Tải bản đầy đủ (.pdf) (81 trang)

Phân tích độ mặn dùng cảm biến quang không tiếp xúc

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.57 MB, 81 trang )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN VIỄN THƠNG
0

LUẬN VĂN THẠC SỸ
NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG

Tên

PHÂN TÍCH ĐỘ MẶN DÙNG CẢM BIẾN
QUANG KHÔNG TIẾP XÚC

GVHD: TS PHẠM QUANG THÁI
HVTH: PHẠM NHẬT QUANG - 13461245

TP. HCM - 06/2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Số:________/BKĐT
KHOA:
BỘ MÔN:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP


Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV
Họ và tên: Phạm Nhật Quang. MSHV: 13461245 .
Ngành: Kỹ thuật viễn thơng. Lớp : Khóa 2013 đợt 2.
I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích độ mặn dùng cảm biến quang không tiếp xúc.
Salinity analysis using non-contact optical sensor.
II. NHIỆM VỤ :
Đo đạc và đánh giá sự thay đổi quang phổ của nước muối ở các nồng độ khác
nhau. Thiết lập phương trình tính tốn ước lượng độ mặn.
III. CÁC KẾT QUẢ DỰ KIẾN:
Hiện thực hóa thiết bị đo độ mặn dùng cảm biến quang không tiếp xúc.
Kiểm chứng thiết bị bằng đo đạc thực nghiệm.
Yêu cầu tầm đo từ 5-30 phần nghìn, với sai số 1 phần nghìn.
IV. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……………………….
V. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 6/2017
VI. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Thầy TS Phạm Quang Thái.

Tp. HCM, ngày .... tháng .... năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN.
Người duyệt (Chấm sơ bộ) :….…………………………………………………..
Ngày bảo vệ:……………………………………………………………………….
Điểm tổng kết:……………………………………………………………………..
Nơi lưu trữ luận án:……………………………………………………………….



CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM QUANG THÁI
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. VÕ QUẾ SƠN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. HUỲNH HỮU THUẬN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp.HCM ngày 06 tháng 07 năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS. Đỗ Hồng Tuấn
2. PGS.TS Hồ Văn Khương
3. TS. Võ Quế Sơn
4. TS. Huỳnh Hữu Thuận
5. TS. Nguyễn Minh Sơn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản
lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
Chủ Tịch Hội đồng

Trưởng Khoa Điện – Điện Tử


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới
thầy, TS. Phạm Quang Thái đã tận tình hướng dẫn, hướng cho em những hướng đi
đúng đắn, đi tắt đón đầu, cập nhật được công nghệ mới hiện tại của thế giới. Thầy
đã rèn luyện cho em cách làm việc, tư duy khoa học, tính tự lập trong cơng việc,
làm chủ thời gian, cách tìm tài liệu, cách nghiên cứu chuyên nghiệp bắt kịp với
trình độ khoa học của thế giới. Tất cả những điều này sẽ là động lực cho em có thể
phấn đấu, nỗ lực vượt qua mọi khó khăn hoàn thành tốt mục tiêu đã đặt ra trong
luận văn tốt nghiệp sắp tới.
Xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến tập thể giảng viên trường Đại học
Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, thầy cơ đã truyền cho tơi nguồn tri thức q
báo trong suốt q trình học tập tại trường.
Cuối cùng em xin cám ơn cha mẹ, bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo
điều kiện, hỗ trợ tinh thần cho em trong suốt

Lời cảm ơn

Trang i

thời gian vừa qua.


HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

TĨM TẮT NỘI DUNG THỰC HIỆN
Phân tích quang phổ hoá học là một trong những phương pháp phân tích phổ
biến và quan trọng để xác định định tính cũng như định lượng các nguyên tố, các
hợp chất trong nhiều đối tượng phân tích khác nhau, ví như: để kiểm tra các q
trình sản xuất trong cơng nghiệp hóa học, cơng nghiệp luyện kim, để nghiên cứu địa
chất, nghiên cứu sinh học, y học, khống vật học…
Phân tích quang phổ hố học là một kỹ thuật khơng phá hủy, khơng tốn kém
và nhanh chóng cho dự đốn nồng độ muối trong nước. Phương pháp hóa học thơng
thường thường được sử dụng, rất chính xác nhưng mất thời gian hơn và yêu cầu kỹ
thuật đặc biệt để lấy mẫu, lưu trữ và tiền xử lý nước thải. Nghiên cứu các đặc tính
quang phổ của nước và ảnh hưởng của muối trên nhiễu loạn trong dải hấp thụ nước.
Các dấu hiệu phổ thu được tại chỗ và trong phịng thí nghiệm bằng cách sử dụng
thiết bị đo bức xạ quang cầm tay với độ phân giải cao.
Các mơ hình dự báo [1] cho thấy độ chính xác cao trong việc ước lượng độ
mặn trong nước với hệ số xác định 89,6% và độ lệch chuẩn thấp là 0,12 ‰. Nguyên
nhân gây ra sự biến dạng của các dải hấp thụ nước ở các bước sóng dưới 900 nm
hoặc gần vùng nhìn thấy được sẽ thấp hơn các kết quả phân tích quang phổ cho thấy
các biến dạng trong quang phổ của nước ở bước sóng cao hơn (> 1.000 nm)[1]. Tuy
nhiên theo như độ hấp thụ của muối thì nó có sự thay đổi rõ rệt, đặc biệt là muối
NaCl[5]. Cùng với kết quả đạt được trong thí nghiệm và tính tốn có thể nhận xét
về tính khả thi của việc sử dụng cảm biến quang không tiếp xúc để đo kiểm độ mặn
của


nước

Tóm tắt nội dung thực hiện

với

sai

Trang ii

số

1‰.

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................i 
TÓM TẮT NỘI DUNG THỰC HIỆN ........................................................ ii 
MỤC LỤC ..................................................................................................... iii 
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................. v 
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ......................................................................... vii 
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................ viii 
CHƯƠNG 1 ..................................................................................................... 1 
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI.............................................................................. 1 
1.1 


Đặt vấn đề và hướng giải quyết ........................................................... 1 

1.2 

Mục đích nghiên cứu ............................................................................ 3 

1.3 

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................... 3 

1.4 

Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 4 

CHƯƠNG 2 ..................................................................................................... 5 
LÝ THUYẾT LIÊN QUAN............................................................................. 5 
2.1. Sự hấp thụ ánh sáng ................................................................................. 5 
2.1.1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng ............................................................... 5 
2.1.2. Giải thích theo quan điểm cổ điển ....................................................... 5 
2.1.3. Những định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng .............................. 6 
2.2. Quang phổ kế quang học ......................................................................... 8 
2.2.1. Các loại quang phổ kế[2] .................................................................... 10 
2.2.2. Chi tiết các linh kiện quang phổ kế[2] ............................................... 14 
2.3. Cảm biến quang không tiếp xúc Hamamatsu[4] ................................. 16 
2.3.1. Cấu tạo cơ bản của một cảm biến quang không tiếp xúc ................ 17 
2.3.2. Cấu hình cảm biến quang khơng tiếp xúc ......................................... 18 
2.3.2. Đặc điểm cảm biến quang không tiếp xúc......................................... 30 

Mục lục


Trang iii

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang Thái

2.4. Đèn halogen ............................................................................................. 35 
2.4.1. Cấu tạo bóng đèn halogen................................................................... 35 
2.4.2. Chu kỳ tái tạo khí halogen .................................................................. 36 
2.4.3. Đặc tính quang phổ đèn halogen ........................................................ 37 
2.5. Phương pháp hồi quy thành phần chính PCR[5] ................................ 38 
CHƯƠNG 3 ................................................................................................... 40 
PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN, GIẢI PHÁP VÀ KẾT QUẢ...................... 40 
3.1. Phương pháp đo và xử lý dữ liệu .......................................................... 40 
3.1.1.Sơ đồ khối tổng quát ............................................................................ 40 
3.1.2. Các bước đo và xử lý dữ liệu .............................................................. 42 
3.1.2.Lưu đồ giải thuật .................................................................................. 44 
3.2. Kết quả đo nồng độ chuẩn và kết quả đo ước lượng độ mặn. ............ 45 
3.2.1.Kết quả đo nồng độ chuẩn ................................................................... 45 
3.2.2. Kết quả đo ước lượng nồng độ muối. ................................................ 49 
CHƯƠNG 4 ................................................................................................... 52 
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 52 
4.1. Kết luận ................................................................................................... 52 
4.2. Hướng phát triển luận văn. ................................................................... 52 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 53 
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 54 

Mục lục


Trang iv

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2. 1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng ..................................................................... 5 
Hình 2. 2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ C .......... 8 
Hình 2. 3: Cấu hình quang phổ kế rời rạc. ................................................................10 
Hình 2. 4: Cấu hình quang phổ kế chùm đơn a,b......................................................11 
Hình 2. 5: Cấu hình quang phổ kế chùm đơi ............................................................12 
Hình 2. 6: Cấu hình quang phổ kế giao thoa.............................................................13 
Hình 2. 7: Cấu hình quang phổ kế mở đường ...........................................................14 
Hình 2. 8: Sơ đồ các thành phần quang học trong cảm biến.....................................17 
Hình 2. 9: Cấu hình cảm biến quang khơng tiếp xúc ................................................18 
Hình 2. 10: Xác định bước sóng trung tâm của một đường quang phổ bởi xấp xỉ
chức năng Gaussian...................................................................................................20 
Hình 2. 11: Các giá trị trong phương trình cách tử nhiễu xạ ....................................21 
Hình 2. 12: Hiệu quả nhiễu xạ của 2 dòng C11482GA, C9913GC và C9914GB ....22 
Hình 2. 13: Biểu đồ thời gian của phương pháp tích hợp chuỗi thời gian ................24 
Hình 2. 14: Sự khác nhau của phương pháp tích thời gian và phương pháp tích hợp
đồng thời ...................................................................................................................24 
Hình 2. 15: Biểu đồ thời gian của phương pháp tích hợp đồng thời.........................25 
Hình 2. 16: Chế độ hoạt động bình thường cảm biến ánh sáng ................................26 
Hình 2. 17: Dữ liệu đo đồng bộ với ngõ vào kích hoạt.............................................27 
Hình 2. 18: Dữ liệu đo đồng bộ với ngõ ra kích hoạt ...............................................27 

Hình 2. 19: Sơ đồ khối mạch điều khiển ...................................................................29 
Hình 2. 20: Độ phân giải theo tiêu chuẩn Rayleigh và FWHM ................................31 
Hình 2. 21: Mối liên hệ độ phân giải quang phổ (Spectral resolution) với bước sóng
(Wavelength) của dịng C12880MA .........................................................................31 
Hình 2. 22: Định nghĩa Tl và Th ...............................................................................33 
Hình 2. 23: Đo ánh sáng phân tán sử dụng phổ vạch(C11482GA) ..........................34 
Hình 2. 24: Cấu tạo đèn halogen ...............................................................................36 
Hình 2. 25: Chu kỳ tái tạo halogen ...........................................................................37 

Danh sách hình vẽ

Trang v

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

Hình 2. 26: Quang phổ của đèn halogen. ..................................................................38 
Hình 3. 1: Sơ đồ khối tổng quát ................................................................................40 
Hình 3. 2: Hình ảnh thực tế cảm biến quang khơng tiếp xúc C12880MA ...............41 
Hình 3. 3: Chi tiết bo mạch điều khiển: C13016-1 và bo mạch cảm biến: C13016-02
...................................................................................................................................42 
Hình 3. 4: Thiết lập thơng số đo................................................................................43 
Hình 3. 5: Lưu đồ giải thuật ......................................................................................44 
Hình 3. 6: Mối quan hệ giữa nồng độ muối đã trừ nước cất với bước sóng. ............45 
Hình 3. 7: Phổ hấp thụ của muối NaCl và các chất khác ..........................................46 
Hình 3. 8: Giá trị vector riêng của 4 thành phần chính .............................................47 
Hình 3. 9: Giá trị phần trăm các trọng số của 4 thành phần chính............................47 

Hình 3. 10: Sơ đồ phân bố hệ số ma trận tải của thành phần chính thứ nhất............48 
Hình 3. 11: Sơ đồ phân bố hệ số ma trận tải của thành phần chính thứ nhất............48 
Hình 3. 12: Sơ đồ phân bố hệ số ma trận tải của thành phần chính thứ ba ...............48 
Hình 3. 13: Sơ đồ phân bố hệ số ma trận tải của thành phần chính thứ tư ...............49 

Danh sách hình vẽ

Trang vi

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Khẩu độ của dòng cảm biến quang C10082CA/C10083C ......................19 

Bảng 3. 1: Nồng độ muối ước lượng khi đo thực tế………………………………. 50 

Danh sách bảng biểu

Trang vii

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang Thái

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT


NIR

Near-Infrared

Gần hồng ngoại

PDA

Photodiode Array

Mảng Photodiode

FWHM

Full width at half maximum

Chuẩn độ rộng đỉnh

MEMS

Microelectromechanical systems Hệ thống vi cơ điện tử

PCR

Principal components regression Hồi quy thành phần chính

PCA

Principal components analysis


Phân tích thành phần chính

MLR

Multiple linear regression

Hồi quy tuyến tính đa biến

Danh sách các từ viết tắt

Trang viii

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang Thái

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề và hướng giải quyết
Chúng ta biết rằng, biển và đại dương chiếm khoảng 75% bề mặt hành tinh
chúng ta, 25% mặt đất bị mặn, còn 1/3 đất canh tác được tưới nước trên tồn thế
giới tích tụ muối do kém tiêu nước. Việc dư thừa muối trong đất đã làm tăng áp suất
thẩm thấu của dung dịch đất. Cây lấy được nước và chất khoáng từ đất khi nồng độ
muối tan trong đất nhỏ hơn nồng độ dịch bào của rễ, tức áp suất thẩm thấu và sức
hút nước của rễ cây phải lớn hơn áp suất thẩm thấu và sức hút nước của đất. Nếu độ
mặn của đất tăng cao đến mức sức hút nước của đất vượt quá sức hút nước của rễ
thì chẳng những cây khơng lấy được nước trong đất mà cịn mất nước vào đất. Cây
không hấp thu được nước nhưng quá trình thốt hơi nước của lá vẫn diễn ra bình

thường làm mất cân bằng nước gây nên hạn sinh lý. Sự ức chế sinh trưởng của cây
khi bị mặn là đặc trưng rõ rệt nhất. Trong đất mặn, các thực vật kém chịu mặn
ngừng sinh trưởng do các chức năng sinh lý bị kìm hãm. Nồng độ muối càng cao thì
kìm hãm sinh trưởng càng mạnh. Ngồi ra độ mặn của nước ảnh hưởng rất lớn đến
quá trình sinh trưởng và năng suất của thuỷ hải sản.
Độ mặn của nước là một trong những thông số quan trọng nhất trong hải
dương học. Trong thực tế, các trạng thái cơ bản của một khối lượng nước như cơ
cấu di chuyển nhiệt năng và sự hịa tan nước có thể được nghiên cứu bởi các mối
tương quan của độ mặn, nhiệt độ và độ sâu. Hơn nữa, sự phân bố của các sinh vật
biển bị ảnh hưởng mạnh bởi sự thay đổi độ mặn và các thông số khác tùy thuộc vào
những thay đổi này. Ví dụ, độ hịa tan oxy phụ thuộc vào nhiệt độ và độ mặn, ảnh
hưởng đến sản xuất và phân bố của cây và động vật. Như vậy, trong các hóa chất và
định lượng sinh học của môi trường biển, độ mặn kết hợp với nhiệt độ, oxy hịa tan,
mật độ, pH, oxy hóa khử…, là tham số không thể thiếu. Ngày nay, một số phương
pháp được sử dụng để xác định độ mặn trong nước trên cơ sở kỹ thuật đo chuẩn độ,
độ dẫn và mật độ. Thiết lập Mohr Knudsen và phương pháp dẫn hiện nay là sử dụng

Chương 1: Tổng quan về đề tài
Quang

Trang 1

HVTH: Phạm Nhật


GVHD: TS Phạm Quang Thái

phổ biến nhất. Đầu tiên là độ nhạy và chính xác, đạt sai số chuẩn của ±0.01 phần
nghìn (0/00).
Tuy nhiên, những phương pháp trên có những bất lợi là tốn thời gian và thủ

tục liên quan, mà làm cho nó chỉ thích hợp để phân tích trong phịng thí nghiệm.
Các phương pháp dẫn là nhanh hơn và chính xác hơn (sai số chuẩn của 0.0010/00) và
có thể được sử dụng hoặc trong phịng thí nghiệm hoặc trong phân tích di dộng,
nhưng nó có một số nhược điểm khi hiệu chuẩn như trễ, thay đổi áp lực gây ra, trơi
đường cơ sở và khó khăn trong việc thích nghi được cho những phát hiện nhỏ. Để
khắc phục những vấn đề này và để có được phương pháp phù hợp để theo dõi liên
tục, các nhà nghiên cứu đã khảo sát các phương pháp quang học khác nhau như kỹ
thuật thay thế do sự sẵn có của các cảm biến quang.
Các đặc tính quang phổ của muối trong dung dịch nước là đặc tính vật lý duy
nhất của các phân tử mà có thể được sử dụng để xác định, định lượng hoặc phát
hiện các thành phần trong các mẫu phức tạp như nước. Các tính chất phổ của nước
ở dạng lỏng cũng được biết đến và nhiều tính chất hóa học và vật lý của chúng được
xác định chủ yếu bởi các rung động của các liên kết hóa trị của hydro trong dung
dịch nước các hoạt động quang phổ của các phân tử trong vùng NIR được biểu hiện
như nhiễu loạn trong dải hấp thụ nước được gây ra bởi sự gia tăng nồng độ các ion;
những nhiễu loạn đã được sử dụng để ước tính số lượng của chúng trong nước tinh
khiết và tương tác với các giải pháp khác bao gồm trong các hệ thống sinh học.
Các mơ hình và cường độ của nhiễu loạn trong dải hấp thụ nước được xác
định bởi các loại ion và nồng độ; nồng độ cao của các muối gây nhiễu loạn cao và
ngược lại. Trong nước nồng độ của các ion là cao hơn so với ở các vùng nước tự
nhiên; các ion chính trong biển nước phân tích là canxi, natri, kali, magiê, clorua,
sunfat và bicacbonat.
Nghiên cứu cho thấy tác động của nhiệt độ lên tần số hấp thụ nước. Những
biến thể này có thể gây trở ngại cho việc ước lượng độ mặn và ảnh hưởng này có
thể được loại bỏ bằng cách đo độ hấp thụ tại các điểm isosbestic hoặc bằng cách sử

Chương 1: Tổng quan về đề tài
Quang

Trang 2


HVTH: Phạm Nhật


GVHD: TS Phạm Quang Thái

dụng phương pháp hồi quy thành phần chính. Các phân tích quang phổ có lợi thế
hơn các kỹ thuật khác. Nó là khơng phá hủy, nó có thể được áp dụng để phân tích từ
xa, đặc biệt là đối với các vật liệu nguy hiểm, độc hại như nước thải, nó có thể hoạt
động trong mơi trường khơng thân thiện, phân tích các hệ thống dung dịch nước
được dễ dàng so với phổ hồng ngoại và khơng có dung mơi cần được u cầu, do đó
kỹ thuật này là không gây ô nhiễm.
Do độ sâu thâm nhập lớn hơn nhiều bức xạ vào mẫu không cần pha lỗng
mẫu, chất có chứa như KBr hoặc dầu khống và chuẩn bị mẫu. Bởi vì nó giảm thiểu
sai sót chuẩn bị mẫu và phá hủy mẫu. Bởi vì kỹ thuật này rõ ràng là có lợi trong
việc giúp đỡ để tối ưu hóa việc sử dụng các vật liệu và các thành phần để giảm ảnh
hưởng đặc điểm kỹ thuật sản phẩm, tiết kiệm chi phí tái chế, xử lý. Chi phí cho mỗi
bài kiểm tra thường là thấp hơn nhiều so với các phương pháp phân tích khác, đặc
biệt là khi số lượng lớn các mẫu cần phải được phân tích.
Mục tiêu của việc này là để mơ tả các đặc tính quang phổ của các muối vơ cơ
quan trọng nhất trong biển nước dùng cho nhiều mục đích khác nhau, đặc trưng cho
nước từ các dấu hiệu quang phổ của nó trong vùng nhìn thấy và vùng NIR và ước
tính nồng độ muối từ các đặc điểm như vậy bằng cách tạo ra các mơ hình dự đốn.
1.2 Mục đích nghiên cứu
Các kiến thức và kết quả cần đạt được ở đề tài là:
 Nghiên cứu sự thay đổi độ mặn của nước ảnh hưởng đến quang phổ của
chúng
 Đo đạt các thông số từ cảm biến quang khơng tiếp xúc và phân tích số liệu để
có độ chính xác cao và hồn thiện phương pháp đo.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hồn thiện phương pháp phân tích độ
mặn của nước sử dụng cảm biến quang khơng tiếp xúc.
Đối tượng nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về đề tài
Quang

Trang 3

HVTH: Phạm Nhật


GVHD: TS Phạm Quang Thái

-

Độ mặn của nước và đặc tính quang phổ của nó

-

Cảm biến quang khơng tiếp xúc
Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra những cơ sở lý thuyết và sử dụng

cảm biến quang không tiếp xúc để phân tích độ mặn của nước.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
1. Về lý thuyết:
-

Phân tích độ mặn của nước ảnh hưởng đến cảm biến quang không tiếp xúc.


-

Sử dụng phương pháp ước lượng, thống kê để tìm ra được độ mặn của nước

từ kết quả đo của cảm biến quang không tiếp xúc.
2. Về thực nghiệm:
-

Sử dụng mạch giao tiếp máy tính có cảm biến quang khơng tiếp xúc đo đạc

phổ của nước muối bằng cách chiếu đèn qua dung dịch muối, đo ánh sáng sau
khi qua dung dịch vào bộ thu cảm biến quang không tiếp xúc.  

Chương 1: Tổng quan về đề tài
Quang

Trang 4

HVTH: Phạm Nhật


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

CHƯƠNG 2
LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
2.1. Sự hấp thụ ánh sáng
Khi một chùm tia sáng truyền qua môi trường vật chất như chất rắn, chất lỏng,
chất khí nó bị ảnh hưởng theo 2 cách chính: Một là cường độ của nó lúc nào cũng bị
giảm trong q trình truyền đi qua môi trường, hai là vận tốc truyền đi trong mơi

trường của nó nhỏ hơn vận tốc truyền trông môi trường chân không. Cường độ ánh
sáng giảm chủ yếu do ánh sáng bị hấp thụ và trong một số trường hợp còn do hiện
tượng tán xạ ánh sáng.
2.1.1. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng
Chiếu một chùm sáng đơn sắc song song có cường độ I0 vng góc vào một
lớp mơi trường có độ dày d. Nếu bỏ qua hiện tượng mất mát ánh sáng do phản xạ và
tán xạ thì cường độ thì cường độ ánh sáng I ra khỏi mơi trương bị giảm đi (Icó sự hấp thụ ánh sáng của môi trường. Hiện tượng hấp thụ ánh sáng có thể được
giải thích theo quan điểm cổ điển và lượng tử .

Hình 2. 1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng
2.1.2. Giải thích theo quan điểm cổ điển
Sự hấp thụ ánh sáng là sự tương tác của sóng điện từ (sóng ánh sáng) với chất.
Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng có tần số các electron của nguyên
tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân và thực hiện dao động điều hòa.
Electron dao động trở thành nguồn phát sóng thứ cấp, do sự giao thoa của sóng tới
và sóng thứ cấp mà trong mơi trường xuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ

Chương 2: Lý thuyết liên quan

Trang 5

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

của sóng tới. Do đó cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng bị thay đổi.
Khơng phải tồn bộ năng lượng bị hấp thụ bởi các nguyên tử, phân tử đều được giải

phóng dưới dạng bức xạ mà có thể chuyển thành các dạng năng lượng khác ví dụ
như năng lượng nhiệt khi đó vật sẽ bị nóng lên.
2.1.3. Những định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng
Định luật Bouguer – Lambert
Lượng tương đối của dịng sáng bị hấp thụ bởi mơi trường mà nó đi
qua khơng phụ thuộc vào cường độ của tia tới. Mỗi một lớp bề dày như nhau hấp
thụ một phần dòng sáng đơn sắc đi qua dung dịch như nhau
Xét sự hấp thụ ánh sáng bởi một dung dịch màu nằm trong cuvet với các
thành song song. Bề dày của lớp dung dịch hấp thụ ánh sáng là l. Chiếu một bức xạ
năng lượng có cường độ Io tới dung dịch, dung dịch sẽ hấp thụ một phần, phần còn
lại sẽ đi ra khỏi dung dịch tới máy thu để ghi nhận.
Đầu tiên Bouger (Pierre Bouger:1698-1758) phát hiện ra rằng phần năng
lượng bức xạ bị hấp thụ trên mỗi đoạn đường  l của bình đựng có tỷ lệ thuận với
chiều dày của bình. Tiếp đó Lambert (Johann Heinrich Lambert: 1728-1777) đã nêu
lại mối liên hệ này dưới tên gọi định luật Lambert và công thức trở thành:
Phần năng lượng bị hấp thụ =

I0  I I
  k.l
I0
I0

Công thức của định luật Bouguer- Lambert

A  l.k

(2.1)

Trong đó:
A: là mật độ quang, đặc trưng cho khả năng hấp thụ của dung dịch màu.

l: là bề dày của dung dịch, có đơn vị cm.

Chương 2: Lý thuyết liên quan

Trang 6

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

k: là đại lượng hằng định đặc trưng cho chất đã cho. Hệ số này trong
các giới hạn rộng không phụ thuộc cường độ chùm sáng, chỉ có những giá trị rất lớn
của mới khơng cịn hằng định và quan sát thấy có sự phụ thuộc của k vào I
Định luật Beer
Sự hấp thụ dòng quang năng tỷ lệ bậc nhất với số phân tử của chất hấp thụ
mà dịng quang năng đi qua nó.
Xét sự hấp thụ ánh sáng bởi một chất màu có thành phần và cấu trúc không
đổi khi nồng độ thay đổi. Lấy dung dịch màu đó vào một ống hình trụ cao, nồng độ
chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch là C1, quan sát độ hấp thụ ánh sáng từ trên
xuống (toàn bộ lớp dung dịch), thu được mật độ quang là A1. Sau đó pha lỗng
dung dịch n lần và lại quan sát độ hấp thụ ánh sáng từ trên xuống, thu được mật độ
quang là A2. Nhận thấy A1 =A2 = A = K.l.C
Công thức của định luật Beer:
A = K.l.C

(2.2)

K: là hệ số tỷ lệ.

C: là nồng độ của dung dịch, tính bằng đơn vị mol/L.
l: bề dày của dung dịch, đo bằng cm.
Định luật hợp nhất Bouguer- Lambeer- Beer
Khi đi chiếu một chùm photon đơn sắc qua dung dịch thì mức độ hấp thụ
của dung dịch tỷ lệ thuận với công suất chùm photon và nồng độ các phần tử hấp
thụ
Biểu thức của định luật hợp nhất:

A  lg

Chương 2: Lý thuyết liên quan

I0
  .C.l
I

Trang 7

(2.3)

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

Trong đó: A: là mật độ quang
-1

-1


 : là độ hấp thụ phân tử gam, đơn vị L.mol .cm .

l: là bề dày của dung dịch, đơn vị cm.
C: nồng độ của dung dịch màu, đơn vị mol/L
Dựa vào phương trình (2.3) khi ta có định  (bằng cách đo tại một bước
sóng xác định), l khơng đổi (đo trong cuvet có bề dày như nhau), nồng độ C thay
đổi thì lúc này mật độ quang chỉ phụ thuộc bậc nhất vào nồng độ C. Đồ thị biểu
diễn sự phụ thuộc của A vào nồng độ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ như
hình 3a, phương trình đường thẳng y = ax. Tuy nhiên trong thực tế, đồ thị biểu diễn
sự phụ thuộc của A vào nồng độ thường là một đường thẳng không đi qua gốc tọa
độ như hình 3b, phương trình đường thẳng y =ax+b, nguyên nhân là do ảnh hưởng
của thành phần nền của mẩu (ảnh hưởng của nền).

Hình 2. 2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ C
2.2. Quang phổ kế quang học
Quang phổ kế (Spectrophotometer) là các thiết bị hoạt động dựa trên phân
tích quang phổ của ánh sáng, nhằm thu được các thơng tin về thành phần, tính chất
hay trạng thái của những khối vật chất liên quan đến chùm ánh sáng đó[3]. Phân
tích quang phổ là phương pháp hàng đầu trong hóa phân tích.

Chương 2: Lý thuyết liên quan

Trang 8

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái


Thơng thường thì quang phổ kế xác định phân bố cường độ ánh sáng theo
bước sóng của ánh sáng do khối vật chất nào đó tự phát ra hoặc phản xạ hay truyền
qua nó. Những khối vật chất khác nhau có đặc tính phát quang hay hấp thụ ánh sáng
với các bước sóng, hay mức năng lượng của photon. Chúng thường được nói đến là
các vạch quang phổ. Đo cường độ ánh sáng ở các bước sóng (hay các vạch phổ) đặc
trưng này cho phép xác định tỷ lệ (hay hàm lượng) của chất tương ứng trong mẫu
vật cần nghiên cứu.
Phân tích quang phổ có hai dạng đo cơ bản dựa trên nguồn phát sáng:
o Quang phổ phát xạ: Phân tích quang phổ của ánh sáng do mẫu vật
phát ra khi được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết, hoặc vốn là các
khối vật chất nóng sáng như Mặt Trời, các vì sao, .... Trong trường
hợp này có thể xác định được cả nhiệt độ của mẫu vật.
o Quang phổ hấp thụ: Dùng ánh sáng chiếu rọi vào khối vật chất, và
quan sát phần ánh sáng phản xạ hay truyền qua mẫu vật.
Phần lớn các phân tích quang phổ thực hiện ở vùng ánh sáng nhìn thấy. Một
số khác thực hiện ở vùng hồng ngoại, tử ngoại, tia X. Tuy nhiên khơng thấy nói đến
sử dụng vùng tia gamma. Trong quang phổ kế thì phần cơ bản nhất, là dẫn chùm
ánh sáng chứa thông tin đưa tới khối khúc xạ để phân tách ánh sáng theo bước sóng,
rồi tới đầu dị để xác định cường độ sáng tại mỗi bước sóng.
Trong quang phổ phát xạ thì vạch phổ đặc trưng hiện ra là vạch sáng, Chúng
dễ đo và phân tách với dòng tối của phổ. Tuy nhiên việc nung nóng thường làm phá
hủy mẫu vật, nên phương cách đo này thường được dùng trong phân tích hàm lượng
ngun tố. Ngồi ra nó được dùng trong nghiên cứu vũ trụ xác định thành phần vật
chất ở các ngôi sao phát sáng, hoặc trong kiểm tra chất lượng ánh sáng của các kiểu
đèn chiếu sáng.
Trong quang phổ hấp thụ thì vạch phổ đặc trưng hiện ra là vạch tối, nên dễ bị
nhiễu loạn. Tuy nhiên phép đo không gây phá hủy mẫu, nên thường được dung

Chương 2: Lý thuyết liên quan


Trang 9

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

trong phân tích hàm lượng hợp chất. Lựa chọn vùng phổ cần chú ý đến mẫu vật có
xảy ra hiện tượng huỳnh quang với ánh sáng đó hay không.
2.2.1. Các loại quang phổ kế[2]
Quang phổ kế rời rạc: bao gồm một nguồn bức xạ, bộ lọc nhiễu rời rạc, một
mẫu, bộ dị tìm, cùng với thiết bị điện tử thích hợp để khuếch đại tín hiệu và sự ổn
định của tín hiệu phát hiện. Các cấu hình quang cho một quang kế chung được thể
hiện trong hình 2.2

Hình 2. 3: Cấu hình quang phổ kế rời rạc.
Quang phổ kế chùm đơn: là quang phổ có một kênh quang học duy nhất đó
là cấu hình để đo mẫu hoặc kênh chuẩn nhưng không phải cả hai cùng một lúc. Kết
quả phổ là tỷ lệ phổ truyền qua từ mẫu và các phép đo chuẩn. Trong thực tế phản
ứng của các máy dị đo với dịng năng lượng khơng photon được đo như dòng tối
(Dark). Phổ truyền (trong đơn vị T) phổ từ thiết bị này được cho là
(2.4)
Nếu các máy quang phổ có bất kỳ tính khơng ổn định (quang học, cơ khí,
điện tử ...), hằng số thời gian giữa các phép đo mẫu và phép đo chuẩn trở thành
quan trọng. Các công cụ chùm đơn hoặc là phải có vốn dĩ ổn định hoặc thay thế
giữa các phép đo mẫu và phép đo chuẩn ở một tần số như vậy để làm cho không
đáng kể tốc độ thay đổi của quang phổ kế. Thiết kế cho quang phổ đơn sắc và quang


Chương 2: Lý thuyết liên quan

Trang 10

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

phổ đôi-đơn sắc, cũng như thiết kế mảng diode, được thể hiện hình 2.3. Những thiết
kế này có thể được cấu hình như một hoặc hai chùm.

Hình 2. 4: Cấu hình quang phổ kế chùm đơn a,b
Quang phổ kế chùm đôi: Một máy quang phổ hai chùm tia gồm cả các kênh
mẫu, kênh chuẩn và đo lường cả hai kênh cùng một lúc. Sự tách biệt của chùm ánh
sáng từ nguồn được thực hiện bằng cách sử dụng bộ tách chùm tia để khoảng 50%
những nguồn năng lượng phát ra được chia cho cả hai mẫu và các kênh chuẩn. Việc
sử dụng các khái niệm chùm đôi bù đắp cho tính khơng ổn định của dụng cụ vốn có
của tất cả các quang phổ kế. Kết quả phổ là tỷ lệ những các kênh mẫu và kênh
chuẩn trong quá trình truyền. Như trong trường hợp của các công cụ đơn chùm,
trong thực tế phổ thức từ thiết bị này được cho là
(2.5)

Chương 2: Lý thuyết liên quan

Trang 11

HVTH: Phạm Nhật Quang



GVHD: TS Phạm Quang
Thái

Hình 2. 5: Cấu hình quang phổ kế chùm đơi
Quang phổ kế chùm đơi/ bước sóng đơi: có khả năng làm các phép đo tại
hai tần số danh định cùng một lúc. Chúng có khả năng chiếu sáng một mẫu với hai
bước sóng trong khi đo quang phổ ở cả hai bước sóng. Điều này được thực hiện
bằng cách sử dụng hai yếu tố tán sắc (ví dụ, cách tử nhiễu xạ) để phân tán năng
lượng bức xạ từ các nguồn trên mẫu vật mẫu ở hai bước sóng khác nhau.
Một màn trập ngắt một trong hai chùm, trong khi cái kia là tia sáng tới máy
dò. Các tín hiệu từ



hấp thụ khác biệt của (

được xử lý trong đó một cách mà các tín hiệu hiển thị là


; Hấp thụ khác biệt này là tỷ lệ thuận với nồng độ.

Quét bước sóng kép được sử dụng để hủy bỏ những ảnh hưởng của nền khi đo mẫu
tạp chất, để định lượng một thành phần trong hỗn hợp đa thành phần, hoặc để định
lượng phản ứng tốc độ cao.
Quang phổ kế giao thoa: thường được sử dụng để đo bước sóng; loại này
có lợi cho những phép đo phổ. Trong quang phổ, độ chính xác của phép đo bước
sóng có thể là rất quan trọng. Đo bước sóng từ các thiết bị giao thoa là chính xác
hơn nhiều so với thường được thực hiện bằng cách sử dụng công cụ tán sắc. Các
loại phổ biến nhất của giao thoa kế là loại Michelson. Một chùm sáng song song từ

các nguồn phổ hướng vào một bộ tách chùm tia tại một góc 450. Bộ tách chùm tia
bao gồm một bề mặt phản xạ 50%. Phần phản xạ của ánh sáng từ bộ tách chùm tia

Chương 2: Lý thuyết liên quan

Trang 12

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

phản xạ đến một gương di động có phản chiếu cao , trong khi ánh sáng truyền qua
bộ tách chùm tia đập vào một gương cố định.
Từ góc nhìn của máy dị (D) những hiện tượng sau đây được "quan sát". Nếu
chiều dài đường đi đến gương di dộng và cố định là như nhau, một người quan sát ở
vị trí D sẽ thấy một vân sáng. Nếu chiều dài đường đi không giống sự lệch pha sẽ
xác định xem liệu các rìa quan sát thấy ở các máy dò là ánh sáng hoặc tối. Các
gương cố định chỉ được điều chỉnh độ nghiêng để giữ cho nó bình thường với chùm
tia tới. Khi gương di động có phản chiếu cao được di chuyển, con đường trở thành
khác nhau và thay đổi pha. Một sự di chuyển của nó (d) có liên quan đến số lượng
rìa trong các mơ hình giao thoa (
.Với

) quan sát thấy tại D bởi các mối quan hệ:

là bước sóng của ánh sáng tới song song vào giao thoa, và d được thể

hiện trong các đơn vị giống với bước sóng đơn vị. Cấu hình thiết kế quang học cho

một cơng cụ giao thoa cơ bản được thể hiện trong hình 2.5.
Quang phổ kế mở đường: được thiết kế theo các tính năng của các công cụ
tán sắc và giao thoa kế ngoại trừ rằng mẫu được đặt từ xa, từ các công cụ và nguồn
ánh sáng hoặc là ánh sáng mặt trời hoặc năng lượng laser. Các cấu hình cơ bản cho
lấy mẫu trong thiết kế mở đường được hiển thị trong hình 2.6.

Hình 2. 6: Cấu hình quang phổ kế giao thoa

Chương 2: Lý thuyết liên quan

Trang 13

HVTH: Phạm Nhật Quang


GVHD: TS Phạm Quang
Thái

Hình 2. 7: Cấu hình quang phổ kế mở đường
2.2.2. Chi tiết các linh kiện quang phổ kế[2]
Nguồn sáng: tất cả các vật liệu phát ra bức xạ điện từ, bản chất của nó phụ
thuộc vào chất liệu và nhiệt độ của nó. Khí hoặc hơi của các nguyên tử nhỏ hơn áp
suất khí quyển phát ra bức xạ có bước sóng rời rạc khi một dịng điện đi qua chúng.
Khi bị kích thích có chứa các phân tử phát ra quang phổ gồm nhiều dòng rất gần
nhau mà bao gồm các dải bức xạ. Các vật liệu rắn phát ra hoặc tỏa ra quang phổ liên
tục trên tất cả các tần số.
Bộ dị tìm: có hai loại cơ bản của máy dò photon: quang điện và trạng thái
rắn. Các loại quang điện thường được đại diện bởi các máy dò ống nhân quang,
trong khi các máy dò loại trạng thái rắn được đại diện bởi các máy dò photodiode,
dò hỏa điện và các máy dò hồng ngoại.

Bộ lọc: bộ lọc giao thoa tồn tại hai loại cơ bản: bộ lọc thông dải và bộ lọc
kiểu khe. Bộ lọc thông dải truyền ánh sáng chỉ cho một dải quang phổ xác định. Các
dải phổ truyền có thể từ dưới băng thông đầy đủ 1nm ở băng thông một nửa cực đại
(FWHM) đến 50 nm hoặc nhiều hơn FWHM. Bộ lọc kiểu khe truyền ánh sáng ở
phía trên hoặc bên dưới một vùng bước sóng nhất định; chúng được gọi là loại bộ
lọc "cắt trên" hoặc "cắt dưới". Bộ lọc này truyền có hiệu quả trong suốt một khu vực
rộng lớn cho đến các giới hạn truyền tải của vật liệu lọc chất nền đạt được.

Chương 2: Lý thuyết liên quan

Trang 14

HVTH: Phạm Nhật Quang


×