Luận văn Nguyên lý và ứng dụng một số loại Sensor

Nội dung tài liệu: Luận văn Nguyên lý và ứng dụng một số loại Sensor

1. 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 1
2. 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 2
3. 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 3
4. 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 4
5. 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 5
6. 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. 6
7. 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 7
8. 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. 8
9. + 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) + Cảm biến kiểu bù: X(t) Y(t) K ) ± β Hình 1.3 Cảm biến kiểu bù K Y = X (1.3) 1±βK K, β: là hệ số biến đổi 9
10. 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 bằng đồ thị nhƣ hình 1.4a. Y Y Yi 0 0 Xi X X a) b) Hình 1.4 Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đƣờng cong chuẩn b) Đƣờng cong chuẩn của cảm biến tuyến tính Dựa vào đƣờng cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị Xi chƣa biết của X thông qua giá trị đo đƣợc Yi của Y. Để dễ sử dụng, ngƣời ta thƣờng chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào, phƣơng trình Y= F(X) có dạng Y = aX +b với a, b là các hệ số, khi đó đƣờng cong chuẩn là đƣờng thẳng (hình 1.4b). 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. 10