CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 2 doc

63 ()() 8.1 2 1 21 2 3 VV R R Ra R V o −       += b. Mạch cầu Wheatstone : Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo của cầu. Vcc Ro Ro Ro Rx V+ V- Hình 1.11 Mạch cầu wheastone Trong sơ đồ trên Rx = Ro + ∆R, ∆U = V + - V - ta có: () () 9.1 222 1 2 cc o cc o o V RR R V RR RR U ∆+ ∆ =         − ∆+ ∆+ =∆ Nếu ∆R << R o thì biểu thức trên có thể viết lại như sau: () 10.1 4 cc o V R R U ∆ =∆ II. CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG: II.1 Cảm Biến Quang : a. Tế bào quang dẫn : Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang dụa trên hiện tượng quang dẫn do kết qủa của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng. Hình 1.12 Tế bào quang dẫn 64 - Các vật liệu dùng để chế tạo tế bào quang dẫn: Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp. + Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe. + Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe. - Các tính chất cơ bản của tế bào quang dẫn : + Điện trở vùng tối R co phụ thuộc vào hình dạng, kích thùc, nhiệt độ và bản chất lý hoá của vật liệu Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 10 4 tới 10 5 Ω ở 25 o C), trong khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ (từ 10 tới 10 3 Ω ở 25 o C). Khi được chiếu sáng, điện trở cửa tế bào quang dẫn giảm xuống rất nhanh, quan hệ giữ điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng: ( ) 1.2. γ − Φ= aR c Trong đó a là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, 0,5 < γ < 1 Hình 2.1 biểu diễn quan hệ giữa điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng. Hình 2.1 Quan hệ giữa độ rọi và điện trở của tế bào quang dẫn. Ký hệu của tế bào quang dẫn trên sơ đồ mạch: Hình 2.2 Ký hiệu của tế bào quang dẫn. + Độ nhạy của tế bào quang dẫn: Nếu đặt lên 2 đầu tế bào quang dẫn một điện áp V, thì sẽ có một dòng điện I chảy qua tế bào quang dẫn: () 2.2 γ Φ== a V R V I c Đ ộ rọi sáng (Lux) Đ iện trở ( Ω ) 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 8 0,01 0,1 1 10 1001000 65 Độ nhạy của tế bào quang dẫn: () 3.2 1− Φ= Φ = γ γ a V d dI s - Ứng dụng của tế bào quang dẫn : Tế bào quang dẫn thường được dùng để đo thông lượng ánh sáng, kết hợp với nguồn sáng để dò vạch dẫn dường cho các mobile robot, đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng … Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn: VCC Q1 13 2 K2 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng. VCC Tới VĐK hoặc PLC 13 2 Q1 R3 Hình 2.4 Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn để dò vạch dẫn đường, đọc mã vạch. b. Photo Diode : - Cấu tạo của Photo Diode : Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật liệu như: Ge, Si (Cho vùng ánh sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng ngoại. Hình 2.5 Cấu tạo của photo diode - Nguyên lý làm việc của photo diode : Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng λ < λ n sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống. Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I ta cần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng Vùng nghèo p n Chuyển tiếp E 66 nghóa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Quá trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược. - Các chế độ làm việc của photo Diode : + Chế độ quang dẫn : Ở chế độ quang dẫn, photo diode được phân cực ngược bởi nguồn sức điện động E như hình 2.6: Hình 2.6 Sơ đồ phân cực cho photo diode o chế độ quang dẫn. Dòng điện ngượi I r chảy qua diode: () 4.2exp1 p d or I kT qV II +             −= Trong đó: I o là dòng ngược khi không được chiếu sáng, I p là dòng quang điện khi ánh sáng đạt tới vùng nghèo sau khi qua bề dày X của lớp bán dẫn. ( ) 5.2 X op eKI α − Φ= K là hằng số, Φ o là quang thông bên ngoài lớp bán dẫn, α ≈ 10 5 [cm -1 ], V d là điện áp ngược trên photo diode. Khi V d có giá trò đủ lớn thì: I r = I o + I p (2.6) do I o thường rất nhỏ nên: I r = I p (2.7) Viết phương trình cho mạch điện hình 2.6: E = V R - V d (2.8) Trong đó V R = R*I r là đường thẳng tải. Hay () 9.2 R V R E I d r += Hình 2.7 Đặc tuyến I-V với thông lượng ánh sáng khác nhau của photo diode R E I r 0-5-10-15-20-E-30-35 10 20 30 70 50 60 I r 0V d 50 µ W 100 µ W 150 µ W 200 µ W ∆ 67 + Chế độ quang thế: Trong chế độ quang thế không có điện áp ngoài đặt vào Diode, Photo diode làm việc như một nguồn dòng. Đặc điểm của chế độ này là không có dòng điện tối do không có nguồn phân cực ngoài nên giảm được ảnh hưởng của nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ. Khi chiếu sáng vào photo diode, các hạt dẫn không cơ bản tăng lên làm cho hàng rào điện thế của tiếp giáp thay đổi một lượng ∆v b khi đó ta có : () 10.201 =+         − ∆ p kT vq o IeI b () 11.21ln         +=∆ o p b I I q kT v Sự thay đổi của hàng rào điện thế này được xác đònh bằng cách đo hiệu điện thế trên photo diode ở trạng thái hở mạch. Khi chiếu sáng yếu: I p << I o , phương trình (2.11) có thể viết lại: () 12.2 o X o o p b I eK q kT I I q kT v α − Φ ==∆ Từ (2.12) ta thấy điện áp trên diode phụ thuộc tuyến tính vào thông lượng ánh sáng Φ. Khi chiếu sáng mạnh: I p >> I o , (2.11) được viết lại: () 13.2ln         =∆ o p b I I q kT v Với I p được tính trong công thức (2.5) thì từ (2.13) ta thấy điện áp trên photo diode phụ thuộc theo thông lượng ánh sáng theo hàm logarit. - Độ nhạy của photo diode : () 14.2 X o p Ke d dI s α − = Φ = - Ứng dụng của photo diode : Photo diode có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm dầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch … Sơ đồ dùng photo diode: Hình 2.7 Sơ đồ mạch đo dòng ngược ở chế độ quang dẫn E Vo + - 3 2 1 8 4 R1 R2 R3 68 Vo + - 3 2 1 8 4 R1 R2 Hình 2.8 Sơ đồ mạch đo dùng photo diode ở chế độ quang thế c. Photo transistor : - Cấu tạo của photo transistor và nguyên lý làm việc của transistor quang : Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ có thể được chiếu sáng. Khi không có điện áp đặt lên Bazơ chỉ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bò phân cực ngược như hình 2.9. Hình 2.9 Sơ đồ mạch đo dùng transistor quang Điện áp đặt vào E hầu như tập trung toàn bộ trên chuyển tiếp B-C, trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa Emiter và Bazơ là không đáng kể (V BE ≈ 0,7 [V]). Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó hoạt động như một photo diode ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược I r = I o + I p (2.15) Trong (2.15) I o là dòng điện ngược khi không được chiếu sáng, I p là dòng quang điện khi có quang thông Φ o chiếu qua bề dày X của lớp bán dẫn. I r đóng vai trò như dòng Bazơ, nó sẽ gây nên dòng colector I c : I c = (β +1)I r (2.16) Trong (2.16) thì β là hệ số khuếch đại dòng khi emiter nối chung. - Độ nhạy của transistor quang : () () 17.21 X o c eK d dI s α β − += Φ = - Ứng dụng của transistor quang : Transistor có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch, chế tạo cáac cảm biến quang trong công nghiệp … E R E Q3 NPN BCE R a. Sơ đồ phân cực transistor quang b. Sơ đồ tương đương 69 d. Cảm biến quang trong công nghiệp: - Cấu tạo : Cảm biến quang trong công nghiệp có cấu tạo: Cảm biến gồm phần phát và phần thu: + Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò như một nguồn phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu. + Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập trung ánh sáng rọi vào trasistor. Transistor quang thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra. - Một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp : Sau đây là một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp của hãng OMRON: Hình 2.11 Dạng thu phát chung không cần gương phản xạ Đ ầu thu R Mạch ra Led phát Transistor q uan g thu Thấu kính ho ä i tu ï Đầu p hát Hình 2.10.a Cấu ta ï o cảm biến q uan g da ï n g thu p ha ù t riên g R Led p hát Transistor q uan g thu Thấu kính hội tụ Cảm biến thu p hát Hình 2.10.b Cấu tạo cảm biến q uan g dạn g thu p hát chun g Mạch ra 70 Hình 2.12 Dạng thu phát riêng Hình 2.13 Dạng thu phát chung có gương phản xạ Hình 2.14 Cảm biến sợi quang - Cấu trúc mạch ra của cảm biến quang : 1 8 3 Mạch cảm biến Tải GND 10- Nâu Đen Xanh Đèn báo Hình 2.15 Mach ra kiểu transistor NPN cưc thu để hở 1 8 3 Mạch cảm biến Tải GND 10-30VDC Nâu Đen Xanh Đèn báo Hình 2.16 Ma ï ch ra kiểu transistor PNP cư ï c thu để hở 71 II.2 Ứng Dụng Của Cảm Biến Quang : Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vò trí đònh trước như: dùng làm cảm biến phát hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản phẩm và đóng thùng sản phẩm, phát hiện có vật cản ngay cửa của các thang máy, phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống đóng gói sản phẩm, dùng đo tốc độ động cơ … Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng của cảm biến quang. Ví dụ 1 : Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài Hình 2.17 Hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài Ví dụ 2 : Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong hệ thống đóng gói sản phẩm. Hình 2.18 Hệ thống đóng gói bao bì Ví dụ 3 : Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện hộp sữa bằng giấy trên băng tải trong hệ thống sản xuất sữa hộp giấy (hình 2.19). Dao cắt Cảm biến quang PLC Cảm biến quang Chấm đen Dao cắt Rulo kéo phim 72 Ví dụ 4: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện thực phẩm trên băng tải trong hệ thống sản xuất thực phẩm (hình 2.20). Ví dụ 5 : Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chai trên băng tải và đếm số chai trong hệ thống sản xuất nước uống (hình 2.21). Hình 2.19 Phát hiện hộp sữa. Hình 2.20 Phát hiện thực phẩm. Hình 2.21 Phát hiện và đếm chai. Cảm biến quang Hộp sữa Băng tải Thành băng tải Cảm biến quang Băng tải Thực phẩm Cảm biến quang Băng tải Gương phản xạ . (hình 2. 20). Ví dụ 5 : Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chai trên băng tải và đếm số chai trong hệ thống sản xuất nước uống (hình 2. 21). Hình 2. 19 Phát hiện hộp sữa. Hình 2. 20 Phát. diode R E I r 0-5 -1 0-1 5 -2 0-E-3 0-3 5 10 20 30 70 50 60 I r 0V d 50 µ W 100 µ W 150 µ W 20 0 µ W ∆ 67 + Chế độ quang thế: Trong chế độ quang thế không có điện áp ngoài đặt vào Diode, Photo. chiều dài Ví dụ 2 : Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong hệ thống đóng gói sản phẩm. Hình 2. 18 Hệ thống đóng gói bao bì Ví dụ 3 : Ứng dụng cảm biến quang để phát