BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ke kkk BAI HOC LUAN VAN THAC SI KHOA HOC Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã đề tài: 2018AVLKT-KH04 Tên đề tài: Nghiên cứu, chế tạo thiết bị quan trắc môi trường khí từ xa
TAC GIA: LAI KHAC HOANG
NGUOI HUONG DAN KHOA HOC
PGS.TS DANG DUC VUONG
Ha Noi - 2020
Trang 2MỤC LỤC 0900/9.09.0 4 09/00.9.6:97090757 5 5 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VA CHỮ VIẾT TẮTT . 5-5-«- 6 /.9);8/10/9 9 (9:70 ic 7 ).9J;8./1099.(08:in):01177 8 0980671000337 — 10 90:10/9)05 019) (019)0/ 0Ya ÔỎ 12 I.1 Lý thuyết chung về cảm biẾn sec <cs se sses<sseseseseseseseseseses 12
I.1.1 Khái niệm - <5 SE E33 3 1k1 1 1e rrererrrke 12
I.1.2 Phân loại cảm biễn - -G<k x13 S13 S116 E SE x1 1x1 HH HH Hs rkg 12
1.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biỄn - +5 52 EE ke eErEeeerersesesrd 14
I.1.4 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến - - +E+Es£eEeEeEeEeererersrxe l6 I2 Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm 5 - 5-5-5 sssesesseessssssesss 20 L2.1 Nhiệt độ và cảm biến đo nhiệt độ - - - + E+EEE£EzkeEzEeEeEsEeksed 20
L.2.2 Độ âm và cảm biến đo độ âm . - 2 2 SE xềtEsExrxtxrkrerssesrsree 22
I.3 Cảm biến đo khí s-<-< 5< << <sEsEsEsESEsEsEsESEsEsSEsEsEsEsEsEsesrsssesss 25 I.3.1 Cảm biến khí bán dẫn + - 5£ kEE£E2 2 EEEeE£EEEEESErErkrkerzrxssed 26 I.3.2 Cảm biến khí XÚC áC - + + E£ EEEE*E*EEEeEEEEEEEEEEEEreErreseed 26 I.3.3 Cảm biến khí điện hóa .- - 2-5-5 E32 EE£E£EeEEEZEEErErererrrrrrxsrrd 27 I.3.4 Cảm biến khí quang - - k E£k* EEEE* ke EE*eEEEEEEEEEEErErkeErreed 28
I.4 Lựa chọn cảm biến cho thiết bị đi .-.5-5 5-55-5555 cscseseseseseses 29 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ - 30
I1 Xây dựng tính năng và thiết kế mô hình thiết bị - 30 I2 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm IDIH T22 5-5-5-5-5-sescscss sesesss 32 II2.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 - 2 - 32 II.2.2 Cấu trúc bên trong của cảm biến DHT22 -.- 52-25-52 +55: 34 11.2.3 Lập trình ghép nối DHT22 với MCU ¿2-5-5 + 2 523 £*£z£E£x£: 35 I3 Cảm biến khí MQ135 5 5-55 ss S2 SSsSssssSssEsssssrsesessssee 37 I3.1 Giới thiệu về cảm biến khí MQ135 -5- G55 S6 +s+sE<£vEexsEsecxe 37 11.3.2 Cấu trúc bên trong của cảm biến MQ135 7 +c+c+£+szss+2 37
Trang 3CHƯƠNG 3 LƯU TRỮ DỮ LIỆU LÊN MÁY CHỦ VÀ TRUY CẬP DỮ 01590 0.0117 45 III.1 Thu thập và xử lý dữ liệu với mạch ESP32-WROOM-32 45 II1.1 Giới thiệu mạch ESP32 -52-<5<+ckzk£keEEzckrse re, 45 III1.2 Mạch ESP32-WROOM-32 và Kit modul ESP32 DEVKIT VI 48 II.1.3 Lập trình cho mạch ESP32 DEVKTT VI 5 5-cec< c5: 50 HI.2 Lập trình và kết nối ESP32 với mạng internet -5-5 - 51 IH.2.1 Xây dựng chương trình thu thập dữ liệu . - - 555 ss< << <++2 52 IH.2.2 Đăng ký Web Hosting và xây dựng chương trình web 53
II.3 Chế tạo thiết bị và hiển thị thông tỉn 5-5-5-5-55<sescseseseses 55 III.3.1 Phần cứng thiết bị 2-5 SE EEEE££EEEEeEEEEkrErErErererrsr ri 55
III3.2 Kết quả vận hành của thiết bị, . - + +22 E52 2 +s+z+E£k£sexeesrxe 55
%8 00.0 0777 — 58
Trang 4LOI CAM ON
Lời đầu tiên, cho tôi được gửi lời cám ơn chân thành nhất tới Viện Vật lý
kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội đã tạo các điều kiện thuận lợi nhất để tơi có
thể hồn thành bản Luận văn Thạc sĩ này Trong thời gian làm luận văn, tôi đã nhận được sự giúp đỡ to lớn của các Thầy, Cô giáo và các đồng nghiệp trong Viện để tơi hồn thành chương trình đào tạo đáp ứng các yêu cầu Chương trình cao học ngành Vật lý kỹ thuật
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đặng Đức Vượng, người hướng dẫn khoa học đã giúp tôi xác định hướng học thuật cho bản Luận văn và
giúp đỡ tôi thực hiện các thí nghiệm, trao đối, phân tích cũng như trình bày các kết quả dé phù hợp với yêu cầu của một Luận văn Thạc sĩ VLKT
Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thiện luận văn này
Trang 5LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đặng Đức Vượng Các kết quả nghiên cứu trình bày trong Luận
văn này là trung thực, do tôi thực hiện và chưa công bố trong bất cứ công trình nào
Tác giả
Trang 6DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT
Chữ viết tắt | Tiếng Anh Tiếng Việt
DHT22 Temperature Humidity Sensor | Cảm biên độ âm và nhiệt độ
DHT22
ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyên đôi tương tự - sô IDE Integrated Development Môi trường phát triên tích hợp
Environment
GPIO General Purpose Input Output Công vào/ra đa năng SPI Serial Peripheral Interface Giáo diện ngoại vi nôi tiép UART Universal Asynchronous Truyên nhận đữ liệu không
Receiver-Transmitter đồng bộ
BLE Bluetooth Low Energy Bluetooth năng lượng thâp
RH Relative Humidity Độ âm tương đôi
NTC Negative Temperature Hệ sô nhạy nhiệt âm
Coefficient
Trang 7DANH MỤC CÁC BANG
Bảng 1.1 Phán loại cảm biễn theo hiện z0 13
Bảng 1.2 Phân loại cảm biến theo dạng kích thích - + 55s se ksxskersxsxee 13 Bang 1.3 Một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau 20 Bang 2.1 Tính năng kỹ thuật chính của thiết bị - - «cv rerxrsree 32
Bảng 2.2 Các thông số chính của IDHT'22 - se EkšE SE E113 151113 erke 33
Bảng 2.3 Äã lệnh cho Árduino IÏDÈ, - c cv ke 35 Bảng 2.4 Các chân ra của cảm biễn và module cảm biến MQ135 39
Bảng 2.5 Äã lệnh cho mạch ÁTđÏHÌHO ào Scc Sàn 111511 erer 42
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm Dien [ ]] «+ «se keEsEEsEsEeEerxtsrrkrrsree 15 Hình 1.2 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ [1] 19
Hình 1.3 #?nh ảnh của một số nhiệt kế thông dụng 5 cccecececsesesed 21 Hình 1.4 Mộ số loại cảm biến trên thị ÍFỜNg - - Set se rerererersrersed 25
Hình 1.5 Cấu tạo cảm biến khí: dạng khối (trái) và dạng màng (phải) 26
¡00126 17.7.2471 27
Hình 1.7 Sơ đồ mạch hoại động của cảm biễn khí xúc tác -. c-sc<ssesserssa 27
Hình 1.8 Cấu tạo của cảm biến khí điện hóa - -c-cs-cc+ccssccercereerrcee 28
Hình 1.9 Hoat déng cua cam biến khí điện HÓA is ke sevsereeeeers 28
Hinh 2.1 May do khi CO; Nhiệt độ, Độ ẩm - EA80 và CO100 -. 30 Hình 2.2 /#ìwh ảnh 1 trạm tự động quan trắc môi trường không khi 31
Hình 2.3 Sơ đồ khối của thiết bị «Seo 31
Hình 2.4 Cấu trúc bên trong của cảm biến độ Ấm + 5 ccecececeesrsesed 34
Hình 2.5 Nhiệt điện trở NTC và đường đẶC ÍYWHG se ssss 34
Hình 2.6 Sơ đồ chân của IDDHTT22 - + cetét th hen gưệo 34
Hình 2.7 Sơ đồ nối chân mạch Arduino UNO với DHT22 -ccccsecsrseses 35
Hình 2.8 Két gud hién thị trên máy tính qua cửa số Serial Monifor 36 Hình 2.9 Cam biến MQ135 có lưới bảo vệ (a) và khi tháo lưới bảo vệ 38
Hình 2.10 Cấu rúc bên trong của cảm biến Q1 35 5 55s se cscsrerersxee 38
Hình 2.11 Sơ đồ chân cảm biến MQ135 va mạch modiuÌe - 55-55: 39
Hình 2.12 Sơ đồ nối chân cảm biến Q1 32 525252 <E+k+ksESESEEeEsreteesree 40
Hình 2.13 Đường đặc tính của cảm biễn MQ135 5 << csrscsxerereree 4]
Hình 2.14 Sơ đô nổi chân mạch ArduinoUNO voi module cam bién MQ135 41
Hình 2.15 Kết quả hiển thị trên máy tính qua cửa số Serial Monitor 43 Hình 2.16 Đường đặc tính của cảm biến MQ135 c5 555 ccsckerereree 43
Hình 3.1 Sơ đồ khối chức năng của mạch ESP32-WROOM-32 - 45 Hình 3.2 Khối CPU và bộ nhớ «5+ ththhttrhttrrrrrrirerrrrrierrrkd 46
Hình 3.3 Khối giao tiếp không dây wifi và Bluetooth - 5s 5 scscscse 46
Trang 9Hình 3.5 Các khối do và điểu Ähiễn - St nh iệo 47
Hình 3.6 Mới trên và một dưới của mạch sau khi đóng vỏ với 3 phiên bảu 48
Hình 3.7 Sơ đồ chân của mạch ESP32-WROOM-32 2 se ce+ezeeesree 49 Hình 3.8 Sơ đồ chân của kit module ESP32 DEVKIT' ỨI - 5 5 scs+ssescxe 49
Hình 3.9 Màn hình cài đặt {hi VIỆH À GB ke 50
Hình 3.10 Màn hình cài đặt DÏMĐÌH 5Q Q Gv me 50 Hình 3.11 Màn hình nạp chương trình cho E.SP32 ve, 51 Hình 3.12 Sơ đồ ểổng quát cho kết nỗi giữa E.sp32 và lưu đữ liệu trên internet 52 Hình 3.13 Sơ đô khối cho chương trình nạp cho mạch ESP32 - 5 csccca 52 Hình 3.14 GŒ¡ao điện chính sau khi đăng nhập thành CƠN «««Ă <<: 53 Hinh 3.15 Giao điện quản lý CO SO dit HiỆU S111 1v vi 54 Hình 3.16 GŒ¡ao điện quản lý fiÏ6 SG Ăn Hee 54
Hình 3.17 Thiét bj duoc ché tao hoàn thành -cccccceeereerrerrrrree 55
Hinh 3.18 Giao dién khi truy cập từ máy (ĨHH ào cv vn eeer 56
Trang 10LỜI MỞ ĐẦU
Các thông số môi trường đóng góp rất quan trọng trong quá trình sản xuất công — nông nghiệp Nhiệt độ, độ âm, ánh sáng và thành phần không khí ảnh hưởng tới quá trình sinh trưởng của cây trồng Ánh sáng và nông độ khí độc hại ảnh hưởng tới sự phát triển của vật nuôi Khí thải trong quá trình sản xuất công nghiệp ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm, sức khỏe của người lao động và những người sống xung quanh nhà máy
Trước đây, việc đo đạc và kiểm sốt các thơng số mơi trường thực hiện
tương đối khó khăn, tốn nhiều công sức và tiền bạc Ngày nay, với sự phát triển
nhảy vọt trong công nghiệp bán dẫn đã làm cho việc này trở nên rất dễ dàng
hơn rất nhiều Các thiết bị đo từng thông số riêng lẻ đã được cung cấp trên thị trường và chủ yếu là các thiết bị nhập ngoại, khó sửa chữa do không năm rõ các linh kiện của các thiết bị Để hướng đến các thiết bị được sản xuất nội tại,
làm chủ công nghệ chế tạo các thiết bị dựa trên các linh kiện sẵn có trong thị trường, việc chế tạo được thiết bị đặc biệt có thể đo được nhiều thông số môi
trường là rất cần thiết Bên cạnh đó thiết bị cần cho phép giám sát từ xa chứ không cần có mặt trực tiếp tại hiện trường, cho phép lưu trữ dữ liệu trên các
máy chủ để phục vụ các mục đích khác nhau là rất được quan tâm Do đó đề tài
“Nghiên cứu, chế tạo thiết bị quan trắc thông số môi trường khí từ xa” đã
được lựa chọn đề thực hiện
Nhiệm vụ chính của luận văn đặt ra là:
> Tìm hiểu một số loại cảm biến thông dụng trên thị trường liên quan đến việc giám sát thông số môi trường khí
> Thiết kế và chế tạo thiết bi thu thập dữ liệu từ các cảm biến khí
> Kết nối và đưa đữ liệu lưu trữ trên internet, cho phép quan sát được
Trang 11Để đạt được các mục tiêu đề ra, tôi đã tiến hành tìm hiểu các tài liệu liên
quan đến các cảm biến cũng như các cách đề ghi nhận số liệu, truyền tải thông
tin lên Internet và truy xuất dữ liệu từ internet trên máy tính và điện thoại sử
dụng phần mềm android, phần mềm thông dụng trên các điện thoại thông minh hiện nay Các kết quả nghiên cứu trong quá trình làm luận văn được trình bày chỉ tiết trong quyền luận văn thạc sĩ với ba chương chính sau:
v Chương 1: Tổng quan
Trong chương này trình bày kiến thức chung của cảm biến, tập trung vào các cảm biến đo thông số môi trường khí như: cảm biến nhiệt độ,
cảm biến độ âm, cảm biến khí
v Chương 2: Thiết kế và chế tạo thiết bị
Trình bày về tính năng chỉ tiết của các cảm biến đã lựa chọn và cách
lập trình để thu thập dữ liệu từ chúng sử dụng vi mạch Arduino UNO
để kết nối thu thập đữ liệu
v Chương 3: Kết quả và thảo luận
Chương 3 tập trung vào việc truyền phát dữ liệu không dây, đưa thong tin lên internet và truy xuất đữ liệu để hiển thị lên máy tính và
điện thoại di động
Ngoài các chương chính còn các phần mở đầu, kết luận, danh mục hình vẽ, bảng biểu, tài liệu tham khảo và phụ lục chi tiết các phần code lập trình cho
Trang 12CHƯƠNG 1 TONG QUAN
1.1 Ly thuyét chung vé cam bién 1.1.1 Khai niém
Con người cảm nhận xung quanh bằng các giác quan (sense), thiết bị cảm nhận xung quanh bằng các thiết bị đầu dò hay còn gọi là các cảm biến (sensor) Các thông số môi trường xung quanh được đặc trưng bởi các đại lượng vật lý, các đại lượng này
có thể có tính chất điện hoặc không có tính chất điện Thông thường các đại lượng
vật lý có tính chất điện sẽ được xử lý trực tiếp không cần đến các thiết bị trung gian là các cảm biến Chỉ các đại lượng không mang bản chất điện mới cần thu thập và
biến đổi thành tính chất điện để dễ dàng xử lý từ đó để hiển thị hay dùng để điều
khiển quá trình khác Thiết bị trung gian đó là các cảm biến [1]
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại
lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý
được
Khi một đại lượng cần đo (m) không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất .) tác động lên cảm biến sẽ cho ở đầu ra tín hiệu dạng đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo m Mối quan hệ giữa tín hiệu ra (s) với tín hiệu đầu vào m thường có dạng hàm số F(m) với biến là đại lượng cần đo m:
$ = F(m) (1.1)
Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo) Ta có thê biết được dạng hàm quan hệ s=F(m) nhờ việc chuẩn cảm biến (đường cong chuẩn cảm biến) Từ việc biết mối tương quan, khi nhận được giá trị đầu ra (s) thông qua đo đạc ta sẽ biết được giá trị của (m)
I.1.2 Phân loại cảm biến
Có nhiều các khác nhau để phân loại cảm biến, người ta có thể phân loại theo
hiện tượng (vật lý, hóa học, sinh học), theo đại lượng cần đo (nhiệt độ, áp suất, độ
Trang 13Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau [2]
* Theo nguyên lý chuyên đổi giữa đáp ứng và kích thích (bảng 1.1)
Bảng 1.1 Phân loại cảm biến theo hiện tuong Hién tuong Chuyên đổi giữa đáp ứng-kích thích e Nhiệt điện e Quang điện e Quang từ Hiện tượng vật lý e Điện từ e Quang đàn hồi e Từ điện e Nhiệt từ e Biên đơi hố học Hoá học e Biến đổi điện hoá e Phân tích phố
e Biến đổi sinh hoá
Sinh học e Biến đổi vật lý
e Hiệu ứng trên cơ thê sông * Theo dạng kích thích (bảng 1.2) Bang 1.2 Phân loại cảm biến theo dạng kích thích
Âm thanh - Biên pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng
Điên - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên,
pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi
Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phô) - Từ thông, cường độ từ
trường - Độ từ thâm
Quang - Biên, pha, phân cực, phố - Tốc độ truyền - Hệ số phát xa, khúc xạ - Hệ sô hâp thụ, hệ sô bức xạ
Trang 14Cơ - VỊ trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng -
Mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng - Nhiệt dung Buc xạ - Năng lượng - Cường độ
* Theo vai trò linh kiện trong mạch đo:
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là tín hiệu dạng điện áp, dòng điện hay điện tích + Cảm biến thụ động khi cảm biến đáp ứng với tín liệu làm thay đổi các thông số như điện trở, dung kháng, cảm kháng ( R, L, C) Các đáp ứng này có thể ở dạng tuyến tính hoặc phi tuyến
Ngoài ra trong dân dụng và môi trường sống còn có cách phân loại gần gũi hơn tùy theo phạm vi sử dụng như cảm biến:
- Công nghiệp, nông nghiệp - Nghiên cứu khoa học
- Môi trường, khí tượng, giao thông - Thông tin, viễn thông
- Quân sự, dân dụng - Vũ trụ
Hoặc phân loại dựa theo tính năng chi tiết của bộ cảm biến:
- Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính - Công
suất tiêu thụ - Dải tần
Khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường - Kích thước, trọng lượng- Độ trễ
I.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biến
Đường chuẩn cảm biến hay đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu
diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại
lượng đo (m) ở đầu vào [1,2]
Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số đưới dạng s = F(m),
Trang 15
a) b)
Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm biến [1] a) Dạng đường cong chuẩn
b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
Dựa vào đường cong chuân của cảm biên, ta có thê xác định giá trị m; chưa biệt của m thong qua gia tri đo được s¡ của s
Đường cong chuẩn cảm biến được ưa chuộng khi chế tạo các thiết bị là đường chuẩn có dạng đường thăng Do đó người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s = F(m) có dạng
s= am + b với a, b là các hệ số (hình 1.1b)
Khi chế tạo cảm biến, ta phải xây dựng được đường cong chuẩn cho cảm biến Có hai phương pháp để xây dựng đường cong chuẩn của cảm biến: phương pháp chuân đơn giản và phương pháp chuẩn nhiều lần
* Phương pháp 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 tắc động của các
đại lượng ảnh hưởng khác, khi đó ta thường dùng phương pháp chuẩn đơn giản Bản chất của việc chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào từ đó xây dựng đường đặc trưng Để chuân đơn giản †a tiên hành theo các cách sau:
- Chuẩn trực tiêp: Các giá trị khác nhau của đại lượng đo lây từ các mẫu chuẩn
hoặc các phân tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao dé cap tín hiệu cho
đầu vào cảm biên, từ đó nhận tín hiệu ra tương ứng
- Chuân giản tiêp: Cảm biên cân chuân được kết hợp với một cảm biên chuân khác đã có sẵn đường cong chuân và cả hai được đặt trong cùng điêu kiện làm việc
Khi tác động lên hai cảm biên với cùng một giá trị của đại lượng đo ở đầu vào ta thu
được giá trị tương ứng của cảm biên so sảnh và cảm biên cân chuân Lúc này gia tri
Trang 16
đầu ra của cảm biến cần chuẩn chính là giá trị đầu ra của cảm biến chuẩn Với mỗi
đại lượng đầu vào ta sẽ nhận được giá trị của đại lượng đo thông qua cảm biến chuẩn
từ đó cho phép xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn * Phương pháp chuẩn nhiều lần:
Trong trường hợp cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ) dẫn đến cùng
một giá trị đầu vào có thể ra các giá trị khác nhau ở đầu ra gây bởi hiện tượng trễ tín hiệu Giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại
lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này
Trong trường hợp như vậy, ta cần áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và phép
chuẩn được tiễn hành như sau:
- Thiết lập điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị
tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0
- Tăng dần gia tri cua dai lugng do 6 đầu vào đến giá trị cực đại và ghi lại giả
trị đầu ra tương ứng
- Lặp lại quá trình trên khi các giá trị đo giảm dần từ gia tri cực đại về gia tri
ban dau
Khi đó ta nhận được giá trị đầu ra ứng với mỗi giá tri ở đầu vào khi tăng và giảm giá trị đo Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dân và đo giảm dan
I.1.4 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến
Các cảm biến thường được đặc trưng bởi các thông số như độ nhạy, độ tuyến tính, độ nhanh và thời gian hôi dap, sai so [1,2]
* Độ nhạy của cảm biến
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra As và biến thiên đầu vào Am
có sự liên hệ tuyến tính:
As =S.Am (1.2)
Trang 17As
S= (—) om mem, (1.3) 1.3
Dé phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử đụng cảm biến cần xử lý sao cho độ nhạy S của nó gần như không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
- Gia tri cua dai lugng can do m va tan sô thay đôi của nó - Thoi gian sử dụng
- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến để người sử dụng
lựa chọn cảm biến và thiết lập chế độ làm việc cho phù hợp
* Độ tuyến tính
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo Cảm biến loại này thường cho
độ chính xác cao
Trong chế độ đo tĩnh, độ tuyến tính chính thê hiện sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo Trên đoạn tuyến tính, mối quan hệ giữa tín hiệu ra s và tín hiệu vào m dạng tuyến tính s= a.m+b với a và b là các hằng số Đường chuẩn cảm biến thê hiện bởi các đoạn thắng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến Hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này
Khi cảm biến không tuyến tính, người ta thường đưa vào mạch đo các thiết bị
hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đối của đại lượng đo ở đầu vào Quá trình hiệu chỉnh đó được gọi là quá trình tuyến tính hoá
* Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo
tác động trực tiếp lên cảm biến thì cảm biến còn chịu tác động của nhiều đại lượng
vật lý khác ở xung quanh Điều này gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực
của đại lượng cần đo Gọi Ax là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và gia tri thuc x (sai
số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:
Trang 18Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thê biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên
- Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đối chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thê là:
+ Do nguyên lý của cảm biến
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng
+ Do đặc tính của bộ cảm biến
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng + Do xử lý kết quả đo
Sai số hệ thống có thê loại trừ băng phép chuẩn lại cảm biến
- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định, giá trị đo nhận được sẽ quanh giá trị thực Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thê dự đoán được độ lớn và đấu của nó Những nguyên nhân gây ra sa1 sô ngầu nhiên có thê là:
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến Ta có thê giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng thông qua các phép đo thực nghiệm
thích hợp như: bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc
thực hiện phép đo lường thống kê lấy nhiều giá trị rồi tính trung bình * Độ nhanh
Độ nhanh là một đặc trưng quan trọng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng
theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian
hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định gia tri số của độ nhanh
Độ nhanh ty là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn e
tính bằng % Thời gian hồi đáp tương ứng với e % xác định khoảng thời gian cần thiết
Trang 19Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang (tính hiệu thay đổi gần như tức thời), các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tang (tam) va thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tac) và thời gian giam (te) Ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo Khoảng thời gian trễ khi tăng tam thường được tính là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng †m là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó (hình1.2)
Hình 1.2 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ [1] Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm tục là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm te là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó
Các thông số về thời gian tr, tam, tm, tac, te của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó Nói chung các giá trị này càng nhỏ càng tốt
Ngoài các đặc trưng quan trọng ở trên của cảm biến Khi sử dụng cảm biến cần quan tâm đến giới hạn sử dụng của cảm biễn (các tác động kiểu ứng lực cơ học, tác động nhiệt không vượt quá ngưỡng cho phép tránh làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến), vùng làm việc danh định hay vùng làm việc tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà
các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại
lượng ảnh hưởng có thê thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng
Trang 20I.2 Cảm biến đo nhiệt độ và độ âm I.2.1 Nhiệt độ và cảm biến đo nhiệt độ
Nhiệt độ là một trong số vật lý quan trọng và là đại lượng có ảnh hưởng rất lớn
đến tính chất vật chất Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết Hàng ngày nhiệt độ
môi trường thay đổi liên tục và việc xác định được nhiệt độ môi trường khí giúp ta
đưa ra các chế độ làm việc thích hợp cho các thiết bị Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vẫn đề không đơn giản Đa số các đại lượng vật lý đều có thê
xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất Nhiệt độ là
đại lượng chỉ có thê đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ
* Thang đo nhiệt độ
Để đo nhiệt độ trước hết phái thiết lập thang nhiệt độ Mỗi thang đo nhiệt độ sẽ có ưu nhược điểm và tính tiện lợi khác nhau Thường một số nhiệt độ chuẩn được
quy định dựa trên một số trạng thái nhất định của vật chất Thang nhiệt độ tuyệt đối K được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng Độ °C dựa trên trạng thái của nước và độ F thường dùng chủ yếu trong đo đạc thời tiết và có ý nghĩa thê hiện nhiệt
độ mà con người có thể cảm nhận được Đơn vị của độ F băng 5/9 độ °C Ngoài ra
có nhiều thang nhiệt độ khác như độ Rankine (°R), độ Delisle (°N), độ Newtfon Bảng 1.3 cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo thông dụng khác nhau
Bang 1.3 Một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau
Nhiệt độ Kelvin (K) | Celsius (°C) | Fahrenheit (°F)
Diém 0 tuyét doi 0 -273,15 -459,67
Hỗn hợp nước - nước đá 273,15 0 32
Cân bằng nước - nước đá - hơi | 273,16 0,01 32,018 Nước sôi 373,15 100 212
Trang 21* Dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ
Hình 1.3 Hinh dnh cua một số nhiệt kế thông dụng
Có nhiều loại dụng cụ đo nhiệt độ, tên gọi của mỗi loại một khác nhưng thường
gọi chung là ø#¿¿r kế Trong dụng cụ đo nhiệt độ ta thường dùng các khái niệm sau:
Nhiệt kế là dụng cụ (đồng hồ) đo nhiệt độ bằng cách cho số chỉ hoặc tín hiệu là
hàm số đã biết đối với nhiệt độ
Bộ phận cảm nhận (đấu đò) của nhiệt kế là bộ phận của nhiệt kế dùng để biến
nhiệt năng thành một dạng năng lượng khác để thu nhận được Nếu bộ phận cảm nhận tiếp xúc trực tiếp với môi trường cần đo thì gọi là nhiệt kế đo trực tiếp và ngược lại ta có nhiệt kế đo gián tiếp
Nhiệt kế là khái niệm chung, tuy nhiên người ta thường dùng khái niệm nhiệt
kế để chỉ các dụng cụ đo nhiệt độ dưới 600°C, còn các dụng cụ đo nhiệt độ trên 600°C
thì gọi là hỏa kế
Trang 22a, Nhiệt kế dấn nở đo nhiệt độ thông qua sự đãn nở của chất rắn hay chất nước
đối với nhiệt độ Phạm vi đo thông thường từ -200 đến 500°C Ví dụ như nhiệt kế
thủy ngân, rượu
b, Nhiệt kế kiểu áp kế đo nhiệt độ dựa trên sự biến đối áp suất hoặc thê tích của chất khí, chất nước hay hơi bão hòa chứa trong một hệ thống kín có dung tích cố
định khi nhiệt độ thay đổi Khoảng đo thông thường từ 0 đến 300 °C
c, Nhiệt kế điện trở áo nhiệt độ dựa trên tính chất biến đổi điện trở của vật liệu
khi nhiệt độ thay đổi Vật liệu sử dụng thường là vật dẫn hoặc bán dẫn Khoảng đo
thông thường từ -200 đến 1000°C
d, Cặp nhiệt còn gọi là nhiệt ngẫu, pin nhiệt điện Đo nhiệt độ nhờ quan hệ giữa
nhiệt độ với suất nhiệt điện động sinh ra ở đầu mối hàn của 2 cực nhiệt điện làm bằng kim loại hoặc hợp kim Khoảng đo thông thường từ 0 đến 1600°C
e, Hỏa kế bức xạ gồm hỏa kế quang học, bức xạ hoặc so màu sắc Đo nhiệt độ
của vật thông qua tính chất bức xạ nhiệt của vật Khoảng đo thường từ 600 đến
6000 °C Hỏa kế là các thiết bị đo nhiệt độ từ xa và là phép đo gián tiếp
Với việc đo nhiệt độ ở môi trường khí, người ta hay dùng nhiệt kế dạng nhiệt kế dãn nở Tuy nhiên nhiệt kế dạng này tín hiệu ra thường không là tín hiệu điện nên
khó sử dụng để hiển thị trên các thiết bị điện tử nhất là trong việc giám sát thông số
môi trường khí từ xa Do đó trong các thiết bị đo thông số môi trường khí người ta
thường sử dụng cảm biến dạng nhiệt kế điện trở dùng vật liệu bán dẫn
1.2.2 D6 4m và cảm biến đo độ âm
Độ ẩm cũng là một trong các thông số quan trọng của môi trường khí Độ âm ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của các vật liệu, điều kiện làm việc của các máy móc thiết bị Để xác định độ âm người ta thường dùng các cảm biến đo độ âm [1]
a, Độ âm:
Độ âm được xác định là hàm lượng hơi nước trong không khí hoặc trong các chất khí khác Theo thuật ngữ chuyên môn thì độ âm không khí được coi là nồng độ hơi nước trong không khí Độ âm thường được đo lường và nhận biết qua các đại lượng:
- Độ âm tuyệt đối: khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thê tích không khí
Trang 23- Điểm sương: nhiệt độ và áp suất mà tại đó chất khí bắt đầu tích tụ hơi nước
thành chất lỏng
- Độ âm tương đối, hoặc RH (Relative Humidity): là tỷ lệ hàm lượng hơi ẩm của không khí so với mức hơi 4m bao hòa ở cùng nhiệt độ và áp suất Nói các khác là tỷ số giữa độ ám tuyệt đối với độ âm cực đại (khi hơi nước bão hòa) ở nhiệt độ và áp suất đang xét Độ âm tương đối được tính bằng % [%RHI
b, Các loại cảm biến độ âm [2]
Cảm biến độ âm thường được chia làm hai loại chính dựa trên dựa trên hiện
tượng vật lý để cho phép xác định độ âm (4m kế ngưng tụ, âm kế điện ly) hoặc dựa
trên tính chất của vật có liên quan đến độ âm (âm kế trở kháng, 4m kế điện dung, nhiệt dẫn)
> Ảm kế trở kháng
Âm kế trở kháng là các thiết bị đo độ âm dựa trên các cảm biến điện trở nhờ sự
thay đổi điện trở của bộ phận cảm nhận theo nhiệt độ Âm kế loại này dựa trên hai
đặc tính chính:
- Điện trở kim loại: là một đề có kích thước cỡ vài mm? được phủ chất hút âm
trên hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn và ôxy hóa Giá trị điện trở đo được
giữa hai điện cực sẽ phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỷ số giữa khối lượng nước hấp thụ với khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút âm Hàm lượng nước lại phụ
thuộc vào độ âm tương đối và nhiệt độ
- Chất điện phân: là những chất dẫn điện, điện trở của chúng phụ thuộc vào
thê tích Trong đó thé tích bi thay déi theo hàm lượng nước, do đó có thê biến đổi độ
âm tương đối thành tín hiệu điện thông qua sự thay đổi điện trở > Ảm kế tụ điện
Âm kế tụ điện sẽ dựa trên sự thay đổi điện dung của tụ điện theo độ âm nhờ việc
thay đổi tính chất môi trường giữa hai bản tụ Giả sử một tụ điện giữa 2 bản cực là
không khí có thể coi như cảm biến đo độ âm do hơi âm trong không khí làm thay đổi hăng số điện môi và được biểu diễn theo công thức:
_ 211 48Pbh —6
c= 1+“ (P+“”“0)10 (1.5)
trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối (9K), P là áp suat khi 4m (mmHg), Ppp là áp suất
Trang 24Từ công thức trên ta nhận thấy hằng số điện môi của khí âm tức là điện dung
của tụ tỷ lệ với độ âm tương đối Nếu thay đổi không khí bằng một chất điện môi
khác giữa 2 tắm cực của tụ điện thì có thể chế tạo ra một cảm biến đo độ âm > Amké hap thụ
Nguyên lý làm việc của am kế hấp thụ dựa trên sự hấp thụ hơi nước của một số
chất như Clorua Liti hoặc Anhidrit Photphoric Các chất này khi ở trạng thái khô điện
trở của chúng rất cao Lúc hút âm hơi nước ở môi trường xung quanh, điện trở giảm
một cách đáng kể Qua đó xác định được độ âm của môi trường cần đo
Quá trình đo độ âm bằng cách nung nóng dung dịch muối chứa trong âm kế cho đến khi áp suất hơi bão hòa ở phía trên dung dịch băng áp suất hơi của môi trường
không khí bình thường Từ nhiệt độ đó xác định được áp suất hơi và nhiệt độ hóa
sương Thường người ta chọn dung dịch muối bão hòa sao cho ở một nhiệt độ cho trước áp suất hơi càng nhỏ càng tốt
> Ảm kế quang
Nguyên lý hoạt động cơ bản của âm kế quang là sử dụng một gương phản chiếu mà nhiệt độ bề mặt nó được điều chỉnh chính xác nhờ một thiết bị điện cung cấp nhiệt độ Nhiệt độ gương được điều chỉnh tại ngưỡng T: (nhiệt độ hóa sương) Không khí cần đo độ âm được dẫn qua bề mặt gương và hệ thống điều khiến làm lạnh gương (dựa trên hiệu ứng Peltier hoặc ni tơ lỏng) cho đến khi xuất hiện sự ngưng tụ Khi suất hiện lớp sương trên bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ đến đầu thu quang và kích
thích bộ phát nhiệt làm nóng gương thông qua hệ điều khiển Khi nhiệt độ gương
tăng, lớp sương biến mắt và chấm đứt hiện tượng tắn xạ ánh sáng, chu kỳ sau làm
lạnh lại bắt đầu Với sự hiệu chỉnh thích hợp sẽ nhận được lớp ngưng tụ với độ dày
xác định và tạo được trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ Cảm biến nhiệt độ đặt sau gương cho phép xác định và điều chỉnh nhiệt độ gương
Ưu điểm của âm kế quang là có thê đo độ âm trong môi trường có phạm vi nhiệt độ rộng từ -70°C đến +100°C, độ chính xác cao +0,2% và có thể làm việc trong môi trường ăn mòn
Nhược điểm của thiết bị là cẫu tạo phức tạp, giá thành đắt và phải hiệu chỉnh thường xuyên
> _ Âm kế kiếu nhiệt dẫn
Cảm biến độ âm kiểu nhiệt dẫn (thermal conductivity — còn gọi là cảm biến độ
Trang 25không khí khô và không khí có chứa hơi nước Cảm biến này thường sử dụng một hệ có hai phần tử thermistors đóng vai trò như hai điện trở ở trong mạch cầu đo Cảm biến kiểu nhiệt dẫn có khả năng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, thậm trí là ngập nước
Hai phần tử nhạy nhiệt thermistors thường dùng là dạng NTC có hệ số nhiệt độ âm Một trong các phần tử được nhúng trong chất nito khô, phần tử kia được đặt trong
môi trường cần đo Sự sai biệt giá trị giữa hai NTC thermistors chính là độ âm tuyệt
đối
1.3 Cảm biến đo khí
Trong môi trường khí ngồi các thơng số quan trọng như nhiệt độ, độ âm ta còn phải kế đến các chất khí Bên cạnh các khí thông thưởng N›, O› trong khí quyền còn
có các chất khí thải COa, NO;, H;S Để phát hiện chất khí người ta dựa trên tính
chất của vật liệu bị thay đôi khi hấp phụ khí hoặc dựa trên tính chất quang, từ của chất khí cần phát hiện
Hiện nay trên thị trường có nhiều kiểu cảm biến khí được sử dụng để phát hiện những loại khí khác nhau như: cảm biến khí bán dẫn, cảm biến khí xúc tác, cảm biến khí điện hóa, cảm biến khí quang, cảm biến khí hồng ngoại Các loại khí mà cảm
biến có thể phát hiện được như khí ga hóa lỏng, NH:, CO, CO;, HS, Hạ, hơi thủy
ngan, NO, CHa, C3Hs, CaHio (Hinh 1.4)
Trang 26
I.3.1 Cảm biến khí bán dẫn
Các cảm biến khí bán dẫn dựa trên đặc tính vật liệu bán dẫn bị thay đổi điện
trở khi hấp phụ khí Các cảm biến khí loại này thường có câu tạo gồm một lớp bán dẫn nhạy khí, lò vi nhiệt, điện cực Vật liệu nhạy khí được phủ lên điện cực để lấy
tín hiệu đầu ra, lò vi nhiệt để kích hoạt vật liệu đến vùng nhiệt độ làm việc tối ưu để cải thiện đặc tính của cảm biến Thường cảm biến loại này tính chọn lọc kém do đó để cải thiện tính chọn lọc khí của cảm biến, người ta thường không dùng vật liệu thuần mà pha thêm tạp chất vào vật liệu nhạy khí
Cảm biến khí bán dẫn thường được phân ra làm hai dạng chính dựa trên cầu tạo
cũng như đặc tính hình học của lớp vật liệu nhạy khí: cảm biến khí dạng khối và cảm biến khí dạng màng (màng dày cỡ vài um đến vài chục um, màng mỏng cỡ vài trăm nm) (Hình 1.5)
Linh kiện cảm biến khí thường bao gồm các bộ phận chính sau: o Điện cực: Dùng để cấp dòng điện và lấy tín hiệu điện ra
© Lò vi nhiệt: Dùng để cung cấp nhiệt độ cho cảm biến đạt đến nhiệt độ làm
việc (nhiệt độ làm việc của cảm biến thường lớn hơn nhiệt độ môi trường)
o Lớp nhạy khí: Oxide bán dẫn (SnO¿, InaO¿, WO¿ ) có điện trở thay đổi theo
môi trường khí xung quanh Lớp nhạy khí thường được phủ lên điện cực 0XI điện cực laf 4 & =“ĩ De SIO Hình 1.5 Cấu tạo cảm biến khí: dạng khối (trái) và dạng màng (phải) I.3.2 Cảm biến khí xúc tác
Cảm biến khí xúc tác đã được sử dụng từ 50 năm trước để phát hiện sự rò rỉ khí đốt Ban đầu các cảm biến loại này được dùng đề theo dõi lượng khí trong những mỏ than Thông thường trong mỗi cảm biến luôn bao gồm hai phân tử: phần tử nhạy khí va phan tử bù Khi có mặt của khí cháy điện trở của phần tử cảm biến thay đổi nhanh và sự thay đối này được so sánh với điện trở phần tử bủ tương ứng Sự thay đổi điện
Trang 27
trở của phần tử cảm biến là do khí cháy tiếp xúc với bề mặt vật liệu sẽ cấp một lượng nhiệt cho dây lõi và làm thay đổi điện trở của dây lõi Hình 1.6 đưa ra hình ảnh của cảm biến xúc tác khi chưa đóng vỏ và khi đã đóng vỏ thành thương phẩm
Day Platin / Lớp xúc tác
@ )
Hình 1.6 Cứm biến khí xúc tác
Trong các thiết bị đo, người ta thường mắc cảm biến với các điện trở thuần để
tạo mạch cầu so sánh winston để lay tín hiệu ra Hình 1.7 chỉ ra sơ đồ mạch hoạt động của cảm biên xúc tác Bỏ bù Rl —_— 3 Dieu chinh bu Bo do nN @
Hình 1.7 Sơ đồ mạch hoạt động của cảm biến khí xúc tác
Thông thường các cảm biến loại này đều làm việc trong dải nhiệt độ rộng từ -
40°C đến 180°C và môi trường độ âm 0-100% I.3.3 Cảm biến khí điện hóa
Cảm biến điện hóa dựa trên tính chất điện hóa bị thay đổi khi tiếp xúc với khí thử Các cảm biến loại này thường có độ chọn lọc tốt tuy nhiên có cầu tạo phức tạp
hơn so với cảm biến khí bán dẫn và cảm biến khí xúc tác Cảm biến loại này đã được chế tạo và có thê phát hiện được hơn 300 loại khí khác nhau với dải nhiệt độ làm việc của cảm biến loại này từ -40°C đến +60°C
Trang 28Cảm hiến nhiệt độ Duong noi Điện cực đêm aie Bộ nhớ đữ liệu Lớp xóp bên troii Lớp bu nen
Chat điện phân Điện cực so sánh
Điện cực đo Lop lọc khí
Hình 1.8 Cấu tạo của cảm biến khí điện hóa
Các cảm biến có thể chứa 2 hoặc 3 điện cực được đặt trong chất điện phân, các điện cực thường được làm bằng vàng hoặc platin Lớp điện phân và không khí bao quanh được ngăn cách bởi một màng xốp Chất điện phân có thê là axit hữu cơ hoặc có thể là khoáng chất (Hình 1.9) Vỏ cảm biên e : ` Ý mai Chát điện phan Điền cực đêm - ° "« ° * ® s _° >>" Điện cực : ° „ * «se ° 7e@ - so sánh < Tìm hiệu › ` “ + ¿ > >
Mang Điện cực đo Điện trở
khuéch tán Bộ khuếch đại
Hình 1.9 Ho động của cảm biễn khí điện hóa
Khi khí cần phát hiện khuếch tán vào cảm biến thông qua một màng xốp và đến điện cực đo Tại điện cực đo xảy ra quá trình trao đối điện tử của chất khí với điện
cực, mặt khác do đặt điện áp cố định giữa điện cực đo và điện cực so sánh nên dòng
điện chạy qua lớp điện phân sẽ bị thay đổi Dựa vào sự thay đổi dòng điện ta có thể
biết được hàm lượng khí đến điện cực 1.3.4 Cam biến khí quang
Cảm biến khí quang được ứng dụng rộng rãi trong an toàn công nghiệp, trong gia đình, trong hệ thống kiểm sốt thơng hơi thông qua những phép đo chất lượng không khí Các cảm biến quang dựa trên sự phản xạ của ánh sáng trên bề mặt khi hấp phụ khí, sự hấp thụ bước sóng ánh sáng khi truyền qua môi trường khí
Trang 29
Nguyên lý chung của cảm biến khí quang là do các phân tử khí hấp thụ bức xạ điện từ gây ra sự biến thiên năng lượng điện tử của phân tử hay gây nên sự thay đổi các trạng thái dao động, sự quay của phân tử khí Mặt khác với mỗi hỗn hợp khí khác
nhau thì sự hấp thụ cường độ bức xạ điện từ là khác nhau nên dựa trên sự hấp thụ bức
xạ điện từ ta có thể xác định được nồng độ chất khí Chính vì vậy cảm biến loại này
là cho độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt và ít nhiễu Tuy nhiên cảm biến này phức tạp,
céng kénh va dat tién
I.4 Lựa chọn cảm biến cho thiết bị đo
Như đã phân tích ở trên, mỗi cảm biến có ưu và nhược điểm riêng Trong luận
văn với bài toán đặt ra là xác định được một số thông số môi trường khí và đặc biệt
phải cho phép quan trắc thông số môi trường khí từ xa Với mục tiêu đặt ra cho thiết
bị có tính mở cao, nhiều loại cảm biến khác nhau đã được thử nghiệm Tuy nhiên,
trong chế tạo thiết bị, luận văn giới hạn với việc xác định thông số là nhiệt độ, độ âm và một loại khí trong môi trường Cảm biễn lựa chọn sử dụng trong luận văn phải đáp ứng được yêu cầu:
+ Độ chính xác, tính ôn định và độ bên tốt
+ Dễ dàng ghép nối và tích hợp với các mạch điện tử khác
Từ lý thuyết về cảm biến và các loại cảm biến sẵn có trên thị trường, nhằm đáp ứng được hai yêu cầu trên, tôi lựa chọn cảm biến đo nhiệt độ dạng cảm biến điện trở
(nhiệt kế điện trở) và đo độ âm dạng âm kế hấp thụ Khí đo trong môi trường được
lựa chọn là khí CO; với cảm biến khí bán dẫn Cảm biến nhiệt độ và độ âm đã được
tích hợp sẵn trong linh kiện DHT22 và cảm biến đo khí CO; là cảm biến loại MQ135
Các đặc trưng chi tiết của các cảm biến sử dụng chế tạo thiết bị sẽ được trình bày chi
Trang 30CHUONG 2 THIET KE VA CHE TAO THIET BI
II.1 Xây dựng tính năng và thiết kế mô hình thiết bị
Đề xây dựng tính năng cho thiết bị, tôi đã tìm hiểu trên thị trường về các thiết
bị có tính năng đo thông số môi trường khí Các thiết bị hiện có chủ yếu là các thiết bị cầm tay với 3 tính năng đo độ âm, nhiệt độ và nồng độ CO; và không cho phép quan trắc thông số từ xa Các đữ liệu đọc trực tiếp ở trén may Hang EXTECH — USA là một trong những hãng hàng đầu vẻ thiết bị đo đã cung cấp ra thị trường hai dòng máy “Máy đo khí COa, Nhiệt độ, Độ âm - EA80” và “Máy đo khí CO¿, nhiệt độ và
độ âm trong nhà Extech CO100”
EXTECH DU T710
Hình 2.1 1⁄4y đo khí COsz, Nhiệt độ, Độ ẩm - EA80 và CO100
Thông số kỹ thuật Phạm vi Độ phân giải Carbon Dioxide (CO2) 0 đến 6.000ppm lppm
Nhiệt độ -4 đến 140 ° F (-20 đến 60 °C) 0,1°FE/°C
Độ âm 10 đến 95% 0,1%
Kích thước / Trọng lượng 135 x 72 x 31mm /235g
V6i “May do khi CO2, nhiét d6 va dé 4m trong nha Extech CO100”, đây là thiết
bi dé bàn cho phép kiểm tra chất lượng CO; trong nhà, giám sát đo nồng độ CO> tir 0
đến 9999 ppm, nhiệt độ không khí -5°C đến 50°C và độ âm 0.1 đến 90.0% (Hình 2.2) Cả hai thiết bị kế trên của hãng EXTECH đều dùng cảm biến quang đo khí CO¿ với
công nghệ hồng ngoại không phân tán NDIR
Với các trạm đo thông số môi trường có kết nối cơ sở dữ liệu thì kích thước thiết
bị tương đối lớn, chi phí sản xuất đắt và chỉ phí vận hành cao Trên hình 2.2 là hình
Trang 32Việc có các máy phân tích môi trường khí gồm các cảm biến về nhiệt độ, độ
âm, nồng độ khí CO2 trong môi trường cho thấy nhu cầu về thiết bị đo với việc do ba thông số trên là rất cần thiết Biết các thông số môi trường đó có thê phục vụ cho việc nuôi trồng cây trong nhà kính, phục vụ kiểm tra chất lượng môi trường sống
Từ các thiết bị đã tìm hiểu, trong luận văn này, tôi xây dựng một thiết bị dựa
trên một mô hình trạm thu thập thông tin môi trường, có khả năng kết nối và trao đổi thông tin trên nền web Nghiên cứu khả năng kết nối nhiều trạm để có thể phục vụ cho các đề tài khoa học phức tạp hơn Sơ đồ khối của thiết bị được đưa ra trên hình
2.3 Trong luận văn này, 3 thông số môi trường là nhiệt độ, độ âm, nồng độ khí CO; được nghiên cứu mang tính đại diện cho các thông số môi trường cần khảo sát
Như đã nói ở chương 1, trong luận văn này tôi lựa chọn cảm biến là DHT22
dùng để đo nhiệt độ, độ ẩm và cảm biến MQ135 và chất lượng không khí với khí đo là COa Với mạch điều khiễn trung tâm, tôi lựa chọn mạch ESP32 đề thu thập dữ liệu
và đưa đữ liệu đo được lên webserver
Các tính năng kỹ thuật chính của thiết bị được đưa ra trên bang 2.1:
Bảng 2.1 Tính năng kỹ thuật chính của thiết bị
Tên thiết bị Trạm đo thông số môi trường Nguôn nuôi 220V / pin lithium
Dai do nhiét d6 0+ 80°C Độ phân giải nhiệt độ 0.5 0C
Sai số nhiệt độ + 0.5 0C
Dải đo độ âm 0 ~ 100%RH
Độ phân giải độ âm 0.5 %RH
Sai số độ âm +1%RH
Các khí có thê phát hiện NH, NOx, rượu, Benzen, khói, CO;
Pham vi phat hiện khí 200 + 10000 ppm
Kha nang thay thé Có thé thay thê dễ dàng theo từng module b6 phan
I2 Cäm biến nhiệt độ và độ 4m DHT22
IL2.1 Giới thiệu về cảm biến nhiệt độ và độ âm DHT22
Module cảm biến nhiệt độ và độ âm DHT22 là một trong các module cảm biến
Trang 33chất lượng tốt, phản ứng nhanh với sự thay đổi của môi trường, khả năng chống nhiễu
mạch mẽ và tính ỗn định cao
Cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ theo cấu trúc nhiệt điện trở và cảm biến
độ âm theo cấu trúc dạng tụ có chất giữa hai bản hấp thụ hơi nước, và được kết nối
với vi điều khiến 8 bít có tích hợp các bộ chuyển đổi ADC Các giá trị đo được đều
được bù nhiệt độ và được hiệu chuẩn trước trong buông hiệu chuẩn chính xác, hệ số hiệu chuẩn đã được lưu lại trong bộ nhớ OTP, khi cảm biến đo số liệu nó sẽ trích dẫn
hệ số và bù vào giá trị đo Giao tiếp của DHT22 theo chuẩn One-bus (tín hiệu số qua một dây) với ba chân ra khiến cho việc kết nối với các module khác dễ dàng và thuận tiện [9]
Với thiết kế nhỏ gọn, tiêu thụ điện năng thắp module DHT22 trở thành sự lựa chọn tốt nhất trong các loại ứng dụng đo nhiệt độ và độ âm môi trường ngay cả trong
những điều kiện có nhiều đòi hỏi khắt khe Bảng 2.2 là các thông số kỹ thuật chính
của module cảm biến nhiệt độ và độ âm DHT22
Bang 2.2 Các thông số chính của DHT22 Tên module DHT22 Nguồn nuôi 3.3—6 VDC
Tín hiệu ra Tín hiệu sô chuân One-bus
Cảm biến nhiệt Nhiệt điện trở NTC
Trang 3411.2.2 Cau tric bén trong của cảm biến DHT22
Cảm biến được bảo vệ bên trong vỏ nhựa mềm Trong vỏ máy có hai cảm biến,
cảm biến nhiệt độ NTC (nhiệt điện trở) và cảm biến độ ẩm (Hình 2.4)
Cảm biến nhiệt độ NTC được chế tạo bằng vật liệu mà điện trở của nó sẽ thay đổi tăng hoặc giảm nhiệt độ Cảm biến độ âm gồm có 2 lớp điện cực kẹp giữa lớp chất hấp thụ hơi nước (thường là polymer hoặc muối dẫn điện) Các ion sẽ được giải phóng trong chất hấp thụ khi có mặt của hơi nước làm tăng độ dẫn giữa hai điện cực Sự thay đổi điện trở giữa 2 điện cực tỷ lệ thuận với độ âm tương đối Độ âm tương đối cao hơn làm giảm điện trở giữa 2 cực, trong khi độ âm tương đối thấp hơn làm tăng điện trở giữa 2 cực [5, 9, 10] - Lớp điện cực trên + Lop hap thụ hơi nước - Lớp điện cực dưới > de Hinh 2.4 Cau truc bén trong cua cam bién dé am Thermistor Characteristic 104Q NTC Curve Điện trở NTC Thermistor Nhiệt độ
Hình 2.5 N?”iệt điện trở NTC và đường đặc trưng
Sơ đồ chân của DHT22 như trên hình 2.6
Chân | Ký hiệu | Tính năng + ' + 1 VCC Chan cap ngu6n
Trang 35II2.3 Lập trình ghép nối DHT22 voi MCU
Tùy theo loại MCU mà cách ghép nối và lập trình có hơi khác nhau Đề cho dễ, ta xem xét cách lập trình ghép nỗi DHT22 với mạch Arduino UNO Hinh 2.7 1a so
đồ nối chân của mach Arduino ƯNO với cảm biến DHT22 [5, 10, 12] eo RA RSP HANGS weerewetige de neee weeeree be dew eee
Hình 2.7 Sơ đồ nối chân mach Arduino UNO v6i DHT22
Đề viết chương trình cho arduino ƯNO đầu tiên ta phải cài đặt chương trình viết
mã, biên dịch và nạp code cho arduino là Arduino IDE tai tai
hftps:/www.arduino.cc/en/Main/Software Sau đó, tiếp tục tải thư viện cho module DHT22 tại https://playground.arduino.cc/Main/DHTLib/ Mo Arduino IDE và thêm thư viện của DHT22 vào theo “Sketch > Include Library >Add ZIP Library ” va chọn tới thư mục chứa file thư viện của DHT22 vừa tải về Viết mã lệnh theo bảng 2.3 vao Arduino IDE
Bang 2.3 Ma lénh cho Arduino IDE
#include <dht.h>
#define dataPin 8 // Dinh danh chan néi voi cam bién
dht DHT; /! Tạo đối tượng DHT void setup() { Serial.begin(9600); //Khởi tạo và thiết lập tốc độ ghép nối với máy tính } void loop() {
int readData = DHT.read22(dataPin); //Doc dt liéu tt DHT float t = DHT.temperature; // Lay giá trị nhiệt độ
floath= DHT.humidity; // Lấy giá trị độ âm
Trang 36// In kết quả ra màn hình máy tính qua cửa sô Serial Monitor Serial.print("Temperature = "); Serial.print(t); Serial.print(" "); Serial print((char)176); /In ký hiệu nhiệt độ Serial.print("C |"); Serial.print((t * 9.0) / 5.0 + 32.0); //Nhiét d6 & Fahrenheit Serial print(" "); Serial print((char) 176); Serial.printIn("F "); Serial print("Humidity = "); Serial print(h); Serial.printIn(" % "); Serial.println(""); delay(2000); // Trễ 2 giây
Trang 37I3 Cam biến khí MQ135
H.3.1 Giới thiệu về cảm biến khí MQ135
MQ135 là một trong những cảm biến khí thường được sử dụng trong loạt cảm biến MQ Đó là cảm biến khí loại bán dẫn oxit kim loại (MOS), việc phát hiện dựa
trên sự thay đổi điện trở của vật liệu cảm biến khi khí tiếp xúc với vật liệu Sử dụng
một mạng phân chia điện áp đơn giản, nồng độ khí có thể được phát hiện [5, 10] Cảm biến này có thé nhận biết được các chất khí như NH:, NO,, hơi côn,
Benzen, Khói, gas, CO¿ Đa số khí nó nhận biết đều là khí tạp chất và không có
lợi cho sức khỏe nên chính vì vậy người ta gọi nó là cảm biến chất lượng không khí Các thông số kỹ thuật chính của cảm biến MQ135
> Pham vi phát hiện rộng 200 ~ 10000 ppm Phản ứng nhanh và độ nhạy cao
Thời gian làm việc lâu dài và ồn định, giá thành thấp
Điện áp hoạt động là + 5V
Điện trở tải: Thay đổi được (2kOm —> 47kOm)
Điện trở heater: 33om
Phát hiện NH:, NO;, rượu, Benzen, khói, CO, v.v
Điện áp đầu ra tương tự: 0V đến 5V
Điện áp đầu ra số: 0V hoặc 5V (Logic Logic) Thời gian làm nóng trước 20 giây
Có thể được sử dụng như một cảm biến số hoặc tương tự Độ nhạy của chân ra số có thể được thay đổi bằng chiết áp
Công suất tiêu thụ của lò vi nhiệt: Nhỏ hơn 800mW
Cảm biến khí bán dẫn thường có độ chọn lọc không cao Tuy nhiên với module V V V VY V V V V V VỐYYVY MQ135 nhà sản xuất đã xây dựng thư viện và hiệu chuẩn sẵn cho việc ứng dụng đo khí CÓ:
11.3.2 Cấu trúc bên trong của cảm biến MQ135
Cảm biến thực sự được bao bọc trong hai lớp lưới thép không gỉ tốt gọi là mạng chống cháy Nó đảm bảo rằng bộ phận làm nóng bên trong cảm biến sẽ không gây ra cháy, vì chúng ta đang cảm nhận được khí dễ cháy Nó cũng cung cấp bảo vệ cho cảm biến và lọc các hạt lơ lửng để chỉ các phần tử khí mới có thể đi vào bên trong buồng Lưới được buộc vào phần còn lại của cảm biến thông qua một vòng kẹp mạ
Trang 38Clamp Ring S@sft Element M :435 Antl-Explosion Network (a) (b)
Hinh 2.9 Cam bién MQ135 cé ludi bdo vé (a) và khi thảo lưới bảo vệ Trên hình 2.9 b là cảm biến khi lưới bên ngoài được gỡ bỏ Cấu trúc hình ngôi sao được tạo thành bởi cảm biến và sáu chân kết nối vượt ra ngoài theo chuẩn Bakelite Trong số sáu chân nối, hai dây dẫn (H) chịu trách nhiệm làm nóng phần tử cảm biến và được kết nối thông qua cuộn Niken-Crom, hợp kim dẫn điện nỗi tiếng Bốn chân còn lại (A & B) chịu trách nhiệm về tín hiệu đầu ra được kết nối bằng cách sử dụng Dây bạch kim Các dây này được kết nối với phần tử cảm biến và truyền những thay đổi nhỏ trong dòng điện đi qua phần tử cảm biến
Phần tử cảm biến hình ống được tạo thành từ gốm dựa trên nhôm Oxide (AlaO:) và có lớp phủ Tin Dioxide (SnO2) Tin Dioxide là vật liệu quan trọng nhất nhạy cảm với các khí dễ cháy Tuy nhiên, chất nền gốm chỉ làm tăng hiệu quả sưởi ấm và đảm bảo khu vực cảm biến được làm nóng đến nhiệt độ làm việc liên tục Vì vậy, cuộn dây Niken-Crom và gốm oxit nhôm tạo thành một hệ thống sưởi ấm; trong khi dây bạch kim và lớp phủ của Tin Dioxide tạo thành một hệ thống cảm biến
Aluminum Oxide {Al203) based Ceramic
a Coating of
Tin Dioxide
Aluminum Oxide Coating of
Trang 39Khi thiếc dioxide (hạt bán dẫn) được nung nóng trong không khí ở nhiệt độ cao, oxy sẽ bị hấp phụ trên bề mặt Trong không khí sạch, các điện tử bên trong thiếc dioxide được thu hút về phía oxy được hấp phụ trên bề mặt vật liệu cảm biến, điều
này ngăn chặn dòng điện Khi có sự khử khí, mật độ bề mặt của oxy bị hấp phụ giảm
khi nó phản ứng với các khí khử Các electron sau đó được giải phóng vào thiếc dioxide, cho phép dòng điện chạy tự do qua cảm biến
Trên hình 2.11 a là sơ đồ chân của cảm biến, hình 2.11 b là sơ đồ mạch khi ghép
cảm biến thành module, hình 2.11 e là sơ đồ mạch khi ghép cảm biến thành module có điều chỉnh ngưỡng nhạy cho tín hiệu kênh ra số Bảng 2.4 mô tả các chân ra của cảm bién va module cam bién MQ135 —higaal tuteut Pin No, Pin Name Analog Ootput Ground (a) (b) (c)
Hình 2.11 Sơ đồ chân cảm biến MQ135 và mạch module Bang 2.4 Các chân ra của cảm biến và module cam biến MO135 Số chân | Ký hiệu Mô tả Với cảm biên
1 H Có 2 chân H, 1 chân nỗi với VCC, 1 chân nỗi với GND A Đây là 2 chân câp nguôn cho lò nung cảm biên, có thê dùng 3 B lẫn cho nhau và nối vào nguồn nuôi Với module cảm biên 1 VCC Nguôn nuôi 2 GND Chân nôi đất
3 Digital Out | Đâu ra tín hiệu sô TTL
4 Analog Out Đâu ra tín hiệu tương tự 0V + 5V
Trang 40
Điện áp đầu ra tương tự được cung cấp bởi cảm biến thay đổi tý lệ thuận với nồng độ khí Nồng độ khí càng lớn, điện áp đầu ra càng cao; trong khi nồng độ khí thấp hơn dẫn đến điện áp đầu ra thấp Tín hiệu tương tự từ cảm biến MQ135 được
đưa thêm vào bộ so sánh độ chính xắc cao LM393 (được hàn ở dưới cùng của mô-
đun), để số hóa tín hiệu Cùng với bộ so sánh là một chiết áp nhỏ bạn có thể xoay để
điều chỉnh độ nhạy của cảm biến, ta có thể sử dụng nó để điều chỉnh nồng độ khí mà
cảm biến phát hiện ra
11.3.3 Lập trình ghép nối MQ135 với MCU
Sơ đồ kết nối và làm việc của cảm biến được đưa ra trên hình 2.12 Cảm biến
cần phải được cấp 2 nguồn điện áp: điện áp lò vi nhiệt (Vn) và điện áp nuôi (Vc) Nguồn Và sử dụng để cung cấp nhiệt độ làm việc của cảm biến, trong khi nguồn Vc sử dụng để tạo điện áp (Vout) trên điện trở tải (Ru) khi nối tiếp với cảm biến Hai nguồn Vẹ và Vụ có thê sử đụng cùng một mạch nguồn để đảm bảo hiệu suất của cảm
biến Để sử dụng cảm biến với hiệu suất tốt nhất, gia tri Ri cần lựa chọn phù hợp nên
chon 1a 20kQ (dai diéu chỉnh từ 10kO đến 47k©) [6, 11, 12]
Hình 2.12 Sơ đồ nối chan cam bién MOQ135
Trong mạch trên, điện tro Ri kết hợp với điện trở cảm biến Ras tạo thành mạch
phân áp và điện áp trên R¿ tý lệ thuận với nồng độ khí vào cảm biến Điện trở của cảm biến Rs được tính theo công thức 2 l
Rs = (2-1) xk, (2.1)
out
Trên hình 2.13 là đường đặc tính của cảm biến ứng với một số loại khí mà cảm
biến đo được ở điều kiện nhiệt độ 20°C, độ âm 65%, khi O2 21% va Ri= 20 kQ [9] Trong đó Ro là điện trở cảm biến ở trong phòng sạch với nồng d6 NH3=100 ppm, Rs
điện trở cảm biên