(Trang 43)
| Con người cảm nhận sự vật thông qua các giác quan. Tuy nhiên, có những vật chất mà chúng ta không thể nhận biết được bằng các giác quan. Vậy làm thế nào để biết được sự tồn tại của những dạng vật chất này? |
I. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái hay quá trình vật lí, hoá học, sinh học và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.
Cảm biến có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau tuỳ theo mục đích của người sử dụng.
– Dựa trên nguyên tắc hoạt động có thể chia cảm biến thành cảm biến chuyển đổi trực tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện (Hình 7.1) (ví dụ: cặp nhiệt điện, micro áp điện,...) và cảm biến chuyển đổi các dạng tín hiệu thành sự biến đổi của một đại lượng vật lí (Hình 7.2) (Ví dụ: quang điện trở, nhiệt điện trở,...). Thông qua mạch điện, sự biến đổi của đại lượng vật lí này sẽ được chuyển thành tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị.
Hình 7.1. Cảm biến chuyển đổi trực tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện.
Các dạng tín hiệu
Cảm biến
Điện áp
Dòng điện
Hình 7.2. Cảm biến chuyển đổi các dạng tín hiệu thành sự thay đổi điện trở.
Các dạng tín hiệu
Cảm biến
Mạch điện
Điện áp
Dòng điện
– Dựa trên phạm vi sử dụng, cảm biến có thể được phân loại theo ứng dụng khác nhau như: y tế (cảm biến đo nhịp tim, cảm biến đo nồng độ oxygen trong máu, cảm biến đo đường huyết,...), môi trường (cảm biến đo độ pH của nước, cảm biến đo nồng độ bụi, cảm biến đo nồng độ khí độc,...), công nghiệp (cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất), nông nghiệp (cảm biến đo độ ẩm của đất, cảm biến ánh sáng, cảm biến đo độ mặn,...) (Hình 7.3).
(Trang 44)
Hình 7.3. Một số loại cảm biến
a) Cảm biến đo nồng độ oxygen trong máu ứng dụng trong y tế
b) Cảm biến đo độ ẩm đất ứng dụng trong nông nghiệp
c) Cảm biến phát hiện khói ứng dụng cảnh báo cháy nổ
d) Cảm biến siêu âm ứng dụng đo khoảng cách
- Dựa trên hiệu quả kinh tế, cảm biến có thể được đánh giá và phân loại theo các tiêu chí như giá thành, năng lượng tiêu thụ, độ chính xác và độ bền. Hiệu quả kinh tế đem lại từ việc sử dụng cảm biến trong đời sống và sản xuất. Ví dụ trong nông nghiệp, sử dụng cảm biến để đo mực độ amoni trong đất – hợp chất được vi khuẩn đất chuyển thành nitrit và nitrat. Sử dụng dữ liệu này với dữ liệu thời tiết, giúp người trồng trọt đạt năng suất tối đa với lượng phân bón tối thiểu.
| ? 1. Để phát thanh, người ta dùng máy tăng âm, bộ loa và micro. Trong ba thiết bị đó thiết bị nào được gọi là cảm biến? Tại sao? 2. Hãy kể tên một số thiết bị, vật dụng có sử dụng cảm biến mà em biết. 3. Hãy nêu sự khác nhau giữa cảm biến biến đổi trực tiếp và gián tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện. 4. Hãy nêu ví dụ về ứng dụng của cảm biến trong một lĩnh vực khoa học hay cuộc sống mà em biết. |
(Trang 45)
II. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SỬ DỤNG QUANG ĐIỆN TRỞ VÀ NHIỆT ĐIỆN TRỞ
1. Điện trở phụ thuộc ánh sáng (quang điện trở)
| Quang điện trở là một linh kiện điện tử mà điện trở của nó phụ thuộc mạnh vào ánh sáng (Hình 7.4). Khi ánh sáng có bước sóng thích hợp chiếu vào quang điện trở, một số electron sẽ bị bật ra khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do. Kết quả là làm điện trở của quang điện trở giảm. Ánh sáng càng mạnh thì điện trở của quang điện trở càng nhỏ. Trong sơ đồ mạch điện, quang điện trở được kí hiệu như Hình 7.5. Trong bóng tối, điện trở của quang điện trở có thể lên đến vài mega ôm nhưng khi được chiếu sáng, điện trở của nó có thể giảm xuống còn vài trăm ôm. Sự thay đổi của điện trở theo cường độ sáng là mối quan hệ không tuyến tính như chỉ ra trên Hình 7.6. Khi quang điện trở được nối vào mạch điện thì sự thay đổi điện trở này sẽ làm thay đổi dòng điện và điện áp trên nó. Tức là, quang điện trở đã biến đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. |
Hình 7.4. Quang điện trở
Hình 7.5. Kí hiệu quang điện trở
Hình 7.6. Sự phụ thuộc điện trở của quang điện trở vào cường độ sáng |
| ? Từ Hình 7.6, hãy cho nhận xét về mức độ thay đổi điện trở của quang điện trở theo cường độ sáng. |
2. Điện trở nhiệt
Điện trở nhiệt (nhiệt điện trở) là một loại điện trở mà điện trở của nó thay đổi rõ rệt khi nhiệt độ thay đổi (Hình 7.7). Trong mạch điện, điện trở nhiệt được kí hiệu như Hình 7.8.
Hình 7.7. Điện trở nhiệt
Hình 7.8. Kí hiệu điện trở nhiệt
Hình 7.9. Đồ thị sự phụ thuộc điện trở của điện trở nhiệt NTC và nhiệt độ
Điện trở nhiệt được chia thành hai loại: điện trở nhiệt có hệ số nhiệt âm (viết tắt là NTC- Negative Temperature Coefficient) và điện trở nhiệt có hệ số nhiệt dương (viết tắt là PTC- Positive Temperature Coefficient). Sự khác nhau cơ bản giữa NTC và PTC là tăng nhiệt độ của NTC giảm theo chiều tăng của nhiệt độ trong khi điện trở của PTC lại tăng theo nhiệt độ. Điện trở nhiệt NTC thường được dùng phổ biến cho các ứng dụng đo lường và kiểm soát nhiệt độ trong khi điện trở nhiệt PTC thường được dùng trong mạch điều bày về lượng thái quá nhiệt của thiết bị. Nhìn chung mối quan hệ của điện trở và nhiệt độ của điện trở nhiệt là không tuyến tính.
Tương tự như quang điện trở, trong mạch điện khi điện trở nhiệt thay đổi thì sẽ làm dòng điện và điện áp của nó thay đổi. Như vậy, điện trở nhiệt đã biến sự thay đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện. Chính vì vậy, nó có thể được sử dụng để làm cảm biến nhiệt. Với ứng dụng này người ta hay dùng điện trở nhiệt loại NTC. Sự phụ thuộc của điện trở nhiệt loại NTC vào nhiệt độ được chỉ ra như trong Hình 7.9.
| ? Để tránh dòng điện quá lớn đi qua một thiết bị điện người ta mắc nối tiếp thiết bị điện này với một điện trở nhiệt. Theo em ta nên dùng điện trở nhiệt NTC hay PTC cho mục đích trên? Tại sao?. |
3. Sử dụng quang điện trở và nhiệt điện trở để làm cảm biến
Từ tính chất của quang điện trở và nhiệt điện trở chúng ta có thể sử dụng chúng để làm cảm biến ánh sáng và cảm biến nhiệt độ. Ví dụ: các loại linh kiện này có thể tạo ra sự thay đổi điện trở khi có ánh sáng chiếu vào (đối với quang điện trở) hoặc khi có sự thay đổi nhiệt độ (đối với nhiệt điện trở). Trong các mạch điện có sử dụng cảm biến lại cần tín hiệu điện áp để đo lường hay điều khiển các thiết bị. Chính vì vậy, ta cần một mạch điện biến đổi sự thay đổi điện trở thành sự thay đổi điện áp. Hình 7.10 là sơ đồ một mạch điện đơn giản được thiết kế cho mục đích này. Ở đây, R là điện trở có giá trị xác định, Rs là điện trở của cảm biến, U_s là nguồn điện không đổi. Khi điện trở R_s thay đổi thì điện áp U_R trên nó và điện áp U_s trên điện trở R cũng thay đổi theo. Để dàng nhận thấy rằng ứng với mỗi sự thay đổi cường độ sáng (đối với cảm biến quang điện trở) hoặc sự thay đổi nhiệt độ (đối với cảm biến nhiệt điện trở) sẽ có một sự thay đổi tương ứng của điện áp trên cảm biến hoặc trên điện trở R. Chúng ta có thể sử dụng một trong hai điện áp này để làm tín hiệu ra cho mạch điện của cảm biến. Tín hiệu ra này có thể được sử dụng để làm tín hiệu đo lường hoặc điều khiển thiết bị thông qua mạch điện tử thích hợp.
Hình 7.10. Sơ đồ mạch điện ứng dụng quang điện trở hoặc nhiệt điện trở làm cảm biến
(Trang 47)
| ? 1. Tại sao quang điện trở và nhiệt điện trở lại có thể được sử dụng để làm cảm biến? 2. Phân biệt sự giống nhau và khác nhau giữa quang điện trở và nhiệt điện trở. 3. Từ đồ thị trong Hình 7.6 và Hình 7.9, em hãy cho biết quang điện trở và nhiệt điện trở NTC hoạt động trong vùng ánh sáng và nhiệt độ nào thì tốt?. |
| Thực hiện dự án tìm hiểu về cảm biến theo các bước sau: Bước 1: Xác định nhiệm vụ: Tìm hiểu về phân loại và nguyên tắc hoạt động của các loại cảm biến hiện nay. Bước 2: Xác định hình thức báo cáo kết quả tìm hiểu được về các loại cảm biến, nguyên tắc hoạt động của cảm biến. Bước 3: Xây dựng kế hoạch và thời gian thực hiện việc tìm hiểu về cảm biến và nguyên tắc hoạt động của chúng. Bước 4: Thống nhất tiêu chí đánh giá dự án đảm bảo nếu được các phân loại cảm biến, nguyên tắc hoạt động của quang điện trở và nhiệt điện trở. Bước 5: Thực hiện theo kế hoạch đã đề ra để hoàn thành sản phẩm trong đó, nếu ứng dụng của thiết bị cảm biến và nguyên tắc hoạt động của chúng. Bước 6: Báo cáo và đánh giá dự án đã thực hiện. |
| EM CÓ BIẾT CẢM BIẾN
|
Hình 7.11. Sơ đồ mạch cầu tạo tín hiệu ra cho cảm biển |
| EM ĐÃ HỌC
|
| EM CÓ THỂ
|
