Nghiên cứu và phát triển bộ cảm biến đo nồng độ khí hoạt động dựa trên cơ sở tự

;

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------

Nguyễn Ngọc Nam

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN BỘ CẢM BIẾN ĐO NỒNG ĐỘ KHÍ
HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN CƠ SỞ TỰ ĐỐT NÓNG
Chuyên nghành: Đo lường và các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. HOÀNG SĨ HỒNG

Hà Nội 2015
1


LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Ngọc Nam
Sinh ngày 05 tháng 6 năm 1980
Học viên lớp cao học khoá 2012B – Ngành Đo lường và các hệ thống điều khiển Trường đại học Bách khoa Hà Nội.
Hiện đang công tác tại Viện kỹ thuật Phòng không-Không quân, Quân chủng Phòng
không-Không quân.
Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu và phát triển bộ cảm biến đo nồng độ khí hoạt
động dựa trên cơ sở tự đốt nóng” do thầy giáo, TS. Hoàng Sĩ Hồng hướng dẫn là
công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc,
xuất xứ rõ ràng.

Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề
cương. Nếu có vấn đề gì trong nội dung của luận văn thì tác giả xin hoàn toàn chịu
trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày 24 tháng 4 năm 2015.

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
Các từ viết tắt
Danh mục bảng
Danh mục hình vẽ
Lời nói đầu
Chương 1. Tìm hiểu về một số loại cảm biến khí
1.1. Một số khái niệm và phân loại
1.2. Nguyên lý, cấu tạo cảm biến khí
1.2.1. Cảm biến trên cơ sở ứng dụng oxit kim loại
1.2.2. Cảm biến trên cơ sở ứng dụng polyme
1.2.3. Cảm biến trên cơ sở ứng dụng ống nano Carbon
1.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy, thời gian đáp ứng, thời gian
hồi phục cảm biến khí
1.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy
1.3.2. Ảnh hưởng của vật liệu đến độ nhạy
1.3.3. Ảnh hưởng của cấu tạo lớp cảm biến đến độ nhạy cảm biến
1.3.4. Ảnh hưởng của chất xúc tác đến độ nhạy cảm biến
1.3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ với thời gian đáp ứng, phục hồi
1.4. Kết luận chương
Chương 2. Lý thuyết chung về một số phương pháp điều khiển nhiệt độ

2.1. Điều khiển đóng/ngắt (ON/OFF)
2.2. Bộ điều khiển PID
2.3. Điều khiển mờ
2.3.1. Khái niệm cơ bản
2.3.2. Cấu trúc một bộ điều khiển mờ
2.4. Kết luận chương
Chương 3. Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ và kết quả mô phỏng
3.1. Các bước xây dựng bộ cảm biến khí
3.2. Xây dựng bộ điều khiển PID mờ điều khiển nhiệt độ

3

2
3
5
6
7
9
10
10
12
12
15
16
16
17
18
20
22
23

24
25
25
25
36
36
43
43
45
45
46


3.2.1. Mô hình động học của đối tượng điều khiển
3.2.2. Tính toán bộ điều khiển PID tối ưu
3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển PID mờ
3.3. Thực hiện bộ điều khiển trong Matlab, Simulink
Chương 4. Kết luận và kiến nghị nghiên cứu tiếp theo
Tài liệu tham khảo

4

46
48
50
55
61
62

CÁC TỪ VIẾT TẮT
PID

Bộ điều khiển gồm 3 khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân

VĐK Vi Điều Khiển

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại oxit kim loại dựa trên độ dẫn
Bảng 1.2. Phân loại theo sự thay đổi trong đáp ứng của vật liệu cảm biến
Bảng 2.1. Tác động của việc tăng một thông số độc lập trong bộ điều khiển PID
Bảng 2.2. Phương pháp Ziegler–Nichols ước lượng tham số bộ điều khiển PID

13
14
34
35

Bảng 3.1. Luật mờ cho việc tính toán ΔKP, ΔKI, ΔKD

52

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phân loại cảm biến khí

Hình 1.2. Cấu trúc chung của các cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn
Hình 1.3. Sơ đồ kết nối một cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn
Hình 1.4. Sự phụ thuộc độ nhạy của cảm biến Pt-SnO2-Fe2O3 vào nhiệt độ

10
12
17
17

Hình 1.5. Đáp ứng của ZnO với 100ppm chlorobenzene and ethanol
Hình 1.6. Độ nhạy cảm biến ZnO, SnO2, hỗn hợp ZnO, SnO2 với khí CO

18
19

Hình 1.7. Độ nhạy của Pt-SnO2-Fe2O3 và SnO2-Fe2O3 đối với khí CO

19

Hình 1.8. Độ nhạy cảm biến SnO2 với khí O3 khi độ dầy lớp cảm biến thay đổi

20

Hình 1.9. Quá trình tạo chất xúc tác trên bề mặt chất liệu cảm biến
Hình 1.10. Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào độ dầy lớp xúc tác
Hình 1.11. Sự phụ thuộc của trở kháng cảm biến vào độ dầy lớp xúc tác
Hình 1.12. Sự phụ thuộc của trở kháng cảm biến vào loại chất xúc tác
Hình 1.13. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến SnO2-Pd theo

21

21
22
23
23

nhiệt độ
Hình 2.1. Nhiệt độ đầu ra của điều khiển đóng/ngắt
Hình 2.2. Cấu trúc bộ điều khiển PID
Hình 2.3. Ảnh hưởng của thành phần tỉ lệ trong bộ điều khiển PID
Hình 2.4. Ảnh hưởng của thành phần tích phân trong bộ điều khiển PID
Hình 2.5. Ảnh hưởng của thành phần vi phân trong bộ điều khiển PID
Hình 2.6. Minh hoạ độ trễ và hằng số thời gian của quá trình
Hình 2.7. Phương pháp ZN tính độ trễ và hằng số thời gian của quá trình
Hình 2.8. Minh hoạ một hàm thuộc của biến mờ

25
26
27
28
29
33
33
37

Hình 2.9. Minh hoạ các hàm thuộc của một biến ngôn ngữ
Hình 2.10. Ánh xạ mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết quả một biến đầu vào
Hình 2.11. Ánh xạ mệnh đề điều kiện và mệnh đề kết quả nhiều biến đầu vào
Hình 2.12. Minh hoạ một phương pháp giải mờ
Hình 2.13. Cấu trúc bộ điều mờ
Hình 3.1. Các bước xây dựng bộ cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn

Hình 3.2. Bề ngoài và sơ đồ chân của môđun cảm biến Pt1000

38
41
41
42
43
45
45

7


Hình 3.3. Ảnh hưởng của các yếu tố tới tham số bộ điều khiển
Hình 3.4. Đặc tuyến động học của lò vi nhiệt
Hình 3.5. Đáp ứng nhảy bậc của hệ thống với bộ điều khiển PID1(s)

46
47
48

Hình 3.6. Đáp ứng với tín hiệu nhảy bậc của PID1(s) và PID2(s)

49

Hình 3.7. Đáp ứng của hệ thống gồm bộ điều khiển PID2(s) với H1(s) và H2(s)
Hình 3.8. Cấu trúc bộ điều khiển PID mờ
Hình 3.9. Sơ đồ thực hiện bộ điều khiển PID mờ với VĐK
Hình 3.10. Lưu đồ thuật toán bộ điều khiển PID mờ
Hình 3.11. Giao diện xây dựng bộ điều khiển PID mờ trong matlab

Hình 3.12. Xác định các hàm thuộc của e, ec
Hình 3.13. Xác định các hàm thuộc của Kp
Hình 3.14. Các mệnh đề hợp thành của bộ điều khiển PID mờ
Hình 3.15. Một trường hợp cụ thể của các biến
Hình 3.16. Sơ đồ 2 bộ điều khiển PID với H3(s)

50
51
54
54
55
55
56
56
57
58

Hình 3.17. So sánh đáp ứng 2 bộ điều khiển PID với H3(s)

58

Hình 3.18. Sơ đồ 2 bộ điều khiển PID với H4(s)

59

Hình 3.19. So sánh đáp ứng 2 bộ điều khiển PID với H4(s)

59

8

LỜI NÓI ĐẦU
Thế giới đang trong thời kỳ phát triển rất nhanh của khoa học, công nghệ đặt ra
trách nhiệm to lớn cho mỗi chúng ta, những người làm việc trong lĩnh vực khoa học, kỹ
thuật, trách nhiệm ứng dụng khoa học, công nghệ thế giới phục vụ công cuộc công
nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin,
công nghệ vật liệu, các thiết bị cảm biến cho phép xây dựng các hệ thống tự động điều
khiển ngày càng thông minh, chính xác, trong đó các thiết bị cảm biến đóng vai trò
cung cấp thông tin đầu vào cho hệ thống. Đề tài luận văn là một ví dụ nhỏ của việc xây
dựng một bộ cảm biến tin cậy.
Trong khuôn khổ luận văn em đã kế thừa kết quả Đồ án tốt nghiệp của sinh viên
Nguyễn Tràng Tiến trong việc nghiên cứu, khảo sát, xây dựng hàm truyền của lò vi
nhiệt với phôi cảm biến chưa phủ vật liệu cảm biến, mạch điện điều khiển nhiệt độ cho
lò vi nhiệt. Vì điều kiện công việc, trong luận văn em mới chỉ thực hiện được việc tìm
hiểu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến khí, một số phương pháp điều
khiển nhiệt độ, đi sâu nghiên cứu, hoàn thiện thuật toán điều khiển, ổn định nhiệt độ lò
vi nhiệt bằng bộ điều khiển PID mờ ; tính toán, mô phỏng hoạt động của bộ điều khiển
PID mờ trong matlab, simulink.
Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, và đặc biệt dưới sự hướng dẫn của thầy giáo
TS. Hoàng Sĩ Hồng, luận văn đã được hoàn thành.
Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót.
Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và sự góp ý chân thành của các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày ... tháng ... năm 2015
Học viên

Nguyễn Ngọc Nam

9

CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN KHÍ
1.1. Một số khái niệm và phân loại
Cảm biến khí là thiết bị dùng để phát hiện có hay không loại khí nào đó và nồng độ
của khí đó là bao nhiêu. Như vậy, cảm biến khí gồm hai thành phần là vật liệu tương
tác với môi trường, tạo phản ứng và thiết bị đọc phản ứng, chuyển đổi thành dạng có
thể xử lý và định lượng. Trong những năm gần đây, cảm biến khí được sử dụng rất
rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động, an ninh công cộng, trong lĩnh vực bảo
vệ môi trường, phục vụ cuộc sống xã hội,...
Khi nói về cảm biến khí là nói đến một số đặc tính của cảm biến như: độ nhạy là
nồng độ khí nhỏ nhất cảm biến có thể phát hiện; độ chọn lọc là khả năng cảm biến
phát hiện khí nào đó trong hỗn hợp khí; thời gian đáp ứng là thời gian từ khi nồng độ
khí đạt đến mức nào đó cho đến khi cảm biến phát hiện; tính thuận nghịch là khả năng
vật liệu cảm biến khôi phục trạng thái cũ; ...
Các phương pháp dùng bán dẫn oxit kim loại

Các phương
pháp cảm
biến khí

Các phương
pháp dựa trên
sự thay
đổi độ dẫn
điện của vật
liệu

Các phương pháp ứng dụng Polime
Các phương pháp dùng ống nano cacbon

Các phương pháp dùng vật liệu hút ẩm

Các phương pháp với thị giác
Các phương
pháp khác dựa
trên những
biến đổi khác

Các phương pháp với thính giác
Các phương pháp dựa
trên việc đo sắc phổ khí
Các phương pháp dựa
trên việc đo nhiệt lượng

Hình 1.1. Phân loại cảm biến khí [15]
10


Có rất nhiều loại cảm biến khí được thực hiện theo nhiều nguyên lý khác nhau, như
thể hiện ở hình 1.1, nhưng có thể chia làm hai loại lớn là cảm biến khí kiểu thay đổi độ
dẫn điện của vật liệu cảm biến và loại dựa trên những thay đổi các đặc tính khác. Cảm
biến khí kiểu thay đổi độ dẫn điện lại được chia thành nhiều loại nhỏ hơn như: cảm
biến trên cơ sở ứng dụng oxit kim loại, cảm biến trên cơ sở ứng dụng polyme, cảm biến
trên cơ sở ứng dụng ống nano carbon, ...
Một chất ôxi hóa (hay tác nhân ôxi hóa) là một hợp chất hóa học có khả năng chuyển
giao các nguyên tử ôxy hoặc một chất thu các điện tử trong một phản ứng ôxi hóa khử.
Ví dụ về quá trình ôxi hóa
Phản ứng tạo ra ôxít sắt (III):
4Fe + 3O2 → 2Fe2O3
Trong phương trình trên, sắt (Fe) có số ôxi hóa ban đầu bằng 0 và bằng 3+ sau phản

ứng. Đối với ôxy (O) thì số ôxi hóa của nó ban đầu là 0 và giảm xuống 2-. Các thay đổi
này có thể xem xét như là hai nửa của phản ứng diễn ra đồng thời:
1. Quá trình ôxi hóa: Fe0 → Fe3+ + 3e−
2. Quá trình khử: O2 + 4e− → 2 O2−
Sắt (Fe) bị ôxi hóa do số ôxi hóa của nó tăng lên và nó là chất khử do nó cấp các điện
tử cho ôxy (O). Ôxy (O) bị khử do số hóa trị của nó giảm và nó là chất ôxi hóa do nó
nhận các điện tử từ sắt (Fe)
Chất khử (hay tác nhân khử) là một nguyên tố hóa học hay một hợp chất trong các
phản ứng ôxi hóa khử có khả năng khử một chất khác. Để thực hiện điều đó nó trở
thành chất bị ôxi hóa, và vì thế nó là chất cho điện tử trong phản ứng ôxi hóa khử. Ví
dụ, trong phản ứng dưới đây:
2Mg(rắn) + O2 → 2Mg2+(rắn) + 2O2Chất khử trong phản ứng này là magiê. Magiê cho hai điện tử hóa trị và trở thành một
ion, điều này cho phép nó cũng như ôxy trở nên bền vững.

11


Phản ứng Ôxy hóa khử bao gồm tất cả các phản ứng hóa học trong đó các nguyên tử
có trạng thái Ôxy hóa thay đổi, phản ứng Ôxy hóa khử thường liên quan đến việc
chuyển giao điện tử (electron) giữa các đối tượng hóa học.
1.2. Nguyên lý, cấu tạo cảm biến khí
1.2.1. Cảm biến trên cơ sở ứng dụng oxit kim loại

Hình 1.2. Cấu trúc chung của các cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn[7]
Vật liệu cảm biến thông dụng nhất là oxit kim loại vì oxit kim loại bao gồm rất nhiều
loại sở hữu các đặc tính vật lý bao trùm phạm vi rộng từ điện môi, bán dẫn, dẫn, siêu
dẫn, từ tính và có một số ưu điểm là rẻ và độ nhạy cao. Nói chung, oxit kim loại có thể
chia làm hai loại là dẫn và không dẫn. Loại không dẫn gồm các loại chỉ có một trạng
thái oxi hoá, còn loại dẫn có thể hình thành nhiều trạng thái oxi hoá hơn so với loại
không dẫn, do đó loại oxit kim loại dẫn được ứng dụng nhiều hơn làm vật liệu cảm

biến. Cấu trúc chung của các cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn như hình 1.2.
Nguyên lý làm việc của cảm biến oxit kim loại dựa trên phản ứng oxi hoá khử giữa
các phân tử chất khí và các phân tử oxit trên bề mặt cảm biến. Quá trình này bao gồm
hai bước: (1) phản ứng oxi hoá khử, trong đó O- trên bề mặt cảm biến phản ứng với

12


phân tử chất khí tạo ra những thay đổi về điện tích trên bề mặt cảm biến, và đến (2):
những thay đổi về điện tích trên bề mặt cảm biến dẫn đến sự thay đổi độ cao hàng rào
thế năng lượng làm ảnh hưởng đến sự chuyển động tự do của dòng các phần tử mang
điện tích trên bề mặt vật liệu cảm biến dẫn đến những thay đổi về trở kháng của vật
liệu cảm biến.
Cảm biến khí dựa trên cơ sở oxit bán dẫn được phân loại theo chiều thay đổi độ dẫn
khi có khí có tính khử, là loại n (độ dẫn tăng như ZnO, SnO2) hoặc loại p (độ dẫn giảm
như Cr2O3, CuO). Kiểu phân loại này liên hệ với kiểu dẫn của oxit bán dẫn được xác
định bởi bản chất của phần tử mang điện tích trên bề mặt cảm biến là các điện tử hay
các lỗ trống.
Đối với loại n, các phần tử mang điện tích chủ yếu là điện tử. Khi tiếp xúc với các
chất khí có tính khử thì độ dẫn sẽ tăng, mặt khác các chất khí có tính oxi hoá sẽ làm
giảm các phần tử mang điện dẫn đến làm giảm độ dẫn điện của vật liệu cảm biến.
Tương tự, đối với cảm biến loại p với các lỗ trống là thành phần mang điện tích chủ
yếu, khi tiếp xúc với các khí có tính oxi hoá sẽ có độ dẫn tăng, mặt khác khi tiếp xúc
với các chất khí có tính khử, độ dẫn của vật liệu cảm biến sẽ giảm. Bảng sau tổng kết
phản ứng của mỗi loại vật liệu cảm biến đối với tính chất oxi hoá/khử của chất khí.
Bảng 1.1 : Phân loại oxit kim loại dựa trên độ dẫn[15]
Kiểu dẫn

Oxit kim loại

Loại n

ZnO, MgO, CaO, TiO2, WO3, SnO2, In2O3, Al2O3,
Ga2O3, V2O5, Nb2O5, ZrO2

Loại p

Y2O3, La2O3, CeO2, Mn2O3, NiO, PdO, Ag2O,
Bi2O3, Sb2O3, TeO2

13


Bảng 1.2 : Phân loại theo sự thay đổi trong đáp ứng của vật liệu cảm biến[15]
Phân loại

Khí có tính oxi hoá

Khí có tính khử

Loại n

Trở kháng tăng

Trở kháng giảm

Loại p

Trở kháng giảm

Trở kháng tăng

Phản ứng giữa các phân tử chất khí và các phân tử trên bề mặt chất cảm biến phụ
thuộc vào số lượng những sự tiếp xúc giữa chúng tức là phụ thuộc vào nồng độ chất
khí. Ngoài ra phản ứng này còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, vật liệu
cảm biến, cấu tạo cảm biến,... Phản ứng giữa các phân tử chất khí và các phân tử trên
bề mặt chất cảm biến quyết định độ nhạy của cảm biến, là một đặc tính quan trọng của
cảm biến.
Những thay đổi về trở kháng có thể được ghi nhận bằng việc đo sự thay đổi điện áp,
điện dung, chức năng làm việc,...
Loại n hoạt động như sau: oxy trong không khí phản ứng với bề mặt cảm biến và hút
các electron tự do trên bề mặt hoặc ở bề mặt các hạt oxit. Điều này làm tăng điện trở
của vùng bởi vì các hạt mang điện bị giảm. Làm tăng rào cản giữa các hạt oxit, giảm
tính cơ động của các hạt mang điện. Tuy nhiên nếu cảm biến làm việc với các khí H2,
CH4, CO, H2S thì điện trở oxit sẽ giảm bởi vì khí trên phản ứng với oxy giải phóng
electron. Điều này làm giảm rào cản điện thế do đó làm tăng độ dẫn điện của oxit.
Loại p phản ứng với các khí oxy hoá như O2, NO2, Cl2 bởi vì các khí trên lấy đi
electron và tạo các lỗ trống.

R(g) + O-(s) → RO(g) + e
Ở đây, e là electron của oxit, R(g) là khí có tính khử, g là gas, s là bề mặt
Hầu hết các cảm biến oxit kim loại làm việc ở nhiệt độ cao vì các phản ứng oxi hoá
xảy ra ở nhiệt độ cao. Lớp oxit cần được đưa đến nhiệt độ cao để tăng khả năng hút

14


bám của các phân tử khí với bề mặt oxit. Điều này được thực hiện bởi các sợi đốt nóng
hoặc các đĩa nhỏ. Thành phần đốt nóng được ‘in’ vào phía sau của đế để tạo nhiệt độ
làm việc mong muốn. Các nhà nghiên cứu đã chế tạo các thành phần cảm biến và các

bộ đốt nóng kích thước nhỏ cỡ μm bằng công nghệ mạch tích hợp và điều khiển nhiệt
độ bằng dãy xung điện áp với khoảng thời gian đốt nóng giảm thiểu. Điều này cho
phép cảm biến làm việc với sự tiêu tốn năng lượng nhỏ nhất.
Phương pháp chế tạo màng mỏng và dầy được ứng dụng để chế tạo các cảm biến oxit
kim loại. Lớp màng oxit kim loại được làm lắng đọng sử dụng kỹ thuật screenprintingin lụa, spincoating, RF sputtering,.. Màng dầy là từ 10 dến 300 μm, màng mỏng từ 6
đến 1000nm.
Kim loại xúc tác đôi khi được phủ lên trên oxit kim loại để tăng độ nhạy đối với loại
khí nào đó.
1.2.2. Cảm biến trên cơ sở ứng dụng polyme
Nói chung, cảm biến oxit kim loại giảm đáng kể độ nhạy với các khí vô cơ như
amoniac và một số loại hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như alcohol (C2H5OH) và
formaldehyde. Một số loại hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác không thể phát hiện được
bởi các cảm biến trên cơ sở oxit kim loại. Từ những hạn chế này của cảm biến oxit kim
loại, người ta đã nghiên cứu cảm biến trên cơ sở ứng dụng các polyme. Cho dù một số
nghiên cứu cảm biến khí trên cơ sở các polyme đã được ứng dụng phát hiện khí vô cơ
như CO2, NH3, nhưng chúng được ứng dụng rộng rãi để phát hiện các hợp chất hữu cơ
dễ bay hơi hoặc chất dung môi ở trạng thái hơi như alcohols, hợp chất thơm,..
Cũng như vật liệu oxit kim loại, khi lớp polyme tiếp xúc với các phân tử chất khí,
những đặc tính vật lý của lớp polyme như khối lượng, đặc tính điện môi thay đổi do sự
hút bám của các phân tử chất khí. Đặc biệt là do có nhiều cơ chế hút bám giữa các phân
tử hợp chất hữu cơ dễ bay hơi với các polyme như tương tác lưỡng cực và liên kết
hydro và các quá trình này có thể xảy ra ở nhiệt độ bình thường. Dựa trên những thay
đổi của tính chất vật lý, polyme cũng được chia làm hai loại là dẫn và không dẫn.

15


Polyme dẫn có độ dẫn điện thay đổi khi tiếp xúc với nhiều loại khí hữu cơ và vô cơ
khác nhau. Polyme dẫn có thể sử dụng làm cảm biến khí bao gồm polypyrrole (PPy),
polyaniline (PAni), polythiophene (PTh) và các dẫn xuất của chúng. Thông thường độ

dẫn của riêng polyme rất nhỏ nên để có thể làm cảm biến khí cần có nhiều công đoạn
xử lý như phản ứng oxi hoá khử,...Qua quá trình xử lý, Polyme trở thành dẫn hoặc bán
dẫn.
Cảm biến khí trên cơ sở Polyme có một số khuyết điểm như : thời gian không ổn định
lâu, tính không thuận nghịch và tính chọn lọc kém. Khả năng làm việc có thể bị thay
đổi bởi môi trường làm việc.
1.2.3. Cảm biến trên cơ sở ứng dụng ống nano Carbon
Những vật liệu cảm biến như oxit kim loại thường gặp vấn đề độ nhạy kém làm việc
ở nhiệt độ phòng trong khi ống nano carbon thu hút nhiều sự quan tâm, nghiên cứu bởi
sự hứa hẹn trở thành vật liệu cảm biến khí với độ nhạy cao. Ống nano carbon có độ
nhạy cao với lượng rất nhỏ khí như alcohol, ammonia (NH3), carbon dioxide (CO2) and
nitrogen oxide (NOx) ở nhiệt độ bình thường. Độ nhạy cao cho phép chế tạo các cảm
biến rẻ, nhẹ, dễ cấu hình và có ưu điểm hơn các vật liệu cảm biến với độ hút bám cao,
tỉ lệ diện tích bề mặt trên thể tích lớn, thời gian đáp ứng nhanh, dẫn đến sự thay đổi
nhanh các tính chất về điện như điện dung và trở kháng.
Ống nano carbon có thời gian đáp ứng và tính chất khác nhau với các loại khí khác
nhau. Khi dùng làm cảm biến, nó cần được thêm các chất khác để tăng độ nhạy và tính
chọn lọc.
1.3. Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy, thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục cảm
biến khí
Cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn có cấu tạo như hình 1.3. Độ nhạy của cảm biến
được định nghĩa là tỷ số giữa hiệu điện áp đo được khi cảm biến trong môi trường khí
cần đo (Vg) và điện áp đo được khi cảm biến ở môi trường ngoài không khí (Va) chia

16


cho điện áp đo được khi cảm biến được đặt trong môi trường không khí nhân với
100%.
Giắc kết nối

Lò vi nhiệt

Cảm biến

R0

Hình 1.3. Sơ đồ kết nối một cảm biến khí kiểu thay đổi độ dẫn
%
Trong những trường hợp khác nhau thường có yêu cầu độ nhạy của cảm biến khí
khác nhau, ví dụ như trong công nghiệp với yêu cầu không cao, độ nhạy có thể tính
theo đơn vị phần nghìn ppth (parts per thousand), còn trong phòng thí nghiệm với yêu
cầu độ chính xác cao, độ nhạy có thể là phần triệu ppm (parts per million) hoặc phần tỷ
ppb (parts per billion). Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến như:
1.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy

Hình 1.4. Sự phụ thuộc độ nhạy của cảm biến Pt-SnO2-Fe2O3 vào nhiệt độ[12]

17


Nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn đến độ nhạy của cảm biến khí. Hình 1.4 thể hiện độ
nhạy của cảm biến Pt-SnO2-Fe2O3 đối với mỗi khí CO, H2S, NH3, CH4, C2H5OH cùng
nồng độ 800ppm, là một hàm của nhiệt độ. Đồ thị cho thấy, cảm biến rất nhạy với CO
nhưng không nhạy với H2S, NH3, CH4, C2H5OH ở nhiệt độ 850C và ở 2000C, cảm biến
rất nhạy với C2H5OH mà không nhạy với CO, H2S, NH3, CH4. Loại cảm biến này có
thể được dùng để phát hiện C2H5OH ở nhiệt độ 2000C.

Hình 1.5. Đáp ứng của ZnO với 100ppm chlorobenzene and ethanol[1]
Hay trong một khảo sát khác hình 1.5, đáp ứng của cảm biến ZnO đối với

chlorobenzene and ethanol tăng và đạt đến giá trị cực đại ở nhiệt độ nhất định rồi giảm
nhanh khi nhiệt độ tăng.
Như vậy, sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào nhiệt độ không những được ứng
dụng để chọn nhiệt độ làm việc có độ nhạy cao nhất mà còn để tăng tính chọn lọc của
cảm biến với loại khí nào đó.
1.3.2. Ảnh hưởng của vật liệu đến độ nhạy
Độ nhạy của cảm biến không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của cảm biến mà
còn phụ thuộc vào vật liệu làm cảm biến.

18


Hình 1.6. Độ nhạy cảm biến ZnO, SnO2, hỗn hợp ZnO và SnO2 với khí CO[1]
Hình 1.6 cho thấy độ nhạy của ZnO, SnO2, hỗn hợp ZnO và SnO2 đối với khí CO
nồng độ 200ppm, sau 20 phút tiếp xúc, là hàm phụ thuộc nhiệt độ. Với SnO2, độ nhạy
cao khi cảm biến ở nhiệt độ khoảng 2600C và giảm khi nhiệt độ tăng lên trên 3000C.
Mặt khác, ZnO thể hiện độ nhạy không đáng kể với CO. Khi thêm SnO2, hỗn hợp chủ
yếu ZnO có độ nhạy tăng đáng kể (~7 ở nhiệt độ 3600C) (đường 90ZT- 90mol% ZnO,
10 mol% SnO2) và độ nhạy ~8 ở nhiệt độ 3600C (đường 80ZT). Nhiệt độ cảm biến
nhạy nhất tăng từ 2600C lên 350-3600C. Với hỗn hợp có thành phần chính là SnO2
(2mol% ZnO), độ nhạy cao hơn và ở nhiệt độ cao hơn so với chỉ SnO2.

Hình 1.7. Độ nhạy của Pt-SnO2-Fe2O3 và SnO2-Fe2O3 đối với khí CO[12]

19


Ta thấy rằng, với việc cho thêm vào SnO2-Fe2O3 một ít Pt, hỗn hợp mới thu được là
Pt-SnO2-Fe2O3 đã nhạy hơn với khí CO rất nhiều lần so với SnO2-Fe2O3, như trên hình
1.7.

1.3.3. Ảnh hưởng của cấu tạo lớp cảm biến đến độ nhạy cảm biến
Hình 1.8 cho ta thấy rằng, khi độ dầy lớp cảm biến thay đổi (1) d~40÷50nm, (2)
d~80÷90nm, (3) d ~280÷320nm, thì đáp ứng của cảm biến (S = Rgas/Rair) thay đổi và do
đó độ nhạy của cảm biến thay đổi.

Hình 1.8. Độ nhạy cảm biến SnO2 với khí O3 khi độ dầy lớp cảm biến thay đổi[3]
Ở một nghiên cứu khác về ảnh hưởng của cấu trúc cảm biến với độ nhạy cảm biến,
người ta thêm các điểm chất xúc tác trên bề mặt lớp SnO2 với các độ dầy lớp xúc tác
khác nhau, như hình 1.9:

20


Hình 1.9. Quá trình tạo chất xúc tác trên bề mặt chất liệu cảm biến[2]

Hình 1.10. Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến vào độ dầy lớp xúc tác[2]
Hình 1.10 cho thấy độ nhạy của SnO2 sau khi thêm các điểm Pd có độ dầy khác nhau
ở nhiệt độ làm việc và tiếp xúc với khí CH4 nồng độ 200ppm. Độ nhạy của cảm biến

21


tăng từ 52% đến 99,2% khi tăng độ dầy của các điểm Pd từ 2nm đến 10nm và độ nhạy
giảm khi tiếp tục tăng độ dầy các điểm Pd.

Hình 1.11. Sự phụ thuộc của trở kháng cảm biến vào độ dầy lớp xúc tác[2]
Hình 1.11 thể hiện trở kháng của lớp cảm biến phụ thuộc cả nhiệt độ và độ dầy lớp
Pd thêm vào. Trở kháng của các trường hợp giảm tới giá trị nhỏ nhất ở nhiệt độ nhất
định (160 – 2000C) và sau đó tăng dần. Từ quan sát trên cho thấy ban đầu từ khi nhiệt
độ còn thấp tăng dần, quá trình hút bám hoá học là không thể đảo ngược, và rồi quá

trình đảo ngược khi nhiệt độ cao hơn một nhiệt độ nào đó bởi sự tăng tính oxy hoá ở
nhiệt độ cao hơn.
1.3.4. Ảnh hưởng của chất xúc tác đến độ nhạy cảm biến
Hình 1.12 thể hiện sự phụ thuộc của trở kháng (Rg) theo nhiệt độ của cảm biến SnO2
với khí CH4 nồng độ 200ppm khi có các chất xúc tác Pd, Pt, Au, Ag, Ni, NiO, Au2O3
và khi không có các chất xúc tác. Ta thấy rằng mỗi loại chất xúc tác có ảnh hưởng khác
nhau đến độ nhạy của cảm biến SnO2, có loại làm tăng độ nhạy, có loại khác làm giảm
độ nhạy của cảm biến.

22


Hình 1.12. Sự phụ thuộc của trở kháng cảm biến vào loại chất xúc tác[2]
1.3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ với thời gian đáp ứng, phục hồi
Ngoài độ nhạy của cảm biến khí thì thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục của cảm
biến khí cũng là các thông số quan trọng.

Hình 1.13. Thời gian đáp ứng và thời gian hồi phục của cảm biến SnO2-Pd theo nhiệt
độ[2]

23


Hình 1.13 cho thấy sự thay đổi của thời gian đáp ứng và thời gian phục hồi của cảm
biến SnO2-Pd theo sự thay đổi của nhiệt độ. Trung bình thời gian đáp ứng của cảm biến
SnO2-Pd thay đổi trong khoảng từ 26 giây đến 87 giây, thời gian hồi phục thay đổi
trong khoảng từ 70 giây đến 110 giây.
1.4. Kết luận chương
Nhìn chung có rất nhiều nguyên lý của cảm biến khí như dựa trên độ dẫn điện, dựa
trên các đặc tính quang, cơ, nhiệt,.. và cảm biến khí có nhiều các đặc tính lý, hoá rất

nhạy cảm với các điều kiện môi trường. Với loại cảm biến khí dựa trên sự thay đổi độ
dẫn điện, qua phân tích trong chương này cho thấy, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ
nhạy của cảm biến như vật liệu, chất xúc tác, cấu tạo, nhiệt độ, độ ẩm,..trong đó nhiệt
độ làm việc không chỉ ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến mà còn ảnh hưởng đến độ lọc
lựa, thời gian đáp ứng, thời gian hồi phục của cảm biến, nên việc thay đổi nhiệt độ làm
việc của cảm biến để có những đặc tính tốt nhất cho mỗi trường hợp cụ thể là một yêu
cầu cần giải quyết. Với việc chọn nhiệt độ làm việc của cảm biến để có các đặc tính tốt
nhất thì vấn đề đặt ra là phải luôn giữ ổn định nhiệt độ làm việc của cảm biến. Ngoài
ra, bộ điều khiển ổn định nhiệt độ cần đáp ứng yêu cầu đưa nhanh cảm biến về nhiệt độ
làm việc mong muốn nếu nhiệt độ làm việc bị thay đổi để thời gian gián đoạn là ít nhất.
Với mục đích đó, trên cơ sở kế thừa kết quả xây dựng mô hình hàm truyền của đối
tượng lò vi nhiệt và thực hiện phần cứng trong tài liệu [13], các chương sau của luận
văn đi vào xây dựng, mô phỏng chương trình điều khiển, ổn định nhiệt độ cho lò vi
nhiệt bằng vi điều khiển với thuật toán điều khiển dạng PID mờ.

24


CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT CHUNG VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN NHIỆT ĐỘ
Điều khiển học nói chung và điều khiển nhiệt độ nói riêng đã có những bước phát
triển nhanh chóng, mạnh mẽ với các lý thuyết ngày càng tối ưu, hiệu quả và các tài liệu
cũng rất phổ biến. Trong luận văn, để việc trình bày vấn đề có tính hệ thống, em tóm
lược lại ngắn gọn một số vấn đề cơ bản của một số phương pháp điều khiển.
2.1. Điều khiển đóng/ngắt (ON/OFF)

Hình 2.1. Nhiệt độ đầu ra của điều khiển đóng/ngắt
Phương pháp này dựa trên việc đo nhiệt độ đầu ra, nếu nhiệt độ thấp hơn một
ngưỡng nào đó thì nối mạch thiết bị cấp nhiệt, nếu nhiệt độ đầu ra đạt ngưỡng nào đó
thì ngắt mạch thiết bị cấp nhiệt. Là phương pháp điều khiển đơn giản, dễ thiết kế và giá

thành rẻ, nhưng với phương pháp này, nhiệt độ đầu ra sẽ dao động quanh nhiệt độ đặt
chứ không ổn định, như trên hình 2.1. Phương pháp này thường dùng trong những đối
tượng không có yêu cầu cao, cho phép khoảng nhiệt rộng.
2.2. Bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID là một cơ chế vòng điều khiển phản hồi tổng quát được sử dụng
rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển PID được sử dụng

25