Chương 9: CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẬN BIẾT DẦU MỎ Căn cứ vào bản chất phản xạ của dầu mỏ ta nhận thấy dầu có bước sóng từ 0.8 m cho đến 1m cho nên dưạ vào tính chất này ta chế tạo cảm biến cho phù hợp với bước sóng của dầu mỏ. Theo F.F.Sabins, Jr., 1978: Hệ số phản xạ quang phổ của nước biển và dầu thô. Ta có: Từ 0,9 m 1,0m (hồng ngoại) thì chỉ có hệ số phản xạ của dầu thô còn nước biển không có hệ số phản xạ như vậy căn cứ vào hệ số phản xạ trên ta tiến hành chọn các linh kiện điện tử cho phù hợp. Mặt khác căn cứ vào tính chất bức xạ ánh sáng là những khoảng bức xạ điện từ: Cực tím có bước sóng từ 100nm380nm. nh sáng thấy được có bước sóng từ 380nm 780nm. Hồng ngoại có bước sóng từ 780nm 1mm. Như vậy ta nhận thấy dầu mỏ có bức sóng bức xạ thuộc trong dải bước sóng hồng ngoại. 2.4.1. Phân tích lựa chọn cảm biến. Ta có công thức tính bước sóng: W ch . trong đó: h là hằng số planck (h=4,16.10 -15 eVs) (eV= electron Volt). c là vận tốc ánh sáng (c=3.10 8 m/s) W là năng lượng photon. Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của vật liệu Vật liệu Năng lượng W (eV) Bước sóng (nm) Germanium Siliczium Gallium – Arsenid Gallium – Arsenid – Phosphid Gallium – Phosphid Siliczium – Karbid Gallium - Nitrit 0,66 1,09 1,38 1,43 1,91 2,24 2,5 3,1 1890 1144 870 900 650 550 500 400 Qua bảng 1 ta nhận thấy Gallium – Arsenid có bước sóng từ 870nm 900nm rất phù hợp và thoả mãn nên ta chọn Gallium Hiệu suất tương đối P h o t o d i o t S i – Arsenid làm vật liệu cảm biến (Gallium – Arsenid là nguyên tố ở nhóm III của bảng phân loại tuần hoàn). Hình 2.8. Hiệu suất tương đối của nguồn sáng )(900 38 . 1 10.3.10.16,4. 815 nm W ch Gallium – Arsenid là một vật liệu bán dẫn lý tưởng cho điện phát quang. Sự tái hợp giữa vùng dẫn và vùng hoá là trực tiếp. Tuỳ theo sự pha tạp mà bức xạ do sự tái hợp trong GaAs có cực đại giữa 880 và 940nm trong hồng ngoại gần, mắt không thể nhìn thấy được. Bức xạ phát sinh chủ yếu là qua sự tái hợp. Năng lượng photon khoảng 1,4eV. 2.4.2. Đặc tính của cảm biến Hình 2.9. Phổ ánh sáng nh sáng lan truyền trong chân không có vận tốc v= 299792 km/s và có phổ ánh sáng và giải màu của phổ như hình 2.9. Trong phần nghiên cứu của đề tài này tôi chọn linh kiện thu điện trở quang CdS, linh kiện phát là led hồng ngoại IR. 2.4.2.1. Đặc điểm của led hồng ngoại Hình 2.10. Bước sóng phát xạ của Led Led có những đặc điểm như sau: Hồng ngoại giữaTia X Cực tím Ánh sáng nhìn thấy Hồng ngoại gần Hồng ngoại xa 1nm 400nm 3 m 30m 100 nm 300 nm 600 nm 500 nm 700 nm 800 nm 900 nm 1000nm m Led hồng ngoạiLed đỏLed xanh Catot 0,358 0,435 0,490 0,575 0,580 0,650 0,760 Cực tím Tím Lam Lụ c Vàn g Da cam Đỏ Hồng ngoại m Ánh sáng nhìn thấy Không bò lệ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Tuyến tính. Có hiệu suất lượng tử cao. Đời sống cao, có thể đạt tới 100.000 giờ. Rẻ tiền. Kích thước nhỏ. Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi. Tiêu thụ công suất thấp. Quang thông tương đối nhỏ. Phổ ánh sáng hoàn toàn xác đònh. Không cần có mạch điều chỉnh tự động nhiệt độ và công suất phát. Trong mạch kiểm soát này ta chọn Led hồng ngoại có các thông số kỹ thuật như sau: Bảng 2.2 – Thông số kỹ thuật của các loại led hồng ngoại Chủng loại Trò số giới hạn Type Hãng 1/2 (Deg) V f (V) I f (mA) P tot (mW) Bức xa ï(mW/Sr) P (nm) CQX14 CQY31 CQW14 Har Tel Val 30 - - 1,7 1,7 1,25 100 100 100 1300 1300 1300 5,4 5,4 1,5 940 900 900 Hình 2.11 . Cấu trúc của le d hồng ngoại IR 2.4.2.2. Đặc điểm của điện trở quang CdS (Cadmiummsulfid) Hình 2.12. Cấu trúc của quang điện trở CdS Điện trở quang CdS hay cảm biến quang là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu vật lý (ánh sáng) thành điện trở và là loại cảm biến có độ nhạy tương đối cao. Nguyên tắc làm việc của nó là điện trở thay đổi khi cường độ ánh sáng tại nơi đặt nó thay đổi. Quang trở thường được làm bằng chất sunfit catmi (CdS), selenid cadmium (CdSe), sunfit chì (PbS)…trong đó loại quang trở CdS có độ nhạy rất cao đối với tia hồng ngoại. Quang trở được chế tạo bằng cách tạo một màn bán dẫn trên nền cách điện nối ra hai đầu kim loại rồi đặt trong một vỏ nhựa, mặt trên có lớp thủy tinh trong suốt để nhận ánh sáng của led hồng ngoại. Bảng 2.3 - Các thông số kỹ thuật của quang điẹn trở CdS Metal - film contact Metal - film contact Cadmium sulphide track Chủng loại Trò số giới hạn Type Hãng P tot (mw) U a (V) T u ( 0 c) P (nm) R 1000 () RPY64 A90.XX Tel Tel 50 50 100 100 -40bis +75 -40bis +75 900 860 3500 3000 Điện trở quang có 4 đặc tính quan trọng: Độ dẫn suất phot : hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh sáng. phot (u); = const Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ: đó là độ dẫn suất phot : hàm số của khi mật độ năng lượng không thay đổi. constuS phot phot rel ; max. Vận tốc của quang điện trở CdS nhanh và thu nhận thông tin hơn led IR, ít bò nhiễu do ánh sáng môi trường tác động… Khả năng dò tìm của 1 detector gọi là Detectivity D. với a là diện tích tích cực của một detector: NEP A D NEP ñôn vò laø [ z H W ]; D ñôn vò laø [ cmWH Z 1 . ] . của dầu mỏ. Theo F.F.Sabins, Jr., 197 8: Hệ số phản xạ quang phổ của nước biển và dầu thô. Ta có: Từ 0 ,9 m 1,0m (hồng ngoại) thì chỉ có hệ số phản xạ của dầu thô còn nước biển không có hệ. Chương 9: CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẬN BIẾT DẦU MỎ Căn cứ vào bản chất phản xạ của dầu mỏ ta nhận thấy dầu có bước sóng từ 0.8 m cho đến. của cảm biến Hình 2 .9. Phổ ánh sáng nh sáng lan truyền trong chân không có vận tốc v= 299 792 km/s và có phổ ánh sáng và giải màu của phổ như hình 2 .9. Trong phần nghiên cứu của đề tài này tôi