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

Chia sẻ: Hayato Gokudera | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) nhằm trang bị cho học viên những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế một số loại cảm biến. Giáo trình được 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 - Trung cấp): Phần 1 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG 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 TRUNG CẤP (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 được 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 trường hợp thực tế cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phương 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, người máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường. Cảm biến cũng được 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 sư của ngành điện cũng như 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 trường 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 được trang bị học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như trong đời sống. Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện để học tiếp các môn chuyên môn của ngành điện như 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 cương 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 phương 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 lưu lượng 113 2. Cảm biến trọng lượng 135 3. Cảm biến đo áp suất 149 3
MÔ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã Mô-đun: MĐ 18 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 lường điện và Trang bị điện. - Tính chất: Là môn học chuyên môn nghề II. MỤC TIÊU MÔ ĐUN: Về kiến thức: - Phân tích được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến; - Phân tích được 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 người cũng như 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 chương, mục nghiệm T Bài tập Thảo luận Bài mở đầu: Cảm biến và ứng 2 2 1 dụng 4
1. Khái niệm cơ bản về các bộ 1 1 cảm biến. 2. Phạm vi ứng dụng 1 1 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 cương 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 phương 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 lưu lượng. 4 1 3 6 2. Cảm biến trọng lượng. 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 đưa ra tín hiệu ở dạng khác. Cảm biến được ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Mục tiêu: - Trình bày được 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 lượng vật lý, các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có tính chất điện có thể đo và xử lý được. Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vận tốc... ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (như dòng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo: s = f(m) s: Đại lượng đầu ra hay còn gọi là đáp ứng đầu ra của cảm biến. m: đại lượng đầu vào hay là kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) f :là hàm truyền đạt của cảm biến. Hàm truyền đạt thể hiện cấu trúc của thiết bị biến đổi và thường có đặc tính phi tuyến, điều đó làm giới hạn khoảng đo và dẫn tới sai số. Trong trường hợp đại lượng đo biến thiên trong phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn). Thông thường khi thiết kế mạch đo người 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) được xác định thông qua việc đo đạc giá trị (s) Các tên khác của cảm biến: Sensor, cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường, bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi. Trong hệ thống đo lường 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 lường và xử lý kết quả đo vào các mục đích khác nhau. 6
Đối tượng Cảm biến đo Mạch đo Chỉ thị và điều khiển lường điện xử lý Thiết bị Mạch so thừa 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 tượng cần điều khiển dược cảm biến sang tín hiệu Y nhờ cảm biến đo lường. Tín hiệu ngõ ra được mạch đo điện xử lý để đưa ra cơ cấu chỉ thị. Trong các hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu ngõ ra của mạch đo điện sẽ được đưa 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 tượng. * Trong hệ thống đo lường điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường 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 tượng điều khiển được đặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của các bộ cảm biến được phối ghép với vi điều khiển qua dao diện. Vi điều khiển có thể hoạt động độc lập theo chương trình đã được cài đặt sẵn hoặc phối ghép với máy tính. Đầu ra của bộ vi điều kiển được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình hay đối tượng điều khiển. Chương trình cho vi điều khiển được cài đặt thông qua máy tính hoặc các bộ nạp chương trình chuyên dụng. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đối tượng), 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 đưa ra tín hiệu quá trình. 7
Từ sensor là một từ mượn tiếng la tinh Sensus trong tiếng Đức và tiếng Anh được gọi là sensor, trong tiếng Việt thường 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. Cảm biến được phân loại theo nhiều tiêu chí. Người 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 tượng vật lý: + Nhiệt điện. + Quang điện + Quang từ. + Điện từ + Từ điện - Theo hiện tượng hóa học + Biến đổi hóa học + Biến đổi điện hóa + Phân tích phổ - Theo hiện tượng 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 trường, điện dẫn, hằng số điện môi,…vv - Từ: Từ trường, từ thông, cường độ từ trường, độ từ thẩm, …vv - Cơ: Vị trí, lực,áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, mô men, khối lượng, tỷ trọng, độ nhớt, …vv - Quang: Phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, …vv - Nhiệt: Nhiệt độ, thông lượng, tỷ nhiệt,…vv 1.2.3. Theo tính năng. - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính 8
- Công suất tiêu thụ 1.2.4. Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - 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 lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, còn loại tích cực thì không cần. Được đặc trưng bằng các thông số: R, L, C… tuyến tính hoặc phi tuyến. 2. Phạm vi ứng dụng. Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật. Các bộ cảm biến đặc biệt và rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các loại sensor bình thường cũng như đặc biệt 9
BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG Mã bài : MĐ 18.01 Giới thiệu: Trong tất cả các đại lượng vật lý, ánh sáng là một trong các đại lượng được 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 hưởng đến các đại lượng 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 lượng chịu ảnh hưởng của nó. Bởi vậy trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày sử dụng rất nhiều các thiết bị liên quan đến ánh sáng. Mục tiêu: - Phân biệt được 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 lượng 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 trường). Bước sóng  của ánh sáng được 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. 10
Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng lượng W phụ thuộc duy nhất vào tần số: 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 hướng muốn được 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 lượng bằng năng lượng Wl hc liên kết Wl: nghĩa là: v  hay:   . Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn h Wl nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính: hc s  (2.1) Wl 1,237 hay:  s m   (2.2) Wl eV  Nói chung loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu được chiếu sáng. Hiện tượng giải phóng hạt dẫn dưới 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 lượng. - Năng lượng bức xạ Q (J) là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ. - Thông lượng của ánh sáng  (W) là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ. dQ  (W) (2.3) dt Cường độ ánh sáng I là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước dưới một đơn vị góc khối. d I (W/steradian) (2.4) d - Độ chói năng lượng L là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó : dAn = dA.cos ( góc chứa P và mặt phẳng dA) . dI L (W/steradian.m2) (2.5) dAn -Độ rọi năng lượng E là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được 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. 11
Độ nhạy của mắt người đối với bước sóng khác nhau là khác nhau. Hình 2.2 biểu diễn độ nhạy tương đối của mắt V(). Các đại lượng thị giác có thể nhận được từ đại lượng năng lượng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(). Đối với một bước sóng cho trước hệ số K tỉ lệ thuận với độ nhạy tương đối của mắt. Theo quy ước một luồng ánh sáng năng lượng 1W với bước sóng max tương ứng với luồng ánh sáng bằng 680 lumen. Vậy K = 680. Theo quy ước 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 đường cong độ nhạy tương đối của mắt người Bảng 2.1 Các đơn vị đo quang cơ bản. Đơn vị Đ/v đo thị giác Đ/v năng lượng Luồng (thông Lumen (lm) Oát (W) lượng) Cường độ Candela (cd) Oát/st (W/st) Độ chói Candela/m2 (cd/m2) W/st.m2 Độ rọi Lumen/m2 W/m2 Năng lượng 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 như nhiệt độ của vật đen tuyệt đối, có đường cong phổ phát xạ nằm trong vùng phổ nhìn thấy. Đèn sợi đốt volfram có đặc điểm sau: - Thông lượng 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. 12
Loại đèn này hoạt động theo nguyên lý năng lượng 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 lượng tương đối nhỏ ( 102mw). - Nhược điểm là nhạy với nhiệt độ làm hạn chế phạm vi sử dụng của đèn. 1.3.3. Laze Laze là nguồn sáng đơn sắc, độ chói lớn, có định hướng 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 bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác định, thông lượng lớn, có khả năng nhận được chùm tia rất mảnh và độ định hướng 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 thường được 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 như: Cds, Cdse, CdTe, Pbs, Pbse, PbTe.., Bán dẫn đơn tinh thể như: Ge, Si thuần hoặc pha tạp với Cu, Au, In. 2.2.2. Các đặc trưng a. Điện trở Điện trở của tế bào quang dẫn chia làm 2 dạng : - Điện trở khi tế bào quang dẫn không được 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 được 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 cường 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 13
Thực tế người ta không dùng tế bào quang dẫn để đo ánh sáng mà dùng để phân biệt mức ánh sáng như 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 lượng 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 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 A * Cấu tạo P N A K N K Hình 2.6 cấu tạo của Photodiot 14
PD được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn PN ghép lại với nhau. Lớp bán dẫn loại P được chế tạo rất mỏng để ánh sáng có thể xuyên tới lớp tiếp giáp. Khi phân cực ngược 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 ngược 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 . * Chế độ quang dẫn. Là chế độ sử dụng dòng điện ngược của photodiot dòng điện này biến đổi phụ thuộc vào cường 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 như một máy phát điện ; trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào diot , chế độ này người 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 được đăc trưng bởi độ tuyến tính cao, thời gian hồi đáp ngắn và dải thông số lớn . 15
EC R2 Ir IO+ UR IO- Im Rm R1 Hình 2.9. sơ đồ đo dòng Ir  R  Ur  Em.1  2 .Ir  R1  + PD được 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 được 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 16
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  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 ngược. Khi chuyển tiếp B - C được 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I O    1I P Như vậy , có thể coi Photo tranzito như 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 cường độ ánh sáng chiếu vào tiếp giáp B – C và nhiệt độ đặt lên PT. 17
c. Ứng dụng : PT có thể dùng làm bộ chuyển mạch hoặc phần tử tuyến tính , ở chế độ chuyển mạch nó có ưu điểm so với PD là cho phép điều khiển một cách trực tiếp dòng chạy qua tương đối lớn và có độ nhạy cao . ngược lại , ở chế độ tuyến tính thì PD có ưu điểm là độ tuyến tính tốt hơn. * Photo tranzito chuyển mạch. Trong trường hợp này sử dụng thông tin nhị phân : có hay không có bức xạ , hoặc là ánh sáng lớn hơn hay không lớn hơn ngưỡng (chiếu sáng ).tranzito khóa hoặc bão hòa cho phép điều khiển trực tiếp như một rơle , điều khiển một cổng logic hoặc một thyristo . EC+ Rơ le Hình 1.14.Điều khiển trực tiếp rơle +Ec RƠLE D T2 R1 hhh Hình 1.16. Điều khiển gián tiếp rơle 18
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 lượng ánh sáng 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 được dẫn truyền qua một sợi quang đưa 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 ưu điểm là đầu thu phát nhỏ,gọn, phần xử lý được đặt trong tủ điện, do đó thực tế, người ta thường dùng cảm biến sợi quang ở những vị trí có không gian hẹp hoặc nhân biết các vật thể có kích thước 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 dưới 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 được truyền đi chủ yếu bằng cách mã hóa các xung ánh sáng. 19
b. Quan sát và đo bằng phương tia quang học Cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằng các phương pháp quang ở những chỗ khó tiếp cận hoặc trong môi trường độc hại.sử dụng cáp quang có thể dẫn ánh sáng đến những vị trí mà trong điều kiện bình thường ánh sấng không thể chiếu tới được. Nguồn sáng phát ra bức xạ trong một số trường hợp dưới dạng xung để phân biệt với ánh sáng môi trường các bức xạ này được dẫn đến khu vực đo bằng cáp quang. Các đại lượng cần đo có thể là vị trí của một vật thể, tốc độ quay, thành phần hóa học của môi trường nhiệt độ…trong khu vực đo tia bức xạ bị thay đổi và sự thay đổi này phụ thuộc đại lượng đo. Các tia phản xạ trở lại được thu bằng cáp quang khác và được đưa đến một cảm biến quang, cảm biến sẽ cung cấp tín hiệu điện chứa thông tin về đại lượng cần đo. Như vậy, cáp quang đóng vai trò cảm biến để chuyển sự thay đổi của đại lượng 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. 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 20