Nguyên lí và ứng dụng một số loại Sensor

Nguyễn Thu Phương

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn Thạc sĩ ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử; Mã số: 60 44 03
Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Quốc Triệu
Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan về sensor, phân loại theo chức năng, mục đích sử dụng…,nghiên
cứu về các đặc trưng trong chế độ tĩnh và chế độ hoạt động của sensor. Nghiên cứu
tổng quan hiện tượng 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. Nghiên cứu ứng
dụng của sensor nhiệt độ dùng chuyển tiếp P-N, sensor dịch chuyển nhỏ dùng cảm
biến vi sai, sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall, sensor từ trường Fluxgate vào thiết bị
đo. Sử dụng hệ đo tự động khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của chuyển tiếp bán dẫn p-
n, khảo sát sự tương quan tín hiệu giữa đầu dò tự chế và Tesla Meter. Các kết quả thực
nghiệm thu được phù hợp với tính toán lý thuyết. Hệ đo được 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 như quan trắc môi trường, theo dõi địa từ của trái đất, dự báo
thời tiết,v.v

Keywords: Tín hiệu vật lý; Sensor; Điện tử học

Content
MỞ ĐẦU
Đã từ lâu các sensor được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện,
nhưng 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 lường, 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 được giảm thiểu về kích thước, cải thiện về tính năng và ngày càng mở rộng phạm

Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện
(Y) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (X) ở đầu vào. Đường cong chuẩn có
thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng: Y = F(X) hoặc bằng đồ thị như hình 1.4a. Yi
Y
Y

3 a) b)
Hình 1.1 Đường cong chuẩn cảm biến
a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
Hàm truyền
Hàm Truyền là biểu thức mô tả quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể
cho dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thứ toán học
Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn.
Y = F(X) (1.2)
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:
S =
dY
dX
=

∆x
x
.100 [%] 1.5
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
được phân bố qua phổ tần số.
Để chống nhiễu người ta thường 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.
Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý
Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện
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 ngược lại. Hiệu ứng này được tìm ra vào năm 1880.

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.
Hiệu ứng từ giảo
Hiện tượng từ giảo hay còn gọi là hiệu ứng cơ-từ là sự thay đổi kích thước của vật khi
nó được đặt trong một từ trường, hay thuộc tính từ thay đổi dưới ảnh hưởng của sự nén hay
giãn. Hiệu ứng này được tìm ra bởi James Joule vào năm 1842 khi ông kiểm tra một mẫu kền.

5

Hình 2.2 Hiệu ứng từ giảo: H=0 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên,
0H 
được sắp
xếp lại làm tăng kích thước dưới tác dụng của từ trường.
Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện
Hiệu ứng nhiệt điện [14]

cho đo lường nhiệt độ.

6
Hiệu ứng nhiệt điện trở [15]
Nhiệt điện trở liên quan đến thay đổi điện trở của vật liệu theo nhiệt độ và được sử
dụng rộng rãi trong các cảm biến nhiệt. Đây là hiệu ứng cơ bản của thiết bị cảm biến nhiệt như
nhiệt kế điện trở và nhiệt điện trở. Điện trở R được tính theo công thức:

2
ef 1 2
(1 )
n
rn
R R T T T
  
       
(2.2)
Trong đó
efr
R
là điện trở ở nhiệt độ tham chiếu,
1

n

là các hệ số nhiệt điện trở
của vật liệu,
ef
()
r

Hiệu ứng Faraday xoay
Hiệu ứng Faraday xoay được 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 trường song song với hướng phát sóng.

Hình 2.5 Mặt phẳng phân cực bị quay do từ trường ngoài.
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 trường 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. 8
Hình 2.6 Sự quay của mặt phẳng phân cực trên bề mặt từ tính là kết quả của hiệu ứng
từ-quang Kerr.
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 trường. Khi một điện trường tác động tới chất lỏng hay
khí, các phân tử của nó (phân tử có lưỡng cực điện) có thể bị định hướng một phần theo
trường. Điều này gây ra hiện tượng dị thường 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 trường gặp đường sức
điện trường mới có hiệu ứng khúc xạ kép này.

Hình 2.7 Hiệu ứng Kerrand Pockels.
Giá trị khúc xạ kép
n
gây ra bởi hiệu ứng Kerr có thể tính bởi công thức:

Dng Spin

10
độc lập tìm ra hiện tượng điện từ. Các sensor và thiết bị âm thanh thời kỳ đầu (như micro-
phones), đồng hồ đo dòng điện và điện thế tương tự, và rơle lưỡi gà sử dụng hiệu ứng này.

Hình 2.10 Hiệu ứng Faraday-Henry
Hiệu ứng Dopper
Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu
không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều thì tần số nhận được lớn hơn tần
số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển ra xa thì tần số tín hiệu thu được giảm
xuống. Đây là hiệu ứng Doppler.
Sự dịch tần số Doppler ở phía thu tuân theo phương trình sau:
()
observed source
source
v
ff
vv


(2.4)
Với v là tốc độ sóng trong môi trường,
source
v
là tốc độ của nguồn đối với môi
trường, và
source
f
là tần số của nguồn sóng. Nếu nguồn sóng tiến gần đầu thu







 1exp
kT
eU
JJ
SĐường đặc trưng V-A được biểu diễn trên hình 3.1

Hình 3.1 Đặc trưng V-A của lớp chuyển tiếp p-n
Ta được phương trình phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của hiệu điện thế:

BATU 
(3.1)
Nguyên tắc hoạt động của thiết bị
Với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ ta cũng phải đo một giá trị tương 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 được chế tạo theo sơ đồ nguyên tắc hình 3.4. ở sơ đồ

Cấu tạo thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai
Dưới đây là mô hình cấu tạo của một thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm
biến vi sai. (hình 3.6) Sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall [8,9,12]
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 trường. Đây là một trong những hiện tượng 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 trường vuông góc (hình 3.10)

Biến thế vi sai

Bộ xử lý tín hiệu
Bộ dao động
điện từ
Bộ khuếch đại
& Chỉ thị
Bộ tiếp nhận các
tác động dịch chuyển
Các tác động
dịch chuyển ngoài

Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ dựa trên nguyên lý Fluxgate được chúng tôi xây dựng
theo sơ đồ khối như trên hình 3.14 “Thiết bị phát hiện từ trường nhỏ”

Hình 3.6 Sơ đồ khối của thiết bị phát hiện từ trường nhỏ
Kết quả thực nghiệm
Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN
Sự thay đổi đặc trưng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ
- Đặc trưng Vôn-Ampe của chuyển tiếp bán dẫn p-n phụ thuộc nhiệt độ
Sử dụng thiết bị đo tâm sâu trong bán dẫn DL8000 để vẽ đường đặc trưng Vôn-Ampe
của chuyển tiếp bán dẫn p-n. Kết quả đo được biểu diễn trên đồ thị hình 4.1.
Khối phát
xung
Chia tần
Khối tạo
sóng sine
Khuếch đại
công suất
Khuếch đại
Xử lý
Chỉ thị
SENSO


Mẫu1 Mẫu 2 Mẫu 3
Mẫu 4 17

Mẫu 5
Hình 4.3Đồ thị phân bố từ trường trên bề mặt các mẫu
Nhận xét:
Qua khảo sát có thể thấy phân bố từ trường trên bề mặt các mẫu nam châm thay đổi
khá lớn theo tọa độ.
Đo từ trường bề mặt dùng GaussMeter (USA)
Thiết bị đo từ trường Tesla Meter


Nhận xét:
Đường thẳng trên đồ thị biểu diễn sự tương quan tuyến tính giữa hai số liệu đo được
bằng thực nghiệm
Đồ thị tương quan này định hướng cho việc chuẩn thiết bị tự lắp ghép. Khi các giá trị
đo trùng khớp, độ dốc của đường thẳng tương quan α = 45º.
4.3 Khảo sát từ trường dùng thiết bị Fluxgate Sensor
- Thiết bị đo từ trường nhỏ dùng nguyên lý Fluxgate

Ảnh 4.2 Máy đo từ trường nhỏ dùng nguyên lý Fluxgate sensor
- Kết quả thực nghiệm:
+ Khoảng cách 30cm

20
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 200 400 600 800 1000 1200
S2
S3

Hình 4.6 Tương quan tín hiệu đo giữa thiết bị đo từ trường dùng nguyên lý Fluxgate với thiết
bị đo Tesla Meter (30cm)
+ Khoảng cách 32cm
0


0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 50 100 150
thoi gian
độ nở dài

Hình 4.7 Quá trình nguội của thanh nhôm đo bằng sensor dịch chuyển nhỏ (Lần 1)
Lần 2
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 50 100 150 200 250
thoi gian

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Hình 4.9 Sự phụ thuộc của tín hiệu đo vào khoảng cách (Lần 1)
Lần 2

23
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 5 10 15 20

Hình 4.10 Sự phụ thuộc của tín hiệu đo vào khoảng cách (Lần 2)
Nhận xét:
- Nhìn vào các đồ thị trên ta có thể thấy sự thay đổi chiều cao của sensor tăng tuyến tính
theo khoảng cách. Với hệ số tương quan rất cao.
- Từ kết quả này ta có thể thấy rằng sensor dịch chuyển nhỏ rất nhạy với sự thay đổi
khoảng cách nhỏ, điều này có thể ứng dụng vào việc đo sự dịch chuyển của các cây
cầu bị nén giãn theo phương dọc.
4.5 Khảo sát tín hiệu của sensor quang
- Thí nghiệm
+ Mẫu 1: Sensor quang được làm từ PbS với vùng nhạy phổ là λ = 0,3 ÷ 4 μm
+ Mẫu 2: Sensor quang được làm từ Ge pha Cu với vùng nhạy phổ là λ = 2 ÷ 20 μm

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 PN, sensor dịch chuyển
nhỏ dùng cảm biến vi sai, sensor từ trường dùng hiệu ứng Hall, sensor từ trường
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 tương quan tín hiệu giữa đầu dò tự chế và Tesla Meter. Khảo sát từ trường
dùng sensor Fluxgate, sensor đo dịch chuyển nhỏ, sensor quang.Các kết quả thực
nghiệm thu được phù hợp với tính toán lý thuyết. Hệ đo được 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 như quan trắc môi trường, 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 lưới
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

References
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] Lưu 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, trường ĐH
Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội.
[8] Phan Quốc Phô (chủ biên), Nguyễn Đức Chiến, Giáo trình cảm biến, NXBKHKT.