Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 11 Cánh diều mới Bài 1: Thiết bị cảm biến và khuếch đại thuật toán
Giải Bài 1: Thiết bị cảm biến và khuếch đại thuật toán sách chuyên đề Vật lí 11 Cánh diều. Phần đáp án chuẩn, hướng dẫn giải chi tiết cho từng bài tập có trong chương trình học của sách giáo khoa. Hi vọng, các em học sinh hiểu và nắm vững kiến thức bài học.
Mở đầu: Ngày nay, các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị cảm biến được dùng phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Ở Hình 1.1, cảm biến nhiệt độ bên trong lồng ấp trứng gà sẽ giúp bộ xử lí điều khiển các thiết bị sưởi ấm và làm mát để giữ nhiệt độ ổn định phù hợp với việc ấp trứng. Lồng ấp trứng giống như một gà mẹ khổng lồ mà sau mỗi lần “ấp ủ” đã cho ra đời hàng trăm chú gà con, giúp nâng cao năng suất ấp trứng gà.
Các cảm biến đã hoạt động theo cách thức như thế nào mà làm được những công việc như vậy?
Hướng dẫn trả lời:
Cảm biến đã hoạt động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ trong lò ấp. Khi nhiệt độ lên cao thì cảm biến thay đổi điện trở, điều chỉnh dòng điện, nhiệt lượng toả ra thay đổi, ngược lại khi nhiệt độ xuống thấp hơn mức cài đặt thì cảm biến lại điều chỉnh dòng điện.
I. Bộ cảm biến
Câu hỏi 1: Nêu đặc tính cơ bản của phần tử cảm biến.
Hướng dẫn trả lời:
Phần tử cảm biến là phần tử có thể phát hiện/ nhận biết và đáp ứng một kích thích của môi trường. Đây là phần quan trọng nhất của một bộ cảm biến. Chức năng của nó là cảm nhận sự biến thiên của yếu tố tác động lên nó (như nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng,..)
II. Phân loại cảm biến
Câu hỏi 2: Lấy ví dụ về thiết bị có sử dụng cảm biến ở nhà của bạn.
Hướng dẫn trả lời:
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: Lấy ví dụ để phân loại các bộ cảm biến theo nguyên tắc hoạt động, hiệu quả kinh tế.
Hướng dẫn trả lời:
Phân loại theo nguyên tắc hoạt động:
- Cảm biến chủ động, ví dụ như cảm biến siêu âm trên các ô tô hiện đại, đèn cảm biến sáng/tối tự động, và cảm biến thụ động ví dụ như cảm biến ánh sáng phát hiện xem có ánh sáng chiếu vào nó hay không.
- Dựa vào cách thức phát hiện tín hiệu được sử dụng trong cảm biến: ví dụ như cách thức phát hiện là điện, hoá học, sinh học, phóng xạ, …
- Dựa vào hiện tượng chuyển đổi, ví dụ như hiện tượng chuyển đổi phổ biến là quang điện, nhiệt điện, …
- Cảm biến tương tự và cảm biến kĩ thuật số, dựa vào tín hiệu đầu ra là tín hiệu liên tục hay hoạt động dưới dạng dữ liệu số.
Phân loại theo hiệu quả kinh tế:
Cùng một loại cảm biến nhưng người ta dựa vào nhu cầu sử dụng, giá cả, tính năng, tuổi thọ, độ tin cậy để lựa chọn. Ví dụ như cùng cảm biến nhiệt độ nhưng có loại có chức năng kết nối từ xa, điều khiển hệ thống, nhưng có những lại chỉ có chức năng hiển thị nhiệt độ là bao nhiêu, không có thêm các tính năng khác.
III. Cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng
Câu hỏi 4: Giá trị điện trở của LDR trong Hình 1.6 thay đổi như thế nào khi cường độ ánh sáng tăng lên?
Hướng dẫn trả lời:
Giá trị của điện trở giảm khi cường độ ánh sáng tăng lên.
Câu hỏi 5: LDR được sử dụng làm một phần tử cảm biến như thế nào?
Hướng dẫn trả lời:
LDR được sử dụng làm một phần tử cảm biến do ánh sáng làm cho điện trở của LDR thay đổi, gián tiếp điều chỉnh điện áp đầu ra, nên có thể dùng LDR để cảm nhận sự biến thiên cường độ ánh sáng, tức là dựa vào sự biến thiên điện trở của LDR để xác định cường độ ánh sáng.
Câu hỏi 6: Vẽ sơ đồ khối thể hiện nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến dùng LDR làm phần tử cảm biến.
Hướng dẫn trả lời:
Sơ đồ khối thể hiện nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến dùng LDR làm phần tử cảm biến.
Câu hỏi 7: Hình 1.8 thể hiện sơ đồ mạch điện của một bộ chia điện thế. Nguồn điện có suất điện động 6,00 V và điện trở trong không đáng kể được mắc nối tiếp với điện trở cố định 120 Ω và biến trở có điện trở thay đổi từ 0 Ω đến 200 Ω. Xác định phạm vi hiệu điện thế có thể có giữa hai đầu điện trở cố định.
Hướng dẫn trả lời:
Khi biến trở có điện trở 0 Ω
thì cường độ dòng điện qua mạch là:
$I=\frac{E}{R+R_{b}}=\frac{6}{120+0}=0,05A$
Hiệu điện thế hai đầu điện trở R là: U = I.R = 6 V
Khi biến trở có điện trở 200 Ω
thì cường độ dòng điện qua mạch là:
$I=\frac{E}{R+R_{b}}=\frac{6}{120+200}=0,02A$
Hiệu điện thế hai đầu điện trở R là: U = I.R = 2,4 V
Phạm vi hiệu điện thế có thể có giữa hai đầu điện trở cố định từ 2,4 V đến 6 V.
IV. Cảm biến sử dụng điện trở nhiệt
Câu hỏi 8: Vẽ sơ đồ mạch điện thể hiện nguyên tắc dùng NTC làm phần tử cảm biến.
Hướng dẫn trả lời:
Sơ đồ mạch điện thể hiện nguyên tắc dùng NTC làm phần tử cảm biến
Luyện tập 1: Trên Hình 1.12, điện trở của điện trở nhiệt NTC thay đổi từ 20 kΩ ở 20°C đến 100 Ω ở 60°C. Tính hiệu điện thế ra Ura giữa hai đầu điện trở nhiệt ở hai nhiệt độ này.
Hướng dẫn trả lời:
Khi điện trở nhiệt có điện trở 20 kΩ thì cường độ dòng điện qua mạch là:
$I=\frac{E}{R+R_{b}}=\frac{10}{1000+20000}=4,8.10^{-4}A$
Hiệu điện thế U$_{ra}$ là: U$_{ra} = I.R_{b} = 4,8.10_{-4}.20000 = 9,6$ V
Khi điện trở nhiệt có điện trở 100 Ω thì cường độ dòng điện qua mạch là:
$I=\frac{E}{R+R_{b}}=\frac{10}{1000+100}\approx 9,1.10^{-3}A$
Hiệu điện thế U$_{ra}$ là: U$_{ra} = I.R_{b} = 9,1.10_{-3}.100 = 0,91$ V
Luyện tập 2: Thay thế điện trở nhiệt trong Hình 1.12 bằng điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR). Hiệu điện thế đầu ra Ura sẽ tăng hay giảm khi LDR được chiếu sáng? Giải thích câu trả lời.
Hướng dẫn trả lời:
Khi LDR được chiếu sáng, điện trở của nó giảm, dẫn đến hiệu điện thế đầu ra giảm.
V. Khuếch đại thuật toán
Câu hỏi 9: Hãy nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng.
Hướng dẫn trả lời:
Tính chất bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng:
- Hệ số khuếch đại của bộ thuật toán lí tưởng bằng vô cùng. Trên thực tế hệ số khuếch đại có thể lên tới vài trăm ngàn. Chính vì vậy, bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng có thể khuếch đại được tín hiệu có biên độ rất nhỏ.
- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng cho phép khuếch đại được tín hiệu có công suất rất nhỏ mà không làm suy giảm tín hiệu do bị tiêu hao năng lượng ở lối vào và dòng điện ở lối ra không bị suy giảm do tiêu hao năng lượng trong mạch khuếch đại khi nó được nối với tải.
- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng hoạt động ở mọi tần số.
- Tín hiệu lối vào khuếch đại thuật toán lí tưởng gần như ngay lập tức được khuếch đại thành tín hiệu lối ra mà không có thời gian trễ.
- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng không gây nhiễu trong quá trình khuếch đại.
Câu hỏi 10: Khi tham quan thực tế, bạn cần chú ý điều gì để giữ an toàn cho bản thân và người khác?
Hướng dẫn trả lời:
Khi tham quan thực tế, bạn cần tuân thủ các quy tắc, nội quy tại nơi tham quan để tránh gây ra các hậu quả như hỏng hóc thiết bị, ảnh hưởng đến sức khoẻ của bản thân và người khác.
Thực hành, khám phá:
1. Mục đích
Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến
2. Nhiệm vụ cần thực hiện
• Quan sát thiết bị.
• Chụp ảnh thiết bị.
• Thu thập thông tin từ người hướng dẫn về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của thiết bị đang tìm hiểu.
3. Báo cáo kết quả
Ghi kết quả tìm hiểu vào Bảng như ví dụ sau:
Bảng kết quả tìm hiểu
| TT | Thiết bị | Chức năng | Công dụng | Ghi chú |
| 1 | Hệ thống điều khiển đèn đường | Tự động bật, tắt đèn | Giảm sự tác động của con người | |
| ? | ? | ? | ? | ? |
Hướng dẫn trả lời:
Các bạn có thể tham khảo bảng dưới đây
TT | Thiết bị | Chức năng | Công dụng | Ghi chú |
1 | Hệ thống điều khiển đèn đường | Tự động bật, tắt đèn | Giảm sự tác động của con người | |
2 | Cảm biến va chạm trên ô tô | Cảnh báo các va chạm có thể xảy ra | Phát hiện các chướng ngại vật xung quanh, giảm thiểu nguy cơ xảy ra va chạm | |
3 | Cảm biến báo cháy | Kích hoạt hệ thống báo cháy, chữa cháy tự động | Phát hiện khói, đám cháy để cảnh báo, kích hoạt hệ thống phun nước chữa cháy tự động |
Vận dụng: Dự án tìm hiểu cảm biến và khuếch đại thuật toán.
1. Thảo luận để trả lời các câu hỏi
• Có thể phân loại cảm biến theo nguyên tắc hoạt động, phạm vi sử dụng, hiệu quả kinh tế bằng những ví dụ cụ thể nào?
• Nguyên tắc hoạt động của điện trở phụ thuộc ánh sáng và của điện trở nhiệt là gì?
• Làm thế nào để chuyển điện trở phụ thuộc ánh sáng và điện trở nhiệt thành phần tử cảm biến trong các bộ cảm biến?
• Tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng là gì?
• Thiết bị cảm biến được ứng dụng như thế nào?
2. Thảo luận, thống nhất nội dung cần tìm hiểu
3. Lập kế hoạch, thực hiện dự án của nhóm
Xác định các nhiệm vụ cần thực hiện để hoàn thành sản phẩm dự án, phân chia nhiệm vụ cho các thành viên trong nhóm; xác định thời hạn hoàn thành, phương tiện khảo sát, thu thập, xử lí thông tin và sản phẩm dự kiến.
4. Thực hiện dự án, báo cáo và thảo luận
• Tiến hành tìm hiểu, thu thập, xử lí thông tin theo kế hoạch và xây dựng sản phẩm trình bày trên lớp.
• Báo cáo về quá trình thực hiện và kết quả dự án tìm hiểu.
Hướng dẫn trả lời:
Các em có thể tham khảo bảng dưới đây để tự hoàn thiện báo cáo của từng cá nhân.
Cảm biến | Nguyên tắc hoạt động | Phạm vi sử dụng | Hiệu quả kinh tế |
Cảm biến đo nhiệt độ | Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị RTD (đầu dò điện trở) hoặc là cặp nhiệt điện giúp đo sự biến đổi về nhiệt độ của vật cần đo. Khi nhiệt độ có sự thay đổi lớn thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu, từ đó các bộ đọc sẽ đọc và quy ra thành một con số cụ thể. | Cảm biến được sử dụng phổ biến nhất là nhiệt kế, được sử dụng để đo nhiệt độ, chất lỏng và chất khí, ứng dụng trong các phòng nghiên cứu khoa học. | Học sinh tìm hiểu thực tế để xem mức độ hiệu quả kinh tế |
Cảm biến đo áp suất | Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện, thường được dùng để đo áp suất hoặc các ứng dụng có liên quan đến áp suất. Nguyên lý hoạt động cảm biến áp suất cũng gần giống như các loại cảm biến khác là cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đưa giá trị về vi xử lý, vi xử lý tín hiệu rồi đưa tín hiệu ra. | - Cảm biến áp suất dùng để đo trong hệ thống lò hơi, thường được đo trực tiếp trên lò hơi. Khu vực này cần đo chính xác khá cao và phải chịu nhiệt độ cao. - Các máy nén khí cũng cần phải đo áp suất để giới hạn áp suất đầu ra, tránh trường hợp quá áp dẫn đến hư hỏng và cháy nổ. - Trên các trạm bơm nước cũng cần cảm biến áp suất để giám sát áp suất đưa về PLC hoặc biến tần để điều khiển bơm nước . - Để điều áp hoặc điều khiển áp suất sau van điều khiển thì cảm biến áp suất đóng vai trò rất quan trọng vì sẽ ảnh hưởng trực tiếp áp suất đầu ra sau van điều khiển. - Trên các xe cẩu thường có các ben thuỷ lực, yêu cầu giám sát các ben thuỷ lực này rất quan trọng vì sẽ ảnh hưởng đến lực kéo của ben. Vì thế họ luôn lắp cảm biến áp suất để giám sát áp suất trên các ben thuỷ lực này. | |
Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lỏng hay rắn trong bình chứa | Cảm biến sẽ phát ra sóng siêu âm truyền trong môi trường cần đo. Sau đó sóng siêu âm sẽ chạm vào bề mặt chất lỏng trong các bể chứa, bồn chứa và phản xạ lại cảm biến. Khi nhận được tín hiệu phản xạ lại cùng với khoảng thời gian và tốc độ thu phát sóng, cảm biến sẽ tính toán được mực nước hiện có trong silo, bể chứa một cách chính xác và nhanh chóng. | Dùng khá rộng rãi trong các nhà máy xử lý nước thải, các khu công nghiệp sản xuất sữa, nước ngọt, nước giải khát. Bên cạnh đó chúng ta cũng có thể bắt gặp chúng ở các nhà máy xử lý nước sinh hoạt. Và đây được xem là một trong những sản phẩm chuyên dùng để đo lường hầu hết các chất lỏng hiện nay. Thậm chí có thể đo lường các chất lỏng nguy hiểm như axit, bazờ và muối. |
Tính chất bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng:
- Hệ số khuếch đại của bộ thuật toán lí tưởng bằng vô cùng. Trên thực tế hệ số khuếch đại có thể lên tới vài trăm ngàn. Chính vì vậy, bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng có thể khuếch đại được tín hiệu có biên độ rất nhỏ.
- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng cho phép khuếch đại được tín hiệu có công suất rất nhỏ mà không làm suy giảm tín hiệu do bị tiêu hao năng lượng ở lối vào và dòng điện ở lối ra không bị suy giảm do tiêu hao năng lượng trong mạch khuếch đại khi nó được nối với tải.
- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng hoạt động ở mọi tần số.
- Tín hiệu lối vào khuếch đại thuật toán lí tưởng gần như ngay lập tức được khuếch đại thành tín hiệu lối ra mà không có thời gian trễ.
- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng không gây nhiễu trong quá trình khuếch đại.