Giáo trinh : KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ part 10 ppsx

Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 145 -


Từ hình vẽ ta có:

BE
V
R
o
R
R
V 5V
2
=
BE
2
1
+
=

iệt độ bò
hạn chế tro
án 150
o
C.
Các cảm biến được chế tạo công nghiệp như FJT1000, FD300, FD200 dùng
cho dã
án tính
với đáp ứng 10mV/
ứng
Nhược điểm của cảm biến nhiệt dùng diode và transistor là dãi đo nh

ng khoảng từ –40
o
C đe
i đo từ 40
o
K đế 400
o
K. Ngoài ra, các cảm biến đo nhiệt độ chuyên dụng được
chế tạo dưới dạng nguồn thế như LM135, LM235,LM335 có hàm truyền tuye
o
K. Hoặc cảm biến dưới dạng nguồn dòng như AD590 cho đáp
1µA/
o
K.

§ 4 CHUYỂN ĐỔI HÓA ĐIỆN
4.1. Cảm biến điện trở dung dòch.
Ta có điện trở của cột chất lỏng dung dòch chiều dài l giữa 2 bản cực S được
xác đònh theo hệ thức:

S
l
R
ρ
=
(5-31)
Trong đó:
ρ = 1/ γ – điện trở suất của dung dòch, với γ được gọi là suất dẫn
điện của dung dòch tỉ lệ với

c – Nồng độ dung dòch;

λ
– Độ dẫn điện đương lượng của dung dòch;

dòch hay độ linh động của các ion.
Như vậy, nếu giữ cho l, S không đổi thì điện trở của dung dòch sẽ thay theo γ.
Nói cá khác h c:
hoạt tính đương lượng hóa học:
γ
=
λ
f c =
λ
a (5-32)
Ở đây: f – Hệ số hoạt tính của dung dòch;

a = f c – Hoạt tính của dung
ch điện trở sẽ là hàm số của nồng độ dung dòc
)(
1

1
cf
lll
R =⋅=⋅==
ρ
(5-33)

Đo đi
Lưu ý: Suất dẫn điện của dung dòch phụ thuộc vào nhiệt độ theo quan hệ:



aScfSS
λλ
ện trở có thể xác đònh được nồng độ dung dòch.
(
)
[
]
β
γ
γ
oot
t
t
−
+
=
1 (5-34)
Với a

xít: β = 0,016 độ
-1
; bazơ: β = 0,019 độ
-1
; muối: β = 0,024 độ
-1

.
Khi bò điện phân muối sẽ tỏa nhiệt làm cho độ linh động a = fc tăng lên, dẫn
tới γ tăng. Do đó, khi đo nồng độ bằng điện trở dung dòch cần quan tâm đến nhiệt độ,
và phải có biện pháp bổ chính.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 146 -
4.2. Cảm biến suất điện động ganvanic.
.2.1.Khái niệm về độ pH.
Theo đònh nghóa:
4
+
−
=
H
a
pH
10
lg
(5-35)
rong đo – là độ hoạt tính của ion hydro H
+
. Ta có:

ọi k l ta có trong dung dòch k là hằng số:

ù
+
H
a

T
−+
+→ OHHH 0
2

G à hằng số phân ly,
OH
a
2
2
OHH
H
aa
k
0
−+
×
=
(5-36)
−
10
ếu: pH < 7 , dung dòch có tính axít;
vào trong một dung dòch đều xuất hiện
ng dòch g i la điện t ế điện cực. K
được trực tiếp điện thế điện cực, vì khi đặt điện cực thứ 2 vào dung dòch thì giữa điện
chuẩ
ù nồng độ chuẩn (a = 1g-dl/l). Thế
ïc so sánh với thế điện cực chuẩn:
tử ganvaníc hợp thành giữa Zn và Cu sẽ có
ïc được xác

14
0
10
22
=×=⋅
−+
OHH
OHH
aaak
(5-37)
Với một dung dòch trung tính thì sẽ có:
7
10
−
==
−+
OHH
aa
;
pH = -lg 10
-7
= 7.
N
pH > 7 , dung dòch có tính kiềm.
4.2.2.Điện thế điện cực.
Bất kỳ một điện cực nào khi nhúng
một thế điện cực E nào đó. Khi nhúng vào trong dung dòch 2 điện cực khác chất
(2 kim loại khác nhau), giữa chúng sẽ tồn tại một thế hiệu xác đònh, nghóa là có một
suất điện động ganvanic.

Điện thế giữa điện cực và du ọ ø h hông thể đo
cực này và dung dòch cũng xuất hiện một thế điện cực nữa tham gia trong mạch đo.
Do vậy điện thế điện cực được xác đònh so với thế điện cực n.
Điện cực chuẩn là điện cực bạch kim (Pt) có khí hydro bám vào được coi là
điện cực khí hydro cắm trong dung dòch H
2
SO
4
co
điện cực của các kim loại khác nhau đươ
Ví dụ: Kali: E
0
= -2,92 V;
Kẽm: E
0
= -0,76 V;
Đồng: E
0
= +0,34 V;
Bạc: E
0
= +0,8 V.
v.v…
Như vậy phần suất điện động:
E
0 (Zn-Cu)
= +0,34 – (–0,76) = 1,1 V
Khi dung dòch có nhiệt độ và nồng độ thay đổi, điện thế điện cư
đònh theo phương trình Nezst.
a

R
T
Ecf
n
F
n
F
R
T
EE
ln ln +=+=
(5-38)
oo

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 147 -
E
o
– Thế tiêu chuẩn của điện cực;
R = 8,317 J/độ – Hằng số khí;
n – số hóa trò của ion;
ay;
ûa dung dòch;
t tính của dung dòch.
Đổi từ lôga tự nhiên sang thập phân và thay các giá trò R và F ta có:
c – nồng độ dung dòch;
F = 96500 C / g.mol – Hằng số Farad
f – hệ số hoạt tính cu
a = fc – Hệ số hoạ

)lg(
058,0
fcEE +=

n
o
(5-39)

điện đo
iện động Galoa.
Dùng 2 điện cực giống nhau A và B nhúng trong 2 dung dòch có nồng độ khác
nhau ở cùng một nhiệt độ (hình 5- 20).



Hình 5-20
Phương trình 5-39 cho ta nguyên tắc đo nồng độ dung dòch c bằng cách đo suất
äng E.
4.2.3.Cảm biến suất đ






Điện thế điện cực của mỗi cực theo phương trình Nezst:

11
ln a
n

F
R
T
EE
o
+=

22
ln a
nF
RT
EE
o
+=

Suất điện động Galoa bằng hiệu điện thế giữa 2 điện cực:

()
2
1
2121
ln lnln
anF
a
RT
aa
nF
RT
EEE =−=−=
(5-40)

Độ hoạt tính dung dòch thường xác đònh là
+
H
a
, do vậy có thể viết:
2
)(
+
H
anF
1
ln
+
=
H
E

)(a
RT
Nếu chọn dung dòch 2 là dung dòch có nồng độ chuẩn, sao cho
2
= 1 thì
khi đó
(
+
H
a
)
suất điện động Galoa sẽ là:
pH 303,2)(lg 303,2)( ln

1101
===
++
⋅−
F
RT
a
F
RT
a
nF
RT
E
HH
(5-41)
Zn Zn
C
2
B
C
A
1

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 148 -
Với t = 18
o
C thì:
p
H

E
058,0
−
=


(5-42)
Phương trình 5-42 cho ta nguyên tắc để chế tạo các ma pH
§ 5 . C
ùy đo độ .
HUYỂN ĐỔI QUANG ĐIỆN
Các chuyển đổi quang điện là các phần tử nhạy cảm với các bức xạ, có nhiệm
vụ biến đổi tín hiệu quang học lối vào thành tín hiệu điện lối ra. Có nhiều loại cảm
biến qu ng đie
Tế
Qu
Pin
5.1. Tế b
a än như sau:
– bào quang điện;
– ang trở;
– quang điện;
– Photo diode; Photo transistor.
ào quang điện.

ớc sóng thích hợp vào ca tốt, tức là nếu năng lượng của fôton tới lớn
hơn công thoát bề mặt của ε = hν ≥ eϕ, hiệu ứng quang điện sẽ
xảy ra.

là sự phụ thuộc của dòng quang điện I

Φ
vào
dòng quang thông
Đặc tính vôn-ampe: I
Φ
= f(U) khi Φ
x
= const.
Đặc tính tần số – là sự phụ thuộc tần số của dòng I
Φ
vào tần số thay đổi
của Φ
x
.
Đặc tính phổ được xác đònh bởi độ nhạy của tế bào quang điện đối với
chiều dài bước sóng ánh sáng tới.
rên hình 5-21 chỉ ra 5 nhóm ứng dụng cơ bản của TBQĐ.











Tế bào quang điện (TBQĐ) sử dụng hiệu ứng quang điện ngoài. Khi chiếu
ánh sáng có bư

kim loại làm ca tốt:
Các đặc tính cơ bản của TBQĐ là:
– Đặc tính quang: I
Φ
= f(Φ
x
)
Φ
x
.
–
–
–
T
a)
c)
d)
e)
b)
H
ình 5-21. Các sơ đồ sử dụng tế bào quang điện
D

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 149 -
H
ình 5-22. Cấu tạo quang tr
ơ
û
1. Lớp cảm quang, 2. nền bán dẫn

3. Các điện cực

øng quang thông Φ
x
được tạo ra bởi chính các vật
thể bức xạ. TBQĐ được sử dụng trong các pirômét (hỏa kế bức xạ), ví dụ để đo nhiệt
độ trong các lò luyện kim dựa trên cơ sở sự phụ thuộc của cøng độ do
và các đặc tính phổ của nó vào nhiệt độ của vật bức xạ.
, d øng quang thông tới TBQĐ bò điều chế bởi kích thước
của vật thể D mà mà kích thước d của nó cần phải đo hoặc kiểm tra. Ứng
các hệ
hất lượng của các bề mặt (độ phẳng, độ
à độ trong và màu sắc của nó cần kiểm tra, sau đó đập vào
TBQĐ. Như vậy dòng quang thông Φ
x
sẽ là hàm số của các đại lượng cần kiểm tra.
, e dùng trong các phép đo tốc độ của các trục quay bằng tốc
kế qua đ
5.2. Quang
Trên sơ đồ hình 5-21, a do

øng ánh sáng
Trên sơ đồ 5-21, b o
dụng trong
thống đo lường và kiểm tra tự động.
Sơ đồ hình 5-21, c dùng để kiểm tra c
chói, màu sắc…).
Sơ đồ hình 5-21, d được sử dụng rộng rãi để đo nhiều đại lượng không điện
khác nhau. Dòng ánh sáng Φ
o

từ nguồn chiếu đi qua đối tượng cần khảo sát, chẳng
hạn một chậu chất lỏng m
Sơ đồ hình 5-21
ng iện.
trở.
ùn dẫn dựa trên hiệu ứng quang điện trong: Độ dẫn
nfit cadmi, selenit cadmi (nhạy

antimo
ngoại).

quang ,
kiện ε
miền n g
trò sẽ n
trở thà

Quang trở là dụng cụ ba
điện của chất bán dẫn tăng (điện trở giảm) khi được rọi sáng bằng ánh sáng thích
hợp. Sơ đồ cấu trúc của quang trở trên hình 5-22.
Nền bán dẫn thường làm bằng các
chất su
trong vùng ánh sáng khả kiến); sunfit chì,
nit indi (nhạy trong vùng hồng
Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt
trở nếu ánh sáng tới thỏa mãn điều
≥ ∆Ε (bề rộng vùng cấm theo thuyết
ăn lượng), các điện tử từ miền hóa
hảy lên miền trống (miền dẫn) và
nh điện tử tự do (điện tử dẫn). Kết

quả làm tăng electron dẫn trong bán dẫn, tức làm giảm điện trở của nó, hay làm tăng
độ dẫn . Xuất hiện độ dẫn phụ – quang dẫn.
Biểu diễn độ quang dẫn
σ

Φ
:
µ
σ
ΦΦ
=
en (5-43)
Trong đó: Φ=
Φ 1
β
n (5-44)
Φ – quang thông tới; β
1
– hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới và vận
tốc tái hợp các điện tích mang.
Khi mắc quang trở vào mạch với nguồn suất điện động E (hình 5-22). Dòng
quang điện trong mạch sẽ có dạng:



ES
I
ΦΦ
=
σ

(5-45)
A
Ù
nh

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 150 -
Trong đó: E – cường độ điện trường;
S – diện tích tiết diện ngang của quang trở;
σ
Φ
– độ quang dẫn.
– Ứng dụng: Quang trở được sử dụng trong trắc quang, trong các mạch điều khiển.
5.3. Pin quang điện.

tử mang khuếch tán qua lớp
tiếp gia
làm giảm thế hiệu tiếp xúc, và làm xuất
hiện ta




Pin quang điện là thiết bò bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang – ganvanic. Cấu
tạo của pin quang điện gồm 2 lớp bán dẫn p-n (hình 5-23)
Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt pin, các fôton bò hấp thụ sẽ kích thích các
nguyên tử bán dẫn tạo cặp electron - lỗ trống. Các phần
ùp p-n và phân cách nó bằng điện trường phụ thuộc vào dấu của các điện tích.
Trong miền n tích tụ các electron thừa, còn trong miền p tích tụ các lỗ trống thừa. Kết
quả, cả hai miền tích điện n (-) và p (+) và

ïi lớp tiếp giáp một suất điện động quang điện.






Độ lớn của suất điện động quang điện:

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎛
=
ln
I
kT
E
⎝
+
Φ
1
o
I
(5-46)
I
Φ

– dòng quang.
Ùng d
kế, lộ sáng kế.
độ trong
o
ùi
, t ï động.
e
Trong đó: k – hằng số bolzermant;
T – nhiệt độ tuyệt đối;
I
o
– dòng nhiệt;

–Ư ụng:
 Trong quang trắc, lux kế, lumen
 Pin quang điện Si dùng đo nhiệt
phổ hồng ngoại;
 Trong các máy quay chiếu phim
dãi 350÷2000
C vì nó nhạy vơ
ruyền tín hiệu và điều khiển tư
5.4. Photo diode.
Photo diode là một diode bán dẫn có thể hoạt động ở 2 chế độ: chế độ quang
à chế đ– ganvanic như một pin quang điện v
Sơ đồ cấu trúc của photo diode chỉ ra trên hình 5-24, a.
ộ photo diode khi mắc với nguồn ngoài.


A

B

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
H
ình 5-23. Pin quang điện
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 151 -


anvanic (hình 5-24, b)
c ät




5.4.1.Chế độ photo-g
: Không có nguồn điện áp ngoài. Khi được chiếu sáng 2 đầu photo diode sẽ ó mo
iệu đh iện thế U và qua tải R sẽ có dòng:

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−−==
Φ
1

kT
eU
o
eII
R
U
I
(5-47)
Trong đó I
o
– dòng nhiệt; I
Φ
– dòng quang điện.
5.4.2. Chế độ photo diode (hình 5-24, c).
Khi mắc
òng bằng hiệu
nối tiếp sẽ xuất hiện
số các dòng ảy qua tiếp giáp p-n:

với tải một nguồn suất điện động E, trong mạch
d ch
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−−=

+
=
+
Φ
1
)(

kT
EUe
o
eII
R
EU
I
(5-48)
Đây là phương trình cơ bản xác lập chế độ làm việc của photo diode với
guồn điện áp ngoài.
Trên hình 5-25 trình bày họ đặc tuyến vôn-ampe của photo diode. Góc phần
tư thứ n ủa diode. Góc phần tư thứ tư (IV) mô
tả đặc tuyến công tác của photo diode trong chế độ photo – ganvanic. Điểm cắt của
các đặc tuyến với trục dòng điện tương ứng với chế độ ng mạc
còn điểm cắt với trục điện áp chỉ chế độ không tải khi hở mạch nguồn U. Góc phần
diode. Đường đặc tuyến đi qua gốc tọa
ộ ứng ới trư øng hơ de, nó giống đặc tuyến vôn-ampe của

c của photo diode;

hế độ photo diode.
a) b) c)
Hình 5-24. a) Cấu trú
b) Chế độ photo-ganvanic;
n
hất (I) ứng với chế độ phân cực thuận c
ắn h lối ra photo diode,
tư thứ ba (III) là đặc tuyến trong chế độ photo
đ v ơ ïp không chiếu sáng dio
c) C
diode thường.



Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 152 -





ạn với các photo diode thường cỡ 10 MHz.
– Ứng dụng: Trong trắc quang, quay chiếu phim, điện báo truyền ảnh, đưa thông
tin lối vào ra máy tính điện tử .
5.5. Photo
Hình 5
-
25. H

ặctuye
á
nvo
â
n
-
ampe cu
û
aphoto

Phạm vi phổ nhạy cảm của photo diode phụ thuộc vật liệu chế tạo:
Loại Si: 0,6 ÷ 1 µm;
Ge: 0,5 ÷ 1,7 µm.
Các photo diode có thời gian xác lập nhỏ hơn so với quang trở. Tần số giới
h
transistor.
Photo transistor ó cấu úc gio ường p-n-p hoặc n-p-n.
Cấu tạo và ký hiệu của photo transistor n-p-n với sự chiếu sáng vùng đáy chỉ ra trên
hình 5-



o của transstor và có thể chiếu vào
theo hư
góc và chiếu vào đáy transistor.
Photo transistor có thể mắc trong sơ đồ đo giống như transistor thông thường
theo các sơ đồ E chung, B chung và C chung, cũng như có th đấ thành
hở 1 trong 3 cực. Khi đó nó sẽ hoạt động giống như một photo diode.
iáp base – colector của transistor là một photo diode. Từ sơ đồ
tương đ

c tr áng như một transistor th
26.
E




B
C
E
C
B
C
B
b)
E
c)
a)

Hình 5-2
6
Thực tế có thể chiếu sáng bất kỳ miền nà
ớng song song hoặc theo hướng vuông góc với tiếp giáp p-n, nhưng hiệu ứng
lớn nhất xảy ra khi chiếu ánh sáng theo hướng vuông
ể u diode khi để
Ký hiệu và sơ đồ tương đương của photo diode chỉ ra trên các hình 5-26, b và
5-26, c. Như vậy tiếp g
ương ta thấy rằng: phạm vi độ nhạy của photo transistor cũng giống như của

photo diode tương ứng. Sơ đồ mắc photo transistor trong một bộ cảm biến quang học
như hình 5-27.





R
R

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
+Vcc
+Vcc
+Vcc
Vo
Vo
a)
b)
c)
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 153 -


ối ra của bộ cảm
biến sẽ là:



được nạp bởi dòng I
Φ
chuyển mạch thấp. Có thể đạt được tần

thay bằng mA kế có nội trở nhỏ
Hình 5-27
Nếu dòng quang base – colector ký hiệu là I
Φ
, ta có điện áp l
V
o
= V
cc
–
β
I
Φ

R (sơ đồ 5-27, a)
V
o
=
β
I
Φ

R (sơ đồ 5-27, b)
Cả 2 sơ đồ (a, b) đều có nhược điểm là điện dung của tiếp giáp base-collector
tương đối nhỏ. Chúng dùng trong các sơ đồ đo khi tần số
số cao hơn bằng sơ đồ c. Điện trở R được
để không gây sụt áp đáng kể.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý
Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 154 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Метрология и электрорадоизмерение в телекоммуникацион
Lời nói đầu 7
1 Những khái niệm cơ bản 8
. DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 88
1. khái niệm cHUNG 115
1. khái niệm cHUNG 131
2. системах: Учебник для вузов / В.И. Нефёдов, В.И. Хахин, Е.В.
и др.; Под ред. В.И.Нефёдова – М.:Высш.шк., 2001.
3. в электронике: Справочник / В.А Кузнецов, В.А. Долгов, В.М.
-ских и др.; Под ред.В.А. Кузнецова. — М.: Энергоатомиздат, 1987.
4.
К. Б нные методы и приборы в
и
. — ., 1986.
7.
8. 1978.
9.
11. David A. Bell. Dụng cụ và đo lường điện tử / Người dòch: Nguyễn hữu Ngọc,
Trònh Trung Thành, Đặng Văn Sử / N.x.b. KHKT, Hà Nội, 1994.
12. Vũ Quý Điềm. Cơ sở kỹ thuật đo lường vô tuyến điện. N.x.b. ĐH & THCN, Hà
Nội, 1978.
13. Nguyễn Ngọc Tân, Ngô tấn Nhơn, Ngô Văn Ky. Kỹ thuật đo. Đại học Bách
khoa Tp. Hồ Chí Minh, 1995.
14. Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Dương. Dụng cụ đo cơ điện. N.x.b. KHKT.
Hà Nội,1983.
15. Hoàng Tư Giáp. Đo thử hữu tuyến điện. N.x.b. Tổng cục bưu điện, Hà Nội
1979
16. Hoàng Thanh Chung. Dụng cụ đo điện xách tay. Nx.b. Đại học và trung học

chuyên nghiệp, Hà Nội 1987.









§
1
§
§
ных
Федорова
Измерения
Конев
Классен . Основы измерений. Электро
технике. — М.: Постмаркет, 20змерительной 00.
5. Харт X. Введение в измерительную технику. — М.: Мир, 1999.
6. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения Минск: Выш. Шк
Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. — М.: Логос, 2000.
Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника. –Л.: Энергия,
Хормой Б.П., Моисеев Ю. Г. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь,
1985.
10. Карпов Р. Г., Карпов Н. Р. Электрорадиоизмерения – М.: выш. Школа,
1978.

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

Kyừ Thuaọt ẹo Lửụứng ẹieọn ẹieọn tửỷ - 155 -






Lu Th Vinh Khoa Vt Lý