Cảm biến quang - Kỹ thuật cảm biến

Nội dung thực hiện: Khái niệm về ánh sáng và ứng dụng của ánh sáng Hiệu ứng quang điện. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoại Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện nội. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện Nguồn sáng của cảm biến quang điện Đèn sợi đốt Nguồn sáng hồng ngoại Nguồn laze Phần tử nhạy sáng của cảm biến quang điện Photocell Photodiode Phototranzitor (Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc điểm ứng dụng của mỗi phần tử) Các loại cảm biến quang điện trong thực tế (phân loại theo vị trí nguồn sáng và thu sáng) Cảm biến quang điện thu phát tách biệt Cảm biến thu phát 1 phía sử dụng gương phản xạ Cảm biến thu phát phía sử dụng phản xạ khuếch tán (Nêu cấu tạo chung, đặc điểm ứng dụng của mỗi loại; Giới thiệu về 5 datasheet) Cảm biến sợi quang Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang Cấu tạo của cảm biến sợi quang Đặc điểm, ứng dụng (Nêu cấu tạo chung, đặc điểm ứng dụng của mỗi loại; Giới thiệu về 5 datasheet) Cảm biến laze Đặc điểm của nguồn sáng laze Cấu tạo của cảm biến laze Ứng dụng của cảm biến laze (Nêu cấu tạo chung, đặc điểm ứng dụng của mỗi loại; Giới thiệu mỗi loại về 5 datasheet) Nên đưa các video về nguyên lý hoạt động, hình ảnh ứng dụng của các cảm biến vào những dây chuyền sản xuất cụ thể.

Trang 1

Chủ đề thuyết trình

CẢM BIẾN QUANG

Nhóm 11

Thành viên: 1 Trần Thị Thùy Minh

2 Nguyễn Minh Tân

3 Nguyễn Xuân Trường

4 Nguyễn Tri Tùng Lớp: DHDTTT03- K14

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

Sáng tạo – Chất lượng – Phát triển – Hiệu quả

Trang 2

• Các loại cảm biến quang điện trong thực tế

6 •• Cảm biến sợi quang Cảm biến sợi quang

7 •• Cảm biến laze Cảm biến laze

Trang 3

1 KHÁI NIỆM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ÁNH SÁNG

1.1 Khái niệm ánh sáng

- Bản chất: Ánh sáng là một loại sóng điện từ,

ánh sáng có thể nhìn thấy được có bước sóng

từ 380-780nm

- Khái niệm: Ánh sáng là tên gọi chung để

chỉ hoạt động bức xạ điện từ sở hữu

những bước sóng nhỏ nằm trong điện từ

Trang 4

1 KHÁI NIỆM VÀ ỨNG DỤNG CỦA ÁNH SÁNG

1.2 Ứng dụng của ánh sáng

Ứng dụng nhiệt Ứng dụng quang điện

Ứng dụng công nghiệp

Trang 5

2 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

2.1 • Hiệu ứng quang điện

2.2 • Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoài

2.3 • Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện nội

2.4 • Nguyên lí hoạt động của cảm biến quang điện

Trang 6

2.1 Hiệu ứng quang điện

• Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện

tử được thoát ra khỏi nguyên tử hay vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích làm bắn electron ra ngoài

Trang 7

2.2 Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoài

Thế nào là hiệu ứng quang điện ngoài?

Trang 8

Trang 9

 Ban đầu tích điện âm cho tấm kẽm:

2 lá điện nghiệm cùng tích điện âm nên chúng đẩy nhau và xòe ra

 Chiếu tia UV vào tấm kẽm:

2 lá điện nghiệm dần khép lại do tấm kẽm bị mất dần điện tích âm( nếu sử dụng ánh sáng khả

kiến thì không có hiện tượng)

 Sau khi mất hết điện tích âm được tích thêm lúc đầu:

Tấm kẽm trung hòa về điện tích nên 2 lá của điện nghiệm khép lại như cũ Tiếp tục chiếu tia UV

vào tấm kẽm sẽ làm cho các e trên BỀ MẶT bật ra (không nhiều) làm tấm kẽm tích điện dương và 2

lá điện nghiệm lại xòe ra

Trang 10

 Kết luận:

- Hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng ánh sáng làm bật các electron ra khỏi bề mặt kim loại

Trang 11

2.3 Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện nội

- Si hóa trị IV có 4 e ở lớp ngoài cùng Để 1 nguyên tử có cấu hình bền vững thì phải có 8e ở lớp ngoài cùng

- Do đó nguyên tử Si này mới đưa ra 4e để dùng chung với 4 nguyên tử

Si bên cạnh (liên kết cộng hóa trị)

Trang 12

2.3 Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện nội

 Kết luận: Hiệu ứng quang điện nội

- Là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electrôn liên kết biến chúng

thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia vào quá

trình dẫn điện

- Các electron dẫn chỉ chuyển động bên trong khối chất bán dẫn mà

không bị bứt ra ngoài như hiện tượng quang điện ngoài

Trang 13

2.4 Nguyên lí hoạt động của cảm biến quang điện

Trang 14

Trang 15

Bộ phát ánh sáng

 Nhiệm vụ: phát ra ánh sáng dạng xung

(tần số) Tần số ánh sáng này sẽ được

hãng sản xuất thiết kế đặc biệt để bộ thu

ánh sáng có thể phân biệt được ánh sáng

từ cảm biến và ánh sáng từ nguồn khác bên

ngoài như : ánh sáng tự nhiên (ban ngày),

bóng đèn,…

Bộ thu ánh sáng

 Nhiệm vụ :tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng, nó được gọi là phototransistor (tranzito quang).

Trang 16

3 NGUỒN SÁNG CỦA CẢM BIẾN

QUANG

3.1 • Đèn sợi đốt

3.2 • Nguồn sáng hồng ngoại

Trang 17

3.1 Đèn sợi đốt

QUANG

- Cấu tạo: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy

tinh có chứa khí halogen để giảm bay hơi sợi đốt

- Đặc điểm :

• Nhiệt độ giống như nhiệt độ của một vật đen tuyệt

đối

• Phổ phát xạ nằm trong vùng nhìn thấy

• Quang thông lớn, dải phổ rộng

• Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ

nhanh chóng

• Tuổi thọ thấp, dễ vỡ

Trang 18

• Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần.

• Tia hồng ngoại tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, và cũng gây được hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường.

Trang 19

3 NGUỒN SÁNG CỦA CẢM BIẾN QUANG

3.3 Nguồn Laze

- Tia laser là một nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ vào sự khuếch đại

ánh sáng bằng bức xạ phát ra trong điều kiện kích hoạt cao độ các phần tử

của môi trường vật chất

- Laze có 4 tính chất điển hình sau:

1 Tính kết hợp (Coherence)

2 Tính định hướng (Directionality)

3 Tính đơn sắc cao (Monochromatic)

4 Cường độ cao (High intensity)

Trang 20

Photocell Photodiod

e

Phototranzis tor

4 PHẦN TỬ NHẠY SÁNG CỦA CẢM BIẾN QUANG

Trang 21

4.1 Photocell

Hình ảnh và ký hiệu của

Photocell

Trang 22

4.1 Photocell

- Điện trở quang (photocell,quang trở) là linh kiện

điện tử chế tạo bằng chất đặc biệt có điện trở thay đổi

giảm theo mức ánh sáng chiếu vào (cadimi suafua,

cadimi selenua)

- Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiệu ứng quang

điện Khi photo có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm

bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối

chất và làm chất bán dấn thành dẫn điện

- Ứng dụng: làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch

dò sáng tối để đóng cắt đèn chiếu sáng

Trang 23

4.2 Photodiode

Hình ảnh và ký hiệu của

Photodiode

Trang 24

- Vật liệu dùng để chế tạo diode

quang thường là gemani hoặc silic

Trang 25

4.2 Photodiode

Nguyên lí hoạt động của photodiode

Trang 26

4.2 Photodiode

 Nguyên lí hoạt động: Khi photo có năng lượng đủ lớn xâm nhập lớp

hoạt động này sẽ bị hấp thụ, theo hiệu ứng quang điện tạo ra cặp điện

tử lỗ ,nếu hấp thụ xảy ra trong vùng nghèo của tiếp giáp thì điện

trường của vùng nghèo làm các hạt mang điện dịch chuyển, lỗ trống

về anode còn điện tử về cathode, làm phát sinh dòng điện

 Ứng dụng: trong các thiết bị đo đạc, giám sát, truyền dẫn thông tin,

điều khiển,…

Trang 27

4.3 Phototranzistor

Hình ảnh và ký hiệu

của Photocell

Trang 28

- Nguyên lí hoạt động: Ánh sáng đi vào vùng cực gốc

của phototransistor tạo ra các cặp electron-lỗ trống Sự

chuyển động của các electron dưới tác dụng của điện

trường gây ra dòng điện trong vùng cực gốc Khi có dòng

IB thì làm Phototransistor thông và xuất hiện dòng IC

- Ứng dụng: sử dụng trong các thiết bị điện tử như máy

dò khói, máy thu nhận hồng ngoại,…

Trang 29

5 CÁC LOẠI CẢM BIẾN QUANG TRONG THỰC TẾ

5.1 • Cảm biến quang điện thu phát tách biệt

5.2 • Cảm biến thu phát một phía sử dụng gương phản xạ

5.3 • Cảm biến thu phát một phía sử dụng phản xạ khuếch tán

Trang 30

5.1 Cảm biến quang thu phát tách biệt

Trang 31

 Nguyên lí làm việc

Trang 32

 Đặc điểm ứng dụng

- Khoảng cách phát hiện vật thể xa nhất trong các loại

- Khả năng phân biệt sáng tối cao

- Khả năng phát hiện vật thể không phụ thuộc vào màu sắc và

bề mặt của vật thể

 Lắp đặt cảm biến

- Thực tế cảm biến quang kiểu thu phát tách biệt có 2 kiểu đầu

ra ở phần thu là đầu ra tranzitor và đầu ra Role

Trang 33

5.2 Cảm biến thu phát một phía sử dụng gương phản xạ

 Cấu tạo

- Bên phát và bên thu đều ở cùng một phía

- Phía đối diện có một gương phản xạ

T X R X

Reflect Object

Trang 34

5.2 Cảm biến thu phát một phía sử dụng gương phản xạ

- Khoảng phát hiện ngắn hơn so với cảm biến thu phát tách biệt

- Khả năng phân biệt sáng tối khá cao

Trang 35

5.3 Cảm biến thu phát một phía sử dụng phản xạ khuếch tán

 Cấu tạo

- Cấu trúc và cách lắp đặt như kiểu gương phản xạ

- Lấy vật thể làm điểm phản xạ

T X R

Trang 36

5.3 Cảm biến thu phát một phía sử dụng phản xạ khuếch tán

 Đặc điểm

- Có đặc điểm khác với phản xạ gương là nó lấy bề mặt vật thể làm mặt phản xạ.-> Khoảng cách phát hiện vật thể phụ thuộc vào màu sắc và độ nhẵn của bề mặt vật thể

- Lưu ý khi lắp cảm biến quang kiểu phản xạ khuếch tán: Không lắp các cảm biến quang kiểu phản xạ khuếch tán gần nhau

=> Vì lắp 2 cảm biến gần nhau dẫn đến nhiễu

Trang 37

Giới thiệu một số loại cảm biến quang điện trong thực tế

a Cảm biến quang thu phát chung PR-R300NC của hãng Hanyoung Nux

Vật thể phát hiện Chất trắng (không bóng láng); kích thước 200x200 mm

Chế độ hoạt động Dark:ON/Light:On (điều chỉnh được)

Điều khiển ngõ ra Transistor NPN; điện áp tải Max: 30 VDC; dòng Max: -200 mA

Trang 38

Đầu: Nhựa polycarbonate

Phụ kiện Vít chinh nhạy

a Cảm biến quang thu phát chung PR-R300NC của hãng Hanyoung Nux

Trang 39

b Cảm biến quang thu phát tách biệt PE-T5D của hãng Hanyoung Nux

Chủng loại Thu, phát riêng

Chùm tia Hồng ngoại

Chất liệu Vỏ: Nhựa polycarbonate liệu

Ánh sáng môi trường Max.20.000 Lux Nhiệt độ & độ ẩm -10~55 °C, 35–85 % RH Chuẩn bảo vệ IP54 (IEC)

Độ rung Tần số: 10–55 Hz

Biên độ kép 1.5 theo mỗi phương

X, Y, Z trong 2 giờ Trở kháng cách điện Min.100 MΩ

Trang 40

c Cảm biến quang thu phát phản xạ gương PE-M3D của hãng Hanyoung Nux

Chủng loại Phản xạ qua gương

Chất liệu Vỏ: Nhựa polycarbonate liệu

Ánh sáng môi trường Max: 20.000 LuxNhiệt độ & độ ẩm 10–55 °C, 35–85 %RH Chuẩn bảo vệ IP54(IEC)

Độ rung 10-55 Hz, biên độ kép 1.5

theo mỗi phươngX, Y, Z trong

2 giờ Trở kháng cách

Trang 41

d Cảm biến quang điện Autonics BJR-F series

Trang 42

e Cảm biến quang điện Omron E3F3

Trang 43

6 CẢM BIẾN SỢI QUANG

6.1 • Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

6.2 • Cấu tạo của cảm biến sợi quang

6.3 • Đặc điểm, ứng dụng

Trang 44

6.1 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

Cấu tạo sợi quang gồm 2 phần chính:

1 Phần lõi: trong suốt bằng thủy

tinh siêu sạch có chiết suất lớn n1

2 Phần vỏ bọc: trong suốt, bằng

thủy tinh có chiết suất n2 < n1

=> Xảy ra hiện tượng phản xạ

Trang 45

6.1 Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

Trang 46

6.2 Cấu tạo của cảm biến sợi quang

Bộ Khuyếch đại

Sợi quang

Bộ khuếch đại: bao gồm nguồn sáng,

bộ xử lý ánh sáng hắt lại, có giao diện vận hành để thiết lập hoạt động của cảm biến và có tín hiệu đầu ra đến thiết bị xử lý khác.

Sợi quang: dẫn hướng ánh sáng từ

bộ khuếch đại đến vật thể và dẫn hướng ánh sáng phản hồi ngược trở lại

bộ khuếch đại để xử lý.

Trang 47

• Phát hiện vật thể trong suốt, mờ, đục

• Hoạt động ổn định trong môi trường khắc nhiệt

Trang 48

Giới thiệu về một số loại cảm biến sợi quang trong thực tế

• Tiêu chuẩn bảo vệ: IEC60529: IP50

• Khối lượng: Approx 100 g

Trang 49

b Cảm biến quang

E3X-ZD41

Trang 50

c Cảm biến quang BF3R-P

Trang 51

d Cảm biến quang

FS-N10

Trang 52

e Cảm biến quang FS-V21

Trang 53

7 CẢM BIẾN LAZE

7.1 • Đặc điểm của nguồn sáng laze

7.2 • Cấu tạo của cảm biến laze

7.3 • Ứng dụng của cảm biến laze

Trang 54

7.1 Đặc điểm của nguồn sáng laze

Laze có 4 tính chất điển hình sau:

1 Tính kết hợp (Coherence)

2 Tính định hướng (Directionality)

3 Tính đơn sắc cao (Monochromatic)

4 Cường độ cao (High intensity)

7.2 Cấu tạo của cảm biến laze

Trang 55

7.3 Ứng dụng của cảm biến laze

• Trong công nghiệp cảm biến laser thường

được sử dụng làm cảm biến phân biệt màu,

nhận biết hình dáng sản phẩm,

• Cho đến nay, tia laser còn được ứng dụng

trong công nghiệp gia công, cắt khắc vật

liệu, y học (nội soi), làm máy in, máy quét

mã vạch,…

Trang 56

- Phương pháp đo khoảng cách: Tia Laser.

- Khoảng cách đo trung bình:

Trang 57

7 Cảm biến laze

a Cảm biến khoảng cách

Trang 58

Giới thiệu một số loại cảm biến laze trong thực tế

b Màn chiếu sáng laze

Những tia laser này bao gồm một máy phát

và máy thu Giữa chúng phát ra một màn sáng gồm các chùm laze song song Các đối tượng đi qua nó không chỉ được phát hiện mà còn được đo lường

Ví dụ: dòng L-LAS-TB-CL bao gồm lưới ánh sáng laser được sử dụng để xác định đường kính, định vị hoặc điều khiển cạnh web Hãy nghĩ đến việc phát hiện sai lệch về đường kính của ống PVC trên băng chuyền

Trang 59

b Màn chiếu sáng laze

Trang 60

c Cảm biến quang điện laze

Ví dụ: Công tắc quang điện Laser

Đặc điểm kỹ thuật:

* Mẫu sản phẩm: E3F-20C1 / E3F-20L

* Tên sản phẩm: Công tắc quang điện Laser

* Điện áp làm việc: Dc6-36V / Dc12-24V

* Dạng đầu ra: NPN PNP thường mở thường đóng

* Khoảng cách phát hiện: 10-20m

* Đối tượng phát hiện: đối tượng mờ

* Chất liệu vỏ: đồng thau mạ niken

* Chiều dài cáp: 2m (xấp xỉ)

* Kích thước sản phẩm: 60*12mm (xấp xỉ)

* Dòng điện đầu ra: 200mA

Trang 61

c Cảm biến phát hiện cạnh bằng laze

hiện cạnh được sử dụng để phát hiện nội tuyến và

đếm một mặt của sản phẩm hoặc đối tượng Các

cảm biến được gắn trong dây chuyền sản xuất và

thực hiện đếm từ bên cạnh Tia laser này cũng hoạt

động với ánh sáng laser phát ra và xử lý phản xạ

nhận được từ vật liệu

 Các cảm biến này thường được sử dụng trong các

lĩnh vực ứng dụng, nơi các tấm (mỏng) và các tấm

vật liệu khác nhau (giấy, bìa cứng, sắt, v.v.) phải

được phát hiện trên cơ sở độ dày để hạn chế tích lũy

và lỗi sản xuất

Trang 62

c Cảm biến phát hiện cạnh bằng laze

Trang 63

Cảm ơn thầy cô đã lắng nghe

Tiêu đề	Cảm Biến Quang
Tác giả	Trần Thị Thùy Minh, Nguyễn Minh Tân, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Tri Tùng
Trường học	Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cảm Biến
Thể loại	Chủ đề thuyết trình
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	63
Dung lượng	38,92 MB