KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. LƯU THẾ VINH - 8 pps

Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 148 - Với t = 18 o C thì: p H E 058,0 − = (5-42) Phương trình 5-42 cho ta nguyên tắc để chế tạo các ma pH § 5 . C ùy đo độ . HUYỂN ĐỔI QUANG ĐIỆN Các chuyển đổi quang điện là các phần tử nhạy cảm với các bức xạ, có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu quang học lối vào thành tín hiệu điện lối ra. Có nhiều loại cảm biến qu ng đie Tế Qu Pin 5.1. Tế b a än như sau: – bào quang điện; – ang trở; – quang điện; – Photo diode; Photo transistor. ào quang điện. ớc sóng thích hợp vào ca tốt, tức là nếu năng lượng của fôton tới lớn hơn công thoát bề mặt của ε = hν ≥ eϕ, hiệu ứng quang điện sẽ xảy ra. là sự phụ thuộc của dòng quang điện I Φ vào dòng quang thông Đặc tính vôn-ampe: I Φ = f(U) khi Φ x = const. Đặc tính tần số – là sự phụ thuộc tần số của dòng I Φ vào tần số thay đổi của Φ x . Đặc tính phổ được xác đònh bởi độ nhạy của tế bào quang điện đối với chiều dài bước sóng ánh sáng tới. rên hình 5-21 chỉ ra 5 nhóm ứng dụng cơ bản của TBQĐ. Tế bào quang điện (TBQĐ) sử dụng hiệu ứng quang điện ngoài. Khi chiếu ánh sáng có bư kim loại làm ca tốt: Các đặc tính cơ bản của TBQĐ là: – Đặc tính quang: I Φ = f(Φ x ) Φ x . – – – T a) c) d) e) b) H ình 5-21. Các sơ đồ sử dụng tế bào quang điện D Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 149 - H ình 5-22. Cấu tạo quang tr ơ û 1. Lớp cảm quang, 2. nền bán dẫn 3. Các điện cực øng quang thông Φ x được tạo ra bởi chính các vật thể bức xạ. TBQĐ được sử dụng trong các pirômét (hỏa kế bức xạ), ví dụ để đo nhiệt độ trong các lò luyện kim dựa trên cơ sở sự phụ thuộc của cøng độ do và các đặc tính phổ của nó vào nhiệt độ của vật bức xạ. , d øng quang thông tới TBQĐ bò điều chế bởi kích thước của vật thể D mà mà kích thước d của nó cần phải đo hoặc kiểm tra. Ứng các hệ hất lượng của các bề mặt (độ phẳng, độ à độ trong và màu sắc của nó cần kiểm tra, sau đó đập vào TBQĐ. Như vậy dòng quang thông Φ x sẽ là hàm số của các đại lượng cần kiểm tra. , e dùng trong các phép đo tốc độ của các trục quay bằng tốc kế qua đ 5.2. Quang Trên sơ đồ hình 5-21, a do øng ánh sáng Trên sơ đồ 5-21, b o dụng trong thống đo lường và kiểm tra tự động. Sơ đồ hình 5-21, c dùng để kiểm tra c chói, màu sắc…). Sơ đồ hình 5-21, d được sử dụng rộng rãi để đo nhiều đại lượng không điện khác nhau. Dòng ánh sáng Φ o từ nguồn chiếu đi qua đối tượng cần khảo sát, chẳng hạn một chậu chất lỏng m Sơ đồ hình 5-21 ng iện. trở. ùn dẫn dựa trên hiệu ứng quang điện trong: Độ dẫn nfit cadmi, selenit cadmi (nhạy antimo ngoại). quang , kiện ε miền n g trò sẽ n trở thà Quang trở là dụng cụ ba điện của chất bán dẫn tăng (điện trở giảm) khi được rọi sáng bằng ánh sáng thích hợp. Sơ đồ cấu trúc của quang trở trên hình 5-22. Nền bán dẫn thường làm bằng các chất su trong vùng ánh sáng khả kiến); sunfit chì, nit indi (nhạy trong vùng hồng Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt trở nếu ánh sáng tới thỏa mãn điều ≥ ∆Ε (bề rộng vùng cấm theo thuyết ăn lượng), các điện tử từ miền hóa hảy lên miền trống (miền dẫn) và nh điện tử tự do (điện tử dẫn). Kết quả làm tăng electron dẫn trong bán dẫn, tức làm giảm điện trở của nó, hay làm tăng độ dẫn . Xuất hiện độ dẫn phụ – quang dẫn. Biểu diễn độ quang dẫn σ Φ : µ σ ΦΦ = en (5-43) Trong đó: Φ= Φ 1 β n (5-44) Φ – quang thông tới; β 1 – hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới và vận tốc tái hợp các điện tích mang. Khi mắc quang trở vào mạch với nguồn suất điện động E (hình 5-22). Dòng quang điện trong mạch sẽ có dạng: ES I ΦΦ = σ (5-45) A Ù nh Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 150 - Trong đó: E – cường độ điện trường; S – diện tích tiết diện ngang của quang trở; σ Φ – độ quang dẫn. – Ứng dụng: Quang trở được sử dụng trong trắc quang, trong các mạch điều khiển. 5.3. Pin quang điện. tử mang khuếch tán qua lớp tiếp gia làm giảm thế hiệu tiếp xúc, và làm xuất hiện ta Pin quang điện là thiết bò bán dẫn sử dụng hiệu ứng quang – ganvanic. Cấu tạo của pin quang điện gồm 2 lớp bán dẫn p-n (hình 5-23) Khi chiếu ánh sáng vào bề mặt pin, các fôton bò hấp thụ sẽ kích thích các nguyên tử bán dẫn tạo cặp electron - lỗ trống. Các phần ùp p-n và phân cách nó bằng điện trường phụ thuộc vào dấu của các điện tích. Trong miền n tích tụ các electron thừa, còn trong miền p tích tụ các lỗ trống thừa. Kết quả, cả hai miền tích điện n (-) và p (+) và ïi lớp tiếp giáp một suất điện động quang điện. Độ lớn của suất điện động quang điện: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎛ = ln I kT E ⎝ + Φ 1 o I (5-46) I Φ – dòng quang. Ùng d kế, lộ sáng kế. độ trong o ùi , t ï động. e Trong đó: k – hằng số bolzermant; T – nhiệt độ tuyệt đối; I o – dòng nhiệt; –Ư ụng:  Trong quang trắc, lux kế, lumen  Pin quang điện Si dùng đo nhiệt phổ hồng ngoại;  Trong các máy quay chiếu phim dãi 350÷2000 C vì nó nhạy vơ ruyền tín hiệu và điều khiển tư 5.4. Photo diode. Photo diode là một diode bán dẫn có thể hoạt động ở 2 chế độ: chế độ quang à chế đ– ganvanic như một pin quang điện v Sơ đồ cấu trúc của photo diode chỉ ra trên hình 5-24, a. ộ photo diode khi mắc với nguồn ngoài. A B Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý H ình 5-23. Pin quang điện Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 151 - anvanic (hình 5-24, b) c ät 5.4.1.Chế độ photo-g : Không có nguồn điện áp ngoài. Khi được chiếu sáng 2 đầu photo diode sẽ ó mo iệu đh iện thế U và qua tải R sẽ có dòng: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −−== Φ 1 kT eU o eII R U I (5-47) Trong đó I o – dòng nhiệt; I Φ – dòng quang điện. 5.4.2. Chế độ photo diode (hình 5-24, c). Khi mắc òng bằng hiệu nối tiếp sẽ xuất hiện số các dòng ảy qua tiếp giáp p-n: với tải một nguồn suất điện động E, trong mạch d ch ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −−= + = + Φ 1 )( kT EUe o eII R EU I (5-48) Đây là phương trình cơ bản xác lập chế độ làm việc của photo diode với guồn điện áp ngoài. Trên hình 5-25 trình bày họ đặc tuyến vôn-ampe của photo diode. Góc phần tư thứ n ủa diode. Góc phần tư thứ tư (IV) mô tả đặc tuyến công tác của photo diode trong chế độ photo – ganvanic. Điểm cắt của các đặc tuyến với trục dòng điện tương ứng với chế độ ng mạc còn điểm cắt với trục điện áp chỉ chế độ không tải khi hở mạch nguồn U. Góc phần diode. Đường đặc tuyến đi qua gốc tọa ộ ứng ới trư øng hơ de, nó giống đặc tuyến vôn-ampe của c của photo diode; hế độ photo diode. a) b) c) Hình 5-24. a) Cấu trú b) Chế độ photo-ganvanic; n hất (I) ứng với chế độ phân cực thuận c ắn h lối ra photo diode, tư thứ ba (III) là đặc tuyến trong chế độ photo đ v ơ ïp không chiếu sáng dio c) C diode thường. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 152 - ạn với các photo diode thường cỡ 10 MHz. – Ứng dụng: Trong trắc quang, quay chiếu phim, điện báo truyền ảnh, đưa thông tin lối vào ra máy tính điện tử . 5.5. Photo Hình 5 - 25. H ặctuye á nvo â n - ampe cu û aphoto Phạm vi phổ nhạy cảm của photo diode phụ thuộc vật liệu chế tạo: Loại Si: 0,6 ÷ 1 µm; Ge: 0,5 ÷ 1,7 µm. Các photo diode có thời gian xác lập nhỏ hơn so với quang trở. Tần số giới h transistor. Photo transistor ó cấu úc gio ường p-n-p hoặc n-p-n. Cấu tạo và ký hiệu của photo transistor n-p-n với sự chiếu sáng vùng đáy chỉ ra trên hình 5- o của transstor và có thể chiếu vào theo hư góc và chiếu vào đáy transistor. Photo transistor có thể mắc trong sơ đồ đo giống như transistor thông thường theo các sơ đồ E chung, B chung và C chung, cũng như có th đấ thành hở 1 trong 3 cực. Khi đó nó sẽ hoạt động giống như một photo diode. iáp base – colector của transistor là một photo diode. Từ sơ đồ tương đ c tr áng như một transistor th 26. E B C E C B C B b) E c) a) Hình 5-2 6 Thực tế có thể chiếu sáng bất kỳ miền nà ớng song song hoặc theo hướng vuông góc với tiếp giáp p-n, nhưng hiệu ứng lớn nhất xảy ra khi chiếu ánh sáng theo hướng vuông ể u diode khi để Ký hiệu và sơ đồ tương đương của photo diode chỉ ra trên các hình 5-26, b và 5-26, c. Như vậy tiếp g ương ta thấy rằng: phạm vi độ nhạy của photo transistor cũng giống như của photo diode tương ứng. Sơ đồ mắc photo transistor trong một bộ cảm biến quang học như hình 5-27. R R Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý +Vcc +Vcc +Vcc Vo Vo a) b) c) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 153 - ối ra của bộ cảm biến sẽ là: được nạp bởi dòng I Φ chuyển mạch thấp. Có thể đạt được tần thay bằng mA kế có nội trở nhỏ Hình 5-27 Nếu dòng quang base – colector ký hiệu là I Φ , ta có điện áp l V o = V cc – β I Φ R (sơ đồ 5-27, a) V o = β I Φ R (sơ đồ 5-27, b) Cả 2 sơ đồ (a, b) đều có nhược điểm là điện dung của tiếp giáp base-collector tương đối nhỏ. Chúng dùng trong các sơ đồ đo khi tần số số cao hơn bằng sơ đồ c. Điện trở R được để không gây sụt áp đáng kể. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kỹ Thuật Đo Lường Điện –Điện tử - 154 - TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Метрология и электрорадоизмерение в телекоммуникацион Lời nói đầu 7 1 Những khái niệm cơ bản 8 . DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 88 1. khái niệm cHUNG 115 1. khái niệm cHUNG 131 2. системах: Учебник для вузов / В.И. Нефёдов, В.И. Хахин, Е.В. и др.; Под ред. В.И.Нефёдова – М.:Высш.шк., 2001. 3. в электронике: Справочник / В.А Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. -ских и др.; Под ред.В.А. Кузнецова. — М.: Энергоатомиздат, 1987. 4. К. Б нные методы и приборы в и . — ., 1986. 7. 8. 1978. 9. 11. David A. Bell. Dụng cụ và đo lường điện tử / Người dòch: Nguyễn hữu Ngọc, Trònh Trung Thành, Đặng Văn Sử / N.x.b. KHKT, Hà Nội, 1994. 12. Vũ Quý Điềm. Cơ sở kỹ thuật đo lường vô tuyến điện. N.x.b. ĐH & THCN, Hà Nội, 1978. 13. Nguyễn Ngọc Tân, Ngô tấn Nhơn, Ngô Văn Ky. Kỹ thuật đo. Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, 1995. 14. Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Dương. Dụng cụ đo cơ điện. N.x.b. KHKT. Hà Nội,1983. 15. Hoàng Tư Giáp. Đo thử hữu tuyến điện. N.x.b. Tổng cục bưu điện, Hà Nội 1979 16. Hoàng Thanh Chung. Dụng cụ đo điện xách tay. Nx.b. Đại học và trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1987. § 1 § § ных Федорова Измерения Конев Классен . Основы измерений. Электро технике. — М.: Постмаркет, 20змерительной 00. 5. Харт X. Введение в измерительную технику. — М.: Мир, 1999. 6. Елизаров А.С. Электрорадиоизмерения Минск: Выш. Шк Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология. — М.: Логос, 2000. Меерсон А.М. Радиоизмерительная техника. –Л.: Энергия, Хормой Б.П., Моисеев Ю. Г. Электрорадиоизмерения. М.: Радио и связь, 1985. 10. Карпов Р. Г., Карпов Н. Р. Электрорадиоизмерения – М.: выш. Школа, 1978. Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kyừ Thuaọt ẹo Lửụứng ẹieọn ẹieọn tửỷ - 155 - Lu Th Vinh Khoa Vt Lý Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com . Kỹ Thuật Đo Lường Điện Điện tử - 1 48 - Với t = 18 o C thì: p H E 0 58, 0 − = ( 5-4 2) Phương trình 5-4 2 cho ta nguyên tắc để chế tạo các ma pH § 5 . C ùy đo độ . HUYỂN ĐỔI QUANG ĐIỆN. c) d) e) b) H ình 5-2 1. Các sơ đồ sử dụng tế bào quang điện D Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kỹ Thuật Đo Lường Điện Điện tử - 149 - H ình. 5-2 7. R R Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý +Vcc +Vcc +Vcc Vo Vo a) b) c) Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Kỹ Thuật Đo Lường Điện Điện tử - 153 -