›
›

Bài giảng Cảm biến công nghiệp - Chương II: Cảm biến đo quang

ppt 46 trang ngocly 1240
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cảm biến công nghiệp - Chương II: Cảm biến đo quang", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_cam_bien_cong_nghiep_chuong_ii_cam_bien_do_quang.ppt

Nội dung text: Bài giảng Cảm biến công nghiệp - Chương II: Cảm biến đo quang

  1. 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 6/18/2021
  2. 1. Tính chất và đơn vị đo 1.1 Tính chất ánh sáng a) Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ: 0,395 0,455 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750 cực tím tím lam lục da cam đỏ hồng ngoại vàng (m) 0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100 cực tím Hồng ngoại H. ngoại xa H.N. ngắn Trông thấy Phổ ánh sáng 6/18/2021
  3. 1.1. Tính chất áng sáng Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không) hoặc (môi trường vật chất) Bước sóng: (chân không) hoặc (môi trường vật chất). f tần số ánh sáng. 6/18/2021
  4. 1.1. 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 (f) của ánh sáng: h = 6,6256.10-34J.s hằng số Planck 6/18/2021
  5. 1.2. Đơn vị đo quang a) Đơn vị đo năng lượng: Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, tính bằng Jun (J). Thông lượng ánh sáng : là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, tính bằng Oát (W). (W) 6/18/2021
  6. 1.2. Đơn vị đo quang Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo một hướng ứng với một đơn vị gốc khối (W/sr) sr: steradian Độ chói năng lượng (L): (W/sr.m2) Độ rọi năng lượng (E): (W/m2) 6/18/2021
  7. 1.2. Đơn vị đo quang b) Đơn vị đo thị giác: Đại lượng đo Đơn vị năng lượng Đơn vị thị giác Thông lượng W 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 J lumen.s (lm.s) 6/18/2021
  8. 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. 6/18/2021
  9. 2.1. Hiệu ứng quang dẫn W Wlk Vùng dẫn - điện tử - điện tử h + - h Wlk h Vùng hoá trị + lổ trống + lổ trống Bán dẫn tinh khiết Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p 6/18/2021
  10. 2.1. Hiệu ứng quang dẫn Mật độ điện tử trong tối: Nd Nồng độ tạp chất loại N Hệ số tỉ lệ giải phóng e. r Hệ số tái hợp. 6/18/2021
  11. 2.1. Hiệu ứng quang dẫn Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng: g Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1 đơn vị thể tích: 6/18/2021
  12. 2.1. Hiệu ứng quang dẫn Độ dẫn trong tối: Độ dẫn khi chiếu sáng: và là hàm phi tuyến của  với số mũ  =1/2 (thực tế  = 0,5 -1) 6/18/2021
  13. 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 CdS CdSe CdTe PbS PbSe PbTe Ge Si GeCu SnIn AsIn CdHgT e , m 0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30 Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn 6/18/2021
  14. 2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) b) Đặc trưng chủ yếu: Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 104  - 109  ở 25oC đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi độ rọi sáng tăng. Điện trở () 106 106 104 102 0,1 1 10 100 1000Độ rọi sáng (lx) Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng 6/18/2021
  15. 2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) Độ nhạy: Nhận xét: + Độ nhạy giảm khi  tăng (trừ  = 1) + Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi điện áp đặt vào lớn. + Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. 6/18/2021
  16. 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 . + 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. 6/18/2021
  17. 2.2. Tế bào quang dẫn Độ 10 Độ 100 nhạy nhạy tương 5 tương 50 đối đối 30 (%) 1 10 0,5 5 3 0,1 -150 -100 -50 0 50 1 3 Nhiệt độ 1 2 (oC) Bước sóng (m) Ảnh hưởng của Ảnh hưởng bước nhiệt độ đến độ nhạy sóng đến độ nhạy của tế bào quang dẫn của tế bào quang dẫn 6/18/2021
  18. 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 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. 6/18/2021
  19. 2.2. Tế bào quang dẫn + + Điều khiển trực tiếp Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại 6/18/2021
  20. 2.3. Photodiode a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 6/18/2021
  21. 2.3. Photođiot Nguyên lý hoạt động: - Khi  = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua Ikt Dòng khuếch tán các hạt cơ bản. I0 Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt. - Khi V > 0 dòng ngược: - Khi V đủ lớn 0 và Ir = I0. 6/18/2021
  22. 2.3. Photođiot Khi chiếu sáng bằng luồng ánh sáng 0 Ip. I h r x P Vùng + nghèo V + N Khi V đủ lớn: Hiệu ứng quang điện khi chiếu sáng Ip: dòng quang điện 6/18/2021
  23. 2.3. Photođiot Chế độ quang dẫn: Phương trình mạch điện: Ir VD + V ES Rm R Tín hiệu ra: E đường thẳng tải . -40 -30 S-20 -10 0 50W Dòng ngược: 20 100W 40 Cảm biến làm việc ở chế độ 150W 60 tuyến tính VR ~ . 200W Ir 6/18/2021
  24. 2.3. Photođiot Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0. Đo thế hở mạch Khi Ip > I0: lớn nhưng tỉ lệ với log. Đo dòng ngắn mạch: ISC Rbé 6/18/2021
  25. 2.3. Photođiot c) Độ nhạy: S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng . S S phụ thuộc vào , với  s: 0,4(A/W) 0,3 0,2 T1 T2 0,1 0 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 p  (m) S Smax khi  = p (S(p ) = 0,1-1,0 A/W) Khi nhiệt độ tăng, p dịch sang phải. S phụ thuộc hiệu suất lượng tử , hệ số phản xạ R, hệ số hấp thụ α. 6/18/2021
  26. 2.3. Photođiot d) Ứng dụng: - Sơ đồ mạch làm việc ở chế độ quang dẫn: E CP1 R2 S R1 R2 + + Rm Rm R +R V V0 1 2 C2 0 Ir + ES R1 Sơ đồ cơ sở Sơ đồ tác động nhanh 6/18/2021
  27. 2.3. Photođiot - Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế: R2 Rm + _ ISC _ + Vco R1 V0 V0 R1=Rm Sơ đồ tuyến tính Sơ đồ logarit 6/18/2021
  28. 2.3. Photođiot Chế độ quang dẫn: Chế độ quang thế: + Độ tuyến tính cao. + Có thể làm việc ở chế + Thời gian hồi đáp độ tuyến tính hoặc ngắn. logarit. + Ít nhiễu. + Dải thông lớn. + Thời gian hồi đáp lớn. + Dải thông nhỏ. + Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit. 6/18/2021
  29. 2.3. Photođiot c) Ứng dụng: - Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic, . - Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến tính) 6/18/2021
  30. 2.4. Phototranzito a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: 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 6/18/2021
  31. 2.4. Phototranzito b) Nguyên lý làm việc: Khi đặt điện áp E lên C, điện +E C áp VBE 0,6  0,7 V, VBC E. B Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C  các điện tử và lỗ trống phát sinh E trong vùng bazơ dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác Sơ đồ mạch điện dụng của điện trường trên chuyển Điện thế tiếp B – C điện tử bị kéo về C, lỗ trống ở lại trong B tạo ra dòng điện - C + B tử từ E B C tạo ra dòng ngược: E Ir = I0 + Ip Sơ đồ tách cặp điện - lỗ trống 6/18/2021
  32. 2.4. Phototranzito Dòng I0: dòng ngược trong tối. Dòng Ip : dòng ngược do chiếu I sáng. +E C C  B Ir ~ IB Dòng colector IC: Ir E phototranzito tương đương tổ Sơ đồ tương đương hợp của một photodiot và một tranzito. 6/18/2021
  33. 2.4. Phototranzito c) Độ nhạy: S() (%) S(p) 100 Ic Ip  và  Ic   80 S  độ nhạy phụ thuộc 60 thông lượng ánh sáng. 40 20 Độ nhạy phụ thuộc  0,4 0,6 0,8 1,0 (hình vẽ)  p  (m) S(p) = 1  100A/W Đường cong phổ hồi đáp 6/18/2021
  34. 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) điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo. + + + + + Điều khiển rơle Điều khiển cổng logic Điều khiển thyristo Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp. 6/18/2021
  35. 2.4. Phototranzito Sử dụng ở chế độ tuyến tính: + Trường hợp thứ nhất: đo ánh + sáng không đổi (giống luxmet). 0 + Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi (Điều kiện biên độ dao động nhỏ): Độ tuyến tính kém hơn photodiot. Luxmet 6/18/2021
  36. 2.5.Phototranzito hiệu ứng trường a) Cấu tạo và nguyên lý làm - - - - - - - P việc: Gồm 2 lớp P và N ghép với + + + + + + + + nhau, lõi là N, vỏ là P, tạo thành N + + + + + + + + một tiếp giáp P-N. Tiếp giáp P- - - - - - - - P N được phân cực ngược, bên ngoài vùng nghèo là cổng, bên G trong vùng nghèo là kênh. Dòng S D qua kênh phụ thuộc tiết diện G kênh điện áp giữa cổng và kênh: 6/18/2021
  37. 2.5.Phototranzito hiệu ứng trường • Khi chiếu sáng, chuyển tiếp P - N hoạt động như một photodiot cho + dòng ngược: D G S I0 - dòng điện trong tối. R IP = Sg - dòng quang điện. g Sg - độ nhạy của điot cổng-kênh. -  - thông lượng ánh sáng. Sơ đồ mạch 6/18/2021
  38. 2.5.Phototranzito hiệu ứng trường c) Đặc điểm và ứng dụng: - Làm việc ổn định - Hệ số khuếch đại cao Điều khiển điện áp bằng ánh sáng. 6/18/2021
  39. 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). 6/18/2021
  40. 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 bề mặt. - Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu. Do nhiều nguyên nhân 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%. 6/18/2021
  41. 3.2. Tế bào quang điện chân không a) Cấu tạo: K A K   b) a) A A c) K 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. 6/18/2021
  42. 3.2. Tế bào quang điện chân không Ia (A) A Ia 4,75 mW  4 E 3 2,37 mW 2 0,95 mW K 1 R m 0 20 40 60 80 100 120 Vak (V) Sơ đồ tương đương Đặc tính V - A • 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) tạo thành dòng anot (Ia). 6/18/2021
  43. 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 tương đương nguồn dòng, cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc thông lượng ánh sáng. Điện trở trong của tế bào quang điện rất lớn: Độ nhạy: =10  100 mA/W 6/18/2021
  44. 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 Chuyển mạch hoặc đo tín hiệu quang. 6/18/2021
  45. 3.3. Tế bào quang điện dạng khí 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. Ia (A) Khi Vak < 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống TBQĐ. Khi 2 1,5.10-2 lm điện áp cao, điện tử chuyển 1 10-2 lm động với tốc độ lớn ion hoá 0 các nguyên tử khí Ia tăng 5 20 40 60 80 100 120 V (V) 10 lần. ak 6/18/2021
  46. 3.3. Tế bào quang điện dạng khí c) Đặc điểm và ứng dụng: - Dòng Ia lớn. Stg.đối - S phụ thuộc mạnh vào V . 8 ak 6 Chuyển mạch và đo tín hiệu 4 quang. 2 0 20 40 60 80 Vak (V) 6/18/2021