Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 11 cánh diều Bài 1: Thiết bị cảm biến và khuếch đại thuật toán

CHÀO MỪNG CẢ LỚP

ĐẾN VỚI BUỔI HỌC HÔM NAY!

Lồng ấp trứng giống như một gà mẹ khổng lồ mà sau mỗi lần “ấp ủ” đã cho ra đời hàng trăm chú gà con, giúp nâng cao năng suất ấp trứng gà.

Ở hình 1.1, cảm biến nhiệt độ bên trong lồng ấp trứng gà sẽ giúp bộ xử lí điều khiển các thiết bị sưởi ấm và làm mát để giữ nhiệt độ ổn định phù hợp với việc ấp trứng.

Hình 1.1. Lồng ấp trứng

KHỞI ĐỘNG

Các cảm biến đã hoạt động theo cách thức như thế nào mà làm được những công việc như vậy?

Cảm biến ánh sáng

Vòi nước tự động

BÀI 1:

THIẾT BỊ CẢM BIẾN VÀ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

Chuyên đề 3: MỞ ĐẦU VỀ ĐIỆN TỬ HỌC

NỘI DUNG BÀI HỌC

I.

BỘ CẢM BIẾN

Nghiên cứu thông tin SGK và trả lời các câu hỏi sau:

Thiết bị cảm biến là gì?

Một bộ cảm biến thường có cấu trúc như thế nào?

Nêu đặc tính

cơ bản của phần tử cảm biến.

KHÁI NIỆM:

Cảm biến là thiết bị có đặc tính thay đổi khi có một yếu tố tác động lên nó (như nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng,…) thay đổi.

CẤU TRÚC:

Bộ cảm biến

Phần tử cảm biến

Bộ xử lí

Là phần tử có thể phát hiện/ nhận biết và đáp ứng một kích thích của môi trường.

Là phần tử chuyển đổi đáp ứng của phần tử cảm biến thành tín hiệu điện.

Đặc tính của phần tử cảm biến:

Phát hiện/ nhận biết và đáp ứng kích thích của môi trường.

II.

PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Trong thực tiễn, có rất nhiều loại cảm biến, có thể phân loại chúng theo các tiêu chí khác nhau.

Có thể phân loại cảm biến theo các tiêu chí nào?

1. Theo nguyên tắc hoạt động

Trong thực tiễn, các cảm biến có nguyên tắc hoạt động khác nhau, có thể phân chia chúng như thế nào?

Cảm biến chủ động và cảm biến thụ động

1

Dựa vào cách thức phát hiện tín hiệu được sử dụng trong cảm biến: điện, sinh học, hóa học, phóng xạ,...

2

Dựa vào hiện tượng chuyển đổi (đầu vào và đầu ra): quang điện, nhiệt điện, nhiệt hóa, điện từ,...

3

Cảm biến tương tự và cảm biến kĩ thuật số

4

PHÂN LOẠI CẢM BIẾN THEO NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Cảm biến chủ động và cảm biến thụ động:

Cảm biến chủ động là cảm biến truyền tín hiệu vào môi trường và sau đó đo đáp ứng của môi trường.

Cảm biến thụ động là cảm biến phát hiện và phản hồi với một số loại đầu vào từ môi trường. Cảm biến thụ động chỉ biết “lắng nghe” những gì đang xảy ra.

Đo khoảng cách bằng sóng siêu âm

Cảm biến tương tự tạo ra tín hiệu đầu ra liên tục.

Cảm biến kĩ thuật số hoạt động với dữ liệu số.

Cảm biến tương tự và cảm biến kĩ thuật số:

Cảm biến áp suất có màn hình hiển thị

Câu hỏi 2 (SGK - tr.37)

Lấy ví dụ về thiết bị có sử dụng cảm biến ở nhà của bạn.

Nhiệt kế hồng ngoại

Thiết bị báo cháy

Bếp điện

▲ Máy điều hòa

(dùng cảm biến nhiệt độ)

▲ Máy giặt (cảm biến lượng nước, cảm biến độ bẩn, cảm biến nhiệt độ,...)

▲ Đầu đọc thẻ ra vào thang máy (dùng cảm biến từ trường)

▲ Đèn tự động bật, tắt khi có người (cảm biến tiệm cận hồng ngoại)

2. Theo phạm vi sử dụng

Cảm biến được dùng trong các lĩnh vực nào?

Cuộc sống hàng ngày

Y tế

Nông nghiệp

Công nghiệp

Hàng không vũ trụ

Giao thông vận tải

Môi trường

Cùng một loại cảm biến, chẳng hạn như cảm biến nhiệt độ, có nhiều loại khác nhau nhưng tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà lựa chọn loại tối ưu sao cho phù hợp với giá cả, tính năng, độ tin cậy, tuổi thọ,…

3. Theo hiệu quả kinh tế

Câu hỏi 3 (SGK - tr.38)

Lấy ví dụ để phân loại các bộ cảm biến theo nguyên tắc hoạt động, hiệu quả kinh tế.

Phân loại theo nguyên tắc hoạt động:

Đo khoảng cách bằng sóng siêu âm

Cảm biến chủ động

Cảm biến thụ động

Phân loại theo hiệu quả kinh tế:

Cùng một loại cảm biến nhưng người ta dựa vào nhu cầu sử dụng, giá cả, tính năng, tuổi thọ, độ tin cậy để lựa chọn.

Cùng cảm biến nhiệt độ nhưng có loại có chức năng kết nối từ xa, điều khiển hệ thống, nhưng có những lại chỉ có chức năng hiển thị nhiệt độ là bao nhiêu, không có thêm các tính năng khác.

Ví dụ

Cảm biến có thể phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo mục đích của người sử dụng:

• Dựa trên nguyên tắc hoạt động.
• Dựa trên phạm vi sử dụng.
• Dựa trên hiệu quả kinh tế.

KẾT LUẬN

III.

CẢM BIẾN

SỬ DỤNG ĐIỆN TRỞ PHỤ THUỘC ÁNH SÁNG

1. Điện trở phụ thuộc ánh sáng

Hình 1.5. Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng và kí hiệu của nó

Đọc nội dung SGK và trả lời câu hỏi:

Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng là gì?

Nêu nguyên tắc hoạt động của điện trở phụ thuộc vào ánh sáng.

GHI NHỚ

• Điện trở phụ thuộc ánh sáng (light dependent resistor, LDR) là dụng cụ có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào.
• Nguyên tắc hoạt động: Khi chưa có ánh sáng chiếu vào, điện trở của nó rất lớn, khi có ánh sáng chiếu vào, điện trở giảm nhanh.
• Do ánh sáng làm cho điện trở của LDR thay đổi, nên có thể dùng LDR để cảm nhận sự biến thiên cường độ ánh sáng.

Hình 1.6. Đồ thị biểu diễn điện trở của LDR thay đổi theo cường độ sáng, tính theo đơn vị lux

Câu hỏi 4 (SGK - tr.39)

Giá trị điện trở của LDR trong Hình 1.6 thay đổi như thế nào khi cường độ ánh sáng tăng lên?

Giá trị điện trở giảm

2. Nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến dùng LDR

THẢO LUẬN CẶP ĐÔI

Đọc nội dung SGK và thực hiện yêu cầu:

LDR được sử dụng làm một phần tử cảm biến như thế nào?

Vẽ sơ đồ khối thể hiện nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến dùng LDR là phần tử cảm biến.

GHI NHỚ

• Do ánh sáng làm cho điện trở của LDR thay đổi nên có thể sử dụng điện trở LDR để cảm nhận sự biến thiên cường độ ánh sáng, dựa vào độ biến thiên giá trị điện trở LDR để xác định cường độ ánh sáng.
• Sơ đồ:

Câu hỏi 7 (SGK - tr.40)

Hình 1.8 thể hiện sơ đồ mạch điện của một bộ chia điện thế. Nguồn điện có suất điện động 6,00 V và điện trở trong không đáng kể được mắc nối tiếp với điện trở cố định 120 Ω và biến trở có điện trở thay đổi từ 0 Ω đến 200 Ω.

Xác định phạm vi hiệu điện thế có thể có giữa hai đầu điện trở cố định.

Từ 2,25 V - 6,00 V.

IV.

CẢM BIẾN SỬ DỤNG ĐIỆN TRỞ NHIỆT

1. Điện trở nhiệt

Điện trở của hầu hết các kim loại tăng đến một mức độ nhất định khi nhiệt độ tăng. Điện trở nào có điện trở giảm khi nhiệt độ của nó tăng?

Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ âm (NTC).

• Nguyên tắc hoạt động của NTC: điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi và giảm đáng kể khi nhiệt độ tăng.
• Sự biến thiên điện trở theo nhiệt độ của một điện trở nhiệt là sự biến đổi không tuyến tính.

2. Nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến dùng NTC

Đặt vấn đề:

Nhiệt độ làm cho điện trở của điện trở nhiệt thay đổi, do đó dựa vào sự biến thiên điện trở của điện trở nhiệt có thể xác định được nhiệt độ.

Câu hỏi 8 (SGK - tr.41)

Vẽ sơ đồ mạch điện thể hiện nguyên tắc dùng NTC làm phần tử cảm biến.

Có thể dùng điện trở nhiệt làm một phần tử cảm biến giống như cách làm cho một LDR. Thay vì cảm nhận sự thay đổi cường độ ánh sáng, điện trở nhiệt NTC cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ.

V.

KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN

1. Khái niệm

Quan sát hình ảnh và thực hiện các yêu cầu sau:

Nêu cấu tạo của op-amp.

Nêu biểu thức tính hệ số khuếch đại hiệu điện thế.

Bộ khuếch đại thuật toán có mấy kiểu hoạt động? Tín hiệu từ đầu ra của op-amp có đặc điểm gì?

• Cấu tạo:
  • Mỗi op-amp có hai đầu vào: một đầu được đánh dấu (-) và được gọi là đầu vào đảo, đầu kia được đánh dấu (+) và được gọi là đầu vào không đảo.
  • Điện thế tại đầu vào đảo (-) được kí hiệu là V-, điện thế tại đầu vào không đảo (+) được kí hiệu là V+.
• Op-amp là một bộ khuếch đại có độ khuếch đại lớn và trở kháng đầu vào cao, có thể thực hiện các phép toán với hiệu điện thế ở đầu vào.

Bộ khuếch đại thuật toán có hai kiểu hoạt động:

Hoạt động vòng hở

Hoạt động vòng kín

Tín hiệu từ đầu ra của op-amp không được đưa trở lại đầu vào của nó.

Tín hiệu từ đầu ra của op-amp được đưa trở lại đầu vào của nó.

2. Tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán

lí tưởng

Hãy nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng.

Tổng trở đầu vào của op-amp rất lớn, điều này giúp cho dòng điện đầu vào bằng 0, mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé.

Tổng trở đầu ra của op-amp rất nhỏ, mạch nối với đầu ra của op-amp không bị sụt áp, cho phép op-amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải.

Đáp ứng tần số cao, tức là op-amp hoạt động rất linh hoạt trên nhiều dải tần số tín hiệu đầu vào.

VI.

THAM QUAN THỰC TẾ ĐỂ TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ CẢM BIẾN

1. Mục đích

Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến.

Một số thiết bị cảm biến

2. Nhiệm vụ cần thực hiện

--------------- Còn tiếp ---------------