Nguyên lý và ứng dụng một số loại senso

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN



NGUYỄN THU PHƢƠNG



NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG
MỘT SỐ LOẠI SENSOR



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC





Hà Nội - 2012




2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THU PHƢƠNG


NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG
MỘT SỐ LOẠI SENSOR

Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử
Mã số: 60.44.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. PHẠM QUỐC TRIỆU


Hà Nội - 2012


3
MỤC LỤC

MỤC LỤC 3
MỞ ĐẦU 6
CHƢƠNG 1 Một số đặc trƣng cơ bản của sensor 7
1.1 Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản 7
1.2 Phân loại sensor 8
1.3 Đặc trƣng cơ bản 10
1.3.1 Đƣờng cong chuẩn của cảm biến 10

1.3.2 Hàm truyền 12
1.3.3 Độ nhạy 12
1.3.4 Độ tuyến tính 13
1.3.5 Sai số và độ chính xác 14
1.3.6 Độ nhanh và thời gian hồi đáp 16
1.3.7 Giới hạn sử dụng 17
1.3.8 Nhiễu 18
CHƢƠNG 2 Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý 19
2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện 19
2.1.1 Hiệu ứng áp điện [9] 19
2.1.2 Hiệu ứng từ giảo 20
2.1.3 Hiệu ứng trở áp 21
2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện 21
2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện [14] 21
2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở [15] 24
2.2.3 Hiệu ứng điện hỏa [16] 25
2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện 26
2.3.1 Hiệu ứng quang điện [9, 10] 26
2.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện 28

4
2.3.3 Hiện tƣợng phát sáng quang hóa 28
2.3.4 Hiệu ứng quang điện môi [9] 30
2.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay 30
2.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect) 31
2.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10] 32
2.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học [10] 33
2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện 33
2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9] 33
2.4.2 Hiệu ứng Spin Hall 35

2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9] 35
2.4.4 Hiệu ứng Barkhausen 36
2.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen 37
2.4.6 Hiệu ứng từ trở 37
2.5 Hiệu ứng Dopper 38
CHƢƠNG 3 Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo 39
3.1 Sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN 39
3.1.1 Đặc trƣng V- A của lớp chuyển tiếp p-n 39
3.1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của dòng điện khi phân cực ngƣợc. 40
3.1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu điện thế khi phân cực thuận 40
3.1.4 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị 41
3.1.5 Kết cấu của thiết bị đo nhiệt độ nhờ chuyển đổi nhiệt - điện bằng bán dẫn
dùng ICL7107 42
3.2 Senor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai 44
3.2.1 Cấu tạo thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai 44
3.2.2 Bộ tiếp nhận dịch chuyển 44
3.2.3 Bộ biến thế vi sai 45
3.3 Sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall 51
3.3.1 Nguyên lý 51

5
3.3.2 Thiết bị đo từ trƣờng dùng cảm biến Hall 53
3.4 Sensor từ trƣờng Fluxgate 53
3.4.1 Nguyên lý làm việc 53
3.4.2 Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ 56
CHƢƠNG 4 Kết quả thực nghiệm 58
4.1 Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN 58
4.1.1 Sự thay đổi đặc trƣng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ 58
4.1.2 Khảo sát quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN 58
4.2 Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall 61

4.2.1 Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam 61
4.2.2 Đo từ trƣờng bề mặt dùng GaussMeter (USA) 64
KẾT LUẬN 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO 69


6
MỞ ĐẦU
Đã từ lâu các sensor đƣợc sử dụng nhƣ những bộ phận để cảm nhận và phát
hiện, nhƣng 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 lƣờng, 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 đƣợc giảm thiểu về kích thƣớc, cải thiện về
tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Giờ đây không có một lĩnh vực
nào từ dân sự đến quân sự mà ở đó không sử dụng sensor. Chúng có mặt trong các
hệ thống tự động phức tạp, ngƣời máy, kiểm tra chất lƣợng sản phẩm, tiết kiệm
năng lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng, phát hiện an ninhvà đặc biệt gần đây là
trong các hệ thống nhà thông minh (smart home). Sensor cũng đƣợc ứng dụng rộng
rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm,
sản xuất ô tô…
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và
ứng dụng trong kỹ thuật đo lƣờng, điều khiển, số lƣợng và chủng loại các sensor
tăng nhanh và đa dạng cả về tính năng và công nghệ chế tạo. Bởi vậy việc khảo sát,
chuyển giao công nghệ, nghiên cứu “Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor”
đƣợc tác giả lựa chọn làm luận văn của mình với nội dung đƣợc chia làm 4 chƣơng
nhƣ sau:
Chương 1. Một số đặc trưng cơ bản của sensor.
Chương 2. Chuyển đổi tín hiệu vật lý.
Chương 3. Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo.
Chương 4. Kết quả thực nghiệm.

Cuối cùng là phần kết luận và phân tích ƣu điểm, nhƣợc điểm và hƣớng phát
triển tiếp theo của luận văn.

7
CHƢƠNG 1 Một số đặc trƣng cơ bản của sensor
1.1 Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản
Trong các hệ thống đo lƣờng – điều khiển, mọi quá trình đều đƣợc đặc trƣng
bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thƣờng là các đại lƣợng không điện
nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, tốc độ, độ dịch chuyển v.v…
Để thực hiện các quá trình đo lƣờng và điều khiển cần phải thu thập thông tin,
đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức
năng trên là các thiết bị cảm biến (sensor).
Sensor là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lý và các đại
lƣợng không có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng điện có thể đo và xử lý
đƣợc.
Để hiểu rõ về sensor ta cần nắm đƣợc một số khái niệm và định nghĩa sau
Phần tử nhạy: Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trực tiếp của đại
lƣợng đo. Phần tử nhạu không có đặc tính riêng. Sai số đƣợc hạn chế bởi sai số của
thiết bị mà nó tham gia.
Chuyển đổi đo lường: Là một khâu của thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của
tín hiệu ra. Cơ sở vật lý của chuyển đổi đo lƣờng là biến đổi và truyền đạt năng
lƣợng, nghĩa là biến đổi từ dạng năng lƣợng này thành dạng năng lƣợng khác.
Sensor đo lường: Là thiết bị đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành
tín hiệu ra thuận lợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt. gia công bằng thiết
bị tính toán mà không quan sát đƣợc. Sensor có tính đo lƣờng học, thực hiện ở dạng
độc lập, có độ chính xác nhất định theo mô hình mạch điện và đƣợc xem nhƣ mạng
2 cửa (hình 1.1) Cửa vào là biến trạng thái x cần đo, cửa ra là đáp ứng y.
Phƣơng trình đƣợc mô tả dƣới dạng một hàm số (1.1)
y=f(x) (1.1)
Quan hệ trong (1.1) thƣờng rất phức tạp do nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới quan

hệ giữa đầu ra và đầu vào của sensor

8
X(t) – Đại lƣợng vào
Y(t) – Đại lƣợng ra
W(t) - Hàm truyền đạt
Hình 1.1 Lưỡng cực anten nửa búp sóng với trường bức xạ theo phương
thẳng đứng và vuông góc
1.2 Phân loại sensor
Với mục đích nghiên cứu và ứng dụng có thể phân loại cảm biến theo các
phƣơng pháp sau:
- Phân loại theo đại lượng vào và ra
+ Cảm biến không điện – điện: Là các cảm biến thực hiện chức năng biến
đổi các đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng v. v….thành các
thông số điện trở, điện cảm điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động v.v….
+ Cảm biến khí nén – điện: đƣợc sử dụng nhiều trong các nhà máy Hóa chất,
các hệ thống đo và điều khiển chông cháy, nổ.
+ Cảm biến điện – điện: trong đó các đại lƣợng vào và ra là thông số điện.
Các cảm biến này thực hiện nhiệm vụ biến đổi các đại lƣợng không điện
thành tín hiệu khí nén sau đó từ tín hiệu khí nén biến đổi thành các đại lƣợng điện.
- Phân loại theo tính chất vật lý được tạo thành
+ Cảm biến điện trở.
+ Cảm biến điện từ.
+ Cảm biến tĩnh điện.
+ Cảm biến nhiệt điện.
+ Cảm biến điện tử - lon.
+ Cảm biến hóa điện.
W(t)
X(t)
Y(t)

9
+ Cảm biến y – sinh.
- Phân loại theo tính chất nguồn điện
+ Cảm biến phát điện.
+ Cảm biến thụ động.
- Phân theo phương pháp đo
+ Cảm biến biến đổi trực tiếp

Hình 1.2 Cảm biến đổi trực tiếp
Y = K.X (1.2)
+ Cảm biến kiểu bù:





Hình 1.3 Cảm biến kiểu bù
Y =
K
1±βK
X (1.3)
K, β: là hệ số biến đổi

K

β
X(t)
Y(t)
)

±

10
1.3 Đặc trƣng cơ bản
1.3.1 Đƣờng cong chuẩn của cảm biến
Khái niệm
Đƣờng cong chuẩn cảm biến là đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại
lƣợng điện (Y) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo (X) ở đầu vào.
Đƣờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dƣới dạng: Y = F(X) hoặc
bằng đồ thị nhƣ hình 1.4a.







a) b)
Hình 1.4 Đường cong chuẩn cảm biến
a) Dạng đƣờng cong chuẩn b) Đƣờng cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
Dựa vào đƣờng cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị Xi chƣa
biết của X thông qua giá trị đo đƣợc Yi của Y.
Để dễ sử dụng, ngƣời ta thƣờng chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính
giữa đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào, phƣơng trình Y= F(X) có dạng Y = aX
+b với a, b là các hệ số, khi đó đƣờng cong chuẩn là đƣờng thẳng (hình 1.4b).
Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị Y
đo đƣợc của đại lƣợng điện ở đầu ra và giá trị X của đại lƣợng đo có tính đến các
yếu tố ảnh hƣởng, trên cơ sở đó xây dựng đƣờng cong chuẩn dƣới dạng tƣờng minh
(đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính

xác Xi của X, đo giá trị tƣơng ứng Yi của Y và dựng đƣờng cong chuẩn.
Yi
Y
Xi
X
Y
0
0
X

11






Hình 1.4 Phương pháp chuẩn cảm biến
a) Chuẩn đơn giản
Trong trƣờng hợp đại lƣợng đo chỉ có một đại lƣợng vật lý duy nhất tác động
lên một đại lƣợng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của
các đại lƣợng ảnh hƣởng, ngƣời ta dùng phƣơng pháp chuẩn đơn giản. Thực chất
của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lƣợng đầu ra ứng với các giá xác định
không đổi của đại lƣợng đo ở đầu vào. Việc chuẩn đƣợc tiến hành theo hai cách:
Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lƣợng đo lấy từ các mẫu chuẩn
hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trƣớc với độ chính xác cao.
Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có
sẵn đƣờng cong chuẩn, cả hai đƣợc đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động
lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lƣợng đo ta nhận đƣợc giá trị tƣơng
ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tƣơng tự với các giá trị

khác của đại lƣợng đo cho phép ta xây dựng đƣợc đƣờng cong chuẩn của cảm biến
cần chuẩn.
b) Chuẩn nhiều lần:
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo đƣợc ở đầu ra phụ
thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lƣợng cần đo ở đầu vào mà còn phụ
thuộc vào giá trị trƣớc đó của của đại lƣợng này. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, ngƣời
ta áp dụng phƣơng pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành nhƣ sau:
Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lƣợng cần đo và đại lƣợng đầu ra có giá trị
tƣơng ứng với điểm gốc, X=0 và Y=0.
Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lƣợng
Y
Y2
Y1
X1
X2
X

12
đo ở đầu vào.
Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đƣờng cong chuẩn theo cả hai hƣớng
đo tăng dần và đo giảm dần.
1.3.2 Hàm truyền
Hàm Truyền là biểu thức mô tả quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm
biến có thể cho dƣới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thứ toán học
Hàm tuyến tính: y=a+bx (1.4)
Hàm Logarit: y=1+blnx (1.5)
Hàm mũ: y=a.e
kx
(1.6)

Hàm lũy thừa: y=a
0
+ a
1
k
x
(1.7)
Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phƣơng pháp tuyến tính hóa
từng đoạn.
Y = F(X) (1.8)
Y,X : là giá trị thực của đại lƣợng đo.
Hệ số truyền là tỷ số giữa đại lƣợng ra Y và đại lƣợng vào X
K(x) =
Y
X
=
F(X)
X
(1.9)
1.3.3 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:
dY = S.dX (1.10)
Độ nhạy đƣợc định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng.
Là tỉ số giữ sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích
thích đƣợc biểu diễn dƣới dạng biểu thức:
S =
dY

dX
=
dF(x)
X
(1.11)
Trƣờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh

13
giá trị xi của đại lƣợng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên dY của đại lƣợng đầu
ra và biến thiên dX tƣơng ứng của đại lƣợng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:

S =






∆Y
∆X
m=mi
(1.12)

Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra ∆Y và biến thiên đầu vào
∆X có sự liên hệ tuyến tính:
∆Y = S.∆X (1.13)
Đại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu thức S =
∆Y
∆X
đƣợc gọi là độ nhạy của

cảm biến.
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi cần thiết kế và sử dụng cảm biến làm sao
cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
- Giá trị của đại lƣợng cần đo m và tần số thay đổi của nó.
- Thời gian sử dụng.
- Ảnh hƣởng của các đại lƣợng vật lý khác (không phải là đại lƣợng đo)
của môi trƣờng xung quanh.
Thông thƣờng nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tƣơng ứng với
nhƣng điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, ngƣời sử dụng có
thể đánh giá đƣợc độ lớn của đại lƣợng đầu ra của cảm biến và đọ lớn của những
biên thiên đại lƣợng đo. Điều này cho phép lựa chọn đƣợc cảm biến thích hợp để
sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện đặt ra.
1.3.4 Độ tuyến tính
Một cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải
chế độ đó, độ nhạy S không phụ thuộc vào đại lƣợng đo x.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của
cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trƣng
tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lƣợng đo

14
còn nằm trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở
chế độ tĩnh S(0) vào đại lƣợng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp
(nhƣ tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần (xích ma) cũng không phụ
thuộc vào đại lƣợng đo. Nếu cảm biến không tuyến tính, ngƣời ta đƣa vào mạch đo
các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận đƣợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi
của đại lƣợng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó đƣợc gọi là sự tuyến tính hoá.
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận đƣợc một loạt điểm tƣơng
ứng (yi,xi) của đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các
cảm biến tuyến tính, đƣờng cong chuẩn là một đƣờng thẳng. Tuy nhiên, do sai số

khi đo, các điểm chuẩn (xi, yi) nhận đƣợc bằng thực nghiệm thƣờng không nằm trên
cùng một đƣờng thẳng.
Đƣờng thẳng đƣợc xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số
là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến đƣợc gọi là đƣờng thẳng tốt nhất.
Phƣơng trình biểu diễn đƣờng thẳng tốt nhất đƣợc lập bằng phƣơng pháp bình
phƣơng bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phƣơng
trình có dạng:

S = aX + b (1.14)
Trong đó
a =
N.∑y

i
∑x

i
-∑y

i
∑x

i
N.∑x

i
2

( )
∑x

i
2

(1.15)
b =
∑y

i
.∑x

i
2

-∑x

i
y

i
∑x

i
N.∑x

i
2

( )
∑x

i
2

(1.16)
Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, ngƣời ta đƣa ra khái niệm
độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đƣờng cong chuẩn và đƣờng
thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.
1.3.5 Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo

15
(cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giữa
giá trị đo đƣợc và giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Gọi dx là độ lệch tuyệt đối giữa
giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tƣơng đối của bộ cảm biến đƣợc
tính bằng:
δ =
∆x
x
.100 [%] (1.17)
Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì không thể biết chính
xác giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, ngƣời ta
thƣờng phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi
hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá
trị thực và giá trị đo đƣợc. Sai số hệ thống thƣờng do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do
điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể
là:
- Do nguyên lý của cảm biến.
- Do giá trị của đại lƣợng chuẩn không đúng.

- Do đặc tính của bộ cảm biến.
- Do điều kiện và chế độ sử dụng.
- Do xử lý kết quả đo.
Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có
thể dự đoán đƣợc một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhƣng không thể dự
đoán đƣợc độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu:
- Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
- Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
- Do các đại lƣợng ảnh hƣởng không đƣợc tính đến khi chuẩn cảm biến.
Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực
nghiệm thích hợp nhƣ bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hƣởng của nhiễu, tự động điều
chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hƣởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ
hoặc thực hiện phép đo lƣờng thống kê.

16
1.3.6 Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trƣng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về
thời gian của đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là
đại lƣợng đƣợc sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh t
r
là khoảng
thời gian từ khi đại lƣợng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lƣợng đầu
ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lƣợng giới hạn (ε) tính bằng %. Thời gian hồi
đáp tƣơng ứng với (ε)% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có
sự biến thiên của đại lƣợng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trƣớc.
Thời gian hồi đáp đặc trƣng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các
thông số thời gian xác định chế độ này.
Trong trƣờng hợp sự thay đổi của đại lƣợng đo có dạng bậc thang, các thông
số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (t
dm

) và thời gian tăng (t
m
) ứng với sự tăng
đột ngột của đại lƣợng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (t
dc
) và thời gian giảm (t
c
)
ứng với sự giảm đột ngột của đại lƣợng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là
thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của
biến thiên tổng cộng của đại lƣợng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần
thiết để đại lƣợng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng.










Hình 1.5 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế đọ quá độ
Tƣơng tự, khi đại lƣợng đo giảm, thời gian trể khi giảm t
dc
là thời gian cần
X
0
t

Y
Y

0

0.9
0.1
t
t
dx
t
x
t
dc
t
c

17
thiết để đại lƣợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng
cộng của đại lƣợng này và khoảng thời gian giảm t
c
là thời gian cần thiết để đại
lƣợng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. Các
thông số về thời gian t
r
, t
dx
, t
x
, t

dc
, t
c
của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian
hồi đáp của nó.
1.3.7 Giới hạn sử dụng
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học,
tác động nhiệt Khi các tác động này vƣợt quá ngƣỡng cho phép, chúng sẽ làm
thay đổi đặc trƣng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, ngƣời sử
dụng cần phải biết rõ các giới hạn này.
Vùng làm việc danh định: Vùng làm việc danh định tƣơng ứng với những điều
kiện sử dụng bình thƣờng của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngƣỡng mà
các đại lƣợng đo, các đại lƣợng vật lý có liên quan đến đại lƣợng đo hoặc các đại
lƣợng ảnh hƣởng có thể thƣờng xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trƣng
làm việc danh định của cảm biến.
Vùng không gây nên hư hỏng: Là vùng mà khi mà các đại lƣợng đo hoặc các
đại lƣợng vật lý có liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt qua ngƣỡng của
vùng làm việc danh định nhƣng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hƣ
hỏng, các đặc trƣng của cảm biến có thể bị thay đổi nhƣng những thay đổi này
mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trƣng của
cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.
Vùng không phá huỷ: Là vùng mà khi mà các đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng
vật lý có liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt qua ngƣỡng của vùng không
gây nên hƣ hỏng nhƣng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trƣng
của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức
là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trƣng của cảm biến không thể lấy lại
giá trị ban đầu của chúng. Trong trƣờng hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng đƣợc,
nhƣng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.

18

1.3.8 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 đƣợc phân bố qua phổ tần số.
Để chống nhiễu ngƣời ta thƣờng 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. Một bộ đƣợc
gọi là cảm biến chính, và bộ kia là cảm biến chuẩn đƣợc đặt trong màn chắn.

Hình 1.6 Phương pháp kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi
Để giảm nhiễu đƣờng truyền ngƣời ta có thể sử dụng các biện pháp sau:
- Cách li nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn
- Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm
biến
- Sử dụng cáp chống nhiễu.

19
CHƢƠNG 2 Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý
2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện
2.1.1 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 ngƣợc lại. Hiệu ứng này đƣợc tìm ra
vào năm 1880.
Vật liệu áp điện phổ biến nhất là thạch anh, lithium niobate, vlithium
tantalite, vPZT và langasite. Một vài vật liệu áp điện khác là gốm chứa Fe(II),
Fe(III) thể hiện tính áp điện khi đƣợc phân cực bởi điện trƣờng ngoài. Tinh thể áp
điện là hình lập phƣơng đối xứng tâm (đẳng hƣớng) trƣớc phân cực và sau phân cực
thể hiện tính đối xứng tứ giác (cấu trúc bất đẳng hƣớng) dƣới nhiệt độ Curie. Ở trên
nhiệt độ Curie nó mất đi thuộc tính áp điện.
Những chất cao phân tử nhƣ cao su, gỗ, tóc, gỗ thớ và lụa trong một phạm vi
nhất định cũng thể hiện tính áp điện. Polyvinylidene fluoride (FVDF) là vật liệu

nhựa dẻo nóng khi đƣợc phân cực thể hiện tính áp điện trong một vài trƣờng hợp
mạnh hơn thạch anh.Vật liệu áp điện là lựa chọn cực kỳ phổ biến cho những cảm
biến trong phạm vi rất rộng.

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.

20
2.1.2 Hiệu ứng từ giảo
Hiện tƣợng từ giảo hay còn gọi là hiệu ứng cơ-từ là sự thay đổi kích thƣớc
của vật khi nó đƣợc đặt trong một từ trƣờng, hay thuộc tính từ thay đổi dƣới ảnh
hƣởng của sự nén hay giãn. Hiệu ứng này đƣợc tìm ra bởi James Joule vào năm
1842 khi ông kiểm tra một mẫu kền.
Cơ chế xuất hiện hiện tƣợng từ giảo đƣợc minh họa ở hình 1.3 vùng từ tính
sắp xếp ngẫu nhiên khi vật liệu chƣa đƣợc từ hóa. Khi đƣợc từ hóa vùng này đƣợc
định hƣớng lại làm thay đổi kích thƣớc của vật.
Vật liệu từ giảo chuyển năng lƣợng từ thành năng lƣợng cơ và ngƣợc lại. Do
đó chúng thƣờng đƣợc sử dụng cân đối giữa cảm biến và kích thích.
Hiện tƣợng từ giảo xác định bởi hệ số từ giảo Λ đƣợc định nghĩa là các thay
đổi trong từng đoạn của chiều dài khi độ từ hóa của vật tăng từ không đến giá trị bão
hòa. Hệ số này thông thƣờng có bậc
5
10

có thể âm hoặc dƣơng.
Nguyên tố thể hiện tính từ giảo mạnh nhất ở nhiệt độ phòng là Co. Tuy
nhiên, vật liệu từ giảo quan trọng gọi là vật liệu từ giảo khổng lồ (GM-Giant
Magnetostrictive ) là hợp kim của Fe, Dy (dysprosium), Tb (terbium). Rất nhiều
những vật liệu dạng này đƣợc chế tạo tại phòng thí nghiệm Naval Ordnance và

Ames ở khoảng giữa những năm 1960. Hiệu ứng GM có thể sử dụng trong việc phát
triển từ trƣờng, dòng điện và các sensor đo sức căng.

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.

21
2.1.3 Hiệu ứng trở áp
Hiệu ứng trở áp là hiện tƣợng thay đổi điện trở của vật liệu khi chịu tác dụng
của lực cơ học. Hiệu ứng này đƣợc tìm ra đầu tiên năm 1856 bởi Lord Kelvin. Năm
1954, C.S.Smith phát hiện rằng chất bán dẫn nhƣ Ge và Si thể hiện hiệu ứng trở áp
mạnh hơn nhiều so với kim loại, thay đổi điện trở của các chất bán dẫn tuân theo
phƣơng trình:
R
R



(2.1)
Với π là tensor đơn vị của hệ số trở áp, σ là tensor sức căng cơ học, R và ∆R
là điện trở và thay đổi của điện trở. Si là vật liệu đƣợc chọn lựa để chế tạo sensor trở
áp.
Hiệu ứng sức căng ở tinh thể vật liệu phẳng với độ dày nano có ý nghĩa quan
trọng hơn so với hiệu ứng này ở những vật liệu khối. Với vật liệu nano vùng ngoại
lực có thể tác động giảm xuống rất nhiều. Kết quả là ảnh hƣởng của lực trên vùng
đƣợc khuyếch đại. Do đó, sức căng tác động trên một tinh thể nano của vật liệu trở
áp có thể đƣợc chuyển dịch thành thay đổi lớn ở tính dẫn của nó.
2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện

2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện [14]
Gradient nhiệt sinh ra một hiệu điện thế ở mối nối của hai vật dẫn hoặc bán
dẫn khác loại. Hiện tƣợng này đƣợc quan sát đầu tiên trong kim loại vào năm 1821
bởi Thomas Johann Seebeck và đƣợc mang tên ông.

Hình 2.3 Vật liệu A và B gắn chặt hai đầu được giữ ở nhiệt độ
1
T
và
2
T
.

22
Hình 2.3 mô tả hai vật liệu khác loại A và B, hiệu điện thế V sinh ra khi hai
đầu nối đƣợc giữ ở các nhiệt độ khác nhau tỷ lệ với sự chênh lệch nhiệt độ
21
T T T  
, và tuân theo phƣơng trình:

()
AB
V S S T  
(2.2)
Với
A
S
và
B
S

là hệ số Seebeck của vật liệu A và vật liệu B
Đây là hiệu ứng vật lý cơ bản sử dụng trong dụng cụ nhiệt, cặp nhiệt hay
dụng cụ mẫu cho đo lƣờng nhiệt độ.
Năm 1834 Jean Charly Athanase Peltier tìm ra hiện tƣợng ngƣợc lại: ở đầu
nối của hai kim loại khác nhau, sự chênh lệch nhiệt độ sẽ tăng khi có dòng điện chạy
qua. Nhiệt lƣợng trên một đơn vị thời gian, Q, hấp thụ bởi mối nối có nhiệt độ thấp
bằng:

()
AB
QI  
(2.3)
với
A

,
B

là hệ số Peltier của mỗi vật liệu, I là dòng điện.
Năm 1854 William Thomson (Lord Kelvin) phát hiện ra dòng điện đi qua vật
có gradient nhiệt dọc theo chiều dài của nó sẽ làm vật này vừa hấp thụ vừa giải
phóng nhiệt. Do gradient nhiệt tồn tại dọc chiều dài của vật liệu nên có thể lực điện
động cũng đƣợc sản sinh dọc theo chiều dài.
Các hệ cảm biến bao gồm nhiều sensor nhiệt chế tạo dựa trên hiệu ứng nhiệt
điện, nhiều loại đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ: nghiên cứu khoa học, y học,
trong công nghiệp, dự trữ thực phẩm…
Những kim loại và hợp kim sử dụng chế tạo cặp nhiệt điện sẽ cho các thuộc
tính và biểu hiện khác nhau. Chromel (khoảng 90% Ni và 10%) và Contantan
(khoảng 40%Ni và 60% Cu) là hai hợp kim thƣờng đƣợc sử dụng.
Loại K là loại cặp nhiệt điện đƣợc sử dụng rộng rãi nhất có độ nhạy xấp xỉ

41µV/ ºC. Một vài cặp nhiệt điện loại E hoạt động ở dải nhiệt độ thấp hơn so với
loại K tuy nhiên chúng lại có độ nhạy cao hơn (68µV/ ºC). Loại N (Nicrosil(hợp
kim Ni-Cr-Si) / Nisil(hợp kim Ni-Si)) có độ nhạy cao và có khả năng chống lại sự
oxi hóa do đó đƣợc dùng cho các phép đo nhiệt độ cao. Các loại cặp nhiệt điện khác

23
nhƣ B, R và S đều làm từ kim loại quý để đo nhiệt độ cao nhƣng có độ nhạy thấp
(cỡ 10µV/ ºC).
Vật liệu nhiệt điện chế tạo từ vật liệu bán dẫn đặc thù với hệ số Peltier lớn có
thể sử dụng để chế tạo vi mạch sensor nhiệt độ. Nó cũng đƣợc sử dụng làm bơm
nhiệt để kích đến trạng thái tự kích của một số sản phẩm nhƣ diode laser, CCD
cameras, vi xử lý, phân tích máu… Khả năng chuyển đổi qua lại giữa điện năng và
nhiệt năng của thiết bị nhiệt điện phụ thuộc vào số phẩm chất (ZT) của vật liệu chế
tạo và xác định bởi :

2
( ) / ( )
T
ZT S T K


(2.4)
ở đây S ,T , ρ,
T
K
lần lƣợt là hệ số Seebeck, nhiệt độ tuyệt đối, điện trở
suất và độ dẫn nhiệt toàn phần.
Thông thƣờng vật liệu nhiệt điện có hệ số Seebeck lớn, dẫn nhiệt tốt và điện
trở nhỏ là hiệu quả nhất đối với việc chế tạo thiết bị nhiệt điện.
23

Bi Te
,
23
Sb Te
là
những vật liệu bán dẫn có hệ số Seebeck lớn, có ZT xấp xỉ bằng đơn vị ở nhiệt độ
phòng.
Vật liệu với kích cỡ nano là những đề cử nổi trội để cải thiện các thể hiện của
cấu trúc nhiệt điện. Với dây lƣợng tử
23
Bi Te
đã đạt đƣợc ZT lớn hơn 14 khi bán
kính dây giảm đến 0.5 nm.
Đối với cấu trúc siêu mạng của cùng vật liệu với độ dày lƣợng tử tích tụ 1 nm
giá trị phẩm chất tốt nhất tính đƣợc là 2.5. Với nhiều hiệu quả nổi bật của vật liệu
nhiệt điện, trong tƣơng lai gần những dụng cụ này có thể đƣợc tìm kiếm cho phát
điện và chuyển năng lƣợng nhiệt dƣ thừa thành điện năng.




24
Bảng 1.1 Một vài loại cặp nhiệt điện phổ biến và dải nhiệt độ tương ứng [14]
Loại
Vật liệu
Dải nhiệt độ (ºC)
K
Chromel/Alumel (hợp kim Ni-Al)
-200 đến +1200
E

Chromel/Contantan
-110 đến +140
J
Iron/ Contantan
-40 đến +750
2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở [15]
Nhiệt điện trở liên quan đến thay đổi điện trở của vật liệu theo nhiệt độ và
đƣợc sử dụng rộng rãi trong các cảm biến nhiệt. Đây là hiệu ứng cơ bản của thiết bị
cảm biến nhiệt nhƣ nhiệt kế điện trở và nhiệt điện trở. Điện trở R đƣợc tính theo
công thức:

2
ef 1 2
(1 )
n
rn
R R T T T
  
       
(2.5)
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
T T T  
là chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ T và nhiệt
độ tham chiếu
erf
T
. Phƣơng trình cho thấy điện trở tăng theo nhiệt độ. Điều này
không đúng với mọi vật liệu, vật liệu có hệ số nhiệt dƣơng (PTC-positive
temperature coefficient) thì điện trở tăng theo nhiệt độ, ngƣợc lại hệ số nhiệt âm
(NTC-negative temperature coefficient ) thì điện trở sẽ giảm theo nhiệt độ.
Trong nhiều trƣờng hợp, vật liệu thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt
độ và điện trở, do vậy không cần quan tâm đến các số hạng bậc cao trong phƣơng
trình (2.5). Tuy nhiên sự tuyến tính này chỉ đúng trong một dải nhiệt độ nhất định.
Bảng 1.2 Dải nhiệt độ tuyến tính của một số vật liệu sử dụng chế tạo sensor
nhiệt điện trở [9]
Vật liệu
Dải nhiệt độ tuyến tính (ºC)
Đồng
-200  260
Platinum
-260 1000

25
Vật liệu nano có thể dùng để chế tạo thiết bị nhiệt điện trở với hệ số nhiệt âm
và dƣơng nhƣ mong muốn. Những vật liệu có cấu trúc nano với tỷ lệ bề mặt / thể
tích lớn hiệu quả hơn trong việc thay đổi theo sự biến thiên của môi trƣờng. Điều
này làm tăng độ nhạy của sensor với biên độ và làm giảm thời gian đáp ứng. Saha
chế tạo thành công bột có kích cỡ nano của

1 2 3
()
xx
Mn Fe O

. Vật liệu đã cải tiến có chỉ
số nhạy NTC lớn hơn đáng kể so với những vật liệu NTC thông thƣờng. Tính chất
điện của vật dẫn và vật cách điện hợp chất cao phân tử trộn với hạt có kích thƣớc
nano có thể sử dụng để chế tạo những nhiệt điện trở.
2.2.3 Hiệu ứng điện hỏa [16]
Khi nung nóng hay làm lạnh, một tinh thể sẽ sinh ra một phân cực điện kết
quả là tạo ra một hiệu điện thế. Nhiệt độ thay đổi là nguyên nhân làm cho các điện
tích dƣơng và điện tích âm di chuyển đến các cực đối diện của tinh thể.
Vật liệu điện hỏa đƣợc sử dụng trong các sensor bức xạ, trong đó các bức xạ
tới bề mặt của chúng đƣợc chuyển hóa thành nhiệt. Sự tăng của nhiệt độ do những
bức xạ là nguyên nhân làm thay đổi độ lớn phân cực điện của tinh thể. Điều này dẫn
đến một điện thế có thể đo đƣợc, nếu đặt trong một mạch điện, dòng đo đƣợc:

dT
I pA
dt

(2.6)
Với p là hệ số điện hỏa, A là diện tích của điện cực, dT/dt là tỷ số thay đổi
nhiệt độ.
Hệu ứng điện hỏa sử dụng để tạo ra một điện trƣờng mạnh (GV/m) trong một
vài vật liệu bằng cách đốt nóng nó từ -30 ºC đến +45 ºC trong một vài phút.
Những sensor bức xạ dựa trên hiệu ứng điện hỏa trong thƣơng mại hoạt động
trong một dải rộng của bƣớc sóng. Sensor điện hỏa chế tạo từ vật liệu điện hỏa nhƣ
lithium tantalite và PZT, phát sinh điện thế khi nhiệt độ thay đổi nhỏ do chiếu xạ

vào bề mặt tinh thể.
Có thể sử dụng vật liệu nano để tăng cƣờng khả năng của các sensor điện
hỏa. Ví dụ Liang đã dùng film xốp SiO2 làm lớp cách ly nhiệt để hạn chế sự
khuyếch tán của dòng nhiệt từ lớp điện hỏa đến lớp Si trong đầu dò hồng ngoại điện