Nghiên cứu nguyên lý và ứng dụng của một số loại cảm biến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440130.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM QUỐC TRIỆU Hà Nội - Năm 2018 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I NGUYÊN LÝ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN 1.1 Cảm biến nhiệt độ [7,8,9] 1.1.1 Cảm biến nhiệt độ dựa hiệu ứng nhiệt điện 1.1.2 Cảm biến nhiệt độ dựa hiệu ứng tiếp xúc bán dẫn [7, 1.2 Cảm biến từ trƣờng [4,9,10,15 ] 1.2.1 Cảm biến từ trường dựa hiệu ứng Hall [4] 1.2.2 Cảm biến từ trường dựa hiệu ứng fluxgate [11,15,1 1.3 Cảm biến dịch chuyển nhỏ [1] 1.4 Cảm biến quang [9,10,12] CHƢƠNG GHÉP NỐI CẢM BIẾN VÀO HỆ ĐO 2.1 Tỷ số SNR cảm biến [7,9] 2.1.1 Phân loại tạp (nhiễu-external noise): 2.1.2 Tạp nội (internal noise) 2.1.3 Vai trò quan trọng tạp nhiễu cảm biến [9] 2.2 Một số cách ghép thƣờng dùng 2.2.1 Sử dụng mạch cầu [2] 2.2.2 Sử dụng mạch vi sai 2.3 Khuếch đại tín hiệu đo 2.3.1 Khối kết nối [12,13] 2.3.2 Mạch khuếch đại rời rạc [12,17] 2.3.3 Khuếch đại thuật toán (KĐTT) CHƢƠNG III: THỰC NGHIỆM 3.1 3.1.2 3.2 3.2.1 Khảo sát cảm biến nhiệt độ dùng chuyển tiếp bán dẫn Khảo sát nguội nước theo thời gian Khảo sát cảm biến quang trở Khảo sát đặc tuyến V-A LED (Số liệu đo phụ 3.3 Khảo sát cảm biến từ trƣờng Hall 55 3.3.1 Đặc trưng nam châm điện 55 3.3.2 Khả đo công suất tiêu thụ điện dùng cảm biến Hall 58 3.3.3 Khả ứng dụng cảm biến Hall đo công suất [5] 60 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Vật liệu A B gắn với hai đầu, nhiệt độ T1 T2 Hình 1.2 Đặc trƣng số cặp nhiệt Hình 1.3 Đặc trƣng V-A điốt bán dẫn Hình 1.4 Sơ đồ đo Eg dùng điốt phân cực ngƣợc Hình 1.5 Hiệu ứng Hall 10 Hình 1.6 Máy đo từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall 11 Hình 1.7 Cấu tạo sensor Fluxgate hai lõi 13 Hình 1.8 Ngun lý cảm biến từ thơng bão hịa 14 Hình 1.9 Sơ đồ khối thiết bị phát trừ trƣờng nhỏ 14 Hình 1.10 Tín hiệu lối cảm biến fluxgate từ trƣờng H tăng dần 15 Hình 1.11 Cấu tạo biến vi sai 16 Hình 1.12 Nguyên lý cảm biến vi sai lõi Ferite 16 Hình 1.13 Thiết bị đo dịch chuyển nhỏ theo phƣơng ngang 17 Hình 1.14 Đặc trƣng E = E(x) thiết bị 18 Hình 1.15 Hiệu ứng quang 19 Hình 1.16 Đặc trƣng V-A tiếp xúc PN 19 Hình 1.17 Chuyển đổi xung quang thành xung điện 21 Hình 2.1 Sơ đồ hai khối KĐ công suất tạp âm 27 Hình 2.2 Sơ đồ mạch cầu điện trở 29 Hình 2.3 Cảm biến mức chất lỏng dùng cầu điện trở 29 Hình 2.4 Cầu Sauty (a) tụ điện trụ (b) 31 Hình 2.5 Mạch cầu Boonton 72B 31 Hình 2.6 Thu tín hiệu cảm biến mạch cầu 32 Hình 2.7 Mạch kết nối tín hiệu cảm biến với khối đầu vào hệ đo .33 Hình 2.8 Sơ đồ tƣơng đƣơng cảm biến với mạch kết nối 33 Hình 2.9 Tín hiệu nhiễu tác động vào mạch kết nối 34 Hình 2.10 Mạch khuếch đại sử dụng Tranzito lƣỡng cực (a) Tranzito trƣờng MOS (b) 34 Hình 2.11 Nguyên lý mạch khuếch đại vi sai dùng Tranzito 35 Hình 2.12 Cảm biến Hall mạch khuếch đại vi sai dùng Tranzito 36 Hình 2.13 Mạch sở KĐTT 36 Hình 2.14 Khuếch đại lặp lại 37 Hình 2.15 Khuếch đại Dịng-Thế (a) Thế- Dòng (b) 37 Hình 2.16 Mạch vi sai dùng ba KĐTT 38 Hình 2.17 Khuếch đại tín hiệu điện tich (a) khuếch đại dịng (b) 38 Hình 2.18 Khuếch đại dòng (a) Khuếch đại vi sai dùng KĐTT (b) .38 Hình 2.19 Khuếch đại loga (a) đối loga (b) 39 Hình 2.20 Ni cảm biến nguồn dịng 39 Hình 2.21 Nuôi cảm biến nguồn ổn định 40 Hình 3.1 Đặc tuyến V-A thuận điốt 273K 41 Hình 3.2 Đặc tuyến V-A điốt nhiệt độ khác 42 Hình 3.3 Sự phụ thuộc U điốt theo nhiệt độ 43 Hình 3.4 Sơ đồ mạch khảo sát thay đổi U theo thời gian 44 Hình 3.5 Đồ thị khảo sát thay đổi U theo thời gian 45 Hình 3.6 Đặc tuyến V-A LED 46 Hình 3.7 Sơ đồ mạch khảo sát phản ứng quang trở CdS 47 Hình 3.8 Ảnh từ dao động ký LED đỏ 47 Hình 3.9 Ảnh từ dao động ký LED cam 48 Hình 3.10 Ảnh từ dao động ký LED vàng 48 Hình 3.11 Ảnh từ dao động ký LED trắng 49 Hình 3.12 Ảnh từ dao động ký LED xanh 49 Hình 3.13 Ảnh từ dao động ký LED xanh dƣơng 50 Hình 3.14 Đồ thị phản ứng quang trở QT1 theo tần số 51 Hình 3.15 Đồ thị phản ứng quang trở QT1 dải tần số hẹp 52 Hình 3.16 Đồ thị phản ứng quang trở QT2 dải tần số rộng 52 Hình 3.17 Đồ thị phản ứng quang trở QT2 dải tần số hẹp 53 Hình 3.18 Sơ đồ mạch truyền tín hiệu cách ly 54 Hình 3.19 Sơ đồ mạch đo đặc trƣng từ trƣờng nam châm điện 55 Hình 3.20 Đặc trƣng I - U 56 Hình 3.21 Đặc trƣng B - U 57 Hình 3.22 Đặc trƣng B - I nam châm điện 57 Hình 3.23 Đặc trƣng P - B 58 Hình 3.24 Sơ đồ mạch khảo sát khả đo cơng suất dùng cảm biến Hall 58 Hình 3.25 Đồ thị khảo sát khả đo công suất dùng cảm biến Hall .59 Hình 3.26 Mạch đo công suất tối giản 60 Hình 3.27 Mạch đo cơng suất tải có bù tần số pha 61 Hình 3.28 Mạch đo cơng suất cao tần 61 MỞ ĐẦU Cảm biến phần tử quan trọng đo lường, dị tín hiệu mạch điều khiển Có nhiều loại cảm biến ứng dụng thực tế, tùy theo yêu cầu phép đo Nguyên lý hoạt động cảm biến dựa hiệu ứng vật lý nhà lý thuyết thực nghiệm đưa Một thông tin quan trọng cảm biến đặc trưng chuyển đổi tín hiệu Bên cạnh đó, thơng tin độ nhạy, dải đo, độ phân giải, sai số, độ trễ v.v cần khảo cứu kỹ lưỡng trước áp dụng vào phép đo lường cụ thể Trong luận văn này, chúng tơi tìm hiểu lý thuyết khảo sát thực nghiệm khả ứng dụng số cảm biến: cảm biến nhiệt độ sở chuyển tiếp bán dẫn PN, cảm biến ánh sáng sở quang trở CdS, cảm biến từ trường Hall sở vật liệu bán dẫn Ge loại P Luận văn trình bầy chương: Chƣơng 1: Nguyên lý số loại cảm biến Nội dung: Khái lược số vấn đề liên quan đến hiệu ứng chuyển đổi ba cảm biến nói ứng dụng chúng Chƣơng 2: Ghép nối cảm biến vào hệ đo Nội dung: Trình bầy phương pháp thu tín hiệu từ cảm biến giảm thiểu tạp nhiễu thông qua chọn lựa khối ghép nối mạch khuếch đại Chƣơng 3: Thực nghiệm Nội dung: Kết khảo sát thực nghiệm đặc trưng chuyển đổi cảm biến khả ứng dụng chúng thực tiễn Do thời lượng nghiên cứu hạn chế, kết khảo sát thu luận văn chắn không tránh khỏi khiếm khuyết Tác giả mong nhận quan tâm bảo thầy cô CHƢƠNG I: NGUYÊN LÝ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN 1.1 Cảm biến nhiệt độ [7,8,9] Trong thực tế, có nhiều loại cảm biến nhiệt độ dựa nguyên lý khác Ví dụ cảm biến dựa hiệu ứng dãn nở học, hiệu ứng nhiệt điện trở, hiệu ứng nhiệt áp suất, hiệu ứng nhiệt quang v.v Trong khn khổ luận văn có hạn, đề cập đến số loại cảm biến nhiệt độ, thường sử dụng đo lường thực nghiệm vật lý 1.1.1 Cảm biến nhiệt độ dựa hiệu ứng nhiệt điện Tại mối nối hai vật dẫn bán dẫn khác loại xuất hiệu điện tiếp xúc Nguyên nhân gây hiệu điện tượng khuếch tán hạt tải điện có mật độ khác Nếu có hai mối nối nhiệt độ, hiệu điện tiếp xúc tổng cộng không ngược dấu Trên hình 1.1 mơ tả hai vật liệu A B khác loại, ghép với hai mối nối Hiệu điện ∆V xuất hai đầu nối giữ nhiệt độ khác nhau, tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ ∆T = T2 – T1 theo phương trình: ∆V = (SA − SB) ∆T với SA SB hệ số Seebeck vật liệu A vật liệu B Hiện tượng quan sát kim loại vào năm 1821 Thomas Johann Seebeck mang tên ông Hình 1.1 Vật liệu A B gắn với hai đầu, nhiệt độ T1 T2 Có thể sử dụng cơng thức tương đương: ∆V = Đây hiệu ứng vật lý sử dụng dụng cụ nhiệt, cặp nhiệt hay dụng cụ mẫu cho đo lường nhiệt độ Năm 1834 Jean Charly Athanase Peltier tìm tượng ngược lại: cho dịng điện chạy qua cấu trúc hình 1.1, hai mối nối kim loại khác nhau, xuất hiện tượng thu tỏa nhiệt Nhiệt lượng Q đơn vị thời gian, hấp thụ mối nối có nhiệt độ thấp bằng: Q = (PA − PB )I (1.3) với PA , PB hệ số Peltier vật liệu, I dòng điện Năm 1854 William Thomson (Lord Kelvin) tìm tượng: vật liệu dẫn điện tồn gradient nhiệt độ dT (do chênh lệch ∆T hai đầu thanh), theo chiều dài xuất dòng điện Một suất điện động E sinh gradient nhiệt độ để tạo dòng điện: T2 E = ∫τ dT = τ ∆T T với τ hệ số Thomson vật liệu Hiệu ứng Seebeck hình 1.1 hàm chứa hai hiệu ứng: Peltier Thomson + Những kim loại hợp kim khác sử dụng chế tạo cặp nhiệt điện cho độ nhậy dải làm việc khác Chromel (khoảng 90% Ni 10% Cr) Contantan (khoảng 40% Ni 60% Cu) hai hợp kim thường sử dụng + Vật liệu nhiệt điện chế tạo từ chất bán dẫn đặc thù với hệ số Peltier lớn sử dụng để chế tạo vi mạch sensor nhiệt độ Nó sử dụng làm bơm nhiệt số sản phẩm điốt laser, CCD cameras, vi xử lý, phân tích máu… Khả chuyển đổi qua lại điện nhiệt thiết bị nhiệt điện phụ thuộc vào hệ số phẩm chất (ZT) vật liệu: ZT = [14] Steven A Macintyre (2000), Magnetic field measurement, Copyrigh 2000 CRC Press LLC, USA [15] P Q Trieu, N T Nghia, D G Tung (2011), Study on manufacture the device for detecting small magnetic field fluctuation, The 2011 international conference on ICDV, pp 68-71 [16] Wallace H Campbell (2002), Introduction to geomagnetic field, Cambridge University Press, Australia [17] William C Dum (2005), Fundamental of Industrial Intrusmentation and Process Control, MC Graw-Hill, New York 64 PHỤ LỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1: Khảo sát đặc tuyến V-A điốt nhiệt độ 273K Bảng 2: Đặc tuyến V - A điốt nhiệt độ khác Bảng 3: Sự phụ thuộc U theo nhiệt độ Bảng 4: Khảo sát nguội nước theo thời gian Bảng 5: Khảo sát đặc tuyến V-A led Bảng 6: thí nghiệm với quang trở QT1 Bảng 7: Thí nghiệm với quang trở QT2 Bảng 8: Khảo sát đặc trưng nam châm điện Bảng 9: Khả đo công suất dùng cảm biến Hall Bảng 1: Khảo sát đặc tuyến V-A điốt nhiệt độ 273K STT 10 Bảng 2: Đặc tuyến V - A điốt nhiệt độ khác Điện STT 10 11 12 13 14 áp (V) Bảng 2: Đặc tuyến V - A điốt nhiệt độ khác Điện STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 áp (V) Bảng 3: Sự phụ thuộc U theo nhiệt độ Bảng 4: Khảo sát nguội nƣớc theo thời gian STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Bảng 4: Khảo sát nguội nƣớc theo thời gian STT 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 Bảng 5: Khảo sát đặc tuyến V-A led STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Bảng 5: Khảo sát đặc tuyến V-A led Điện áp STT Led mầu đỏ 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Bảng 6: thí nghiệm với quang trở QT1 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 Bảng 7: Thí nghiệm với quang trở QT2 STT 10 11 12 13 14 15 Bảng 8: Khảo sát đặc trƣng nam châm điện Điện áp STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 (V) Bảng 8: Khảo sát đặc trƣng nam châm điện Điện áp STT 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 (V) Bảng 9: Khả đo công suất dùng cảm biến Hall S TT 10 11 12 13 ... NGUYÊN LÝ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN 1.1 Cảm biến nhiệt độ [7,8,9] 1.1.1 Cảm biến nhiệt độ dựa hiệu ứng nhiệt điện 1.1.2 Cảm biến nhiệt độ dựa hiệu ứng tiếp xúc bán dẫn [7, 1.2 Cảm biến. .. nhậy cảm biến cao: 1.2 Cảm biến từ trƣờng [4,9,10,15 ] Trong thực tế, có nhiều loại cảm biến từ trường dựa nguyên lý khác Ví dụ cảm biến dựa hiệu ứng cảm ứng điện từ, hiệu ứng từ trở, hiệu ứng. .. bầy chương: Chƣơng 1: Nguyên lý số loại cảm biến Nội dung: Khái lược số vấn đề liên quan đến hiệu ứng chuyển đổi ba cảm biến nói ứng dụng chúng Chƣơng 2: Ghép nối cảm biến vào hệ đo Nội dung: Trình