Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

Chia sẻ: Hayato Gokudera | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) nhằm trang bị cho học viên các trường nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế một số loại cảm biến... Giáo trình kết cấu gồm 5 bài và chia thành 2 phần, phần 1 trình bày những nội dung về: cảm biến và ứng dụng; cảm biến quang; cảm biến nhiệt độ; cảm biến tiệm cận;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: ĐIỆN- ĐIỆN TĐH GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: ..................... ngày ... tháng ... năm .... của ........................................) Ninh Bình, năm 2019 1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đƣợc phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. LỜI GIỚI THIỆU Trong thời đại phát triển của khoa học và kỹ thuật ngày nay cảm biến đóng vai trò quan trọng. Nó là thành phần quan trọng nhất trong các thiết bị đo hay trong các hệ thống điều khiển tự động. Có thể nói rằng nguyên lý hoạt động của một cảm biến, trong nhiều trƣờng hợp thực tế cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phƣơng pháp điều khiển tự động Giờ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến. Chúng có măt trong các hệ thống tự động phức tạp, ngƣời máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm năng lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng. Cảm biến cũng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trò chơi điện tử...Do đó việc trang bị cho mình một kiến thức về các loại cảm biến là nhu cầu không thể thiếu của các kỹ thuật viên, kỹ sƣ của ngành điện cũng nhƣ những ngành khác. Môn học kỹ thuật cảm biến là môn học chuyên môn của học viên ngành điện công nghiệp. Môn học này nhằm trang bị cho học viên các trƣờng nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế một số loại cảm biến... Với các kiến thức đƣợc trang bị học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng nhƣ trong đời sống. Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phƣơng tiện để học tiếp các môn chuyên môn của ngành điện nhƣ Trang bị điện, PLC... Môn học này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, các học viên của các ngành khác quan tâm đến lĩnh vực này. Ninh Bình, ngày tháng năm 2019 Biên soạn Trần Thị Thu Hằng 2
MỤC LỤC Thứ tự Nội dung Trang 1 BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 7 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến 7 2. Phạm vi ứng dụng. 10 2 BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG 11 1. Ánh sáng và phép đo quang 11 2. Các linh kiện quang 14 3. Các loại cảm biến quang 22 4. Thực hành và ứng dụng 26 3 BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 32 1.Đại cƣơng 32 2. Nhiệt điện trở với Plantin và Nickel 34 3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 40 4. IC cảm biến nhiệt độ 44 5. Nhiệt điện trở NTC và PTC 46 6. Thực hành ứng dụng 49 4 BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN 54 1.Cảm biến tiệm cận 54 2. Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 78 3. Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến tiệm cận 84 5 BÀI 4: CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ 88 GÓC QUAY 88 1.Một số phƣơng pháp đo vòng quay cơ bản 105 2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 109 3. Thực hành ứng dụng 6 BÀI 5: CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC 113 1.Cảm biến đo lƣu lƣợng 113 2. Cảm biến trọng lƣợng 135 3. Cảm biến đo áp suất 149 3
MÔ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã Mô-đun: MĐ 20 I. VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN: - Vị trí: Môn học Kỹ thuật cảm biến học sau các môn học, mô đun Kỹ thuật cơ sở, đặc biệt các môn học, mô đun: Mạch điện, Điện tử cơ bản, Đo lƣờng điện và Trang bị điện. - Tính chất: Là môn học chuyên môn nghề II. MỤC TIÊU MÔ ĐUN: Về kiến thức: - Phân tích đƣợc cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến; - Phân tích đƣợc nguyên lý của mạch điện cảm biến. Về kỹ năng: - Biết lựa chọn các loại cảm biến cho phù hợp yêu cầu cụ thể; - Biết đấu nối các loại cảm biến trong mạch điện cụ thể; - Sử dụng các loại cảm biến để thiết kế các mạch điện; - Vận dụng sáng tạo trong quá trình sản xuất. Về thái độ: - Cẩn thận, sáng tạo đảm bảo an toàn cho ngƣời cũng nhƣ các linh kiện,thiết bị khác; - Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ. III. Nội dung mô đun 1. Nội dung tổng quát và phân bổ thời gian: Thời gian (giờ) Tổng Lý Thực Kiểm Số số thuyết Hành tra* Thí T Tên chƣơng, mục nghiệm T Bài tập Thảo luận Bài mở đầu: Cảm biến và ứng 2 2 dụng 1 1. Khái niệm cơ bản về các bộ 1 1 cảm biến. 2. Phạm vi ứng dụng 1 1 4
2 Bài 1: Cảm biến quang 28 10 16 2 1. Ánh sáng và phép đo quang 1 1 2. Các linh kiện quang 5 3 2 3. Các loại cảm biến quang 5 2 3 4. Thực hành ứng dụng 15 4 11 Kiểm tra 2 2 Bài 2: Cảm biến nhiệt độ. 16 6 10 1. Đại cƣơng 1 1 2. Nhiệt điện trở với Platin và 3 1 2 Nickel 3.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu 2 1 1 3 silic 4. IC cảm biến nhiệt độ. 1 1 5. Nhiệt điện trở NTCvà PTC. 3 1 2 6. Thực hành ứng dụng 6 1 5 Bài 3: Cảm biến tiệm cận 20 6 12 2 1.Cảm biến tiệm cận 4 2 2 2.Một số loại cảm biến xác định 2 1 1 4 vị trí, khoảng cách khác. 3. Thực hành ứng dụng 12 3 9 Kiểm tra 2 2 Bài 4: Cảm biến đo vận tốc 10 3 7 vòng quay và góc quay. 1.Một số phƣơng pháp đo vận tốc 1 1 vòng quay cơ bản. 5 2.Cảm biến đo góc với tổ hợp có 2 1 1 điện trở từ. 3.Thực hành ứng dụng. 7 1 6 Bài 5: Một số loại cảm biến 14 3 9 2 khác 4 1 3 1. Cảm biến lƣu lƣợng. 4 1 3 6 2. Cảm biến trọng lƣợng. 4 1 3 3. Cảm biến áp suất. 2 Kiểm tra 2 Cộng 90 30 54 6 5
BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu: Cảm biến là phần tử có chức năng tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu vào ở dạng này và đƣa ra tín hiệu ở dạng khác. Cảm biến đƣợc ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Mục tiêu: - Trình bày đƣợc khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng của cảm biến. - Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp. Nội dung chính: 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến 1.1. Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lý, các đại lƣợng không có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng có tính chất điện có thể đo và xử lý đƣợc. Các đại lƣợng cần đo thƣờng không có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, vận tốc... ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trƣng mang tính chất điện (nhƣ dòng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lƣợng cần đo. Đặc trƣng (s) là hàm của đại lƣợng cần đo: s = f(m) s: Đại lƣợng đầu ra hay còn gọi là đáp ứng đầu ra của cảm biến. m: đại lƣợng đầu vào hay là kích thích (có nguồn gốc đại lƣợng cần đo) f :là hàm truyền đạt của cảm biến. Hàm truyền đạt thể hiện cấu trúc của thiết bị biến đổi và thƣờng có đặc tính phi tuyến, điều đó làm giới hạn khoảng đo và dẫn tới sai số. Trong trƣờng hợp đại lƣợng đo biến thiên trong phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phƣơng pháp tuyến tính hoá từng đoạn). Thông thƣờng khi thiết kế mạch đo ngƣời ta thực hiện các mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền sao cho hàm truyền đạt chung của hệ thống là tuyến tính. Giá trị (m) đƣợc xác định thông qua việc đo đạc giá trị (s) Các tên khác của cảm biến: Sensor, cảm biến đo lƣờng, đầu dò, van đo lƣờng, bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi. Trong hệ thống đo lƣờng và điều khiển, các bộ cảm biến và cảm biến ngoài việc đóng vai trò các “giác quan“ để thu thập tin tức còn có nhiệm vụ là “nhà phiên dịch“ để cảm biến các dạng tín hiệu khác nhau về tín hiệu điện. Sau đó sử dụng các mạch đo lƣờng và xử lý kết quả đo vào các mục đích khác nhau. 6
Đối tượng điều Cảm biến đo Mạch đo Chỉ thị và khiển lường điện xử lý Thiết bị thừa Mạch so hành sánh Chuẩn so sánh Hình 1.1: Sơ đồ nguyên tắc của một hệ thống đo lường điều khiển Tham số trạng thái X của đối tƣợng cần điều khiển dƣợc cảm biến sang tín hiệu Y nhờ cảm biến đo lƣờng. Tín hiệu ngõ ra đƣợc mạch đo điện xử lý để đƣa ra cơ cấu chỉ thị. Trong các hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu ngõ ra của mạch đo điện sẽ đƣợc đƣa trở về sau khi thực hiện thao tác so sánh với chuẩn một tín hiệu ngõ ra sẽ khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tƣợng. * Trong hệ thống đo lƣờng điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thƣờng do máy tính đảm nhiệm. Đối tượng Cảm biến đo Viđiều khiển PC điều khiển lường (Microcontroler) thiết bị thừa hành chương trìnhđiều khiển Hình 1.2: Hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC Trong sơ đồ trên đối tƣợng điều khiển đƣợc đặc trƣng bằng các biến trạng thái và đƣợc các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của các bộ cảm biến đƣợc phối ghép với vi điều khiển qua dao diện. Vi điều khiển có thể hoạt động độc lập theo chƣơng trình đã đƣợc cài đặt sẵn hoặc phối ghép với máy tính. Đầu ra của bộ vi điều kiển đƣợc phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình hay đối tƣợng điều khiển. Chƣơng trình cho vi điều khiển đƣợc cài đặt thông qua máy tính hoặc các bộ nạp chƣơng trình chuyên dụng. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đối tƣợng), trong đó bộ cảm biến đóng vai trò phần tử cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đƣa ra tín hiệu quá trình. Từ sensor là một từ mƣợn tiếng la tinh Sensus trong tiếng Đức và tiếng Anh đƣợc gọi là sensor, trong tiếng Việt thƣờng gọi là bộ cảm biến.Trong kỹ thuật còn hay gọi thuật ngữ đầu đo hay đầu dò Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng các tín hiệu và kích thích. 1.2. Phân loại các bộ cảm biến. 7
Cảm biến đƣợc phân loại theo nhiều tiêu chí. Ngƣời ta có thể phân loại cảm biến theo các cách sau: 1.2.1. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích. - Theo hiện tƣợng vật lý: + Nhiệt điện. + Quang điện + Quang từ. + Điện từ + Từ điện - Theo hiện tƣợng hóa học + Biến đổi hóa học + Biến đổi điện hóa + Phân tích phổ - Theo hiện tƣợng sinh học + Biến đổi sinh hóa + Biến đổi vật lý + Hiệu ứng trên cơ thể sống 1.2.2. Theo dạng kích thích. - Âm thanh: Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền song, …vv - Điện: Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trƣờng, điện dẫn, hằng số điện môi,…vv - Từ: Từ trƣờng, từ thông, cƣờng độ từ trƣờng, độ từ thẩm, …vv - Cơ: Vị trí, lực,áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, mô men, khối lƣợng, tỷ trọng, độ nhớt, …vv - Quang: Phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, …vv - Nhiệt: Nhiệt độ, thông lƣợng, tỷ nhiệt,…vv 1.2.3. Theo tính năng. - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ 1.2.4. Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trƣờng, khí tƣợng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp 8
- Dân dụng - Giao thông vận tải…vv 1.2.5. Theo thông số của mô hình mạch điện thay thế - Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. - Cảm biến thụ động (không có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động khi chúng cần có thêm nguồn năng lƣợng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, còn loại tích cực thì không cần. Đƣợc đặc trƣng bằng các thông số: R, L, C… tuyến tính hoặc phi tuyến. 2. Phạm vi ứng dụng. Các bộ cảm biến đƣợc sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật. Các bộ cảm biến đặc biệt và rất nhạy cảm đƣợc sử dụng trong các thí nghiệm các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hoá ngƣời ta sử dụng các loại sensor bình thƣờng cũng nhƣ đặc biệt 9
BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG Mã bài : MĐ 20.01 Giới thiệu: Trong tất cả các đại lƣợng vật lý, ánh sáng là một trong các đại lƣợng đƣợc quan tâm nhiều nhất vì ánh sáng đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất quan trọng của vật chất. Ánh sáng có thể làm ảnh hƣởng đến các đại lƣợng chịu tác dụng của nó. Một trong những đặc điểm quan trọng của ánh sáng là làm thay đổi một cách liên tục các đại lƣợng chịu ảnh hƣởng của nó. Bởi vậy trong công nghiệp cũng nhƣ đời sống hàng ngày sử dụng rất nhiều các thiết bị liên quan đến ánh sáng. Mục tiêu: - Phân biệt đƣợc các loại cảm biến quang. - Tra bảng xác định các thông số của cảm biến quang. - Lắp ráp các mạch ứng dụng cảm biến quang - Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung chính: 1.Ánh sáng và phép đo quang 1.1. Tính chất của ánh sáng 1.1.1. Tính chất sóng của ánh sáng. Dạng sóng của ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự dịch chuyển điện tử giữa các mức năng lƣợng của nguyên tử của nguồn sáng. Các sóng này truyền đi trong chân không với tốc độ c = 3x10^8 km/s. Trong vật chất ánh sáng có vận tốc là: V = c/n (với n là chiết suất của môi trƣờng). Bƣớc sóng  của ánh sáng đƣợc tính theo công thức:  = V/f Trong chân không:  = c/f Trong đó f là tần số của ánh sáng. Trên hình 2.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải mầu của phổ. 0,395 0,456 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750 Cực tím tím lam lục vàng da cam đỏ h. ngoại (m) 0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100 Cực tím h. ngoại h. ngoại xa (Hz) 3.1016 3.1015 3.1014 3.1013 3.1012 trông thấy h. ngoại gần Hình 2.1 phổ ánh sáng 1.1.2. Tính chất hạt của ánh sáng. Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tƣơng tác của nó với vật chất. ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng lƣợng W phụ thuộc duy nhất vào tần số: 10
W = h. f với h = 6,6256.10-34J.s : là hằng số Planck. Trong vật chất, các điện tử e liên kết trong nguyên tử có xu hƣớng muốn đƣợc giải phóng khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần phải cung cấp cho nó một năng lƣợng bằng năng lƣợng Wl hc liên kết Wl: nghĩa là: v  hay:   . Bƣớc sóng ngƣỡng (bƣớc sóng lớn h Wl nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tƣợng giải phóng điện tử đƣợc tính: hc s  (2.1) Wl 1,237 hay: s m   (2.2) Wl eV  Nói chung loại điện tích đƣợc giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu đƣợc chiếu sáng. Hiện tƣợng giải phóng hạt dẫn dƣới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu.Đây là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang. 1.2. Các đơn vị đo quang 1.2.1. Các đơn vị đo năng lƣợng. - Năng lƣợng bức xạ Q (J) là năng lƣợng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dƣới dạng bức xạ. - Thông lƣợng của ánh sáng  (W) là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ. dQ  (W) (2.3) dt Cƣờng độ ánh sáng I là luồng năng lƣợng phát ra theo một hƣớng cho trƣớc dƣới một đơn vị góc khối. d I (W/steradian) (2.4) d - Độ chói năng lƣợng L là tỉ số giữa cƣờng độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hƣớng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hƣớng đó : dA n = dA.cos ( góc chứa P và mặt phẳng dA) . dI L (W/steradian.m2) (2.5) dAn -Độ rọi năng lƣợng E là tỉ số giữa luồng năng lƣợng thu đƣợc bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó. d E (W/m2) (2.6) dA 1.1.2. Đơn vị đo thị giác. Độ nhạy của mắt ngƣời đối với bƣớc sóng khác nhau là khác nhau. Hình 2.2 biểu diễn độ nhạy tƣơng đối của mắt V(). Các đại lƣợng thị giác có thể nhận đƣợc từ đại lƣợng năng lƣợng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(). Đối với một bƣớc sóng cho trƣớc hệ số K tỉ lệ thuận với độ nhạy tƣơng đối của mắt. Theo quy ƣớc 11
một luồng ánh sáng năng lƣợng 1W với bƣớc sóng max tƣơng ứng với luồng ánh sáng bằng 680 lumen. Vậy K = 680. Theo quy ƣớc và qua thực nghiệm đã xác định giới hạn của vùng ánh sáng nhìn thấy là  = (380 – 760) nm. V() . 1,0 0,5 (m) 0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Hình 2.2 đƣờng cong độ nhạy tƣơng đối của mắt ngƣời Bảng 2.1 Các đơn vị đo quang cơ bản. Đơn vị Đ/v đo thị giác Đ/v năng lƣợng Luồng (thông Lumen (lm) Oát (W) lƣợng) Cƣờng độ Candela (cd) Oát/st (W/st) Độ chói Candela/m2 (cd/m2) W/st.m2 Độ rọi Lumen/m2 W/m2 Năng lƣợng Lumen.s (lm.s) Jun (J) 1.3. Nguồn sáng Việc sử dụng một cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng. Nguồn sáng sẽ quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ. 1.3.1. Đèn sợi đốt volfram. Nhiệt độ của sợi dây volfram giống nhƣ nhiệt độ của vật đen tuyệt đối, có đƣờng cong phổ phát xạ nằm trong vùng phổ nhìn thấy. Đèn sợi đốt volfram có đặc điểm sau: - Thông lƣợng lớn, dải phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc. - Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ một cách nhanh chóng, tuổi thọ thấp, dễ vỡ. 1.3.2. Điot phát quang. Loại đèn này hoạt động theo nguyên lý năng lƣợng giải phóng do tái hợp điện tử – lỗ trống ở gần tiếp giáp P-N sẽ làm phát sinh các photon. Điot phát quang có đặc điểm sau: - Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns (do vậy có khả năng điều biến đến tần số cao của nguồn nuôi), phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao, độ bền cao. - Thông lƣợng tƣơng đối nhỏ ( 102mw). - Nhƣợc điểm là nhạy với nhiệt độ làm hạn chế phạm vi sử dụng của đèn. 1.3.3. Laze 12
Laze là nguồn sáng đơn sắc, độ chói lớn, có định hƣớng và đặc biệt là tính liên kết mạnh. (đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát ra là sự chồng chéo của rất nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác nhau). Đối với tia laze tất cả các bức xạ cấu thành đều cùng pha cùng phân cực và bởi vậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và xác định. Đặc điểm chính của laze là có bƣớc sóng đơn sắc hoàn toàn xác định, thông lƣợng lớn, có khả năng nhận đƣợc chùm tia rất mảnh và độ định hƣớng cao, truyền đi trên khoảng cách rất lớn. 2. Các linh kiện quang 2.1. Tế bào quang dẫn 2.1.1. Vật liệu chế tạo Các tế bào quang dẫn dùng để chế tạo cảm biến thƣờng đƣợc làm từ các loại bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn thuần hoặc bán dẫn pha tạp. Bán dẫn đa tinh thể nhƣ: Cds, Cdse, CdTe, Pbs, Pbse, PbTe.., Bán dẫn đơn tinh thể nhƣ: Ge, Si thuần hoặc pha tạp với Cu, Au, In. 2.2.2. Các đặc trƣng a. Điện trở Điện trở của tế bào quang dẫn chia làm 2 dạng : - Điện trở khi tế bào quang dẫn không đƣợc chiếu sáng gọi là điện trở tối : Rt ( là loại điện trở có giá trị điện trở tang khi bị che tối) - Điện trở khi tế bào quang dẫn đƣợc chiếu sáng gọi là điện trở sáng Rs (là loại ddienj trở có giá trị điện trở giảm khi có ánh sáng chiếu vào). Rs giảm rất nhanh khi cƣờng độ của ánh sáng chiếu vào tăng. b. Độ nhạy Tế bào quang dẫn là loại cảm biến không tuyến tính, độ nhạy của nó giảm khi bức xạ tăng. Độ nhạy của tế bào quang dẫn tỉ lệ thuận với điện áp đặt vào (kể cả khi điện áp nhỏ). Độ nhạy của tế bào quang dẫn tỉ lệ nghịch với nhiệt độ đặt lên nó 2.2.3. Ứng dụng Thực tế ngƣời ta không dùng tế bào quang dẫn để đo ánh sáng mà dùng để phân biệt mức ánh sáng nhƣ sáng, tối hay xung ánh sáng. Tế bào quang dẫn có một số nhựơc điểm sau: - Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lƣợng ánh sáng. - Thời gian hồi đáp lớn. - Nhanh già hoá - Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ - Một số loại đòi hỏi phải làm mát 13
a. Ứng dụng điều khiển rơ le   D Cds Role Cds Role D Vr T Hình 2.3:Điều khiển trực tiếp Hình 2.4:Điều khiển gián tiếp b. Thu tín hiệu quang(đếm vật thể).  LED LED Cds Hiển thị Đếm Vr T Hình 2.5: Sơ đồ đếm vật thể 2.2. Photodiot và Phototranzitor 2.2.1. Photodiot a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động * Cấu tạo A N P A K N K Hình 2.6 cấu tạo của Photodiot PD đƣợc cấu tạo từ hai lớp bán dẫn PN ghép lại với nhau. Lớp bán dẫn loại P đƣợc chế tạo rất mỏng để ánh sáng có thể xuyên tới lớp tiếp giáp. Khi phân cực ngƣợc cho photodiot nếu có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp giáp sẽ làm biến đổi tính chất điện của lớp tiếp giáp dẫn tới dòng điện ngƣợc tăng lên. Vật liệu chế tạo PD là Si hoặc Ge cho vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần. b. Các chế độ hoạt động PD có 2 chế độ hoạt động : chế độ quang dẫn và chế độ quang thế . 14
* Chế độ quang dẫn. Là chế độ sử dụng dòng điện ngƣợc của photodiot dòng điện này biến đổi phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng chiếu vào. PD E R Hình 2.7 Sơ đồ chế độ quang dẫn * Chế độ quang thế : Là chế độ PD làm việc nhƣ một máy phát điện ; trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào diot , chế độ này ngƣời ta có thể đo điện thế hở mạch Voc và dòng ngắn mạch Isc.  VOC R  IOC Hình 2.8 Sơ đồ chế độ quang thế c. Độ nhạy : PD có độ nhạy phụ thuộc vào phổ của ánh sáng chiếu vào nó . PD đạt độ nhạy cao trong khoảng phổ từ ( 0,4 - 1,2 )  m và nó đạt độ nhạy cao nhất ở khoảng phổ 0,8  m. Độ nhạy của PD còn phụ thuộc vào nhiệt độ. d. Ứng dụng : *. Chế độ trong quang dẫn : Chế độ này đƣợc đăc trƣng bởi độ tuyến tính cao, thời gian hồi đáp ngắn và dải thông số lớn . EC R2 Ir IO+ UR IO- Im Rm R1 Hình 2.9. sơ đồ đo dòng Ir 15
 R  Ur  Em.1  2 .Ir  R1  + PD đƣợc chiếu sáng : Ir tăng  Ur tăng EC+ + PD bị che tối : Ir giảm  Ur giảm I R¬ le PD R2 VR1 Hình 2.10. Sơ đồ điều khiển ( tranzitor ) VR1 UB  .Ec RPD  VR1 + PD đƣợc chiếu sáng : I tăng  RPD giảm  UB tăng  T dẫn mạnh + PD bị che tối : I giảm  RPD tăng  UB giảm  T dẫn yếu. *. Chế độ quang thế : Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tùy thuộc vào tải , ít nhiễu , thời gian hồi đáp lớn , dải thông nhỏ , nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit. Sơ đồ đo dong ngắn mạch :Isc ( chế độ tuyến tính ). Rm ISC OA UR PD Rm Hình 1.11. Sơ đồ đo dòng ngắn mạch Trong chế độ này : Ur = Rm .Isc Sơ đồ logarit đo điện áp hở mạch :Uoc PD R1 UOC IO- IO+ OA UR I2 R2 Hình 1.12. Sơ đồ logarit đo điện áp hở mạch  R  Trong chế độ này : Ur  1  2 .Uoc  R1  16
2.2.2. PHOTO TRANZITO a. Cấu tạo và nguyên lý Photo tranzito (PT) là tranzito Si loại NPN có vùng bazơ đựơc chiếu sáng , không có điện áp đặt lên cực bazơ chỉ có điện áp đặt lên cực collector , đồng thời chuyển tiếp B – C phân cực ngƣợc. Khi chuyển tiếp B - C đƣợc chiếu sáng nó sẽ hoạt động giống photodiot ở chế độ quang dẫn . IB = IO + IP IO : dòng tối IP : dòng quang điện  Ic    1.I B    1IO    1I P Nhƣ vậy , có thể coi Photo tranzito nhƣ tổ hợp của 1 tranzito và 1 photodiot . PT cung cấp dòng quang điện tại bazơ , còn tranzito cho hiệu ứng khuyếch đại . PT PD T Hình 1.13. Cấu tạo của phôttranzito b. Độ nhạy: Độ nhạy của PT phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng chiếu vào tiếp giáp B – C và nhiệt độ đặt lên PT. c. Ứng dụng : PT có thể dùng làm bộ chuyển mạch hoặc phần tử tuyến tính , ở chế độ chuyển mạch nó có ƣu điểm so với PD là cho phép điều khiển một cách trực tiếp dòng chạy qua tƣơng đối lớn và có độ nhạy cao . ngƣợc lại , ở chế độ tuyến tính thì PD có ƣu điểm là độ tuyến tính tốt hơn. * Photo tranzito chuyển mạch. Trong trƣờng hợp này sử dụng thông tin nhị phân : có hay không có bức xạ , hoặc là ánh sáng lớn hơn hay không lớn hơn ngƣỡng (chiếu sáng ).tranzito khóa hoặc bão hòa cho phép điều khiển trực tiếp nhƣ một rơle , điều khiển một cổng logic hoặc một thyristo . EC+ Rơ le Hình 1.14.Điều khiển trực tiếp rơle 17
+Ec RƠLE D T2 R1 hhh Hình 1.16. Điều khiển gián tiếp rơle EC+ EC+ R1 PT Th R2 C Hình 1.17. Điều khiển thyristo b. Chế độ tuyến tính EC+ T2 T1 VR V Hình 1.18. Sơ đồ đo thông lƣợng ánh sáng 18
2.3 Cáp quang 2.3.1. Cấu tạo và các tính chất chung Các vật liệu sử dụng để chế tạo cáp quang bao gồm : - SIO2 tinh khiết hoặc có pha tạp nhẹ - Thủy tinh , thành phần của SIO2 và phụ gia Na2O3, B2O3, PbO… ánh sáng dùng trong cáp quang cũng là ánh sáng hồng ngoại hay laze. ánh sáng phát ra ở thiết bị phát điện đƣợc dẫn truyền qua một sợi quang đƣa tới đầu phát, ánh sáng đập vào vật thể phản xạ lại đầu thu qua sợi quang về mạch xử lý. Cảm biến sợi quang có ƣu điểm là đầu thu phát nhỏ,gọn, phần xử lý đƣợc đặt trong tủ điện, do đó thực tế, ngƣời ta thƣờng dùng cảm biến sợi quang ở những vị trí có không gian hẹp hoặc nhân biết các vật thể có kích thƣớc bé. 2.3.2. Ứng dụng a. Truyền thông tin ứng dụng quan trọng nhất của cáp quang là truyền thông tin, truyền thông tin dƣới dạng tín hiệu ánh sáng lan truyền trong cáp quang là để tránh các tín hiệu điện từ ký sinh hoặc để đảm bảo cách điện giữa mạch điện nguồn và máy thu. Trong những ứng dụng này thông tin đƣợc truyền đi chủ yếu bằng cách mã hóa các xung ánh sáng. b. Quan sát và đo bằng phương tia quang học Cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằng các phƣơng pháp quang ở những chỗ khó tiếp cận hoặc trong môi trƣờng độc hại.sử dụng cáp quang có thể dẫn ánh sáng đến những vị trí mà trong điều kiện bình thƣờng ánh sấng không thể chiếu tới đƣợc. Nguồn sáng phát ra bức xạ trong một số trƣờng hợp dƣới dạng xung để phân biệt với ánh sáng môi trƣờng các bức xạ này đƣợc dẫn đến khu vực đo bằng cáp quang. Các đại lƣợng cần đo có thể là vị trí của một vật thể, tốc độ quay, thành phần hóa học của môi trƣờng nhiệt độ…trong khu vực đo tia bức xạ bị thay đổi và sự thay đổi này phụ thuộc đại lƣợng đo. Các tia phản xạ trở lại đƣợc thu bằng cáp quang khác và đƣợc đƣa đến một cảm biến quang, cảm biến sẽ cung cấp tín hiệu điện chứa thông tin về đại lƣợng cần đo. Nhƣ vậy, cáp quang đóng vai trò cảm biến để chuyển sự thay đổi của đại lƣợng vật lý cần đo thành tín hiệu quan 3. Các loại cảm biến quang Ký hiệu Hình 1.19. Ký hiệu cảm biến 3.1. Cảm biến quang kiểu thu phát tách biệt. 19
a. Cấu trúc + + out Đóng Mạch LED (PT/PD) cắt out tạo dao động LED Mạch Khuếch Tách - - nhận đại AC sóng Hình 1.20. Sơ đồ cấu trúc b. Nguyên lý Bên phát khi có nguồn cung cấp thì mạch dao động tạo xung điều khiển, đƣa tín hiệu (ánh sáng) tới LED. Khi LED phát tín hiệu thì bên thu LED thu PT hoặc PD thu đƣợc tín hiệu và đƣa tới mạch nhận sau đó qua mạch khuếch đại để khuếch đại tín hiệu trƣớc khi đƣa tới bộ phận tách sóng để điều khiển bộ phận đóng cắt để mở hoặc khóa tranzitor (UR = 0 hoặc 1). Khi có vật thể che khuất PD hoặc PT không thu đƣợc tín hiệu nên mạch nhận không có tín hiệu và không có tín hiệu đến mạch khuếch đại, mạch tách sóng và mạch đóng cắt do vậy không có tín hiệu để khóa hoặc mở tranzitor (U R = 1hoặc 0). Tín hiệu đầu ra mạch dao động Ánh sáng tới PD (PT) Tín hiệu ra mạch nhận Tín hiệu ra mạch tách sóng Tín hiệu ra mạch đóng cắt Tín hiệu ra cảm biến c. Đặc điểm - Khoảng cách phát hiện vật có thể dài tới 10m - Khả năng phân biệt sáng tối cao - Khả năng phát hiện vật không phụ thuộc vào mầu sắc và bề mặt vật thể. d. Lắp đặt cảm biến 20