Luận văn thạc sĩ về nguyên lý và ứng dụng sensor tại ĐH Quốc gia Hà Nội

Khám phá nguyên lý và ứng dụng của các loại sensor trong luận văn thạc sĩ, cung cấp kiến thức sâu sắc và thực tiễn cho nghiên cứu.

• Tác giả: Nguyễn Thu Phương
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Quốc Triệu
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử
• Đề tài: Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Một số đặc trƣng cơ bản của sensor
• 1.1. Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản
• 1.2. Phân loại sensor
• 1.3. Đặc trƣng cơ bản
• 1.3.1. Đƣờng cong chuẩn của cảm biến
• 1.3.2. Phương pháp chuẩn cảm biến
• 1.3.3. Hàm truyền
• 1.3.4. Độ nhạy
• 1.3.5. Độ tuyến tính
• 1.3.6. Sai số và độ chính xác
• 1.3.7. Độ nhanh và thời gian hồi đáp
• 1.3.8. Giới hạn sử dụng
• 2. CHƯƠNG 2: Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý
• 2.1. Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện
• 2.1.1. Hiệu ứng áp điện
• 2.1.2. Hiệu ứng từ giảo
• 2.1.3. Hiệu ứng trở áp
• 2.2. Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện
• 2.2.1. Hiệu ứng nhiệt điện
• 2.2.2. Hiệu ứng nhiệt điện trở
• 2.2.3. Hiệu ứng điện hỏa
• 2.3. Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện
• 2.3.1. Hiệu ứng quang điện
• 2.3.2. Hiệu ứng phát sáng quang điện
• 2.3.3. Hiện tƣợng phát sáng quang hóa
• 2.3.4. Hiệu ứng quang điện môi
• 2.3.5. Hiệu ứng Faraday xoay
• 2.3.6. Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect)
• 2.3.7. Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels
• 2.3.8. Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học
• 2.4. Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện
• 2.4.1. Hiệu ứng Hall
• 2.4.2. Hiệu ứng Spin Hall
• 2.4.3. Định luật Faraday-Henry
• 2.4.4. Hiệu ứng Barkhausen
• 2.4.5. Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen
• 2.4.6. Hiệu ứng từ trở
• 2.5. Hiệu ứng Dopper
• 3. CHƯƠNG 3: Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo
• 3.1. Sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN
• 3.1.1. Đặc trƣng V- A của lớp chuyển tiếp p-n
• 3.1.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của dòng điện khi phân cực ngƣợc
• 3.1.3. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu điện thế khi phân cực thuận
• 3.1.4. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị
• 3.1.5. Kết cấu của thiết bị đo nhiệt độ nhờ chuyển đổi nhiệt - điện bằng bán dẫn dùng ICL7107
• 3.2. Senor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai
• 3.2.1. Cấu tạo thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai
• 3.2.2. Bộ tiếp nhận dịch chuyển
• 3.2.3. Bộ biến thế vi sai
• 3.3. Sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall
• 3.3.1. Thiết bị đo từ trƣờng dùng cảm biến Hall
• 3.4. Sensor từ trƣờng Fluxgate
• 3.4.1. Nguyên lý làm việc
• 3.4.2. Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ
• 4. CHƯƠNG 4: Kết quả thực nghiệm
• 4.1. Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN
• 4.1.1. Sự thay đổi đặc trƣng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ
• 4.1.2. Khảo sát quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN
• 4.2. Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall
• 4.2.1. Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam
• 4.2.2. Đo từ trƣờng bề mặt dùng GaussMeter (USA)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nguyên lý và ứng dụng sensor trong kỹ thuật

Sensor đã trở thành một phần không thể thiếu trong các hệ thống kỹ thuật hiện đại. Chúng được sử dụng để cảm nhận và phát hiện các biến đổi của các đại lượng vật lý, từ đó chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể đo lường và xử lý. Nguyên lý hoạt động của sensor dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau, cho phép chúng thực hiện các chức năng đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động.

1.1. Định nghĩa và khái niệm cơ bản về sensor

Sensor là thiết bị dùng để cảm nhận và chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện. Các phần tử nhạy của sensor chịu tác động trực tiếp từ đại lượng đo, và quá trình chuyển đổi này là cơ sở để thực hiện các phép đo lường chính xác.

1.2. Phân loại sensor theo ứng dụng

Sensor có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, và cảm biến ánh sáng. Mỗi loại sensor có nguyên lý hoạt động và ứng dụng riêng, phục vụ cho các lĩnh vực khác nhau trong kỹ thuật và công nghiệp.

II. Vấn đề và thách thức trong việc sử dụng sensor

Mặc dù sensor mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc sử dụng chúng cũng gặp phải một số thách thức. Độ chính xác, độ nhạy và khả năng chịu đựng của sensor là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Ngoài ra, các yếu tố môi trường cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của sensor.

2.1. Độ chính xác và sai số của sensor

Sai số trong đo lường là một vấn đề phổ biến khi sử dụng sensor. Sai số có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm đặc tính của sensor, điều kiện môi trường và cách thức lắp đặt. Việc hiểu rõ về sai số và cách giảm thiểu chúng là rất quan trọng.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến sensor

Môi trường xung quanh có thể tác động lớn đến hiệu suất của sensor. Nhiệt độ, độ ẩm, và các yếu tố vật lý khác có thể làm thay đổi đặc tính hoạt động của sensor, dẫn đến kết quả đo không chính xác.

III. Phương pháp và giải pháp chính trong ứng dụng sensor

Để tối ưu hóa hiệu suất của sensor, nhiều phương pháp và giải pháp đã được phát triển. Các công nghệ mới trong lĩnh vực vật liệu và điện tử đã giúp cải thiện tính năng của sensor, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của chúng.

3.1. Công nghệ cảm biến mới

Công nghệ cảm biến mới như cảm biến nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN và cảm biến áp suất đã được phát triển để cải thiện độ chính xác và độ nhạy. Những công nghệ này cho phép đo lường chính xác hơn trong các điều kiện khắc nghiệt.

3.2. Giải pháp tối ưu hóa hiệu suất sensor

Việc tối ưu hóa hiệu suất của sensor có thể được thực hiện thông qua việc lựa chọn vật liệu phù hợp, thiết kế mạch điện chính xác và sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến. Những giải pháp này giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của sensor trong các ứng dụng thực tiễn.

IV. Ứng dụng thực tiễn của sensor trong công nghiệp

Sensor được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất đến kiểm soát chất lượng. Chúng giúp cải thiện quy trình sản xuất, tiết kiệm năng lượng và nâng cao an toàn lao động.

4.1. Ứng dụng sensor trong sản xuất

Trong ngành sản xuất, sensor được sử dụng để theo dõi và kiểm soát các thông số như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm. Điều này giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

4.2. Sensor trong hệ thống tự động hóa

Sensor đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống tự động hóa, giúp giám sát và điều khiển các thiết bị một cách chính xác. Chúng được sử dụng trong robot, dây chuyền sản xuất tự động và các hệ thống điều khiển thông minh.

V. Kết luận và tương lai của sensor trong kỹ thuật

Sensor sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp. Với sự tiến bộ của công nghệ, các sensor mới sẽ được phát triển, mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng hơn trong tương lai.

5.1. Xu hướng phát triển của sensor

Xu hướng phát triển của sensor hiện nay là hướng tới việc cải thiện độ chính xác, độ nhạy và khả năng tương thích với các công nghệ mới. Các nghiên cứu đang được thực hiện để phát triển các loại sensor thông minh hơn, có khả năng tự động điều chỉnh và học hỏi từ môi trường.

5.2. Tương lai của ứng dụng sensor trong đời sống

Trong tương lai, sensor sẽ ngày càng trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày, từ các thiết bị gia dụng thông minh đến các hệ thống giám sát an ninh. Việc tích hợp sensor vào các công nghệ mới sẽ mở ra nhiều cơ hội và thách thức cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Một số đặc trưng cơ bản của sensor. Chuyển đổi tín hiệu vật lý. Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo.

Kết quả thực nghiệm. Cuối cùng là phần kết luận và phân tích ƣu điểm, nhƣợc điểm và hƣớng phát triển tiếp theo của luận văn. 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG 1 Một số đặc trƣng cơ bản của sensor 1.1 Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản Trong các hệ thống đo lƣờng – điều khiển, mọi quá trình đều đƣợc đặc trƣng bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thƣờng là các đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, tốc độ, độ dịch chuyển v.v… Để thực hiện các quá trình đo lƣờng và điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến (sensor).

Sensor là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lý và các đại lƣợng không có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng điện có thể đo và xử lý đƣợc. Để hiểu rõ về sensor ta cần nắm đƣợc một số khái niệm và định nghĩa sau Phần tử nhạy: Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trực tiếp của đại lƣợng đo. Phần tử nhạu không có đặc tính riêng. Sai số đƣợc hạn chế bởi sai số của thiết bị mà nó tham gia.

Chuyển đổi đo lường: Là một khâu của thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của tín hiệu ra. Cơ sở vật lý của chuyển đổi đo lƣờng là biến đổi và truyền đạt năng lƣợng, nghĩa là biến đổi từ dạng năng lƣợng này thành dạng năng lƣợng khác. Sensor đo lường: Là thiết bị đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt. gia công bằng thiết bị tính toán mà không quan sát đƣợc.

Sensor có tính đo lƣờng học, thực hiện ở dạng độc lập, có độ chính xác nhất định theo mô hình mạch điện và đƣợc xem nhƣ mạng 2 cửa (hình 1.1) Cửa vào là biến trạng thái x cần đo, cửa ra là đáp ứng y. Phƣơng trình đƣợc mô tả dƣới dạng một hàm số (1.1) Quan hệ trong (1.1) thƣờng rất phức tạp do nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của sensor 7 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] X(t) W(t) Y(t) X(t) – Đại lƣợng vào Y(t) – Đại lƣợng ra W(t) - Hàm truyền đạt Hình 1.1 Lưỡng cực anten nửa búp sóng với trường bức xạ theo phương thẳng đứng và vuông góc 1.2 Phân loại sensor Với mục đích nghiên cứu và ứng dụng có thể phân loại cảm biến theo các phƣơng pháp sau: - Phân loại theo đại lượng vào và ra + Cảm biến không điện – điện: Là các cảm biến thực hiện chức năng biến đổi các đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng v.thành các thông số điện trở, điện cảm điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động v. + Cảm biến khí nén – điện: đƣợc sử dụng nhiều trong các nhà máy Hóa chất, các hệ thống đo và điều khiển chông cháy, nổ. + Cảm biến điện – điện: trong đó các đại lƣợng vào và ra là thông số điện.

Các cảm biến này thực hiện nhiệm vụ biến đổi các đại lƣợng không điện thành tín hiệu khí nén sau đó từ tín hiệu khí nén biến đổi thành các đại lƣợng điện. - Phân loại theo tính chất vật lý được tạo thành + Cảm biến điện trở. + Cảm biến điện từ. + Cảm biến tĩnh điện.

+ Cảm biến nhiệt điện. + Cảm biến điện tử - lon. + Cảm biến hóa điện. 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] + Cảm biến y – sinh.

- Phân loại theo tính chất nguồn điện + Cảm biến phát điện. + Cảm biến thụ động. - Phân theo phương pháp đo + Cảm biến biến đổi trực tiếp Hình 1.2 Cảm biến đổi trực tiếp Y = K.2) + Cảm biến kiểu bù: X(t) Y(t) K ) ± β Hình 1.3 Cảm biến kiểu bù K Y= X (1.3) 1±βK K, β: là hệ số biến đổi 9 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3 Đặc trƣng cơ bản 1.1 Đƣờng cong chuẩn của cảm biến Khái niệm Đƣờng cong chuẩn cảm biến là đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lƣợng điện (Y) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo (X) ở đầu vào. Đƣờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dƣới dạng: Y = F(X) hoặc bằng đồ thị nhƣ hình 1.

Y Y Yi 0 0 Xi X X a) b) Hình 1.4 Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đƣờng cong chuẩn b) Đƣờng cong chuẩn của cảm biến tuyến tính Dựa vào đƣờng cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị Xi chƣa biết của X thông qua giá trị đo đƣợc Yi của Y. Để dễ sử dụng, ngƣời ta thƣờng chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào, phƣơng trình Y= F(X) có dạng Y = aX +b với a, b là các hệ số, khi đó đƣờng cong chuẩn là đƣờng thẳng (hình 1. Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị Y đo đƣợc của đại lƣợng điện ở đầu ra và giá trị X của đại lƣợng đo có tính đến các yếu tố ảnh hƣởng, trên cơ sở đó xây dựng đƣờng cong chuẩn dƣới dạng tƣờng minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác Xi của X, đo giá trị tƣơng ứng Yi của Y và dựng đƣờng cong chuẩn.

10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.4 Phương pháp chuẩn cảm biến a) Chuẩn đơn giản Trong trƣờng hợp đại lƣợng đo chỉ có một đại lƣợng vật lý duy nhất tác động lên một đại lƣợng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lƣợng ảnh hƣởng, ngƣời ta dùng phƣơng pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lƣợng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lƣợng đo ở đầu vào. Việc chuẩn đƣợc tiến hành theo hai cách: Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lƣợng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trƣớc với độ chính xác cao. Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đƣờng cong chuẩn, cả hai đƣợc đặt trong cùng điều kiện làm việc.

Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lƣợng đo ta nhận đƣợc giá trị tƣơng ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tƣơng tự với các giá trị khác của đại lƣợng đo cho phép ta xây dựng đƣợc đƣờng cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. b) Chuẩn nhiều lần: Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo đƣợc ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lƣợng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trƣớc đó của của đại lƣợng này. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành nhƣ sau: Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lƣợng cần đo và đại lƣợng đầu ra có giá trị tƣơng ứng với điểm gốc, X=0 và Y=0.

Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lƣợng 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] đo ở đầu vào. Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại. Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đƣờng cong chuẩn theo cả hai hƣớng đo tăng dần và đo giảm dần.2 Hàm truyền Hàm Truyền là biểu thức mô tả quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dƣới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thứ toán học Hàm tuyến tính: y=a+bx (1.4) Hàm Logarit: y=1+blnx (1.6) Hàm lũy thừa: y=a0 + a1kx (1.7) Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phƣơng pháp tuyến tính hóa từng đoạn.8) Y,X : là giá trị thực của đại lƣợng đo. Hệ số truyền là tỷ số giữa đại lƣợng ra Y và đại lƣợng vào X Y F(X) K(x) = = (1.3 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 = S.10) Độ nhạy đƣợc định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng.

Là tỉ số giữ sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích đƣợc biểu diễn dƣới dạng biểu thức: dY dF(x) S= = (1.11) dX X Trƣờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh 12 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] giá trị xi của đại lƣợng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên dY của đại lƣợng đầu ra và biến thiên dX tƣơng ứng của đại lƣợng đo ở đầu vào quanh giá trị đó: ∆Y S = ∆Xm=mi (1.12)   Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra ∆Y và biến thiên đầu vào ∆X có sự liên hệ tuyến tính: ∆Y = S.13) ∆Y Đại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu thức S = đƣợc gọi là độ nhạy của ∆X cảm biến. Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi cần thiết kế và sử dụng cảm biến làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của đại lƣợng cần đo m và tần số thay đổi của nó. - Thời gian sử dụng. - Ảnh hƣởng của các đại lƣợng vật lý khác (không phải là đại lƣợng đo) của môi trƣờng xung quanh.

Thông thƣờng nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tƣơng ứng với nhƣng điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, ngƣời sử dụng có thể đánh giá đƣợc độ lớn của đại lƣợng đầu ra của cảm biến và đọ lớn của những biên thiên đại lƣợng đo. Điều này cho phép lựa chọn đƣợc cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện đặt ra.4 Độ tuyến tính Một cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy S không phụ thuộc vào đại lƣợng đo x.