đề cương ôn tập kỹ thuật cảm biến

Đường cong chuẩn. Khái niệm chung về các loại cảm biến: Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý cần đo có tính chất điện hoặc không thành các đại lượng đo

1 Khái niệm chung về các loại cảm biến Đường cong chuẩn.

 Khái niệm chung về các loại cảm biến:

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý cần đo (có tính chất điện hoặc không) thành các đại lượng đo (thường mang tính chất điện) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần đo

 Đường cong chuẩn:

Đường cong chuẩn là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đáp ứng

(s) ở đầu ra của CB vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào

Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s=F(m) hoặc bằng đồ thị

- Phương pháp chuẩn cảm biến:

 Là phép đo xác lập mối quan hệ giữa giá trị (s) đo được của đại

lượng đầu ra của CB và giá trị (m) của đại lượng cần đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, từ đó xây dựng đường cong chuẩn

dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số)

Áp dụng khi cảm biến chỉ chịu

tác động của một đại lượng đo

duy nhất

Đo các giá trị của đại lượng

đầu ra (si) ứng với một loạt các

giá trị xác định không đổi của đại

lượng đầu vào (mi)

 Chuẩn trực tiếp: giá trị của

đại lượng đo lấy từ các mẫu

chuẩn hoặc các phần tử so sánh

có giá trị biết trước với độ chính

xác cao

 Chuẩn gián tiếp: kết hợp CB

cần chuẩn với một CB so sánh đã

có sẵn đường cong chuẩn (trong

cùng điều kiện làm việc)

Áp dụng khi cảm biến có phần

tử trễ, kết quả đo theo hai chiều tăng giảm của đại lượng

đo khác nhau

Đo các giá trị (si) của đại lượng đầu ra ứng với một loạt các giá trị (mi)của đại lượng đầu vào theo 2 chiều tăng và giảm của đại lượng cần đo

2 Các nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực và thụ động:

 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực

Dựa trên các hiệu ứng vật lý:

 Hiệu ứng nhiệt điện

 Hiệu ứng hoả điện

 Hiệu ứng áp điện

 Hiệu ứng cảm ứng điện từ

 Hiệu ứng quang điện

 Hiệu ứng quang - điện - từ

 Hiệu ứng Hall

 Hiệu ứng nhiệt điện

Hai dây dẫn A và B có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở 2 mối hàn là t1 và t2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một sđđ e mà độ lớn của nó phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ giữa t1 và t2

 Hiệu ứng hỏa điện

Tinh thể hỏa điện có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ

thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hỏa điện

Hiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh

sang Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hỏa điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể Đo điện áp v ta có thể xác định thông lượng ánh sáng Φ

 Hiệu ứng áp điện

Vật liệu áp điện (ví dụ thạch anh) khi bị biến dạng dưới tác dụng của lực

cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện Đo v ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F

 Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

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

 Hiệu ứng quang điện:

- Hiệu ứng quang dẫn: là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do

trong vật liệu ( bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ điện từ (VD: bức xạ ánh sáng) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định

 tính chất dẫn điện của vật dẫn thay đổi

- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện tượng các điện tử được giải

phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường

 Hiệu ứng quang điện từ:

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

 Hiệu ứng Hall

Khi đặt một tấm mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dòng điện chạy qua, vào trong từ trường B có phương tạo với dòng điện I trong tấm một góc θ sẽ suất hiện một hiệu điện thế v theo hướng vuông góc với B và I Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động, vật cần xác định vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, vị trí thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B và góc θ ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian Vì vậy, hiệu điện thế v đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian

 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo

Khi đại lượng đo tác động đến kích thước hình học hoặc tính chất điện (, , …), hoặc đồng thời cả hai ), hoặc đồng thời cả hai  thay đổi trở kháng, đo trở

kháng  đại lượng đo

3 Các phương pháp đo nhiệt độ Các loại nhiệt kế: gốm - kim loại; kim loại- kim loại, cặp nhiệt điện, hỏa kế

 Các phương pháp đo nhiệt độ:

 Phương pháp đo tiếp xúc: khi đo, cảm biến tiếp xúc với môi trường

đo, phép đo dựa trên các hiện tượng:

+ Giãn nở của vật liệu.

+ Biến đổi trạng thái của vật liệu

+ Thay đổi điện trở của vật liệu

+ Hiệu ứng nhiệt điện

 CB tiếp xúc có các loại:

+ CB giãn nở (nhiệt kế giãn nở)

+ CB điện trở (nhiệt điện trở)

+ Cặp nhiệt ngẫu

 Phương pháp đo không tiếp xúc: khi đo cảm biến không tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa vào sự phụ thuộc của bức xạ nhiệt của môi trường đo vào nhiệt độ Các loại CB không tiếp xúc:

+ Hỏa kế bức xạ

+ Hỏa kế quang

 Các loại nhiệt kế:

 Gốm – kim loại

Gồm một thanh gốm (1) đặt trong ống kim loại (2), một đầu thanh gốm liên kết với ống kim loại, còn đầu A gắn với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại và của gốm là αk và αg Do αk > αg, khi nhiệt lượng tăng một lượng dt, thanh kim loại dãn thêm một lượng dlk, thanh gôm dãn thêm một lượng dlg với dlk > dlg, làm cho thanh gốm dịch sang phải Dịch

chuyển của thanh gốm phụ thuộc vào dlk – dlg do đó phụ thuộc nhiệt độ

 Nhiệt kế kim loại – kim loại:

Gồm 2 thanh kim loại (1) và (2) có hệ số dãn nở nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc Giả sử α1 > α2, khi dãn nở nhiệt 2 thanh kim loại cong về 2 phía Dựa vào độ cong của thanh kim loại để xác định nhiệt độ

Thường được dùng để đo nhiệt độ dưới 7000C hoặc làm rơle nhiệt

 Cặp nhiệt điện:

o Hiệu ứng nhiệt điện

 Hiện tượng: Xét một mạch kín gồm 2 dây dẫn (A) và (B) khác nhau về bản chất hóa học hàn nối với nhau bằng các mối hàn, khi nhiệt độ hai mối hàn là (t) và (t0) khác nhau thì trong mạch xuất hiện một sức điện động EAB phụ thuộc độ chênh nhiệt độ giữa hai mối hàn  Hiệu ứng nhiệt điện

 Giải thích:

- Ở đầu có nhiệt độ (t0) nồng độ điện tử

trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) Giả

sử NA(t0) > NB(t0)  trên tiếp giáp, (e)

khuếch tán từ A  B hình thành hiệu

điện thế eAB(t0)

- Ở đầu có nhiệt độ (t) tương tự có: eAB(t)

- Giữa hai đầu mỗi dây dẫn có chênh lệch nồng độ: (e)  khuếch tán

 hình thành eA(t,t0) và eB(t,t0)

- Trong mạch kín:

EAB = eAB(t) + eBA(t0) + eA(t0,t) + eB(t0,t)

EAB = eAB(t) – eAB(t0) - eA(t,t0) - eB(t,t0)

EAB ≈ eAB(t) - eAB(t0)

- Giữ t0 = const  EAB = eAB(t) + C = f(t)

Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba và giữ cho nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau

o Cấu tạo và vật liệu:

 Cấu tạo: Gồm Vỏ bảo vệ, mối hàn, dây cực, sứ cách điện, bộ phận lắp đặt, vít nối dây, dây nối, đầu nối dây

 Vật liệu

Yêu cầu:

- Sức điện động đủ lớn (để dễ 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

 Hỏa kế:

 Hỏa kế bức xạ toàn phần:

o Nguyên lý dựa trên định luật: năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật

E=σTT4

Với σT : hệ số bức xạ

T: nhiệt độ tuyệt đối

o Cấu tạo: thông thường có 2 loại: hỏa kế bức xạ có ống kính hội tụ, hỏa kính bức xạ có kính phản xạ

o Đặc điểm:

- Đo không tiếp xúc  giảm nhẹ điều kiện dao động

- Đo được nhiệt độ cao >1000oC, sai số ±27oC

- Loại hội tụ tổn thất năng lượng lớn (30 - 40%) nhưng ít chịu ảnh hưởng của bụi và ẩm

- Loại phản xạ tổn thất năng lượng bé (~ 10%) nhưng chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm

- Điều kiện đo:

- Vật đo phải có độ đen xấp xỉ bằng 1

- Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo D/L không nhỏ hơn 1/16 Khoảng cách đo tốt nhất là 1  0,2 m

- Nhiệt độ môi trường 20  2oC.

- Hiệu chỉnh kết quả đo khi độ đen  <1:

Tđo = Tđh +∆ T

 Hỏa kế quang:

- Nguyên lý đo: dựa trên định luật Plank

Iλ

T= C1

λ5( e

C2

RT−1 )

Trong đó IT - cường độ bức xạ đơn sắc ứng với bước sóng  ở nhiệt độ T(K)

R: hằng số khí lý tưởng

C1, C2 : Hằng số

Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học là đo cường độ ánh sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau

- Đặc điểm:

- Đo không tiếp xúc

- Đo nhiệt độ cao (> 1.000oC)

- Kết quả đo phụ thuộc vào khả năng nhận xét màu

- Ảnh hưởng của khoảng cách đo nhỏ

- Khi  <1  sai số, công thức hiệu chỉnh:

Tđo = Tđh +∆ T

4 Cảm biến quang: Tế bào quang điện chân không, dạng khí, photodiot, phototranzito, tế bào quang dẫn

 Tế bào quang điện chân không:

 Cấu tạo:

 Catot: có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs3Sb, K2CsSb,

Cs2Te, Rb2Te , CsTe …), hoặc đồng thời cả hai ) đặt trong vỏ hình trụ trong suốt (a) hoặc

vỏ kim loại có một đầu trong suốt (b), được hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8 mmHg)

 Anot: bằng kim loại.

 Nguyên lý hoạt động:

 Khi chiếu sáng catot (K) các điện tử phát xạ và dưới tác dụng của điện đường do Vak tạo ra tập trung về anot (A) tạo thành dòng anot (Ia)

 Đặc tính V - A có hai vùng:

- Vùng điện tích không gian

- Vùng bão hòa

 TBQĐ làm việc ở vùng bão hòa  tương đương nguồn dòng, cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc thông lượng ánh sáng Điện trở trong  của tế bào quang điện rất lớn:





















a

dV

dI 1

 Đặc điểm và ứng dụng:

 Độ nhạy lớn ít phụ thuộc Vak

 Tính ổn định cao

 Chuyển mạch hoặc đo tín hiệu quang

 Tế bào quang điện dạng khí:

 Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

 cấu tạo tương tự TBQĐ chân không, chỉ khác bên trong được điền đầy bằng khí (acgon) dưới áp suất cỡ 10-1 - 10-2 mmHg

 Khi Vak < 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống TBQĐ Khi điện

áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn  ion hoá các nguyên tử khí  Ia tăng 5 10 lần

 Đặc điểm và ứng dụng:

 Dòng Ia lớn

 S phụ thuộc mạnh vào Vak

 Chuyển mạch và đo tín hiệu quang

 Photodiot:

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

 Cấu tạo: Gồm 2 tiếp giáp P, N ghép tiếp xúc với nhau Tại mặt tiếp xúc hình thành một vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb

 Nguyên lý hoạt động:

- Khi không có điện thế ngoài đặt lên chuyển tiếp U = 0 thì I = 0 (gồm dòng khuếch tán hạt dẫn cơ bản và dòng hạt dẫn không

cơ bản)

- Khi đặt một điện áp lên điôt, với điện áp ngược đủ lớn Ud >>, chiều cao của hàng rào thế tăng lên và trên điôt chỉ còn dòng điện ngược Ir = I0 (dòng điện tối)

- Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng  xuất hiện các cặp điện tử - lỗ trống, dưới tác dụng của điện trường tạo chúng chuyển động rất nhanh và Ir

tăng nhanh

Khả năng hấp thụ bức xạ phụ thuộc nhiều vào bề rộng vùng nghèo  để tăng khả năng mở rộng vùng nghèo ta dùng điôt PIN (I là một lớp bán dẫn riêng), chỉ cần 1

điện áp ngược vài Vôn có thể mở rộng vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I

 Chế độ hoạt động:

Chế độ quang dẫn:

+ Độ tuyến tính cao

+ Thời gian hồi đáp ngắn

+ Dải thông lớn

Chế độ quang thế:

+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit

+ Ít nhiễu

+ Thời gian hồi đáp lớn

+ Dải thông nhỏ

+ Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit

 Độ nhạy:

 S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng 

 S phụ thuộc vào , với   s:





















hc

X exp

R 1 q I

) (

SSmax khi  =  p

 Khi To tăng p dịch sang phải

 S phụ thuộc , R, α

 ứng dụng:

 Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic, …), hoặc đồng thời cả hai

 Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến tính)

 Phototranzito

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

 Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp E - B và

B – C tương tự như một tranzito

 Phân cực: chỉ có điện áp đặt lên C, không có điện áp đặt lên B,

B – C phân cực ngược

 Nguyên lý làm việc:

Khi đặt điện áp E lên C, điện áp VBE  0,6  0,7 V, VBC  E

Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C  các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B – C  điện tử bị kéo về C, lỗ trống ở lại trong B tạo ra dòng điện tử từ EBC tạo ra dòng ngược:

Ir = I0 + Ip

 Phototranzito tương đương tổ hợp của một photodiot và tranzito

 Độ nhạy:

Độ nhạy: 0

c I )

(

S









Ic     1  Ir     1  I0     1  Ip

Ic  Ip   và   Ic   

 S    độ nhạy phụ thuộc thông lượng ánh sáng

Độ nhạy phụ thuộc 

S(p) = 1  100A/W

 ứng dụng:

- Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay không có bức

xạ, bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn ngưỡng) điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo

- Sử dụng ở chế độ tuyến tính:

Đo ánh sáng không đổi (giống luxmet)

Thu nhận tín hiệu thay đổi (Điều kiện biên độ dao động nhỏ):

Độ tuyến tính kém hơn photodiot

 Quang trở:

 Cấu tạo: thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn: đa tinh thể đồng nhất, đơn tinh thể, bán dẫn riêng, bán dẫn pha tạp

 Đặc trưng chủ yếu:

 Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 104  - 109  ở 25oC đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi độ rọi sáng tăng

 Độ nhạy:

1











a

V

I S

Nhận xét:

+ TBQD là CB không tuyến tính, độ nhạy giảm khi  tăng (trừ 

= 1)

+ Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào TBQD Khi điện áp lớn, nhiệt độ tăng (hiệu ứng Joule) thì độ nhạy giảm

+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

 Đăc điểm:

+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao

+ Độ nhạy cao

+ Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng 

+ Thời gian hồi đáp lớn

+ Các đặc trưng không ổn định do già hoá

+ Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ, một số loại đòi hỏi làm nguội

 ứng dụng:

Thông thường, TBQD không dùng để xác định chính xác thông lượng mà dùng để phân biệt mức sáng khác nhau: trạng thái sáng – tối, xung ánh sáng

TBQD được dùng trong 2 trường hợp sau:

 Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang

dẫn, điện trở giảm, cho dòng điện chạy qua đủ lớn  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 (thiết kế mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa)

5 Nguyên lý đo lực, cảm biến áp điện:

 Nguyên lý đo lực:

- Làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng hợp và momen tổng của chúng bằng không

- Lực cần đo F  tác động lên vật trung gian  gây ra biến dạng

và lực đối kháng

- Đo trực tiếp biến dạng  Lực

- Đo gián tiếp qua sự thay đổi tính chất của vật liệu chế tạo vật trung gian khi bị biến dạng

 Cảm biến áp điện:

 Cấu tạo: Cảm biến có dạng tấm mỏng chế tạo từ vật liệu áp điện (thạch anh, gốm PZT…), hoặc đồng thời cả hai ) hai mặt có phủ kim loại  tương tự một tụ điện