Bài Giảng Kỹ Thuật Cảm Biến - Chương 4: Cảm biến quang (2b)

5 Bài giảng Kỹ Thuật Cảm Biến (sensors) Hoang Si Hong 2011 -Faculty of Electrical Eng., Hanoi Univ of Science and Technology (HUST), Hanoi, VietNam Hoang Si Hong-HUST Nguồn tham khảo Note: Bài giảng môn học tham khảo, trích dẫn lược dịch từ nguồn sau:   - Sách Kĩ thuật đo lường đại lượng điện tập 1, 2- Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế… Các cảm biến đo lường-Lê Văn Doanh… Các cảm biến-Nguyễn Tăng Phô Đo lường điện cảm biến: Ng.V.Hoà Hoàng Sĩ Hồng Sensor technology handbook (edited by JON WILSON) Elements of Electronic Instrumentation and Measurement (Prentice-Hall Company) Sách giải thích đơn vị đo lường hợp pháp Việt Nam Bài giảng website: Bài giảng kĩ thuật cảm biến-Hoàng Sĩ Hồng-BKHN(2005) Bài giảng Cảm biến kỹ thuật đo:P.T.N.Yến, Ng.T.L.Hương –BKHN (2010) Bài giảng MEMs ITIMS – BKHN Một số giảng cảm biến đo lường từ trường đại học KT khác Việt Nam Website: sciendirect/sensors and actuators A and B Hoang Si Hong-HUST Nội dung môn học mục đích Nội dung ● Chapter 1: Khái niệm chung Cảm biến (2b) ● Chapter 2: Cảm biến điện trở (2b) ● Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ (2b) ● Chương 4: Cảm biến quang (2b) ● Chương 5: Cảm biến tĩnh điện (2b) ● Chương 6: Cảm biến Hall hoá điện ● Chương 6: Cảm biến PLC(1b) Mục đích: nắm cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng loại cảm biến thông dụng công nghiệp đời sồng Nắm xu phát triển chung công nghệ cảm biến giới Hoang Si Hong-HUST Chương 3: Cảm biến quang Nội dung ● Khái niệm chung ánh sáng nguồn sáng ● Quang điện trở, tế bào quang điện nhân quang điện ● Photodiode ● Phototranzito ● Tế bào quang điện Nguồn sáng hay nguồn thu ánh sáng? Hoang Si Hong-HUST Các khái niệm chung ánh sáng - - Ánh sáng sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0.4 đến 0.75μm Ánh sáng có tính chất sóng hạt Vận tốc ánh sáng chân không v = 299792 km/s Vận tốc ánh sáng môi trường vật chất có chiết suất n v = c/n Mối liên hệ bước sóng ánh sáng λ tần số ν sau: λ = c/ν (chân ko) λ = v/ν -Ultraviolet (tử ngoại) Infrared (hồng ngoại) Hoang Si Hong-HUST Các khái niệm chung ánh sáng - Tính chất hạt thể qua tương tác với vật chất Ánh sáng hạt phôton mang lượng Ept= hν Trong h số planck = 6,6256.10-34 J.s - Khi dòng ánh sáng xuyên qua chất bị hấp thụ tán xạ Hoang Si Hong-HUST Nguyên lý chung -Bước sóng lớn ánh sáng gây nên tượng giải phóng điện tử với điều kiện lượng photon Ept > Edt lượng liên kết điện tử λmax = h.c/Edt -Như điều kiện giải phóng điện tử phụ thuộc vào kiểu ánh sáng chất vật liệu bị chiếu sáng - Hiện tượng giải phóng hạt dẫn tác dụng ánh sáng hiệu ứng quang điện gây nên thay đổi tính chất điện vật liệu Đó nguyên lý cảm biến quang điện - Số điện tử giải phóng giây G = η(1-R) λΦ/h.c -η:Hiệu suất, R: hệ số phản xạ Φ thông lượng ánh sáng Hoang Si Hong-HUST Các đơn vị đo -Năng lượng xạ Q : lượng phát xạ, lan truyền hấp thụ dạng xạ đo Jun (J) -Quang thông Φ: công suất phát xạ lan truyền hấp thụ, đo oát (W) đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng: Φ = dQ/dt - Cường độ sáng I: quang thông phát theo hướng đơn vị góc khối, có đơn vị W/steradian: I = dΦ/dΩ - Độ chói lượng L: tỷ số cường độ sáng phát phần từ bề mặt dI theo hướng xác định diện tích hình chiếu vuông góc phần tử bề mặt dAn, có đơn vị W/steradian.m2 :L = dI/dAn - Độ rọi E: tỷ số quang thông thu phần tử bề mặt diện tích phần tử đó, có đơn vị W/m2 :E=dΦ/dA Đơn vị thị giác Đ/v lượng - Thông lượng lumen (lm) oat (W) - Cường độ candela (cd) oat/sr (W/Sr) - Độ chói cd/m2 W/Sr.m2 - Độ rọi lumen/m2 (lux) W/m - Năng lượng lm.s - Độ nhạy mắt người cực đại với bước sóng =0,555 micromet Hoang Si Hong-HUST Các đơn vị đo -Năng lượng xạ Q : lượng phát xạ, lan truyền hấp thụ dạng xạ đo Jun (J) -Quang thông Φ: công suất phát xạ lan truyền hấp thụ, đo oát (W) đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng: Φ = dQ/dt - Cường độ sáng I: quang thông phát theo hướng đơn vị góc khối, có đơn vị W/steradian: I = dΦ/dΩ - Độ chói lượng L: tỷ số cường độ sáng phát phần từ bề mặt dI theo hướng xác định diện tích hình chiếu vuông góc phần tử bề mặt dAn, có đơn vị W/steradian.m2 :L = dI/dAn - Độ rọi E: tỷ số quang thông thu phần tử bề mặt diện tích phần tử đó, có đơn vị W/m2 :E=dΦ/dA Đơn vị thị giác Đ/v lượng - Thông lượng lumen (lm) oat (W) - Cường độ candela (cd) oat/sr (W/Sr) - Độ chói cd/m2 W/Sr.m2 - Độ rọi lumen/m2 (lux) W/m - Năng lượng lm.s - Độ nhạy mắt người cực đại với bước sóng =0,555 micromet Hoang Si Hong-HUST Các nguốn sáng Đèn sợi đốt Đèn ne-on Laser Led LCD ? Hoang Si Hong-HUST 10 Đèn sợi đốt - Là bóng thuỷ tinh chứa khí halogen sợi đốt làm vonfram Phát ánh sáng nhìn thấy Ưu điểm: thông lượng ánh sáng lớn, dải phổ rộng, có thê thay đổi thông lượng ánh sáng Nhược điểm: thời gian sử dụng ngắn so với led, dể vở, độ quán tính lớn tungsten filament Very thin metal wire emitting light rays when an electric current passes though it Hoang Si Hong-HUST 11 Đèn Led (LIGHT EMITTING DIODE) - Nguyên lý: lượng (quang năng) giải phóng có tái hợp cặp tử-lổ trống phần tiếp giáp p-n phát sinh phôton - Ưu điểm led led thanh: + Tần số hoạt động cao, độ bền tốt, độ tin cậy cao, tuổi thọ cao (10 năm) + Công suất tiêu thụ bé, không gây sụt áp bắt đầu hoạt động + Khi tăng nhiệt độ dòng cung cấp cho led không đổi cường độ sáng sẻ giảm trung bình khoảng 1.5 đến mV/ oC + Kích thước bé ghép nối diện tích rộng + Cường độ sáng phụ thuộc vào dòng điện qua, điều khiển cường độ sáng thích hợp + Màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào vật liệu ví dụ: GaAs: đỏ, GaAsP đỏ vàng, GaP đỏ xanh + Khả chuyển mạch nhanh ( ns) + Điện áp sụt led phụ thuộc vào màu với dòng thuận cung cấp cỡ 20 mA + Bức xạ led đơn sắc Hoang Si Hong-HUST 12 How does it work? Junction is biased to produce even more e-h and to inject electrons from n to p for recombination to happen Recombination produces light!! ◘g = hc/Eg P-n junction Electrical Contacts A typical LED needs a p-n junction There are a lot of electrons and holes at the junction due to excitations Electrons from n need to be injected to p to promote recombination Hoang Si Hong-HUST 13 Visible LED Definition: LED which could emit visible light, the band gap of the materials that we use must be in the region of visible wavelength = 390- 770nm This coincides with the energy value of 3.18eV- 1.61eV which corresponds to colours as stated below: Colour of an LED should emits Led Led Led Led Led Violet Blue Green Yellow Orange Red ~ 3.17eV ~ 2.73eV ~ 2.52eV ~ 2.15eV ~ 2.08eV ~ 1.62eV The band gap, Eg that the semiconductor must posses to emit each light đỏ điện áp sụt áp khoảng 1.6 đến V da cam điện áp sụt áp khoảng 2.2 đến V điện áp sụt áp khoảng 2.7 đến 3.2 V vàng điện áp sụt áp khoảng 2.4 đến V xanh da trời điện áp sụt áp khoảng đến V Hoang Si Hong-HUST 14 LED Hoang Si Hong-HUST 15 Laser Laser (đọc la-de) tên viết tắt cụm từ Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation tiếng Anh, có nghĩa "khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích" Electron tồn mức lượng riêng biệt nguyên tử Các mức lượng hiểu tương ứng với quỹ đạo riêng biệt electron xung quanh hạt nhân Electron bên có mức lượng cao electron phía Khi có tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, hạt electron nhảy từ mức lượng thấp lên mức lượng cao hay ngược lại Các trình sinh hay hấp thụ tia sáng (photon) theo giả thuyết Albert Einstein Bước sóng (do màu sắc) tia sáng phụ thuộc vào chênh lệch lượng mức Có nhiều loại laser khác nhau, dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ xạ lớn tia laser tạo thành phần từ trạng thái chất rắn http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser Hoang Si Hong-HUST 16 Laser Một ví dụ chế hoạt động laser miêu tả cho laser thạch anh Dưới tác động hiệu điện cao, electron thạch anh di chuyển từ mức lượng thấp lên mức lương cao tạo nên trạng thái đảo nghịch mật độ electron Ở mức lượng cao, số electron rơi ngẫu nhiên xuống mức lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng gọi photon Các hạt photon toả nhiều hướng khác từ nguyên tử, va phải nguyên tử khác, kích thích eletron nguyên tử rơi xuống tiếp, sinh thêm photon tần số, pha hướng bay, tạo nên phản ứng dây chuyền khuyếch đại dòng ánh sáng Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần vật liệu, nhờ gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng Một số photon nhờ có gương bán mạ đầu http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser vật liệu Tia sáng tia laser Hoang Si Hong-HUST 17 Tính chất Laser an toàn - Độ định hướng cao: tia laser phát chùm song song khả chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán - Tính đơn sắc cao: chùm sáng có màu (hay bước sóng) Do chùm laser không bị tán xạ qua mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác Đây tính chất đặc biệt mà không nguồn sáng có - Tính đồng photon chùm tia laser - Có khả phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung lượng tia laser cực lớn thời gian cực ngắn Laser với cường độ thấp, vài miliwatt, nguy hiểm với mắt người Tại bước sóng mà giác mạc mắt thủy tinh thể tập trung tốt, nhờ tính đồng định hướng cao laser, công suất lượng lớn tập trung vào điểm cực nhỏ võng mắt Kết vết cháy tập trung phá hủy tế bào mắt vĩnh viễn vài giây, chí nhanh Độ an toàn laser xếp từ I đến IV Với độ I, tia laser tương đối an toàn Với độ IV, chí chùm tia phân kỳ làm hỏng mắt hay bỏng da Các sản phẩm laser cho đồ dân dụng máy chơi CD bút laser dùng lớp học xếp hạng an toàn từ I, II, hay III (Xem thêm an toàn laser) http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser Hoang Si Hong-HUST 18 http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser Ưu điểm ứng dụng - Tính chất cho phép laser lưu trữ vài gigabyte thông tin rãnh DVD Cũng điều kiện cho phép laser vớicông suất nhỏ tập trung cường độ sáng cao dùng để cắt, đốt làm bốc vật liệu kỹ thuật cắt laser Đầu đọc CD DVD hoạt động theo chế, có điều DVD chứa lượng liệu nhiều sử dụng tia laser bước sóng ngắn (650 nano-mét so với 780 nano-mét CD) Bước sóng ngắn cho phép tăng tần suất va chạm, sản sinh photon tương đồng với liệu Dự kiến, hệ ổ quang dựa công nghệ ghi đĩa laser xanh (với bước sóng khoảng 405 nano-mét), có khả lưu trữ phim chất lượng cao (High Definition- HD) -Máy đo khoảng cách laser quân loại thiết bị quan trọng -Rada laser có độ xác cao rada thông thường, hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối xác không gian Tuy nhiên, thiết bị laser chịu ảnh hưởng thời tiết, trời mù mưa khoảng cách đo bị giảm nhiều - Máy in laser, xoá vết xăm, y tế -Ưu điểm: Nguồn đơn sắc, độ chói lớn, bước sóng xác định, thông lượng lớn, chùm tia mảnh, đội định hướng cao truyền xa Hoang Si Hong-HUST 19 Lưu ý câu hỏi • Còn tiếp phần 5-2 !!! Hoang Si Hong-HUST 20 [...]... 390- 770nm This coincides with the energy value of 3 .18 eV- 1. 61eV which corresponds to colours as stated below: Colour of an LED should emits Led Led Led Led Led Violet Blue Green Yellow Orange Red ~ 3 .17 eV ~ 2.73eV ~ 2.52eV ~ 2 .15 eV ~ 2.08eV ~ 1. 62eV The band gap, Eg that the semiconductor must posses to emit each light đỏ điện áp sụt áp khoảng 1. 6 đến 2 V da cam điện áp sụt áp khoảng 2.2 đến 3 V... rays when an electric current passes though it Hoang Si Hong-HUST 11 Đèn Led (LIGHT EMITTING DIODE) - Nguyên lý: năng lượng (quang năng) được giải phóng khi có sự tái hợp cặp tử-lổ trống ở phần tiếp giáp p-n và phát sinh ra các phôton - Ưu điểm của led và led 7 thanh: + Tần số hoạt động cao, độ bền tốt, độ tin cậy cao, tuổi thọ cao (10 năm) + Công suất tiêu thụ bé, không gây sụt áp khi bắt đầu hoạt... 12 How does it work? Junction is biased to produce even more e-h and to inject electrons from n to p for recombination to happen Recombination produces light!! ◘g = hc/Eg P-n junction Electrical Contacts A typical LED needs a p-n junction There are a lot of electrons and holes at the junction due to excitations Electrons from n need to be injected to p to promote recombination Hoang Si Hong-HUST 13 ... không đổi thì cường độ sáng sẻ giảm trung bình khoảng 1. 5 đến 2 mV/ oC + Kích thước bé có thể ghép nối diện tích rộng + Cường độ sáng phụ thuộc vào dòng điện đi qua, do đó có thể điều khiển được cường độ sáng thích hợp + Màu sắc ánh sáng phụ thuộc vào vật liệu ví dụ: GaAs: đỏ, GaAsP đỏ hoặc vàng, GaP đỏ hoặc xanh + Khả năng chuyển mạch nhanh ( 1 ns) + Điện áp sụt trên led phụ thuộc vào màu với dòng... cam điện áp sụt áp khoảng 2.2 đến 3 V lá cây điện áp sụt áp khoảng 2.7 đến 3.2 V vàng điện áp sụt áp khoảng 2.4 đến 3 V xanh da trời điện áp sụt áp khoảng 3 đến 5 V Hoang Si Hong-HUST 14 LED 7 thanh Hoang Si Hong-HUST 15 Laser Laser (đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích"... thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất rắn http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser Hoang Si Hong-HUST 16 Laser Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng... gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser của vật liệu Tia sáng đi ra chính là tia laser Hoang Si Hong-HUST 17 Tính chất Laser và an toàn - Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán - Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu... Các sản phẩm laser cho đồ dân dụng như máy chơi CD và bút laser dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II, hay III (Xem thêm an toàn laser) http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser Hoang Si Hong-HUST 18 http://vi.wikipedia.org/wiki/Laser Ưu điểm và ứng dụng - Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vài gigabyte thông tin trên các rãnh của DVD Cũng là điều kiện cho phép laser vớicông suất nhỏ vẫn... cách đo bị giảm đi nhiều - Máy in laser, xoá vết xăm, y tế -Ưu điểm: Nguồn đơn sắc, độ chói lớn, bước sóng xác định, thông lượng lớn, chùm tia mảnh, đội định hướng cao và truyền đi xa Hoang Si Hong-HUST 19 Lưu ý và câu hỏi • Còn tiếp phần 5-2 !!! Hoang Si Hong-HUST 20