Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 3 - ThS. Trần Văn Lợi

Chương 3<br /> CẢM BIẾN QUANG HỌC<br /> 3.1<br /> <br /> KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG<br /> Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt.<br /> <br /> Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức<br /> năng lượng của nguyên tử nguồn sáng. Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân không là c<br /> c<br /> = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là: v = (n: chiết suất của môi trường)<br /> n<br /> Tần số g và bước sóng l của ánh sáng liên hệ với nhau qua biểu thức: l =<br /> chân không l =<br /> <br /> v<br /> trong<br /> g<br /> <br /> c<br /> g<br /> <br /> Phổ ánh sáng được biểu diễn như hình 3.1:<br /> <br /> Hình 3.1<br /> Tính chất hạt thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Ánh sáng bao gồm các hạt<br /> photon mang năng lượng Wf phụ thuộc duy nhất vào tần số.<br /> Wf = hg (h = 6,6256.10-24 Js: hằng số Planck)<br /> Các đại lượng quang học:<br /> §<br /> <br /> Thông lượng: oat (W)<br /> <br /> §<br /> <br /> Cường độ: oat/steradian (W/Sr)<br /> <br /> §<br /> <br /> Độ chói: (W/Sr.m2)<br /> <br /> §<br /> <br /> Năng lượng: J<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 27<br /> <br /> Trong vật chất, các điện tử liên kết trong nguyên tử có xu hướng muốn được giải phóng<br /> khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Muốn giải phóng các điện tử khỏi nguyên tử cần<br /> cung cấp cho nó năng lượng bằng với năng lượng liên kết Wl.<br /> Khi một photon được hấp thu sẽ có một điện tử e được giải phóng nếu Wϕ ≥We.<br /> Bước sóng sóng lớn nhất của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được<br /> h.c 1,237<br /> tính từ biểu thức: lmax =<br /> =<br /> We W1( ev )<br /> ev: đơn vị đo năng lượng điện tích.<br /> Nói chung, loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất vật liệu bị<br /> chiếu sáng.<br /> Khi chiếu sáng vào chất điện môi và bán dẫn tinh khiết, các điện tích được giải phóng là<br /> cặp điện tử và lỗ trống. Với bán dẫn pha tạp khi bị chiếu sáng nó sẽ giải phóng điện tử hoặc lỗ<br /> trống tùy thuộc vào chất pha tạp.<br /> Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứng quang điện<br /> sẽ gây nên sự thay đổi tính chất của vật liệu. Đó là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang.<br /> 3.2<br /> <br /> CÁC ĐƠN VỊ ĐO QUANG<br /> <br /> 3.2.1 Các đơn vị đo năng lượng<br /> Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thu dưới dạng bức<br /> xạ và được đo bắng Jun (J)<br /> Quang thông ϕ: là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng oat (W) là đại<br /> lượng đặc trưng cho nguồn sáng.<br /> F=<br /> <br /> dQ<br /> dt<br /> <br /> Cường độ sáng i: là quang thông phát ra theo một hướng dưới một đơn vị góc khối, có<br /> đơn vị là W/steradian<br /> i=<br /> <br /> dQ<br /> dW<br /> <br /> Độ chói năng lượng L: là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt<br /> dI theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu vuông góc của phần tử bề mặt dAn; có đơn<br /> vị là W/steradian.m2<br /> L=<br /> <br /> dI<br /> dAn<br /> <br /> Độ rọi E: là tỉ số giữa quang thông thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của<br /> phần tử đó; có đơn vị là W/m2<br /> E=<br /> <br /> 3.2.2<br /> <br /> dF<br /> dA<br /> <br /> Đơn vị đo thị giác<br /> <br /> Mắt người cảm nhận được ánh sáng có phổ từ 0,38um đến 0,76um với độ nhạy phụ<br /> thuộc vào bước sóng ánh sáng. Độ nhạy của mắt cực đại ở bước sóng l = 0,555mm và giảm về<br /> hai phía hình 3.2<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 28<br /> <br /> Hình 3.2<br /> Các đơn vị đo quang cơ bản<br /> Đơn vị thị giác<br /> <br /> Đơn vị năng lượng<br /> <br /> Thông lượng<br /> <br /> Lumen (lm)<br /> <br /> Oat (W)<br /> <br /> Cường độ<br /> <br /> Candela (cd)<br /> <br /> Oat/sr (W/Sr)<br /> <br /> Độ chói<br /> <br /> Candela/m (cd/m )<br /> <br /> Oat/sr.m2 (W/Sr.m2)<br /> <br /> Độ rọi<br /> <br /> Lumen/m2 (lux)<br /> <br /> W/m2<br /> <br /> Năng lượng<br /> 3.2.3<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> Lumen.sex (lm.s)<br /> <br /> Jun (J)<br /> <br /> Nguồn sáng<br /> <br /> Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính của bức xạ. Việc sử dụng các chuyển đổi quang chỉ<br /> hiệu quả khi phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số).<br /> Đèn sợi đốt vonfram: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh có chứa khí<br /> halogen để giảm bay hơi sợi đốt.<br /> Ưu điểm dải phổ rộng nhưng hiệu suất phát quang thấp, quán tính nhiệt lớn, tuổi thọ và<br /> độ bền cơ học thấp.<br /> Diode phát quang: (Ligh-Emitting-Diode: LED) là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng<br /> lượng giải phóng do tái hợp điện tử-lỗ trống chuyển tiếp P-N làm phát sinh các photon.<br /> Đặc điểm: thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả năng biến điệu tần số cao. Phổ ánh sáng<br /> hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao. Tuổi thọ cao, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp.<br /> Quang thông tương đối nhỏ và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm hạn chế phạm vi sử<br /> dụng của đèn.<br /> Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation): Laser là nguồn sáng<br /> rất đơn sắc, độ chói lớn, rất định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh (cùng phân cực, cùng<br /> pha). Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát ra là sự chồng chéo của rất nhiều sóng thành<br /> phần có phân cực và pha khác nhau. Trong trường hợp tia laser, tất cả các bức xạ cấu thành đều<br /> cùng pha cùng phân cực và bởi vậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy<br /> nhất và rất xác định.<br /> Đặc điểm chính của laser là có bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác định, quang thông<br /> lớn, có khả năng nhận được chùm tia rất mảnh với độ định hướng cao, truyền đi khoảng cách<br /> rất lớn.<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 29<br /> <br /> 3.3<br /> <br /> CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN<br /> <br /> Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin ánh sáng nhìn thấy được hoặc tia hồng<br /> ngoại IR (Infrared) và tia tử ngoại UV (Ultra Violet) thành tín hiệu điện.<br /> Phổ của ánh sáng được biểu diễn như sau:<br /> Color<br /> <br /> Violet<br /> <br /> Blue<br /> <br /> Green<br /> <br /> Yellow<br /> <br /> Orange<br /> <br /> Red<br /> <br /> l(nm)<br /> <br /> 400-450<br /> <br /> 450-500<br /> <br /> 500-550<br /> <br /> 550-600<br /> <br /> 600-650<br /> <br /> 650-700<br /> <br /> Tín hiệu ngõ ra của cảm biến quang tỷ lệ với cường độ ánh sáng. Một vài cảm biến quang<br /> tích hợp ngay cả phát và thu ánh sáng. Cảm biến quang có thể phân thành cảm biến quang học,<br /> cảm biến hồng ngoại, cảm biến laser tùy thuộc vào chiều dài bước sóng của năng lượng ánh sáng<br /> được tối ưu hoá.<br /> 3.3.1<br /> <br /> Tế bào quang dẫn<br /> Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang có độ nhạy cao.<br /> Đặc trưng của tế bào quang dẫn là sự phụ thuộc điện trở vào thông lượng và phổ của<br /> <br /> bức xạ.<br /> Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng giải phóng hạt dẫn điện trong vật<br /> liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.<br /> Vật liệu chế tạo: thường được chế tạo từ các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn<br /> tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp. Vùng phổ làm việc một số tạp chất như hình 3.3<br /> ·<br /> <br /> Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe<br /> <br /> ·<br /> <br /> Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn,<br /> PIn, CdHgTe.<br /> <br /> Hình 3.3<br /> Các tính chất cơ bản của cảm biến quang dẫn:<br /> Điện trở tối RCO: Phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất lý hóa của<br /> vật liệu. Khi chiếu sáng RCO giảm rất nhanh, quan hệ điện trở và độ sáng là phi tuyến. Hình 3.4<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 30<br /> <br /> Hình 3.4<br /> Ví dụ: PbS, CdS, CdSe có RCO rất lớn: từ 104Ω đến 105Ω ở 25oC.<br /> SbIn, AbSn, CdHgTe có RCO rất nhỏ: 10Ω – 103Ω ở 25oC.<br /> Độ nhạy: Định nghĩa theo biểu thức: S (l ) =<br /> <br /> DI<br /> ( A /W )<br /> Df (l )<br /> <br /> I: dòng quang điện chạy qua tế bào quang dẫn (A)<br /> <br /> f : thông lượng ánh sáng (W)<br /> Ví dụ khi đặt vào điện áp U = 10V, diện tích bề mặt tế bào bằng 1cm2, độ nhạy<br /> phổ có giá trị nằm trong khoảng 0,1 ¸ 10 A/W.<br /> Nhược điểm của tế bào quang dẫn: đặc tính điện trở - độ rọi là phi tuyến. Thời gian đáp<br /> ứng tương đối lớn. Các thông số không ổn định (lão hóa). Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ, một<br /> số loại đòi hỏi phải làm nguội.<br /> Ứng dụng:<br /> Trong thực tế các tế bào quang dẫn thường được ứng dụng trong hai trường hợp:<br /> ·<br /> <br /> Điều khiển relay hình 3.5<br /> <br /> ·<br /> <br /> Thu tín hiệu quang: tế bào quang điện có thể được sử dụng để biến đổi xung quang<br /> thành xung điện. Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật, đo tốc độ quay<br /> đĩa.<br /> <br /> a)<br /> <br /> b)<br /> <br /> Hình 3.5: Minh họa dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle:<br /> a) Điều khiển trực tiếp;<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> b) Điều khiển thông qua transistor khuếch đại<br /> Trang 31<br /> <br />