Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

----------------

NGUYỄN THU PHƢƠNG

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

MỘT SỐ LOẠI SENSOR

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

----------------

NGUYỄN THU PHƢƠNG

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

MỘT SỐ LOẠI SENSOR

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử

Mã số: 60.44.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. PHẠM QUỐC TRIỆU

Hà Nội - 2012

MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................. 3

MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 6

CHƢƠNG 1 Một số đặc trƣng cơ bản của sensor ................................................................. 7

1.1 Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản ....................................................................... 7

1.2

Phân loại sensor....................................................................................................... 8

1.3 Đặc trƣng cơ bản ................................................................................................... 10

1.3.1 Đƣờng cong chuẩn của cảm biến ................................................................... 10

1.3.2 Hàm truyền .................................................................................................... 12

1.3.3 Độ nhạy .......................................................................................................... 12

1.3.4 Độ tuyến tính ................................................................................................. 13

1.3.5

Sai số và độ chính xác .................................................................................... 14

1.3.6 Độ nhanh và thời gian hồi đáp ....................................................................... 16

1.3.7 Giới hạn sử dụng ............................................................................................ 17

1.3.8 Nhiễu .............................................................................................................. 18

CHƢƠNG 2 Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý ............................................................... 19

2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện ................................................................... 19

2.1.1 Hiệu ứng áp điện [9] ...................................................................................... 19

2.1.2 Hiệu ứng từ giảo ............................................................................................ 20

2.1.3 Hiệu ứng trở áp .............................................................................................. 21

2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện ................................................................. 21

2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện [14] ................................................................................ 21

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở [15] .......................................................................... 24

2.2.3 Hiệu ứng điện hỏa [16] .................................................................................. 25

2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện ............................................................ 26

2.3.1 Hiệu ứng quang điện [9, 10] .......................................................................... 26

2.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện ...................................................................... 28

2.3.3 Hiện tƣợng phát sáng quang hóa ................................................................... 28

2.3.4 Hiệu ứng quang điện môi [9] ......................................................................... 30

2.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay .................................................................................. 30

2.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect) .................... 31

2.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10] .............................................. 32

2.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học [10] ........................................ 33

2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện ................................................................... 33

2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9] ....................................................................................... 33

2.4.2 Hiệu ứng Spin Hall ........................................................................................ 35

2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9] ...................................................................... 35

2.4.4 Hiệu ứng Barkhausen ..................................................................................... 36

2.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen ..................................................................... 37

2.4.6 Hiệu ứng từ trở ............................................................................................... 37

2.5 Hiệu ứng Dopper ................................................................................................... 38

CHƢƠNG 3 Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo .................................................. 39

3.1

Sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN .................................................... 39

3.1.1 Đặc trƣng V- A của lớp chuyển tiếp p-n ........................................................ 39

3.1.2

Sự phụ thuộc nhiệt độ của dòng điện khi phân cực ngƣợc. ........................... 40

3.1.3

Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu điện thế khi phân cực thuận ........................ 40

3.1.4 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị ................................................................. 41

3.1.5 Kết cấu của thiết bị đo nhiệt độ nhờ chuyển đổi nhiệt - điện bằng bán dẫn dùng ICL7107 .............................................................................................................. 42

3.2

Senor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai ........................................................ 44

3.2.1 Cấu tạo thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai .................. 44

3.2.2 Bộ tiếp nhận dịch chuyển ............................................................................... 44

3.2.3 Bộ biến thế vi sai ........................................................................................... 45

3.3

Sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall .................................................................... 51

3.3.1 Nguyên lý ....................................................................................................... 51

3.3.2

Thiết bị đo từ trƣờng dùng cảm biến Hall ..................................................... 53

3.4

Sensor từ trƣờng Fluxgate ..................................................................................... 53

3.4.1 Nguyên lý làm việc ........................................................................................ 53

3.4.2

Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ .................................................................... 56

CHƢƠNG 4 Kết quả thực nghiệm....................................................................................... 58

4.1 Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN ...................................... 58

4.1.1

Sự thay đổi đặc trƣng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ ....................... 58

4.1.2 Khảo sát quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN ............................................. 58

4.2 Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall ..................................................... 61

4.2.1

Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam ............................................................... 61

4.2.2 Đo từ trƣờng bề mặt dùng GaussMeter (USA) .............................................. 64

KẾT LUẬN .......................................................................................................................... 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 69

MỞ ĐẦU

Đã từ lâu các sensor đƣợc sử dụng nhƣ những bộ phận để cảm nhận và phát

hiện, nhƣng 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 lƣờng, 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 đƣợc giảm thiểu về kích thƣớc, 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, ngƣời máy, kiểm tra chất lƣợng sản phẩm, tiết kiệm

năng lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng, phát hiện an ninhvà đặc biệt gần đây là

trong các hệ thống nhà thông minh (smart home). Sensor cũng đƣợc 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 lƣờng, điều khiển, số lƣợng 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”

đƣợc tác giả lựa chọn làm luận văn của mình với nội dung đƣợc chia làm 4 chƣơng

nhƣ 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 ƣu điểm, nhƣợc điểm và hƣớng phát

triển tiếp theo của luận văn.

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)

y=f(x) (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

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. v….thành các

thông số điện trở, điện cảm điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động v.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.

+ 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.X (1.2)

X(t)

Y(t) )

+ Cảm biến kiểu bù:

Hình 1.3 Cảm biến kiểu bù

Y = X (1.3) K 1±βK

K, β: là hệ số biến đổi

1.3 Đặc trƣng cơ bản

1.3.1 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

Xi a) b)

bằng đồ thị nhƣ hình 1.4a.

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 1.4b).

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.

Hình 1.4 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

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.

1.3.2 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: (1.5)

Hàm mũ: (1.6)

Hàm lũy thừa: (1.7) y=1+blnx y=a.ekx y=a0 + a1kx

Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phƣơng pháp tuyến tính hóa

từng đoạn.

Y = F(X) (1.8)

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

K(x) = = (1.9) Y X F(X) X

1.3.3 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.dX (1.10)

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:

S = = (1.11) dY dX dF(x) X

Trƣờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh

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 ∆X m=mi  

  

S = (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.∆X (1.13)

Đại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu thức S = đƣợc gọi là độ nhạy của ∆Y ∆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.

1.3.4 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.

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của

cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trƣng

tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lƣợng đo

còn nằm trong vùng này.

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở

chế độ tĩnh S(0) vào đại lƣợng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp

(nhƣ tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần (xích ma) cũng không phụ

thuộc vào đại lƣợng đo. Nếu cảm biến không tuyến tính, ngƣời ta đƣa vào mạch đo

các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận đƣợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi

của đại lƣợng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó đƣợc gọi là sự tuyến tính hoá.

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận đƣợc một loạt điểm tƣơng

ứng (yi,xi) của đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các

cảm biến tuyến tính, đƣờng cong chuẩn là một đƣờng thẳng. Tuy nhiên, do sai số

khi đo, các điểm chuẩn (xi, yi) nhận đƣợc bằng thực nghiệm thƣờng không nằm trên

cùng một đƣờng thẳng.

Đƣờng thẳng đƣợc 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 đƣợc gọi là đƣờng thẳng tốt nhất.

Phƣơng trình biểu diễn đƣờng thẳng tốt nhất đƣợc lập bằng phƣơng pháp bình

phƣơng bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phƣơng

trình có dạng:

S = aX + b (1.14)

Trong đó

N.∑y a = (1.15)

i-∑y i∑x i∑x i )∑x 2 2 N.∑x ( i i iy -∑x i.∑x i∑x 2 i i )∑x 2 2 N.∑x ( i i

∑y b = (1.16)

Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, ngƣời ta đƣa ra khái niệm

độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đƣờng cong chuẩn và đƣờng

thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.

1.3.5 Sai số và độ chính xác

Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo

(cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giữa

giá trị đo đƣợc và giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Gọi dx là độ lệch tuyệt đối giữa

giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tƣơng đối của bộ cảm biến đƣợc

tính bằng:

δ = .100 [%] (1.17) ∆x x

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì không thể biết chính

xác giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, ngƣời ta

thƣờng phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.

Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi

hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá

trị thực và giá trị đo đƣợc. Sai số hệ thống thƣờng do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do

điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể

là:

- Do nguyên lý của cảm biến.

- Do giá trị của đại lƣợng chuẩn không đúng.

- Do đặc tính của bộ cảm biến.

- Do điều kiện và chế độ sử dụng.

- Do xử lý kết quả đo.

Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có

thể dự đoán đƣợc một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhƣng không thể dự

đoán đƣợc độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu:

- Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.

- Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.

- Do các đại lƣợng ảnh hƣởng không đƣợc tính đến khi chuẩn cảm biến.

Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực

nghiệm thích hợp nhƣ bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hƣởng của nhiễu, tự động điều

chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hƣởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ

hoặc thực hiện phép đo lƣờng thống kê.

1.3.6 Độ nhanh và thời gian hồi đáp

Độ nhanh là đặc trƣng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về

thời gian của đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là

đại lƣợng đƣợc sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh tr là khoảng

thời gian từ khi đại lƣợng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lƣợng đầu

ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lƣợng giới hạn (ε) tính bằng %. Thời gian hồi

đáp tƣơng ứng với (ε)% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có

sự biến thiên của đại lƣợng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trƣớc.

Thời gian hồi đáp đặc trƣng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các

thông số thời gian xác định chế độ này.

Trong trƣờng hợp sự thay đổi của đại lƣợng đo có dạng bậc thang, các thông

số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng

đột ngột của đại lƣợng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc)

ứng với sự giảm đột ngột của đại lƣợng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là

thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của

biến thiên tổng cộng của đại lƣợng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần

Y Y 0

0.9

0.1

tdx

tdc

thiết để đại lƣợng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng.

Hình 1.5 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế đọ quá độ

Tƣơng tự, khi đại lƣợng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần

thiết để đại lƣợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng

cộng của đại lƣợng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại

lƣợng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. Các

thông số về thời gian tr, tdx, tx, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian

hồi đáp của nó.

1.3.7 Giới hạn sử dụng

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 vƣợt quá ngƣỡng cho phép, chúng sẽ làm

thay đổi đặc trƣng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, ngƣời sử

dụng cần phải biết rõ các giới hạn này.

Vùng làm việc danh định: Vùng làm việc danh định tƣơng ứng với những điều

kiện sử dụng bình thƣờng của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngƣỡng mà

các đại lƣợng đo, các đại lƣợng vật lý có liên quan đến đại lƣợng đo hoặc các đại

lƣợng ảnh hƣởng có thể thƣờng xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trƣng

làm việc danh định của cảm biến.

Vùng không gây nên hư hỏng: Là vùng mà khi mà các đại lƣợng đo hoặc các

đại lƣợng vật lý có liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt qua ngƣỡng của

vùng làm việc danh định nhƣng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hƣ

hỏng, các đặc trƣng của cảm biến có thể bị thay đổi nhƣng những thay đổi này

mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trƣng của

cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.

Vùng không phá huỷ: Là vùng mà khi mà các đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng

vật lý có liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt qua ngƣỡng của vùng không

gây nên hƣ hỏng nhƣng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trƣng

của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức

là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trƣng của cảm biến không thể lấy lại

giá trị ban đầu của chúng. Trong trƣờng hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng đƣợc,

nhƣng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.

1.3.8 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 đƣợc phân bố qua phổ tần số.

Để chống nhiễu ngƣời ta thƣờng 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. Một bộ đƣợc

gọi là cảm biến chính, và bộ kia là cảm biến chuẩn đƣợc đặt trong màn chắn.

Hình 1.6 Phương pháp kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi

Để giảm nhiễu đƣờng truyền ngƣời ta có thể sử dụng các biện pháp sau:

- Cách li nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn

- Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm

biến

- Sử dụng cáp chống nhiễu.

CHƢƠNG 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 [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 ngƣợc lại. Hiệu ứng này đƣợc tìm ra

vào năm 1880.

Vật liệu áp điện phổ biến nhất là thạch anh, lithium niobate, vlithium

tantalite, vPZT và langasite. Một vài vật liệu áp điện khác là gốm chứa Fe(II),

Fe(III) thể hiện tính áp điện khi đƣợc phân cực bởi điện trƣờng ngoài. Tinh thể áp

điện là hình lập phƣơng đối xứng tâm (đẳng hƣớng) trƣớc phân cực và sau phân cực

thể hiện tính đối xứng tứ giác (cấu trúc bất đẳng hƣớng) dƣới nhiệt độ Curie. Ở trên

nhiệt độ Curie nó mất đi thuộc tính áp điện.

Những chất cao phân tử nhƣ cao su, gỗ, tóc, gỗ thớ và lụa trong một phạm vi

nhất định cũng thể hiện tính áp điện. Polyvinylidene fluoride (FVDF) là vật liệu

nhựa dẻo nóng khi đƣợc phân cực thể hiện tính áp điện trong một vài trƣờng hợp

mạnh hơn thạch anh.Vật liệu áp điện là lựa chọn cực kỳ phổ biến cho những cảm

biến trong phạm vi rất rộng.

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.

2.1.2 Hiệu ứng từ giảo

Hiện tƣợng từ giảo hay còn gọi là hiệu ứng cơ-từ là sự thay đổi kích thƣớc

của vật khi nó đƣợc đặt trong một từ trƣờng, hay thuộc tính từ thay đổi dƣới ảnh

hƣởng của sự nén hay giãn. Hiệu ứng này đƣợc tìm ra bởi James Joule vào năm

1842 khi ông kiểm tra một mẫu kền.

Cơ chế xuất hiện hiện tƣợng từ giảo đƣợc minh họa ở hình 1.3 vùng từ tính

sắp xếp ngẫu nhiên khi vật liệu chƣa đƣợc từ hóa. Khi đƣợc từ hóa vùng này đƣợc

định hƣớng lại làm thay đổi kích thƣớc của vật.

Vật liệu từ giảo chuyển năng lƣợng từ thành năng lƣợng cơ và ngƣợc lại. Do

đó chúng thƣờng đƣợc sử dụng cân đối giữa cảm biến và kích thích.

Hiện tƣợng từ giảo xác định bởi hệ số từ giảo Λ đƣợc định nghĩa là các thay

đổi trong từng đoạn của chiều dài khi độ từ hóa của vật tăng từ không đến giá trị bão

hòa. Hệ số này thông thƣờng có bậc có thể âm hoặc dƣơng.

Nguyên tố thể hiện tính từ giảo mạnh nhất ở nhiệt độ phòng là Co. Tuy

nhiên, vật liệu từ giảo quan trọng gọi là vật liệu từ giảo khổng lồ (GM-Giant

Magnetostrictive ) là hợp kim của Fe, Dy (dysprosium), Tb (terbium). Rất nhiều

những vật liệu dạng này đƣợc chế tạo tại phòng thí nghiệm Naval Ordnance và

Ames ở khoảng giữa những năm 1960. Hiệu ứng GM có thể sử dụng trong việc phát

triển từ trƣờng, dòng điện và các sensor đo sức căng.

Hình 2.2 Hiệu ứng từ giảo: H=0 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên,

được sắp xếp lại làm tăng kích thước dưới tác dụng của từ trường.

2.1.3 Hiệu ứng trở áp

Hiệu ứng trở áp là hiện tƣợng thay đổi điện trở của vật liệu khi chịu tác dụng

của lực cơ học. Hiệu ứng này đƣợc tìm ra đầu tiên năm 1856 bởi Lord Kelvin. Năm

1954, C.S.Smith phát hiện rằng chất bán dẫn nhƣ Ge và Si thể hiện hiệu ứng trở áp

mạnh hơn nhiều so với kim loại, thay đổi điện trở của các chất bán dẫn tuân theo

phƣơng trình: (2.1)

Với π là tensor đơn vị của hệ số trở áp, σ là tensor sức căng cơ học, R và ∆R

là điện trở và thay đổi của điện trở. Si là vật liệu đƣợc chọn lựa để chế tạo sensor trở

áp.

Hiệu ứng sức căng ở tinh thể vật liệu phẳng với độ dày nano có ý nghĩa quan

trọng hơn so với hiệu ứng này ở những vật liệu khối. Với vật liệu nano vùng ngoại

lực có thể tác động giảm xuống rất nhiều. Kết quả là ảnh hƣởng của lực trên vùng

đƣợc khuyếch đại. Do đó, sức căng tác động trên một tinh thể nano của vật liệu trở

áp có thể đƣợc chuyển dịch thành thay đổi lớn ở tính dẫn của nó.

2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện

2.2.1 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 tƣợng này đƣợc quan sát đầu tiên trong kim loại vào năm 1821

bởi Thomas Johann Seebeck và đƣợc mang tên ông.

Hình 2.3 Vật liệu A và B gắn chặt hai đầu được giữ ở nhiệt độ và .

Hình 2.3 mô tả hai vật liệu khác loại A và B, hiệu điện thế V sinh ra khi hai

đầu nối đƣợc giữ ở các nhiệt độ khác nhau tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ

, và tuân theo phƣơng trình:

(2.2)

Với và 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 lƣờng nhiệt độ.

Năm 1834 Jean Charly Athanase Peltier tìm ra hiện tƣợng ngƣợc lại: ở đầu

nối của hai kim loại khác nhau, sự chênh lệch nhiệt độ sẽ tăng khi có dòng điện chạy

qua. Nhiệt lƣợng trên một đơn vị thời gian, Q, hấp thụ bởi mối nối có nhiệt độ thấp

bằng:

(2.3)

với , là hệ số Peltier của mỗi vật liệu, I là dòng điện.

Năm 1854 William Thomson (Lord Kelvin) phát hiện ra dòng điện đi qua vật

có gradient nhiệt dọc theo chiều dài của nó sẽ làm vật này vừa hấp thụ vừa giải

phóng nhiệt. Do gradient nhiệt tồn tại dọc chiều dài của vật liệu nên có thể lực điện

động cũng đƣợc sản sinh dọc theo chiều dài.

Các hệ cảm biến bao gồm nhiều sensor nhiệt chế tạo dựa trên hiệu ứng nhiệt

điện, nhiều loại đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: nghiên cứu khoa học, y học,

trong công nghiệp, dự trữ thực phẩm…

Những kim loại và hợp kim sử dụng chế tạo cặp nhiệt điện sẽ cho các thuộc

tính và biểu hiện khác nhau. Chromel (khoảng 90% Ni và 10%) và Contantan

(khoảng 40%Ni và 60% Cu) là hai hợp kim thƣờng đƣợc sử dụng.

Loại K là loại cặp nhiệt điện đƣợc sử dụng rộng rãi nhất có độ nhạy xấp xỉ

41µV/ ºC. Một vài cặp nhiệt điện loại E hoạt động ở dải nhiệt độ thấp hơn so với

loại K tuy nhiên chúng lại có độ nhạy cao hơn (68µV/ ºC). Loại N (Nicrosil(hợp

kim Ni-Cr-Si) / Nisil(hợp kim Ni-Si)) có độ nhạy cao và có khả năng chống lại sự

oxi hóa do đó đƣợc dùng cho các phép đo nhiệt độ cao. Các loại cặp nhiệt điện khác

nhƣ B, R và S đều làm từ kim loại quý để đo nhiệt độ cao nhƣng có độ nhạy thấp

(cỡ 10µV/ ºC).

Vật liệu nhiệt điện chế tạo từ vật liệu bán dẫn đặc thù với hệ số Peltier lớn có

thể sử dụng để chế tạo vi mạch sensor nhiệt độ. Nó cũng đƣợc sử dụng làm bơm

nhiệt để kích đến trạng thái tự kích của một số sản phẩm nhƣ diode laser, CCD

cameras, vi xử lý, phân tích máu… Khả năng chuyển đổi qua lại giữa điện năng và

nhiệt năng của thiết bị nhiệt điện phụ thuộc vào số phẩm chất (ZT) của vật liệu chế

tạo và xác định bởi :

(2.4)

ở đây S ,T , ρ, lần lƣợt là hệ số Seebeck, nhiệt độ tuyệt đối, điện trở

suất và độ dẫn nhiệt toàn phần.

Thông thƣờng vật liệu nhiệt điện có hệ số Seebeck lớn, dẫn nhiệt tốt và điện

trở nhỏ là hiệu quả nhất đối với việc chế tạo thiết bị nhiệt điện. , là

những vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck lớn, có ZT xấp xỉ bằng đơn vị ở nhiệt độ

phòng.

Vật liệu với kích cỡ nano là những đề cử nổi trội để cải thiện các thể hiện của

cấu trúc nhiệt điện. Với dây lƣợng tử đã đạt đƣợc ZT lớn hơn 14 khi bán

kính dây giảm đến 0.5 nm.

Đối với cấu trúc siêu mạng của cùng vật liệu với độ dày lƣợng tử tích tụ 1 nm

giá trị phẩm chất tốt nhất tính đƣợc là 2.5. Với nhiều hiệu quả nổi bật của vật liệu

nhiệt điện, trong tƣơng lai gần những dụng cụ này có thể đƣợc tìm kiếm cho phát

điện và chuyển năng lƣợng nhiệt dƣ thừa thành điện năng.

Bảng 1.1 Một vài loại cặp nhiệt điện phổ biến và dải nhiệt độ tương ứng [14]

Loại Vật liệu Dải nhiệt độ (ºC)

Chromel/Alumel (hợp kim Ni-Al) K -200 đến +1200

E Chromel/Contantan -110 đến +140

J Iron/ Contantan -40 đến +750

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở [15]

Nhiệt điện trở liên quan đến thay đổi điện trở của vật liệu theo nhiệt độ và

đƣợc sử dụng rộng rãi trong các cảm biến nhiệt. Đây là hiệu ứng cơ bản của thiết bị

cảm biến nhiệt nhƣ nhiệt kế điện trở và nhiệt điện trở. Điện trở R đƣợc tính theo

công thức:

(2.5)

Trong đó là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu, là các hệ số nhiệt

điện trở của vật liệu, là chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ T và nhiệt

độ tham chiếu . Phƣơng trình cho thấy điện trở tăng theo nhiệt độ. Điều này

không đúng với mọi vật liệu, vật liệu có hệ số nhiệt dƣơng (PTC-positive

temperature coefficient) thì điện trở tăng theo nhiệt độ, ngƣợc lại hệ số nhiệt âm

(NTC-negative temperature coefficient ) thì điện trở sẽ giảm theo nhiệt độ.

Trong nhiều trƣờng hợp, vật liệu thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt

độ và điện trở, do vậy không cần quan tâm đến các số hạng bậc cao trong phƣơng

trình (2.5). Tuy nhiên sự tuyến tính này chỉ đúng trong một dải nhiệt độ nhất định.

Bảng 1.2 Dải nhiệt độ tuyến tính của một số vật liệu sử dụng chế tạo sensor

nhiệt điện trở [9]

Vật liệu Dải nhiệt độ tuyến tính (ºC)

Đồng -200  260

Platinum -260 1000

Vật liệu nano có thể dùng để chế tạo thiết bị nhiệt điện trở với hệ số nhiệt âm

và dƣơng nhƣ mong muốn. Những vật liệu có cấu trúc nano với tỷ lệ bề mặt / thể

tích lớn hiệu quả hơn trong việc thay đổi theo sự biến thiên của môi trƣờng. Điều

này làm tăng độ nhạy của sensor với biên độ và làm giảm thời gian đáp ứng. Saha

chế tạo thành công bột có kích cỡ nano của . Vật liệu đã cải tiến có chỉ

số nhạy NTC lớn hơn đáng kể so với những vật liệu NTC thông thƣờng. Tính chất

điện của vật dẫn và vật cách điện hợp chất cao phân tử trộn với hạt có kích thƣớc

nano có thể sử dụng để chế tạo những nhiệt điện trở.

2.2.3 Hiệu ứng điện hỏa [16]

Khi nung nóng hay làm lạnh, một tinh thể sẽ sinh ra một phân cực điện kết

quả là tạo ra một hiệu điện thế. Nhiệt độ thay đổi là nguyên nhân làm cho các điện

tích dƣơng và điện tích âm di chuyển đến các cực đối diện của tinh thể.

Vật liệu điện hỏa đƣợc sử dụng trong các sensor bức xạ, trong đó các bức xạ

tới bề mặt của chúng đƣợc chuyển hóa thành nhiệt. Sự tăng của nhiệt độ do những

bức xạ là nguyên nhân làm thay đổi độ lớn phân cực điện của tinh thể. Điều này dẫn

đến một điện thế có thể đo đƣợc, nếu đặt trong một mạch điện, dòng đo đƣợc:

(2.6)

Với p là hệ số điện hỏa, A là diện tích của điện cực, dT/dt là tỷ số thay đổi

nhiệt độ.

Hệu ứng điện hỏa sử dụng để tạo ra một điện trƣờng mạnh (GV/m) trong một

vài vật liệu bằng cách đốt nóng nó từ -30 ºC đến +45 ºC trong một vài phút.

Những sensor bức xạ dựa trên hiệu ứng điện hỏa trong thƣơng mại hoạt động

trong một dải rộng của bƣớc sóng. Sensor điện hỏa chế tạo từ vật liệu điện hỏa nhƣ

lithium tantalite và PZT, phát sinh điện thế khi nhiệt độ thay đổi nhỏ do chiếu xạ

vào bề mặt tinh thể.

Có thể sử dụng vật liệu nano để tăng cƣờng khả năng của các sensor điện

hỏa. Ví dụ Liang đã dùng film xốp SiO2 làm lớp cách ly nhiệt để hạn chế sự

khuyếch tán của dòng nhiệt từ lớp điện hỏa đến lớp Si trong đầu dò hồng ngoại điện

hỏa đa lớp film mỏng. Điều này cải thiện sự giam hãm năng lƣợng bên trong lớp

cảm biến điện hỏa, dẫn đến sự tăng cƣờng hoạt động của sensor.

2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện

2.3.1 Hiệu ứng quang điện [9, 10]

Khi vật liệu bị chiếu xạ bởi photon điện tử có thể bị bứt ra khỏi vật liệu. Điện

tử bị bứt ra gọi là quang electron, động năng của quang electron bằng năng

lƣợng của photon tới (hν) trừ đi năng lƣợng ngƣỡng là năng lƣợng tối thiểu để

quang electron có thể bứt khỏi bề mặt vật liệu:

(2.7)

h hằng số Planck, ν tần số của photon.

Hình 2.4 Hiệu ứng quang điện.

Hiệu ứng quang điện đƣợc sử dụng trong các thiết bị nhạy sáng. Bởi phụ

thuộc vật liệu, sensor đƣợc thiết kế cho những bƣớc sóng riêng biệt. Các cực với cấu

trúc nano bề mặt là giải pháp tối ƣu trong việc sử dụng thiết bị quang điện và sensor.

có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi hƣớng của vật liệu. Tỷ lệ bề mặt-thể tích

lớn của cấu trúc nano có thể làm tăng hiệu suất chuyển đổi ánh sáng năng-lƣợng của

thiết bị quang điện. Ngoài ra sự giải phóng các hạt tích điện nhanh hơn ở vật liệu

nano đồng nghĩa với việc nó có thời gian đáp ứng nhanh.

a) Hiệu ứng quang dẫn

Hiệu ứng quang dẫn xuất hiện khi chùm photon tác động vào vật liệu bán dẫn

làm cho nó thay đổi tính chất dẫn. Tính dẫn là kết quả của sự kích thích các hạt

mang điện tự do bởi các photon tới, các hạt này xuất hiện khi ánh sáng tới đủ năng

lƣợng. Hiệu ứng này đƣợc sử dụng rộng rãi trong các sensor bức xạ điện từ, những

thiết bị này đƣợc gọi là thiết bị quang dẫn, điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR-Light

Dependent Resistor) hay quang điện trở.

CdS, CdSe là hai vật liệu phổ biến dùng để chế tạo thiết bị quang dẫn và

sensor. Thiết bị chế tạo từ CdS có dải điện trở rộng từ vài Ω khi nó đƣợc chiếu bởi

ánh sáng mạnh và tới vài MΩ khi để trong bóng tối. Nó có khả năng tƣơng tác với

một dải rộng của tần số photon bao gồm: hồng ngoại, tử ngoại và vùng ánh sáng khả

kiến.

b) Hiệu ứng quang thế

Ở hiệu ứng này một điện thế gây ra bởi sự hấp thụ photon tại lớp tiếp giáp

của hai vật liệu khác loại. Sự hấp thụ photon giải phóng các hạt mang điện tự do,

điện thế sinh ra tại lớp tiếp giáp của vật liệu làm dịch chuyển hạt tải điện gây ra

dòng điện ở mạch ngoài. Vật liệu đƣợc sử dụng để chế tạo thiết bị ghép đôi này là

những chất bán dẫn.

Một thiết bị quang điện thế thông thƣờng bao gồm một vùng rộng chuyển

tiếp p-n hoặc diode. Một photon ở vùng chuyển tiếp bị hấp thụ nếu năng lƣợng của

nó lớn hơn độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn. Sự hấp thụ này làm electron bị kích

thích nhảy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, để lại một lỗ trống, thực chất là tạo ra một

cặp electron-lỗ trống tự do lƣu động. Nếu cặp electron-lỗ trống nằm trong vùng giải

phóng điện tử của chuyển tiếp p-n, sự tồn tại của điện trƣờng sẽ kéo electron về phía

bán dẫn loại n và lỗ trống về phía bán dẫn loại p, kết quả là tạo ra một dòng điện:

(2.8)

Với q là điện tích của e (1,602.10-19 C)

k là hằng số Botman (1,38.10-23 J/K)

T là nhiệt độ Kelvin của chuyển tiếp p-n

Tế bào quang thế và sensor thông thƣờng làm từ vật liệu hấp thụ photon ở dải

khả kiến và dải UV, ví dụ GaAs (năng lƣợng vùng cấm 1.43eV) hợp chất của nó và

một số vật liệu khác với bƣớc sóng tƣơng ứng: Si (190-1100 nm), Ge (800-1700

nm) ...

Thiết bị quang thế đƣợc sử dụng rộng rãi trong: máy đo ảnh phổ, kiểm soát

bức xạ, hệ tự động điều chỉnh ánh sáng trong các tòa nhà…

2.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện

Hiện tƣợng vật chất phát ra ánh sáng khi có dòng điện đi qua hay khi nó đƣợc

đặt dƣới một điện thế gọi là hiện tƣợng phát sáng quang điện. Hiệu ứng này sử dụng

để chuyển đổi điện năng thành năng lƣợng bức xạ.

Có hai phƣơng pháp làm xuất hiện hiệu ứng phát sáng quang điện. Thứ nhất

nó xuất hiện khi có một dòng điện đi qua biên giới của lớp chuyển tiếp có độ phẳng

cao (ví dụ chuyển tiếp p-n của vật liệu bán dẫn). Electron có thể tái hợp với lỗ trống

gây ra sự rơi về mức năng lƣợng thấp hơn và giải phóng năng lƣợng dƣới dạng

photon. Những thiết bị này đƣợc gọi là diode phát quang (LED- Light Emitting

Diode). Bƣớc sóng của ánh sáng bức xạ xác định bởi độ rộng vùng cấm của vật liệu

chế tạo lớp chuyển tiếp. Vật liệu sử dụng làm LED phải có vùng cấm thẳng. Chúng

bao gồm các yếu tố ở nhóm III và nhóm V trong bảng tuần hoàn. Những chất này

thƣờng dùng để chế tạo LED. Vùng cấm của những vật liệu này và bƣớc sóng bức

xạ có thể biến đổi đƣợc bằng cách tăng sự tinh khiết của vật liệu. Ví dụ LED làm từ

GaP đơn phát ánh sáng màu xanh bƣớc sóng 555 nm, Nitrogen phủ ngoài bởi GaP

phát ánh sáng vàng xanh bƣớc sóng 565 nm.

Một cách khác làm xuất hiện hiện tƣợng điện quang là dựa vào các electron

bị kích thích bởi điện trƣờng trong vật liệu lân quang.

2.3.3 Hiện tƣợng phát sáng quang hóa

Trong hiện tƣợng phát sáng quang hóa ánh sáng phát ra từ nguyên tử hay

phân tử sau khi chúng hấp thụ photon. Photon bị hấp thụ sẽ truyền năng lƣợng cho

phân tử làm nó nhảy lên trạng thái năng lƣợng cao hơn. Sau một thời gian phân tử

bức xạ năng lƣợng dƣ thừa dƣới dạng photon và trở về mức năng lƣợng thấp hơn.

Năng lƣợng của ánh sáng bức xạ liên quan đến sự chênh lệch giữa mức năng lƣợng

của trạng thái kích thích và trạng thái cân bằng. Sự huỳnh quang và sự lân quang là

những ví dụ về hiện tƣợng phát sáng quang hóa. Sự phát sáng quang hóa có thể

đƣợc giải thích bởi thuyết lƣợng tử. Nó phụ thuộc vào cấu trúc electron của nguyên

tử và phân tử. Phân tử có nhiều trạng thái electron trong mỗi trạng thái có sự khác

nhau về mức dao động và trong mỗi mức dao động lại tồn tại những mức quay. Sau

khi nhận năng lƣợng dƣới dạng photon một electron đƣợc kích thích lên trạng thái

cao hơn. Với hầu hết các phân tử, trạng thái electron có thể phân thành S (Singlet)

và T (Triplet) phụ thuộc vào spin của electron. Sau khi phân tử bị kích thích tới

trạng thái năng lƣợng cao hơn nó nhanh chóng mất năng lƣợng dƣới rất nhiều

phƣơng thức.

Hình 2.5 Quá trình huỳnh quang và lân quang.

Trong hiện tƣợng huỳnh quang sự hồi phục dao động làm phân tử trở về

trạng thái dao động có năng lƣợng thấp nhất , V’=1, ở trạng thái Singlet kích thích

đầu tiên . Các electron nằm ở trạng thái năng lƣợng dao động thấp nhất của

sẽ nhảy về bất kỳ trạng thái dao động nào của . Với hiệu ứng lân quang electron

ở trạng thái xuyên qua nhiều lớp của mới trở về trạng thái .

Do có nhiều sự sắp xếp lại trong cả quá trình lân quang có thời gian dài hơn

so với huỳnh quang. Với huỳnh quang thời gian giữa hấp thụ và bức xạ thông

thƣờng khoảng . Đối với lân quang thời gian này rơi vào khoảng

[11].

2.3.4 Hiệu ứng quang điện môi [9]

Vật liệu có các thuộc tính điện môi thay đổi khi chiếu sáng gọi là vật liệu

quang điện môi. Các phép đo quang điện môi đƣợc sử dụng rộng rãi trong quang

hóa học nhƣ nghiên cứu về các dạng động lực học trong vật liệu chụp ảnh và vật

liệu bán dẫn. Nó phục vụ những phép đo điện trƣờng xoay chiều ở vật liệu quang

dẫn mà không cần tiếp xúc và có thể áp dụng vào những chất bán dẫn phức tạp có

những đơn tinh thể khó kiểm soát.

2.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay

Hiệu ứng Faraday xoay đƣợc tìm ra bởi M. Faraday vào năm 1845. Nó là một

hiệu ứng từ - quang trong đó mặt phẳng phân cực của một sóng điện từ phát ra dọc

một vật liệu sẽ bị xoay khi đặt vào một từ trƣờng song song với hƣớng phát sóng.

Hình 2.6 Mặt phẳng phân cực bị quay do từ trường ngoài.

Góc quay của mặt phẳng phân cực tỷ lệ với cƣờng độ từ trƣờng tác động và

đƣợc xác định bằng phƣơng trình:

(2.9)

Với B là mật độ từ thông, V là hằng số Verdet và l là chiều dài vật liệu mà

áng sáng đi qua.

Verdet là một hằng số phẩm chất sử dụng để so sánh hiệu ứng này giữa các

vật liệu và có đơn vị góc quay trên đơn vị của trƣờng tác động và đơn vị dài của vật

liệu. Một vật liệu từ-quang phổ biến sử dụng cho cảm biến là Terbium gallium

garnet nó có hằng số Verdet bằng 0.5min / (G cm). Có thể xây dựng một từ kế từ-

quang với độ nhạy 30 pT để phát hiện những chuỗi từ nano cho những cảm biến ứng

dụng. Ƣu điểm nổi trội của sensor từ-quang là có thời gian đáp ứng nhanh (cỡ

GHz).

2.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect)

Năm 1877 John Kerr nhận thấy mặt phẳng phân cực của tia tới trên bề mặt từ

tính quay một góc nhỏ sau khi phản xạ ra khỏi bề mặt. Góc quay phụ thuộc vào độ

từ hóa M. Điều này là do điện trƣờng của tia tới E tác động một lực F lên các điện tử

ở bề mặt của vật liệu làm cho chúng dao động trong mặt phẳng phân cực của sóng

tới. Cả hiệu ứng từ-quang Kerr và hiệu ứng Faraday xoay xuất hiện do sự từ hóa vật

liệu làm sản sinh sự thay đổi tensor điện môi của chính vật liệu đó.

Hình 2.7 Sự quay của mặt phẳng phân cực trên bề mặt từ tính là kết quả của

hiệu ứng từ-quang Kerr.

Hiệu ứng Kerr có thể sử dụng để chế tạo sensor cho rất nhiều ứng dụng. Ví

dụ Karl phát triển một sensor áp suất dựa trên một màng micro chế tạo từ tấm film

từ giảo mỏng. Áp suất khác nhau trên mỗi vùng của màng là nguyên nhân làm biến

dạng, thực tế là độ căng trên lớp từ giảo. Sự biến dạng của màng dẫn đến sự thay đổi

thuộc tính từ của lớp film từ giảo, những thay đổi này có thể đƣợc đo nhƣ là thay

đổi trong thuộc tính MOKE. Nó đƣợc sử dụng rộng rãi để xác định sự từ hóa của vật

liệu. Hiệu ứng từ-quang cũng có thể sử dụng để nghiên cứu từ trƣờng bất đẳng

hƣớng của các lớp film sắt từ mỏng.

2.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10]

Phát hiện bởi John Kerr vào năm 1875, là hiệu ứng điện-quang trong đó vật

liệu thay đổi hệ số khúc xạ khi đặt trong điện trƣờng. Khi một điện trƣờng tác động

tới chất lỏng hay khí, các phân tử của nó (phân tử có lƣỡng cực điện) có thể bị định

hƣớng một phần theo trƣờng. Điều này gây ra hiện tƣợng dị thƣờng và là nguyên

nhân của hiệu ứng khúc xạ kép đối với ánh sáng truyền qua vật liệu. Tuy nhiên, chỉ

ánh sáng đi từ môi trƣờng gặp đƣờng sức điện trƣờng mới có hiệu ứng khúc xạ kép

này.

Hình 2.8 Hiệu ứng Kerrand Pockels.

Giá trị khúc xạ kép gây ra bởi hiệu ứng Kerr có thể tính bởi công thức:

(2.10)

Trong đó E là cƣờng độ điện trƣờng, K là hằng số Kerr-Pockels và là

bƣớc sóng trong môi trƣờng tự do. Hai chỉ số quan trọng là và lần lƣợt là chỉ

số khúc xạ bình thƣờng và chỉ số khúc xạ bất thƣờng. Hiệu ứng khúc xạ kép dùng

để chế tạo rất nhiều thiết bị quang học. Hiệu ứng này tƣơng tự với hiệu ứng Faraday

nhƣng với trƣờng điện.

Sensor quang học chế tạo dựa trên hiệu ứng Pockels đƣợc ứng dụng trong

công nghiệp, đặt trong hệ thống cung cấp điện sinh hoạt hay trong các nguồn điện

sử dụng trong phòng thí nghiệm. Sensor trƣờng Pockels đƣợc ứng dụng trong đo

lƣờng không chỉ trƣờng điện tĩnh mà cả xung ánh sáng, thay đổi xung điện thế [10].

2.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học [10]

Sự phát sáng do phản ứng hóa học tạo ra đƣợc gọi là sự phát quang bằng

phản ứng hóa học. Bƣớc sóng thƣờng quan sát đƣợc nằm từ gần miền tử ngoại đến

gần miền hồng ngoại. Sự phát quang bằng phản ứng hóa học có thể miêu tả bằng

phƣơng trình phản ứng sau:

[A] + [B]  [◊] [Sản phẩm] +[Ánh sáng]

ở đây A, B là những chất phản ứng dễ kích thích lên trạng thái trung gian ◊, ◊ là

trạng thái bao gồm sản phẩm phản ứng và ánh sáng. Sự phát quang bằng phản ứng

hóa học quan sát đƣợc ở hạt nano kim loại hay hạt nano bán dẫn trong hóa học hoặc

trong các phản ứng điện hóa. Khi sự phát quang hóa học có nguồn gốc từ các tổ

chức sống, thì đƣợc gọi là sự phát quang sinh học. Sự phát quang sinh học có vai trò

quan trọng nổi bật là công cụ hữu ích trong sinh học và các phát minh y khoa.

2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện

2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9]

Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trƣờng vuông góc với

hƣớng của dòng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trƣờng

vuông góc với cả hƣớng của dòng điện và hƣớng của từ trƣờng. Đây là một trong

những hiệu ứng đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghệ sensor.

Hình 2.9 mô tả một từ trƣờng vuông góc với tấm vật liệu mỏng mang dòng

điện. Từ trƣờng tác dụng một lực theo phƣơng ngang vào hạt tải chuyển động và

đẩy chúng về một phía. Trong khi những hạt tải này đƣợc tích lũy tại một bên thì

các hạt tải trái dấu lại tích tụ về phía đối diện. Sự phân tách hạt tải tạo ra một điện

trƣờng, điện trƣờng này gây ra lực điện . Khi lực điện cân bằng với lực từ thì

không diễn ra sự phân tách hạt tải nữa. Kết quả là có một điện thế có thể đo đƣợc

giữa hai cực của vật liệu, gọi là thế Hall, đƣợc tính theo phƣơng trình:

(2.11)

Với I là dòng điện chạy trong vật liệu

B: cảm ứng từ, n: mật độ hạt tải của vật liệu

e: điện tích của electron ( C)

d: độ dày của vật liệu

I

B

VHall

FB - Lƣ̣c tƣ̀ FE - Lƣ̣c điê ̣n

Hình 2.9 Hiệu ứng Hall.

Sensor hiệu ứng Hall đƣợc sử dụng thƣờng xuyên nhất trong các phép đo từ

trƣờng. Sensor Hall hai chiều đã đƣợc sử dụng để kiểm soát trƣờng từ trong dải

nano-tesla. Do có khả năng phát hiện ra từ trƣờng nhỏ, hiệu ứng Hall có thể là

phƣơng tiện trong việc phát triển hệ cảm biến sử dụng chuỗi từ nano (chuỗi phát ra

từ trƣờng rất nhỏ). Một ví dụ về chuỗi từ nano đƣợc cung cấp bởi Ejsing, ngƣời đã

cải tiến những sensor chuỗi từ nano này với độ nhạy khoảng 3µV/Oe mA. Những

sensor của họ hoạt động với từ trƣờng của hạt từ kích cỡ 250 nm thƣờng đƣợc sử

dụng trong những ứng dụng sinh học.

2.4.2 Hiệu ứng Spin Hall

Hiệu ứng Spin Hall (SHE-Spin Hall Effect) liên quan đến sự phát sinh dòng

spin ngang với điện trƣờng đặt vào vật liệu, dẫn đến sự gia tăng các spin không cân

bằng trong hệ. Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu thuận từ là hệ quả của

tƣơng tác spin-quỹ đạo. Đó là lý thuyết đƣợc dự đoán vào năm 1971 bởi Yakonov

và Perel. Sự phát sinh, lôi kéo và phát hiện điện tử spin- phân cực trong cấu trúc

nano là một trong những thách thức của thuyết spin điện tử.

Hiệu ứng này có tiềm năng to lớn trong việc sử dụng các cảm biến ứng dụng

trong chuỗi từ nano hoặc film mỏng với chiều dày nano. Ví dụ Gerber chứng minh

rằng SHE có thể sử dụng để cảm biến các tinh thể từ không đẳng hƣớng và từ

trƣờng tồn tại trong thời gian ngắn của hạt nano Co tách xa sắp xếp trong những dãy

đơn lớp với bề dày nhỏ hơn 0.01 nm.

Dòng điện

Dòng Spin

Hình 2.10 Hiệu ứng spin Hall.

2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9]

Định luật Faraday-Henry là định luật cơ bản của điện từ và phát biểu rằng

một điện trƣờng đƣợc tạo ra khi thay đổi một từ trƣờng (hình 2.11). Michael

Faraday và Joseph Henry độc lập tìm ra hiện tƣợng điện từ. Các sensor và thiết bị

âm thanh thời kỳ đầu (nhƣ micro-phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tƣơng

Nam châm di ̣ch chuyển

Dòng điện cảm ứng

Tƣ̀ thông

tự, và rơle lƣỡi gà sử dụng hiệu ứng này.

Hình 2.11 Hiệu ứng Faraday-Henry

Mối quan hệ giữa điện trƣờng E và mật độ từ thông B đƣợc xác định bởi:

(2.12)

Hay

(2.13)

Định luật này chi phối anten, các môtơ điện và một số lƣợng lớn thiết bị điện

gồm cả rơle và phần cảm điện trong các mạch thông tin viễn thông [1, 12].

2.4.4 Hiệu ứng Barkhausen

Năm 1919 Barkhausen thấy rằng khi đặt một từ trƣờng liên tục tăng chậm

vào vật liệu sắt từ thì nó sẽ bị từ hóa không liên tục mà theo từng bậc nhỏ. Những

thay đổi đột ngột không liên tục trong sự từ hóa là kết quả của những thay đổi rời

rạc cả trong kích cỡ và hƣớng của vùng sắt từ (hay cụm vi mô của nam châm

nguyên tử sắp hàng) xuất hiện trong quá trình từ hóa hay khử từ liên tục.

Hiệu ứng này thông thƣờng làm giảm hoạt động của sensor từ nó xuất hiện

nhƣ nhiễu bậc trong phép đo. Hiệu ứng này cũng quan sát đƣợc ở vật liệu sắt từ kích

thƣớc nano.

2.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen

Nernst và Ettingshausen phát hiện ra một lực điện động đƣợc sinh ra dọc chất

dẫn điện hay bán dẫn khi nó chịu tác dụng đồng thời của gradient nhiệt độ và trƣờng

từ. Hƣớng của lực này vuông góc cả với trƣờng từ và gradient nhiệt độ. Hiệu ứng có

thể đƣợc định lƣợng bởi hế số Nernst |N| :

(2.14)

Thành phần từ trƣờng trên trục z là , tạo ra thành phần điện trƣờng theo

trục y là , vật chịu gradient của nhiệt độ dT/dx. Hiệu ứng này có khả năng đo độ

lớn của nhiệt độ và độ lớn của từ trƣờng ở hạt nano đơn [9].

2.4.6 Hiệu ứng từ trở

Hiệu ứng từ trở là hiện tƣợng phụ thuộc điện trở của vật chất vào từ trƣờng

ngoài. Từ trƣờng ngoài gây ra lực Lorentz tác động vào các hạt tải chuyển động

trong vật liệu tùy thuộc hƣớng của trƣờng mà có thể gây ra cản trở đối với sự dịch

chuyển của các hạt tải. Hiệu ứng này do Lord Kelvin phát hiện vào năm 1856. Hiệu

ứng trở nên nổi bật khi tìm ra từ trở không đẳng hƣớng (AMR-Anisotropic

Magnetoresistance) và từ trở khổng lồ (GMR-Giant Magnetoresistance ).

AMR là hiện tƣợng chỉ quan sát đƣợc ở các chất sắt từ, vật mà điện trở tăng

nên khi hƣớng của dòng điện song song với trƣờng từ tác động. Thay đổi điện trở

của vật liệu phụ thuộc vào góc giữa hƣớng của dòng điện và hƣớng từ hóa của vật

liệu sắt từ. Có thể phát triển các sensor giám sát góc quay của trƣờng từ dựa vào

hiệu ứng AMR. Tuy nhiên thay đổi điện trở liên quan đến hiệu ứng AMR khá nhỏ

thƣờng thì chỉ 1% hoặc 2%.

GMR có vai trò quan trọng trong công nghệ nano ứng dụng cho cảm biến.

Hiệu ứng từ trở khổng lồ đƣợc độc lập tìm ra bởi nhóm nghiên cứu do Peter dẫn đầu

và đại học Paris-Sud vào năm 1988. Hiện tại nghiên cứu tập trung vào hƣớng sử

dụng những dây dẫn nano đa lớp (mang đến độ nhạy cao hơn so với film mỏng hiện

tại đang sử dụng trong ổ cứng đọc / ghi) thể hiện hiệu ứng GMR.

2.5 Hiệu ứng Dopper

Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tƣơng đối với nhau, tần số tín

hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều thì tần số nhận

đƣợc lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngƣợc lại khi chúng di chuyển ra xa thì tần số

tín hiệu thu đƣợc giảm xuống. Đây là hiệu ứng Doppler.

Sự dịch tần số Doppler ở phía thu tuân theo phƣơng trình sau:

(2.15)

Với v là tốc độ sóng trong môi trƣờng, là tốc độ của nguồn đối với

môi trƣờng, và là tần số của nguồn sóng. Nếu nguồn sóng tiến gần đầu thu

dƣơng và ngƣợc lại khi nó lùi xa nguồn thu thì âm. Một ví dụ

quen thuộc về hiệu ứng Doppler là thay đổi độ cao thấp của còi báo động xe cứu

thƣơng khi nó lại gần hay đi xa.

Thí dụ phổ biến về hiệu ứng Doppler trong cảm biến là thiết bị giám sát và

siêu âm. Hiệu ứng Doppler cũng giữ vai trò quan trọng trong rada và hệ thống định

vị vật dƣới nƣớc.

Hiệu ứng Doppler có vai trò quan trọng trong cảm biến và mô tả vật liệu

nano. Mở rộng Doppler (mở rộng vạch phổ trong phổ UV-vis) gây ra do chuyển

động nhiệt của những hạt nhỏ. Mở rộng Doppler thông thƣờng đặt trong thiết bị đo

phổ có độ chính xác cao.

CHƢƠNG 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

Ta có biểu thức dòng điện:

(3.1)

trong đó:

JS: Dòng ngƣợc bão hoà tại nhiệt độ T

(3.2)

k: Hằng số Boltzmann, k = 1,38.10-23J/K

U: Hiệu điện thế trên lớp chuyển tiếp

JSo: Dòng ngƣợc bão hoà ở nhiệt độ T0

Eg: Độ rộng vùng cấm, coi là không đổi trong dải nhiệt độ thay đổi

T: nhiệt độ lớp chuyển tiếp p-n.

Đƣờng đặc trƣng V-A đƣợc biểu diễn trên hình 3.1

Hình 3.1 Đặc trưng V-A của lớp chuyển tiếp p-n

Để tiến hành đo đạc đƣợc thuận lợi hơn ngƣời ta thƣờng đƣa các mối quan hệ

về dạng phụ thuộc tuyến tính

3.1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của dòng điện khi phân cực ngƣợc.

Lấy ln hai vế của (3.2) ta đƣợc:

Với điều kiện Eg = const và đặt:

;

Ta đƣa đƣợc về dạng phƣơng trình tuyến tính: +B với

của bỏn dẫn.

xác định nhiệt độ

. Ta có thể đo dũng ngƣợc J phụ thuộc vào nhiệt độ T nhƣ sơ đồ hỡnh 3.2 để xác định hệ số A, qua đó biết độ rộng vùng cấm A

Hình 3.2 Đo nhiệt độ thông qua đo dòng điện

3.1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu điện thế khi phân cực thuận

Thay (3.2) vào (3.1) ta đƣợc:

Xét ở nhiệt độ phòng, cho rằng exp(eU/kT) >> 1, lấy ln hai vế phƣơng trình

trên ta đƣợc:

Với điều kiện J = J0 = const, độ rộng vùng cấm không đổi khi nhiệt độ lớp

chuyển tiếp thay đổi và đặt:

Ta đƣợc phƣơng trình phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của hiệu điện thế:

(3.3)

Khi nhiệt độ thay đổi, hiệu điện thế sẽ thay đổi theo hàm tuyến tính. Nhƣ thế

thông qua đo hiệu điện thế ta có thể xác định đƣợc nhiệt độ.Ta có thể xác định nhiệt

độ thông qua hiệu điện thế nhƣ ở sơ đồ hình 3.3.

K 302

10k

R1 V Nhiệt độ

Hình 3.3 Đo nhiệt độ thông qua hiệu điện thế

Phƣơng trình (3.3) cho phép diot bán dẫn trở thành nhiệt kế trong dải nhiệt

độ từ - 20oC đến 120oC.

3.1.4 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị

Sơ đồ hình 3.3 cho ta giá trị của hiệu điện thế theo nhiệt độ. Do vậy, với sự

thay đổi nhỏ của nhiệt độ ta cũng phải đo một giá trị tƣơng đối lớn của hiệu điện

thế. điều này đòi hỏi dụng cụ đo phải có thang đo lớn, dễ dẫn tới sai số lớn làm

phép đo thiếu chính xác. Thiết bị của chúng ta đƣợc chế tạo theo sơ đồ nguyên tắc

hình 3.4. ở sơ đồ này, dòng điện có giá trị I không đổi. Lợi dụng tính chất đặc biệt

của mạch cầu điện trở, tại một giá trị biết trƣớc của nhiệt độ, ta điều chỉnh biến trở

R sao cho mạch cầu là cân bằng, khi đó hiệu điện thế UMN=0. Chỉ cần một sự thay

đổi nhỏ của nhiệt độ trên bán dẫn, mạch cầu sẽ không còn cân bằng làm xuất hiện

hiệu điện thế giữa M và N, chỉ thị số sẽ cho ta giá trị tƣơng ứng. Nhƣ vậy, dụng cụ

đo không cần phải có thang đo lớn, sai số sẽ nhỏ, khắc phục đƣợc nhƣợc điểm của

chỉ thị

KĐ K

sơ đồ hình 3.3

Hình 3.4 Sơ đồ khối thiết bị đo nhiệt độ dùng chuyển đổi nhiệt- điện

3.1.5 Kết cấu của thiết bị đo nhiệt độ nhờ chuyển đổi nhiệt - điện bằng

bán dẫn dùng ICL7107

a) ICL7107

ICL7107 là hệ chuyển đổi A/D có đặc tính cao, tốn ít năng lƣợng (khoảng

10mW). Nó đảm bảo tính chính xác cao. Khi thế đầu vào bằng không, chỉ thị số

luôn cho giá trị 0. Sai số theo nhiệt độ cỡ 1V/oC. ICL7107 bao gồm các bộ giải mã

7 đoạn, các bộ điều khiển hiển thị số, một hệ qui đổi và một đồng hồ đo. Đầu ra có

thể điều chỉnh từ  199,9 mV đến  1,999V bằng cách thay đổi điện trở R1, Điện trở

tích phân R2 và điện dung C2 (hình 3.5). Khác với bộ MC14433, bộ ICL7107 không

cần bộ giải mã ngoài nữa mà thay vào đó, nó có sẵn chỉ thị số bằng LED.

b) Kết cấu của thiết bị.

Chúng ta sẽ lắp ráp thiết bị đo theo sơ đồ nguyên tắc. Đặt hiệu điện thế trên

chỉ thị số bằng không tƣơng ứng với một nhiệt độ cho trƣớc (nhiệt độ phòng chẳng

hạn) bằng cách chỉnh không trên đồng hồ đo. Khi có sự thay đổi của năng lƣợng

bức xạ tới, nhiệt độ của bán dẫn (phần hấp thụ năng lƣợng bức xạ) sẽ thay đổi và

đồng hồ trên chỉ thị số chỉ giá trị hiệu điện thế tƣơng ứng. Phần khuếch đại và chỉ

thị số sẽ đƣợc thay bằng một ICL7107 nhƣ ở hình 3.5. Tại đây, tín hiệu điện sẽ

đƣợc xử lý để ra chỉ thị số trên LED. Với độ chính xác cao của thiết bị ta có thể

nhận biết đƣợc sự thay đổi dù rất nhỏ của nhiệt độ trên bán dẫn. Sự thay đổi nhiệt

độ đó giúp ta xác định dƣợc nhiệt độ của vật hấp thụ năng lƣợng bức xạ (bán dẫn)

để từ đó có thể tính toán năng lƣợng bức xạ của vật bức xạ năng lƣợng theo các qui

+5V

luật của quá trình bức xạ năng lƣợng.

R1 24k

L

1.1

0.1V

E

1.2

Polarity

D

S

dp 1500

e

0.01F

ICL7107

m

100 pF

e C1 0.47F n

100k

t

39

s

21 26 27 0.22F _ 5V

Hình 3.5 Kết cấu sơ đồ nguyên lý của thiết bị đo nhiệt độ bằng bán dẫn

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

Dƣới đây là mô hình cấu tạo của một thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ

dùng cảm biến vi sai. (hình 3.6)

Biến thế vi sai

Bộ xử lý tín hiệu

Bộ tiếp nhận các tác động dịch chuyển

Bộ dao động

Bộ khuếch đại

điện từ

& Chỉ thị

Các tác động dịch chuyển ngoài

Hình 3.6 Mô hình cấu tạo một máy cảm biến

Cảm biến đƣợc cung cấp xung dao động từ bộ dao động điện từ, dƣới ảnh

hƣởng của các tác động bên ngoài bộ tiếp nhận dịch chuyển sẽ làm nhiệm vụ

chuyển các tín hiệu đã nhận đƣợc vào biến thế vi sai, từ đó chuyển thành các tín

hiệu có thể xử lý đƣợc. Các tín hiệu này đƣợc đƣa qua bộ xử lý tín hiệu rồi qua bộ

khuếch đại tín hiệu và ra bảng chỉ thị.

Từng bộ phận của mô hình cấu tạo của máy cảm biến vi sai trên sẽ lần lƣợt

đƣợc trình bày cụ thể nhƣ dƣới đây.

3.2.2 Bộ tiếp nhận dịch chuyển

Các tác động bên ngoài tác động vào bộ phận tiếp nhận gồm rất nhiều các

dạng nhƣ: tác động của nhiệt độ, các hiệu ứng lực, áp suất, các dịch chuyển cơ học

và nhiều các loại tác động khác. Trong mụ hỡnh này chỉ nghiên cứu các dịch

chuyển cơ học, với sự dịch chuyển là nhỏ. Coi nhƣ các tác động còn lại không đáng

kể, ảnh hƣởng một phần rất nhỏ tới kết quả của phép đo. Tác động dịch chuyển cơ

học này đƣợc tiếp nhận nhờ một bộ tiếp nhận dịch chuyển, nó có nhiệm vụ tiếp xúc

với các dịch chuyển cần đo đạc, khảo sát và gây ra sự chuyển rời của lõi Ferite

trong biến thế vi sai. Đây là một khối cơ học chính xác và có thể chuyển dời thuận

nghịch trong một phạm vi độ dài vài mm theo một phƣơng xác định.

3.2.3 Bộ biến thế vi sai

Biến thế vi sai là một bộ phận chủ yếu của biến tử vi sai, thực hiện nhiệm vụ

chuyển đổi cơ thành tín hiệu điện, nó bao gồm một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp

mắc đối xứng với cuộn sơ cấp. Các cuộn thứ cấp khi đƣợc mắc xung đối với nhau

với nhau, do tƣơng tác với cuộn sơ cấp, suất điện động trong chúng bị triệt tiêu. Đây

là nguyên lý hoạt động của biến thế vi sai lõi không khí (hình 3.7).

Hình 3.7 Cấu tạo biến thế vi sai

Ngoài ra, ngƣời ta còn gắn thêm vào trong lòng ống dây một lõi Ferite và gọi

là biến thế vi sai lõi Ferite. Khi có một sự dịch chuyển nhỏ của lõi Ferite sẽ làm cho

suất điện động trên trên hai cuộn dây ở lối ra mất cân bằng. Sự mất cân bằng này

báo hiệu vị trí lõi trong lòng ống dây thông qua giá trị suất điện động không cân

bằng. Nó chính là nguyên lý hoạt động của biến thế vi sai lõi Ferite (Hình 3.7). Biến

thế vi sai lõi Ferite thƣờng đƣợc dùng trong cảm biến dịch chuyển. Cảm biến dịch

chuyển nhỏ đƣợc sử dụng trong bản luận văn này cũng đã sử dụng bộ biến thế lõi

Ferite. Trong một số trƣờng hợp, nguyên lý vi sai này đƣợc áp dụng dƣới dạng dịch

chuyển tƣơng đối: Lõi Ferite đứng yên, các cuộn dây dịch chuyển.

a) Biến thế vi sai lõi không khí

Cấu tạo: Một biến thế vi sai có cấu tạo cơ bản gồm ba cuộn L1,L2,L3 cuốn

chung trên 1 lõi Xôlênôit.

Dòng xoay chiều hình Sin đƣợc đƣa vào 2 đầu cuộn L1:

I = I0 .sint (3.4)

Cuộn L1, L3 cuốn cùng chiều, cùng số vòng và đƣợc trải nối tiếp theo chiều

trục của ống Xôlênoit. Do đó suất điện động cảm ứng trên các đầu ra 1,2 và 3,4 là

bằng nhau.

Kích thƣớc ống Xôlênoit và số vòng cuốn trên nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố

nhƣ: tần số dòng, công suất máy phát, kích thƣớc lõi Ferite, yêu cầu độ nhạy S,…

Suất điện động lối ra: Trong L1 có dòng xoay chiều nên trong ống xuất hiện từ

thông biến đổi. Từ thông có phần nào ảnh hƣởng tới các cuộn dây L2, L3 do vậy lối

ra của chúng xuất hiện suất điện động cảm ứng.

Gọi 12, 13 là từ thông mà cuộn L2, L3, nhận đƣợc từ L1, M12, M13 là hệ số hỗ

cảm giữa L1 với L2 và L3. Ta có công thức:

(3.5) 21 = M12.I

(3.6) 13 = M13.I

Hệ số hỗ cảm là đại lƣợng phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc và môi trƣờng

trong ống Xôlênoit, ngoài ra còn phụ thuộc vào số vòng và vị trí tƣơng đối của các

cuộn L2, L3. Trong trƣờng hợp M12 = M13 = M, ta có:

(3.7) E2= E3=

(3.8) M12 =

(3.9) M13=

S: tiết diện ống Xôlênoit.

l: chiều dài ống Xôlênoit.

0, : độ từ thẩm của không khí và môi trƣờng bên trong ống Xôlênoit.

Sự liên quan giữa hệ số hỗ cảm và hệ số tự cảm của các cuộn dây:

(3.10) M12 = k.

(3.11) M13 = k.

k- là hệ số 0

Khi E2 = E3, đây là trƣờng hợp lý tƣởng với lối ra của biến thế vi sai là hai tin

hiệu xoay chiều bằng nhau về tần số, biên độ, độ lệch pha.

Nếu nối 2-3 suất điện động 1-4 là 2E.

Nếu nối 1-3 hoặc 2-4 suất điện động bằng 0 trên 2 đầu ra còn lại.(hình 3.7)

b) Biến thế vi sai lõi Ferite

Trong lòng ống dây không phải là không khí nhƣ trƣờng hợp lõi không khí, độ

từ thẩm trong đó trở nên không đồng đều do có lõi Ferite với độ từ thẩm  ở các vị

trí khác nhau. Do đó ta có thể xác định đƣợc độ dịch chuyển của lõi Ferite, tức là sự

bất cân bằng của suất điện động trên hai cuộn dây ở lối ra.

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một cảm biến vi sai có dùng lõi Ferite (hình 3.8).

Giả sử lõi Ferite đặt ở phía đầu cuộn L2, các đƣờng sức từ tăng trong lòng L2,

M12 đã tăng lên trong trƣờng hợp có lõi Ferite.

Suất điện động cảm ứng ở cuộn L2:

= - . (3.12) E2f = -M12f.

Suất điện động cảm ứng ở cuộn L3:

= - (3.13) E3 = -M13.

Nhƣ vậy suất điện động ở lối ra: E = E2f – E3  0.

Nguyên nhân:

+ Sự có mặt của lõi Ferit gây nên sự thay đổi cảm ứng từ B hiệu dụng trong

không gian cuộn L2, sự thay đổi này dẫn đến hệ số hỗ cảm M12 thay đổi và gây nên

sự thay đổi của E2. Cảm ứng từ B thay đổi phụ thuộc vào vị trí lõi Ferite nên ta có:

B = B(x) hoặc E = E(x). (3.14)

+ Sự có mặt của lõi Ferit gây nên độ lệch pha  giữa dòng và thế trong đoạn

hiệu dụng của L1, nơi mà lõi Ferite tồn tại. Vì thế pha giữa suất điện động E2 và E3

ở lối ra cũng khác nhau dẫn đến sự xuất hiện suất điện động E  0 ở lối ra.

Công thức 3.12 dùng để xác định vị trí dịch chuyển của vật thông qua xác định

giá trị của E

Lõi từ

Thanh tác động dịch chuyển

Cuộn sơ cấp

Cuộn thứ cấp 2

Cuộn thứ cấp 1

a)

b)

R2 ’

M’(x)

L2 ’

x 0

Thiết bị đo

R2’’

L2’’

M’’(x)

c)

Hình 3.8 Nguyên lý cấu tạo của cảm biến dùng biến thế vi sai

a)Dạng dịch chuyển thẳng; b)Dạng dịch chuyển quay tròn; c)Sơ đồ mạch điện

tƣơng đƣơng .c) Biến thế vi sai khung động

Nguyên lý của cảm biến này có thể mô tả nhƣ sau:

Tác động của dịch chuyển theo trục thẳng (giả sử phƣơng x) sẽ làm thay đổi vị

trí cơ học của cảm biến. Sự thay đổi này ảnh hƣởng tới quá trình hỗ cảm giữa các

cuộn dây sơ cấp và thứ cấp trong cảm biến.

Suất điện động cảm ứng ở cuộn thứ cấp là đại lƣợng phụ thuộc vào tác động

dịch chuyển. Giả sử trong cuộn dây sơ cấp có một dòng điện xoay chiều hình sin:

I = Im sin(t) (3.15)

Cảm ứng từ B trong lõi trụ của cuộn dây có dạng:

B = Bm sin(t) (3.16)

B = 0.H (3.17)

trong đó  là độ thẩm từ của vật liệu

Nếu ống dây đủ dài: B = 0.n.I (3.18)

với n là mật độ dài của các vòng sơ cấp.

Từ thông: = BS = Bm sin(t).S (3.19)

Suất điện động ở bên thứ cấp có độ lớn:

E = = Bm  S cos(t) (3.20)

Thực tế, để tăng tỷ số S/N của cảm biến, ngƣời ta hay sử dụng cách mắc vi sai

các cuộn dây thứ cấp. Việc dịch chuyển có thể thực hiện một cách tƣơng đối:

+ Dịch chuyển vật liệu từ mềm trong lòng ống dây thẳng

+ Dịch chuyển các cuộn dây thứ cấp trong khe từ cố định của vật liệu từ mềm.

Xét trƣờng hợp dịch chuyển thứ hai:

Biểu diễn vùng từ trƣờng biến đổi hiệu dụng bằng diện tích có đánh dấu cộng

trên Hình 3.9a.

ABCD và CDEF là hai cuộn dây thứ cấp đƣợc nối với nhau theo kiểu xung đối.

Ban đầu, chúng ở vị trí cân bằng, hoàn toàn đối xứng trong vùng từ trƣờng. Khi đó

E1 = E2. Suất điện động của lối ra giữa chúng là: E0 = E1 - E2 = 0.

Nếu do một tác động nào đó làm cho ABFE dịch chuyển sang phải (hoặc trái), suất điện động lối ra khi đó sẽ có dạng mô tả trên Hình 3.9b

C

F

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

E1

E2

E

A

D

vùng từ trường

+ + + + + + + + + + + + + + + + + +

Hình 3.9a Hai cuộn dây thứ cấp trong vùng từ trường biến đổi

E1

E2

E1

E2

E2 - E1

Hình 3.9b Suất điện động ở lối ra khi khung dây ABFE bị dịch ngang

Nếu Bm là đại lƣợng không thay đổi, tần số góc của dao động điện ổn định, rõ

ràng từ (3.19) ta có sự phụ thuộc của E theo chuyển dịch ngang (trục x) có dạng

tuyến tính.

3.3 Sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall

3.3.1 Nguyên lý

Có thể nói nguồn gốc của hiệu ứng Hall là sự tác động của lực điện từ

Lorentz lên các hạt tích điện chuyển động trong từ trƣờng. Đây là một trong những

hiện tƣợng động lực học quan trọng trong vật lý học.

Để tìm hiểu bản chất của hiệu ứng Hall, chúng ta hãy xem xét các quá trình

vật lý ở trong mẫu bán dẫn có dòng điện chạy qua và đặt trong từ trƣờng vuông góc

(hình 3.10)

Hình 3.10 Sơ đồ mẫu

Chiều chuyển động của một hạt tải tích điện dƣơng (lỗ trống) là chạy từ trái

sang phải dƣới ảnh hƣởng của điện trƣờng Ex, cảm ứng từ Bz đƣợc đặt vuông góc

với bề mặt của mẫu bán dẫn. Từ lực Lorentz tác dụng lên hạt tải đƣợc biểu diễn bởi

phƣơng trình:

(3.21)

Dƣới tác dụng của lực này, hạt tải bị lệch khỏi phƣơng ban đầu và tạo nên sự

phân bố không đều về nồng độ ở hai biên theo phƣơng Y, kết quả là làm xuất hiện

một điện trƣờng Ey. Điện trƣờng này gọi là điện trƣờng Hall. Độ lớn của điện

trƣờng này đƣợc xác định từ điều kiện cân bằng với lực Lorentz.

(3.21) e.B.vx = - e.EH ,

trong đó EH gọi là suất điện động Hall ngƣợc chiều với lực Lorentz tức là có tác

dụng cản trở chuyển động lệch của hạt tải. Do đó các hạt tải sẽ không bị lêch nữa

khi các lực này cân bằng nhau. Lúc này điện trƣờng Hall đạt tới giá trị xác định:

(3.22)

EH = - vx. Bz ,

trong đó vx là vận tốc trung bình của hạt tải theo phƣơng x,

Bz là hình chiếu của cảm ứng từ lên trục z.

Trƣờng hợp hạt tải là điện tử

, (3.23)

trong đó là độ linh động hạt tải,

Ex là cƣờng độ điện trƣờng ngoài.

Nhƣ vậy: (3.24)

Mặt khác mật độ dòng điện : .

Mà ,

trong đó là độ dẫn điện, n là nồng độ điện tử.

Do đó ta có : (3.25)

Thay (3.24) vào (3.25) ta có biểu thức của điện trƣờng Hall nhƣ sau:

(3.26)

(3.27a) hay EH = RH. Jx. Bz,

trong đó hằng số (3.27b)

RH - gọi là hệ số Hall.

Điện áp xuất hiện bởi điện trƣờng Hall là:

, (3.28)

trong đó d là độ dày của mẫu bán dẫn.

3.3.2 Thiết bị đo từ trƣờng dùng cảm biến Hall

Hình 3.11 Thiết bị đo từ trường dùng cảm biến Hall

Ở đây mạch khuếch đại vi sai có giá trị RE >> RC . Sơ đồ khuếch đại vi sai

này có điện trở chung ở emitơ. Điện trở chung RE ở emitơ đóng vai trò là máy phát

dòng không đổi. Nếu điện trở này càng lớn thì khả năng triệt tín hiệu cùng pha càng

lớn.

3.4 Sensor từ trƣờng Fluxgate

3.4.1 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý làm việc dựa vào tính chất “lõi bão hòa” nghĩa là các vật liệu có

độ từ thẩm cao đƣợc sử dụng để khuếch đại tín hiệu từ trƣờng đƣợc chọn trong một

vòng nhỏ (vài cm hoặc ít hơn) của anten, giống hệ thống anten vòng lõi đƣợc mô tả

ở trên. Sự khác nhau giữa hai hệ thống không chỉ là kích thƣớc của vòng mà cả tính

chất (bão hòa) trễ từ đƣợc sử dụng trong các trƣờng dao động mạnh. Trƣờng này là

tùy chọn, theo các hƣớng đối xứng (+) và (-), do trƣờng tự nhiên hiện tại. Cƣờng độ

trƣờng địa từ tác động lên đầu dò, gây ra sự méo hài, đƣợc đo trên các vòng thứ cấp.

Trong hầu hết các phiên bản đƣợc sử dụng của phƣơng pháp lõi bão hòa,

chất lƣợng các phép đo có chứa thành phần hài thứ cấp của tần số kích thích đƣợc

tạo thành trong khoảng bão hòa phi tuyến của cảm biến.

Hình 3.12

Trong hình 3.12, ta thấy một trƣờng địa từ bao quanh bên ngoài H0 chồng lên

trên trƣờng kích thích hình sin của biên độ A. Các mối quan hệ về độ lớn nhƣ

với A đƣợc điều chỉnh lớn hơn mức bão hòa cần thiết của lõi có độ từ thẩm

cao. Các trƣờng có mức không đối xứng vì có thêm vào một trƣờng bao quanh H0,

kết quả là làm méo dạng của sự thay đổi mật độ từ thông, sẽ tác động lên lõi của

cuộn dây cảm biến thứ cấp. Sự thay đổi không chính xác của B sẽ biến đổi theo thời

gian t nên không đối xứng theo trục thời gian, sẽ chứa nhiều hài trong phân tích

(3.29)

Fourier của nó. Ta có thể ƣớc lƣợng các thành phần đầu vào nhƣ sau:

B(t) = a(H0+He) + b(H0+He)3 + c(H0+He)5

Với He là trƣờng kích thích và a, b, c là các hằng số.

Hình 3.13 Từ kế lõi bão hoà

Các hài bậc 3 và bậc cao hơn của B(t) đƣợc xem nhƣ là nhỏ hơn hài bậc 2.

Với bộ lọc thông dải thì hài bậc 2 của đầu ra đƣợc chọn để trở thành một phép đo

của trƣờng bao quanh H0 sau khi so sánh nó với một hài thứ cấp nhân tạo không bị

méo từ việc nhân đôi tần số của dao động kích thích ban đầu. Nhiều kỹ thuật xử lý

điện áp hài thứ cấp và cảm biến pha khác nhau đƣợc sử dụng để tính H0.

Suất điện động ở lối ra của cuộn thứ cấp là Era:

(3.30)

Trong đó: f2 = 2.fe

fe là tần số của trƣờng kích thích.

Be, He là cảm ứng từ và cƣờng độ từ trƣờng kích thích.

H0: từ trƣờng ngoài cần đo

µ: độ thẩm từ của lõi.

Để đo đạc các tín hiệu yếu, ta phải thực hiện các bƣớc đặc biệt để tăng khả

năng tìm thấy hài thứ cấp. Một phƣơng pháp ví dụ là hai lõi song song nhau đƣợc

tác động theo hai hƣớng ngƣợc chiều nhau trong một mạch kích thích trƣờng, tín

hiệu ra lấy trên một cuộn dây thứ cấp đơn bao quanh. Hai cuộn sơ cấp mắc xung đối

làm triệt tiêu tín hiệu trong trƣờng hợp cân bằng. Ví dụ chỉ ra đƣợc mô tả trong hệ

thống hình 3.13, giúp phát hiện ra pha của hài thứ cấp. Với các lõi đƣợc lựa chọn

đặc biệt và có cấu trúc tốt thì độ nhạy có thể đạt đƣợc vài miligamma. Trong những

năm gần đây, các lõi đƣợc thiết kế lại có hình dạng vòng với kích thƣớc khoảng vào

centimet và các kích thích sẽ tác động lên vòng này.

Các thiết bị Fluxgate tƣơng đối nhạy. Khi cần làm việc ở những nơi có điện

trƣờng thì Fluxgate thƣờng đƣợc chọn lựa. Chúng thƣờng đƣợc sử dụng trên các vệ

tinh và hầu hết trong các đài thiên văn hiện đại. Từ kế Fluxgate không thật ổn định

đối với thay đổi nhiệt độ, yêu cầu có kỹ năng điện tử trong kỹ thuật sửa chữa và

đánh giá mức độ chính xác. Vấn đề này đƣợc giải quyết trong các đài thiên văn

bằng cách chuẩn định kì bằng từ kế proton.

3.4.2 Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ

Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate đƣợc chúng tôi

Chia tần

SENSOR (đầu dò)

Khối tạo sóng sine

Khối phát xung

Khuếch đại công suất

Chỉ thị

Xử lý

Khuếch đại

ADC

xây dựng theo sơ đồ khối nhƣ trên hình 3.14 “Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ”

Hình 3.14 Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ

Phần quan trọng nhất của thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ là đầu dò (hay

Sensor). Muốn cho sensor hoạt động thì cần phải có một tín hiệu dòng xoay chiều

đủ công suất để nuôi nó. Do đó, phải cần có khối phát xung. Khối phát xung này có

tác dụng tạo ra các xung vuông nhằm cung cấp một công suất cho đầu dò hoạt động.

Dạng xung sau khối phát xung này không đều đặn. Mà để tạo ra dạng sóng sine thì

ta cần phải có các xung đều đặn. Vì vậy, ta cần phải có khối chia tần để tạo ra các

xung vuông có độ trống bằng ½. Sau sensor là các khối khuếch đại tín hiệu và khối

xử lý. Khối khuếch đại cho phép khuếch đại các tín hiệu từ trƣờng rất nhỏ. Khối xử

lý có tác dụng chỉnh lƣu tín hiệu xoay chiều thành một chiều. Sau khối xử lý, tín

hiệu đƣợc đƣa ra khối chỉ thị để hiển thị các giá trị cần đo đạc. Nếu cần chính xác

cao, tín hiệu sau khối xử lý có thể đƣợc ghép nối với PC thông qua bộ chuyển đổi

ADC để có thể ghi tự động. Khối ghép nối này có thể sử dụng những thiết bị có sẵn

trong các phòng thí nghiệm.

CHƢƠNG 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

a. Bố trí thí nghiệm

Mạch phân cực của sensor: Sử dụng khuếch đại thuật toán LM324, mắc theo

Hình 4.1 Mạch khuếch đại

nguyên lý khuếch đại vi sai (hình 4.1) .

Hệ số khuếch đại của mạch là:

K = VR / R12

Trong đó: VR đƣợc thay đổi bởi VR4

R12 =10 KΩ Khi đó: Vout = Vin * K

Với: Vin = hiệu điện thế giữa 2 lối vào của lối vào

- Khối ADC

Vi điều khiển đƣợc sử dụng là AtMega8 ( hình 4.2 ).

Hình 4.2. Sơ đồ chân Atmega8

Khối này có nhiệm vụ nhận tín hiệu Analog từ 3 bộ khuyếch đại để chuyển

đổi sang dạng digital 10 bits. Sau đó truyền dữ liệu lên máy tính.

Chuyển đổi ADC đƣợc tự động trên vi điều khiển với tần số lấy mẫu đƣợc

định thời bằng một timer với tần số lấy mẫu cho mỗi kênh là 100hz.

Giá trị ADC nhận đƣợc sẽ đƣợc quy đổi ra điện thế nhƣ sau:

Với: ADC là giá trị mà vi điều khiển đã chuyển đổi đƣợc ( hình 4.3 )

VREF = 5V

Hình 4.3. Quy đổi tín hiệu

b. Kết quả đo

Hình 4.4 Quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN

Nhận xét:

Từ đồ thị thực nghiệm ta có thể rút ra kết luận rằng: Quá trình nguội dùng

chuyển tiếp PN tuân theo đúng quy luật nguội của Newton

DT = r*(T-Tf)

Trong đó: r: hằng số nguội

T: nhiệt độ đo

Tf: nhiệt độ phòng

4.2 Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall

4.2.1 Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam

- Sơ đồ nguyên lý:

Hình 4.5 Sơ đồ điện tử của thiết bị

Các thông số kỹ thuật của thiết bị nhƣ sau:

+ Mạch khuếch đại vi sai sử dụng hai Transitor 2N2222

Các giá trị điện trở : = 1K, = 1K, = 200Ω, =100Ω

+ Sensor Hall là mẫu bán dẫn Ge - p

- Khảo sát hiệu ứng:

Chúng tôi đã tiến hành đo từ tƣờng B trên bề mặt các mẫu nam châm vĩnh

cửu từ mẫu 1 đến mẫu 5. Các kết quả thực nghiệm thu đƣợc nhƣ sau:

Lần đo Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu4 Mẫu 5

1 611 774 275 417 584

2 620 725 174 564 543

3 618 667 258 752 720

4 600 564 240 749 735

5 625 740 239 836 667

6 530 602 279 820 586

7 503 757 124 747 431

8 543 704 113 700 447

9 616 607 136 638 438

10 558 702 328 610 440

11 583 651 312 598 490

12 637 770 305 663 460

13 606 753 251 510 586

14 590 713 321 545 454

15 623 723 307 568 612

Bảng 4.1 Từ trường trên bề mặt mẫu nam châm

- Từ số liệu thực nghiệm trên bảng 4.1 ta có đồ thị phân bố từ trƣờng trên bề

mặt các mẫu nam châm nhƣ sau:

Mẫu1 Mẫu 2

Mẫu 3 Mẫu 4

Mẫu 5

Hình 4.6 Đồ thị phân bố từ trường trên bề mặt các mẫu

Nhận xét:

Qua khảo sát có thể thấy phân bố từ trƣờng trên bề mặt các mẫu nam châm

thay đổi khá lớn theo tọa độ.

Tuy nhiên giá trị từ trƣờng tƣơng đối ổn định tại vùng giữa mẫu

Các giá trị đo có thể lấy giá trị từ trƣờng nhƣ sau

Mẫu 1: = 500

Mẫu 2: = 669

Mẫu 3: = 220

Mẫu 4: = 583

Mẫu 5: = 631

4.2.2 Đo từ trƣờng bề mặt dùng GaussMeter (USA)

Thiết bị đo từ trƣờng Tesla Meter

Ảnh 4.1 - Tesla Meter với đầu đo Hall

- Khảo sát hiệu ứng

Tiến hành phép đo từ trƣờng trên bề mặt các mẫu nam châm vĩnh cửu nhƣ

phần trên với máy đo từ trƣờng chuẩn của Mỹ ta đƣợc các thông số từ trƣờng sau:

Lần đo Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 Mẫu 5

1 930 530 771 1077 1155

2 935 471 764 1047 1125

3 922 483 659 1052 1119

4 893 452 702 1024 1124

5 882 461 761 1014 1059

6 912 407 721 1016 1141

7 848 500 818 1089 1203

8 846 558 880 1094 1146

9 870 1203 576 874 1025

10 929 1139 606 938 1003

11 906 1144 624 986 1013

12 882 1274 654 973 1097

13 832 1210 659 825 1110

14 823 1126 573 780 1088

15 812 1099 466 758 1148

Bảng 4.2 Từ trường trên bề mặt mẫu theo máy chuẩn USA

- Từ bảng số liệu trên ta vẽ đƣợc các đồ thị phân bố từ trƣờng trên các mẫu

nam châm nhƣ sau:

Mẫu 1 Mẫu 2

Mẫu 3 Mẫu 4

Mẫu 5

Hình 4.7 Đồ thị phân bố từ trường trên bề mặt nam châm theo máy chuẩn USA

Nhận xét:

Qua khảo sát có thể thấy phân bố từ trƣờng trên bề mặt các mẫu nam châm

thay đổi khá lớn theo tọa độ.

Tuy nhiên giá trị từ trƣờng tƣơng đối ổn định tại vùng giữa mẫu

Các giá trị đo có thể lấy giá trị từ trƣờng nhƣ sau

Mẫu 1: = 898

Mẫu 2: = 1120

Mẫu 3: = 533

Mẫu 4: = 1006

Mẫu 5: = 1065

- Đánh giá tương quan giữa hai thiết bị đo từ trường

Từ các giá trị từ trƣờng trung bình của mỗi mẫu đo ở 2 thiết bị đo từ trƣờng (

thiết bị tự chế ở Việt Nam và thiết bị chuẩn của Mỹ) ta có đồ thị biểu diễn sự tƣơng

quan giữa hai thiết bị đo nhƣ sau:

Hình 4.8 Đồ thị đánh giá tương quan giữa hai thiết bị đo từ trường

Hệ số tƣơng quan là:

Phƣơng trình có dạng: R = 0,9999 y = 1.3022x + 246.47

Trong đó:

S1: Giá trị từ trƣờng trung bình trên các mẫu đo đƣợc trên máy tự chế tạo tại

Việt Nam

S2: Giá trị từ trƣờng trung bình trên các mẫu đo đƣợc trên máy chuẩn của

Mỹ

Nhận xét:

Đƣờng thẳng trên đồ thị biểu diễn sự tƣơng quan tuyến tính giữa hai số liệu

đo đƣợc bằng thực nghiệm

Đồ thị tƣơng quan này định hƣớng cho việc chuẩn thiết bị tự lắp ghép. Khi

các giá trị đo trùng khớp, độ dốc của đƣờng thẳng tƣơng quan α = 45º.

KẾT LUẬN

Sau quá trình làm luận văn, dƣới sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy

cô giáo, em đã tập trung nghiên cứu và thực hiện nội dung khoa học đề ra cho luận

văn và thu đƣợc một số kết quả chính nhƣ sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về sensor, phân loại theo chức năng, mục đích sử

dụng…,nghiên cứu về các đặc trƣng trong chế độ tĩnh và chế độ hoạt động

của sensor.

2. Nghiên cứu tổng quan hiện tƣợng 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.

3. Nghiên cứu ứng dụng của sensor nhiệt độ dùng chuyển tiếp P-N, sensor dịch

chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai, sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall,

sensor từ trƣờng Fluxgate vào thiết bị đo.

4. Sử dụng hệ đo tự động khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của chuyển tiếp bán

dẫn pn, khảo sát sự tƣơng quan tín hiệu giữa đầu dò tự chế và Tesla Meter.

Các kết quả thực nghiệm thu đƣợc phù hợp với tính toán lý thuyết. Hệ đo

đƣợc 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 nhƣ quan trắc

môi trƣờng, theo dõi địa từ của trái đất, dự báo thời tiết,v.v

Với những kết quả ban đầu này, hệ đo có khả năng kết nối mạng hình thành

mạng lƣới các sensor trải rộng trong phạm vi thời gian và không gian lớn, cập nhật

liên tục các thông số về máy chủ tại trung tâm để xử lý tự động dữ liệu đo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

A. Tiếng Việt

[1] Vũ Thanh Khiết, Nguyễn Thế Khôi, Vũ Ngọc Hồng (1977), Giáo trình điện đại

cương tập 3- NXBGD, Hà Nội.

[2] Lƣu Tuấn Tài (2008), Giáo trình Từ học, NXBĐHQG, Hà Nội.

[3] Ngạc Văn An (chủ biên), Đặng Hùng, Nguyễn Đăng Lâm, Lê Xuân Thê, Đỗ

Trung Kiên (2006), Vô tuyến điện tử, NXBGD, Hà Nội.

[4] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô (2001), Giáo trình Vật lý bán dẫn, NXBKHKT, Hà

Nội.

[5] Lê Xuân Thê (2006), Dụng cụ bán dẫn và vi mạch, NXBGD, Hà Nội.

[6] Đỗ Xuân Thụ (1999), Kỹ thuật điện tử, NXBGD, Hà Nội.

[7] Phạm Quốc Triệu, Phương pháp thực nghiệm Vật lý, Giáo trình khoa Vật lý,

trƣờng ĐH Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội.

[8] Phan Quốc Phô (chủ biên), Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến,

NXBKHKT.

B. Tiếng Anh

[9] M.J. Usher and D.A. Keating (1991), Sensor and transducers:characteristics,

application, instrumentation, interfacing, VCH, Weinheim, Germany.

[10] W. A. Geyger (1964), Nonlinear-Magnetic Control Devices, New York:

McGraw-Hill.

[11] Jacob Fraden (2003), Handbook of Modern Sensors, Advanced Monitors

Corporation San Diego, California

[12] Davis (2004). Handbook of Engineering tables, Editor-in-Chief Richard C.

Dorf University of California.

[13]

[14] H. J. Goldsmid and G. S. Nolas (2001), A review of the New Thermoelectric

Materials, p. 1-6.

[15] D. Saha, A. D. Sharma, A. Sen, and H. S. Maiti (2002), Masterials Letters 55,

403-406.

[16] R. Kohler, N. Neumann, N. Hess, R. Bruchhaus, W. Wersing, and M.

Simon (1997), Ferroelectrics 201, 83-92.

[17] W. Kwaitkawski and S. Tumanski (1986), The permalloy magnetoresistive

sensors-properties and applications, J. Phys. E: Sci. Instrum., 19, 502–515.

[18] F. Primdahl (1979), The fluxgate magnetometer, J. Phys. E: Sci. Intrum., 1,

242-253.

[19] Pham Quoc Trieu, Nguyen The Nghia, Do Gia Tung (2011), Study on

manufacture the device for detecting small magnetic field fuctuation, The 2011

International Conference on Integrated Circuits and Devices in Vietnam, 8-18

[20] C. M. Falco and I. K. Schuller (1981), SQUIDs and their sensitivity for

August, 2011.

geophysical applications, SQUID Applications to Geophysics, The society of

Exploration Geophysics, 13-18.

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor

Luận văn có cấu trúc gồm 4 chương trình bày 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. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Luận văn thạc sĩ CNTT

Luận văn thạc sĩ khoa học dữ liệu

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

MỘT SỐ LOẠI SENSOR

NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG

MỘT SỐ LOẠI SENSOR

MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................. 3

MỞ ĐẦU

CHƢƠNG 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

CHƢƠNG 2 Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý

2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện

2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện

2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện

2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện

I

B

Dòng điện

Dòng Spin

2.5 Hiệu ứng Dopper

CHƢƠNG 3 Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo

3.1 Sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN

L

1.1

E

1.2

D

S

e

m

e C1 0.47F n

t

39

s

3.2 Senor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai

Biến thế vi sai

Bộ xử lý tín hiệu

Bộ tiếp nhận các tác động dịch chuyển

Bộ dao động

Bộ khuếch đại

điện từ

& Chỉ thị

a)

b)

c)

C

F

E1

E2

E

A

D

vùng từ trường

E1

E2

E1

E2

E2 - E1

3.3 Sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall

3.4 Sensor từ trƣờng Fluxgate

CHƢƠNG 4 Kết quả thực nghiệm

4.1 Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN

4.2 Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu liên quan

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng số liệu sóng vô tuyến và mô hình số trị để nghiên cứu đánh giá một số thông số khí quyển tại một số khu vực của Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng số liệu sóng vô tuyến và mô hình số trị để nghiên cứu đánh giá một số thông số khí quyển tại một số khu vực của Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Phát triển suy luận và thái độ thống kê cho sinh viên sư phạm toán qua dạy học thống kê

Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu sử dụng các phương pháp học máy có giám sát để phân loại hoạt động dựa trên dữ liệu gia tốc

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển một số phương pháp truy vấn hiệu quả trên cơ sở dữ liệu quan hệ mã hoá

Luận án Tiến sĩ: Phát triển một số phương pháp truy vấn hiệu quả trên cơ sở dữ liệu quan hệ mã hoá

Luận văn Thạc sĩ: Lý thuyết tập mờ và ứng dụng trong phân lớp dữ liệu

Đề án Thạc sĩ: Mô hình B-L hai lưỡng tuyến, với nhóm D4 × Z4 × Z2 sinh khối lượng và trộn lepton

Đề án Thạc sĩ: Ứng dụng các phương pháp học máy để phân vùng ảnh và xây dựng ứng dụng xác định bọt khí trong chất lỏng