CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 2

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

569
lượt xem 204
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

II. CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG: II.1 Cảm Biến Quang: a. Tế bào quang dẫn: Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang dụa trên hiện tượng quang dẫn do kết qủa của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 2

 2 R  R3  (V1 − V2 ) (1.8) Vo =  1 + Ra  R2  b. Maïch caàu Wheatstone: Maïch caàu Wheastone duøng ñeå chuyeån ñoåi söï thay ñoåi cuûa ñieän trôû thaønh söï thay ñoåi cuûa ñieän aùp treân ñöôøng cheùo cuûa caàu. Vcc Ro Ro V+ V- Ro Rx Hình 1.11 Maïch caàu wheastone Trong sô ñoà treân Rx = Ro + ∆R, ∆U = V+ - V- ta coù:  R + ∆R 1  ∆R (1.9) ∆U =  o  2 R + ∆R − 2 Vcc = 2(2 R + ∆R ) Vcc  o  o Neáu ∆R
- Caùc vaät lieäu duøng ñeå cheá taïo teá baøo quang daãn: Teá baøo quang daãn thöôøng ñöôïc cheá taïo baèng caùc baùn daãn ña tinh theå ñoàng nhaát hoaëc ñôn tinh theå, baùn daãn rieâng hoaëc pha taïp. + Ña tinh theå: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe. + Ñôn tinh theå: Ge, Si tinh khieát hoaëc pha taïp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe. - Caùc tính chaát cô baûn cuûa teá baøo quang daãn: + Ñieän trôû vuøng toái Rco phuï thuoäc vaøo hình daïng, kích thuôùc, nhieät ñoä vaø baûn chaát lyù hoaù cuûa vaät lieäu Caùc chaát PbS, CdS, CdSe coù ñieän trôû vuøng toái raát cao ( töø 104 tôùi 105 Ω ôû 25 oC), trong khi ñoù SbIn, AbSs, CdHgTe coù ñieän trôû vuøng toái töông ñoái nhoû (töø 10 tôùi 103 Ω ôû 25 oC). Khi ñöôïc chieáu saùng, ñieän trôû cöûa teá baøo quang daãn giaûm xuoáng raát nhanh, quan heä giöõ ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn vaø ñoä roïi saùng: (2.1) Rc = a.Φ −γ Trong ñoù a laø haèng soá phuï thuoäc vaøo vaät lieäu, 0,5 < γ < 1 Hình 2.1 bieåu dieãn quan heä giöõa ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn vaø ñoä roïi saùng. Ñieän trôû (Ω) 108 107 106 105 104 103 102 0,01 0,1 1 10 1001000 Ñoä roïi saùng (Lux) Hình 2.1 Quan heä giöõa ñoä roïi vaø ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn. Kyù heäu cuûa teá baøo quang daãn treân sô ñoà maïch: Hình 2.2 Kyù hieäu cuûa teá baøo quang daãn. + Ñoä nhaïy cuûa teá baøo quang daãn: Neáu ñaët leân 2 ñaàu teá baøo quang daãn moät ñieän aùp V, thì seõ coù moät doøng ñieän I chaûy qua teá baøo quang daãn: VVγ (2.2) I= =Φ Rc a 64
dI γV γ −1 (2.3) Ñoä nhaïy cuûa teá baøo quang daãn: s= = Φ dΦ a - ÖÙng duïng cuûa teá baøo quang daãn: Teá baøo quang daãn thöôøng ñöôïc duøng ñeå ño thoâng löôïng aùnh saùng, keát hôïp vôùi nguoàn saùng ñeå doø vaïch daãn döôøng cho caùc mobile robot, ñoïc maõ vaïch, phaùt hieän ñaàu baêng traéng, ñieàu khieån ñoùng ngaét Relay theo aùnh saùng … Sô ñoà duøng teá baøo quang daãn: VCC K2 5 3 4 1 2 1 RELAY SPDT 2 Q1 3 Hình 2.3 Sô ñoà ñieàu khieån ñoùng ngaét Relay theo aùnh saùng. VCC R3 Tôùi VÑK hoaëc PLC 1 2 Q1 3 Hình 2.4 Sô ñoà duøng teá baøo quang daãn ñeå doø vaïch daãn ñöôøng, ñoïc maõ vaïch. b. Photo Diode: Caáu taïo cuûa Photo Diode: - Photo diode laø moät tieáp giaùp p-n ñöôïc taïo bôûi caùc vaät lieäu nhö: Ge, Si (Cho vuøng aùnh saùng troâng thaáy vaø gaàn hoàng ngoaïi), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vuøng aùnh saùng hoàng ngoaïi. p Vuøng ngheøo Chuyeån tieáp E n Hình 2.5 Caáu taïo cuûa photo diode Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa photo diode: - Khi chieáu saùng leân beà maët cuûa photo diode baèng böùc xaï coù böôùc soùng nhoû hôn böôùc soùng ngöôõng λ < λn seõ xuaát hieän theâm caùc caëp ñieän töû – loã troáng. Ñeå caùc haït naøy coù theå tham gia vaøo ñoä daãn vaø laøm taêng doøng ñieän I ta caàn phaûi ngaên quaù trình taùi hôïp cuûa chuùng 65
nghóa laø phaûi nhanh choùng taùch caëp ñieän töû – loã troáng döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng. Quaù trình naøy chæ xaûy ra trong vuøng ngheøo vaø laøm taêng doøng ñieän ngöôïc. Caùc cheá ñoä laøm vieäc cuûa photo Diode: - + Cheá ñoä quang daãn: ÔÛ cheá ñoä quang daãn, photo diode ñöôïc phaân cöïc ngöôïc bôûi nguoàn söùc ñieän ñoäng E nhö hình 2.6: Ir R E Hình 2.6 Sô ñoà phaân cöïc cho photo diode o cheá ñoä quang daãn. Doøng ñieän ngöôïi Ir chaûy qua diode:    qV (2.4) I r = I o 1 − exp d  + I p  kT   Trong ñoù: Io laø doøng ngöôïc khi khoâng ñöôïc chieáu saùng, Ip laø doøng quang ñieän khi aùnh saùng ñaït tôùi vuøng ngheøo sau khi qua beà daøy X cuûa lôùp baùn daãn. (2.5) I p = K Φ o e − αX K laø haèng soá, Φo laø quang thoâng beân ngoaøi lôùp baùn daãn, α ≈ 105 [cm-1], Vd laø ñieän aùp ngöôïc treân photo diode. Khi Vd coù giaù trò ñuû lôùn thì: Ir = Io + Ip (2.6) do Io thöôøng raát nhoû neân: Ir = Ip (2.7) Vieát phöông trình cho maïch ñieän hình 2.6: E = VR - Vd (2.8) Trong ñoù VR = R*Ir laø ñöôøng thaúng taûi. E Vd (2.9) Hay Ir = + RR -35 -30 -E -20 -15 -10 -5 0 0 Vd 10 50 µW 20 100 µW 30 70 ∆ 150 µW 50 200 µW 60 Ir Hình 2.7 Ñaëc tuyeán I-V vôùi thoâng löôïng aùnh saùng khaùc nhau cuûa photo diode 66
+ Cheá ñoä quang theá: Trong cheá ñoä quang theá khoâng coù ñieän aùp ngoaøi ñaët vaøo Diode, Photo diode laøm vieäc nhö moät nguoàn doøng. Ñaëc ñieåm cuûa cheá ñoä naøy laø khoâng coù doøng ñieän toái do khoâng coù nguoàn phaân cöïc ngoaøi neân giaûm ñöôïc aûnh höôûng cuûa nhieãu vaø cho pheùp ño quang thoâng nhoû. Khi chieáu saùng vaøo photo diode, caùc haït daãn khoâng cô baûn taêng leân laøm cho haøng raøo ñieän theá cuûa tieáp giaùp thay ñoåi moät löôïng ∆vb khi ñoù ta coù :   q∆vb (2.10) 1 − e kT  + I p = 0 Io     kT  I p  (2.11) ln1 +  ∆vb = q Io    Söï thay ñoåi cuûa haøng raøo ñieän theá naøy ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch ño hieäu ñieän theá treân photo diode ôû traïng thaùi hôû maïch. Khi chieáu saùng yeáu: Ip > Io, (2.11) ñöôïc vieát laïi: ∆vb = ln  q  Io   Vôùi Ip ñöôïc tính trong coâng thöùc (2.5) thì töø (2.13) ta thaáy ñieän aùp treân photo diode phuï thuoäc theo thoâng löôïng aùnh saùng theo haøm logarit. Ñoä nhaïy cuûa photo diode : - dI p (2.14) = Ke −αX s= dΦ o ÖÙng duïng cuûa photo diode: - Photo diode coù theå duøng ñeå do thoâng löôïng aùnh saùng, doø vaïch daãn ñöôøng cho mobile robot, laøm daàu thu trong caùc boä ñieàu khieån töø xa khoâng daây, ñoïc maõ vaïch … Sô ñoà duøng photo diode: E R2 4 2 - 1 Vo 3 + R3 R1 8 Hình 2.7 Sô ñoà maïch ño doøng ngöôïc ôû cheá ñoä quang daãn 67
R2 4 2 - 1 Vo 3 + R1 8 Hình 2.8 Sô ñoà maïch ño duøng photo diode ôû cheá ñoä quang theá c. Photo transistor: - Caáu taïo cuûa photo transistor vaø nguyeân lyù laøm vieäc cuûa transistor quang: Photo transistor laø transistor silic loaïi NPN maø vuøng Bazô coù theå ñöôïc chieáu saùng. Khi khoâng coù ñieän aùp ñaët leân Bazô chæ coù ñieän aùp ñaët leân Colector, chuyeån tieáp BC bò phaân cöïc ngöôïc nhö hình 2.9. E E R R Q3 NPN BCE a. Sô ñoà phaân cöïc transistor quang b. Sô ñoà töông ñöông Hình 2.9 Sô ñoà maïch ño duøng transistor quang Ñieän aùp ñaët vaøo E haàu nhö taäp trung toaøn boä treân chuyeån tieáp B-C, trong khi ñoù söï cheânh leäch ñieän theá giöõa Emiter vaø Bazô laø khoâng ñaùng keå (VBE ≈ 0,7 [V]). Khi chuyeån tieáp B-C ñöôïc chieáu saùng, noù hoaït ñoäng nhö moät photo diode ôû cheá ñoä quang daãn vôùi doøng ñieän ngöôïc Ir = Io + Ip (2.15) Trong (2.15) Io laø doøng ñieän ngöôïc khi khoâng ñöôïc chieáu saùng, Ip laø doøng quang ñieän khi coù quang thoâng Φo chieáu qua beà daøy X cuûa lôùp baùn daãn. Ir ñoùng vai troø nhö doøng Bazô, noù seõ gaây neân doøng colector Ic: Ic = (β +1)Ir (2.16) Trong (2.16) thì β laø heä soá khueách ñaïi doøng khi emiter noái chung. - Ñoä nhaïy cuûa transistor quang: dI c = K (β + 1)e −αX (2.17 ) s= dΦ o ÖÙng duïng cuûa transistor quang: - Transistor coù theå duøng ñeå do thoâng löôïng aùnh saùng, doø vaïch daãn ñöôøng cho mobile robot, laøm ñaàu thu trong caùc boä ñieàu khieån töø xa khoâng daây, ñoïc maõ vaïch, cheá taïo caùac caûm bieán quang trong coâng nghieäp … 68
d. Caûm bieán quang trong coâng nghieäp: Caáu taïo: - Caûm bieán quang trong coâng nghieäp coù caáu taïo: R Ñaàu thu Ñaàu phaùt Maïch ra Led phaùt Thaáu kính Transistor hoäi tuï quang thu Hình 2.10.a Caáu taïo caûm bieán quang daïng thu phaùt rieâng Led phaùt R Caûm bieán thu phaùt Maïch ra Thaáu kính Transistor hoäi tuï quang thu Hình 2.10.b Caáu taïo caûm bieán quang daïng thu phaùt chung Caûm bieán goàm phaàn phaùt vaø phaàn thu: + Phaàn phaùt goàm moät Led phaùt hoàng ngoaïi hoaëc Led phaùt Laser coù vai troø nhö moät nguoàn phaùt saùng ñöôïc ñaët ngay taïi tieâu ñieåm cuûa thaáu kính hoäi tuï phaùt nhaèm muïc ñích taïo ra chuøm tia saùng heïp ñeå chieáu ñeán phaàn thu. + Phaàn thu goàm moät transistor quang ñaët ngay taïi tieâu ñieåm cuûa thaáu kính hoäi tuï thu mhaèm muïc ñích taäp trung aùnh saùng roïi vaøo trasistor. Transistor quang thu ñöôïc noái vaøo maïch ra ñeå taïo möùc logic ôû ngoõ ra. Moät soá daïng cuûa caûm bieán quang trong coâng nghieäp: - Sau ñaây laø moät soá daïng cuûa caûm bieán quang trong coâng nghieäp cuûa haõng OMRON: Hình 2.11 Daïng thu phaùt chung khoâng caàn göông phaûn xaï 69
Hình 2.12 Daïng thu phaùt rieâng Hình 2.13 Daïng thu phaùt chung coù göông phaûn xaï Hình 2.14 Caûm bieán sôïi quang Caáu truùc maïch ra cuûa caûm bieán quang: - Ñeøn baùo 10- Naâu Taûi 3 Maïch caûm Ñen 1 bieán 8 GND Xanh Hình 2.15 Mach ra kieåu transistor NPN cöc thu ñeå hôû Ñeøn baùo 10-30VDC Naâu 8 Maïch caûm Ñen 1 bieán 3 Taûi Xanh GND Hình 2.16 Maïch ra kieåu transistor PNP cöïc thu ñeå hôû 70
II.2 ÖÙng Duïng Cuûa Caûm Bieán Quang: Duøng ñeå phaùt hieän söï vaät theå taïi moät vò trí ñònh tröôùc nhö: duøng laøm caûm bieán phaùt hieän saûn phaåm trong caùc heä thoáng ñeám saûn phaåm vaø ñoùng thuøng saûn phaåm, phaùt hieän coù vaät caûn ngay cöûa cuûa caùc thang maùy, phaùt hieän chaám ñen ôû ñaàu bao bì trong caùc heä thoáng ñoùng goùi saûn phaåm, duøng ño toác ñoä ñoäng cô … Döôùi ñaây trình baøy moät soá ví duï öùng duïng cuûa caûm bieán quang. Ví duï 1: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän ñaàu vaät lieäu trong heä thoáng caét saûn phaåm theo chieàu daøi Dao caét Caûm bieán quang Hình 2.17 Heä thoáng caét saûn phaåm theo chieàu daøi Ví duï 2: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän chaám ñen ôû ñaàu bao bì trong heä thoáng ñoùng goùi saûn phaåm. Caûm bieán quang Chaám ñen Rulo keùo phim PLC Dao caét Hình 2.18 Heä thoáng ñoùng goùi bao bì Ví duï 3: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän hoäp söõa baèng giaáy treân baêng taûi trong heä thoáng saûn xuaát söõa hoäp giaáy (hình 2.19). 71
Ví duï 4: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän thöïc phaåm treân baêng taûi trong heä thoáng saûn xuaát thöïc phaåm (hình 2.20). Ví duï 5: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän chai treân baêng taûi vaø ñeám soá chai trong heä thoáng saûn xuaát nöôùc uoáng (hình 2.21). Thaønh baêng taûi Baêng taûi Caûm bieán quang Hoäp söõa Hình 2.19 Phaùt hieän hoäp söõa. Caûm bieán quang Thöïc phaåm Baêng taûi Hình 2.20 Phaùt hieän thöïc phaåm. Baêng taûi Göông phaûn xaï Caûm bieán quang Hình 2.21 Phaùt hieän vaø ñeám chai. 72