Khám phá cách cảm biến nhận biết môi trường và chuyển các đại lượng vật lí thành tín hiệu điện.
Trình bày được khái niệm cảm biến; phân biệt chuyển đổi trực tiếp và gián tiếp; nhận diện ứng dụng cảm biến trong y tế, môi trường, công nghiệp và nông nghiệp. Mô tả đúng mối liên hệ giữa độ chiếu sáng và điện trở quang, giữa nhiệt độ và điện trở NTC/PTC.
Đọc sơ đồ mạch chia áp, dự đoán sự biến thiên điện áp đo; thao tác mô hình với số liệu có đơn vị; vẽ và phân tích đồ thị; đề xuất quy trình đo, kiểm soát sai số và an toàn khi dùng điện áp thấp.
Cảm biến là thiết bị nhận biết trạng thái hoặc quá trình vật lí, hóa học, sinh học và chuyển thành tín hiệu điện để thu thập thông tin. Cảm biến có thể tạo tín hiệu điện trực tiếp (chẳng hạn cặp nhiệt điện, micro áp điện), hoặc làm thay đổi một đại lượng điện như điện trở; mạch điện tiếp theo mới biến sự thay đổi đó thành điện áp/dòng điện đo được.
Đầu vào là biến thiên của đại lượng cần đo; cảm biến phát sinh tín hiệu điện trực tiếp. Ví dụ: cặp nhiệt điện cho suất điện động phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ hai mối nối.
Đại lượng cần đo làm thay đổi tham số điện. Ví dụ: LDR thay đổi điện trở theo ánh sáng; NTC/PTC thay đổi điện trở theo nhiệt độ; cần mạch kích thích và đo.
Có thể phân loại theo đại lượng đo, nguyên lí hoạt động hoặc nơi dùng: đo SpO₂ trong y tế; độ ẩm đất trong nông nghiệp; nhiệt độ/áp suất trong công nghiệp; khói, bụi và khí trong quan trắc môi trường.
Quang điện trở (LDR): trong điều kiện chiếu sáng phù hợp, ánh sáng mạnh hơn thường làm điện trở giảm; đặc tính phụ thuộc vật liệu, phổ ánh sáng và không tuyến tính. NTC: nhiệt độ tăng thì điện trở giảm. PTC: nhiệt độ tăng thì điện trở tăng trong miền hoạt động xét; nhiều PTC thực có đặc tuyến phi tuyến rất mạnh.
Dùng điện áp và dòng điện đo trên cùng điện trở để xác định điện trở tương đương tại thời điểm đo.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(U\) | Điện áp hai đầu điện trở | V |
| \(I\) | Cường độ dòng điện qua điện trở | A |
| \(R\) | Điện trở | Ω |
Điều kiện áp dụng: Phần tử xét có quan hệ gần tuyến tính U–I tại điều kiện đang khảo sát; không áp dụng máy móc cho mọi linh kiện phi tuyến.
Đầu ra là điện áp trên điện trở cố định mắc phía dưới. Nếu điện trở cảm biến ở phía trên giảm thì điện áp đầu ra tăng.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(U_{\mathrm{ra}}\) | Điện áp đo trên điện trở dưới | V |
| \(U_{\mathrm{nguồn}}\) | Điện áp nguồn một chiều | V |
| \(R_{\mathrm{s}}\) | Điện trở cảm biến | Ω |
| \(R_{\mathrm{f}}\) | Điện trở cố định phía dưới | Ω |
Điều kiện áp dụng: Hai điện trở mắc nối tiếp với nguồn một chiều ổn định; đầu ra coi như không tải; các điện trở dương.
Mô hình thông dụng biểu diễn điện trở NTC giảm khi nhiệt độ tuyệt đối tăng. Tham số B được chọn để minh họa, không đại diện cho mọi linh kiện.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(R(T)\) | Điện trở ở nhiệt độ T | Ω |
| \(R_{25}\) | Điện trở ở 25 °C | Ω |
| \(B\) | Hằng số vật liệu của NTC | K |
| \(T,T_{25}\) | Nhiệt độ tuyệt đối, T₍₂₅₎ = 298,15 K | K |
Điều kiện áp dụng: Mô hình gần đúng trong khoảng nhiệt độ phù hợp với linh kiện; phải đổi °C sang K, không dùng trực tiếp °C trong số mũ.
Phương trình chỉ dùng để minh họa một khoảng nhiệt độ hẹp; PTC bảo vệ quá dòng thực tế có thể thay đổi điện trở rất đột ngột.
| Kí hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị SI |
|---|---|---|
| \(R_{25}\) | Điện trở ở 25 °C | Ω |
| \(\alpha\) | Hệ số nhiệt độ gần đúng | °C⁻¹ |
| \(T_{\circ C}\) | Nhiệt độ tính theo độ C | °C |
Điều kiện áp dụng: Chỉ dùng khi 1 + α(T−25) dương và đặc tuyến gần tuyến tính trong miền xét.
Trước khi kéo thanh điều khiển, hãy dự đoán chiều biến thiên điện trở và điện áp trên điện trở cố định. Các mô hình bên dưới dùng số liệu minh họa; tuyệt đối không dùng để thay thế hiệu chuẩn linh kiện thật.
| STT | Loại | Giá trị vào | R (kΩ) | U ra (V) | I (mA) |
|---|---|---|---|---|---|
| Chưa ghi dữ liệu. | |||||
Mô hình giả định. Với LDR: R = 100/[1+(E/100)^0,7] kΩ; NTC: R₂₅ = 10 kΩ, B = 3950 K; PTC: R₂₅ = 10 kΩ, α = 0,02 °C⁻¹ trong khoảng 0–80 °C. Không phải dữ liệu hiệu chuẩn của linh kiện thật.
Dự đoán: khi tăng ánh sáng, LDR đổi như thế nào? Vì sao điện áp đầu ra của mạch cụ thể này lại tăng?
Thao tác: chọn LDR, đặt 0/100/500 lx, ghi bảng; sau đó chọn NTC rồi PTC, thay đổi nhiệt độ 0–80 °C. Giữ nguyên điện trở dưới và điện áp nguồn để so sánh.
Kết quả mong đợi: LDR và NTC có R giảm khi biến kích thích tăng; PTC trong mô hình có R tăng. Điện áp đầu ra biến thiên ngược với R cảm biến vì cảm biến nằm phía trên.
Giới hạn: không mô phỏng tự phát nóng, sai số dụng cụ, phổ sáng, độ trễ hay hiệu ứng tải đầu ra. Kết luận: tín hiệu đo phụ thuộc đồng thời đặc tính cảm biến và mạch điều hòa.
Chọn thiết bị trực tiếp nhận biết biến đổi từ môi trường và tạo ra/biến đổi tham số tín hiệu điện:
Dự đoán: thiết bị nào là cảm biến, thiết bị nào chủ yếu để xử lí hoặc phát tín hiệu?
Thao tác: chọn từng ví dụ, giải thích mối liên hệ giữa đầu vào và tín hiệu điện.
Kết luận: micro, LDR và NTC là cảm biến; bộ khuếch đại chỉ khuếch đại tín hiệu, loa là thiết bị đầu ra biến tín hiệu điện thành âm thanh.
Dụng cụ: nguồn một chiều an toàn 3–5 V, LDR hoặc NTC, điện trở 10 kΩ, đồng hồ đo điện áp, dây nối, bảng kiểm an toàn. Không dùng điện lưới hoặc nguồn chưa được kiểm tra.
Dự đoán: điện áp trên điện trở 10 kΩ khi che LDR và khi chiếu sáng thay đổi ra sao?
Tiến hành: giáo viên kiểm tra mạch trước khi cấp nguồn. Mắc cảm biến phía trên, điện trở 10 kΩ phía dưới, đo \(U_{\mathrm{ra}}\) trên điện trở phía dưới. Thay đổi điều kiện, ghi ít nhất 5 cặp số liệu, ước lượng sai số đồng hồ và vẽ \(U_{\mathrm{ra}}\) theo điều kiện.
Kết quả – giới hạn: so sánh xu hướng thay vì ép dữ liệu thực trùng mô phỏng. Độ chiếu sáng đo bằng lux nếu có thiết bị; nếu không, ghi mức sáng định tính và tránh suy ra số lux.
Câu hỏi: nếu đổi chỗ LDR và điện trở 10 kΩ, tại sao điện áp trên điện trở dưới có xu hướng đảo chiều so với trước?
8 câu ABCD (2đ) · 4 câu Đúng/Sai (4đ) · 8 trả lời ngắn (2đ) · 2 tự luận (2đ). Chỉ tự động chấm 8/10 điểm đầu.
Chạm vào sơ đồ để phóng to, hoặc mở danh sách để hệ thống hóa khái niệm, đặc tuyến và cách đo.
Một cảm biến không tạo ra dữ liệu đúng vô điều kiện: cần xác định dải đo, độ nhạy, thời gian đáp ứng, độ không đảm bảo đo và hiệu chuẩn. Nhiều hệ thống còn có mạch lọc, chuyển đổi ADC và thuật toán hiệu chỉnh trước khi đưa ra quyết định.
Nguồn đối chiếu: SGK Chuyên đề học tập Vật lí 11 – Kết nối tri thức, Bài 7 (tr. 43–47); nguyên tắc điện trở nhiệt và chia áp. Mô hình tính toán trong bài do HAT biên soạn, không trích dữ liệu hãng linh kiện.