Phân loại cảm biến nhiệt

- Cặp nhiệt điện ( Thermocouple ).

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao. - Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,… - Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C

Hình 3. 1 Cặp nhiệt điện

- Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động V tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. Các bạn lưu ý điều này để chọn đầu dò và bộ điều khiển cho thích hợp.

- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, yếu tố dẫn đến không chính xác là chổ này, để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).

Lưu ý khi sử dụng:

- Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ).

Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ). Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.

- Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng

3.1.3 Thermistor

- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,… - Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.

- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo. - Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.

- Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.

- Tầm đo: 50 <150 D.C.

Cấu tạo Thermistor.

- Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột ocid. Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao. Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.

- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC.

- Thermistor chỉ tuyển tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-150D.C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, các bác nhà ta thường gọi là Tẹt-mít. Cái Block lạnh nào cũng có một vài bộ gắn chặt vào cuộn dây động cơ.

Lưu ý khi sử dụng:

- Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC ( gọi nôm na là thường đóng/ thường hở ) Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM.

- Ưu điểm: Rẽ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.

- Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.

- Tầm đo: -50 <150 D.C.

Hình 3. 3 Bán dẫn

- Cảm biến nhiệt Bán Dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn. Có các loại như Diode, Transistor, IC. Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường. Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẽ tiền,….

tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45. Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi. Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch.

Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hổ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới trong “ thế giới cảm biến”.

IC cảm biến nhiệt DS18B20

Lưu ý khi sử dụng:

- Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến.

- Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác.

- Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.

3.1.5 Nhiệt kế bức xạ ( còn gọi là hỏa kế- pyrometer ).

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt. - Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi

xạ năng lượng. Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.

Lưu ý khi sử dụng:

- Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm đo khác nhau, tuy nhiên đa số hỏa kế đo ở khoảng nhiệt độ cao. Và vì đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nên mức độ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh ( góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường ).

3.1.6 Cảm biến nhiệt độ LM35

LM35 là một họ IC cảm biến nhiệt độ sản xuất theo công nghệ bán dẫn dựa trên các chất bán dẫn dễ bị tác động bởi sự thay đổi của nhiệt độ , đầu ra của cảm biến là điện áp(V) tỉ lệ với nhiệt độ mà nó được đặt trong môi trường cần đo.

Họ LM35 có rất nhiều loại và nhiều kiểu đóng vỏ khác nhau.

Hình 3. 4 Cảm biến nhiệt độ LM35

Đặc điểm nổi bật

Đo nhiệt độ với thang đo nhiệt bách phân (0 C) Độ phân giải : 10mV/10C

Khả năng đo nhiệt độ trong khoảng: - 55 đến +150 (0 C) Nguồn áp hoạt động : 4V đến 30V

Điện áp đầu ra : +6V đến -1V

Vận tốc ánh sáng được xác định v = c/n

trong đó c vận tốc trong chân không c = 299792km/s n chiết suất của môi trường truyền sóng Sự liên hệ giữa tần số f và bước sóng λ :

f

V

=

λ

f

c

=

λ

Dãy phổ ánh sáng được biểu diễn như hình :

Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất . Ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng lượng Wφ phụ thuộc vào tần số .

Wφ = hf

Trong đó h là hằng số Planck h = 6,6256.10-34Js

Trong vật chất các hạt điện tử luôn có xu hướng trở thành điện tử tự do . Để giải phóng được các hạt điện tử khỏi nguyên tử thì cần 1 năng lượng tối thiểu bằng

năng lượng liên kết WL . Do đó nếu photon cần hấp thụ 1 hạt điện tử thì cần 1 điều kiện là W_φ ≥ WL . Khi đó ta có ;

h

W

f ≥

Bước sóng ngưỡng ( bước sóng lớn nhất ) của ánh sáng là bước sóng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính từ biểu thức :

hc

=

chuyển năng lượng của chúng thành năng lượng của dao động nhiệt. Đối với vật liệu có hệ số phản xạ R lớn và bị chiếu bởi ánh sáng đơn sắc có công suất φ thì :

Số photon chiếu đến trong 1 giây :

hc

hv

n

₌ φ ₌ λφ

Số photon hấp thụ trong 1 giây :

hc

R

n

R

n

_{=(1− )}

_{=(1− )}λφ

hc

R

n

G _=η.

_{=η(1− )} λφ

Trong đó η là hiệu suất lượng tử ( số điện tử hoặc lổ trống trung bình được giải phóng khi 1 photon được hấp thụ )

b. Đơn vị đo quang

Năng lượng bức xạ ( Q ) là năng lượng phát xạ , lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ , được đo bằng Jun ( J ) .

hông lượng ánh sáng ( φ ) là công suất phát xạ , lan truyền hoặc hấp thụ , đo bằng đơn vị oat ( W ).

dt

dQ

=

Cường độ ánh sáng ( I ) là luồng năng lượng phát ra theo 1 hướng cho trước dưới 1 đơn vị góc khối , có đơn vị đo là oat/steradian.

Ω

=

d

d

I φ

Độ chói năng lượng : là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi 1 phần tử bề mặt dA theo 1 hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó

dA

=dAcosθ

n

dA

dI

L =

Độ rọi năng lượng ( E ) là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi 1 phần tử bề mặt va diện tích phần tử đó . Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2 .

dA

d

E ₌ φ

Tên định nghĩa Đ/v thị giác Đ/v năng lượng Luồng ( thông lượng )

Cường độ Độ chói Độ rọi Năng lượng Lumen ( lm ) Candela ( cd ) Candela/m2 ( cd/m2 ) Lumen/m2 hay lux ( lx ) Lumen.s ( lm.s ) Oat ( W ) Oat/sr ( W/Sr ) Oat/sr.m2 ( W/sr.m2 ) W/m2 Jun ( J )

Được cấu tạo gồm 1 dây wonfram có vỏ bọc bằng thủy tinh hoặc thanh anh có chứa chất khí hiếm hoặc halogen ( I2 ) . Đèn wonfram co đặc điểm :

Thông lượng lớn , dãy phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc.

Do có quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ 1 cách nhanh chóng ,tuổi thọ thấp , dễ vở .

- Diode phát quang :

Thời gian hồi đáp nhỏ , khoảng vài ns do vậy có khả năng thay đổi theo tần số cao .Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định , độ tin cậy cao , bền theo thời gian Thông lượng tương đối nhỏ ( ~ 10mW ) và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm của đèn . -Lazer :

Tia Lazer là nguồn sáng đơn sắc , độ chói lớn , rất định hướng và đặc biệt có tính liên kết mạnh ( rất khó xãy ra tán sắc ánh sáng )

Lazer lá ánh sáng có bước song đơn sắc hòan toàn xác định , thông lượng lớn , có khả năng nhận được chùm tia mảnh với độ định hướng cao và truyền đi với khoảng cách rất lớn .

3.2.2 Điện Trở Quang ( photo register )

Các cảm biến điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ của bức xạ đó . Quang trở là 1 trong những cảm biến có độ nhạy cao . Nguyên tắc chế tạo quang trở là dựa trên hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội ( hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẩn điện của vật liệu ).

a. Cấu tạo :

Cảm biến quang thường được cấu tạo bằng các chất bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp chất .

Đa tinh thể : CdS, CdSe, CdTe , PbS, PbSe, PbTe.

Đơn tinh thể : Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe.

Tùy theo chất cấu tạo mà quang trở có vùng phổ làm việc khác nhau

b. Điện trở :

Một quang trở có giá trị điện trở tương đương với 2 điện trở ghép song song gồm điện trở tối Rco và điện trở Rcp được xác định bởi hiệu ứng quang điện do ánh sáng tác động .

Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo , dạng hình học , kích thước và nhiệt độ. Các chất PbS , CdS, CdSe có giá trị điện trở tối khá lớn : từ 104 đến 109

ở nhiệt độ 250C.

Các chất SbIn, SbAs, CdHgTe có giá trị điện trở tối khá nhỏ : từ 10Ω đến 103 Ω ở nhiệt độ 25 0C

Điện trở Rcp được xác định theo biểu thức :

γ

φ

= a

R

Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến tính . Tuy nhiên có thể tuyến tính hoá nó bằng cách ghép song song với 1 điện trở

Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng

Điện trở RC phụ thuộc vào nhiệt độ , độ nhạy nhiệt của quang trở càng nhỏ khi độ rọi càng lớn . Giá trị điện trở sẽ bị giảm chậm ở những điều kiện làm việc giới hạn khi độ rọi và điện áp đặt vào quá lớn .

Dựa vào sơ đồ tương đương của quang trở , độ dẫn điện của quang trở là tỏng độ dẩn sáng và độ dẫn tối . cp co c

G G

G = +

Khi làm việc quang trở được phân cực 1 điện áp V sẽ có 1 dòng điện đi qua nó được xác định P O CP CO c

V G V G V I I

G

I = = + = +

Trong đó Io dòng tối , Ip dòng quang điện

Tuy nhiên trong điều kiện sử dụng Io << Ip nên dòng quang điện có thể được xác định theo biểu thức

a

V

I

.φ

=

Đối với luồng bức xạ có phổ xác định , tỹ lệ chuyển đổi tĩnh :

1 −

= φ

φ a

V

I

Việc xác định giá trị điện trở của quang trở hoặc xác định sự thay đổi cần phải có mạch đo phù hợp , nghĩa là phải được cấp dòng không đổi và ghép theo sơ đồ đo điện thế hoặc sơ đồ cầu Wheatstone, mạch khuếch đại thuật toán. Trong thực tế thường được ứng dụng 2 trường hợp là điều khiển reley và thu tín hiệu quang .

Sơ đồ ứng dụng quang trở

3.2.3 Diode Cảm Quang ( photo diode ) a. Nguyên tắc :

Khi cho 2 chất bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau sẽ tạo nên vùng nghèo hạt dẫn tại tiếp xúc , tại đó xuất hiện 1 điện trường gọi là ETX và hình thành 1 hàng rào điện thế VTX .

Khi không có điện thế ngoài thì dòng qua tiếp giáp có giá trị I=0 . Thực tế dòng I lúc đó chính là dòng tổng của 2 dòng ngược chiều nhau và có cùng độ lớn :

Dòng khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản khi tiếp xúc 2 chất bán dẫn.

Dòng hạt dẫn không cơ bản nhờ tác dụng của điện trường trong vùng nghèo .

Khi đặt 1 điện áp lên vùng nghèo , chiều cao của hàng rào điện thế sẽ thay đổi kéo theo sự thay đổi của dòng hạt dẫn cơ bản và bề rộng vùng nghèo . Điện áp đặt lên vùng nghèo sẽ xác định giá trị dòng điện I

O O I kT qV I I _−      = exp

Khi điện áp ngược đủ lớn , chiều cao của hàng rào điện thế lớn đến mức dòng khuếch tán của các hạt dẫn ( dòng cơ bản ) có thể bỏ qua và chỉ còn lại dòng không cơ bản , nghĩa là I = IO , đây chính là dòng ngược của diode .

Khi chiếu sáng diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước song ngưỡng ( λ < λS ) sẽ hình thành thêm các cặp điện tử và lỗ trống . Để các hạt dẫn này tham gia làm tăng độ dẫn , từ đó làm tăng dòng I. Điều quan trọng là ánh sáng phải được chiếu đến vùng nghèo , sau khi đi qua 1 bề dày đáng kể của chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng ( càng đi vào sâu thì thông lượng φ càng giảm )

Trong thực tế các vật liệu thường được dùng để chế tạo photodiode là Si, Ge, ( dùng để thu ánh sánh nhìn thấy được và hồng ngoại gần ) GaAs, InAs, InSb, HgCdTe ( dung để thu hồng ngoại )

α hệ số hấp thụ

h hằng số Planck h = 6,6256.10-34Js

c. Chế độ sử dụng photodiode :

Có 2 chế độ sử dụng : chế độ quang dẫn và chế độ quang thế .