Bài 8. Cảm biến và bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng - Chuyên đề học tập Lí 11 Chân trời sáng tạo

KĐ

Nhà thông minh (Smart Home) là nhà được thiết kế để người dùng có thể kiểm soát các chức năng như bảo mật, nhiệt độ, ánh sáng,... nhờ các thiết bị được điều khiển tự động. Một trong các thiết bị đóng vai trò quan trọng để điều khiển tự động là các cảm biến. Vậy, cảm biến là gì và nguyên tắc hoạt động của chúng ra sao? Nếu tín hiệu từ cảm biến quá nhỏ, không đủ để hệ thống hoạt động thì phải xử lí như thế nào?

Lời giải chi tiết:

Cảm biến là 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.

Cảm biến có thể chuyển đổi trực tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện hoặc biến đổi thành một đại lượng vật lí khác. 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 điện.

Khi tín hiệu quá nhỏ ta cần có một mạch khuếch đại tín hiệu để hệ thống có thể nhận được tín hiệu và hoạt động bình thường.

CH

Các hoạt động nào sau đây có thể sử dụng cảm biến? Chỉ ra loại cảm biến có thể sử dụng.

a) Bật đèn khi cường độ sáng của không gian xung quanh đèn giảm đến một giá trị đã được cài đặt trước.

b) Mở cửa sau khi xác nhận người đang đứng trước cửa thuộc danh sách được vào nhà.

c) Thông báo sự xuất hiện cháy nổ, khói, rò rỉ ga trong nhà.

d) Thông báo sự xuất hiện của người lạ trong nhà.

e) Đóng mở cửa giếng trời.

f) Mở hệ thống tưới nước cho cây khi độ ẩm của đất giảm đến một giá trị đã được cài đặt trước.

Lời giải chi tiết:

a) dùng cảm biến ánh sáng

b) dùng công nghệ nhận dạng khuôn mặt

c) dùng cảm biến khói

d) thiết bị cảnh báo người lạ bằng camera, thiết bị chống người gắn cửa, 

e) cảm biến ánh sáng

f) cảm biến độ ẩm

CH 1

Vì sao cảm biến khoảng cách sử dụng sóng siêu âm có thể phát hiện được sản phẩm bị móp, méo hoặc nứt trên băng chuyền?

Lời giải chi tiết:

Khi sử dụng cảm biến siêu âm; cảm biến sẽ phát ra 1 chùm tia sóng hình nón xuống vị trí cần đo khoảng cách. Thông thường người ta dùng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm trên băng chuyền.

Nếu khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm đột ngột tăng cao thì khả năng là sản phẩm đó đang bị móp, méo hoặc đang bị nứt. Từ đó cảm biến sẽ báo động và loại sản phẩm đó ra khỏi băng chuyền.

CH 2

Tìm hiểu đặc điểm của máy xác định tốc độ từ xa dùng tia laser và so sánh với máy xác định tốc độ dùng sóng radar.

Lời giải chi tiết:

Máy dùng tia laser có thể đo được thời gian kể từ khi phát ra tia hồng ngoại. Cho đến khi tia sáng tiếp xúc với phương tiện và phản hồi lại. Quá trình này sẽ lặp đi lặp lại giúp hệ thống laser sẽ tính toán được khoảng cách của phương tiện đó.

Với máy xác định tốc độ từ xa dùng sóng radar, tín hiệu được phát ra từ radar đi đến vật thể đang chuyển động, tốc độ được xác định từ việc đo khoảng cách tới vật hoặc do tần số sóng phản xạ lại theo hiệu ứng Doppler.

CH

Tìm hiểu và trình bày cấu tạo của diode quang trong cảm biến ánh sáng.

Lời giải chi tiết:

Diode phát quang được làm bằng một số chất bán dẫn, và vùng phổ ánh sáng làm việc. Phạm vi của ánh sáng nhìn thấy là từ 380 nm đến 780 nm. Diode phát quang có cấu trúc lớp hoạt động là tiếp giáp p-n, loại mới hơn thì là cấu trúc PIN. Khi photon có năng lượng đủ lớn xâm nhập lớp hoạt động này sẽ bị hấp thụ, và theo hiệu ứng quang điện tạo ra cặp điện tử-lỗ trống. 

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng gắn liền với chất bán dẫn, nên khi chế các linh kiện không hoạt động với photon thì phải bố trí che ánh sáng đi. Các che chắn không phải là tuyệt hoàn hảo, nên máy điện tử có thể lỗi hoặc hỏng khi vào vùng nhiễu cao, chẳng hạn vùng chiếu tia X, tia gamma mạnh hay trong vũ trụ.

LT

Trong nhà máy sản xuất nước giải khát có ga, để đảm bảo quy tắc an toàn, ta phải kiểm soát được nhiệt độ máy trong quá trình pha chế nguyên liệu, theo dõi lưu lượng và áp suất khí CO₂ do máy pha chế đồ uống tạo ra và mực nước giải khát được bơm vào trong chai. Hãy thảo luận nhóm để phân loại các cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và mức chất lỏng hay rắn trong bình chứa được sử dụng trong công nghiệp theo nguyên tắc hoạt động, phạm vi sử dụng và hiệu quả kinh tế.

Lời giải chi tiết:

• cảm biến đo nhiệt độ thuộc loại cảm biến chuyển đổi các dạng tín hiệu thành sự biến đổi của một đại lượng vật lí là sự thay đổi điện trở của kim loại so với sự thay đổi nhiệt độ vượt trội, phạm vi sử dụng nhỏ, có giá từ vài chục nghìn đến vài triệu đồng
• cảm biến đo áp suất thuộc loại cảm biến chuyển đổi các dạng tín hiệu thành sự biến đổi của một đại lượng vật lí, phạm vi sử dụng nhỏ, có giá từ vài trăm nghìn đến vài triệu đồng
• cảm biến đo lưu lượng thuộc loại cảm biến chuyển đổi các dạng tín hiệu thành sự biến đổi của một đại lượng vật lí, phạm vi sử dụng lớn, có giá từ vài trăm nghìn đến vài triệu đồng
• cảm biến đo mức chất lỏng hay rắn trong bình chứa thuộc loại cảm biến chuyển đổi các dạng tín hiệu thành sự biến đổi của một đại lượng vật lí, phạm vi sử dụng lớn, có giá từ vài trăm nghìn đến vài triệu đồng

LT

Tìm hiểu sơ đồ và nguyên lí hoạt động của một mạch điện có cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng.

Lời giải chi tiết:

Do điện trở của LDR thay đổi theo cường độ sáng nên nó được sử dụng để làm cảm biến ánh sáng. Để chuyển tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, ta mắc mạch điện: điện trở R₀ nối tiếp với LDR, trong đó U và R₀ có giá trị không đổi. Khi điện trở R của LDR thay đổi thì hiệu điện thế U_AB cũng thay đổi, hiệu điện thế này được sử dụng để điều khiển mạch điện thứ hai.

Một module mạch cảm biến ánh sáng hoạt động như sau: Khi có ánh sáng từ ngoài chiếu vào bề mặt LDR, cảm biến tiếp nhận ánh sáng và cho ra giá trị 0 V hoặc 3,3 V (5 V) tương ứng với trường hợp cảm biển được đặt ngoài sáng hoặc trong tối.

Loại cảm biến sử dụng LDR cho tín hiệu ổn định và có độ chính xác cao, do đó được ứng dụng phổ biến trong đời sống hằng ngày như: trong mạch dò sáng tối để đóng ngắt đèn chiếu sáng; trong mạch báo trộm (nếu quá trình nhận ánh sáng của cảm biến bị gián đoạn nghĩa là có vật thể đã lướt ngang vùng mà ta cần quan sát); trong việc điều khiển độ sáng màn hình của điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính bảng; trong máy đo cường độ sáng;...

CH 1

Tìm hiểu một ứng dụng cụ thể của từng loại điện trở nhiệt PTC và NTC.

Lời giải chi tiết:

Điện trở nhiệt NTC thường được dùng phổ biến cho các ứng dụng đo lường và kiểm soát nhiệt độ

Điện trở nhiệt PTC thường được dùng trong mạch điện bảo vệ trạng thái quá nhiệt của thiết bị

CH 2

Tìm hiểu và trình bày các mạch điện thông dụng có cảm biến sử dụng điện trở nhiệt.

Lời giải chi tiết:

R là điện trở có giá trị giá trị xác định, R_S là điện trở của cảm biến, E là nguồn điện không đổi. Khi điện trở R_S thay đổi thì điện áp U_Rs trên nó và điện áp U_R trên điện trở R cũng thay đổi theo. Dễ dàng nhận thấy rằng ứng với mỗi sự thay đổi cường độ ánh sáng (đối với cảm biến điện trở quang) hoặc sự thay đổi nhiệt độ (đối với cảm biến điện trở nhiệt) sẽ có một sự thay đổi tương ứng của điện áp trên cảm biến hoặc trên điện trở R. Có thể sử dụng một trong hai điện áp này để làm tín hiệu ra cho mạch điện của cảm biến. Tín hiệu ra này có thể được sử dụng để làm tín hiệu đo lường hoặc điều khiển thiết bị thông qua mạch điện tử thích hợp.

LT

Phác họa đồ thị tín hiệu đầu ra trong trường hợp tín hiệu đầu vào như Hình 8.11a được khuếch đại đảo dùng op-amp.

Lời giải chi tiết:

Đường màu đỏ là đồ thị tín hiệu của đầu ra khi sử dụng mạch khuếch đại đảo dùng op-amp

Đồ thị nghịch đảo so với tín hiệu đầu vào.

LT

Một op-amp có hệ số khuếch đại K=1 000 000 được nối với nguồn một chiều 9V. Xác định giá trị của U_ra trong các trường hợp U_vào bằng:

a) 4 μV

b) 4 V

c) -4 V

Lời giải chi tiết:

\(K = \frac{{{U_{ra}}}}{{{U_{vao}}}} \Rightarrow {U_{ra}} = K.{U_{vao}}\)

a) U_ra = 4V

b) U_ra = 4 000 000V

c) U_ra = -4 000 000V

Bài tập

Tìm hiểu và trình bày ứng dụng thực tiễn của một số loại cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến khói.

Lời giải chi tiết:

Cảm biến nhiệt độ được sử dụng với nhiều chứng năng và nhiều ứng dụng khác nhau như: dùng đo nhiệt độ trong bồn đun nước, đun dầu, đo nhiệt độ lò nung, lò sấy,…

Một số cảm biến nhiệt được sử dụng cho các lĩnh vực cụ thể như:

• Nhiêt kế điện tử, bán dẫn, can nhiệt loại T được sử dụng trong nghiên cứu về nông nghiệp
• Nhiệt kế điện tử, PT100 được sử dung trong xe hơi
• Điện trở oxit kim loại được sử dụng trong nhiệt lạnh
• Cặp nhiệt điện loại K, T, R, S, B và PT100 được sử dụng trong gia công vật liệu, hoá chất

Cảm biến khói là thiết bị tự động nhận biết có khói. Chúng được lắp ở các trung tâm thương mại, công ty, hộ gia đình,... giúp ta phát hiện các sự cố cháy nổ kịp thời và nhanh chóng. Đồng thời truyền tín hiệu cháy đến các trung tâm báo cháy gần nhất và báo động cho người điều khiển và quản lý thiết bị. Cảm biến khói có các lợi ích như:

• Khi phát hiện dấu hiệu có đám cháy sắp xảy ra, nó sẽ lập tức phát tín hiệu báo động, giúp hạn chế sự cố cháy nổ do hỏa hoạn gây ra.
• Phát hiện nhanh chóng sự cố rò rỉ gas và gửi thông báo đến người quản lý để kịp thời khắc phục sự cố.
• Phát hiện khói nhiều sẽ gửi báo động đến điện thoại thông minh của bạn 24/7, ngay cả khi bạn không có mặt ở nhà, chúng cũng sẽ quan sát mọi thay đổi trong nhà.
• Bảo vệ ngôi nhà của bạn, với thiết kế nhỏ gọn, lắp đặt tại những vị trí quan trọng cũng không ảnh hưởng đến không gian trong ngôi nhà.