CẢM BIẾN ĐO QUANG

CẢM BIẾN ĐO QUANG

CẢM BIẾN ĐO QUANG Nhóm 5 Nội dung  1. Tính chất ánh sáng  2. Cảm biến quang dẫn  3. Cảm biến quang điện phát xạ  4. Các loại cảm biến thông dụng 1. Tính chất ánh sáng 1.1. Tính chất ánh sáng n c v = Phổ ánh sáng được biểu diễn 1.1. Tính chất ánh sáng b) Tính chất hạt: Ánh sáng bao gồm các hạt photon mang năng lượng, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số (ν) của ánh sáng: Với h = 6,625.10^-34 gọi là hằng số Planch Một điện tử được liên kết có năng lượng W1,để giải phóng điện tử ra khỏi nguyên tử cần cung cấp cho nó năng lượng bằng năng lượng liên kết W1. - Hiện tượng hạt dẫn được giải phóng dưới tác dụng của ánh sáng làm thay đổi tính chất dẫn điện của vật liệu gọi là hiệu ứng quang điện => đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang ν= φ .hW 2. Cảm biến quang dẫn 2.1. Hiệu ứng quang dẫn: Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện trong) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. + điện tử h ν + h ν - điện tử h ν + Vùng dẫn Vùng hoá trị W lk - - Bán dẫn tinh khiết Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p lổ trống lổ trống W≥W lk 2.1. Hiệu ứng quang dẫn - Độ dẫn trong tối: - Độ dẫn khi chiếu sáng: 00 nqµ=σ 2 1 2 1 . 1 Φ=       == Ar g qnq µµσ 0 σ>>σ ⇒ và là hàm phi tuyến của Φ với số mũ γ =1/2 (thực tế γ = 0,5 -1) 2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) a) Cấu tạo: thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn: đa tinh thể đồng nhất, đơn tinh thể, bán dẫn riêng, bán dẫn pha tạp. 0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30 CdS CdSe CdTe PbS PbSe PbTe Ge Si GeCu SnIn AsIn CdHgTe λ, µm Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn 2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) b) Đặc trưng chủ yếu: - Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 10 4 Ω - 10 9 Ω ở 25 o C đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi độ rọi sáng tăng. Điện trở (Ω) Độ rọi sáng (lx) 0,1 1 10 100 10 2 10 4 10 6 10 6 1000 Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng 2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) - Độ nhạy: Nhận xét: + Độ nhạy giảm khi Φ tăng (trừ γ = 1) + Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi V điện áp đặt vào lớn. + Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. 1− Φ= ∆Φ ∆ = γ γ A VI S [...]... A/W) p 2.3 Điốt cảm quang d) Ứng dụng: - Sơ đồ mạch làm việc ở chế độ quang dẫn: ES CP1 R2 Rm Ir R1 + − R1 V0 Rm − + ES − + R1+R2 R2 C2 V0 Sơ đồ cơ sở Sơ đồ tác động nhanh  R2  V0 = Rm 1 +  * I r  R1  V0 = ( R1 + R2 ) * I r 2.3 Điốt cảm quang - Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế: 2.3 Điốt cảm quang Chế độ quang dẫn: + Độ tuyến tính cao + Thời gian hồi đáp ngắn + Dải thông lớn Chế độ quang thế: +... -20 -10 0 50µW V + D Rm Cảm biến làm việc ở chế độ tuyến tính VR ~ Φ 20 100µW 40 150µW 60 200µW ∆ Ir 2.3 Điốt cảm quang Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0 ⇒ Đo điện thế hở mạch = kT log1 + I  V   OC P q  I0  kT Ip Khi Ip> I0: VOC = kT I log P q I0 Đo dòng ngắn mạch: Isc ≈ Ip ⇒ lớn nhưng tỉ lệ với logΦ ISC Rbé 2.3 Điốt cảm quang c) Độ nhạy: - S... bào quang dẫn 1 1 2 3 Bước sóng (µm) Ảnh hưởng bước sóng đến độ nhạy của tế bào quang dẫn 2.2 Tế bào quang dẫn c) Ứng dụng: - Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở giảm, cho dòng điện chạy qua đủ lớn → sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle - Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện 2.2 Tế bào quang. .. hỏi phải làm nguội Do đó người ta không dùng quang trở để xác định chính xác giá trị thông lượng mà được sử dụng để phân biệt mức ánh sáng : trạng thái sáng - tối hoặc xung ánh sáng 2.2 Tế bào quang dẫn + Điều khiển trực tiếp + Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại Tế bào quang dẫn dùng để làm pin mặt trời Tế bào quang dẫn (quang trở) 2.3 Điốt cảm quang (Photodiode) a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt... quang điện khi chiếu sáng Độ nhạy của Điốt cảm quang - Đối với 1 bức xạ có phổ xác định , dòng quang điện I tuyến tính với thông lượng trong 1 khoảng tương đối rộng - Độ nhạy được xác định : ∆I qη (1 − R ) exp( − αX ) S(λ) = = λ ứng với ∆φ hc λ ≤ λS η hiệu suất lượng tử R hệ sồ phản xạ α hệ số hấp thụ h hằng số Planck h = 6,6256.10-34Js c vận tốc truyền trong chân không 2.3 Điốt cảm quang Chế độ quang. .. thế: + Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit + Ít nhiễu + Thời gian hồi đáp lớn + Dải thông nhỏ + Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit 2.3 Điốt cảm quang c) Ứng dụng: - Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic, … - Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến tính) 2.4.Transistor Quang ( photo transistor ) a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp... P – N 2.3 Điốt cảm quang - Nguyên lý hoạt động: Khi Φ = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua chuyển tiếp:  qVd  I = I kt − I 0 = I 0 exp   − I0 = 0  kT  Ikt → Dòng khuếch tán các hạt cơ bản I0 → Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt  qVd  Ir Khi V > 0 → dòng ngược: = − I 0 exp   + I0 ≠ 0  kT   qVd  Khi V đủ − I0 exp lớn   kT  → 0 và Ir = I0 2.3 Điốt cảm quang - Khi chiếu...2.2 Tế bào quang dẫn c) Đặc điểm + Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao + Độ nhạy cao + Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính Φ + Thời gian hồi đáp lớn + Các đặc trưng không ổn định do già hoá + Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ, một số loại đòi hỏi làm nguội 2.2 Tế bào quang dẫn Độ 10 nhạy tương 5 đối Độ 100 nhạy tương 50 đối 30 (%) 1 10 0,5 5 3 0,1... Điện thế - + C B E Sơ đồ tách cặp điện - lỗ trống 2.4.Transistor Quang ( photo transistor ) Dòng I0: dòng ngược trong tối Dòng Ip : dòng ngược do chiếu sáng qη(1 − R ) exp( −αX) IP = hc λΦ 0 Ir ~ IB → Dòng colector IC: ⇒ phototranzito tương đương tổ hợp của một photodiot và một tranzito +E IC C Φ B Ir E Sơ đồ tương đương 2.4.Transistor Quang ( photo transistor ) ∆I c) Độ nhạy: S( λ) = c ∆Φ0 Ic = ( β... Đường cong phổ hồi đáp 2.4.Transistor Quang ( photo transistor ) d) Ứng dụng phototranzito: - Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay không có bức xạ, bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn ngưỡng)→ điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo + Điều khiển rơle + + Điều khiển cổng logic + + Điều khiển thyristo ⇒ Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp 2.4.Transistor Quang ( photo transistor ) - Sử dụng . CẢM BIẾN ĐO QUANG Nhóm 5 Nội dung  1. Tính chất ánh sáng  2. Cảm biến quang dẫn  3. Cảm biến quang điện phát xạ  4. Các loại cảm biến thông dụng 1. Tính chất. liệu gọi là hiệu ứng quang điện => đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang ν= φ .hW 2. Cảm biến quang dẫn 2.1. Hiệu ứng quang dẫn: Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện trong) là hiện. hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle. - Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện. 2.2. Tế bào quang dẫn d) Nhược điểm : - Thời gian hồi đáp lớn