zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Cảm biến và đo lường - Chương 2: CẢM BIẾN QUANG

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Báo xấu

755
lượt xem 251
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tính chất ánh sáng Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện. Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt. Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử nguồn sáng. Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân c không là c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là: v  (n: chiết suất...

Chủ đề:

Bình luận(1) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cảm biến và đo lường - Chương 2: CẢM BIẾN QUANG

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Chương 2 : CẢM BIẾN QUANG I. Á NH SÁNG – CÁC ĐẶC TÍN H C Ơ BẢN C ỦA Á NH SÁNG 1. Tính chất ánh sáng Cảm biến quang đ ược sử dụng để chuyển thô ng tin từ ánh sáng nhìn thấy ho ặc tia hồng ngo ại ( IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu đ iện. Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt. Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chu yển đ iện tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử nguồ n sáng. Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân c không là c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là: v  (n: chiết suất của môi trường) n v Tần số  và bước só ng  của ánh sáng liên hệ với nhau qua b iểu thức:    c trong chân không    Phổ ánh sáng đ ược b iểu d iễn như hình: Tính chất hạt thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Ánh sáng b ao gồ m các hạt p ho to n mang năng lượng Wphụ thu ộc d uy nhất vào tần số. W h(h = 6 ,6256.10-24 Js: hằng số P lanck) Các đ ại lượng quang học: Thông lượng: o at (W) - Cường độ: o at/steradian (W/Sr) - Độ chói: (W /Sr.m2) - - Năng lư ợng: J Trang II-1
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Một điện t ử đ ượ c liên kết có năng lượ ng Wl, đ ể giải p hóng các điện tử khỏ i nguyên tử cần cung cấp cho nó năng lượ ng b ằng v ới năng lượng liên kết Wl. Vậ y một đ iện tử sẽ đ ược giải p hóng nếu nó hấp thụ mộ t p hoto n có năng lượn g W W≥ W1 , nghĩa là     hay   hc h W1 Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải hc phóng điện tử đ ược tính từ biểu thức: s  W1 Hiện tượng hạt dẫn điện đ ược giải p hóng dưới tác d ụng của ánh sáng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu gọi là hiệu ứng q uang đ iện. Đây là nguyê n lý cơ b ản củ a cảm biến qu ang. II. CÁC LOẠI N GU ỒN SÁNG Một cảm b iến q uang chỉ hiệu quả khi p hù hợp với b ức xạ ánh sáng (p hổ, thông lượng, tần số). Nguồn sáng q u yết đ ịnh mọi đặc tính của b ức xạ. 1. Đèn sợi đốt vonfram Cấu tạo: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh có chứa khí halogen để giảm bay hơi sợi đốt. Đặc đ iểm: Nhiệt độ giống như nhiệt độ của một vật đen tuyệ t đố i. - Phổ p hát xạ nằm trong vùng nhìn thấ y. - Quang t hông lớn, d ải phổ rộ ng. - Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ nhanh chóng. - Tu ổi thọ thấp, d ễ vỡ. - 2. Diode phát quang Cấu tạo: gồ m nố i P-N. Năng lượng giải p hóng do sự tái hợp các hạt dẫn làm phát sinh các photon. Đặc đ iểm: Thời gian hồi đ áp nhỏ cỡ ns, có khả năng biến đ iệu tần số cao . - Phổ ánh sáng ho àn toàn xác định, độ tin cậ y cao. - Tu ổi thọ cao, kích thước nhỏ, t iêu thụ năng lượng thấp. - - Quang t hông tương đối nhỏ và nhạ y với nhiệt độ là nhược điểm hạn chế p hạm vi sử dụng của đèn. 3. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, r ất đ ịnh hướng và đặc b iệt là tính liên kết m ạnh (cùng p hân cực, cùng p ha). Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ p hát ra là sự chồng chéo của r ất nhiều sóng thành p hần có phân cực và p ha khác nhau. Trong trường hợp tia laser, tất cả các b ức xạ cấu thành đ ều cùng p ha cùng p hân cực và b ởi vậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và rất xác đ ịnh. Đặc điểm chính của laser là có bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác đ ịnh, qu ang thông lớn, có khả năng nhận đ ược chùm t ia rất m ảnh với độ đ ịnh hướng cao, tru yền đi kho ảng cách rất lớn. Trang II-2
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường III. CÁC CẢ M BIẾN QUANG 1. Tế bào quang dẫn Tế b ào q uang dẫn là mộ t loại cảm b iến q uang có đ ộ nhạ y cao. Đặc trư ng củ a t ế b ào qu ang d ẫn là sự p hụ thu ộc điện trở vào thông lượng và p hổ của bức xạ. Cơ sở vật lý của t ế bào q uang dẫn là hiện tượng giải p hóng hạt dẫn đ iện tron g vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng đ ộ dẫn đ iện của vật liệu. Vật liệu chế tạo: thường được chế tạo từ các bán d ẫn đa tinh thể đ ồng nhất ho ặc đơn tinh thể, b án d ẫn riêng ho ặc p ha tạp. Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, Pb Te - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết ho ặc p ha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, - AsIn, P In, Cd HgTe.  Các tính chất cơ bản của cảm biến quang dẫn: a. Điện trở tố i RCO: Phụ thuộc vào hình d ạng, kích thước, nhiệt độ và b ản chất lý hóa của vật liệu. Khi chiếu sáng RCO giảm rất nhanh, quan hệ điện trở và độ sáng là phi tuyến. PbS, CdS, CdSe có RCO rất lớn: từ 104Ω đến 10 5Ω ở 25 oC. SbIn, AbS n, Cd HgTe có RCO rất nhỏ: 10 Ω – 103 Ω ở 25oC. b. Độ nh ạy: I Định ngh ĩa theo biểu thứ c: S ( )  (A /W )  (  ) I: dòng quang đ iện chạy q ua tế bào qu ang dẫn (A)  : thông lượngánh sáng (W)  Khi đ ặt vào điện áp U = 1 0V, diện tích bề mặt tế bào bằng 1cm2, độ nhạ y phổ có giá trị nằm trong kho ảng 0,1  10 A/W.  N h ư ợ c đ iể m c ủ a t ế b à o q u a n g d ẫ n o Đặc tính đ iện trở - đ ộ rọi là p hi tuyến. T hời gian đáp ứng tương đ ối lớn. o Các thông số không ổ n định (lão hó a). o Độ nhạ y p hụ thuộ c vào nhiệt đ ộ, một số lo ại đòi hỏ i p hải làm nguộ i.  Ứng dụng: Không dùng tế bào q uang d ẫn đ ể xác đ ịnh quang thông, thông thường d ùng để phân biệt mức sáng khác nhau: trạng thái tối – sáng ho ặc xung ánh sáng. Việc đ o đ iện trở củ a tế b ào quang d ẫn cần p hải có mạch đo như áp dụng cho một cảm biến thụ động, nghĩa là p hải cấp dòng không đổ i và lắp mạch theo sơ đ ồ đ o thế, d ùng cầu Wheatsto ne, khu ếch đ ại thu ật toán. Trong thự c tế các tế b ào quang d ẫn thư ờng đ ược ứng dụng trong hai tr ường hợp : Điều khiển relay. - Thu tín hiệu quang: tế bào quang điện có thể được sử dụng đ ể biến đổi xung - Trang II-3
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường quang thành xung điện. Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đ ếm vật, đo tốc độ quay đĩa. a) b) Minh họ a dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle: a) Điều khiển trực tiếp; b) Điều khiển thô ng qua transistor khuếch đ ại 2. Photodiode a. Cấu tạo Lớp tiếp xú c củ a hai bán d ẫn loại n và loại p (nối P-N) tạo nên vùng hiếm, ở đ ó tồn tại đ iện trường và hình thành rào điện thế Vb. Khi không có điện áp bên ngoài đặt lên nố i P-N, dòng đ iện q ua nố i I = 0. Thực tế có tồ n tại d òng I gồm các thành p hần: - Dòng khu ếch tán các hạt dẫn đ iện đa số có năng lượng đủ lớn vượt qua rào đ iện t hế. Dòng hạt dẫn điện thiểu số chu yển độ ng dưới tác độ ng của đ iện trường. - Khi đặt đ iện áp Vd lên d iode, chiều cao của hàng rào thế sẽ thay đổi kéo t heo tha y đ ổi đ ộ rộ ng vùng hiếm. Dò ng qu a nố i:  qV  I  I 0 exp  d   I0 I0 : dòng hạt d ẫn đ iện thiểu số  kT    kT Khi đ iện áp ngược Vd đ ủ lớn  Vd   26mV  (ở 300K), dòng khu ếch tán các hạt q   dẫn đ a số rất nhỏ có thể bỏ qua. Dòng ngư ợc Ir = I0. Khi chiếu sáng diode bằng ánh sáng có bước sóng  < S sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để ngăn cản quá trình tái hợp phải tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Điều này chỉ xảy ra trong vùng hiếm làm tăng d òng ngược Ir. Để đến đ ược vùng hiếm, ánh sáng phải đi qua một b ề d ầy củ a chất b án dẫn và tiêu hao năng lượ ng theo biểu thức  ( x)  0 e  x Trong đ ó α10 5cm-1, thông lượ ng giảm 6 3% khi đ i qua bề d ầy 10 3 A . Trang II-4
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trong thực tế, p hiến bán d ẫn được làm rất mỏng và vùng hiếm đủ rộ ng để hấp thụ năng lượ ng ánh sáng hữu hiệu nhất. Chẳng hạn, các diode PIN có lớp b án d ẫn I giữa 2 lớp P và N. Chỉ cần đ iện áp ngược vài vo lt đủ để mở rộng vùng hiếm ra toàn bộ lớp bá n dẫn I. Các vật liệu thường dùng để chế tạo photodiode là: Si, Ge: vùng ánh sáng nhìn thấy và hồ ng ngo ại gần. - GaAs, InAs, InSb, HgCdTe: vùng hồ ng ngo ại. - b. Nguyên tắc hoạt động  Chế độ quang dẫn Vd Rm Nguồ n ES phân cực ngược diode, Rm d ùng đ ể đo tín hiệu. Đặt đ iện áp Vd < 0 lên d iode, dòng ngược Ir chạy q ua diode:  qV  Ir  I0 exp  d   I0  I p  kT  Ip : d òng đ iện sin h ra khi ánh sáng đ i đến vùng hi ếm q(1  R) Ip  0 exp( X) hc Khi đ iện áp ngược đủ lớ n: Ir I0 + Ip, nghĩa là Ir # Ip. ES  Vd Phương trình mạch đ iện: ES = Vr – Vd mà Vr = RmIr  Ir  Rm Chế đ ộ này là tu yến tính, Vr tỉ lệ với thông lượng.  Chế độ quang thế Chế độ này k hông có đ iện áp ngoài đặt vào d iode. Diode ho ạt độ ng như b ộ chu yển đổ i năng lượng, người ta đo điện áp hở mạch VOC hoặc dòng ngắn m ạch ISC. Điện áp hở mạch VOC - Khi chiếu sáng, Ip tăng, rào đ iện thế giảm một lượng Vb. Sự giảm này làm d òng hạt d ẫn đa số tăng lên, Ir= 0 , nghĩa là:  kT  I p   qVb  I 0 exp    I 0  I p  0  Vb  q ln 1  I     kT    0 Trang II-5
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường kT  I p  Đo đ iện áp hai đ ầu d iode trong chế đ ộ hở mạch: VOC  ln 1   q  Io  kT  Ip  Khi chiếu sáng yếu: : VOC  ln    q  Io  Độ lớn VOC p hụ thuộc vào thông lượng có dạng h àm logarit. - Dòng ngắn mạch ISC Nối ngắn mạch 2 đ ầu diode bằng đ iện trở Rm nhỏ hơn điện trở đ ộng rd của nối P-N. Dòng ngắn mạch ISC = Ip, t ỷ lệ với t hông lượ ng. c. Độ nhạy I p q(1  R) exp(X) S()     hc Thông thường S() nằm trong kho ảng từ 0,1 đ ến 1 A/W. d. Sơ đồ sử dụng Tù y mục đ ích sử dụng mà ta chọ n chế độ ho ạt động.  Chế độ quang dẫn Có độ tu yến tính cao, thời gian đáp ứng ngắn, băng thô ng rộ ng.  R Sơ đồ cơ sở: VO  R m  1  2  I r -  R1  Để giảm nhiễu tăng đ iện trở Rm Sơ đồ tác động nhanh: - Trang II-6
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường  Chế độ quang thế Đặc điểm: Có thể làm việc ở chế độ tu yến tính ho ặc lo garit phụ thu ộc vào tải. - Ít nhiễu. - Thờ i gian đ áp ứng lớn, dải thông hẹp. - Nhạ y cảm với nhiệt độ ở chế độ lo garit. - Sơ đ ồ tu yến tính: Sơ đồ logarit: 3. Phototransistor Phototransisto r là các transistor lo ại NPN mà cực nền có thể được chiếu sáng, không có điện áp tại cực nền B mà chỉ có đ iện áp tại C, nối B-C phân cực ngược. Khi nố i B-C được chiếu sáng, nó hoạt độ ng giống p hotod iode ở chế đ ộ quang d ẫn. Dòng ngược Ir = Io + Ip Io: d òng ngược tố i Ip: d òng qu ang đ iện khi được chiếu sáng Dòng cự c t hu : Ic = Ir = Io + Ip Như vậ y, có thể co i p ho totransisto r là tổ hợp củ a một photo d iode và mộ t transistor. Pho tod iod e cung cấp d òng đ iện tại cực nền còn transistor cho hiệu ứng khu ếc h đại . dIC Độ nhạy: S  , ở bước sóng tương ứng điểm cực đại, S có giá trị từ 1 ÷ 100 A/W. d Ứng d ụng p hototransistor trong chế đ ộ chu yển mạch đ ể điều khiển: a) Rơle, b)Rơle (sau khu ếch đại), c) Cổng logic d) Th yristo Trang II-7
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường 4. Phototransistor hiệu ứng trường – photo FET Trong p hoto FET, ánh sáng đ ược d ùng đ ể tha y đ ổi đ iện trở kênh, đ iều khiển dòng ID do sự thay đ ổi đ iện áp VGS. IDSS: dòng thoát khi VGS = 0 VP : đ iện áp nghẽn Nố i P-N giữ a cổng và kênh khi đ ược chiếu sáng giố ng như p hotodiode, tạo dòng ngược. Dòng ngược Ir = Io + Ip Io: dòng ngượ c tố i Ip: dòng quang đ iện khi được chiếu sáng; Ip = Sg. Sg: đ ộ nhạ y d iode cổ ng kênh Dòng Ir chạ y qu a điện trở Rg tạo ra đ iện thế VGS VGS = Rg(Io + Ip) - Vg Ứng d ụng p hoto FET là đ iều khiển điện áp bằng ánh sáng. Khi đ iện áp VDS nhỏ , photo FET giố ng như một đ iện trở RDS. Giá trị RDS đượ c xác đ ịnh b ởi đ iện thế VGS có thể được điều chỉnh nhờ thay đ ổi thông lượng ánh sáng chiếu tới. IV. CẢM BIẾN Q UANG PHÁT XẠ Cảm b iến này b iến đổi tín hiệu q uang thành tín hiệu đ iện nhờ hiện t ượng p hát xạ điện tử ra khỏi vật liệu p hotocatode. Số lượng đ iện t ử thoát khỏ i cato de tỉ lệ vớ i q uang thông chiếu vào. 1. Cơ chế hoạt động Cơ chế p hát xạ xả y ra theo b a giai đ oạn: Hấp thụ photo n và giải p hóng đ iện tử. - Điện tử đ ượ c giải p hóng di chuyển đ ến bề mặt. - Điện tử t ho át ra khỏi b ề mặt vật liệu catode. - Sau khi được giải p hóng, đ iện tử d i chu yể n ngẫu nhiên theo mọ i hướng, do đó ch ỉ Trang II-8
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường có một số ít đến đ ược bề mặt. Trong q uá trình di chuyển chúng va chạm với các đ iệ n tử và photon khác làm mất đ i một p hần năng lượng. Sự p hát xạ chỉ có thể xảy ra nếu đ iệ n tử thắng đ ược rào t hế p hân cách vật liệu với môi trường b ên ngoài. Do đ ó, hiệu su ất p hát xạ điện tử thường nhỏ hơn 1 0%. 2. Vật liệu chế tạo AgOCs nhạ y trong vùng hồng ngo ại. Cs3Sb, (Cs)Na2KSb, K2 CsSb nhạ y trong vùng ánh sáng nhìn thấ y và tử ngo ại. Cs2Te, Rb 2Te và CsT nhạ y trong vùng tử ngo ại. Hiệu su ất phát xạ đ iện tử các vật liệu trên từ 1 ÷ 20%. Ngoài ra, các hợp chất nhóm III – V như GaAsxSb1-x, Ga1-xInxAs, InAsxP1-x nhạy trong vùng hồng ngoại, hiệu su ất đạt tới 3 0%. 3. Tế bào quang điện chân không Là một ố ng hình trụ, có một cửa sổ, đ ược hút chân khô ng tới áp su ất 1 0-610 -8 mmHg. Trong ố ng đ ặt một cato de có khả năng p hát xạ và một anod e. Đặc tu yến của tế b ào quang điện chân khô ng có hai vùng rõ rệt: - Vùng đ iện tích không gian, khi đ iện áp tăng d òng đ iện tăng nhanh. Một phần nhỏ đ iện tích phát xạ đ ẩy đ iện tử mới p hát xạ b ật trở lại làm hạn chế d òng anode. - Vùng bão hò a, d òng điện ít p hụ thu ộc vào điện áp mà chỉ p hụ thuộc vào q uang thông. Tế b ào q uang đ iện được sử d ụ ng trong vùng bão hòa, khi đó nó giố ng nh ư nguồn d òng, chỉ p hụ thu ộc vào q uang thông. Điện trở trong tế b ào q uang đ iện chân không rất lớn cỡ 10 10Ω. Độ nhạy nằm trong kho ảng 10 100 mA/W. Trang II-9
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường 4. Tế bào quang điện chất khí Cấu tạo giố ng tế b ào qu ang đ iện chân không, chỉ khác là b ên trong có khí trơ, thường là ar go n có áp suất 1 0-1 10-2mmHg. Khi Vak < 20V, đặc tuyến giố ng như trường hợp tế bào quang đ iện chân không. Khi Vak cao, đ iện tử chu yể n đ ộng với vận tốc cao làm io n hóa chất khí. Dòng anode tăng lên từ 5 10 lần. 5. Thiết bị nhân quang Khi bề mặt ano de bị bắn p há bởi các đ iện tử có năng lượng đủ lớn có thể p hát xạ điện tử (phát xạ thứ cấp). Nếu số đ iện tử p hát xạ thứ cấp lớn hơ n số đ iện tử tới thì có khả năng khu ếch đ ại tín hiệu. Các đ iện tử tớ i (điện tử sơ cấp ) được p hát xạ từ một photo catode bị chiếu sáng. Sau đó chúng đ ược tiêu tụ (bằng phương pháp tĩnh điện) trên đ iện cực thứ nhất của dãy điện cực. Dãy đ iện cực có b ề mặt đ ược p hủ bằng vật liệu có khả năng b ức xạ thứ cấp . Các điện cực m ắc nối tiếp nhau và đ ược cu ng cấp điện thế thông q ua các cầu đ iện trở sao cho điện t ử thứ cấp phát ra t ừ đ iện cực thứ k sẽ bị hút về điện cực thứ k+1, đ ồng thời số đ iệ n tử thứ cấp phát ra ở điện cực này cũ ng tăng lên. V. CÁP Q UANG 1. Cấu tạo và tính chất Gồm một lõ i chiết suất n1, b án kính 10 100m và vỏ chiết suất n2 < n1 dày 50 m. Vật liệu chế tạo cáp quang: SiO2 tinh khiết ho ặc p ha tạp nhẹ. - Thủ y tinh, S iO2 và p hụ gia N2 O3, B2O3, PbO. - - Polym e. Minh họ a mặt cắt của cáp quang Trang II-10
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường a) b) a ) Khúc xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường b) Phản xạ toàn phần trong cáp quang Định luật phản xạ: n1sin1 = n2sin2 n  Điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần: 1  arcsin  2   0  n1  Với đ iều kiện như vậy, trong trường hợp cáp quang tia sáng sẽ b ị giam giữ trong lõi và được tru yền đ i b ằng phản xạ liên tục nối nhau. 2. Ứng dụng a. Truyền thông tin  Tránh đ ược tín hiệu đ iện từ ký sinh, đ ảm b ảo cách đ iện giữa mạch p hát và mạch thu. Thông tin được tru yền chủ yếu b ằng cách mã hó a xung ánh sáng, đôi khi b iến đ iệu biên độ ho ặc tần số ánh sáng. b. Quan sát và đo lường Cáp quang cho p hép qu an sát ho ặc đo đ ạc ở nhữ ng nơi khó tiếp cận hoặc các mô i trư ờng độ c hại, có thể d ẫn ánh sáng đ ến những vị trí mà đ iều kiện bì nh thườ ng án h sáng không tới được. Ngu ồn sáng p hát ra bứ c xạ d ưới dạng xung đ ể phân b iệt với ánh sáng môi trường. Bức xạ được dẫn đ ến khu vực đo. Tại khu vực đ o, b ức xạ thay đổi p hụ thuộc vào đại lư ợng đo: - Thay đổi cường độ khi đ o vị trí - Thay đổi tần số tỉ lệ với tốc đ ộ quay. - Thay đổi bước sóng trong trườ ng hợp đ o nhiệt đ ộ, p hổ phụ thu ộc vào nồng đ ộ các tia p hản xạ đ ược truyền trở lại và được đưa đ ến cảm b iến. Một số trườ ng hợp, tín hiệu q uang dướ i tác độ ng của đại lượ ng vật lý làm tha y đổi tính chất của cáp qu ang, làm thay đổi điều kiện truyền sóng. Lúc này cáp quang đóng vai trò cảm b iến chuyển đ ổi đại lư ợng vật lý thành tín hiệu quang. Trang II-11
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường VI. MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN QUANG THÔNG DỤNG 1. Cảm biến quang (photo sensor) Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin ánh sáng nhìn thấy đ ược hoặc tia hồng ngoại IR (Infrared) và tia tử ngoại UV (Ultra Violet) thành tín hiệu điện. Phổ của ánh sáng được biểu diễn như sau: Color Violet Blue Green Yellow Orange Red 400-450 450 -500 500-550 550 -600 600-650 650 -700 (nm) Tín hiệu ngõ ra của cảm biến quang tỷ lệ với cường độ ánh sáng. Một vài cảm biến quang tích hợp ngay cả phát và thu ánh sáng. Cảm biến quang có thể phân thành cảm biến quang học, cảm biến hồng ngoại, cảm biến laser tùy thuộc vào chiều dài bước sóng của năng lượng ánh sáng được tối ưu hoá. Trong phần này, chúng ta chỉ giới thiệu về quang trở và cảm biến hồng ngoại. a) Quang trở (photoresistor): Quang trở Giá trị điện trở của quang trở thay đổi khi có cường độ ánh sáng chiếu vào bề mặt của nó thay đổi. Giá trị điện trở của quang trở càng giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào nó càng mạnh và ngược lại. Độ nhạy của quang trở được xác định: I K photo  R Trong đó: I: sự thay đổi của cường độ ánh sáng. R: sự thay đổi điện trở. Đặc tuyến của quang trở Trang II-12
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường b) Cảm biến hồng ngoại (infrared sensor): Cảm biến hồng ngoại được chia ra làm ba loại: cảm biến hồng ngoại thường, cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ (infrared reflective sensor) và cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ (infrared slotted sensor). Cảm biến hồng ngoại thường: đ ây là lo ại cảm biến mà bộ phát và b ộ thu không được kết cấu trong một khối. Bộ phát và b ộ thu là hai b ộ phận riêng rẽ. Bộ phát hồng ngoại (infrared emitter) có hình d ạng như một diode phát quang (LED-light emitting diode). Tuy nhiên ánh sáng phát ra là hồng ngoại. Bộ thu hồng ngoại (infrared detector) là một transistor quang. Khi transistor nhận đ ược ánh sáng hồng ngoại, nó sẽ dẫn bảo hòa. Ngược lại, nó sẽ ngưng d ẫn. Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ: là một linh kiện hình thang được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt. Trong linh kiện này có tích hợp một transistor quang (rất nhạy đối với ánh sang hồng ngoại) và một bộ phát ánh sáng hồng ngoại. Khi có vật thể chắn sáng, lượng ánh sáng này sẽ được phản hồi đến transistor quang nhờ vật chắn sáng -> transistor quang bắt đầu dẫn và ngược lại Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ Cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ: nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống với cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ. Tuy nhiên, lư ợng ánh sáng phát ra sẽ được đưa trực tiếp đến transistor quang. Nếu không có vật thể chắn sáng giữa bộ p hát và bộ thu (transistor quang), transistor có thể nhận ho àn toàn lượng ánh sáng đ ược phát ra. Lúc này, transistor sẽ dẫn bảo hòa. Ngược lại, khi có vật thể chắn sáng giữa bộ phát và thu, lúc này transistor sẽ không nhận được lượng ánh sáng phát ra. Cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ Trang II-13
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường 2. Thiết kế mạch cảm biến dò đường dùng quang trở hoặc IR Một loại cảm biến thường đ ược sử dụng trong thiết kế robot tự động dò đ ường đó là cảm biến quang (có 2 loại: d ùng quang trở hoặc hồng ngoại), nguyên tắc cơ b ản là biến đổi sự cảm nhận về ánh sáng thành tín hiệu điện. Cụ thể d ưới đây là cảm biến hồng ngoại: điện trở của sensor sẽ giảm xuống khi ánh sáng hồng ngoại chiếu lên nó, một cảm biến tốt nếu có điện trở gần bằng 0 khi ánh sáng IR chiếu vào. Sơ đồ nguyên lý mạch sensor Ta lợi dụng tính năng này của sensor để thiết kế một cầu chia thế như hình vẽ, khi đó RSENSOR điện thế tạo chân “2” của bộ so sánh là VSENSOR  VCC RSENSOR  R1 Một mạch sensor tốt là mạch có sự thay đổi điện thế lớn nhất tại chân “2” của bộ so sánh khi có ánh sáng IR chiếu vào sensor và không chiếu vào sensor. Để có đ ược mức điện thế thay đổi này lớn nhất thì việc chọn lựa R1 là hết sức quan trọng. Gọi a là điện trở của sensor khi không có ánh sáng, b là điện trở của sensor khi có ánh sáng chiếu vào và Vdiff là sự thay đổi điện thế, ta có: a b Vdiff  VCC (  ) a  R1 b  R1 Vậy để tìm đ ược R1 ta vẽ Vdiff theo R1 ( a,b : ta tìm đ ược từ phép đo) và sau đó chọn giá trị R1 tương ứ ng với giá trị lớn nhất của Vdiff Ví dụ: Ta có a = 920K, b = 15K khi đó ta vẽ Vdiff Trang II-14
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Đặc tuyến của giá trị R1 Vậy dựa vào đồ thị ta chọn R1 = 100K Trong mạch cảm biến trên, ta thấy có một bộ so sánh. Chức năng chủ yếu của bộ so sánh này là đ ảm bảo ngõ ra chỉ có 2 mức điện thế (0 hoặc 1) tương ứng với sự thay đổi khoảng điện thế của cảm biến. Bộ so sánh có 2 ngõ vào: một ngõ (-) nối với ngõ ra của cảm biến, ngõ còn lại (+) V được nối với một điện thế tham chiếu, điện thế này của chính bằng diff 2 Trang II-15

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2434 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.