Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU PHƢƠNG NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ LOẠI SENSOR LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU PHƢƠNG NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ LOẠI SENSOR Chuyên ngành: Mã số: Vật lý vô tuyến điện tử 60.44.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHẠM QUỐC TRIỆU Hà Nội - 2012 MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG Một số đặc trƣng sensor 1.1 Đinh nghĩa khái niệm 1.2 Phân loại sensor 1.3 Đặc trƣng 1.3.1 Đƣờng cong ch 1.3.2 Hàm truyền 1.3.3 Độ nhạy 1.3.4 Độ tuyến tính 1.3.5 Sai số độ ch 1.3.6 Độ nhanh th 1.3.7 Giới hạn sử dụ 1.3.8 Nhiễu CHƢƠNG Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý 2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi - điện 2.1.1 Hiệu ứng áp 2.1.2 Hiệu ứng từ giả 2.1.3 Hiệu ứng trở áp 2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện 2.2.1 Hiệu ứng nhiệt 2.2.2 Hiệu ứng nhiệt 2.2.3 Hiệu ứng điện 2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện 2.3.1 Hiệu ứng quan 2.3.2 Hiệu ứng phát 2.3.3 Hiện tƣợng phát sáng quang hóa 28 2.3.4 Hiệu ứng quang điện môi [9] 30 2.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay 30 2.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect) 31 2.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10] .32 2.3.8 Hiệu ứng phát quang phản ứng hóa học [10] 33 2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện 33 2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9] 33 2.4.2 Hiệu ứng Spin Hall .35 2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9] 35 2.4.4 Hiệu ứng Barkhausen 36 2.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen 37 2.4.6 Hiệu ứng từ trở .37 2.5 Hiệu ứng Dopper 38 CHƢƠNG Ứng dụng số loại sensor vào thiết bị đo 39 3.1 Sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN 39 3.1.1 Đặc trƣng V- A lớp chuyển tiếp p-n 39 3.1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ dòng điện phân cực ngƣợc 40 3.1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ hiệu điện phân cực thuận .40 3.1.4 Nguyên tắc hoạt động thiết bị 41 3.1.5 Kết cấu thiết bị đo nhiệt độ nhờ chuyển đổi nhiệt - điện bán dẫn dùng ICL7107 42 3.2 Senor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai 44 3.2.1 Cấu tạo thiết bị phát dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai 44 3.2.2 Bộ tiếp nhận dịch chuyển .44 3.2.3 Bộ biến vi sai 45 3.3 Sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall 51 3.3.1 Nguyên lý .51 3.3.2 Thiết bị đo 3.4 Sensor từ trƣờng Fluxgate 3.4.1 Nguyên lý 3.4.2 Thiết bị ph CHƢƠNG Kết thực nghiệm 4.1 Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển 4.1.1 Sự thay đổ 4.1.2 Khảo sát q 4.2 Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall 4.2.1 Thiết bị đo 4.2.2 Đo từ trƣờ KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO MỞ ĐẦU Đã từ lâu sensor đƣợc sử dụng nhƣ phận để cảm nhận phát hiện, nhƣng từ vài ba chục năm trở lại chúng thể vai trị quan trọng kỹ thuật cơng nghiệp, đặc biệt lĩnh vực đo lƣờng, kiểm tra điều khiển tự động Nhờ tiến khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử tin học, sensor đƣợc giảm thiểu kích thƣớc, cải thiện tính ngày mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ khơng có lĩnh vực từ dân đến qn mà khơng sử dụng sensor Chúng có mặt hệ thống tự động phức tạp, ngƣời máy, kiểm tra chất lƣợng sản phẩm, tiết kiệm lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng, phát an ninhvà đặc biệt gần hệ thống nhà thông minh (smart home) Sensor đƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô… Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ lĩnh vực nghiên cứu khoa học ứng dụng kỹ thuật đo lƣờng, điều khiển, số lƣợng chủng loại sensor tăng nhanh đa dạng tính cơng nghệ chế tạo Bởi việc khảo sát, chuyển giao công nghệ, nghiên cứu “Nguyên lý ứng dụng số loại sensor” đƣợc tác giả lựa chọn làm luận văn với nội dung đƣợc chia làm chƣơng nhƣ sau: Chương Một số đặc trưng sensor Chương Chuyển đổi tín hiệu vật lý Chương Ứng dụng số loại sensor vào thiết bị đo Chương Kết thực nghiệm Cuối phần kết luận phân tích ƣu điểm, nhƣợc điểm hƣớng phát triển luận văn CHƢƠNG Một số đặc trƣng sensor 1.1 Đinh nghĩa khái niệm Trong hệ thống đo lƣờng – điều khiển, trình đƣợc đặc trƣng biến trạng thái Các biến trạng thái thƣờng đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, tốc độ, độ dịch chuyển v.v… Để thực trình đo lƣờng điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi biến thiên biến trạng thái trình thực chức thiết bị cảm biến (sensor) Sensor thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lƣợng vật lý đại lƣợng tính chất điện cần đo thành đại lƣợng điện đo xử lý đƣợc Để hiểu rõ sensor ta cần nắm đƣợc số khái niệm định nghĩa sau Phần tử nhạy: Là khâu thiết bị đo chịu tác động trực tiếp đại lƣợng đo Phần tử nhạu khơng có đặc tính riêng Sai số đƣợc hạn chế sai số thiết bị mà tham gia Chuyển đổi đo lường: Là khâu thiết bị đo, tín hiệu vào hàm số tín hiệu Cơ sở vật lý chuyển đổi đo lƣờng biến đổi truyền đạt lƣợng, nghĩa biến đổi từ dạng lƣợng thành dạng lƣợng khác Sensor đo lường: Là thiết bị đo thực biến đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu thuận lợi cho việc biến đổi truyền đạt gia cơng thiết bị tính tốn mà khơng quan sát đƣợc Sensor có tính đo lƣờng học, thực dạng độc lập, có độ xác định theo mơ hình mạch điện đƣợc xem nhƣ mạng cửa (hình 1.1) Cửa vào biến trạng thái x cần đo, cửa đáp ứng y Phƣơng trình đƣợc mơ tả dƣới dạng hàm số (1.1) y=f(x) Quan hệ (1.1) thƣờng phức tạp nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới quan hệ đầu đầu vào sensor X(t) Y(t) – Đại lƣợng W(t) - Hàm truyền đạt Hình 1.1 Lưỡng cực anten nửa búp sóng với trường xạ theo phương thẳng đứng vng góc 1.2 Phân loại sensor Với mục đích nghiên cứu ứng dụng phân loại cảm biến theo phƣơng pháp sau: + Phân loại theo đại lượng vào Cảm biến không điện – điện: Là cảm biến thực chức biến đổi đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng v v….thành thông số điện trở, điện cảm điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động v.v… + Cảm biến khí nén – điện: đƣợc sử dụng nhiều nhà máy Hóa chất, hệ thống đo điều khiển chông cháy, nổ + Cảm biến điện – điện: đại lƣợng vào thơng số điện Các cảm biến thực nhiệm vụ biến đổi đại lƣợng khơng điện thành tín hiệu khí nén sau từ tín hiệu khí nén biến đổi thành đại lƣợng điện - Phân loại theo tính chất vật lý tạo thành + Cảm biến điện trở + Cảm biến điện từ + Cảm biến tĩnh điện + Cảm biến nhiệt điện + Cảm biến điện tử - lon + Cảm biến hóa điện + - - Cảm biến y – sinh Phân loại theo tính chất nguồn điện + Cảm biến phát điện + Cảm biến thụ động Phân theo phương pháp đo + Cảm biến biến đổi trực tiếp Hình 1.2 Cảm biến đổi trực tiếp Y + (1.2) = K.X Cảm biến kiểu bù: X(t) β Hình 1.3 Cảm biến kiểu bù K Y= 1±βK (1.3) X K, β: hệ số biến đổi 1.3 Đặc trƣng 1.3.1 Đƣờng cong chuẩn cảm biến Khái niệm Đƣờng cong chuẩn cảm biến đƣờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lƣợng điện (Y) đầu cảm biến vào giá trị đại lƣợng đo (X) đầu vào Đƣờng cong chuẩn biểu diễn biểu thức đại số dƣới dạng: Y = F(X) đồ thị nhƣ hình 1.4a Y Yi Xi a) Hình 1.4 Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đƣờng cong chuẩn b) Đƣờng cong chuẩn cảm biến tuyến tính Dựa vào đƣờng cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị Xi chƣa biết X thông qua giá trị đo đƣợc Yi Y Để dễ sử dụng, ngƣời ta thƣờng chế tạo cảm biến có phụ thuộc tuyến tính đại lƣợng đầu đại lƣợng đầu vào, phƣơng trình Y= F(X) có dạng Y = aX +b với a, b hệ số, đƣờng cong chuẩn đƣờng thẳng (hình 1.4b) Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giá trị Y đo đƣợc đại lƣợng điện đầu giá trị X đại lƣợng đo có tính đến yếu tố ảnh hƣởng, sở xây dựng đƣờng cong chuẩn dƣới dạng tƣờng minh (đồ thị biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị biết xác Xi X, đo giá trị tƣơng ứng Yi Y dựng đƣờng cong chuẩn 10 56 xử lý Khối khuếch đại cho phép khuếch đại tín hiệu từ trƣờng nhỏ Khối xử lý có tác dụng chỉnh lƣu tín hiệu xoay chiều thành chiều Sau khối xử lý, tín hiệu đƣợc đƣa khối thị để hiển thị giá trị cần đo đạc Nếu cần xác cao, tín hiệu sau khối xử lý đƣợc ghép nối với PC thông qua chuyển đổi ADC để ghi tự động Khối ghép nối sử dụng thiết bị có sẵn phịng thí nghiệm 57 CHƢƠNG Kết thực nghiệm 4.1 Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN 4.1.1 Sự thay đổi đặc trƣng V-A chuyển tiếp PN theo nhiệt độ 4.1.2 Khảo sát trình nguội dùng chuyển tiếp PN a Bố trí thí nghiệm Mạch phân cực sensor: Sử dụng khuếch đại thuật toán LM324, mắc theo nguyên lý khuếch đại vi sai (hình 4.1) Hình 4.1 Mạch khuếch đại Hệ số khuếch đại mạch là: K =VR/R12 Trong đó: VR đƣợc thay đổi VR4 R12 =10 KΩ Khi đó: Vout = Vin * K Với: Vin = hiệu điện lối vào lối vào - Khối ADC Vi điều khiển đƣợc sử dụng AtMega8 ( hình 4.2 ) 58 Hình 4.2 Sơ đồ chân Atmega8 Khối có nhiệm vụ nhận tín hiệu Analog từ khuyếch chuyển đổi sang dạng digital 10 bits Sau truyền liệu lên máy tính Chuyển đổi ADC đƣợc tự động vi điều khiển với tần số lấy mẫu đƣợc định thời timer với tần số lấy mẫu cho kênh 100hz Giá trị ADC nhận đƣợc đƣợc quy đổi điện nhƣ sau: Với: ADC giá trị mà vi điều khiển chuyển đổi đƣợc ( hình 4.3 ) VREF = 5V 59 Hình 4.3 Quy đổi tín hiệu b Kết đo Hình 4.4 Quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN Nhận xét: Từ đồ thị thực nghiệm ta rút kết luận rằng: Quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN tuân theo quy luật nguội Newton 60 DT = r*(T-Tf) Trong đó: r: số nguội T: nhiệt độ đo Tf: nhiệt độ phòng 4.2 Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall 4.2.1 Thiết bị đo tự chế tạo Việt Nam - Sơ đồ nguyên lý: Hình 4.5 Sơ đồ điện tử thiết bị Các thông số kỹ thuật thiết bị nhƣ sau: + Mạch khuếch đại vi sai sử dụng hai Transitor 2N2222 Các giá trị điện trở : = 1K, = 1K, = 200Ω, =100Ω + Sensor Hall mẫu bán dẫn Ge - p - Khảo sát hiệu ứng: Chúng tiến hành đo từ tƣờng B bề mặt mẫu nam châm vĩnh cửu từ mẫu đến mẫu Các kết thực nghiệm thu đƣợc nhƣ sau: Lần đo 61 10 11 12 13 14 15 Bảng 4.1 Từ trường bề mặt mẫu nam châm - Từ số liệu thực nghiệm bảng 4.1 ta có đồ thị phân bố từ trƣờng bề mặt mẫu nam châm nhƣ sau: Mẫu1 Mẫu 62 Mẫu Mẫu Mẫu Hình 4.6 Đồ thị phân bố từ trường bề mặt mẫu Nhận xét: Qua khảo sát thấy phân bố từ trƣờng bề mặt mẫu nam châm thay đổi lớn theo tọa độ Tuy nhiên giá trị từ trƣờng tƣơng đối ổn định vùng mẫu Các giá trị đo lấy giá trị từ trƣờng nhƣ sau Mẫu 1: = 500 63 Mẫu 2: = 669 Mẫu 3: = 220 Mẫu 4: = 583 Mẫu 5: = 631 4.2.2 Đo từ trƣờng bề mặt dùng GaussMeter (USA) Thiết bị đo từ trƣờng Tesla Meter Ảnh 4.1 - Tesla Meter với đầu đo Hall - Khảo sát hiệu ứng Tiến hành phép đo từ trƣờng bề mặt mẫu nam châm vĩnh cửu nhƣ phần với máy đo từ trƣờng chuẩn Mỹ ta đƣợc thông số từ trƣờng sau: Lần đo 64 10 11 12 13 14 15 Bảng 4.2 Từ trường bề mặt mẫu theo máy chuẩn USA - Từ bảng số liệu ta vẽ đƣợc đồ thị phân bố từ trƣờng mẫu nam châm nhƣ sau: Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu 65 Mẫu Hình 4.7 Đồ thị phân bố từ trường bề mặt nam châm theo máy chuẩn USA Nhận xét: Qua khảo sát thấy phân bố từ trƣờng bề mặt mẫu nam châm thay đổi lớn theo tọa độ Tuy nhiên giá trị từ trƣờng tƣơng đối ổn định vùng mẫu Các giá trị đo lấy giá trị từ trƣờng nhƣ sau - Mẫu 1: = 898 Mẫu 2: = 1120 Mẫu 3: = 533 Mẫu 4: = 1006 Mẫu 5: = 1065 Đánh giá tương quan hai thiết bị đo từ trường Từ giá trị từ trƣờng trung bình mẫu đo thiết bị đo từ trƣờng ( thiết bị tự chế Việt Nam thiết bị chuẩn Mỹ) ta có đồ thị biểu diễn tƣơng quan hai thiết bị đo nhƣ sau: 66 Hình 4.8 Đồ thị đánh giá tương quan hai thiết bị đo từ trường Hệ số tƣơng quan là: Phƣơng trình có dạng: Trong đó: S1: Giá trị từ trƣờng trung bình mẫu đo đƣợc máy tự chế tạo Việt Nam S2: Giá trị từ trƣờng trung bình mẫu đo đƣợc máy chuẩn Mỹ Nhận xét: Đƣờng thẳng đồ thị biểu diễn tƣơng quan tuyến tính hai số liệu đo đƣợc thực nghiệm Đồ thị tƣơng quan định hƣớng cho việc chuẩn thiết bị tự lắp ghép Khi giá trị đo trùng khớp, độ dốc đƣờng thẳng tƣơng quan α = 45º 67 KẾT LUẬN Sau trình làm luận văn, dƣới hƣớng dẫn, bảo tận tình thầy cô giáo, em tập trung nghiên cứu thực nội dung khoa học đề cho luận văn thu đƣợc số kết nhƣ sau: Nghiên cứu tổng quan sensor, phân loại theo chức năng, mục đích sử dụng…,nghiên cứu đặc trƣng chế độ tĩnh chế độ hoạt động sensor Nghiên cứu tổng quan tƣợng chuyển đổi tín hiệu vật lý nói chung, chuyển đổi tín hiệu khơng điện sang điện nói riêng, đặc biệt chuyển đổi tín hiệu từ sang điện Nghiên cứu ứng dụng sensor nhiệt độ dùng chuyển tiếp P-N, sensor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai, sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall, sensor từ trƣờng Fluxgate vào thiết bị đo Sử dụng hệ đo tự động khảo sát phụ thuộc nhiệt độ chuyển tiếp bán dẫn pn, khảo sát tƣơng quan tín hiệu đầu dị tự chế Tesla Meter Các kết thực nghiệm thu đƣợc phù hợp với tính tốn lý thuyết Hệ đo đƣợc xây dựng vận hành tin cậy ổn định, đảm bảo độ nhạy, độ phân giải cần thiết để ứng dụng vào thực tiễn số lĩnh vực nhƣ quan trắc môi trƣờng, theo dõi địa từ trái đất, dự báo thời tiết,v.v Với kết ban đầu này, hệ đo có khả kết nối mạng hình thành mạng lƣới sensor trải rộng phạm vi thời gian không gian lớn, cập nhật liên tục thông số máy chủ trung tâm để xử lý tự động liệu đo 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tiếng Việt [1] Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Thế Khơi, Vũ Ngọc Hồng (1977), Giáo trình điện đại cương tập 3- NXBGD, Hà Nội [2] Lƣu Tuấn Tài (2008), Giáo trình Từ học, NXBĐHQG, Hà Nội [3] Ngạc Văn An (chủ biên), Đặng Hùng, Nguyễn Đăng Lâm, Lê Xuân Thê, Đỗ Trung Kiên (2006), Vô tuyến điện tử, NXBGD, Hà Nội [4] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình Vật lý bán dẫn, NXBKHKT, Hà Nội [5] Lê Xuân Thê (2006), Dụng cụ bán dẫn vi mạch, NXBGD, Hà Nội [6] Đỗ Xuân Thụ (1999), Kỹ thuật điện tử, NXBGD, Hà Nội [7] Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiệm Vật lý, Giáo trình khoa Vật lý, trƣờng ĐH Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội [8] Phan Quốc Phơ (chủ biên), Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, NXBKHKT B Tiếng Anh [9] M.J Usher and D.A Keating (1991), Sensor and transducers:characteristics, application, instrumentation, interfacing, VCH, Weinheim, Germany [10] W A Geyger (1964), Nonlinear-Magnetic Control Devices, New York: McGraw-Hill [11] Jacob Fraden (2003), Handbook of Modern Sensors, Advanced Monitors Corporation San Diego, California [12] Davis (2004) Handbook of Engineering tables, Editor-in-Chief Richard C Dorf University of California [13] [14] H J Goldsmid and G S Nolas (2001), A review of the New Thermoelectric Materials, p 1-6 69 [15] D Saha, A D Sharma, A Sen, and H S Maiti (2002), Masterials Letters 55, 403-406 [16] R Kohler, N Neumann, N Hess, R Bruchhaus, W Wersing, and M Simon (1997), Ferroelectrics 201, 83-92 [17] W Kwaitkawski and S Tumanski (1986), The permalloy magnetoresistive sensors-properties and applications, J Phys E: Sci Instrum., 19, 502–515 [18] F Primdahl (1979), The fluxgate magnetometer, J Phys E: Sci Intrum., 1, 242-253 [19] Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung (2011), Study on manufacture the device for detecting small magnetic field fuctuation, The 2011 International Conference on Integrated Circuits and Devices in Vietnam, 8-18 August, 2011 [20] C M Falco and I K Schuller (1981), SQUIDs and their sensitivity for geophysical applications, SQUID Applications to Geophysics, The society of Exploration Geophysics, 13-18 70 ... ứng dụng kỹ thuật đo lƣờng, điều khiển, số lƣợng chủng loại sensor tăng nhanh đa dạng tính cơng nghệ chế tạo Bởi việc khảo sát, chuyển giao công nghệ, nghiên cứu ? ?Nguyên lý ứng dụng số loại sensor? ??... 2.1.3 Hiệu ứng trở áp 2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện 2.2.1 Hiệu ứng nhiệt 2.2.2 Hiệu ứng nhiệt 2.2.3 Hiệu ứng điện 2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện 2.3.1 Hiệu ứng quan... NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU PHƢƠNG NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ LOẠI SENSOR Chuyên ngành: Mã số: Vật lý vô tuyến điện tử 60.44.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG