Chương 3 CẢM BIẾN QUANG (Optical sensor)

Chương 3: C m Bi n Quang Chương C M BI N QUANG (Optical sensor) 3.1 Khái ni$m C m bi n quang n có tính linh ho t r t cao giá thành tương ñ i th p C m bi n quang n có th! phát hi n ñ i tư"ng nhanh # c$ ly xa so v(i nhi)u k+ thu,t khác V(i nh.ng ưu th trên, c m bi n quang n nhanh chóng tr# thành m1t thi t b2 lãnh v$c t$ ñ1ng ñư"c s4 d6ng r1ng rãi th$c t s n xu t Gi(i thi u m1t vài hình d ng c9a c m bi n quang thư:ng g;p Hình 3.1 Hình d ng c m bi n quang 3.1.1 Cơ b'n v) ánh sáng a Tính ch t c a ánh sáng Ánh sáng có tính ch t b n sóng h t D ng sóng ánh sáng sóng n t? phát có s$ chuy!n ñi n t4 gi.a m@c lư"ng nguyên t4 c9a nguBn sáng V,n t c ánh sáng ñư"c xác ñ2nh: Trang 73 Chương 3: C m Bi n Quang v= c n c v,n t c chân không c = 299792km/s, n chi t su t c9a mơi trư:ng truy)n sóng S$ liên h gi.a tKn s f bư(c sóng: λ= V f (3.1) Trong chân khơng: c λ= f (3.2) Tính ch t h t c9a ánh sáng th! hi n qua s$ tương tác c9a v(i v,t ch t Ánh sáng bao gBm h t photon v(i lư"ng Wφ ph6 thu1c vào tKn s Wφ = hf (3.3) Trong h hSng s Planck h = 6,6256.10X34Js Trong v,t ch t h t ñi n t4 ln có xu hư(ng tr# thành n t4 t$ ð! gi i phóng đư"c h t ñi n t4 kh\i nguyên t4 cKn lư"ng t i thi!u bSng lư"ng liên k t WL Do n u photon cKn h p th6 h t n t4 cKn đi)u ki n Wφ ≥ WL Khi ta có: f ≥ WL hc c ta có λ = nên λ ≤ WL h f (3.4) Bư(c sóng ngưang (bư(c sóng l(n nh t) c9a ánh sáng bư(c sóng có th! gây nên hi n tư"ng gi i phóng n t4 đư"c tính t? bi!u th@c: λs = hc Wl (3.5) Hi n tư"ng gi i phóng h t dcn dư(i tác d6ng c9a ánh sáng bSng hi u @ng quang ñi n gây nên s$ thay ñdi tính ch t ñi n c9a v,t li u ðây nguyên lý b n c9a c m bi n quang Dư(i tác d6ng c9a ánh sáng, hi u @ng quang ñi n tf l thu,n v(i s lư"ng h t dcn đư"c gi i phóng ñơn v2 th:i gian Ngay c Trang 74 Chương 3: C m Bi n Quang λ > λS khơng th! gi i phóng t t c h t dcn b#i s si ph n x t? b) m;t s khác si chuy!n lư"ng c9a chúng thành lư"ng c9a dao ñ1ng nhi t ð i v(i v,t li u có h s ph n x R l(n b2 chi u b#i ánh sáng đơn slc có cơng su t φ thì: S photon chi u ñ n giây: ninc = φ λφ = hv hc (3.6) S photon h p th6 giây: na = (1 − R)ninc = (1 − R) λφ hc (3.7) S h t ñi n t4 ld tr ng đư"c gi i phóng giây: G = η na = η (1 − R ) λφ hc (3.8) Trong η hi u su t lư"ng t4 (s ñi n t4 ho;c ld tr ng trung bình đư"c gi i phóng photon ñư"c h p th6) Các c m bi n quang đư"c s4 d6ng đ! chuy!n thơng tin t? ánh sáng nhìn th y ho;c tia hBng ngo i (IR: Infared) tia t4 ngo i (UV: Ultra Violed) thành tín hi u n Ánh sáng có hai tính ch t b n sóng h t D ng sóng c9a ánh sáng sóng ñi n t? phát có s$ chuy!n ñi n t4 gi.a m@c lư"ng nguyên t4 c9a nguBn sáng Các d ng sóng di chuy!n chân khơng v(i t c đ1 c =299792 km/s (kho ng 300.000 km/s) Trong v,t ch t sáng có v,n t c V = c/n (n chi t su t c9a mơi trư:ng) Trên hình 3.2 bi!u diqn phd ánh sáng s$ phân chia thành d i màu c9a phd ðơn v2 đ1 dài sóng thư:ng dùng m (1 m = 1x10X6m) b Dãy ph ánh sáng Các b@c x trư:ng ñi n t? tKn s cao (tia gamma, tia X ánh sáng c$c tím) có bư(c sóng ngln mang nhi)u lư"ng Trang 75 Chương 3: C m Bi n Quang Ánh sáng th y đư"c (Visible Light) Ánh sáng c$c tím (Ultra Violet) Ánh sáng hBng ngo i (InfraXRed) Tím Chàm Lam L6c Vàng Cam UVXA UVXB UVXC ð\ Violet Indigo Blue Green YellowOrange Red 100 200 300 400 780 (nm) Bư(c sóng Hình 3.2 T!n s" bư%c sóng Các b@c x trư:ng ñi n t? tKn s th p (ánh sáng th y ñư"c, ánh sáng hBng ngo i, viba) có bư(c sóng l(n mang lư"ng Tia đ\, tia tím đư"c phân lo i b@c x sóng ánh sáng, ánh sáng khơng nhìn th y đư"c bSng mlt thư:ng c9a ngư:i Ta th y màu ánh sáng ph6 thu1c ñ1 dài sóng Tia đ\ (IR) có đ1 dài λ t? 780 nm đ n 106 nm, sóng ánh sáng có th! th y ñư"c dư(i d ng ánh sáng màu ñ\ t i, sóng giáp c,n dư(i c9a sóng dài vơ n (LW) Tia c$c tím (UV) có ñ1 dài λ t? 100 nm ñ n 380 nm, sóng ánh sáng có th! th y đư"c dư(i d ng ánh sáng màu tím thcm, sóng giáp c,n c9a sóng có đ1 dài λ ngln có màu cKu vBng NguBn sáng t$ nhiên, hay nhân t o tdng h"p nhi)u dao ñ1ng ñi n t?, nói khác ñi có nhi)u ñ1 dài sóng khác nhau, qua lăng kính ta th y đư"c phd ánh sáng NguBn sáng nhân t o cho phép ta d2ch chuy!n phKn l(n b@c x theo ý, bSng v,t li u, tính ch t v,t lý, chvng h n nguBn sáng ch9 y u chf sinh tia đ\, tím hay vàng c ðơn v ño quang Năng lư"ng b@c x (Q) lư"ng phát x , lan truy)n ho;c h p th6 dư(i d ng b@c x , ñư"c ño bSng Jun (J) Thông lư"ng ánh sáng (φ) công su t phát x , lan truy)n ho;c h p th6, ño bSng ñơn v2 oat (W) Trang 76 Chương 3: C m Bi n Quang ∅= (3.9) Cư:ng ñ1 ánh sáng (I) luBng lư"ng phát theo hư(ng cho trư(c dư(i đơn v2 góc kh i, có đơn v2 đo oat/steradian I= dφ d (3.10) ð1 chói lư"ng: tf s gi.a cư:ng ñ1 ánh sáng phát b#i phKn t4 b) m;t dA theo hư(ng xác ñ2nh di n tích hình chi u c9a phKn t4 m;t phvng P vng góc v(i hư(ng dAn = dA cos θ (θ góc gi.a P m;t phvng ch@a dA) ð1 chói đo bSng oat/steradian.m2 L= dI dAn (3.11) ð1 r|i lư"ng (E) tf s gi.a luBng lư"ng thu ñư"c b#i phKn t4 b) m;t va di n tích phKn t4 ð1 r|i lư"ng ñư"c ño bSng oat/m2 E= dφ dA Tên đ2nh nghĩa LuBng (thơng lư"ng) Cư:ng đ1 ð1 chói ð1 r|i Năng lư"ng (3.12) ð/v th2 giác Lumen (lm) Candela (cd) Candela/m2 (cd/m2) Lumen/m2 hay lux (lx) Lumen.s (lm.s) ð/v lư"ng Oat (W) Oat/sr (W/Sr) Oat/sr.m2 (W/sr.m2) W/m2 Jun (J) d Ngu n sáng S4 d6ng ánh sáng ñã ñư"c ñi)u ch , tKn s thư:ng t? ñ n 30khz Thư:ng s4 d6ng phd ánh sáng t? màu xanh ñ n ánh sáng hBng ngo i Trang 77 Chương 3: C m Bi n Quang Hình 3.3 Cư9ng đ: sáng bư%c sóng Vi c s4 d6ng 6ng c m bi n chf có hi u qu phùù h"p h v(i b@c x ánh sáng (phd, thông lư"n "ng, tKn s ) NguBn sáng si quy t đ2nh m|i m đ;c tính c9a b@c x v,y vi c tìm ìm hi!u hi nguBn sáng r t quan tr|ng vi c ch|n ch l$a s4 d6ng c m bi n ðèn s,i ñ"t wonfram fram: ðư"c c u t o gBm dây wonfram am có v\ b|c bSng th9y tinh ho;c anh có ch@a ch t khí hi m ho;c halogen en (I2) ðèn wonfram có đ;c đi!m: Thơngg lư"ng lư l(n, dãy phd r1ng, có th! gi m bSng c t m l|c Do có qn tính nhi t l(n nên n khơng th! thay đdi b@c x cách ch nhanh nha chóng, tudi th| th p, dq v# Diode phát quang: Th:i gian hBi ñáp nh\, kho ng vàii ns v,y có kh thay ñdi theo tKn Kn s cao Phd ánh sáng hoàn tồn xác đ2nh, đ1 tin c,y cao, b)n theo th:i gian Thơng lư"ng tương đ i nh\ (~ 10mW) nh y v(i nhi t ñ1 như"c ñi!m c9a ñèn èn Lazer: Tia Lazer er nguBn n sáng ñơn slc, ñ1 chói l(n, r t ñ2nh hư(ng đ;c bi t có tính liên k t m nh (r t khó x y tán slc ánh sáng) Lazer azer l ánh sáng có bư(c song đơn slc hịan tồn to xác đ2nh, thơng lư"ng l(n, có kh năn nh,n ñư"c chùm tia m nh v(i ñ1 ñ2nh hư(ng cao truy)n ñi v(i kho ng cách r t l(n Ph n x ánh nh sáng sán b) m;t: Tùy theo đ1 bóng lống ống c9a c b) m;t mà ánh sáng ph n x si b2 đdi đd hư(ng nhi)u hay v(i hình 3.4 Trang 78 Chương 3: C m Bi n Quang NguBn sáng NguBn sáng Ph n x Ph n x NguBn sáng θθ B) m;t khu ch tán B) m;t bóng lống Hình 3.4 Hi n2 Hình 3.5 Hi