Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 11 chân trời Bài 8: Cảm biến và bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

CHÀO MỪNG CẢ LỚP

ĐẾN VỚI BUỔI HỌC HÔM NAY!

KHỞI ĐỘNG

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 ta sao? Nếu tín hiệu từ cảm biến quá nhỏ, không đủ để hệ thống hoạt động thì phải xử lí như thế nào?

BÀI 8:

CẢM BIẾN VÀ BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN LÍ TƯỞNG

Chuyên đề 3: MỞ ĐẦU VỀ ĐIỆN TỬ HỌC

NỘI DUNG BÀI HỌC

02

01

04

05

03

Dự án nghiên cứu

Cảm biến (sensor)

Điện trở phụ thuộc ánh sáng

Cảm biến sử dụng điện trở nhiệt

Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

1. DỰ ÁN NGHIÊN CỨU

CHIA LỚP THÀNH 5 NHÓM

Thảo luận 1 (SGK - tr.42)

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.

Cảm biến ánh sáng

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

Cảm biến

vân tay

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

Cảm biến khí gas và cảm biến khói

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

Cảm biến hồng ngoại hoặc cảm biến chuyển động

e) Đóng mở cửa giếng trời.

Cảm biến mưa

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

Cảm biến độ ẩm đất

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

Xây dựng ý tưởng dự án và quyết định chủ đề.

Bước 1:

Lập kế hoạch thực hiện dự án.

Bước 2:

Báo cáo kết quả.

Bước 3:

Bảng 8.1. Thông tin kết quả tìm hiểu dự án nghiên cứu về cảm biến

Bảng 8.2. Mô tả ngắn gọn nội dung trong các video thực hiện

Bảng 8.3. Thống kê ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

2. CẢM BIẾN (SENSOR)

KHÁI NIỆM:

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lí và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.

CHIA LỚP THÀNH 5 NHÓM

Mỗi nhóm tìm hiểu một nội dung như sau:

Nhóm 1:

Cảm biến khoảng cách

Nhóm 2:

Cảm biến tốc độ

Nhóm 3:

Cảm biến gia tốc

Nhóm 4:

Cảm biến lực

Nhóm 5:

Cảm biến ánh sáng

CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCH

Cảm biến khoảng cách sử dụng tia laser

Cảm biến khoảng cách sử dụng sóng siêu âm

Là thiết bị cảm nhận và biến đổi khoảng cách từ vị trí đặt cảm biến đến vật thể thành tín hiệu điện.

Một số ứng dụng của cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách sử dụng sóng siêu âm giúp đo mức chất lỏng, phát hiện vật cản,...

Sử dụng ở cảng biển hoặc khu công nghiệm giúp cần cẩu thực hiện việc bốc xếp container chính xác, không va chạm,…

Thảo luận 2 (SGK - tr.45)

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

Với các sản phẩm bị lỗi, đường đi của sóng phản xạ sẽ khác, các khoảng cách mà cảm biến đi được không thuộc bộ dữ liệu đã được ghi nhận với sản phẩm bình thường → cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến bộ phận khác có nhiệm vụ loại sản phẩm này ra.

CẢM BIẾN TỐC ĐỘ

▲Hình 8.3. Máy xác định tốc độ từ xa

• Là thiết bị cảm nhận và biến đổi tốc độ của một vật chuyển đổi thành tín hiệu điện.
• Cảm biến tốc độ có thể hoạt động dựa vào một số nguyên lí sau: hiện tượng cảm ứng điện từ, hiệu ứng Doppler.
• Ứng dụng: Kiểm soát tốc độ xe, máy xác định tốc độ từ xa.

Thảo luận 3 (SGK - tr.45)

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.

Máy xác định tốc độ từ xa dùng tia laser

Máy xác định tốc độ từ xa dùng sóng radar

Trên máy có một radar phát sóng vô tuyến có tần số xác định. Khi một phương tiện giao thông tiến vào vùng sóng này sẽ ngay lập tức tạo ra một sóng vô tuyến phản xạ quay trở lại máy. Sóng phản xạ này có tần số khác sóng tới do khoảng cách tương đối giữa phương tiện và radar thay đổi. Mức tăng hay giảm phụ thuộc vào tốc độ của phương tiện nên có thể xác định tốc độ từ độ biến thiên của tần số.

Thông qua đo khoảng thời gian kể từ lúc phát ra tia laser đến khi tia laser quay lại máy sau khi đã phản xạ trên phương tiện giao thông để tính ra tốc độ.

CẢM BIẾN GIA TỐC

▲Hình 8.4. Cảm biến gia tốc: a) hình ảnh thực tế; b) được kết nối với vô lăng ô tô; c) được gắn trên cơ thể động vật

Là thiết bị cảm nhận và biến đổi gia tốc của một vật chuyển động thành tín hiệu điện.

Cảm biến gia tốc gồm có 3 loại:

Áp điện

Sử dụng hiệu ứng điện áp để cảm nhận sự thay đổi của gia tốc, dùng để đo độ rung và độ xóc.

Áp suất

Kém nhạy hơn nhiều so với cảm biến gia tốc áp điện, được sử dụng trong thử nghiệm va chạm xe.

Điện dung

Cảm nhận sự thay đổi điện dung giữa các cấu trúc vi mô nằm bên cạnh thiết bị.

1

3

2

4

Một số ứng dụng của cảm biến gia tốc:

Sử dụng trong xe hơi để phát hiện tai nạn và điều khiển bung túi khí khi gia tốc vượt giới hạn an toàn.

Giúp điện thoại nhận biết hướng của gia tốc trong trường để điều khiển xoay màn hình.

Giám sát tình trạng hoạt động của máy móc.

Gắn trên cơ thể động vật để thu được dữ liệu về hành vi của chúng.

CẢM BIẾN LỰC

• Là thiết bị cảm nhận và biến đổi lực thành tín hiệu điện.
• Có nhiều loại cảm biến đo lực, trong đó có cấu tạo dạng tấm mỏng chế tạo từ vật liệu áp điện.
• Ứng dụng: Cân tải trọng ô tô, cân điện tử băng tải.

CẢM BIẾN ÁNH SÁNG

• Là thiết bị cảm nhận và biến đổi cường độ ánh sáng thành tín hiệu điện.
• Cảm biến ánh sáng có nhiều loại như cảm biến ánh sáng sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng, cảm biến ánh sáng sử dụng diode quang,…
• Ứng dụng: sử dụng trong các thiết bị điều khiển từ xa, thiết bị điện tử, thiết bị y tế,…

▲Hình 8.6. Cảm biến ánh sáng

Thảo luận 4 (SGK - tr.47)

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

Diode quang có cấu tạo là lớp chuyển tiếp p - n. Lớp này được tạo thành khi pha các tạp chất thích hợp vào các phần khác nhau của một mẫu bán dẫn, kết quả là tạo ra trong mẫu hai phần bán dẫn loại p (lỗ trống là hạt tải điện đa số) và loại n (electron là hạt tải điện đa số) tiếp xúc với nhau. Lớp này có điện trở lớn vì hầu như không có hạt tải điện tự do.

Diode chỉnh lưu dùng để chuyển dòng điện xoay chiều thành một chiều vì lớp chuyển tiếp chỉ dẫn điện tốt theo một chiều từ p sang n. Diode quang dùng làm cảm biến ánh sáng vì lớp chuyển tiếp có thể dẫn điện theo chiều từ n sang p khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào (do các cặp electron – lỗ trống được tạo thêm).

Luyện tập (SGK - tr.47)

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