Chuyên đề Vật lí 11 Bài 7 (Kết nối tri thức): Cảm biến

Giải Chuyên đề Vật lí 11 Bài 7: Cảm biến

Khởi động trang 43 Chuyên đề Vật Lí 11: Con người cảm nhận sự vật thông qua các giác quan. Tuy nhiên, có những vật chất mà chúng ta không thể nhận biết được bằng các giác quan. Vậy làm thế nào để biết được sự tồn tại của những dạng vật chất này?

Lời giải:

Để nhận biết được sự tồn tại của những dạng vật chất này ta dùng các loại cảm biến.

I. Khái niệm và phân loại cảm biến

Câu hỏi 1 trang 44 Chuyên đề Vật Lí 11: Để phát thanh, người ta dùng máy tăng âm, bộ loa và micro. Trong ba thiết bị đó, thiết bị nào được gọi là cảm biến? Tại sao?

Lời giải:

Micro được gọi là cảm biến vì micro biến đổi tín hiệu đầu vào (giọng nói) thành tín hiệu điện sau đó được đưa qua bộ tăng âm mới đưa ra loa (chuyển tín hiệu điện thành giọng nói).

Câu hỏi 2 trang 44 Chuyên đề Vật Lí 11: Hãy kể tên một số thiết bị, vật dụng có sử dụng cảm biến mà em biết.

Lời giải:

Một số thiết bị, vật dụng có sử dụng cảm biến

- Nhiệt kế hồng ngoại

- Cảm biến báo cháy

- Cảm biến vị trí trục cam (ô tô)

Câu hỏi 3 trang 44 Chuyên đề Vật Lí 11: Hãy nêu sự khác nhau giữa cảm biến biến đổi trực tiếp và gián tiếp các dạng tín hiệu thành tín hiệu điện.

Lời giải:

Sự khác nhau: ở 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.

Câu hỏi 4 trang 44 Chuyên đề Vật Lí 11: Hãy nêu ví dụ về ứng dụng của cảm biến trong một lĩnh vực khoa học hay cuộc sống mà em biết.

Lời giải:

Cảm biến siêu âm là thiết bị điện tử đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó âm thanh phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Theo đó, bộ phát của cảm biến có khả năng tạo ra âm thanh nhờ sử dụng tinh thể áp điện. Còn bộ thu có vai trò tiếp nhận âm thanh đến và đi từ các vị trí khác nhau.

Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình cho và nhận, có nghĩa là hệ thống cảm biến sẽ liên tục phát ra các sóng âm thanh ngắn với tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền mạnh. Khi các sóng âm này gặp phải vật cản là chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản hồi. Sau cùng, thiết bị cảm biến sẽ tiếp nhận, phân tích và xác định chính xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.

Ứng dụng trên xe ô tô

Trên ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm được gắn vào đầu và đuôi xe để đo khoảng cách và báo hiệu khi xe di chuyển gần đến các vật cản. Cụ thể, khi sử dụng, thiết bị này sẽ tạo ra các tia sóng hình nón để đo khoảng cách giữa các phương tiện hoặc chướng ngại vật đang đứng yên hay di chuyển. Quá trình này chỉ mất khoảng 1/1000 giây theo thời gian thực, nhờ đó người sử dụng có thể nhanh chóng phát hiện các vật cản xung quanh xe ô tô và kịp thời xử lý tình huống, tránh xảy ra va chạm.

Khi phát hiện ra chướng ngại vật, hệ thống sẽ gửi cho người lái cảnh báo âm thanh, hình ảnh kèm vạch màu xác định khoảng cách cũng như vị trí giữa xe đến vật cản. 

Ứng dụng cảm biến siêu âm để phát hiện các vật cản cho xe ô tô

Ngoài ngành công nghiệp ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như:

- Công nghiệp sản xuất: Thiết bị cảm biến ứng dụng trực tiếp trong quá trình phát hiện các hư hỏng của sản phẩm hay dùng để xác định kích thước và đo mức nhiên liệu của chất rắn.

- Cảm biến vân tay: Cảm biến này hoạt động bằng cách thu lại sóng âm được phản hồi lại từ làn da của người dùng. Khi người dùng đặt tay lên màn hình điện thoại, sóng siêu âm sẽ phát ra. Con chip thông minh trong điện thoại sẽ dựa vào các sóng siêu âm được phản xạ lại để vẽ dấu vân tay bằng hình ảnh 3D.

- Đo mức nước: Người dùng sẽ đặt thiết bị cảm biến siêu âm bên trên các bồn chứa để điều khiển hoặc báo động mức nước khi vượt cao hơn mức cho phép. Nhờ thiết bị này, người sử dụng vẫn có thể đo được các loại chất lỏng có tính chất ăn mòn mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp.

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

Câu hỏi trang 45 Chuyên đề Vật Lí 11: Từ Hình 7.6, hãy nhận xét về mức độ thay đổi điện trở của điện trở quang theo cường độ sáng.

Lời giải:

Khi cường độ sáng tăng, điện trở của điện trở quang giảm, thiết bị sẽ dẫn điện tốt hơn.

Câu hỏi trang 46 Chuyên đề Vật Lí 11: 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?

Lời giải:

Điện trở PTC được dùng cho mục đích trên vì khi nhiệt độ tăng, điện trở của cảm biến PTC tăng theo làm cho dòng điện qua các thiết bị giảm, khi đó nó sẽ bảo vệ được các thiết bị điện.

Câu hỏi 1 trang 47 Chuyên đề Vật Lí 11: Tại sao điện trở quang và điện trở nhiệt lại có thể được sử dụng để làm cảm biến?

Lời giải:

Vì các linh kiện này chỉ tạo ra sự thay đổi điện trở khi có ánh sáng chiếu vào (đối với điện trở quang) hoặc có sự thay đổi nhiệt độ (đối với điện trở nhiệt) trong khi các mạch điện có sử dụng cảm biến lại cần tín hiệu điện áp để đo lường hay điều khiển các thiết bị. Chính vì vậy, ta cần một mạch điện để biến sự thay đổi điện trở thành sự thay đổi điện áp.

Câu hỏi 2 trang 47 Chuyên đề Vật Lí 11: Phân biệt sự giống nhau và khác nhau giữa điện trở quang và điện trở nhiệt.

Lời giải:

Câu hỏi 3 trang 47 Chuyên đề Vật Lí 11: 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?

Lời giải:

- Nhiệt điện trở NTC là điện trở có hệ số nhiệt độ âm và phạm vi nhiệt độ hoạt động của NTC dao động trong khoảng từ −55 ° C đến 200 ° C.

Hoạt động trang 47 Chuyên đề Vật Lí 11: Thực hiện dự án tìm hiểu về cảm biến theo các bước sau:

Bước 1: Xác định nhiệm vụ: Tìm hiểu về phân loại và nguyên tắc hoạt động của các loại cảm biến hiện nay.

Bước 2: Xác định hình thức báo cáo kết quả tìm hiểu được về các loại cảm biến, nguyên tắc hoạt động của cảm biến.

Bước 3: Xây dựng kế hoạch và thời gian thực hiện việc tìm hiểu về cảm biến và nguyên tắc hoạt động của chúng.

Bước 4: Thống nhất tiêu chí đánh giá dự án đảm bảo nêu được các cách phân loại cảm biến, nguyên tắc hoạt động của điện trở quang và điện trở nhiệt.

Bước 5: Thực hiện theo kế hoạch đã đề ra để hoàn thành sản phẩm trong đó, nêu ứng dụng của thiết bị cảm biến và nguyên tắc hoạt động của chúng.

Bước 6: Báo cáo và đánh giá dự án đã thực hiện.

Lời giải:

Các em có thể tham khảo bài viết sau về cảm biến để tiến hành làm báo cáo theo các bước đã được hướng dẫn ở trên.

Cảm biến là một thiết bị phát hiện và phản hồi một số loại đầu vào từ môi trường vật lý. Đầu vào cụ thể có thể là ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất hoặc bất kỳ một trong số rất nhiều hiện tượng môi trường khác.

Các loại cảm biến khác nhau

Sau đây là danh sách các loại cảm biến khác nhau thường được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Tất cả các cảm biến này được sử dụng để đo một trong các tính chất vật lý như nhiệt độ, điện trở, điện dung, dẫn nhiệt, truyền nhiệt, ... Các loại cảm biến:

- nhiệt độ

- tiệm cận

- tốc độ

- gia tốc

- hồng ngoại (Cảm biến hồng ngoại)

- áp suất

- ánh sáng

- sóng siêu âm

- khói, khí và rượu

- lực

- màu

- độ ẩm

- độ nghiêng

- lưu lượng và mức

Cảm biến nhiệt độ

Một trong những cảm biến phổ biến và phổ biến nhất là Cảm biến nhiệt độ. Một cảm biến nhiệt độ, như tên cho thấy, cảm nhận nhiệt độ tức là nó đo các thay đổi về nhiệt độ.

Cảm biến tiệm cận là loại cảm biến không tiếp xúc phát hiện sự hiện diện của vật thể. Cảm biến tiệm cận có thể được thực hiện bằng các kỹ thuật khác nhau như quang học (như hồng ngoại hoặc Laser), siêu âm, hiệu ứng Hall, điện dung, ...

Cảm biến hồng ngoại hoặc cảm biến hồng ngoại là cảm biến dựa trên ánh sáng được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như phát hiện gần và phát hiện đối tượng. Cảm biến hồng ngoại được sử dụng làm cảm biến tiệm cận trong hầu hết các điện thoại di động.

Cảm biến siêu âm là một thiết bị loại không tiếp xúc có thể được sử dụng để đo khoảng cách cũng như vận tốc của vật thể. Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên tính chất của sóng âm với tần số lớn hơn tần số âm thanh của con người.

Xem thêm lời giải bài tập Chuyên đề Vật lí lớp 11 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 3: Thế hấp dẫn và thế năng hấp dẫn

Bài 4: Biến điệu

Bài 5: Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Bài 6: Suy giảm tín hiệu

Bài 8: Bộ khuếch đại thuật toán và thiết bị đầu ra