Chương 1. Nghiên cứu một số cảm biến đo các thông số của môi trường 1.1 Cảm biến đo nhiệt độ 1.1 Khái niệm Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là đại lượng được quan tâm nhiều nhất. Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó.
Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của một nhiệt độ là vấn đề không đơn giản, phần lớn các đại lượng vật lý đều có thể xác định một cách định lượng nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào nhiệt độ. Để đo được trị số chính của nhiệt phải dùng cảm biến nhiệt độ. Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau như các nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt, phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí hoặc dựa trên tốc độ âm.2 Đo nhiệt độ bằng điện trở Trong các nhiệt điện trở Rt = f (to), có thể đo điện trở Rt để suy ra nhiệt độ to.
Nhiệt điện trở kim loại: Nhiệt điện trở kim loại có đặc điểm là quan hệ giữa điện trở của nó và nhiệt độ hầu như tuyến tính, tính lặp lại của quan hệ ấy rất cao nên thiết bị đơn giản. Đối với nhiệt điện trở Pt, tính lặp lại rất cao sai số ngẫu nhiên rất thấp (0.01%) cho nên có thể dùng đo nhiệt độ thấp, sai khác 0. Nhiệt điện trở đồng và Niken tính lặp lại không cao bằng nhiệt điện trở Pt nhưng giá thành rẻ. Quan hệ giữa nhiệt độ và nhiệt điện trở: 𝑅𝑡 = 𝑅0 (1 + αt + β𝑡2 + 𝛾𝑡3 ) Trong đó: β và 𝛾 trong phạm vi sử dụng với độ chính xác không cao thì coi như không đáng kể và quan hệ giữa Rt và to là tuyến tính.
3 Luan van Hình 1.1 Nhiệt điện trở công nghiệp dùng Platin 1. Gốm cách điện 3. Sứ cách điện 6. Cách điện chịu nhiệt 8.
Vỏ bọc kim loại 9. Xi măng -Ưu điểm: + Độ chính xác cao, phạm vi đo rộng + Độ ổn định theo thời gian cao, độ trôi hơn 0,1oC / năm + Tín hiệu điện áp ra lớn hơn loại cặp nhiệt điện + Độ tuyến tính điện trở rất tốt -Nhược điểm: + Giá thành cao, kích thước lớn + Không bền như cặp nhiệt trong môi trường rung động cao và va đập mạnh.3 Đo nhiệt độ bằng bán dẫn Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo như những linh kiện điện tử. Vì vậy, giá trị của nó tại một nhiệt độ xác định không chính xác. Quan hệ giữa nhiệt độ 4 Luan van và điện trở không tuyến tính và không đồng đều giữa các điện trở với nhau.
B 𝑅𝑡 = Aα 2 𝑇 Trong đó: A, B đều không ổn định, thường nằm trong khoảng : α = (-2.5% ÷ -4%) Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn có giá trị âm, có độ lớn gấp 6 – 10 lần nhiệt điện trở kim loại vì thế được dùng trong các mạch khống chế nhiệt độ, hoặc đo nhiệt độ trong phạm vi rất nhỏ. Do kích thước nhỏ, có độ nhạy cao theo nhiệt độ , nên nhiệt điện trở bán dẫn cũng được dùng rộng rãi. Tuy nhiên, cũng do tính phi tuyến của nhiệt điện trở bán dẫn nên việc sử dụng có nhiều hạn chế, cần phải hiệu chỉnh phi tuyến Hình 1.2 một số loại nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở bán dẫn - Thermistor, được làm từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO. Để chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn các bột oxit được trộn với nhau theo tỉ lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000oC.
Các dây nối kim loại được hàn 2 điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ bằng một lớp kim loại, các nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo với nhiều hình dạng khác nhau (hình đĩa, hình trụ, hình vòng.) và phần tử nhay cảm có thể bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần. Đặc điểm chung của nhiệt điện trở bán dẫn là hầu hết có độ nhạy rất cao, cao hơn rất nhiều so với độ nhạy của điện trở kim loại. Độ ổn định phụ thuộc vào việc chế tạo và điều kiện sử dụng. Vỏ bọc của nhiệt điện trở sẽ bảo vệ nó không bị phá huỷ hoá học và tăng độ ổn định khi làm việc.
Song trong quá trình 5 Luan van sử dụng nhiệt điện trở cần phải tránh những thăng giáng nhiệt độ đột ngột bởi vì điều này có thể dẫn tới làm rạn nứt vật liệu.4 Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt Nguyên lý Là loại cảm biến được thiết kế kiểu hai dây ra, còn được gọi là thermocouple. Nó cấu tạo gồm hai dây dẫn là hai kim loại khác nhau và được chụm lại với nhau tạo thành cảm biến. Khi nhiệt độ thay đổi thì tín hiệu mV cũng thay đổi theo, từ đó bộ đọc quy ra giá trị nhiệt độ. Dựa trên hiện tượng nhiệt điện, nếu hai dây dẫn khác nhau nối với nhau tại hai điểm và một trong hai điểm đó được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt ngẫu cho bởi: 𝐸𝑡 = 𝐾𝑇 (𝑡𝑛 − 𝑡𝑡𝑑 ) Trong đó :KT:Hệ số hiệu ứng nhiệt điện tn: Nh/độ đầu nóng, ttd: Nhđộ đầu tự do Quan hệ giữa sức điện động nhiệt ngẫu với hiệu nhiệt độ đầu nóng và đầu tự do được xem là tuyến tính.
Tuy nhiên nếu dải đo quá rộng phải chia khoảng đo ra nhiều đoạn và mỗi đoạn có hệ số KT riêng (tuyến tính hoá từng đoạn).3 Sơ đồ cấu tạo cặp nhiệt điện trong công nghiệp 1. Vỏ bảo vệ 2. Sứ cách điện 5. Hộp nối dây kín nước 6 Luan van 1.2 Cảm biến đo độ ẩm Độ ẩm được định nghĩa là lượng hơi nước có trong không khí hoặc chất khí.
Cảm biến đo độ ẩm là một thiết bị điện tử đo độ ẩm trong môi trường của nó và chuyển đổi các phát hiện của nó thành tín hiệu điện tương ứng. Nguyên lý hoạt động: Cảm biến đo độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lí: sự hấp thụ hơi nước làm biến đổi tính chất của thành phần cảm nhận trong cảm biến làm thay đổi điện trở của cảm biến qua đó xác định được độ ẩm. Đối với một ẩm kế điện dung, không khí chảy vào giữa hai tấm kim loại. Sự thay đổi độ ẩm không khí tỷ lệ thuận với sự thay đổi điện dung giữa các bản.Trong nguyên lý đo độ ẩm điện trở, polymer hoặc sứ hấp thụ độ ẩm, sau đó ảnh hưởng đến điện trở suất của nó.
Và được kết nối với một mạch trong đó độ ẩm ảnh hưởng đến điện trở của vật liệu. Từ đó độ ẩm tương đối sau đó được xác định dựa trên sự thay đổi của dòng điện. Phân loại - Theo phương pháp đo + Cảm biến độ ẩm có thể được chia thành hai nhóm, vì mỗi loại sử dụng một phương pháp khác nhau để tính toán độ ẩm: + Cảm biến độ ẩm tương đối (RH) + Cảm biến độ ẩm tuyệt đối (AH) - Theo ứng dụng + Cảm biến độ ẩm đất + Cảm biến độ ẩm không khí 1.1 Cảm biến độ ẩm đất điện dung Cảm biến độ ẩm điện dung sử dụng hai điện cực để theo dõi điện dung (nghĩa là khả năng lưu trữ điện tích) của một dải kim loại mỏng đặt giữa chúng. Điện dung kim loại khác tăng hoặc giảm với tốc độ tỷ lệ thuận với sự thay đổi độ ẩm trong môi trường cảm biến.
Sự khác biệt về điện tích (điện áp) được tạo ra bởi sự tăng độ ẩm sau đó được khuếch đại và gửi đến máy tính nhúng để xử lý. 7 Luan van Hình 1.4 Cảm biến độ ẩm đất điện dung Cảm biến độ ẩm đất điện dung đầu ra analog Cảm biến độ ẩm đất arduino là loại cảm biến độ ẩm đất mới - cảm biến điện dung với độ bền và tuổi thọ cao hơn nhiều các loại cảm biến điện trở thông thường. Cảm biến đo độ ẩm đất này hoạt động với điện áp 3.5V, đặc biệt nó hoạt động ngay cả trên bảng điều khiển Arduino 3. Chỉ cần sử dụng một máy tính thu nhỏ như Raspberry Pi chỉ cần một mô-đun chuyển đổi ADC (analog để tín hiệu số) để hoạt động.
- Thông số kỹ thuật của cảm biến độ ẩm của đất: + Điện áp hoạt động: 3.5 VDC + Điện áp đầu ra: 0 ~ 3.0 VDC + Giao diện: PH2.54-3P + Kích thước: 98 x 23mm (LxW) + Khối lượng: 20 gram - Nguyên lý hoạt động của cảm biến độ ẩm đất kiểu điện dung: Mạch cảm biến sử dụng mạch tạo xung NE555 với tụ điện trong mạch để tính tần số là hai bản cực được thiết kế về hai mặt PCB. Khi ở môi trường ẩm, hơi nước bao quanh 2 bản cực như môi trường điện môi. Mật độ hơi nước càng lớn thì hằng số điện môi càng cao dẫn tới tụ dung của mạch tạo tần số tăng nên tần số sẽ giảm xuống ( f = 1/(R.C) - tham khảo datasheet của NE555) và ngược lại. Tần số này đưa qua mạch lọc thông thấp sẽ xuất mức điện áp tương ứng với giá trị độ ẩm đất ở chân AOUT.
- Cảm biến độ ẩm điện dung là loại có các đặc điểm sau: + Hằng số điện môi thay đổi tỷ lệ thuận với độ ẩm tương đối trong môi trường 8 Luan van + Hiệu ứng nhiệt không đáng kể. + Điện dung thay đổi từ 0,2-0,5pF cho mỗi 1% RH thay đổ 1.2 Cảm biến đo độ ẩm đất điện trở Bộ sản phẩm gồm một cảm biến độ ẩm đất và một module chuyển đổi với ngõ ra Analog - Digital. Cảm biến độ ẩm đất hoạt động với 2 chế độ ngõ ra (Analog & Digital), trạng thái đầu ra mức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V).5 Cảm biến độ ẩm đất điện trở Hai đầu đo của cảm biến được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng dây nối giữa cảm biến và module chuyển đổi.
Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc về và gởi tới module chuyển đổi. Module chuyển đổi: Trong đó, biến trở đóng vai trò định ngưỡng so sánh với tín hiệu độ ẩm đất đọc về từ cảm biến. Ngưỡng so sánh và tín hiệu cảm biến sẽ là 2 đầu vào của IC so sánh LM393.