ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
- - - - -
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
ĐIỆN TỬ HỌC ỨNG DỤNG TRONG VẬT LÝ THỰC NGHIỆM
CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN K21
GVHD TS. Đặng Xuân Vinh HVTH: Phạm Tùng Lâm
Huế, 03- 2014
i
MỤC LỤC
Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 Những nguyên lý cơ bản và các đặc trưng đo lường 4
1.1 Các định nghĩa và đặc trưng chung . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Phân loại cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1 Cảm biến tích cực . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.2 Cảm biến thụ động . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Các đại lượng ảnh hưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 Mạch đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.5 Sai số của phép đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.1 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.5.2 Phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.6 Chuẩn cảm biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.6.1 Chuẩn đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6.2 Chuẩn nhiều lần . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7 Độ nhạy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.1 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.2 Độ nhạy trong chế độ tĩnh . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.3 Độ nhạy trong chế độ động . . . . . . . . . . . . 17
1.8 Độ tuyến tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1

Ứng dụng của cảm biến biến dạng không chỉ giới hạn ở việc đo ứng
lực cơ học. Trên thực tế, tất cả các đại lượng vật lý, đặc biệt là các đại
lượng cơ học, đều có thể đo được bằng đầu đo biến dạng nếu tác động
của chúng lên một vật trung gian làm cho vật này bị biến dạng. Thí
dụ, các đại lượng như áp suất, lực, gia tốc đều có thể đo được bằng
đầu đo biến dạng. Trong công nghiệp, các đại lượng cảm biến thường
dùng như loại cảm biến có đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở
bán dẫn-áp điện trở, ứng suất kế dây rung và các đầu đo dùng trong
chế độ động. Trong giới hạn tiểu luận này, tôi chỉ xét tới cảm biến
đầu đo điện trở kim loại.
3
Chương 1
Những nguyên lý cơ bản và các đặc
trưng đo lường
1.1 Các định nghĩa và đặc trưng chung
Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất,
được gọi là đại lượng cần đo, kí hiệu là m. Sau khi tiến hành các công
đoạn thực nghiệm để đo m (dùng các phương tiện điện để xử lý tín
hiệu) ta nhận được đại lượng điện tương ứng ở đầu ra. Đại lượng điện
này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần
thiết để nhận biết m. Việc đo đạc m thực hiện được là nhờ sử dụng các
cảm biến.
Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m
không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện
(như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. Đặc
trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m:
s = F (m) (1.1)
trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại
lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Việc
4

e(T
1
, T
2
). Hiệu ứng này được ứng dụng để đo nhiệt độ T
1
khi biết trước
nhiệt độ T
2
.
Hình 1.1: Ứng dụng của hiệu ứng nhiệt điện
∗ Hiệu ứng hỏa điện: Một số tinh thể (gọi là tinh thể hỏa điện ví
dụ như tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát phụ
thuộc vào nhiệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng tồn tại những
điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện. Hiệu ứng
hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng.
Hình 1.2: Ứng dụng của hiệu ứng hỏa điện
∗ Hiệu ứng áp điện: Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm
bằng vật liệu áp điện, thí dụ thạch anh, sẽ gây nên biến dạng của vật
6
đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu trên các
mặt đối diện của vật. Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực
hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (áp suất,
gia tốc, .) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực của tụ điện.
Hình 1.3: Ứng dụng của hiệu ứng áp điện
∗ Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Trong một dây dẫn hay khung dây
chuyển động trong từ trường không đổi sẽ xuất hiện một suất điện
động tỷ lệ với từ thông gởi qua dây trong một đơn vị thời gian.Hiệu
ứng này được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông
qua việc đo suất điện động cảm ứng.

= K
H
.I.B.sinθ (1.3)
trong đó K
H
là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học
8
của mẫu.
Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển
động. Vật này được ghép nối cơ học với một thanh nam châm. Ở mọi
thời điểm, vị trí của thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B
và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng dùng làm vật trung gian. Vì
vậy, hiệu điện thế V
H
đo được giữa hai cạnh của tấm bán dẫn trong
trường hợp này (một cách gián tiếp) là hàm phụ thuộc vào vị trí của
vật trong không gian.
Hình 1.6: Ứng dụng của hiệu ứng Hall
1.2.2 Cảm biến thụ động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một
trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Một mặt giá trị
của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu, mặt khác
nó cũng phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như điện trở suất ρ,
từ thẩm µ, hằng số điện môi ε. Vì vậy, giá trị của trở kháng thay đổi
dưới tác dụng của đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước
hình học, tính chất điện hoặc ảnh hưởng đồng thời đến kích thước hình
học và tính chất điện của vật liệu.
Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi
nếu cảm biến có phần từ chuyển động hoặc phần tử biến dạng. Trong
9

Sau đây là các đại lượng ảnh hưởng thường gặp và tác động của
chúng:
- Nhiệt độ làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước của
cảm biến,
- Áp suất, gia tốc, dao động (rung) có thể gây nên biến dạng và
ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín
hiệu hồi đáp,
- Độ ẩm có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu như hằng
số điện môi ε, điện trở suất ρ,
- Từ trường có thể gây nên suất điện động cảm ứng chồng lên tín
hiệu có ích, ngoài ra nó còn làm thay đổi tính chất điện của vật liệu
cấu thành cảm biến,
- Biên độ và tần số của điện áp nuôi, thí dụ trường hợp biến thế vi
sai ảnh hưởng đến đại lượng điện ở đầu ra.
Nếu gọi các đại lượng ảnh hưởng là g
1
, g
2
, thì mối quan hệ
s = F (m) giữa đại lượng điện ở đầu ra s và đại lượng đo m ở đầu vào
được viết lại như sau:
s = F (m, g
1
, g
2
) (1.4)
Để rút ra giá trị cần đo m từ các giá trị đo được của s cần phải áp
dụng một trong các biện pháp sau:
- Giảm ảnh hưởng của các đại lượng g
1

đầy đủ về hệ đo hay do điều kiện sử dụng không tốt, ví dụ
- Sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng,
- Sai số do đặct ính của cảm biến,
- Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng,
- Sai số do xử lý kết quả đo.
1.5.2.2 Sai số ngẫu nhiên
Sai số ngẫu nhiên của phép đo là sai số mà sự xuất hiện cũng như
dấu và biên độ của chúng mang tính không xác định. Một số nguyên
nhân của sai số ngẫu nhiên có thể dự đoán được nhưng độ lớn của
chúng thì không thể biết trước.
Một số nguyên nhân có thể dẫn đến sai số ngẫu nhiên:
- Sai số do tính không xác định của đặc trưng thiết bị,
- Sai số do tính hiệu nhiễu ngẫu nhiên,
13
- Sai số do các đại lượng ảnh hưởng.
Biện pháp giảm sai số ngẫu nhiên: bảo vệ mạch đo bằng cách ổn
định nhiệt độ và độ ẩm của môi trường đó, sử dụng các giá đỡ chống
rung, sử dụng các bộ tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, áp dụng
chế độ vận hành đúng đắn,
1.5.2.3 Tính trung thực, tính đúng đắn và độ chính xác
Tính trung thực là chất lượng của thiết bị đo có sai số ngẫu nhiên
nhỏ thể hiện ở chỗ kết quả của các lần đo tập trung xung quang giá trị
trung bình m.
Tính đúng đắn là chất lượng của thiết bị đo có sai số hệ thống nhỏ:
giá trị xác suất thường gặp của đại lượng đo gần với giá trị thực.
Độ chính xác là đặc trưng của thiết bị cho các kết quả đo đơn lẻ gần
với giá trị thực của đại lượng đo. Thiết bị chính xác đồng thời cũng là
thiết bị có độ trung thực và đúng đắn.
Sai số ở giá trị định mức do yếu tố của bên ngoài gọi là sai số cơ
bản. Nếu yếu tố của bên ngoài vượt ra khỏi giới hạn định mức thì xuất

đến hồi đáp của cảm biến.
15
1.7 Độ nhạy
1.7.1 Định nghĩa
Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi m
i
của đại lượng đo
được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lượng ở đầu ra và
biến thiên m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào.
S =

s
m

m=m
i
(1.5)
Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm
biến và các đại lượng liên quan, ví dụ
+
Ω
0
C
đối với nhiệt điện trở
+
µV
0
C
đối với cặp nhiệt.
Đối với các cảm biến khác nhau dùng dựa trên một nguyên lý vật

i
r
i
=

S
m


i
(1.6)
Tỷ số chuyển đổi tĩnh không phụ thuộc vào điểm làm việc Q
i
và chỉ
bằng S trong trường hợp đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc tọa
độ.
1.7.3 Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo là hàm
tuần hoàn của thời gian. Trong điều kiện như vậy, đại lượng đầu ra s ở
chế độ làm việc danh định cũng là hàm tuần hoàn của thời gian giống
như đại lượng đo.
Trong chế độ động sự phụ thuộc của độ nhạy vào tần số của đại
lượng đo S(f) xác định đặc tính tần số của cảm biến.
Sự biến thiên của độ nhạy là hàm của tần số, nói chung, có nguồn
gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến
và các thiết bị phụ trợ vì chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu
điện theo kịp với biến thiên của đại lượng đo. Sự không tức thời này
càng lớn khi tần số càng cao.
17
1.8 Độ tuyến tính

2
i
− (Σm
i
)
2
,
b =
Σs
i
Σm
2
i
− Σs
i
.m
i
Σm
i
NΣm
2
i
− (Σm
i
)
2
,
với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến.
Độ lệch tuyến tính là khái niệm cho phép đánh giá độ tuyến tính
của đường cong chuẩn. Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đường

kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Biên giới của vùng là các giá
trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến
đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới
mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.
- Vùng không gây nên hư hỏng: Khi các giá trị của đại lượng đo
hoặc các đại lượng liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá
ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn trong phạm vi của
vùng không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có nguy cơ
bị thay đổi nhưng những thay đổi này có tính chất thuận nghịch, tức là
khi trở về vùng danh định thì các đặc trưng của cảm biến cũng sẽ tìm
lại được giá trị ban đầu của chúng.
20
- Vùng không phá hủy: Khi các giá trị của đại lượng đo hoặc các
đại lượng liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng của
vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn trong phạm vi của vùng
không phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và sự thay đổi
này không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định thì các đặc
trưng của cảm biến cũng sẽ không tìm lại được giá trị ban đầu của
chúng. Trong trường hợp này, nếu muốn tiếp tục sử dụng cảm biến cần
phải tiến hành chuẩn lại.
1.11 Các yêu cầu của cảm biến
Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau:
+ Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết,
+ Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lường, kiểm tra,
+ Ảnh hưởng ít nhất đến đại lượng đầu vào,
+ Có quán tính nhỏ.
21
Chương 2
Cảm biến biến dạng
2.1 Các định nghĩa và nguyên lý chung

=
1
Y
σ (2.2)
Đơn vị đo modun Yuong là kg. lực/mm
2
. Modun Yuong của một vật
liệu thường có một khoảng giá trị:
- thép: từ 18000 đến 29000;
- đồng: từ 9900 đến 1400;
- chì: từ 500 đến 1400.
Hệ số Poisson ν: xác định biến dạng theo phương vuông góc với
ứng lực:
ε
⊥
= −νε
//
(2.3)
Trong vùng đàn hồi: ν ≈ 0, 3.
2.1.2 Nguyên lý chung
Trong quá trình đo, các đầu đo biến dạng loại điện trở thường được
dán trực tiếp lên bề mặt của cấu trúc cần khảo sát. Vì vậy, sự biến
dạng của cấu trúc ở chỗ dán cảm biến làm cho cảm biến cũng bị biến
dạng theo và dẫn đến sự thay đổi điện trở của nó.
Phạm vi biến dạng có thể đo được với độ chính xác ∼ 0, 1% là
khoảng từ ±10
−5
đến ±2.10
−1
. Giới hạn dưới bị hạn chế bởi nhiễu của

∆a
a
=
∆b
b
=
∆d
d
= −ν
∆

(2.5)
trong đó ν là hệ số Poisson. Trong vùng biến dạng đàn hồi ν ≈ 0, 3. Vì
24