Chuyên đề Vật lí 11 Bài 8 (Chân trời sáng tạo): Cảm biến và bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

Giải Chuyên đề Vật lí 11 Bài 8: Cảm biến và bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

Mở đầu trang 42 Chuyên đề Vật Lí 11: 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 ra sao? Nếu tín hiệu từ cảm biến quá nhỏ, không đủ để hệ thống hoạt động thì phải xử lí như thế nào?

Lời giải:

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.

Nếu tín hiệu từ cảm biến quá nhỏ, không đủ để hệ thống hoạt động thì sử dụng thêm bộ khuếch đại để tăng biên độ của điện tín hiệu điện lên nhiều lần. Bộ khuếch đại có ưu điểm không làm thay đổi dạng tín hiệu.

1. Dự án nghiên cứu

Câu hỏi 1 trang 42 Chuyên đề Vật Lí 11: 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.

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

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

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

e) Đóng mở cửa giếng trời.

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

Lời giải:

Tất cả các hoạt động dưới đều có thể sử dụng cảm biến.

a) – sử dụng cảm biến ánh sáng

b) – sử dụng cảm biến lực (người dùng vân tay mở cửa)

c) – sử dụng cảm biến báo cháy

d) – sử dụng cảm biến hồng ngoại báo động

e) – sử dụng cảm biến ánh sáng

f) – sử dụng cảm biến kiểm tra độ ẩm ứng dụng trong nông nghiệp

Dự án trang 42 Chuyên đề Vật Lí 11: * Xây dựng ý tưởng dự án và quyết định chủ đề:

- Mục đích:

Phân loại một số cảm biến theo nguyên tắc hoạt động phạm vi sử dụng và hiệu quả kinh tế (như cảm biến sử dụng điện trở nhiệt, cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng), tìm hiểu một số tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng.

- Vấn đề thực tiễn:

Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay thì việc sử dụng các cảm biến cho các hoạt động diễn ra trong ngôi nhà của chúng ta và một số hoạt động trong cuộc sống là điều tất yếu. Việc lựa chọn cảm biến cho từng mục tiêu cụ thể cũng phải được nghiên cứu kĩ, vừa đảm bảo hoạt động hiệu quả trong từng mạch điện ứng dụng, vừa phù hợp với nhu cầu và khả năng kinh tế của người sử dụng. Hãy thực hiện các hoạt động để cụ thể hoá các mục đích của dự án.

* Lập kế hoạch thực hiện dự án:

– Phân tích các hoạt động trong ngôi nhà hoặc trong cuộc sống có thể sử dụng cảm biến.

– Tìm hiểu các nguồn tài liệu tham khảo về các cảm biến được lựa chọn.

– Thiết lập danh mục các cảm biến được chọn trong đó nêu rõ: chức năng, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng và giá thành tại thời điểm báo cáo dự án với từng loại cảm biến (Bảng 8.1).

– Tìm hiểu sơ đồ nguyên lí hoạt động của cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng và cảm biến sử dụng điện trở nhiệt, nguyên lí hoạt động của các mạch điện có sử dụng bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng.

– Thực hiện 2 video minh hoạ về nguyên tắc hoạt động của cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng và cảm biến sử dụng điện trở nhiệt (Bảng 8.2).

– Thống kê một số ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng trong thực tế tương ứng với từng tính chất cơ bản của nó (Bảng 8.3).

– Xử lí thông tin và điền thông tin vào các Bảng 8.1, 8.2 và 8.3.

* Báo cáo kết quả:

Công bố sản phẩm và báo cáo kết quả thực hiện dự án.

Lời giải:

Học sinh tự thực hiện các hoạt động theo hướng dẫn ở trên và có thể tham khảo bảng báo cáo dưới đây

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

- Phần video các em tự hoàn thiện và điền vào bảng 8.2

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

2. Cảm biến (sensor)

Câu hỏi 2 trang 45 Chuyên đề Vật Lí 11: Vì sao cảm biến khoảng cách sử dụng sóng siêu âm có thể phát hiện được sản phẩm bị móp, méo hoặc nứt trên băng chuyền?

Lời giải:

Vì cảm biến khoảng cách sử dụng tia laser có ưu điểm như vùng đo rộng, độ chính xác cao cỡ milimet, thời gian đo ngắn, đưa ra kết quả chính xác trong phạm vi 0,05 m đến 300 m chỉ trong khoảng thời gian tối đa 0,5 s.

Câu hỏi 3 trang 45 Chuyên đề Vật Lí 11: 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.

Lời giải:

Máy đo tốc độ bằng sóng radio

Trên máy đo tốc độ này có một radar hay còn gọi là hệ thống dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến. Radar phát ra một chùm sóng vô tuyến với tần số hoạt động xác định, theo Autoevolution.

Khi một ôtô tiến vào vùng sóng của radar, ngay lập tức một tín hiệu phản xạ điện từ dội lại. Đồng thời tần số sóng radio cũng thay đổi do khoảng cách tương đối giữa radar và xe thay đổi.

Mức độ tăng hay giảm của tần số sóng radio phụ thuộc vào tốc độ của xe chuyển động trong vùng sóng phát ra từ radar. Nếu tần số tăng, xe đang di chuyển về hướng người cầm máy bắn tốc độ và ngược lại, tần số giảm khi xe di chuyển ra xa người cầm máy. Việc xác định tốc độ của xe dựa vào hiệu ứng vật lý Doppler khi có thể xác định tốc độ chuyển động của một vật nhờ vào sự thay đổi tần số của nguồn sóng phát ra.

Máy đo tốc độ bằng tia laser

Máy đo tốc độ bằng tia laser tính toán thời gian phản hồi của ánh sáng từ lúc phát ra, tiếp xúc với vật thể di chuyển và dội ngược về máy. Loại máy này có thể phát ra chùm sáng trong 0,3 - 0,7 giây và "khóa" mục tiêu trong phạm vi 800 m.

Bằng cách thực hiện thao tác phát ra ánh sáng, thu thập dữ liệu liên tục trong thời gian ngắn, tốc độ của phương tiện đang di chuyển có thể được xác định.

Máy đo tốc độ là công cụ hữu hiệu hỗ trợ cho cảnh sát giúp phát hiện những trường hợp lái xe quá tốc độ quy định. Máy có thể được lắp đặt cố định trên đường, trên xe cảnh sát, di động kiểu cầm tay hoặc cảnh sát có thể ngụy trang khi làm nhiệm vụ.

Câu hỏi 4 trang 47 Chuyên đề Vật Lí 11: Tìm hiểu và trình bày cấu tạo của diode quang trong cảm biến ánh sáng.

Lời giải:

Diode quang là loại diode sử dụng hiệu ứng quang điện để chuyển đổi photon thành điện tích. 

Trên thực tế, diode thu quang được ứng dụng rộng rãi trong các kỹ thuật điện tử, đặc biệt là các thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin, giám sát và điều khiển… Vai trò chủ yếu của chúng là cảm biến một trạng thái nào đó. Ví dụ như nhận biết khi nào giấy trong một khay máy in hết.

Diode quang cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn khác loại (P – N) ghép với nhau (Lớp bán dẫn loại P mỏng hơn lớp bán dẫn loại N) còn loại mới hơn có cấu trúc PIN. Nó được cấu thành từ một số chất bán dẫn và vùng phổ ánh sáng làm việc. Phạm vi ánh sáng có thể nhìn thấy là từ 380 nm đến 780 nm. 

Luyện tập trang 47 Chuyên đề Vật Lí 11: Trong nhà máy sản xuất nước giải khát có ga, để đảm bảo quy tắc an toàn, ta phải kiểm soát được nhiệt độ máy trong quá trình pha chế nguyên liệu, theo dõi lưu lượng và áp suất khí CO2 do máy pha chế đồ uống tạo ra và mực nước giải khát được bơm vào trong chai. Hãy thảo luận nhóm để phân loại các cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, lưu lượng và mức chất lỏng hay rắn trong bình chứa được sử dụng trong công nghiệp theo nguyên tắc hoạt động, phạm vi sử dụng và hiệu quả kinh tế.

Lời giải:

3. Điện trở phụ thuộc ánh sáng

Luyện tập trang 48 Chuyên đề Vật Lí 11: Tìm hiểu sơ đồ và nguyên lí hoạt động của một mạch điện có cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng.

Lời giải:

Sơ đồ mạch điện của thiết bị tự bật đèn khi trời tối và tắt đèn khi trời sáng. Mạch điện này có cảm biến quang điện trở R_s. Con chạy của biến trở R₀ được đặt ở vị trí sao cho điện áp U₀ chỉ nhỏ hơn điện áp U_s lúc trời tối một chút. Như vậy, khi trời tối điện áp U_r ở mức cao, relay sẽ đóng mạch làm cho đèn sáng. Khi trời sáng điện áp U_s sẽ giảm xuống thấp hơn điện áp U₀ do đó điện áp U_r ở mức thấp, relay sẽ ngắt mạch để tắt đèn.

4. Cảm biến sử dụng điện trở nhiệt

Câu hỏi 5 trang 49 Chuyên đề Vật Lí 11: Tìm hiểu một ứng dụng cụ thể của từng loại điện trở nhiệt PTC và NTC.

Lời giải:

Những ứng dụng của điện trở nhiệt PTC trong đời sống

Máy sưởi tự điều chỉnh

Khi có dòng điện chạy qua điện trở nhiệt PTC chuyển mạch, nó sẽ tự động làm ổn định ở một nhiệt độ nhất định. Điều này có nghĩa là nhiệt độ giảm thì điện trở cũng sẽ giảm, cho phép dòng điện chạy qua nhiều hơn để làm nóng thiết bị. Tương tự, nếu nhiệt độ tăng thì điện trở cũng tăng lên, hạn chế dòng điện đi qua thiết bị để làm nguội thiết bị.

Bảo vệ quá tải

Điện trở nhiệt PTC chuyển mạch cũng thường được sử dụng để làm bộ hạn chế quá tải hoặc cầu chì có thể đặt lại trong các mạch khác nhau. Điện trở nhiệt PTC chuyển mạch có thể hoạt động như một cầu chì có khả năng đặt lại tự động. Thông thường, các điện trở nhiệt loại PTC polymer được sử dụng cho ứng dụng này và thường được gọi với nhiều tên khác nhau như polyfuse, polyswitch và multifuse.

Thời gian trễ

Thời gian trễ trong mạch có thể được cung cấp bằng cách sử dụng thời gian cần thiết để điện trở nhiệt PTC đủ nóng, từ đó, nó sẽ chuyển từ trạng thái có điện trở thấp sang trạng thái có điện trở cao và ngược lại. Độ trễ thời gian phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, nhiệt độ môi trường và điện áp mà nó được kết nối, cũng như loại mạch mà nó sử dụng.

Ứng dụng của điện trở nhiệt NTC.

Nhiệt điện trở NTC được sử dụng để bảo vệ và ngắt nhiệt. Chúng được sử dụng rộng rãi trong bảng mạch điện tử. Thực chất, những bảng mạch này có thể là cảm biến nhiệt của nồi cơm điện, điều hòa hoặc cảm biến của tủ lạnh.

Ngoài ra, nhiệt điện trở NTC còn được ứng dụng trong một số lĩnh vực như:

- Đo nhiệt độ và bù nhiệt độ của thiết bị tự động hóa văn phòng. Ví dụ máy in và máy photocopy.

- Đo và kiểm tra nhiệt độ của các thiết bị công nghiệp, y tế, môi trường, dự báo thời tiết, chế biến thực phẩm, v.v.

- Bảo vệ nhiệt độ của pin và bộ sạc pin.

- Bù vòng trong thiết bị, mạch tích hợp và cặp nhiệt điện.

- Nó cũng được sử dụng trong mạch để bảo vệ quá nhiệt trong bộ nguồn.

Câu hỏi 6 trang 49 Chuyên đề Vật Lí 11: Tìm hiểu và trình bày các mạch điện thông dụng có cảm biến sử dụng điện trở nhiệt.

Lời giải:

Mạch điện thông dụng có sử dụng điện trở nhiệt:

Vôn kế được mắc ở lối ra của mạch khuếch đại. Các điện trở R_h và R_v được lựa chọn sao cho điện áp lối ra phù hợp với thang đo của vôn kế. R_t là cảm biến nhiệt điện trở NTC. Với sơ đồ mạch như trên thì ứng với mỗi nhiệt độ của cảm biến sẽ có một điện áp lối ra của mạch khuếch đại. Do góc quay của kim vôn kế tỉ lệ với điện áp nên ứng với mỗi giá trị của nhiệt độ sẽ có một giá trị của góc quay. Ngược lại, khi biết được góc quay của kim vôn kế, chúng ta cũng biết được nhiệt độ của cảm biến.

5. Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

Câu hỏi 7 trang 50 Chuyên đề Vật Lí 11: Phác hoạ đồ thị tín hiệu đầu ra trong trường hợp tín hiệu đầu vào như Hình 8.11a được khuếch đại đảo dùng op-amp.

Lời giải:

Đồ thị tín hiệu đầu ra trong trường hợp tín hiệu đầu vào được khuếch đại đảo dùng op-amp

Luyện tập trang 51 Chuyên đề Vật Lí 11: Một op-amp có hệ số khuếch đại K = 1 000 000 được nối với nguồn một chiều 9 V. Xác định giá trị của U_ra trong các trường hợp U_vào bằng:

a) 4 μV.

b) 4V.

c) -4V.

Lời giải:

Hệ số khuếch đại: $K=\frac{U_{ra}}{U_{vao}}$

a) $K=\frac{U_{ra}}{U_{vao}}\Rightarrow 1000000=\frac{U_{ra}}{{4.10}^{-6}}\Rightarrow U_{ra}=4V$

b) $K=\frac{U_{ra}}{U_{vao}}\Rightarrow 1000000=\frac{U_{ra}}{4}\Rightarrow U_{ra}={4.10}^{6}V$

c) $K=\frac{U_{ra}}{U_{vao}}\Rightarrow 1000000=\frac{U_{ra}}{-4}\Rightarrow U_{ra}=-{4.10}^{6}V$

Bài tập (trang 51)

Bài tập trang 51 Chuyên đề Vật Lí 11: Tìm hiểu và trình bày ứng dụng thực tiễn của một số loại cảm biến như: cảm biến nhiệt độ, cảm biến khói.

Lời giải:

Cảm biến nhiệt

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng cảm nhận sự biến đổi của các đại lượng vật lý không có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) cần đo thành các đại lượng (thường mang tính chất điện) có thể đo và xử lý được.

Một số ví dụ ứng dụng là:

• Ứng dụng công nghiệp: Giám sát máy móc và môi trường khác nhau, nhà máy điện, sản xuất.

• Ứng dụng khoa học và phòng thí nghiệm: Giám sát khoa học và công nghệ sinh học.

• Ứng dụng y tế: Theo dõi bệnh nhân, thiết bị y tế, phân tích khí, ống thông tim pha loãng nhiệt, máy làm ẩm, ống thông khí, nhiệt độ dịch lọc máu.

• Motorsport: Các phép đo khí thải, nhiệt độ không khí đầu vào, nhiệt độ dầu và nhiệt độ động cơ.

• Thiết bị gia dụng: Thiết bị nhà bếp (lò nướng, ấm đun nước, ...).

• Ứng dụng HVAC:  Các thiết bị thông gió sưởi ấm và điều hòa không khí thương mại.

• Transit: Xe tải và xe tải lạnh.

Cảm biến khói

Cảm biến khói là một thiết bị điện tử có khả năng nhận biết và cảnh báo khói, hay các đám cháy. Cảm biến khói thường được lắp đặt trong căn hộ, văn phòng hay các tòa nhà để phát hiện sớm các tai nạn cháy nổ.

Lợi ích khi sử dụng cảm biến khói

- Phát hiện nhanh những rủi ro tiềm ẩn cháy tiềm ẩn trong nhà.

- Báo động giúp giải quyết và xử lý kịp thời hỏa hoạn.

- Phòng chống cháy nổ vì phát hiện sớm đám cháy và báo động để dập.

- Tin tức báo động hỏa hoạn được gửi ngay đến điện thoại cảm ứng gia chủ, giúp nhận thông tin nhanh và khắc phục sự cố.

Xem thêm các bài giải chuyên đề học tập Vật lí lớp 11 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 3: Cường độ trường hấp dẫn

Bài 4: Thế năng hấp dẫn. Thế hấp dẫn

Bài 5: Biến điệu

Bài 6: Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Bài 7: Suy giảm tín hiệu