Ngày nay, người ta sử dụng một phương pháp đo và hiển thị số liệu mới đó là: Sử dụng bộ cảm biến kết nối với bộ ghép nối hoặc kết nối trực tiếp với máy vi tính. Việc thu thập các số liệu đo về đối tượng nghiên cứu được đảm nhiệm bởi bộ cảm biến. Nguyên tắc làm việc của bộ cảm biến là: các tương tác của đối tượng đo lên bộ cảm biến dưới các dạng khác nhau như cơ, nhiệt, điện, từ, quang,…đều được chuyển thành tín hiệu điện. Tuy nhiên, mỗi bộ cảm biến nói chung chỉ có một chức năng hoặc chuyển tín hiệu cơ sang tín hiệu điện hoặc chuyển tín hiệu quang sang tín hiệu điện…Vì vậy, ứng với từng phép đo khác nhau mà người ta phải dùng các cảm biến khác nhau. Ví dụ, để đo nhiệt độ, dùng cảm biến nhiệt độ; để đo áp suất, dùng cảm biến áp suất; để đo vị trí, vận tốc và gia tốc ta dùng cảm biến chuyển động.
Mỗi cảm biến (đo các đại lượng vật lí khác nhau hoặc do các công ty khác nhau sản xuất) có nguyên tắc hoạt động riêng về mặt kĩ thuật để các chuyển tín hiệu thành tín hiệu điện. Ở một số phòng TN vật lí phổ thông, ta có thể gặp một số bộ TN có sử dụng các cảm biến do các công ty khác nhau sản xuất như: Cassy, Comex, Cobra, Vernier (CHLB Đức), Pasco (Mỹ), Addestation (Singapore),...
Một trong các loại cảm biến thường dùng trong các thí nghiệm cơ học nhưng ít được sử dụng trong chương trình vật lý phổ thông là cảm biến SONAR (Sound Navigation Ranging). Nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến SONAR là tạo ra các xung sóng siêu âm truyền đến một đối tượng và ghi nhận xung phản xạ trở lại cảm biến. Sóng âm được truyền đi trong môi trường nước với vận tốc cỡ 1500 m/s, trong chất rắn khoảng 5000 m/s, còn đối với không khí khoảng 343 m/s. Nếu một cảm biến phát ra đồng thời các sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ, thì ta đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, từ đó có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý Time Of Flight (TOF):
Nguyên lý Time Of Flight : S = v×
2
t
Với v = 343 m/s : vận tốc sóng âm trong không khí.
Các cảm biến sonar được dùng trong các TN cơ học ở trường THPT được nhiều công ty khác nhau sản xuất. Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận văn, tôi sử dụng bộ cảm biến sonar có tên gọi là “Go! Motion” của hãng Vernier, để xây dựng bộ TN cơ học ở trường THPT. Vì bộ cảm biến này có nhiều ưu điểm hơn so với các cảm biến sonar của các hãng khác, chẳng hạn như nó rất nhỏ gọn, linh động, kết quả đo đạc rất chính xác và phần mềm xử lí số liệu kèm theo có giao diện đẹp, dễ sử dụng…rất phù hợp với các TN cơ học ở trường THPT hiện nay.
Cảm biến Go! Motion được sử dụng để thu thập các dữ liệu về vị trí, vận tốc, gia tốc của các đối tượng
chuyển động. Cổng USB của cảm biến cho phép kết nối trực tiếp với cổng USB của máy tính mà không cần thiết bị ghép tương thích như các cảm biế khác, điều này làm đơn giản hóa việc thiết lập các thí nghiệm. Các dữ liệu thí nghiệm được thu thập và xử lí bởi phần mềm Logger Pro được cài đặt trên máy vi tính.
Hình 2.1. Nguyên lí TOF
Cảm biến Go! Motion phát ra các sóng siêu âm từ đầu dò của máy và các sóng này hợp thành một hình nón với góc ở đỉnh từ 150 đến 200
. Khi các sóng này gặp đối tượng TN thì bị phản xạ trở lại
và đầu dò cảm biến thu nhận lại các sóng phản xạ. Cảm biến tiến hành xác định thời gian sóng siêu âm đến đối tượng TN và quay trở lại đầu dò cảm biến. Sử sụng thời gian này và vận tốc âm thanh trong không khí để xác định khoảng cách từ cảm biến đến đối đượng gần nhất theo nguyên lí TOF.
Cảm biến Go!Motion có khả năng xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của các đối tượng chuyển động trong phạm vi cách đầu dò cảm biến từ 0,15 m đến 6 m. Phạm vi này cho phép các sóng phản xạ trở về cảm biến mà không bị lạc đi. Go!Motion có chức năng điều chỉnh (bù) nhiệt độ tự động, cho phép ta sử dụng nó trong nhà ở nhiệt độ phòng hoặc ngoài trời ở nhiệt độ lớn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ phòng.
Hình 2.3. Giao diện phần mềm Logger Pro
Trục xoay của cảm biến Go! Motion rất linh động, giúp cho việc hướng đầu dò cảm biến đến đối tượng TN cần đo dễ dàng. Ngoài ra, để gắn cảm biến trên các giá đỡ TN, bàn hoặc ghế…, ta có thể dùng kẹp có ốc vít gắn cố định vào mặt sau của cảm biến. Rồi dùng kẹp gắn cố
định lên các giá đỡ, hoặc bàn ghế… để hướng đầu dò cảm biến vào đối tượng TN cần đo một cách dễ dàng.
Hai vấn đề thường gặp khi tiến hành đo đạc với cảm biến Go! Motion là thiết bị không phát hiện được đối tượng TN cần đo và hai là đồ thị biểu diển số liệu thất thường hoặc bị nhiễu. Để khắc phục điều này ta cần phải lưu ý những vấn đề sau:
- Phải đặt đối tượng TN trong pham vị đo đạc của cảm biến, cách cảm biến khoảng từ 0.15 m đến 6 m.
- Tiến hành điều chỉnh nút gạt cảm biến đến vị trí phù hợp với đối tượng TN, để thiết lập lại độ nhạy của cảm biến và tiến hành việc đo đạc lại.
- Kiểm tra xem trong phạm vi giữa cảm biến và đối tượng TN có vật nào khác ( chẳng hạn như một phần bàn, ghế, hay quyển sách…) nằm trong phạm vi hình nón của sóng siêu âm phát ra. Nếu có, phải loại bỏ khỏi phạm vi đo đạc của cảm biến, vì nó có thể làm nhiễu các sóng phản xạ về cảm biến.
- Thử thay đổi tốc độ thu thập dữ liệu, vì đôi khi trong từng điều kiện TN khác nhau thì việc thay đổi tốc độ thu thập dữ liệu giúp cảm biến đo đạc chính xác hơn.
- Nếu bề mặt đối tượng TN gồ ghề, không bằng phẳng thì đôi khi các sóng phản xạ trở lại đầu dò của cảm biến và đôi khi không. Do đó kết quả đo đạc bị nhiễu, cách khắc phục là gắn thêm một tấm chắn có bề mặt bằng phẳng vào đối tượng TN để việc phản xạ sóng siêu âm trở lại đầu dò cảm biến tốt hơn.
- Nếu có một nguồn khác phát ra sóng siêu âm có cùng dải tần số với sóng siêu âm do cảm biến phát ra, dẫn đến là làm cho cảm biến đo đạc không chính xác nữa. Chẳng hạn như việc hoạt động của các động cơ, máy quạt, máy lạnh…, do đó khi tiến hành TN ta nên phải tắt các máy móc này.