Bài tập dài mơn học cảm biến Lời nói đầu Ngày khoa học công nghệ phát triển vượt bậc m ỗi đồ dùng ẩn chứa ứng dụng khoa học kĩ thuật Trong nhà máy lớn hay nhỏ tồn phận cảm biến, chóng giúp chuyển đổi từ thay đổi môi trường bên ngồi tạo lên tín hiệu đIện qua xử lý sau báo cho người quản lý Phần lớn thiết bị ện có ứng dụng cảm biến Như ta thấy vai trò quan tr ọng c cảm biến việc xử lý ảnh hưởng môi tr ường đến cu ộc sống Bài tập lớn dựa sở b ộ cảm bi ến ,các m ạch đo analog,các phân kênh,bộ so sánh, qua chuẩn hoá để đưa thơng báo vào máy tính, đưa báo động đèn còi Đề : Thiết kế hệ thống báo động cháy nổ cho kho hàng I/ Số liệu ban đầu: điểm đo nhiệt độ dùng cảm biến bán dẫn Tranzito nhiệt độ với dải đo đến 100˚ Báo động nhiệt độ 60˚± 3˚C báo khói Chỉ thị số kết đo ghép nối với máy tính thể kết đo 3.báo động đèn còi (hoặc chuông Bài tập dài môn học cảm biến II/ u cầu thuyết minh tính tốn trình bày đại cương phương pháp đo nhiệt độ cảm biến bán dẫn Chọn phương pháp đo sơ đồ khối Chọn cảm biến phương pháp đo tương tự Thiết kế Card thu thập tám kênh ghép nối với máy tính thị số Thiết kế hệ thống báo động Tính sai số kết luận Tổng quan cảm biến bán dẫn cảm biến quang điện I./Đại cương phương pháp đo nhiệt độ A.Dùng chuyển đổi nhiệt điện - Chuyển đổi nhiệt điện chuyển đổi dựa q trình nhiệt đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt Thực tế đo lường đại lượng không điện người ta thường dùng hai tượng hiệu ứng nhiệt điện hiệu ứng thay đổi điện trở dây dẫn hay ch ất bán d ẫn nhi ệt độ thay đổi Tương ứng với hai tượng người ta phân thành hai loại : chuy ển đổi cặp nhiệt điện chuyển đổi nhiệt điện trở Cặp nhiệt điện (cặp nhiệt ngẫu) - Nguyên lý làm việc cặp nhiệt điện dựa tượng nhiệt điện Nếu hai dây dẫn khác nối với hai điểm và m ột hai điểm đốt nóng mạch xuất dịng điện sức điện động nhiệt điện hiệu số hàm nhiệt độ hai điểm nối: ET(t1)=f(t1)- f(t2) Bài tập dài môn học cảm biến - Điểm đốt nóng gọi đầu cơng tác, điểm cịn lại gọi đầu tự Nếu giữ nhiệt độ đầu tự số tức f(t2)=const=C : ET=f(t1)-C=f*(t1) - Như việc đo nhiệt độ t thay việc đo sức điện động cặp nhiệt giữ cố định nhiệt độ đầu tự Vật liệu chế tạo cần có yêu cầu sau: quan hệ sức điện động nhiệt điện nhiệt độ phải hàm đơn trị , tính chất nhiệt điện khơng thay đổi, độ bền hố với nhiệt độ phải cao , dẫn điện tốt , giá trị sức điện động nhiệt điện phải lớn - Cặp nhiệt điện điện nối với hàn bảo vệ tránh ăn mịn hố học - Có thể đo nhiệt độ từ 273 − 3000 C , sai số 0,1 − 3% tuỳ loại Hình vẽ: t1 t2 Nhiệt điện trở - Nhiệt điện trở chuyển đổi có điện trở thay đổi theo nhiệt độ RT=f(to) Như ta đo điện trở R t để suy nhiệt độ Nhiệt điện trở dùng để đo nhiệt độ loại không đốt nóng Dịng điện chạy qua phải nhỏ để khơng làm tăng nhiệt độ điện trở nhiệt độ nhiệt độ mơi trường Trong cơng nghiệp, nhiệt điện trở chia làm hai loại nhiệt điện trở kim loại ( N§T dây ) nhiệt điện trở bán dẫn 2.1 Nhiệt điện trở dây - Thường chế tạo từ đồng (Cu) , platin (Pt) , niken (Ni) Đường kính dây từ 0,02-0,07 mm chiều dài từ - 20 mm - Nhiệt điện trở Pt : có tính lặp cao, sai số ngẫu nhiên thấp (0,01%) nên đo nhiệt độ thấp với sai khác 0,01 0C Ngoài Pt chịu nhiệt độ đến 1200 0C mà khơng bị « xi hố nóng chảy nên dùng đo nhiệt độ cao Phương trình đặc trưng có dạng: - Tại nhiệt độ từ - 6600C : RT=Ro(1+At+Bt2) - Tại nhiệt độ từ -180 - 00C : RT= Ro[1+At+Bt2+C(t-100)3] A , B , C : số ; R0 : điện trở 00C Nhược điểm loại đặc tính phi tuyến, khơng dùng mơi trường « xi hố khư Tuy nhiên độ bền hố học cao, tính dẻo lớn nên sử dụng rộng rãi Bài tập dài môn học cảm biến - Nhiệt điện trở Cu Ni : giá thành rẻ , tính lặp khơng cao Pt , thường dùng trường hợp yêu cầu xác khơng cao l ắm nh ưng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật định - Dải nhiệt độ làm việc Cu khoảng -50 - 180 0C Phương trình đặc trưng có dạng: RT= Ro(1+αt) α : hệ số nhiệt độ; α = 4,13.10-3 1/0C ; t : nhiệt độ; R0 : nhiệt độ 00C - Nếu giá trị R0 dùng cơng thức : τ + t2 RT2= RT1 τ + t RT1 , RT2: điện trở ứng với nhiệt độ t1 t2 τ = 1/α : số phụ thuộc vào loại vật liệu ; τ = 234 Cu - Khi tính R2 nhiệt độ t2 cần biết R1 nhiệt độ t1 2.2 -Nhiệt điện trở Ni: sử dụng đến nhiệt độ 250 - 300 0C, nhiệt độ cao quan hệ RT = f(t) không đơn trị Trong khoảng nhiệt độ từ 1000C , α = 5.10-3 1/0C Tính chất điện Ni phụ thuộc nhiều vào tạp chất trình nhiệt luyện Ưu điểm Ni ện tr su ất cao, hệ số nhiệt độ lớn cho phép chế tạo chuyển đổi có kích thước nhỏ Nhiệt đIện trở bán dẫn - Được sản xuất từ oxit kim loại, oxit bán dẫn tinh thể: MgO, MgAl2O4,Mn2O3,Fe3O4,Co2O3,NiO,ZnTiO4 Tán thành bột chén với theo tỉ lệ định, nén, liên kết nhiệt độ khoảng 1000oC Hàn hai đầu dây dÉnlªn bề mặt sensor δ=q(µ,nt ,µp ,ρ) n,p: nồng độ đIện trở lỗ trống - Nguyên lý làm việc : Với chất bán dẫn nhiệt đọ ảnh hưởng chủ yếu đến mật độ đIện tử lỗ trống Khi nhiệt độ l àm đứt liên kết phương trình, hình thành cặp lỗ trống đIện tử Gọi G số cặp lỗ trống đơn vị thời gian, đơn vị bề mặt thì: G=A.T a.e-qE/KT A,a: hệ số phụ thuộc vào vật liệu K: hệ số E: nỵng làm đứt mối quan hệ T: nhiệt độ K - Một số cập tách lại táI hợp với Gọi R số táI hợp đơn vị thời gian đơn vị thời gian R=r.n.p r : hệ số táI hợp Bài tập dài môn học cảm biến n,p : nồng độ đIện trở lỗ trống Nếu n=p => R=r.n2 - Nếu số tích hợp táI hợp G=R a  n=  AT  T      − qE / KT - Nếu tính đến ảnh hưởng nhiệt độ, độ lệch động µo ,µT độ dẫn δ=C.Tb.e-β/T C,b : hệ số phụ thuộc vật liệu chế tạo qE β= 2K E: lượng liên kết - Đặc đIểm : + U điểm độ nhạy theo nhiệt độ cao gấp mười lần nhiệt đIện trở nhiệt + hệ số nhiệt có giá trị âm + Có thể chế tạo loại có hình dáng khác  1 β − T T T   e  o T  RT=RO  o       To ,Ro nhiệt điện trở nhiệt độ tuyệt đối α= − β + bT T2  1 RT=Ro β T e  αT=-   −  To   β T2 = 0.02÷0.08 /°C β=30005000oK Bài tập dài mơn học cảm biến MMT1 KMT1 1.4 12 MT6 αR(%)=2,4÷3,4% Ro=1÷200Ω - Nhit độlàm vic ln nht cú th t 120oC 2.5 MMT9 Φ =19 Φ =5 αR=2,4÷3,4% Ro=0,01÷5Ω - Nhiệt độ làm việc lớn 120oC II./Phương pháp đo A Phương pháp tần số - Phương pháp dựa thay đổi tần số cộng hưởng khâu phát tần số theo nhiệt độ Các khâu cộng hưởng hè cộng hưởng điện khâu cộng hưởng RC LC Nhiệt kế âm - Nguyên lý hoạt động: nhiệt kế gồm ống kim loại đựng khơng khí khơ nối liền với hai micro điện động thông qua hai lỗ nhỏ đáy ống.Tiếng phát từ micro dùng làm ống kích thích truyền vào ống phản xạ lên thành ống trở micro thu Âm khuyÕch đại lên lại đưa vĨ micro kích thích Với cách bố trí hệ số khuyÕch đại đủ lớn, hệ làm việc thiết bị phát tần số tự kích Tần số phát phụ thuộc vào chiều dài ống cộng hưởng tốc độ truyền âm khơng khí Khi nhiệt độ thay đổi tốc độ truyền khơng khí khơ ống thay đổi tần số cộng hưởng thay đổi theo Từ xác định nhiệt Bài tập dài môn học cảm biến độ Hiện chế tạo nhiệt kế kiểu với tần s ố f 00C 1030 Hz với độ nhạy Hz / 0C Nhiệt kế áp điện - Cũng dựa nguyên lý nhiệt kế âm hoạt động tần số cao hơn, giải sóng siêu âm Nhiệt kế dây căng - Cảm biến dây căng dây căng kim loại m tần s ố thay đổi theo lực căng chiều dài dây: f o= F = ml σ ρ 2l F: lực tác động lên dây căng; σ: ứng suất dây; m: khối lượng dây căng; l: chiều dài dây căng - Ta có ∆l/l = αt với α hệ số giãn nở dài giá đỡ dây căng theo nhiệt độ Sự biến dạng gây biến đổi ứng suất dây căng thay đổi tần số riêng dây căng Ta đo ∆ft = ft - f0 để suy nhiệt độ Nhiệt điện trở kiểu tần số - Nhiệt điện trở mắc vào mạch phát dao động kiểu RC mẫu theo hình Γ Ta có: f o= π R R C1 C R1, R2 hai nhiệt điện trở thay đổi theo nhiệt độ nên tần số cộng hưởng thay đổi theo nhiệt độ Ta đo biến thiên tần số để suy nhiệt độ B Phương pháp quang học - Đây phương pháp đo nhiệt độ không tiếp xúc dựa vào m ật độ phổ n ăng lượng phát xạ theo bước sóng Trong phương pháp kể đến số phương pháp sau: ho ả k ế phát xạ , hoả kế cường độ sáng , hoả kế m àu sắc Tại ta ch ỉ trình b ày tóm tắt mà không sâu vào chi tiết Hoả kế phát xạ - Nguyên lý hoạt động dựa s ự phát xạ m ột vật đốt nóng môi trường xung quanh Đối với vật đen tuyệt đối , lượng toàn toả m ột đơn vị diện tích : E=σ.T4 σ = 4,96.10-2 J/ m2.s.độ4 Nhận tia phát xạ ấy, suy nhiệt độ mơi tr ường m khơng cần tiếp xúc với Trong thực tế vật khơng đen tuyệt đối, vật nóng có m ột s ự phát xạ nội dòng nhiệt qua bề mặt có dạng: E= ε.σ T4 Hệ số không đen biến thiên từ 0,04 - 0,9 phụ thu ộc nhiều vào b ề mặt đối tượng đốt nóng Bài tập dài mơn học cảm biến Như nhiệt độ đo hoả quang kế xạ khác với đối tượng hệ số : Tq=T ε Hoả quang kế cường độ sáng - Nguyên lý so sánh cường độ sáng đối tượng cần đo nhiệt độ với cường độ sáng chuẩn ( giải sáng hẹp ) Nguồn sáng chuẩn l đèn sợi đốt vonfram già hố 2000 0C 100 Ta so sánh mắt ( đạt độ xác định ) ho ặc để xác ta dùng phép so sánh tự động qua tế bào quang điện Hoả quang kế màu sắc - Dựa vào nguyên lý màu sắc ánh sáng phát xạ từ vật phụ thuộc vào nhiệt độ vật Dựa vào định luật suy nhiệt độ đối tượng cách so sánh cường độ sáng hai ánh sáng có bước sóng λ1 λ2 Năng lượng thu được: E1=ε1C1λ1-5e-C /λ T E1=ε2C1λ2-5e-C /λ T Nhiệt độ tuyệt đối tính: 1 1 C2  −  λ λ   T=  E ε λ  ln 52   E ε λ1    Với ε1, ε biết trước, đo E1 , E2 thay vào tính T Trên trình bày tổng quan phương pháp đo nhiệt độ Sensor ánh sáng - Quang điện trở:là cảm biến quang dựa hiệu ứng quang điện có ánh sáng thích hợp chiếu vào vật liệu làm cho điện tử bắn làm cho tính dẫn điện biến đổi(hiệu ứng quang điện trong) giả sử có bán dẫn phẳng tích V pha t ạp chÊtlo¹i n với nồng độ donor(điện tử lỗ trng) l Nd v cú mứcnăng l ng l Wd nằm vùng dẫn.Nếu Wd đủ lớn nhệt độ phịng tối điện tử giải phóng đơn vị thời gian kích thích nhiệt a(Nd-No) Bài tập dài mơn học cảm biến No:nồng độ donor chất bán dẫn bị ion hoá nhiệt a : hệ số a=e-qWd/KT q : điện tích k : hệ s ố số điện tử tái hợp = r.No2 r : hệ số tái hợp - phương trình động học q trình tái hợp tính cơng thức: dNo/dt =a(Nd-No) – rNo2  No = 1/2r + [ a2/4r2 + aNd/r ]1/2 trạng thái cân vật liệu chế tạo; thường chế tạo chất bán dẫn đa tinh thể, đồng nhất,các bán dẫn tinh khiết pha tạp chất,đơn tinh thể -đa tinh thể:CdS,CdSe.CdTe,PbS,PbSe,PbTe -đơn tinh thể: Ge,Si,Au,Cu tính chất quang điện trở: - điện trở: Ro:điện trở tối,chưa có nguồn ánh sáng kích thích vào ,phụ thu ộc v hình dáng kích thước vật VD : PbS :104 –109 om :250C ; SbIn :102-103 om : 250C Khi có ánh sáng chiếu vào Rp vơ nhỏ,lúc Rp=a.Φ-α a : hệ số phụ thuộc vào vật liệu,nhiệt độ,phổ xạ,ánh sáng α : hệ số cỡ 0.5-1 Rp :điện trở đặc trưng Rs :điện trở vật có ánh sáng chiếu vào > Rs = Ro//Rp Rs = Ro R p ( Rs − R p ) =aΦ-α - Thông thường quan hệ điện trở thông lượng ánh sáng phi tuyến nen để tuyến tính hố người ta mắc thêm song song với m ột ện tr ở, độ nhạy nhiệt nhỏ độ rọi soi sáng lớn độ nhạy quang trở :Gs = Go + Gp 1 G = R o ;G = R p o p - Khi có áp U đặt nên quang trở có dịng điện - I =Io + Ip =GoU + GpU > Io Rs = Ro//Rp Rs = Ro R p ( Rs − R p ) =aΦ-α - Thông thường quan hệ điện trở thông lượng ánh sáng... quang kế cường độ sáng - Nguyên lý so sánh cường độ sáng đối tượng cần đo nhiệt độ với cường độ sáng chuẩn ( giải sáng hẹp ) Nguồn sáng chuẩn l đèn sợi đốt vonfram già hoá 2000 0C 100 Ta so sánh