ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
^ ^1* ^
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN Đ ổi TÍN HIÊU
VÀ ÚNG DỤNG
MÃ SỐ: QT-04-03
CHÚ TRÌ ĐỂ TÀI : PGS. TS PHAM QUỐC TRIỆL
I 'J^,i hGC tJUOC 1 - 1-1A í
' 'iVuN G TÁỈ/I THCAC i*r-i THIJ
[ p j V 4 4 j
HÀ NỘI - 2005
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
*1* «4# 4* tii «1« *?>
*1» «7* »Ị» *Ị»
TÊN ĐỂ TÀI:
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN Đ ổ i TÍN HIỆU
VÀ ÚNG DỤNG
MÃ SỐ: QT-04-03
CHÚ TRÌ ĐỂ TÀI : PGS. TS. PHẠM QUỐC TRIÊU
CÁC CÁN BỘ THAM GIA: ThS. NGUYEN THỊ cúc
ThS. NGUYỀN NHƯ HÀ
HÀ NỘI - 2005
MỤC LỤC
Lời mở đầu 1
Chương I: Một sô phương pháp chuyên đổi nhiệt - điện

3
1.1. Chuyển đổi nhiệt - điện bằng điện trở

3

và khi khổng có kính lọc ờ những khoảng cách khác nhau

62
4.4. Thảo luận và đánh giá khả năng ứng dụng cúa thiết bi 68
Kết luận chung 69
Tài liệu tham khảo 70
MỞ ĐẦU
Ngay từ thời xa xưa, con người đã luôn có khát vọng tìm hiểu và khám phá
thế giới xung quanh. Trong quá trình tổn tại và phát triển của lịch sử, loài người
đã thu được những thành tựu lớn lao của khoa học kỹ thuật. Tuy vậy, loài người
luôn úêp tục nghiên cứu để khám phá những điểu mới lạ hơn về thế giới tự nhiên.
Trong quá trình nghiên cứu thế giới, con người luôn mong muốn được “nối dài”
các giác quan của mình đê không chỉ tìm hiểu các sự vật hiện tượng ờ gán mà
còn tìm hiểu các sự vật hiện tượne ở khoảng cách xa hoãc rất xa như các ngôi
sao, các hành tinh và các dụng cụ đo ra đời để phục vụ những nhu cầu đó của
con người. Cùng với sư phát triển cứa loài người các dụng cụ đo cũng ngàv cànc
hiện đại và tiện sử dụng hơn. Các phép đo có thể được thưc hiên mộl cách trực
tiếp hoặc gián tiếp. Ngày nay, phần lớn các phép đo được thưc hiên theo phương
pháp gián tiếp mà nguyên tấc chù yếu cúa nó là dựa vào các quá trình chuyên đổi
lín hiệu trên các dung cu đo. Thiết bị được các tác giá nghiên cứu trong đẽ tài này
là một thiết bị đo dùng quá trình chuyển đổi tín hiệu nhiệt - điện băng bán dẫn
làm cơ sở. (Đáv là một vật liêu vừa có nhiều tính năng đăc biệt lai gon nhe và dẻ
chê tạo). Mục đích cúa thiết bị là để đo được nhiệt độ của các vật ờ một khoáng
cách nào đó nhờ quá trình bức xạ năng lượng của chúng. Từ đó ta có thế dùnỉí nó
đê đo nhiệt độ của các lò nung, bóng đèn và cũng dựa trên nguyên tắc đó ta có
thể chế tạo được những thiết bị đo có tính năng hoàn háo hơn đê đo nhiệt độ cúa
mặt trời và các hành tinh
1
Bố cục bản báo cáo được chia làm 4 chương
Chương I: Một số phương pháp chuyển đổi nhiệt - điện.

( 1. 2 )
Trong đó T đo bằng °c và T0 = 0°c
Với hỗn hợp của các oxít bán dẫn (nhiệt điện trờ)
R(T)= R0exp{B[l/T- 1/T0] }
(1. 3)
Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đôi.
Các hộ số được xác định chính xác bằng cách đo nhiệt độ đã biết trước.
Khi đã biết giá trị của các hằng số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt
độ cần đo
Khi độ biến thiên nhiệt độ AT(xung quanh giá trị T) nhỏ, nhiệt độ có thè
thay đổi theo hàm tuyến tính:
a R chính là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. Hệ số a R phụ thuôc vào vật liệu và
nhiệt độ.
Ị.ỉ . 1 b. Biểu thức của độ nhạy nhiệt
Chất lượng của thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được :
Do vậy nó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất cứa nhiệt độ có the phát
hiện được:
^■( T+AT)— ^-(tẤ 1 ^C^-rAT)
=> a R= Ì/Ru). dR/dT
(1. 5)
(1.4)
AR
*0
(1.6)
AR
= >
AT,
Nghĩa là:
4
Sự thay đổi theo nhiệt độ của một điện trở phụ thuôc đồng thời vào điên trớ

- Giám tiết diện dây, việc này bị giới hạn bởi nó làm dây mánh dẻ đứt
- Tăng chiểu dài dây, việc này cũng bị giới hạn vì nó làm tãng kích thước
cùa điện trở
Đê khắc phục người ta dùng giái pháp sau đây:
Ấn định giá trị R-100Q ở 0"C. Khi đó, nếu dùng Pt đường kính dây cỡ vài
chục Ị-im và chiểu dài khoáng 10 cm, sau khi cuộn lại sẽ nhận được một nhiệt kê
cỡ 1 cm. Trên thực tế các sán phấm thương mại có điện trờ ớ 0"c là 50Q, 500Q
và 1000C2. Các điện trở có chỉ số lớn thường được sứ dung đế đo ơ dái nhiệt độ
thấp, ở đó chúng cho phép đo với độ nhay tương đối tốt. Trong công nghiêp các
nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh (bằng thép). Khi chế tạo
nhiêt kế cán chú ý tới hệ số giãn nờ nhiệt của các vật liệu cấu thành đế tránh gây
ứnơ suất trong quá trình làm việc. Độ kín của vỏ bọc cần được đám bảo môt cách
tuyệt đối.
1.1. 2b. Vi dụ về một loại dụnq cụ chuyên đôi nhiệt - điện bằng kim loại
Ta lấy ví dụ vé dụna cu do nhiệt độ trẽn bề mặt vật rán gọi là nhiệt kế bè
mặt. Nó được chế tạo bàng phương pháp quang hoá và sử dung các vật liêu làm
điên trờ lù Ni, Fe-Ni, hoặc Pt. Chiều dày lớp kim loai cỡ mỏt vài |im và kích
thước nhiệt kế cỡ cm:. Các đạc trung chính cua nhiêt kế bé mãt như sau:
6
Độ nhạy a R ~ 5. 10'V’C đối với trường hợp Ni và Ni-Fe
~ 4. 10 Y’c đối với trường hợp Pt
Dải nhiệt độ sử dụng +từ -195°Cđến 260°c đối với Ni và Fe-Ni
+ từ -260llC đến 1400°c đối với Pt
Hình ỉ. ỉ :Nhiệt kế bể mặt
Khi sử dụng nhiệt kế được dán lên bề mặt cần đo nhiệt độ. Tí lệ bê
mặt /thể tích cao và trở kháng nhiệt nhò để đảm báo cho thời gian hồi đáp dạt cỡ
mili giây. Tuy nhiên cần lưu ý là nhiệt kế bể mặt rất nhạy với mọi biên dạng của
cấu trúc bề mặt được dán nhiệt kế. Hộ số cảm biến của Ni phu thuôc vào biến
dạng: giá trị của nó nhỏ khi bị nén. Bởi vậy nếu không thế dán nó lẻn bé mặt
không có biến dang thì hãy dán nó lên vùng chịu biến dạng nén

q là điện tích của chúng (q=l, 6, 10 I9C). Trái ngược với trường hợp kim loai, đối
với chất bán dẫn, nhiệt độ ảnh hường chú yếu tới nổng đô điên tử và lỗ trỏng
8
(n, p). Sự thay đổi làm đứt mối liên kết giữa các nguyên từ và dẫn tới sư hình
thành các cặp điện tử - lỗ trống. Sô cặp G được hình thành trong một đơn vị thời
gian từ một đơn vị thể tích được biểu diễn bởi công thức:
G = A .r.e x p í-^
{ kĩ
Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối của chất bán dẫn E, là nâng lượng cần
thiết đế làm đứt một liên kết A và a là hằng số đặc trưng cho vật liệu. Tuy nhiên
một điện tử và một lỗ trống có thể tái hợp để hình thành một mối liên kết. Số lần
tái hợp R trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị thể tích tỉ lệ với nồng dộ điện
tử và lỗ trống tự do:
Nếu tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ đối với độ linh đông của điên tư |_in và
lỗ trống np thì biểu thức độ dẫn có thể được viết dưới dạng:
R=r. n. p
Trong đó r là hệ sô tái hợp. Vì n=p nên:
R=r. n2
( 1. 12)
(1. 13)
ở trạng thái cân bằng nồng độ điện tích tự do không thay dối :
G=R
(1. 14)
Nghĩa là:
(1.15)
(1.16)
Trong đó c và b là các hằng sỏ' đặc trưng cho vật liệu
6 = 1 + 4
(1.17)
9

lkQ
loon
ion
- 4 -
/ -
/
/
/
/
— 1
/
—
i
/
/
/
- V
-í
-í
2. 10
3.
m 4 10
5.I0
5(10 400 300 250
250
I n
T( K I
Hình Ỉ .2: Các đặc írưnq của một nhiệt điện trở
a)Điện trỏ ; b)Độ nhạy nhiệt
1.1.4. Chê tạo dụng cụ chuyển đôi nhiệt - điện bằng điện trở Si

không có hiệu ứng đốt nóng.
Suất điện động của cặp nhiệt trong một dải rộng cùa nhiệt độ là hàm không
tuyến tính của TL (hình 1. 4).
Mỗi cập nhiệt có một bảng chuẩn (ghi giá trị của suất điện động phu thuộc
vào nhiệt độ) và một biếu thức để diễn giải sự phụ thuộc cúa suất điện đỏng vào
nhiệt độ.
Nói chung mỗi loại cập nhiệt có một giới hạn cùa dải nhiêt độ làm việc cỡ
từ -27CTC đến 2700"C. Như vậy cập nhiệt có dải nhiệt độ làm viêc rộng hơn
nhiều so VỚI nhiệt kế điện trở.
+ Nhược điếm:
Việc sử dụng cặp nhiệt có điều bất lợi là phải biết trước nhiệt độ so sánh
Tref và do vậy sai số của Trel cũng bằng sai số của T
■ E(mv)
E: c b rama l/c o QL13 QQ a
J : SỐi/CoQSTaacaa
T : Đoag/CoQST3QTaii
K : Ch.ramal/ALuxDãl
R : P latin-R o dií 1 3^0/Plau.Q
s : Plana-Rodự 109b)/Plaita
B : P laúa-Rodiỉ jŨ £j)/Plaiia-P.odu ó%j)
> T("C)
Hình ỉ 4: Sự thay đỏi nhiệt của suất điện động E của một sổ loại cập nhiệt
13
1.2,1 b. Độ nhạy nhiệt
Độ nhạy nhiệt hay còn gọi là năng suất nhiêt - điện của cặp nhiêt điên ờ
nhiệt độ T() được xác định bởi biểu thức :
( 1. 2 2 )
Trong đó s là hàm của nhiệt độ và có đơn vị là |aV/ “C
1.2.2. Các hiệu ứng nhiệt điện
ỉ2.2a . Hiệu ứnẹ Peỉtier

động Thomson bằng không
1.2.2c. Hiệu ứnq Seebeck.
Giả sử có một mạch kín tạo thành từ hai vật dẫn A, B và hai chvến tiếp của
chúng được giữ ở nhiệt độ T, và T2 (hình 1. 5d). khi đó mach sẽ tao thành môt
cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện này sẽ gáy nên một suất điện động do kết quá tác
động đổng thời của hai hiệu ứng Peltier và Thomson. Suất điện đông đó gọi là
suất điện đông Seebeck. Thật vậy, suất điện động giữa a và b, b và c, c và d, d và
a lần lượt là:
(1.26)
T,
(1. 27 )
T,
T|
15
Suất điện động Seebeck sẽ bằng tổng các suất điện động trên :
EíTi = p í . - p A\ + |f c - * By r (1.28)
T,
Nêu chọn Tị là nhiệt độ so sánh và lấy T]=0oc, khi đó đối với một cặp vật dan A
và B cho trước suất điện động chỉ phụ thuộc vào T2
(AlTt
M ,
. N
R(T^
a)
• * -
PT
A/B
M
TÌM) A
TlNu

M M ,
■ = PAV ỊhBcTT + pBT:;ti + j/Víflr+p^M;+
T T., T,
- |/ỉMi«T + P^;m. + + M, + K ^ + Pm;'a+ M
T,NghIa là: 1 ■- T“' T"
e = PATB-PAT% + J(AB-*Ayr = EỈTB
(1.29)
(1. 30)
17
ĐA i r yC
■R'JNG :h -
M>< NOI
. M '' 'M ’J v iẺ n
I>r/ Ạ1-^9
*Sơ đồ đo vi sai:
Sơ đồ này được áp dụng để đo hiệu nhiệt độ giữa hai điểm đặt ờ hai mõi
hàn A/B của cặp nhiệt. VỚI điều kiện là các môi hàn giông nhau đặt ở cùng nhiệt
độ (A/M|;Mj/M2; M2/M3) trong mạch sẽ xuất hiện suất điện động Seebeck E VB
Hình ỉ. 7 :Sơ đồ vi sai đo sự khác nhau vé nhiệt độ
Nếu khoảng nhiệt độ từ Tcl đến Tc2 nhỏ năng suất nhiệt điện có thể coi là
không đổi và ta có:
E Ỉ £ M l , - T j (1 31)
ỉ .2.3 c. Phươnqpháp đo
Suất điện động Seebeck đo được giữa hai đầu cùa cặp nhiệt sẽ cims cáp
thông tin về nhiệt độ cần đo. Chúng chỉ có thể được xác định chính xác nếu như
ta giám tới mức tôi thiểu sự sụt áp do có dòng điện chay trong các phán tử cãp
nhiệt và dây dẫn. Nói chung rất khó đoán biết điện trở của chúng vì điện trở là
hàm cúa nhiệt độ môi trường và của nhiệt độ cần đo. Người ta thường áp dụng
hai phương pháp đo suất điện động
18

R ,ÌR ^
1+-
Rr
(1. 32)
(1. 33)
Vì điện trở của cặp nhiệt và dây nối chưa biết nên để giám sai số người ta
chọn sao cho:
Rv» R,+R/
(1.34)
* Sơ đồ đo suất điên động bằng phương pháp xung đối
19
Nguyên tắc của phương pháp xung đối là đấu với suất điên đòng cần đo
một điện áp đối V sao cho giá trị của điện áp này đúng bằng giá trị của suất điện
động. Giá trị của V có thể đo được chính xác, thông thường nó là điện áp rơi trên
một điện trở có dòng điện chạy qua. Cạp nhiêt được mắc nối tiếp với môt điện ké
G và được đấu song song với một điện trở chuẩn Re. Dòng điện I chạv qua điện
trở Re có thế điều chỉnh được để sao cho kim điện kế chi sô 0. Ta có:
Dòng điện I có thể được điều chinh bằng một biến trở con chạv Rh (mác
nỏí tiếp với nguồn điện) và đươc đo bằng một milivôn kế
1.3. Chuyên đổi nhiệt - điên bằng diode và transistor
1.3.1. Đặc điểm chung và độ nhạy nhiệt
Có thế đo nhiệt độ bằng cách sử dụng linh kiện nhạy cam là diodc hoặc
transistor mắc kiểu diode (nối B với C) phân cực thuân với I không đổi (hình
1.10). Điẽn áp siữa hai cực sẽ là hàm của nhiệt đô.
(1. 35)
Hình 1. 9: Đo suất điện độn‘j bằnẹ phương pháp xunạ đỏi
20
I >
a)
N-