Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 11 kết nối Bài 7: Cảm biến

CHÀO MỪNG CẢ LỚP

ĐẾN VỚI BUỔI HỌC HÔM NAY!

KHỞI ĐỘNG

Trong các thiết bị này phải có một linh kiện điện tử gì?

CHUYÊN ĐỀ 3: MỞ ĐẦU ĐIỆN TỬ HỌC

BÀI 7: CẢM BIẾN

NỘI DUNG BÀI HỌC

Khái niệm và phân loại cảm biến

I.

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng và điện trở nhiệt

II.

I.

KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Các cảm biến có thể khác nhau nhưng đều có điểm chung là cho ra tín hiệu cuối cùng là tín hiệu điện.

KHÁI NIỆM:

Cảm biến là thiết bị điểm tự 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.

Một số loại cảm biến:

THẢO LUẬN CẶP ĐÔI

Câu hỏi 1 (SGK - tr.44)

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?

Micrô

Vì micro là thiết bị (linh kiện) biến đổi các dao động cơ thành dao động điện.

Câu hỏi 2 (SGK - tr.44)

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

Gợi ý

► Hệ thống báo cháy (dùng cảm biến khói)

Bếp điện ◄

(dùng cảm biến nhiệt)

▲ 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)

PHÂN LOẠI CẢM BIẾN:

Có một số loại cảm biến khác nhau:

Micro:

Biến dao động cơ thành dao động điện.

Cặp nhiệt điện:

Biến sự chênh lệch nhiệt độ thành sự chênh lệch điện áp.

Quang điện trở:

Biến sự thay đổi ánh sáng thành sự thay đổi điện trở.

Ví dụ:

Nhiệm vụ:

Liệt kê các loại cảm biến theo nhóm:

Cảm biến biến đổi trực tiếp các dạng kích thích thành tín hiệu điện và cảm biến biến đổi các dạng kích thích thành sự thay đổi điện trở.

Cảm biến ứng dụng trong các lĩnh vực như y tế, nông nghiệp, giao thông, nhà thông minh,...

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.

GHI NHỚ

Câu hỏi 3:

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

Cảm biến gián tiếp chuyển đổi các dạng tín hiệu thành sự thay đổi điện trở để điều khiển các thiết bị thông qua sự thay đổi điện áp hoặc dòng điện.

Gợi ý

VÍ DỤ:

Micro điện động, micro áp điện và cảm biến siêu âm là những cảm biến biến đổi trực tiếp dao động cơ thành dao động điện, cặp nhiệt điện biến đổi trực tiếp độ chênh lệch nhiệt độ thành điện áp.

Nhiệt điện trở, quang điện trở, photodiode, cảm biến độ ẩm, cảm biến khối lượng...

Câu hỏi 4 (SGK - tr.44)

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

Gợi ý:

Thiết bị gia dụng:

Thiết bị tự động chiếu sáng

Thiết bị tự động bật đèn khi có người đi tới

Giao thông:

Trạm thu phí tự động

Máy đo vận tốc phương tiện giao thông

Y tế:

Máy siêu âm

Máy đo nhịp tim

Máy đo huyết áp

Máy đo đường huyết

Máy đo nồng độ oxygen

Ngân hàng:

Máy đếm tiền

Cây ATM

II. NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SỬ DỤNG ĐIỆN TRỞ PHỤ THUỘC ÁNH SÁNG VÀ ĐIỆN TRỞ NHIỆT

1. Điện trở phụ thuộc ánh sáng (điện trở quang)

Điện trở quang là một linh kiện điện tử mà điện trở của nó phụ thuộc mạnh vào ánh sáng.

Nhiệm vụ:

Thực hiện thí nghiệm đơn giản để khảo sát sự thay đổi điện trở của quang điện trở theo cường độ sáng:

Dụng cụ:

• 1 điện trở quang.
• 1 điện thoại có đèn LED và phần mềm đo cường độ sáng.
• 3 đoạn ống có chiều dài L khác nhau.
• 1 đồng hồ vạn năng (sử dụng các đoạn ống là để tránh ánh sáng bên ngoài chiếu vào quang điện trở).

Bố trí thí nghiệm:

Thí nghiệm khảo sát sự phụ thuộc điện trở của điện trở quang vào ánh sáng

1

Tắt đèn và đo điện trở.

2

Bật đèn, đo điện trở, cường độ sáng ứng với 3 khoảng cách L khác nhau và ghi kết quả vào bảng.

Bóng đèn LED có thể được coi là nguồn sáng điểm, do đó cường độ sáng được coi như tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Nếu không có thiết bị đo cường độ sáng thì có thể dựa vào tính chất này để khảo sát định tính sự phụ thuộc của điện trở vào cường độ sáng.

Chú ý:

Từ bảng số liệu vừa lập, có thể vẽ đồ thị sự phụ thuộc của điện trở với cường độ sáng.

Điện trở

Cường độ sáng

Hình 7.6. Sự phụ thuộc của điện trở quang vào cường độ ánh sáng

Câu hỏi (SGK - tr.45)

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

Hình 7.6. Sự phụ thuộc của điện trở quang vào cường độ ánh sáng

Ở vùng có cường độ sáng càng lớn thì tốc độ thay đổi điện trở theo cường độ sáng càng yếu.

KẾT LUẬN

Điện trở giảm theo cường độ sáng không theo quy luật tuyến tính.

2. Điện trở nhiệt

Điện trở nhiệt là một loại linh kiện điện tử mà điện trở của nó thay đổi rõ rệt khi nhiệt độ thay đổi.

Hình 7.7. Điện trở nhiệt

Hình 7.8. Kí hiệu điện trở nhiệt

Hình 7.7. Điện trở nhiệt

Điện trở nhiệt được chia thành hai loại:

Điện trở có hệ số nhiệt âm (NTC)

Điện trở có hệ số nhiệt dương (PTC)

Quan sát đồ thị sự phụ thuộc của điện trở nhiệt NTC vào nhiệt độ:

Điện trở

Nhiệt độ

Hình 7.9. Đồ thị sự phụ thuộc của điện trở nhiệt NTC vào nhiệt độ

Mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của điện trở nhiệt là không tuyến tính.

Câu hỏi (SGK - tr.45)

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?

Trong trường hợp này phải dùng điện trở nhiệt PTC:

Vì khi dòng điện quá cao qua điện trở nhiệt PTC sẽ làm cho nhiệt độ của điện trở này tăng lên cao → điện trở của nó tăng mạnh. Điện trở tăng sẽ làm cho dòng điện qua mạch giảm xuống, do đó có thể tránh cho thiết bị bị hỏng vì dòng điện vượt ngưỡng.

Gợi ý

3. Sử dụng điện trở quang và điện trở nhiệt để làm cảm biến

Chúng ta có thể dùng điện trở quang và điện trở nhiệt để đo cường độ sáng hoặc nhiệt độ được không? Nếu được thì đo bằng cách nào?

Bằng cách đo điện trở rồi quy ra cường độ sáng hoặc nhiệt độ.

Trong ứng dụng thực tế, nhiều khi chúng ta cần một sự biến đổi điện áp hoặc dòng điện để điều khiển các thiết bị. Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để biến sự thay đổi điện trở của cảm biến thành sự thay đổi của điện áp hay dòng điện trong mạch điện?

Đặt vấn đề

Với mạch điện này thì điện áp trên điện trở thay đổi như thế nào khi điện trở của điện trở quang (hoặc điện trở nhiệt) thay đổi?

Có thể vận dụng định luật Ôm để giải thích sự thay đổi điện áp trên điện trở: Khi điện trở Rs thay đổi thì điện áp URS trên nó và điện áp UR trên điện trở R cũng thay đổi theo.

Gợi ý

NHẬN XÉT

Khi ánh sáng (hoặc nhiệt độ) thay đổi sẽ làm điện trở của điện trở quang (hoặc điện trở nhiệt) thay đổi dẫn đến điện áp trên điện trở cũng thay đổi một cách tương ứng. Với mạch điện này, điện trở quang và điện trở nhiệt sẽ hoạt động như một cảm biến vì cứ mỗi một thay đổi của ánh sáng (hoặc nhiệt độ) đều tạo ra một tín hiệu điện.

THẢO LUẬN CẶP ĐÔI

Câu hỏi 1 (SGK - tr.47)

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

Có thể dễ dàng thiết kế mạch điện để biến sự thay đổi điện trở của chúng thành sự thay đổi dòng điện hay điện áp. Nói cách khác, chúng ta có thể biến sự thay đổi tín hiệu ánh sáng hoặc nhiệt độ ở lối vào thành sự thay đổi tín hiệu điện ở lối ra của mạch điện, giống như là một cảm biến ánh sáng và nhiệt độ.

Giải thích:

Điện trở của quang điện trở và điện trở nhiệt có thể thay đổi theo cường độ sáng và nhiệt độ.

Câu hỏi 2 (SGK - tr.47)

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

Điện trở của chúng đều thay đổi một cách không tuyến tính khi có tác động của môi trường thích hợp (cụ thể là ánh sáng và nhiệt độ).

Điện trở của điện trở nhiệt thay đổi mạnh khi có tác động của nhiệt độ trong khi điện trở của điện trở quang chỉ thay đổi mạnh dưới tác động của ánh sáng.

Sự giống nhau cơ bản:

Sự khác nhau cơ bản:

Câu hỏi 3 (SGK - tr.47)

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?

Độ dốc của đường cong là lớn ở vùng ánh sáng yếu (đối với quang điện trở Hình 7.6 ) hoặc nhiệt độ thấp (đối với điện trở nhiệt Hình 7.9). Điều này có nghĩa là sự thay đổi điện trở của các linh kiện trên là mạnh.

Điện trở quang hoạt động tốt trong vùng ánh sáng yếu và điện trở nhiệt hoạt động tốt trong vùng nhiệt độ thấp.

HOẠT ĐỘNG NHÓM

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