Bài 7. Cảm biến - Chuyên đề học tập Lí 11 Kết nối tri thức

KĐ

Con người cảm nhận sự vật thông qua các giác quan. Tuy nhiên, có những vật chất mà chúng ta không thể nhận biết được bằng các giác quan. Vậy làm thế nào để biết được sự tồn tại của những dạng vật chất này?

Lời giải chi tiết:

Con người đã sử dụng những thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái hay quá trình vật lí, hóa học, sinh học và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó thiết bị này gọi là cảm biến.

CH

Để phát thanh, người ta dùng máy tăng ăm, bộ loa và micro. Trong ba thiết bị đó, thiết bị nào được gọi là cảm biến? Tại sao?

2. Hãy kể tên một số thiết bị, vật dụng có sử dụng cảm biến mà em biết.

3. Hãy nêu sự khác nhau giữa cảm biến biến đổi trực tiếp và gián tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện.

4. Hãy nêu ví dụ về ứng dụng của cảm biến trong một lĩnh vực khoa học hay cuộc sống mà em biết.

Lời giải chi tiết:

1. Micro có thể gọi là một loại cảm biến để chuyển đổi âm thanh sang chế độ tín hiệu điện để từ đó xử lý âm thanh để có chất lượng âm thanh tốt hơn. 

2. Các thiết bị cảm biến:

3. Cảm biến là một bộ chuyển đổi nhận và phản hồi tín hiệu hoặc kích thích từ một hệ thống vật lý. Nó tạo ra tín hiệu, đại diện cho thông tin về hệ thống, được sử dụng bởi một số loại hệ thống đo từ xa, thông tin hoặc điều khiển. 

Cảm biến chuyển đổi trực tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện biến đổi trực tiếp thông tin thành dạng điện để truyền đến đầu ra.

Còn cảm biến chuyển đổi gián tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện biến đổi thành đại lượng vật lí khác thông qua mạch điện thì sự biến đổi của đại lượng vật lí này sẽ được chuyển thành tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị.

4. Cảm biến là một bộ phận không thể thiếu trong tự động hóa. CB trong IoT cũng như hệ thần kinh của chúng ta vậy, con người cảm giác được thế giới xung quanh nhờ cảm giác, khứu giác, vị giác, vv… Thì IoT đo lường và tiếp nhận thông tin từ môi trường từ các cảm biến. IoT( Internet of Things ) thông qua các bộ cảm biến để nhận biết các thay đổi của môi trường, từ đó đưa ra các thông số và lưu trữ ở Big Data, cung cấp thông tin cho người dùng hoặc tự động điều chỉnh máy móc hoạt động ở chế độ phù hợp.

Điện thoại thông minh ngày nay có thể nhận diện được khuôn mặt và mở khóa màn hình với vài thao tác đơn giản. Đây là ứng dụng của cảm biến tiệm cận trong lĩnh vực công nghệ và đời sống. Các cảm biến này được tích hợp thêm các pin, tia hồng ngoại. Ngày nay, không chỉ trong nhận diện khuôn mặt, cảm biến này còn được phát triển nhiều trong các ô tô có chế độ đỗ xe thông minh và trong tương lai là xe tự lái.

CH

Từ Hình 7.6, hãy nhận xét về mức độ thay đổi điện trở của điện trở quang theo cường độ sáng.

Lời giải chi tiết:

Từ hình 7.6 ta thấy giá trị của điện trở quang tỉ lệ nghịch với cường độ sáng, cường độ ánh sáng tăng thì giá trị điện trở giảm còn cường độ ánh sáng giảm thì giá trị điện trở tăng.

CH

Để tránh dòng điện quá lớn đi qua một thiết bị điện người ta mắc nối tiếp thiết bị điện này với một điện trở nhiệt. Theo em ta nên dùng điện trở nhiệt NTC hay PTC cho mục đích trên? Tại sao?

Lời giải chi tiết:

Nên dùng loại PTC vì điện trở nhiệt PTC thường được dùng trong mạch điện bảo vệ trạng thái quá nhiệt của thiết bị, khi dòng điện quá lớn gây sinh nhiệt quá mức và có thể gây cháy nổ lúc này giá trị điện trở PTC sẽ được tăng lên hạn chế lại lượng điện mức chạy qua mạch điện.

CH

1. Tại sao điện trở quang và điện trở nhiệt lại có thể được sử dụng để làm cảm biến?

2. Phân biệt sự giống nhau và khác nhau giữa điện trở quang và điện trở nhiệt.

3. Từ đồ thị trong Hình 7.6 và Hình 7.9, em hãy cho biết điện trở quang và điện trở nhiệt NTC hoạt động trong vùng ánh sáng và nhiệt độ nào thì tốt?

Lời giải chi tiết:

1. Vì các linh kiện này chỉ tạo ra sự thay đổi điện trở khi khi có ánh sáng chiếu vào (đối với điện trở quang) hoặc khi có sự thay đổi nhiệt độ (đối với điện trở quang) hoặc khi có sự thay đổi nhiệt độ (đối với điện trở nhiệt) trong khi các mạch điện có sử dụng cảm biến lại cần tín hiệu điện áp để đo lường hay điều khiển thiết bị nên ta cần một mạch điện để biến sự thay đổi điện trở thành điện áp.

2. Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao và không có tiếp giáp nào. Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ. Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức một vài trăm Ω.

Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất. Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện. Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ.

Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau. Quang trở phản ứng trễ hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn sáng.

Điện trở nhiệt là loại điện trở có trở kháng của nó thay đổi một cách rõ rệt dưới tác dụng nhiệt, hơn hẳn so với các loại điện trở thông thường. 

Điện trở nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử: làm cảm biến nhiệt, hạn chế các dòng xung kích. Nhiệt điện trở khác với nhiệt điện kế.

3. Điện trở quang và điện trở nhiệt NTC hoạt động trong vùng ánh sáng và nhiệt độ yếu và vừa thì tốt nhất vì khi đó giá trị điện trở sẽ không làm ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của mạch.

HĐ

Thực hiện dự án tìm hiểu về cảm biến theo các bước sau:

Bước 1: Xác định nhiệm vụ: Tìm hiểu về phân loại và nguyên tắc hoạt động của các loại cảm biến hiện nay.

Bước 2: Xác định hình thức báo cáo kết quả tìm hiểu được về các loại cảm biến, nguyên tắc hoạt động của cảm biến.

Bước 3: Xây dựng kế hoạch và thời gian thực hiện việc tìm hiểu về cảm biến và nguyên tắc hoạt động của chúng.

Bước 4: Thống nhất tiêu chí đánh giá dự án đảm bảo nêu được các cách phân loại cảm biến, nguyên tắc hoạt động của điện trở quang và điện trở nhiệt.

Bước 5: Thực hiện theo kế hoạch đã đề ra để hoàn thành sản phẩm trong đó, nếu ứng dụng của thiết bị cảm biến và nguyên tắc hoạt động của chúng.

Bước 6: Báo cáo và đánh giá dự án đã thực hiện. 

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Nhiệm vụ:

• Tìm hiểu về phân loại của các loại cảm biến
• Tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động của các loại cảm biến

Bước 2: Hình thức báo cáo: Thuyết trình, hồ sơ học tập, sơ đồ tư duy,...

Bước 3: Kế hoạch và thời gian thực hiện: (... ngày, phân bố công việc phù hợp với thời gian biểu của học sinh)

• giai đoạn 1: Tìm hiểu về cách phân loại và các loại cảm biến, ví dụ của từng loại cảm biến
• giai đoạn 2: Tìm hiểu về nguyên tắc hoạt động của từng loại cảm biến
• giai đoạn 3: Kiểm tra lại tính chính xác của các nội dung, xây dựng cách trình bày các nội dung đã tìm kiếm

Bước 4: Tiêu chí đánh giá dự án

• Hoàn thành đúng thời hạn
• Nội dung đầy đủ, chi tiết
• Ví dụ minh họa rõ ràng
• Trình bày khoa học, sạch đẹp
• Phong thái thuyết trình tự tin
• ...

Bước 5: Thực hiện kế hoạch

Cách phân loại cảm biến

- Dựa trên nguyên tắc hoạt động có thể chia cảm biến thành: cảm biến chuyển đổi trực tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện (Hình 7.1) (ví dụ: cặp nhiệt điện, micro áp điện,..) và cảm biến chuyển đổi các dạng tín hiệu thành sự biến đổi của một đại lượng vật lí (Hình 7.2) (ví dụ: điện trở quang, điện trở nhiệt,...). Thông qua mạch điện, sự biến đổi của đại lượng vật lí này sẽ được chuyển thành tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị.

- Dựa trên phạm vi sử dụng, cảm biến có thể được phân loại theo ứng dụng khác nhau như: y tế (cảm biến đo nhịp tim, cảm biến đo nồng độ oxygen trong máu, cảm biến đo đường huyết,...); môi trường (cảm biến đo độ pH của nước, cảm biến đo nồng độ bụi, cảm biến đo nồng độ khí độc,...); công nghiệp (cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất); nông nghiệp (cảm biến đo độ ẩm của đất, cảm biến ánh sáng, cảm biến đo độ mặn,.). 

- Dựa trên hiệu quả kinh tế, cảm biến có thể được đánh giá và phân loại theo các tiêu chí như giá thành, năng lượng tiêu thụ, độ chính xác và độ bền, hiệu quả kinh tế đem lại từ việc sử dụng cảm biến trong đời sống và sản xuất. Ví dụ trong nông nghiệp, sử dụng cảm biến để đo mức độ amoni trong đất – hợp chất được vi khuẩn đất chuyển thành nitrit và nitrat. Sử dụng dữ liệu này với dữ liệu thời tiết, giúp người trồng trọt đạt năng suất tối đa với lượng phân bón tối thiểu.

Bước 6: Báo cáo và đánh giá dự án, nghe nhận xét, rút kinh nghiệm cho dự án sau.