Luận văn Nguyên lý và ứng dụng một số loại Sensor - Nguyễn Thu Phương

Nguyên lí và ứng dụng một số loại Sensor Nguyễn Thu Phương Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử; Mã số: 60 44 03 Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Quốc Triệu Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Tổng quan về sensor, phân loại theo chức năng, mục đích sử dụng…,nghiên cứu về các đặc trưng trong chế độ tĩnh và chế độ hoạt động của sensor. Nghiên cứu tổng quan hiện tượng chuyển đổi tín hiệu vật lý nói chung, chuyển đổi tín hiệu không điện sang điện nói riêng, đặc biệt là chuyển đổi tín hiệu từ sang điện. Nghiên cứu ứng dụng của sensor nhiệt độ dùng chuyển tiếp P-N, sensor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai, sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall, sensor từ trường Fluxgate vào thiết bị đo. Sử dụng hệ đo tự động khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của chuyển tiếp bán dẫn p-n, khảo sát sự tương quan tín hiệu giữa đầu dò tự chế và Tesla Meter. Các kết quả thực nghiệm thu được phù hợp với tính toán lý thuyết. Hệ đo được xây dựng đã vận hành tin cậy và ổn định, đảm bảo độ nhạy, độ phân giải cần thiết để ứng dụng vào thực tiễn trong một số lĩnh vực như quan trắc môi trường, theo dõi địa từ của trái đất, dự báo thời tiết,v.v Keywords: Tín hiệu vật lý; Sensor; Điện tử học Content MỞ ĐẦU Đã từ lâu các sensor được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong kỹ thuật và công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các sensor đã được giảm thiểu về kích thước, cải thiện về tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Giờ đây không có một lĩnh vực nào từ dân sự đến quân sự mà ở đó không sử dụng sensor. Chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường, phát hiện an ninhvà đặc biệt gần đây là trong các hệ thống nhà thông minh (smart home). Sensor cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô… Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng trong kỹ thuật đo lường, điều khiển, số lượng và chủng loại các sensor tăng nhanh và đa dạng cả về tính năng và công nghệ chế tạo. Bởi vậy việc khảo sát, chuyển giao công nghệ, nghiên cứu “Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor” được tác giả lựa chọn làm luận văn của mình với nội dung được chia làm 4 chương như sau: Chương 1. Một số đặc trưng cơ bản của sensor. Chương 2. Chuyển đổi tín hiệu vật lý. Chương 3. Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo. Chương 4. Kết quả thực nghiệm. Cuối cùng là phần kết luận và phân tích ưu điểm, nhược điểm và hướng phát triển tiếp theo của luận văn. Một số đặc trưng cơ bản của sensor Định nghĩa và các khái niệm cơ bản [8,11] Sensor 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. Phương trình được mô tả dưới dạng một hàm số (1.1) y=f(x) (1.1) Quan hệ trong (1.1) thường rất phức tạp do nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của sensor Đặc trưng cơ bản [8,11,12] Đường cong chuẩn của cảm biến Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (Y) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (X) ở đầu vào. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng: Y = F(X) hoặc bằng đồ thị như hình 1.4a. Y Y Yi 2 0 Xi X 0 X a) b) Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính Hàm truyền Hàm Truyền là biểu thức mô tả quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thứ toán học Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. Y = F(X) (1.2) Độ nhạy Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra dY và biến thiên đầu vào dx có sự liên hệ tuyến tính: dY dF(x) dX X (1.3) Đại lượng S được xác định bởi biểu thức S = ∆Y được gọi là độ nhạy của cảm biến. 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 S không phụ thuộc vào đại lượng đo x. Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất. Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình có dạng: Y = aX + b (1.4) Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu 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 dx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x 3 (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng: δ = ∆x .100 [%] 1.5 Nhiễu Nhiễu xuất hiện ở lối ra của cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu do sự dao động của tín hiệu kích thích. Nhiều làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến và được phân bố qua phổ tần số. Để chống nhiễu người ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ cảm biến. Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện Hiệu ứng áp điện [9] Hiệu ứng áp điện là khả năng sản sinh ra điện thế của các tinh thể không đối xứng tâm khi chịu tác dụng của lực cơ học, và ngược lại. Hiệu ứng này được tìm ra vào năm 1880. Hình 2.1 (a) vật liệu áp điện, (b) một điện thế tương ứng có thể đo được là kết quả của sự nén hay kéo, (c) một điện thế đặt vào có thể làm nén hay giãn vật liệu áp điện. Hiệu ứng từ giảo Hiện tượng từ giảo hay còn gọi là hiệu ứng cơ-từ là sự thay đổi kích thước của vật khi nó được đặt trong một từ trường, hay thuộc tính từ thay đổi dưới ảnh hưởng của sự nén hay giãn. Hiệu ứng này được tìm ra bởi James Joule vào năm 1842 khi ông kiểm tra một mẫu kền. 4 Hình 2.2 Hiệu ứng từ giảo: H=0 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên, H  0 được sắp xếp lại làm tăng kích thước dưới tác dụng của từ trường. Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện Hiệu ứng nhiệt điện [14] Gradient nhiệt sinh ra một hiệu điện thế ở mối nối của hai vật dẫn hoặc bán dẫn khác loại. Hiện tượng này được quan sát đầu tiên trong kim loại vào năm 1821 bởi Thomas Johann Seebeck và được mang tên ông. Hình 2.3 Vật liệu A và B gắn chặt hai đầu được giữ ở nhiệt độ T và T2 . Hình 2.3 mô tả hai vật liệu khác loại A và B, hiệu điện thế V sinh ra khi hai đầu nối được giữ ở các nhiệt độ khác nhau tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ ΔT =T −T , và tuân theo phương trình: Với SA và SB V =(SA −SB)ΔT (2.1) là hệ số Seebeck của vật liệu A và vật liệu B Đây là hiệu ứng vật lý cơ bản sử dụng trong dụng cụ nhiệt, cặp nhiệt hay dụng cụ mẫu cho đo lường nhiệt độ. 5 ... - tailieumienphi.vn