Đề cương ôn tập có lời giải môn Cảm biến

Câu 1: Cấu tạo, Nguyên lý, Phạm vi SDvà ưu nhược điểm của tế bào quang dẫn. Cấu tạo - Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang có độ nhạy cao. - Được chế tạo từ các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, nhưng không có lớp tiếp giáp p-n. - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe. PbS, PbSe, PbTe. - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In.SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe. Nguyên lý hoạt động - Hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện nội (hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu). Phạm vi ứng dụng : Trong thực tế, tế bào quang dẫn được dùng trong hai trường hợp: - Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm đáng kể, cho dòng điện chạy qua đủ lớn, được sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle - Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện. Các xung ánh sáng ngắt quảng được thể hiện qua xung điện, trên cơ sở đó có thể lập các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa. Ưu điểm - Độ nhạy cao - Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng. - Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao Nhược điểm - Thời gian đáp ứng tương đối lớn. - Các thông số không ổn định (do già hóa) - Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ. - Một số loại đòi hỏi phải làm nguội

Câu 1 : Cấu tạo, Nguyên lý, Phạm vi SD và ưu nhược điểm của tế bào quang dẫn.

Cấu tạo

- Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang có độ nhạy cao

- Được chế tạo từ các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, nhưng không có lớp tiếp giáp p-n

- Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe PbS, PbSe, PbTe

- Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In.SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe

Nguyên lý hoạt động

- Hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện nội

(hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu).

Phạm vi ứng dụng : Trong thực tế, tế bào quang dẫn được dùng trong hai trườnghợp:

- Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trởcủa nó giảm đáng kể, cho dòng điện chạy qua đủ lớn, được sử dụng trực tiếphoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle

- Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quangthành xung điện Các xung ánh sáng ngắt quảng được thể hiện qua xungđiện, trên cơ sở đó có thể lập các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa

Ưu điểm

- Độ nhạy cao

- Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng

- Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao

Nhược điểm

- Thời gian đáp ứng tương đối lớn

- Các thông số không ổn định (do già hóa)

- Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ

- Một số loại đòi hỏi phải làm nguội

Câu 2: Nêu cấu tạo, nguyên lý HĐ, Phạm vi SD và ưu nhược điểm của

Phototranzito

Cấu tạo

-Phototranzito là các tranzito mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng, đéo có điện

áp đặt lên bazơ, chỉ có điện áp đặt trên Collector, và chuyển tiếp B-C phân cực ngược

-Điện áp đặt vào tập trung chủ yếu ở BC, điện áp ở chuyển tiếp BE nhỏ 0.6 - 0.7 V-Khi chuyển tiếp BC được chiếu sáng, nó hoạt động như photodiode ở chế độ quang dẫn

nguyên lý hoạt động

- Có thể coi phototranzito như tổ hợp của photodiode và tranzito Photodiode đóng vai trò cung cấp dòng quang điện tại bazơ (khi bazơ được chiếu sáng) Còn tranzitor cho hiệu ứng khuếch đại β

-Khi bị chiếu sáng thì các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ sẽ phân chia dưới tác dụng của điện trường tại chuyển tiếp bazơ

Phạm vi sử dụng

Phototranzito có thể dùng làm bộ chuyển mạch, hoặc làm phần tử tuyến tính

+Ở chế độ chuyển mạch nó có ưu điểm so với photodiot là cho phép sử dụng mộtcách trực tiếp dòng chạy qua tương đối lớn Ngược lại, ở chế độ tuyến tính, mặc dùcho độ khuếch đại nhưng người ta thích dùng photođiot vì nó có độ tuyến tính tốthơn

+Có hai cách sử dụng trong chế độ tuyến tính.

- Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống như một luxmet)

- Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi

Câu 3: Nêu cấu tạo, nguyên lý HĐ, Phạm vi sử dụng và ưu nhược điểm của nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn

Cấu tạo :

Chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như : MgO, Mn2O3, Fe3O4, NiO, Co2O3, ZnTiO4 ,MgAl2O4.

-Hỗn hợp bột oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó được nén định dạng vàthiêu kết ở nhiệt độ ~1000oC

-Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt và được phủ bằng một lớpkim loại

-Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thuỷ tinh

Đặc điểm và ứng dụng:

-Có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độrất nhỏ cỡ 10-4 -10-3K

-Kích thước cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm

-Thời gian hồi đáp nhỏ (Nhiệt dung cảm biến nhỏ)

-Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từvài độ đến khoảng 300oC

Nguyên lý hoạt động :

nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến nồng độ điện tích tự do (notron,proton)

Sự thay đổi nhiê êt đô ê làm đứt mối liên kết giữa các nguyên tử và dẫn đến hình thành các că êp điê ên tử – lỗ trống

Ưu điểm:

-Độ nhạy nhiệt cao

-Điện trở thay đổi từ 50 -100 và có thể tới 500Ω tùy thuộc vào nhiệt độ đo.

Nhược điểm :

-đặc tính nhiệt, có độ phi tuyến cao, khó khắc độ

Câu 4 : Trình bày mối tương quan giữa nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo ?

Giả sử, khi đo ta nhận đc nhiệt độ là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến nhưng môi trường đo có nhiệt độ thực = Như vậy ,nhiệt độ đo đc là ,nhiệt độ cần đo gọi là Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môitrường đô và cảm biến Tuy nhiên trong thực tế , nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường do nhiêu nguyên nhân , nên đã tồn tại 1 chêch lệch nhiệt độ nhất định Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số , nếu hiệu sốnày càng bé thì độ chính xác của phép đo càng cao

Biện pháp nhằm đạt đc hiệu sổ nhỏ nhất :

- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trg bên ngoài

- Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo

Câu 5 : Nêu cấu tạo ,nguyên lý, phạm vi SD và ứng dụng của cặp nhiệt ngẫu ?

Cấu tạo

Chế tạo từ nhiều kim loại và hợp kim khác nhau, nhưng phải đảm bảo các yêu cầu:

- Đủ độ bền cơ học ở nhiệt độ làm việc

Cấu tạo gồm Vỏ bảo vệ, mối hàn, dây điện cực, sứ cách điện, bộ phận lắp đặt, vít

nối dây, dây nối, đầu nối dây

Nguyên lý hoạt động :

Cảm biến nhiệt ngẫu hoạt động dựa trên hiệu ứng Peltier, Thomson và Seebak

- Hiệu ứng Peltier : 2 dây dẫn A và B khác nhau , tiếp xúc với nhau và có cùng 1 nhiệt độ sẽ tạo nên 1 hiệu điện thế tiếp xúc Hiệu điện thế phụ thuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ

- Hiệu ứng Thomson : Trong 1 vật dẫn đồng nhất A , nếu ở 2 điểm M và N

có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra 1 sức điện động Sức điện động này phụthuộc vào bản chất vật dẫn và nhiệt độ tại 2 điểm

- Hiệu ứng Seebak : Nếu có 1 mạch kín tạo thành từ 2 vật dẫn A, B và 2 đầu chuyển tiếp có nhiệt độ khác nhau là T1 và T2 Chúng tạo thành 1 cặp nhiệt điện có sức điện động là kết quả của 2 hiệu ứng Pelter và

Thomson và gọi là sức điện động Thomson

Ưu điểm

- Sức điện động đủ lớn (để dể dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp)

- Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc

- Dễ kéo sợi

- Có khả năng thay lẫn

- Giá thành rẻ

Câu 6 : Nêu cấu tạo , nguyên lý, phạm vi sử dụng và ưu nhược điểm của cảm biến đo vị trí và dịch chuyển kiểu biến trở?

Cấu tạo :

- Theo các dạng hình học , cảm biến kiểu biến trở chia ra làm 2 loại : cảm biến kiểu biển trở dịch chuyển thẳng và cảm biến kiểu biển trở dịch chuyển tròn

- Cảm biến gồm 1 điện trở cố định , trên đó có một con chạy có thể di chuyển Con chạy này được gắn cơ học với đối tượng chuyển động cần nghiên cứu (được cách điện hoàn toàn với nhau)

- Cấu tạo của điện trở gồm có lõi làm bằng vật liệu cách điện như gốm ,sứ hoặc đồng ,nhôm được phủ lớp cách điện tùy theo hình dạng của biến trở

- Các biến trở thường đc chế tạo với các giá trị trong khoảng 1 kΩ đến 100k Ω, đôi khi có thể đạt tới MΩ

Nguyên lý hoạt động :

- Làm việc dựa theo phương pháp cảm biến cung cấp tín hiệu ra là hàm phụ thuộc vào vị trí của 1 trong các phần tử của cảm biến mà phần tử nàyliên quan đến đối tượng cần xác định dịch chuyển Sự thay đổi của tín hiệu sẽ cho biết độ dịch chuyển của đối tượng

(Nói cách khác: một phần tử của cảm biến được gắn trên đối tượng cần

đo Vị trí của phần tử này được xác định dựa trên sự thay đổi của tín hiệu thu được Qua đó xác định được độ dịch chuyển của đối tượng)

Ưu điểm

- nguyên lý đo đơn giản

- không đòi hỏi mạch điện phúc tạp để xử lý tín hiệu

Nhược điểm

- Sự cọ sát với đối tượng và của con chạy với điện trở gây ra mài mòn , tiếng ồn, số lần sử dụng hạn chế

- chịu ảnh hưởng của môi trường (bụi,bẩn)

- độ rộng thang đo hạn chế

Câu 7: So sánh Encoder tương đối và encoder tuyệt đối ?

Encoder tương đối

Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :

- Đĩa mã hóa gồm 1 hoặc nhiều dải băng tạo xung , trên dải băng này đc chia ra làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau(lỗ có thể thay bằng vật liệu trong suốt cho ánh sáng truyền qua ) Khi đĩa mã hóa quay , cứ qua

1 lỗ ,cảm biến nhận đc tín hiệu từ đèn LED chiếu qua thì Encoder sẽ tănglên 1 giá trị trong biến đếm

- Thông thường với encoder tương đối có 3 xung A, B và Z Khi đĩa mã hóa quay , lỗ trống sẽ lần lượt đi qua các trục tia sáng của xung A và B khi trục tia sáng của xung nào xuyên qua lỗ trống thì ở cảm biến sẽ cho ratín hiệu mức 1 , ngược lại thì cảm biến sẽ cho ra tín hiệu ở mức 0 Số xung phát ra ở của ra của mỗi cảm biến là số lỗ trống trên đĩa mã hóa Khi đĩa mã hóa quay đc 1 vòng thì xung Z sẽ phát ra 1 xung Dựa vào 2 xung này có thể biết đc chiều quay của động cơ

Ưu điểm :

- tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số

- có độ phân giải cao

Nhược điểm :

- Không thích hợp sự dụng trong mỗi trường có dao động lớn

- Không cho phép biết đc vị trí tuyệt đối của vật

Encoder tuyệt đối

Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :

- Cấu tạo của encoder tuyệt đối tương tự như cấu tạo chung của encoder , tuy nhiên khác biệt với encoder tương đối ở phần tử đĩa mã hóa

- Đĩa mã hóa đc chế tạo từ vật liệu trong suốt , mặt đĩa chia thành các góc đều nhau và các đường tròn đồng tâm ,trên các đường tròn đồng tâm này chia thành các phần trong suốt ánh sáng có thể xuyên qua và các phần tử

mà ánh sáng không thể xuyên qua đc (đc phủ 1 lớp chắn sáng )

- Khi đĩa mã hóa quay , ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa :+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích trong suốt ánh sáng xuyên qua đĩa đến cảm biến quang ,lúc này cảm biến , lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiêu 1 trong mã nhị phân

+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng , ánh sáng không đến đc cảm biến quang , lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiệu 0 trong mã nhị phân

Ưu điểm :

- Tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số

- Xác định chính xác vị trí tuyệt đối của vật

- Thuận lợi cho quá trình tính toán và giao tiếp của các chip xử lý

Nhược điểm :

- Chế tạo phức tạp dẫn tới giá thành cao hơn encoder tương đối

Câu 8 : So sánh gia tốc kế áp điện và gia tốc kế áp trở ?

Gia tốc kế áp điện

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

-Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện gồm một khối lượng rung M và một phần tử

áp điện đặt trên giá đỡ cứng, và toàn bộ được đặt trong một vỏ hộp kín

-Đo gia tốc theo hai hướng dọc theo trục nhạy cảm

-Tuỳ thuộc vào bản chất lực tác dụng (nén, kéo hoặc cắt) trong bộ cảm biến phải có

bộ phận cơ khí tạo ứng lực cơ học đặt trước lên phần tử áp điện để mở rộng dải đogia tốc theo hai chiều

-Có 2 loại cảm biến áp điện: kiểu nén và kiểu uốn cong :

Kiểu nén:

1, có tần số cộng hưởng cao

2, kết cấu chắc chắn

3, nhạy với ứng lực của đế

Kiểu uốn cong:

cho độ nhạy rất cao nhưng tần số và gia tốc rung đo được bị hạn chế

(độ nhạy cao nhưng giới hạn thang đo hạn chế)

Gia tốc kế áp trơ

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo chung của một gia tốc kế áp trở gồm một tấm mỏng đàn hồi một đầu gắnvới giá đỡ, một đầu gắn với khối lượng rung, trên đó có gắn từ 2 đến 4 áp trở mắctrong một mạch cầu Wheatstone

Dưới tác dụng của gia tốc, tấm đàn hồi bị uốn cong, gây nên biến dạng trong đầu

đo một cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua bộ khuếch đại cơ

Câu 9 : Trình bày về áp suất và nguyên lý đo áp suất ?

Áp suất và đơn vị đo

-Áp suất là đại lượng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặtvới diện tích của nó:

-Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất lưu), áp suất là một thông

số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng

-Trong công nghiệp, việc đo áp suất chất lưu có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo

an toàn cho thiết bị cũng như giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động củamáy móc thiết bị có sử dụng chất lưu

-Trong thực tế, nhu cầu đo áp suất rất đa dạng đòi hỏi các cảm biến đo áp suất phảiđáp ứng 1 cách tốt nhất cho từng trường hợp cụ thể.

-Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất là pascal (Pa): 1 Pa là áp suất tạo bởimột lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m2 theo hướngpháp tuyến

Ngoài ra còn các đơn vị: bar, mmHg, atm, …

Nguyên lý đo áp suất

Chất lưu không chuyển động

-Đối với chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh Pt

-Đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình-Đối với chất lưu không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh tại một điểm cách bề mặt tự do một khoảng là (h) xác định theo công thức:

P =P0 + ρghTrong đó: P0 là áp suất khí quyển

Để đo áp suất tĩnh có thể tiên hành theo các phương pháp sau:

- Đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp: Trong trường hợp này, áp suất cần đo bằng với áp suất

thủy tĩnh do cột chất lỏng mẫu tạo nên hoặc áp suất tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực

- Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên: người ta gắn

trên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình

-Áp suất động do chất lưu chuyển động gây nên, tỉ lệ với bình phương vận tốc chấtlưu:

Câu 10 : Trình bày phương pháp đo áp suất dựa trên bộ biến đổi điện dung ?

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :

Cấu tạo cảm biến ấp suất kiểu điện dung : là 1 tụ điện phẳng hoặc trụ có 1 bản cực

di chuyển (bản cực động ) nhận áp suất đo và 1 bản cực gắn cố định (bản cực tĩnh )

đc cách điện với vỏ bằng đế thạch anh

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên bộ dịch chuyển của bản cực động làm thay đổi khoảng cách giữa bản cực tĩnh và bản cực động từ đó gây nên biến thiên giá trị điện dung

1) Bản cực động 2) Bản cực tĩnh 3) đế Cách diện

Đo được áp suất lên đến 120 MPa

Câu 11 : Trình bày cấu tạo , nguyên tắc hoạt động của lưu lượng kế điện tử ? Cấu tạo:

- Đường ống đường kính D

- 2 điện cực của cảm biến

- Nam châm

- Vôn kế

Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ (Định luật Faraday)

Một dây dẫn điện phát sinh một điện thế khi nó di chuyển trong từ trường

Khi các ion mang điện tích dịch chuyển cùng chất lưu trong đường ống đường kính

D với vận tốc v có hướng thẳng góc từ trường B Các ion này trở thành dây dẫn nối

2 điện cực của cảm biến Kết quả xuất hiện điện áp trên 2 cực:

e = BDv

Câu 12 : Trình bày khái niệm và phương pháp chuẩn cảm biến ?

Khái niệm : Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa

giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong

chuẩn

- Chuẩn đơn giản :

Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với cácgiá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách:

+ Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩnhoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao

+Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵnđường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc Khi tác động lênhai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứngcủa cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn Lặp lại tương tự với các giá trị kháccủa đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cầnchuẩn

- Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụthuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụthuộc vào giá trị trước đó của của đại lượng này Trong trường hợp như vậy, người

ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:

+ Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trịtương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0

+ Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng

đo ở đầu vào

+ Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại

+ Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đotăng dần và đo giảm dần

Câu 13 : Trình bày các đặc trưng cơ bản cảu cảm biến : độ phân giải , độ tuyển tính , giới hạn-phạm vi đo ?