CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP - CHƯƠNG 2 CẢM BiẾN ĐO QUANG

Chương II CẢM BiẾN ĐO QUANG

1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 2. Cảm biến quang dẫn 3. Cảm biến quang điện phát xạ

1. Tính chất và đơn vị đo 1.2. Tính chất áng sáng

a) Tính chất sóng: một dạng của sóng điện

từ:

1.2. Tính chất áng sáng

v =

c n

• Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không) hoặc (môi trường vật chất)

c • Bước sóng: (chân không) hoặc (môi trường vật chất). n ﬁ tần số ánh sáng.

1.2. Tính chất áng sáng

b) Tính chất hạt: chùm hạt (photon) chuyển động với vận tốc lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số (n ) của ánh sáng: n=f .hW

ﬁ h = 6,6256.10-34J.s hằng số Planck

1.2. Đơn vị đo quang

a) Đơn vị đo năng lượng: • Năng lượng bức xạ Q (J): là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ tính bằng Jun. • Thông lượng ánh sáng F : là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ tính bằng oat.

dQ=F dt

(W)

1.2. Đơn vị đo quang

(W/sr)

d d

L =

(W/sr.m2)

• Cường độ ánh sáng (I): • Độ chói năng lượng (L): • Độ rọi năng lượng (E): F

dI ndA d dA

(W/m2)

1.2. Đơn vị đo quang

b) Đơn vị đo thị giác: • Độ nhạy đối với ánh sáng của mắt phụ

Độ nhạy cực đại ứng với sóng l

max

thuộc bước sóng:

1.2. Đơn vị đo quang

Đại lượng đo

Đơn vị

Đơn vị thị giác

năng lượng

Luồng (thông lượng)

lumen(lm)

Cường độ

W/sr

cadela(cd)

Độ chói

W/sr.m2

cadela/m2 (cd/m2)

Độ rọi

W/m2

lumen/m2 hay lux (lx)

Năng lượng

lumen.s (lm.s)

1.2. Đơn vị đo quang

• Hệ số chuyển đổi: 1 đv đo năng lượng = K. V(l ).đv đo thị giác

1W = K. V(l

max) =680.1= 680 lumen

( ) ( )l

F l l F (lumen)

Ví dụ đối với ánh sáng đơn sắc: ( ) = .V680 Đối với ánh sáng phổ liên tục:

l F

680

.)(V

)(d d

l l F (lumen) (cid:242) l l

2. Cảm biến quang dẫn

2.1. Hiệu ứng quang dẫn: Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.

2.1. Hiệu ứng quang dẫn

W‡ Wlk

2.1. Hiệu ứng quang dẫn

2/1

(cid:246) (cid:230)

a r4

a r.2

N.a d r

(cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231)

Nồng độ tạp chất donno

Nd ﬁ

ł Ł

exp

Hệ số tỉ lệ giải phóng e.

(cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231) ﬁ

qW d kT

Hệ số tái hợp.

r ﬁ

ł Ł

• Mật độ điện tử trong tối:

2.1. Hiệu ứng quang dẫn

2/1

• Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng:

(cid:246) (cid:230)

» (cid:247) (cid:231)

g r

Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s

)

ł Ł

- h

G V

g ﬁ trong 1 đơn vị thể tích: ( 1 R1 V h )nNa (

2.1. Hiệu ứng quang dẫn

nqm=

• Độ dẫn trong tối: • Độ dẫn khi chiếu sáng:

m=s

(cid:246) (cid:230)

m= q

F (cid:247) (cid:231)

g r

1 A

s>>

ł Ł

với

(cid:222) và là hàm phi tuyến của F số mũ g =1/2 (thực tế g = 0,5 -1)

2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)

a) Cấu tạo: thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn: đa tinh thể đồng nhất, đơn tinh thể, bán dẫn riêng, bán dẫn pha tạp.

2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)

b) Đặc trưng chủ yếu: • Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 104 W

- 109 ở 25oC đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm

nhanh khi độ rọi sáng tăng.

2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)

D - g F

V A

tăng (trừ g = 1)

• Độ nhạy: Nhận xét: + Độ nhạy giảm khi F + Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi V điện áp

đặt vào lớn.

+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.

D F

2.2. Tế bào quang dẫn

c) Đặc điểm

+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao. + Độ nhạy cao. + Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính F + Thời gian hồi đáp lớn. + Các đặc trưng không ổn định do già hoá. + Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ, một số loại

đòi hỏi làm nguội.

2.2. Tế bào quang dẫn

c) Ứng dụng: • Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở giảm, cho dòng điện chạy qua đủ lớn ﬁ sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle.

• Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện.

2.2. Tế bào quang dẫn

Điều khiển trực tiếp

Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại

2.3. Photođiot

a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2.3. Photođiot

• Nguyên lý hoạt động:

Khi F

exp

I 0

I kt

I 0

= 0 và V = 0, dòng điện chạy qua chuyển tiếp: qV d kT

Dòng hạt

Ikt ﬁ

Dòng khuếch tán các hạt cơ bản. I0 ﬁ dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt.

ø Ø - - œ Œ ß º

exp

I r

I 0

+œ

Khi V > 0 ﬁ

dòng ngược:

qV d kT

ø Ø „ Œ ß º

exp

I 0

Khi V đủ lớn ﬁ

0 và Ir = I0.

qV d kT

ø Ø - œ Œ ß º

2.3. Photođiot

• Khi chiếu sáng bằng

0 ﬁ

)

(

exp

luồng ánh sáng F Ip. I p

( R1q hc

l - h a - F

exp

I 0

I r

I 0

I p

+œ

ø Ø

qV d kT

Œ ß º

Hiệu ứng quang điện khi chiếu sáng

Khi V đủ lớn:

2.3. Photođiot

= VE

• Chế độ quang dẫn: Phương trình mạch điện: R V D Tín hiệu ra: IRV = (cid:222) đường thẳng tải D (cid:222) Dòng ngược: =

I r

. E R

V D R

Cảm biến làm việc ở chế độ tuyến tính VR ~ F

2.3. Photođiot

• Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0.

log

Đo thế hở mạch

kT q

ø Ø (cid:222) œ Œ

I P I 0

nhỏ nhưng tỉ lệ với F

log

kT q kT q

I p I 0 I P I 0

V » Khi Ip<< I0: (cid:222) V = Khi Ip>> I0: (cid:222)

lớn nhưng tỉ lệ với logF

ß º

(cid:222) Đo dòng ngắn mạch:

Rbé

I

I p

2.3. Photođiot

)

(

I P

)

T1 T2

a - - h D l l

) exp hc

(S(l

l p ) = 0,1-1,0 A/W)

c) Độ nhạy: • S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng F • S phụ thuộc vào l , với l £ l ( R1q Sﬁ Smax khi l = l • Khi To tăng l • S phụ thuộc h

p dịch sang phải. , R, α.

D F

2.3. Photođiot

d) Ứng dụng:

1RV

ø Ø

I r

( ) + IRR r2

V 0

R 2 R

œ Œ

ß º

2.3. Photođiot

- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế:

ø Ø

I.R

V = 0

scm

œ Œ

R 2 R 1

ß º

2.3. Photođiot

+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit.

Chế độ quang dẫn: + Độ tuyến tính cao. + Thời gian hồi đáp

ngắn.

+ Dải thông lớn.

+ Ít nhiễu. + Thời gian hồi đáp lớn. + Dải thông nhỏ. + Nhạy cảm với nhiệt độ ở

chế độ logarit.

2.3. Photođiot

c) Ứng dụng: - Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic,

….

- Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến

tính)

2.4. Phototranzito

a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt

động:

C +

E -

N P N

Cấu tạo

Sơ đồ mạch điện

Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp E - B và B – C tương tự như một tranzito. • Phân cực: chỉ có điện áp đặt lên C, không có điện áp đặt lên B, B – C phân cực ngược. • Sơ đồ mạch điện như hình vẽ.

2.4. Phototranzito

Sơ đồ mạch điện

Sơ đồ tách cặp điện - lỗ trống

Nguyên lý làm việc: • Khi đặt điện áp E lên C, điện áp VBE » 0,6 ‚ 0,7 V, VBC » E. Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C ﬁ các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B – C ﬁ điện tử bị kéo về C, lỗ trống ở lại trong B tạo ra dòng điện tử từ Eﬁ Bﬁ C tạo ra dòng ngược: Ir = I0 + Ip

2.4. Phototranzito

( R1q

a - - h F l

( +b=

Dòng colector IC: ( ) ) +b+ I1 I1

) I1

Dòng I0: dòng ngược trong tối. Dòng Ip : dòng ngược do chiếu sáng. ) exp( I P hc Ir ~ IB ( +b= I

ﬁ

Sơ đồ tương đương

c phototranzito tương đương tổ hợp của một photodiot và một tranzito.

(cid:222)

2.4. Phototranzito

)

D l

D F

= ) Ic ﬁ I1 0

) I1 p

cI c) Độ nhạy: (S 0 ( ( ) ( và b ˛ b ˛ Ip ˛ F Ic ˛ +b= +b= +b+ I I1 r c S ˛ F (cid:222) độ nhạy phụ

thuộc thông lượng ánh sáng. • Độ nhạy phụ thuộc l (hình vẽ) S(l p) = 1 ‚ 100A/W

(cid:222)

2.4. Phototranzito

d) Ứng dụng phototranzito: • Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay không có bức xạ, bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn ngưỡng)ﬁ

điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo.

Điều khiển thyristo

Điều khiển rơle

Điều khiển cổng logic

Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp.

(cid:222)

2.4. Phototranzito

( )t

• Sử dụng ở chế độ tuyến tính: + Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống luxmet). + Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi (Điều kiện biên độ dao động nhỏ): ( ) t = I

1 .S

( )t

( ) t

F F

Luxmet

F+ + Độ tuyến tính kém hơn photodiot.

2.5.Phototranzito hiệu ứng trường

- - - - - - - + + + + + + + +

+ + + + + + + + - - - - - - -

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Gồm 2 lớp P và N ghép với nhau, lõi là N, vỏ là P, tạo thành một tiếp giáp P-N. Tiếp giáp P-N được phân cực ngược, bên ngoài vùng nghèo là cổng, bên trong vùng nghèo là kênh. Dòng qua kênh phụ thuộc tiết diện kênh ﬁ điện áp giữa cổng và kênh:

(cid:246) (cid:230)

I D

I DS

(cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231)

V GS V P

ł Ł

2.5.Phototranzito hiệu ứng trường

- dòng quang điện.

• Khi chiếu sáng, chuyển tiếp P - N hoạt động như một photodiot cho I dòng ngược: 0 I0 - dòng điện trong tối. IP = Sg Sg - độ nhạy của điot cổng-kênh. F - thông lượng ánh sáng.

V =

= EIR rg g GS ) ( + IR 0g

E g

2.5.Phototranzito hiệu ứng trường

c) Đặc điểm và ứng dụng: - Làm việc ổn định - Hệ số khuếch đại cao

(cid:222) Điều khiển điện áp bằng ánh sáng.

3. Cảm biến quang điện phát xạ

3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ • Hiệu ứng quang điện phát xạ (hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu và có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng có bước sóng thích hợp (nhỏ hơn một ngưỡng nhất định).

3. Cảm biến quang điện phát xạ

• Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng: - Hấp thụ photon và giải phóng điện tử. - Điện tử được giải phóng di chuyển ﬁ bề

mặt.

- Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu. • Do nhiều nguyên nhân (cid:222)

số điện tử phát xạ trung bình khi một photon bị hấp thụ (hiệu suất lượng tử) thường nhỏ hơn 10% và ít khi vượt quá 30%.

3.2. Tế bào quang điện chân không

a) Cấu tạo:

• Catot: có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs3Sb, K2CsSb, Cs2Te, Rb2Te , CsTe …) đặt trong vỏ hình trụ trong suốt (b) hoặc vỏ kim loại có một đầu trong suốt (b) hoặc hộp bên trong được hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8 mmHg).

• Anot: bằng kim loại.

3.2. Tế bào quang điện chân không

• Khi chiếu sáng catot (K) các điện tử phát xạ và dưới tác dụng của điện đường do Vak tạo ra tập trung về anot (A)ﬁ tạo thành dòng anot (Ia).

3.2. Tế bào quang điện chân không

• Đặc tính V - A có hai vùng: - Vùng điện tích không gian. - Vùng bão hòa. • TBQĐ làm việc ở vùng bão hòa ﬁ tương đương nguồn dòng, cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc thông lượng ánh sáng. Điện trở trong r của tế bào quang điện rất lớn:

dI dV

(cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231) (cid:247) (cid:231) r ł Ł F

Độ nhạy:

=10 ‚ 100 mA/W

f D

3.2. Tế bào quang điện chân không

c) Đặc điểm và ứng dụng: - Độ nhạy lớn ít phụ thuộc Vak. - Tính ổn định cao

(cid:222) Chuyển mạch hoặc đo tín hiệu quang.

3.3. Tế bào quang điện dạng khí

khí ﬁ

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: cấu tạo tương tự TBQĐ chân không, chỉ khác bên trong được điền đầy bằng khí (acgon) dưới áp suất cỡ 10-1 - 10-2 mmHg. Khi Vak < 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống TBQĐ. Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn ion hoá các nguyên tử Ia tăng 5 ‚ 10 lần.

ﬁ