Electronics for Analytical Instrument Assoc. Prof. Dr. Jaroon Jakmunee Department of Chemistry, Faculty of Science, Chiang Mai University E-mail: jakmunee@gmail.com 1 December 2011

เซนเซอร์แบบต่างๆ ตรวจวัดความเข้มแสง ตรวจวัดความร้อน/อุณหภูมิ ตรวจวัดไอออน ตรวจวัดแก๊ส ตรวจวัดสนามแม่เหล็ก ตรวจวัดความดัน/แรงดัน

Light sensors Light dependent resistor (LDR) Photo diode Photo transistor Light sensor IC Solar cell Photo tube Photo multiplier tube LED as light sensor 3

Light dependent resistor (LDR) ความไวแสงขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นแสง ความเร็วในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนความเข้มแสงจะช้ากว่า photo diode / photo transistor 4

Photo diode Photo diode จะเปลี่ยนแสงไฟเป็นกระแสไฟฟ้า โดยค่ากระแสไฟฟ้าจะแปรผันโดยตรงกับความเข้มแสง กระแสที่ได้ที่ความยาวคลื่นของแสงแตกต่างกันจะไม่เท่ากัน นั่นคือ sensitivity ของไดโอดต่อแสงที่ความยาวคลื่นต่างกันจะไม่เท่ากันดังรูปตัวอย่างเช่น photo diode เช่น เบอร์ BPX65 5

Photo transistor Photo transistor จะเปลี่ยนแสงไฟเป็นกระแสไฟฟ้า และมีการขยายสัญญาณด้วย โดยค่ากระแสไฟฟ้าจะแปรผันโดยตรงกับความเข้มแสง เช่น TR เบอร์ Photo transistor จะตอบสนองต่อแสงที่บางความยาวคลื่นได้มากเป็นพิเศษ เช่น นำมาใช้เป็นตัวรับแสงอินฟาเรดในรีโมทคอนโทรลของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ 6

Light sensor IC มีการนำ Photo diode/transistor มาประกอบกับวงจรขยายสัญญาณ รวมเป็นไอซีซึ่งทำให้การใช้งานง่ายขึ้น และมี sensitivity และ linearity สูงขึ้น เช่นไอซี OPT101 จะให้สัญญาณ voltage output ช่วง 0-5 V ที่แปรผันโดยตรงกับความเข้มแสง 7

Solar cell Solar cell จะเปลี่ยนแสงเป็นกระแสไฟฟ้า ได้เช่นเดียวกัน โดยค่ากระแสไฟฟ้าจะแปรผันโดยตรงกับความเข้มแสง เนื่องจากมีพื้นที่รับแสงขนาดใหญ่จึงสามารถใช้ผลิตไฟฟ้าได้ 8

Photo tube & Photo multiplier tube Photo tube อาศัยหลักการ photoelectric effect นั่นคือแสงจะชนให้อิเล็กตรอนที่ผิวของโลหะบางชนิดหลุดออกมาได้ อิเล็กตรอนดังกล่าวจะเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้น กระแสไฟฟ้าที่ได้แปรผันโดยตรงกับความเข้มแสง โลหะดังกล่าวต้องอยู่ในหลอดสุญญากาศ PMT จะมีการเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนโดยทำการเร่งอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาไปชนกับแผ่นโลหะชิ้นถัดๆ ไปซึ่งมีความต่างศักย์สูงขึ้นตามลำดับ ทำให้สามารถเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนขึ้นอย่างมหาศาล ทำให้วัดกระแสได้มากแม้จะมีแสงตกกระทบน้อยมาก (ให้ sensitivity สูงมาก) 9

LED as light sensor รอยต่อ PN ของ LED สามารถเปลี่ยนแสงเป็นกระแสไฟฟ้าได้ โดยมีความจำเพาะกับความยาวคลื่นแสงที่ LED ให้ออกมา กระแสไฟฟ้าจะแปรผันโดยตรงกับความเข้มแสง แต่จะได้กระแสน้อยเพราะมีพื้นที่รับแสงเล็กมาก มีการนำมาใช้ในเครื่องคัลเลอริมิเตอร์อย่างง่าย 10

เซนเซอร์ตรวจวัดความร้อน/อุณหภูมิ Thermister = Thermo + resistor เป็นตัวต้านทานชนิดหนึ่งที่ความต้านทานจะแปรค่าตามอุณหภูมิ สร้างจากวัสดุที่มีค่า temperature coefficient สูง Thermocouple เป็นอุปกรณ์ที่มีการต่อโลหะ 2 ชนิดเข้าด้วยกัน เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าขึ้นที่รอยต่อ Temperature sensor IC มีการรวมวงจรขยายสัญญาณเข้ากับ thermister ทำให้ได้ sensitivity และ linearity สูงขึ้น เช่นไอซีเบอร์ LM35 เป็นต้น 11

เซนเซอร์ตรวจวัดไอออน Ion selective electrode (ISE) ส่วนใหญ่ใช้หลักการวัดศักย์ไฟฟ้าของเมมเบรนหรือเยื่อแลกเปลี่ยนไอออน เมื่อไอออนเกิดการเกาะจับที่ขั้วไฟฟ้าจะทำให้ความต่างศักย์ของขั้วเปลี่ยนแปลงไป การวัดศักย์ที่เปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยนี้ต้องใช้โวลต์มิเตอร์ที่มีความต้านทานสูงมากๆ เพื่อไม่ให้เกิดการดึงกระแสจากขั้ว 12

เซนเซอร์ตรวจวัดแก๊ส มักจะอาศัยหลักการตรวจวัดความนำไฟฟ้าที่เปลี่ยนไปของสารกึ่งตัวนำบางชนิดเมื่อเกิดการจับกับโมเลกุลของแก๊ส หรือเกิดปฏิกิริยากับแก๊ส เช่น สารประกอบดีบุกออกไซด์ เป็นต้น FIGARO TGS 822 – เป็นเซนเซอร์ชนิดดีบุกออกไซด์ที่ใช้วัดไอระเหยของสารอินทรีย์ เช่น ใช้ตรวจวัดแอลกอฮอล์ในลมหายใจ ซึ่งเซนเซอร์จะมีความนำไฟฟ้าต่ำใน clean air แต่จะนำไฟฟ้าได้สูงขึ้นเมื่อได้รับไอระเหยหรือแก๊ส 13

เซนเซอร์ตรวจวัดสนามแม่เหล็ก การวัดสนามแม่เหล็กจะใช้หลักการ Hall effect UGN3503 magnetic field sensor เป็นไอซีที่รวมเอาหัววัด วงจรขยายสัญญาณ ไว้ด้วยกัน ไอซีจะให้ output voltage 2.5V เมื่อไม่มีสนามแม่เหล็กและโวลต์จะเปลี่ยนแปลง 1.3 mV / Gauss ซึ่งที่ -1000 G (north pole) จะได้ 2.5-1.3 = 1.2 V และที่ -1000 G (south pole) จะได้ output 2.5+1.3 = 3.8 V โดยมี linearity ดีกว่า 0.1% 14

เซนเซอร์ตรวจวัดความดัน/แรงดัน การตรวจวัดความดัน/แรงดันมักใช้วัสดุเพียโซอิเล็กตริก ซึ่งเปลี่ยนแรงกดเป็นกระแสไฟฟ้าได้ เซนเซอร์วัดแรงดันจะเป็นไอซีที่รวมเอาตัววัดและอุปกรณ์ขยายสัญญาณไว้ด้วยกัน เช่น MPX2100AP pressure sensor ซึ่งจะให้ output voltage แปรผันโดยตรงกับแรงดัน โดยวัดได้สูงสุดถึง 100 kPa (ความกดอากาศที่ระดับน้ำทะเล 101.3 kPa) เซนเซอร์นี้สามารถใช้วัดระดับความสูงจากระดับน้ำทะเลได้ 15