 37 Giáo trình C m bi n Ba c m bi n T1, T2, T3 đ c đ t ba v trí khác nhau, đi n áp Vo cho phép xác đ nh nhi t đ trung bình c a môi tr ng đo. Ch n: R1 = R2 = R3 = 3R5 Vo = ; R4 = R6 1 (Vo1 + Vo2 + Vo3 ) 3 c. M ch đo sai l ch nhi t đ Hai c m bi n T1 và T2 đo nhi t đ hai n i. Hình 3-17 : M ch đo sai l ch nhi t đ Trang 38 Giáo trình C m bi n Câu h i ôn t p 1. Bi u th c nào d i đây bi u di n m i quan h gi a thang Kelvin và thang Celsius: a. T(°C) = T(K) – 273,15 b. T(K) = T(°C) – 273,15 c. T(°C) = 273,15 – T(K) d. T(K) = 273,15 – T(°C) 2. Bi u th c nào d Fahrenheit. i đây bi u di n m i quan h gi a thang Celsius và thang 3. đo nhi t đ chính xác c n gi m hi u s Tx – Tc (Tx: nhi t đ môi tr ng đo, Tc: nhi t đ c m bi n). Biên pháp nào d i đây có th gi m đ c hi u s này: a. T ng s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng đo; t ng s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng bên ngoài. b. T ng s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng đo; gi m s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng bên ngoài. c. Gi m s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng đo; t ng s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng bên ngoài. d. Gi m s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng đo; gi m s trao đ i nhi t gi a c m bi n và môi tr ng bên ngoài. 4. i v i nhi t đi n tr kim lo i, đ đo v i đ nh y t t, ta c n: a. Dùng các đi n tr có tr s l n đ đo d i nhi t đ th p. b. Dùng các đi n tr có tr s nh đ đo d i nhi t đ th p. c. Dùng các đi n tr có tr s l n đ đo d i nhi t đ cao. d. S d ng các đi n tr có giá tr tùy ý. 5. Trình bày nguyên lý ho t đ ng c a m ch đi n đi u ch nh nhi t đ n L35D là c m bi n nhi t đ . c. Trong đó, Trang 39 Giáo trình C m bi n Ch ng 4 C M BI N QUANG 4.1 Ánh sáng và các đ i l ng quang h c Ánh sáng là các b c x đi n t có b c sóng n m trong vùng quang ph nhìn th y đ c b ng m t th ng (t c là t kho ng 400 nm đ n 700 nm). Gi ng nh m i b c x đi n t , ánh sáng có th đ c mô t nh nh ng đ t sóng h t chuy n đ ng g i là photon. Ánh sáng do M t Tr i t o ra còn đ c g i là ánh n ng (hay còn g i là ánh sáng tr ng bao g m nhi u ánh sáng đ n s c bi n thiên liên t c t đ đ n tím); do đèn t o ra còn đ c g i là ánh đèn (ánh sáng nhân t o); do các loài v t phát ra g i là ánh sáng sinh h c. "Ánh sáng l nh" là ánh sáng có b c sóng t p trung g n vùng quang ph tím. "Ánh sáng nóng" là ánh sáng có b c sóng n m g n vùng đ . Ánh sáng có quang ph tr i đ u t đ đ n tím là ánh sáng tr ng; còn ánh sáng có b c sóng t p trung t i vùng quang ph r t h p g i là "ánh sáng đ n s c". Hình 4-1 : Phân b t n s và b c sóng c a ánh sáng 4.1.1 Tính ch t c a ánh sáng Ánh sáng có hai tính ch t c b n là sóng và h t. a. Tính ch t sóng Sóng ánh sáng là sóng đi n t phát ra khi có s chuy n m c n ng l đi n t c a nguyên t ngu n sáng. ng c a các Trang 40 Giáo trình C m bi n T c đ c a sóng ánh sáng truy n đi trong không gian là c = 299792 km/s. Trong môi tr ng có chi t su t n, ánh sáng có v n t c: v= T n s ánh sáng γ và b c n ( 4.1 ) c sóng λ có bi u th c liên h : λ= v ( 4.2 ) γ b. Tính ch t h t Ánh sáng bao g m các h t photon mang n ng l ng, ph thu c vào t n s : Wφ = hγ trong đó: h – h ng s Planck (h = 6,6256.10-34 Js) ( 4.3 ) 4.1.2 Các đ n vi đo quang - N ng l ng b c x (Q) là n ng l d ng b c x , đ n v đo là J. ng phát x , lan truy n ho c h p th d i - Thông l ng ánh sáng (Φ) là công su t phát x , lan truy n ho c h p th : dQ Φ= , đ n v đo là W. dt ng đ ánh sáng (I) là dòng n ng l ng phát ra theo m t h dΦ , đ n v đo là W/steradian. đ n v góc kh i: I = dΩ - C ng d im t chói (L) là t s gi a c ng đ ánh sáng t m t ph n t b m t dA theo ng xác đ nh và di n tích hình chi u c a ph n t này lên m t ph ng P vuông góc dI , đ n v đo là W/steradian.m2; trong đó dAn = dA.cosθ (θ - góc v i h ng đó: L = dA h p b i m t ph ng P và m t ph ng ch a dA) h r i (E) là t s gi a dòng n ng l ng thu đ c b i m t ph n t b m t và dΦ , đ n v đo là W/m2 (lux). di n tích c a ph n t đó: E = dA - 4.2 Ngu n sáng 4.2.1 èn s i đ t wonfram C u t o: G m m t s i dây wonfram đ t trong m t bóng th y tinh ho c thanh anh có ch a khí hi m ho c halogen (I2) đ gi m bay h i s i đ t. c đi m: - Nhi t đ s i wonfram gi ng nhi t đ c a m t v t đen tuy t đ i. - Ph phát x n m trong vùng ph nhìn th y. - Quán tính nhi t l n nên không th thay đ i b c x nhanh chóng, th i gian s ng nh , d v . Trang 41 Giáo trình C m bi n - Thông l ng l n, d i ph r ng. Dây đ t Bóng th y tinh Giá đ Hình 4-2 : C u t o đèn Wonfram 4.2.2 Diode phát sáng N ng l ng gi i phóng trong quá trình tái h p đi n t - l tr ng ti p P-N c a diode làm phát sinh các photon. g n chuy n Hình 4-3 : Diode phát quang (LED) c đi m: - Th i gian đáp ng nh kho ng ns, có kh n ng đi u bi n sáng hoàn toàn xác đ nh, đ tin c y cao và đ b n t t. - Thông l ng t t n s cao, ph ánh ng đ i nh , nh y v i nhi t đ , ph m vi s d ng h p. 4.2.3 Laser Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) là hi n t khu ch đ i ánh sáng b ng b c x kích thích. ng Ngu n sáng laser r t đ n s c, đ chói l n, đ đ nh h ng cao và liên k t m nh. T t c b c x đ u cùng phân c c, cùng pha do đó khi ch ng chéo lên nhau s t o thành m t sóng duy nh t. C u t o g m 4 b ph n chính: - C c u kích thích - Môi tr - C c u ph n x - B ph i ghép đ u ra ng tác đ ng. Trang 42 Giáo trình C m bi n C c u kích thích dùng đ đ a n ng l kích thích: quang, đi n và hóa n ng. ng vào môi tr ng tác đ ng. Có 2 lo i Hình 4-4: Mô hình h th ng laser Môi tr ng tác đ ng là t p h p các nguyên t , ion ho c phân t có kh n ng b c x , trong đó x y ra hi n t ng b c x kích thích. ó là môi tr ng phát sáng trong laser, có th là ch t r n, l ng, khí hay bán d n. Tên laser th ng l y theo môi tr ng tác đ ng (h ng ng c, CO2). B c sóng phát x c a laser ph thu c vào môi tr ng tác đ ng, vì m i nguyên t có m c n ng l ng xác đ nh. C c u ph n x g m các g ng đ u cu i môi tr ng tác đ ng. G ng ph n x ánh sáng trong môi tr ng tác đ ng tr vào theo tr c ng, t o nên các h c c ng h ng ánh sáng. G ng c u lõm th ng đ c dùng đ đ i h ng tia ph n x . B ph i ghép đ u ra đ c ng h ng ra ngoài. c thi t k đ truy n m t ph n tr m ánh sáng trong h c Hình 4-5: Laser ch t r n v i ngu n kích thích quang h c Trang 43 Giáo trình C m bi n Hình 4-6 : Laser ch t khí kích thích b ng đi n c đi m: cao. - B c sóng đ n s c hoàn toàn xác đ nh. Thông l ng l n, có kh n ng nh n đ c chùm tia r t m nh v i đ đ nh h ng Truy n đi trên kho ng cách r t l n (đo đ n v tinh). 4.3 C m bi n quang bán d n 4.3.1 T bào quang d n C s v t lý c a t bào quang d n d a trên hi n t ng quang d n: hi n t ng gi i phóng h t t i đi n bên trong v t li u d i tác d ng c a ánh sáng (hi u ng quang đi n n i), làm t ng đ d n đi n c a v t li u. T bào quang d n là m t trong các c m bi n quang có đ nh y cao. Hình 4-7: T bào quang d n a. V t li u ch t o T bào quang d n th ng đ c ch t o t các v t li u bán d n đa tinh th ho c đ n tinh th , bán d n riêng ho c pha t p. - a tinh th : CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe n tinh th : Ge, Si tinh khi t ho c pha t p Au, Cu, Sb, In; SbIn, AsIn, Pin, CdHgTe. Trang 44 Giáo trình C m bi n Hình 4-8: D i ph làm vi c c a các v t li u quang d n b. Các đ c tr ng - i n tr : i n tr Rc c a t bào quang d n gi m r t nhanh khi đ r i t ng lên. S thay đ i này là m t hàm không tuy n tính c a đ r i sáng. Hình 4-9 : S ph thu c c a đi n tr và đ r i sáng i n tr c a t bào quang d n có th xem t song song v i m t đi n tr Rcp: Rc = ng đ ng đi n tr t i Rco m c Rco Rcp ( 4.4 ) Rco + Rcp Giá tr đi n tr t i Rco ph thu c vào hình d ng, kích th ch t c a v t li u quang d n. - PbS, CdS, CdSe có đi n tr t i r t l n: t 104Ω đ n 109Ω - SbIn, SbAs, CdHgTe có đi n tr t i t c, nhi t đ và b n 25°C ng đ i nh : t 10Ω đ n 103Ω 25°C Trang 45 Giáo trình C m bi n i n tr Rcp xác đ nh b i hi u ng quang đi n, có d ng: Rcp = aΦ −γ ( 4.5 ) Trong đó: a – h s ph thu c m nh vào v t li u, nhi t đ và ph b c x ánh sáng γ có giá tr t 0,5 đ n 1 Thông th ng, Rcp ng nh y v i s ng s c t trong v t li u s t t và trong thay đ i kho ng cách gi a các lõi s t c n ch n lf , bi u th c trên có d ng: µf L= µ0 N 2 S l0 ( 5.10 ) Trang 69 Giáo trình C m bi n S d ch chuy n ∆x làm thay đ i ∆l0 = 2∆x, khi đó h s t c m có giá tr : µ0 N 2 S 1 L + ∆L = . 2∆x l0 1+ l0 ⇒ ( 5.11 ) 2∆x 1 ∆L =− . L l0 1 + 2∆x l0 ( 5.12 ) Hình 5-10 : M ch t có khe t bi n thiên 1 – lõi s t t ; 2 – cu n dây; 3 – đ i t ng di đ ng t ng đ nh y và đ tuy n tính c a c m bi n, ng i ta k t h p hai m ch t v i nhau. bi n thiên h s t c m c a cu n L’ đ ∆L' = c bi u di n b ng bi u th c: 2µ 0 N 2 S ∆x . 2 2∆x l0 1− l0 ( 5.13 ) c. Cu n dây có lõi t C m bi n g m m t cu n dây đ dài l g m N vòng dây, bên trong có lõi s t t . Ph n c a lõi s t n m trong cu n dây có đ dài lf thay đ i. Hình 5-11 : Cu n dây có lõi t Trang 70 Giáo trình C m bi n H s t c m L c a cu n dây ph thu c vào chi u dài lf c a lõi t : L = µ0 { N2 s0l + (µ f − 1)s f l f + 2k s0 [s0 + (µ f − 1)s f ]. (l − l f ).l f l2 } ( 5.14 ) Trong đó: k – h s ghép n i, có giá tr t 0 đ n 1 s0 và sf – ti t di n ngang c a m ch t và c a kho ng gi a các lõi t t c m là hàm không d ch chuy n ∆lf c a lõi t làm thay đ i đ t c m. c i thi n s không tuy n tính b ng cách ghép hai cu n dây đ ng tuy n tính c a ∆lf. d ng vào thành hai nhánh k sát nhau c a m t c u đi n tr có cùng chung m t lõi s t. 5.4.2 C m bi n đo v n t c a. T c k đi n t đo v n t c dài Trong tr ng h p d ch chuy n th ng có biên đ nh , có th ch t o c m bi n b ng cách k t h p m t nam châm và m t cu n dây, m t c đ nh, ph n còn l i g n v i v t chuy n đ ng. Khi chuy n đ ng t ng đ i gi a cu n dây và nam châm s gây nên m t su t đi n đ ng gi a hai đ u cu n dây t l v i v n t c chuy n đ ng. N u cu n dây là đ ng, nó s đ c đ t trong t tr châm. Su t đi n đ ng xu t hi n trong cu n dây có d ng: e = 2π.r .n.B .v = l .B .v ng xuyên tâm c a nam ( 5.15 ) Trong đó: r – bán kính vòng dây, n – s vòng dây; l = 2πrn – t ng chi u dài dây qu n B – giá tr c m ng t v – v n t c d ch chuy n c a cu n dây T c k lo i này đo đ 1 c đ d ch chuy n đ n vài mm v i đ nh y kho ng V . (m / s ) Trong tr ng h p d ch chuy n l n h n (0,5m), ng chuy n theo tr c c a hai cu n dây. i ta cho nam châm d ch Khi nam châm chuy n đ ng, su t đi n đ ng c m ng trong t ng cu n dây t l v i t c đ c a nam châm nh ng có d u ng c nhau, vì các c c ng c nhau chuy n đ ng trong hai cu n dây. Hai cu n dây đ c đ u n i ti p và ng c chi u đ có su t đi n đ ng khác không. b. T c k đo t c đ quay C m bi n t tr bi n thiên cu n đo có lõi t ch u tác đ ng b i t tr ng c a nam châm v nh c u. Cu n đo đ t đ i di n v i m t đ a quay làm b ng s t t có r ng (bánh r ng). Khi đ a quay, t tr c a m ch t bi n thiên m t cách tu n hoàn làm xu t hi n trong cu n dây su t đi n đ ng có t n s t l v i t c đ quay. Trang 71 Giáo trình C m bi n Hình 5-12 : Nguyên lý và c u t o c a c m bi n t tr bi n thiên Biên đ E c a su t đi n đ ng trong cu n dây ph thu c vào hai y u t : - Kho ng cách gi a cu n dây và đ a quay (khe t ): kho ng cách càng l n thì su t đi n đ ng càng nh . Thông th ng s thay đ i kho ng cách này không v t quá vài mm. - T c đ quay: biên đ c a su t đi n đ ng t l thu n v i t c đ quay. Do đó, s có vùng t c đ quá bé (t c đ “ch t”) không th đo đ c su t đi n đ ng. Khe t càng l n thì vùng này càng r ng. D i đo c a c m bi n t tr bi n thiên ph thu c vào s r ng p c a đ a. T c đ đo đ c t i thi u Vmin càng nh khi p càng l n. T c đ đo đ c t i đa Vmax càng l n khi p càng nh . Thí d : đ a quay có 60 r ng t c đ đo đ c t 50 đ n 500 vòng/phút; đ a quay có 15 r ng, d i t c đ đo đ c t 500 đ n 10000 vòng/phút. 5.5 C m bi n công t c 5.5.1 Công t c l đ i gà C u t o g m hai ti p đi m t đ t trong m t bóng th y tinh ch a khí tr ho c c hút chân không. Hình 5-13 : Công t c l i gà Khi m t nam châm đi qua công t c, các ti p đi m t đ li u t s t ng tác v i nhau. c ch t o t các v t M t s tr ng h p, công t c l i gà đ c đ t trong m t cu n dây, khi đó đi n áp DC là tác nhân làm đóng công t c. Thi t b này còn đ c g i là relay l i gà. Trang 72 Giáo trình C m bi n c đi m: - Hi u su t c m bi n không ch u nh h ng b i nhi t đ và đ m. chính xác cao. - Giá thành th p - C n tránh xa nam châm v nh c u có th gây h ng công t c. 5.5.2 Công t c th y ngân Hình 5-14 : Công t c th y ngân Công t c th y ngân đ c ch t o t th y ngân d n đi n d ng l ng ch a trong bóng th y tinh kín và m t s ti p đi m đi n. Tùy thu c vào góc nghiêng c a bóng th y tinh, công t c t o ra s k t n i gi a hai ti p đi m. Công t c th y ngân có tu i th ti p đi m cao, do không có s t ng tác c h c. 5.5.3 Công t c gi i h n Công t c gi i h n là m t d ng công t c nh . Khi c n c m ng b nén b i m t s chuy n đ ng, ti p đi m bên trong s đóng l i. Hình 5-15 : Công t c gi i h n t cđ C m bi n công t c đ c dùng nhi u trong các ng d ng robot. C m bi n công c s d ng v i nhi u m c đích, ch ng h n: - C m bi n va ch m (ti p xúc): c m bi n công t c đ c dùng đ phát hi n khi có va ch m c h c v i m t v t nào đó. Thí d , c m bi n công t c t o ra m t s chuy n m ch khi thân robot ch y vào t ng ho c ch m gi i h n đ ng ch y c a robot. - C m bi n gi i h n: t ng t nh c m bi n ti p xúc, c m bi n gi i h n phát hi n m t v t đã di chuy n đ n cu i hành trình c a nó, khi đó tín hi u đi u khi n motor s t t. - Mã hóa tr c quay (shaft): m t tr c quay k t h p v i m t công t c ch m s đ c n m t l n m t vòng quay. Ph n m m đ m s l n n đ xác đ nh s vòng và t c đ quay c a tr c. Trang 73 Giáo trình C m bi n 5.6 Encoder quang Encoder là m t thi t b c m bi n chuy n đ i tín hi u v t lý d ng chuy n đ ng thành tín hi u đi n, đ c s d ng trong m t s thi t b đi u khi n (ch ng h n PLC) đ đi u khi n các c c u ch p hành khác trong vi c đ nh v t a đ hay đi u khi n t c đ c a các lo i đ ng c . Có nhi u k thu t đ ch t o encoder, thông d ng nh t là các k thu t c , t , tr kháng và quang h c. Các thành ph n chính c a encoder quang bao g m m t ngu n sáng, m t đ u thu quang (photodiode ho c phototransistor) và đ a encoder. a enocoder đ c g n đ ng tr c v i v t quay có các vùng ph n x ho c trong su t đ c b trí tu n hoàn xen k v i các ph n ch n sáng gi a ngu n sáng và đ u thu quang. Hình 5-16 : C u t o encoder Trang 74 Giáo trình C m bi n Hình 5-17 : Nguyên t c ho t đ ng c a encoder x g đ t Ánh sáng t ngu n sáng phát ra đ n đ a encoder n u g p ph n trong su t (ph n ) s xuyên qua (ph n x ) đ a và đ c nh n đ c t i đ u thu quang. N u ánh sáng p các ph n ch n sáng s không đ n đ c đ u thu. Do đó khi v t quay chuy n đ ng, u thu s nh n đ c m t thông l ng đ c bi n đi u và nó phát ra tín hi u có t n s l v i t c đ quay. Có hai d ng encoder chính bao g m endcoder cho phép xác đ nh s t ng tín hi u (endcoder d ng t ng) và encoder cho phép xác đ nh giá tr chính xác c a tín hi u (endcoder chính xác). 5.6.1 Encoder d ng t ng Xác đ nh s t ng tín hi u d a vào m t chu i các sóng cao và th p cho phép xác đ nh s di chuy n t v trí này sang v trí khác, d ng này ch phát hi n đ c s thay đ it ađ . a. Tachometer encoder ây là lo i encoder d ng t ng đ n gi n nh t. Th ng dùng trong các h th ng ch quay m t h ng và đòi h i thông tin đ n gi n v v trí và v n t c. i v i lo i encoder này ng i dùng ch có th xác đ nh đ c v n t c quay nh ng không th xác đ nh đ c h ng quay, do đó không th s d ng nh c m bi n v trí. Hình 5-18 : a tachometer encoder Trang 75 Giáo trình C m bi n b. Phase-Quadrature encoder kh c ph c nh c đi m c a Tachometer enocder, ng kênh th hai l ch v i kênh th nh t 90° vào đ a encoder. đ i ta b sung thêm m t D a vào s l ch pha c a hai tín hi u đáp ng c a hai kênh ta có th xác đ nh c chi u quay c a v t quay. Hình 5-19 : a phase-quadrature encoder 5.6.2 Encoder chính xác Encoder chính xác cho phép ng i dùng xác đ nh m t cách chính xác giá tr các thông tin v v n t c, v trí, h ng quay… b ng cách s d ng đ a quay nhi u kênh có các ph n trong su t ho c ph n x đ c s p x p theo th t các lo i mã nh phân, Gray… Hình 5-20 : Các thành ph n chính c a encoder chính xác Hình 5-21 : Các d ng đ a encoder chính xác Trang 76 Giáo trình C m bi n 5.7 Cáp quang 5.7.1 C u t o và tính n ng Cáp quang bao g m m t lõi chi t su t n1, bán kính a (10 ÷ 100µm) và m t v chi t su t n2 < n1 dày ~ 50µm. a n2 n1 Hình 5-22 : M t c t c a cáp quang Các v t li u s d ng đ ch t o cáp quang bao g m: - SiO2 tinh khi t ho c pha t p nh . - Th y tinh, thành ph n c a SiO2 và ph gia Na2O3, B2O3, PbO… - Polyme. m t phân cách gi a 2 môi tr ng có chi t su t t ng ng b ng n1 và n2, các góc θ1, θ2 do m t tia sáng t o thành v i đ ng tr c giác c a m t ph ng: n1.sinθ1 = n2.sinθ2 ( 5.16 ) Khi n1 > n2 s x y ra ph n x toàn ph n n u: ⎛n ⎞ θ1 > arcsin⎜⎜ 1 ⎟⎟ = θ0 ⎝ n2 ⎠ ( 5.17 ) θ2 n2 n1 n1 > n2 θ0 θ1 Hình 5-23 : Hi n t ng khúc x , ph n x Trong cáp quang, tia sáng s b giam gi trong lõi và đ x liên t c n i ti p nhau. 5.7.2 c truy n đi b ng ph n ng d ng a. Truy n thông tin Truy n thông tin d i d ng tín hi u ánh sáng lan truy n trong cáp quang là đ tránh các tín hi u đi n t ký sinh ho c đ đ m b o cách đi n gi a m ch đi n ngu n và máy thu. Trong nh ng ng d ng lo i này, thông tin đ c truy n đi ch y u b ng cách Trang 77 Giáo trình C m bi n mã hóa các xung ánh sáng. Ngoài ra ng i ta còn có th truy n thông tin đi b ng cách bi n đi u biên đ ho c t n s c a ánh sáng. b. Quang sát và đo đ c b ng ph ng ti n quang h c Cáp quang cho phép quan sát ho c đo đ c b ng các ph ng pháp quang nh ng ch khó ti p c n ho c trong các môi tr ng đ c h i. S d ng cáp quang có th d n ánh sáng đ n nh ng v trí mà trong đi u ki n bình th ng ánh sáng không th chi u t i đ c. Ngu n sáng phát ra b c x d i d ng xung đ phân bi t nó v i ánh sáng môi tr ng. B c x này đ c d n đ n khu v c đo b ng cáp quang Fa. Các đ i l ng đo có th là v trí c a m t v t th (ph n x ho c h p th ánh sáng), t c đ quay, thành ph n hóa h c c a môi tr ng, nhi t đ … Trong khu v c đo, tia b c x b thay đ i và s thay đ i này ph thu c vào đ i l ng đo. Tùy t ng tr ng h p c th mà ta thu đ c nh ng thay đ i khác nhau c a tia b c x : - Thay đ i c ng đ trong tr ng h p đo v trí - Bi n đi u t n s t l v i t c đ quay - Thay đ i b c sóng trong tr ng h p đo nhi t đ : ánh sáng t i làm phát quang v t li u, ánh sáng do v t li u b c x ra có ph ph thu c vào nhi t đ . Các tia ph n x tr l i, tia b truy n tr l i ho c tia m i phát x đ c thu l i b ng cáp quang Fr và đ c đ a đ n m t c m bi n quang. C m bi n s cung c p tín hi u đi n ch a thông tin v đ i l ng c n đo. Trong nh ng ng d ng này, trong m t s tr ng h p tín hi u quang d i tác đ ng c a m t đ i l ng v t lý làm thay đ i tính ch t quang c a cáp quang và do đó thay đ i đi u ki n lan truy n sóng. Lúc này cáp quang đóng vai trò c m bi n đ chuy n đ i đ i l ng v t lý c n đo thành tín hi u quang. 5.8 M t s ng d ng c a c m bi n 5.8.1 Tachometer quang hi n th t c đ quay b ng LED Hình 5-24 : Tachometer quang a. c đi m - Có th l a ch n các d i t c đ làm vi c: 0 – 4000 rpm, 0 – 8000 rpm, 0 – 16000 rpm, 0 – 32000 rpm. - phân gi i: 250 rpm, 500 rpm, 1000 rpm, 2000 rpm. i n áp s d ng: 9V pin alkaline ho c 4 x AA 4,8V pin NiCd/NiMH C m bi n: phototransistor NPN Trang 78 Giáo trình C m bi n b. M ch đi n Các linh ki n chính: - Phototransistor PT501 - LM393 b so sánh đi n áp - LM555 dùng đ t o b dao đ ng t o t n s chu n 133,3 Hz - 74393 b đ m, chia t n 4 bit - 74373 b ch t 8 bit - 74154 b gi i mã 4 å 16 Ho t đ ng c a m ch đi n: i n áp t i c c thu PT501 ph thu c vào c ng đ ánh sáng chi u vào thay đ i t 0,7V (sáng) đ n 5V (t i). i n áp này đ c so sánh v i đi n áp t chi t áp R6 thông qua b so sánh đi n áp LM393. Tín hi u ngõ ra m ch so sánh đ c đ a vào b đ m 4 bit 74393, các ngõ ra b đ m này bi u di n s xung đ c nh n vào. Các ngõ ra c a b đ m 4 bit đ c đ a vào b n ngõ vào b ch t 8 bit 74373. B ch t này có ch c n ng “gi ” l i giá tr s đ m trong m t kho ng th i gian trì hoãn đ c t o ra b i b dao đ ng t LM555. Các ngõ ra c a b ch t đ c đ a vào b gi i mã 4 å 16 74154. Giá tr nh phân đ c gi i mã và hi n th thông qua 16 LED t ng ng ngõ ra b gi i mã. B dao đ ng t LM555 có t n s t i ngõ ra là 133,3Hz. Ngõ ra này đ c đ a vào b chia t n 4 bit. Các ngõ ra QA, QB, QC, QA có t n s l n l t là 66,67Hz, 33,33Hz, 16,67Hz và 8,333Hz. Công t c chuy n m ch S1 s ch n m t trong các ngõ ra này đ đ t th i gian trì hoãn cho b ch t. Hình 5-25 : M ch đi n tachometer quang Trang 79 Giáo trình C m bi n N u c n đo v n t c quay trong d i t 0 đ n 16000rpm, ta c n đ m t 0 đ n 32000 xung/phút (hai cánh qu t) t c là 533,3 xung/s. Do b đ m xung ch đ m t 0 đ n 15 nên ta không th đ m theo giây. Th c t ta đ m trong t ng 1/33,33 giây (30ms). Trong kho ng th i gian, đó v i m t ngõ vào 1600rpm, b đ m nh n đ c 16 xung có ngh a là s đ m s quay v không. Do đó, t i ngõ vào 15999rpm, nó ch nh n đ c 15 xung, ta c n “gi ” ngõ ra b đ m và sau đó reset trong m i 30ms. làm đ c đi u này ta c n có m t chu i xung 33,33Hz. T ng t , cho ba tr ng h p 0 – 4000rpm, 0 – 8000rpm và 0 – 32000rpm ta c n các chu i xung t ng ng 8,333Hz, 16,67Hz và 66,67Hz t b dao đ ng dùng LM555. 5.8.2 ng d ng c m bi n khí phát hi n khí metan C m bi n khí ho t đ ng nh m t bi n tr (đi n tr c a nó ph thu c vào n ng đ gas), khi gas đi qua b m t c m bi n đi n tr ch t bán d n gi m xu ng. Dòng kích SCR t ng lên, kích SCR d n. LED D1 sáng, đ ng th i IC555 đ c reset, phát ra âm thanh báo đ ng. Hình 5-26: Thi t b phát hi n khí metan 5.8.3 B đ c mã v ch Mã v ch là nh ng v ch đ m ho c m nh dùng đ mã hóa s hay ch cái. Có nhi u lo i mã v ch khác nhau, ph biên nh t là mã s n ph m thông d ng (Universal Product Code – UPC) và mã nh n d ng ký t b ng quang h c (Optical Character Recognition – OCR). Có hai lo i mã v ch th ng g p nh t là: - V ch đen là 1, v ch tr ng là 0. - Mã v ch n t m ph n t : v ch đen/tr ng r ng là 1, v ch đen/tr ng h p là 0. Máy quét mã v ch phát tia laser công su t th p. Tia sáng g p mã v ch ph n x l i m t c m bi n quang. C m bi n này chuy n tín hi u quang mang thông tin mã v ch thành tín hi u đi n. - Ngu n sáng chuy n đ ng nh g ng đa giác quay, mã c đ nh. Trang 80 Giáo trình C m bi n - Ngu n sáng c đ nh, mã chuy n đ ng. Bút quang: Tia laser đ c led phát ra h i t qua th u kính hình c u lên mã v ch. Tia ph n x đ c h i t qua th u kính v c m bi n. C m bi n cho tín hi u kho ng 1,1V khi g p ph n tr ng và 0V khi g p ph n đen. V n t c quét t i đa 1m/s. Mã v ch đ c gi i mã thành ký t ASCII. B gi i mã là vi đi u khi n chuyên dùng, mã ASCII đ c truy n đ n máy tính thông qua giao ti p RS232. B gi i mã đ c n i v i loa nh , phát âm thanh báo hi u khi quét xong. Tr ng i chính là không th đ c chính xác n u các v ch b b n ho c in nhòe. Hình 5-27: S đ b đ c mã v ch 5.8.4 o m c ch t l u ng d ng này s d ng các c m bi n này chuy n đ i m c ch t l ng thành tín hi u đi n. a. C m bi n đ d n Ch dùng cho các ch t l u d n đi n ( ≈ 50µScm-1), không n mòn kim lo i. C u t o g m hai đi n c c hình tr , n u bình ch a b ng kim lo i thì bình ch a là m t đi n c c. u đo đ c nuôi b ng đi n áp xoay chi u ≈ 10V đ tránh hi n t ng phân c c. Có hai ch đ đo: - o liên t c: u đo đ c đ t theo v trí th ng đ ng, chi u dài đ u đo b ng chi u cao c a m c ch t l ng c n đo. Dòng đi n gi a các đi n c c t l v i chi u dài đi n c c ng p trong ch t l u. l n tín hi u đi n ph thu c vào đ d n c a ch t l u. Trang 81 Giáo trình C m bi n Hình 5-28: S đ b trí đo liên t c - Phát hi n theo ng ng: i n c c đ c đ t theo ph ng n m ngang, v trí m i đi n c c t ng ng m t m c ch t l u. Khi ch t l ng đ t đ n m c đi n c c, xu t hi n dòng đi n có biên đ không đ i. Hình 5-29: S đ b trí đo theo ng ng b. C m bi n t đi n c s d ng khi ch t l ng là ch t cách đi n, h ng s đi n môi c a ch t l u ph i l n h n h ng s đi n môi không khí, th ng là g p đôi. Có th t o thành t đi n b ng hai đi n c c (thành bình ch a kim lo i và m t đi n c c). Ch t đi n môi g a hai đi n c c là ph n ng p ch t l ng và ph n không khí. M c ch t l u đ c chuy n thành đi n dung t đi n. i n dung này thay đ i theo m c ch t l u. N u ch t l u d n đi n, s d ng m t đi n c c có ph ch t cách đi n, l p cách đi n đóng vai trò là đi n môi, ch t l ng là đi n c c th hai. Trang 82 [...]... phát hi n s thay đ i giá tr c a ng đo nh nh t theo th i gian Trang 6 Giáo trình C m bi n c B ng thông T t c c m bi n đ u có gi i h n th i gian đáp ng đ i v i s bi n thiên c a đ i l ng đo M t s lo i c m bi n có th i gian đáp ng t t d n, t c là kho ng th i gian đáp ng gi m d n thay đ i theo đ i l ng đo 1.4 Gi i h n s d ng Trong quá trình s d ng, c m bi n luôn ch u tác đ ng c a ng l c c khí ho c nhi t... v i các nguyên t đã b ion hóa trong m t đ n v th i gian t l thu n v i n ng đ các nguyên t đã b ion hóa là r n02 , trong đó: r – h s tái h p Ph ng trình bi u di n s thay đ i c a m t đ đi n t t do có d ng: dn0 = a( N d − n0 ) − rn02 dt ( 2.10 ) Trang 16 Giáo trình C m bi n tr ng thái cân b ng: dn0 =0 dt ⇒ n0 = − a a 2 aN d + + 2r 4r 2 r ( 2.11 ) d n trong t i: σ 0 = qµn0 ( 2.12 ) trong đó: q – tr tuy... càng nh khi pha t p càng m nh - Khi nhi t đ l n h n 120°C, đi n tr su t gi m khi nhi t đ t ng Vì quá trình ion hóa do nhi t chi m u th làm n ng đ các h t d n đi n t ng lên l n h n nhi u so v i n ng đ pha t p H s nhi t c a đi n tr su t không ph thu c vào pha t p (tr ng h p bán d n riêng) Trang 29 Giáo trình C m bi n Hình 3-5: S ph thu c nhi t đ c a đi n tr silic Hình 3-6 : ng d ng nhi t đi n tr đ ch... s đ t t i nhi t đ T2 = Tc ch a bi t Nhi t đ Tc là hàm c a nhi t đ Tx và các quá trình trao đ i nhi t Kích th c c p nhi t nh nên có th đo nhi t đ t ng đi m và t ng t c đ đáp ng do nhi t dung nh Su t đi n đ ng do c p nhi t t o ra trong khi đo không c n có dòng đi n ch y qua do đó không có hi u ng đ t nóng Trang 30 Giáo trình C m bi n Tuy nhiên, c n ph i bi t tr là sai s Tc c nhi t đ chu n Tref, vì v... vi s d ng c Thông s mô hình thay th d D ng kích thích 3 Th nào là sai s h th ng và sai s ng u nhiên? Nêu m t s nguyên nhân d n đ n sai s c m bi n 4 nh y c a c m bi n đ c xác đ nh nh th nào? Trang 9 Giáo trình C m bi n Ch ng 2 CÁC HI U 2.1 Hi n t NG V T LÝ NG D NG TRONG C M BI N ng c m ng đi n t N m 1831, Faraday th c hi n thí nghi m ch ng minh r ng t tr ng có th sinh ra dòng đi n Khi cho t thông qua... đi n c m ng Ic Ic Ic Hình 2-2 : Thí nghi m Faraday - N u rút thanh nam châm ra, dòng đi n c m ng có chi u ng - Di chuy n thanh nam châm càng nhanh, c l n c l i ng đ dòng đi n c m ng Ic càng Trang 10 Giáo trình C m bi n - Gi thanh nam châm đ ng yên so v i ng dây, dòng đi n c m ng s b ng không - N u thay nam châm b ng m t ng dây có dòng đi n ch y qua, r i ti n hành các thí nghi m nh trên, ta c ng có nh... dòng đi n c m ng ph i có chi u nh trên hình 2-2 B ng l p lu n ta nh n th y n u d ch chuy n c c B c c a thanh nam châm ra xa ng dây, dòng đi n c m ng xu t hi n trong m ch s có chi u ng c l i Trang 11 Giáo trình C m bi n Nh v y, theo đ nh lu t Lenz, dòng đi n c m ng bao gi c ng có tác d ng ch ng l i s d ch chuy n c a thanh nam châm Do đó, đ d ch chuy n thanh nam châm, ta ph i t n công Chính công mà ta... t Volta: Phát bi u: Trong m t chu i cách nhi t đ nhau, t ng su t đi n đ ng Peltier b ng 0 A (T) M N c c u thành t nh ng v t d n khác (T) B PAT/ B Hình 2-4 : Hi u ng Peltier – nh lu t Volta Trang 12 Giáo trình C m bi n Thí d , trong m t chu i b n v t d n A B C D m c n i ti p, t ng su t đi n đ ng s b ng không PAT/ B + PBT/ C + PCT/ D + PDT / A = 0 Bi u th c có th đ c vi t l i: Vì: PAT/ D = − PDT / A... m t su t đi n đ ng là t ng h p tác đ ng c a hai hi u ng Peltier và Thomson Su t đi n đ ng đó g i là su t đi n đ ng Seebeck Hình 2-6 : Thomas Johann Seebeck (1770 – 1831) và Hi u ng Seebeck Trang 13 Giáo trình C m bi n Su t đi n đ ng các thành ph n là: T2 eab = ∫ hA dT ; T1 ecd = ∫ hB dT ; ebc = PAT/ B ; 2 T1 eda = PBT/ A 1 T2 Su t đi n đ ng Seebeck b ng t ng các su t đi n đ ng thành ph n: E T2T1 A/... phóng m t quang đi n t r t nh , nh h n 10-9s Khi b m t c a m t t m kim lo i đ c chi u b i b c x đi n t có t n s l n h n m t t n s ng ng (t n s ng ng này là giá tr đ c tr ng cho v t ch t làm nên Trang 14 Giáo trình C m bi n t m kim lo i này), các đi n t s h p th n ng l đi n (g i là dòng quang đi n) ng t các photon và sinh ra dòng Khi các đi n t b b t ra kh i b m t c a t m kim lo i, ta có hi u ng quang đi ... ng sai l ch trình ch t o c m bi n Tuy nhiên, t m th c nghi m có th xây d ng đ c đ ng th ng bi u di n s n tính c a c m bi n ng th ng g i đ ng th ng t t nh t, có bi u th c: Trang Giáo trình C m bi... b ion hóa r n02 , đó: r – h s tái h p Ph ng trình bi u di n s thay đ i c a m t đ n t t có d ng: dn0 = a( N d − n0 ) − rn02 dt ( 2.10 ) Trang 16 Giáo trình C m bi n tr ng thái cân b ng: dn0 =0... Vì trình ion hóa nhi t chi m u th làm n ng đ h t d n n t ng lên l n h n nhi u so v i n ng đ pha t p H s nhi t c a n tr su t không ph thu c vào pha t p (tr ng h p bán d n riêng) Trang 29 Giáo trình

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	4,1 MB

GIÁO TRÌNH cảm BIẾN, đại học cần THƠ

2T bào quang đ in chân khơng