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 tử Lu Th Vinh - 155 - Khoa Vt Lý . nguồn suất điện động E (hình 5-2 2). Dòng quang điện trong mạch sẽ có dạng: ES I ΦΦ = σ ( 5-4 5) A Ù nh Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Kỹ Thuật Đo Lường Điện Điện tử - 150 - Trong đ : E – cường. Vinh Khoa Vật Lý H ình 5-2 3. Pin quang điện Kỹ Thuật Đo Lường Điện Điện tử - 151 - anvanic (hình 5-2 4, b) c ät 5.4.1.Chế độ photo-g : Không có nguồn điện áp ngoài. Khi được chiếu. 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 ( 5-3 5) rong đo – là độ hoạt