1. Trang Chủ
  2. Điện-Điện tử-Viễn thông
  3. Đề tài “NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN, ỨNG DỤNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN QUANG”

Đề tài “NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN, ỨNG DỤNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN QUANG”

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới về mọi mặt, trong đó khoa học công nghệ nói chung và ngành công nghệ kỹ thuật điện tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và văn minh hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ và hoạt động ổn định. Là những yếu tố cần thiết làm cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao.... ---------- ĐỀ TÀI “NGHIÊN

Thể loại Tài liệu miễn phí Điện-Điện tử-Viễn thông

Số trang 90

Ngày tạo 8/30/2018 1:04:48 AM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 1.88 M

Tên tệp

Tải Đề tài “NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN, ỨNG DỤNG THIẾT KẾ ... (.pdf)

Xem mẫu

  1. ---------- ĐỀ TÀI “NGHIÊN CỨU VỀ CẢM BIẾN, ỨNG DỤNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN QUANG” Giáo viên hướng dẫn : Họ tên sinh viên : Đỗ Thị Thu Trang ----------
  2. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................. 5 CHƯƠNG 1. TỔ NG QUAN VỀ CẢM BIẾN.................................................... 6 1 .1 Khái niệm và phân loại cảm biến ....................................................................... 6 1 .1.1 Khái niệm ................................................................ ................................ .... 6 1 .1.2 Ph ân loại cảm biến ................................ ...................................................... 6 1 .2 Đường cong chu ẩn củ a cảm biến ....................................................................... 6 1 .2.1 Khái niệm ................................................................ ................................ .... 6 1 .2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến ...................................................................... 7 1 .3 Các đ ặc trưng cơ b ản ......................................................................................... 8 1 .3.1 Độ n hạy của cảm biến ................................................................ ................. 8 1 .3.2 Độ nhạy tro ng chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh................................ ..... 8 1 .3.3 Độ nhạy tron g chế độ động ......................................................................... 9 1.4 Độ tuyến tính ................................................................ ................................ .... 9 1.4.1 Khái niệm ................................ ................................................................... 9 1.4.1.1 Đường th ẳng tố t nhất ........................................................................... 10 1.4.1.2 Độ lệch tuyến tính ................................ .............................................. 10 1.4.2 Sai số và độ chính xác ........................................................................... 10 1.4.3 Độ nhanh và thời gian hồi áp .................................................................... 11 1.4.4 Giới hạn sử dụng củ a cảm biến................................ ................................ .. 12 1 .5 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến ................................................................. 12 1 .5.1 Nguyên lý ch ế tạo các cảm biến tích cực ................................................... 12 1 .5.2 Hiệu ứng nhiệt điện .................................................................................. 13 1.5.2.1 Hiệu ứng ho ả điện ................................................................ ............... 13 1.5.2.2 Hiệu ứng áp điện ................................................................................. 14 1.5.2.3 Hiệu ứng cảm ứng điện từ ................................................................ ... 14 1.5.2.4 Hiệu ứng quang điện ........................................................................... 15 Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang
  3. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử 1.5.2.5 Hiệu ứng quang - đ iện - từ................................................................ ... 15 1.5.2.6 Hiệu ứng Hall ................................ ................................ ..................... 15 1 .5.3 Nguyên t ắc ch ế tạo cảm b iến thụ động .................................................... 16 1 .6 Mạch đo .......................................................................................................... 17 1 .6.1 Sơ đồ mạch đo .......................................................................................... 17 1.6.2 Mộ t số phần tử cơ bản của mạch đo .......................................................... 18 1.6.2.1 Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) ....................................................... 18 1.6.2.2 Bộ khu ếch đ ại đo lường IA................................................................. 18 1.6.2.3 Khử đ iện áp lệch ................................................................................. 19 CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH................... 22 2 .1 VI ĐIỀU KHIỂN ............................................................................................. 22 2 .1.1 Tổng quan về 8051 ................................ .................................................... 22 2.1.1.1 Bộ vi điều khiển 8051 ................................................................ ......... 23 2.1.1.2 Sơ đồ khố i chung của họ vi điều khiển 8051 ....................................... 23 2 .1.2 Khảo sát họ vi điều khiển AT89XX ................................ ........................... 24 2.1.2.1 Giới thiệu chung.................................................................................. 24 2 .1.3 Cấu trúc bên trong vi điều khiển AT89S52 ................................................ 29 2.1.3.1 Hoạt độ ng định thời của AT89S52 ...................................................... 30 2.1.3.2 Các thanh ghi của bộ định th ời ................................ ............................ 30 2.1.3.3 Các chế độ định thời của timer 1 và timer 0................................ ......... 33 2.1.3.4 Tổ chứ c ngắt của AT89S52 ................................................................. 34 2 .2 HIỂN THỊ NHIỆT ĐỘ BẰNG LCD ................................................................ 37 2 .2.1 Phân loại LCD ................................ ................................ ........................... 37 2 .2.3 Khả năng hiển th ị của LCD ....................................................................... 40 2 .2.4 Nguyên tắc hiển thị kí tự trên LCD ................................ ............................ 41 2 .3 GIAO TIẾP VỚI BỘ HIỂN THỊ TƯƠNG TỰ-SỐ(ADC)................................ 42 2 .3.1 Giới thiệu về ADC................................ ................................ ..................... 42 2 .3.2 Tìm hiểu về ADC 0804 ............................................................................ 42 2 .4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ ................................................................................. 44 2 .4.1 Phân loại cảm biến nhiệt ........................................................................... 44 2 .4.2 Cặp nhiệt điện ( Thermocouples ) ............................................................. 45 2 .4.3 Thermistor ................................................................................................ 46 2 .4.4 Cảm biến nhiệt độ LM35 ........................................................................... 47 2 .4.5 Dải nhiệt độ và sự thay đổ i trở kháng theo nhiệt độ của LM35 .................. 49 2 .4.5 Các bộ cảm biến nhiệt họ LM35 ............................................................... 49 Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang
  4. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử 2 .4.6 Phối hợp tín hiệu và sơ đồ khối phố i ghép LM35 với 8051 ........................ 50 2 .5 CẢM BIẾN QUANG ................................ ................................ ..................... 50 2 .5.1 Khái quát ................................................................ ................................ .. 50 2 .5.2 Diode Cảm Quang ( photo diode ) ............................................................. 55 2 .5.3 Ánh sang hồng ngo ại ................................................................................. 58 2 .6 CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG ....................................................................... 60 2 .6.1 PIR ........................................................................................................... 60 2 .6.2 Kính hội tụ ................................................................................................ 63 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH ............................................................... 65 3 .1 THIẾT KẾ PHẦN CỨ NG ................................................................ ............... 65 3 .1.1 Khối nguồn ................................................................................................ ... 65 3 .1.2 Khối đo nhiệt độ ........................................................................................ 65 3 .1.3 Khối vi điều điều khiển ............................................................................. 66 3 .1.4 Khối hiển th ị LCD ................................ ................................ ..................... 67 3 .1.5 Khối điều khiển thiết bị ............................................................................. 68 3 .1.6 Khố i reset và tạo dao động ....................................................................... 69 3 .1.7 Sơ đồ mạch nguyên lý ................................................................ ............... 70 3 .1.8 Sơ đồ m ạch in .......................................................................................... 71 3 .1.9 Mô hình thực tế ......................................................................................... 72 3 .2 Ứ NG DỤNG ................................................................ ................................ .. 72 KẾT LUẬN ................................................................................................ ... 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... 76 PHỤ LỤC................................ ....................................................................... 77 Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang
  5. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1. 1 Đường cong chuẩn cảm biến ................................ ................................ ... 7 Hình 1. 2 Phương pháp chuẩn cảm biến .................................................................. 7 Hình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ ................. 11 Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện...................................................................... 13 Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏ a điện ................................ ................................ . 13 Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng áp điện ................................................................... 14 Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ ...................................................... 14 Hình 1.8 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện- từ ..................................................... 15 Hình 1.9 Ứng dụng hiệu ứng Hall ................................................................ ........ 16 Hình 1.10 Sơ đồ m ạch đo nhiệt độ băng cặp nhiệt ............................................... 17 Hình 1.11 Mạch đo điện thế bề m ặt ..................................................................... 17 Hình 1.12 Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán............................................................ 18 Hình 1.13 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở .......... 19 Hình 1.14 Sơ đồ bộ khuếch đai đo lường gồm ba KDTT ghép nối điện trở .......... 20 Hình 1.15 Mạch lặp lại điện áp ............................................................................ 20 Hình 1.16 Sơ đồ m ạch cầu ................................ ................................................... 21 Hình 2.1 Bố trí bên trong sơ đồ khối của 8051 ................................ .................... 24 Hình 2.2 Sơ đồ chân IC AT89S52 ................................................................ ........ 26 Hình 2.3 Mạch dao động Thạch Anh XTAL 1 và XTAL 2 ................................... 28 Hình 2.4 Mạch dao động ..................................................................................... 29 Hình 2.5 Cấu trúc bên trong VĐK AT89s52 ....................................................... 29 Hình 2. 6 Hình ảnh LCD.2.2.2 Giới thiệu sơ đồ chân LCD ................................ . 38 Hình 2.7 Sơ đồ chân LCD................................ ................................................... 38 Hình 2.8 Sơ đồ chân ADC .................................................................................. 42 Hình 2.9 Cặp nhiệt điện ........................................................................................ 45 Hình 2.10 Thermistor ................................................................ ........................... 46 Hình 2.11 Họ cảm biến nhiệt độ LM35................................ ................................ . 47 Hình 2.12 cảm biến nhiệt độ LM35 ..................................................................... 48 Hình 2.13 Sơ đồ b ước sóng của ánh sáng............................................................ 52 Hình 2.14 Cấu tạo củ a quang trở điện ................................................................ .. 58 Hình 2.15 Cấu tạo của Diode ................................................................................ 59 Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang
  6. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử Hình 2.16 Đầu dò PIR ......................................................................................... 60 Hình 2.17 Nguyên lý làm việc của loại đ ầu dò PIR như hình sau ......................... 61 Hình 1.18 Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của các nguồn thân nhiệt ..... 62 Hình 2.19 Nguyên lý làm việc của đầu dò PIR đối với ngư ời qua lại .................. 62 Hình 2.20 Dùng vật liệu pyroelectric để cảm ứng với tia nhiệt............................. 63 Hình 2.21 Kính hội tụ ................................ ................................ .......................... 64 Hình 3.1 Khối nguồn ............................................................................................ 65 Hình 3.2 Khố i đo nhiệt độ .................................................................................. 65 Hình 3. 3 Khố i vi điều điều khiển ................................................................ ........ 66 Hình 3.4 Khố i hiển thị LCD ................................................................................ 67 Hình 3.5 Khối điều khiển thiết bị .......................................................................... 68 Hình 3.6 Khối reset .............................................................................................. 69 Hình 3.7 Khố i dao động th ạch anh ...................................................................... 69 Hình 3.8 Sơ đồ mạch nguyên lý .......................................................................... 70 Hình 3.9 Sơ đồ mạch in ...................................................................................... 71 Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang
  7. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Đặc tính củ a 8051 đầu tiên ....................................................... 23 Bảng 2.2 Chức năng củ a các chân ở PORT 3 .......................................... 27 Bảng 2.3 Thanh ghi TMOD .................................................................... 31 Bảng 2.4 Thanh ghi điều khiển Timer (TCON) ....................................... 32 Bảng 2.4 Thanh ghi điều khiển Timer (TCON) ....................................... 33 Bảng 2.5 Tóm tắt các ngắt trong AT89S52 ............................................. 35 Bảng 2.6 Cho phép ngắt và cấm ngắt ...................................................... 35 Bảng 2. 1 Giới thiệu sơ đồ chân LCD ..................................................... 39 Bảng 2.8 Tập lệnh của LCD ................................................................... 40 Bảng 2.9 Tập lệnh của LCD .................................................................... 41 Bảng 2.10 Trở kháng của bộ cảm biến nhiệt theo nhiệt độ ..................... 49 Bảng 2.11 Hướng d ẫn chọn loạt các cảm biến nhiệt họ LM35 ................ 49 Bảng 2.13 Đơn vị đo quang .................................................................... 54 Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang
  8. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Bộ biến đổi tương tự sang số ADC Analog to Digita Converter Tín hiệu vào EA External Access Vi mạch tích hợp IC Intergrated Circuit Cho phép ng ắt IE INTERRUPT Thanh ghi ngắt IP Interrupt Priority Tín hiệu ngõ ra PSEN Program store enable Thanh ghi từ trạng thái ch ương trình PSW Program Status Word Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM Random Access Memory Bộ nhớ chỉ đọc ROM Read Only Memory RST Reset thanh ghi có ch ức SFR Special Function Register Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang
  9. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử LỜI CAM ĐOAN Trong quá trình thực hiện đ ề tài tố t nghiệp này, em xin đảm bảo bài báo cáo tố t nghiệp này là do chính em thực hiện, không có sự sao chép nguyên văn củ a b ất kì tài liệu nào. Nếu sai em xin chịu mọ i hình thức kỷ luật của nhà trư ờng. Hà Nội, Ngày 13 tháng 6 năm 2012 Người cam đoan (Ký, ghi rõ họ tên) Đỗ Th ị Thu Trang Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang
  10. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với sự p hát triển mạnh mẽ của th ế giới về m ọi m ặt, trong đó khoa học công nghệ nói chung và ngành công ngh ệ k ỹ thuật điện tử nói riêng có nhiều phát triển vượt bậc, góp phần làm cho thế giới ngày càng hiện đại và văn minh h ơn. Sự phát triển củ a k ỹ thu ật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết b ị với các đặc điểm như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ và ho ạt động ổn định. Là những yếu tố cần thiết làm cho ho ạt động củ a con người đạt hiệu quả cao. Từ lâu cảm b iến được sử dụn g nh ư những thiết b ị để cảm nh ận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài ba chụ c năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong k ỹ thu ật và công n ghiệp đ ặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động. Chính vì vậy em đã chọn đề tài : “NGHIÊN CỨ U VỀ CẢM BIẾN, Ứ NG DỤNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH NHÀ THÔNG MINH SỬ DỤNG : CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG, CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN QUANG” cho đồ án tố t nghiệp của mình. Nội dung báo cáo này gồm 3 chương: CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 : CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MÔ HÌNH Mặc dù rất cố gắng hoàn thành bài báo cáo này nhưng vẫn không tránh khỏi thiếu sót mong quý thầy, cô và các b ạn đóng ghóp ý kiến để em có thể hoàn thiện hơn. Em xin chân thành c ảm ơn! Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 5
  11. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 1 .1 Khái niệm và phân loại cảm biến 1 .1.1 Khái niệm Cảm b iến là thiết bị dùng để cảm nh ận b iến 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. (Đại lượng cần đo) s (đặc trưng đi ện) Cảm biến Đặc trưng điện S là hàm của đại lượng cần đo m: s = f(m). Quan hệ giữa s và m có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến. Song thực tế để dễ sử dụng thông thường người ta chế tạo cảm biến sao cho nó có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra và biến thiên đ ầu vào. ∆s = S. ∆m (1.1) Trong đó: S gọi là độ nhạy của cảm biến. 1 .1.2 Phân loạ i cả m biến Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây: Theo nguyên lý người ta chia cảm biến làm hai loại: + Cảm biến tích cực : là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng. + Cảm biến thụ động : là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung. 1 .2 Đường cong chuẩn của cả m biến 1 .2.1 Khái niệm Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng đ iện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dư ới dạng s = F (m ) , ho ặc b ằng đồ thị như hình sau: Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 6
  12. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử Hình 1. 1 Đường cong chuẩn cảm biến a. Dạng đường cong chuẩn b. Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính 1 .2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nh ằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đư ờng cong chuẩn dưới dạng tường minh (đ ồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và d ựng đường cong chuẩn. H ình 1. 2 Phương pháp chuẩn cảm biến Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 7
  13. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử 1 .3 Các đặ c trưng cơ bản 1 .3.1 Độ nhạy của cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đ ầu ra Δs và biến thiên đ ầu vào Δm có sự liên hệ tuyến tính Δs = S.Δm (1.2) Đại lượng S xác định bởi biểu thứ c S=s/m đư ợc gọi là độ nhậy của cảm biến, Trong trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhậy S của cảm biến xung quanh giá trị mi của đại lườn đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên S của đại lượng đầu ra và biến thiên m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó (1.3) 1.3.2 Độ nhạy tro ng chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lư ợng đo khi đại lượng này đạt đến ch ế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trên đ ặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc của đ ặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính th ì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc. Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh: (1.4) Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 8
  14. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử 1 .3.3 Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tu ần hoàn theo thời gian. Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng: m(t) = m 0 + m1 cos ωt (1.5) Trong đó m0 là giá trị không đổi,m1 là biên độ, là tần số góc của biến thiên đại lư ợng đo.Ở đầu ra của cảm biến, S có dạng: s(t) = s0 + s1 cos(ωt +φ) (1.6) Trong đó : S là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh S1 là biên độ biến thiên ở đ ầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây ra φ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra Trong chế độ động độ nhậy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biên độ của đầu ra s1 và biến thiên của biến thiên đ ầu vào m1 ứng với điểm làm việc được xét q0, th eo công thức: (1.7) Độ nhậy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo S=S(f) 1 .4 Độ tuy ến tính 1 .4.1 Khái niệm 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. Trong ch ế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lư ợng đo Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 9
  15. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử còn nằm trong vùng này. Trong ch ế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại lượng đó). 1.4.1.1 Đường thẳ ng tố t nhấ t Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận đư ợc một loạt điểm tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đ ường thẳng. phương trình có dạng: s = am + b (1.8) 1 .4.1.2 Độ lệch tuyến tính Đối với các cảm biến không ho àn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đư ờng cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo. 1 .4.2 Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lư ờng khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn ch ịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo.Gọi x là giá trị tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x(sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm b iến đư ợc tính bằng: (1.9) Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi ho ặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 10
  16. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử trị thực và giá trị đo được. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thố ng có thể là: 1 . Do nguyên lý của cảm biến 2 . Do giá trị của đ ại lượng chuẩn không đúng 3 . Do đ ặc tính củ a bộ cảm biến 4 . Do đ iều kiện và chế độ sử dụng 5 . Do xử lý kết quả đo Sai số ngẫu nhiên : là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là: + Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị. + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. + Do các đại lư ợng ảnh hư ởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến. 1 .4.3 Độ nhanh và thời gian hồi áp Độ nhanh Tr là đặc trưng 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 giá trị số của độ nhanh. H ình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 11
  17. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử 1.4.4 Giới hạ n sử dụng của cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngư ỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này. a .Vùng là m việc danh định Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. b.Vùng không gây nên hư hỏ ng Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng. c.Vùng không phá huỷ Vùng không phá hủy là vùn g m à khi m à các đại lượng đo hoặc các đại lượn g vật lý có liên quan và các đ ại lượng ảnh hư ởng vượt qua ngưỡn g của vùng không gây n ên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không b ị phá hủ y. 1 .5 Nguyên lý chung chế tạo cả m biến Các cảm biến đư ợc chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại: 1 .Cảm biến tích cự c. 2 .Cảm biến thụ động. 1 .5.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý b iến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) th ành năng lượng đ iện. Dư ới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến. Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 12
  18. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử 1 .5.2 Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn (M1) và (M2) có b ản chất hoá học khác nhau được hàn lại với n hau thành m ột mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở h ai mối hàn là T1 và T2 khác n hau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) m à độ lớn của nó p hụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2. H ình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện đư ợc ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trư ớc nhiệt độ T2, thư ờng chọn T2 = 0oC. 1 .5.2.1 Hiệu ứng hoả điện Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính p hân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai m ặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và n hiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 13
  19. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng Φ 1 .5.2.2 Hiệu ứng áp điện Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị b iến dạng dước tác động của lực cơ học, trên các m ặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái d ấu, được gọi là hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F. Hình 1.6 Ứ ng dụng hiệu ứng áp điện 1 .5.2.3 Hiệu ứng cả m ứng điện từ Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trư ờng không đổi, trong dây dẫn xuất h iện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, ngh ĩa là t ỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự nh ư vậy, trong một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện đ ộng tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây H ình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng. Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 14
  20. Trường : ĐHCN Hà N ội Khoa : Điện Tử 1 .5.2.4 Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (th ường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có b ước sóng nhỏ h ơn một ngưỡng nhất định. - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện n goài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát kh ỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường. 1 .5.2.5 Hiệu ứng quang - điện - từ Khi tác dụng một từ trư ờng B vuông góc với bức xạ ánh sáng,trong vật liệu b án dẫn đư ợc chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng. Hình 1.8 Ứ ng dụng hiệu ứng quang – đ iện- từ 1 .5.2.6 Hiệu ứng Hall Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dòng đ iện chạy qua, vào trong một từ trư ờng B có ph ương tạo với dòng điện I trong tấm m ột góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế Vh theo hướng vuông góc với B và I , b iểu thức hiệu điện thế có dạng VH = K H .I.B. sin θ Trong đó Kh là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu Lớp : CĐĐT6 _ K11 SVTH : Đỗ Thị Thu Trang 15
nguon tai.lieu . vn
Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học Công nghệ thông tin Kinh tế - Thương mại Tài chính - Ngân hàng Kiến trúc - Xây dựng Điện-Điện tử-Viễn thông Cơ khí - Chế tạo máy Công nghệ - Môi trường Báo cáo khoa học Quản trị kinh doanh Khoa học xã hội Khoa học tự nhiên Nông - Lâm - Ngư Y khoa - Dược