Tìm hiểu về cảm biến quang

Khoá luận tốt nghiệp Nguyễn Thùy Linh – K32E Lý LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu với nỗ lực thân giúp đỡ thầy cô gáo bạn sinh viên tơi hồn thành đề tài Trước hết tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, Thạc sỹ Nguyễn Hữu Tình - khoa Vật lý - Trường đại học Sư Phạm Hà Nội tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi suốt q trình thực hồn thành tốt khóa luận Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Vật lý, thầy giáo, cô giáo khoa tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt khóa luận Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Sinh viên Nguyễn Thuỳ Linh Tìm hiểu cảm biến quang Khố luận tốt nghiệp Tìm hiểu cảm biến quang Nguyễn Thùy Linh – K32E Lý LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thuỳ Linh Sinh viên:K32E – Cử nhân Khoa Vật lý – Trường đại học Sư phạm Hà Nội Tơi xin cam kết “Tìm hiểu cảm biến quang” kết nghiên cứu riêng cá nhân tôi, tìm hiểu thực hiên hướng dẫn bảo thầy giáo, Thạc sỹ Nguyễn Hữu Tình-Khoa Vật lý – Trường đại học Sư phạm Hà Nội Trong q trình thực đề tài tơi tham khảo nhiều tài liệu cơng trình nghiên cứu tác giả trước không chép y nguyên Sinh viên thực Nguyễn Thuỳ Linh MỤC LỤC Lời cảm ơn……………………………………………………………… Lời cam đoan…………………………………………………………… Mục lục……………………………………………………………………3 Mở đầu……………………………………………………………….……5 Lí chọn đề tài …………………………………………….… Mục đích nghiên cứu………………………………………….….7 Nhiệm vụ nghiên cứu ……………………………………………7 Phương pháp nghiên cứu…………………………………………7 Nội dung……………………………………………………………….… Chương 1: Vài nét khái quát cảm biến……………………………9 1.1 Định nghĩa………………………………………………………8 1.2 Mạch đo…………………………………………………………9 1.3 Độ nhạy…………………………………………………………9 1.4 Sai số phép đo………………………………………………9 1.5 Tính trung thực, tính đắn độ xác……………… 10 1.6 Độ tuyến tính………………………………………………… 10 Chương 2: Cảm biến quang………………………………….………12 2.1 Ánh sáng phép đo quang……… …………… …… 12 2.2.1 Tính chất ánh sáng……………………… …………12 2.1.2 Các đơn vị đo quang…………………………… ………15 2.13 Nguồn sáng………………………………………… ……18 2.2 Tế bào quang dẫn……………………………………………….19 2.2.1 Vật lí quang dẫn………………………………………… 19 2.2.2.Vật liệu để chế tạo cảm biến………………….……………22 2.2.3 Các đặc trưng………………………………….………… 22 2.2.4 Ứng dụng tế bào quang dẫn………………………… 26 2.3 Photođiot …………………………………………………….…28 2.3.1 Nguyên lí hoạt động……………………………………….28 2.3.2 Chế độ hoạt động………………………………………….31 2.3.3 Độ nhạy……………………………………………………34 2.3.4 Sơ đồ sử dụng photođiot………………………………… 36 2.4 Phototranzito……………………………………………………38 2.4.1 Cấu tạo nguyên lí hoạt động………………………………38 2.4.2 Độ nhạy……………………………………………………39 2.4.3 Sơ đồ dùng phototranzito………………………………….40 2.5 Cảm biến quang phát xạ ……………………………………… 44 2.5.1 Cơ chế hoạt động vật liệu chế tạo…………………… 44 2.5.2 Tế bào quang điện chân không………………………… 46 2.5.3 Tế bào quang điện dạng khí …………………….……….48 2.5.4 Thiết bị quang nhân……………………………………….48 2.6 Cáp quang………………………………………………………50 2.6.1 Cấu tạo tính chất chung……………………………… 50 2.6.2 Ứng dụng………………………………………………….51 Kết luận……………………………………………………………………55 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài: Từ ngàn xưa người tiền sử nhờ vào giác quan xúc giác để cảm nhận, tìm hiểu đặc điểm giới tự nhiên học cách sử dụng hiểu biết nhằm mục đích khai thác giới xung quanh phục vụ cho sống họ Trong thời đại phát triển khoa học kĩ thuật ngày người không dựa vào quan xúc giác thể để khám phá giới Các chức xúc giác để nhận biết vật thể, tượng xảy thiên nhiên tăng cường nhờ phát triển dụng cụ dùng để đo lường phân tích mà ta gọi cảm biến Cảm biến định nghĩa trang thiết bị dùng để biến đổi đại lượng vật lí đại lượng khơng điện cần đo thành đại lượng điện đo (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng v.v…) Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ thống điều khiển tự động Có thể nói ngun lí hoạt động cảm biến, nhiều trường hợp thực tế, nguyên lí phép đo hay phương pháp điều khiển tự động Đã từ lâu cảm biến sử dụng phận để cảm nhận phát hiện, từ vài chục năm trở lại chúng thể rõ vai trò quan trọng hoạt động người Nhờ thành tựu khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử tin học, cảm biến giảm thiểu kích thước, cải thiện tính ngày mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có mặt hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sảm phẩm, tiết kiệm lượng, chống Hình 2.29: Sơ đồ nguyên lý thiết bị nhân quang Nếu điện tử sơ cấp va chạm với điện cực giải phóng  điện tử phát xạ thứ cấp n điện cực với điện khác mắc nối nguyên tắc nói phát xạ số điện tử thứ cấp M   " Trên thực tế, tất điện tử phát xạ từ catot đến tới điện cực tới điện cực Giả sử hệ số hữu hiệu (từ điện cực sang điện cực khác) n t Khi hệ số khuếch đại M biểu diễn cơng thức: M  c (n  ) n (2.68) Với số điện cực n =  15, hệ số phát xạ thứ cấp  =5  10,n c n t lớn 90%, hệ số khuếch đại thiết bị nhân quang M□ 10 108 2.6 Cáp quang 2.6.1 Cấu tạo tính chất chung Trên hình 2.30 biểu diễn dạng đơn giản cáp quang Nó bao gồm lõi vỡi chiết suất n , bán kính a (10  100  m) vỏ có chiết suất n2  n1 dày □ 50  m Hình 2.30: Mặt cắt cáp quang Các vật liệu sử dụng để chế tạo cáp quang bao gồm: - SiO2 tinh khiết pha tạp nhẹ - Thủy tinh, thành phần SiO2 phụ gia Na2 O3 , B2O3, PbO… - Polyme (trong số trường hợp) Ở mặt phân cách môi trường có chiết suất tương ứng n1 n , góc   tia sáng tạo thành với đường trực giác mặt phẳng liên hệ với biểu thức Descartes: n1 sin1  n2 sin2 Khi (2.69) n1 n2 xảy phản xạ toàn phần nếu: > n  1 Arc sin      n1  (2.70) Với điều kiện vậy, trường hợp cáp quang tia sáng bị giam giữ lõi truyền phản xạ liên tục nối tiếp Thí dụ, n1 = 1,51 n2 = 1,50 có góc giới hạn  = 83  30’ Hình 2.31: Khúc xạ mặt phân cách hai mơi trường(a) Và phản xạ tồn phần cáp quang(b) 2.6.2.Ứng dụng 2.6.2.1 uyền thông tin Ứng dụng quan trọng cáp quang truyền thông tin Truyền thơng tin dạng tín hiệu ánh sáng lan truyền cáp quang để tránh tín hiệu điện từ ký sinh để đảm bảo cách điện mạch điện nguồn máy thu Trong ứng dụng loại này, thông tin truyền chủ yếu cách mã hóa xung ánh sáng Đơi người ta truyền thơng tin cách biến điệu biên độ hoăc số ánh sáng Khi thiết lập đường truyền thông tin cáp quang, điều quan trọng phải đánh giá cơng suất tín hiệu thu tiêu hao lượng cáp quang mối nối gây 2.6.2.2 Quan sát đo phương pháp phương tiện quang học Cáp quang cho phép quan sát đo đạc phương pháp quang chỗ khó tiếp cận mơi trường độc hại Sử dụng cáp quang dẫn ánh sáng đến vị trí mà điều kiện bình thường ánh sáng chiếu tới Nguồn ánh sáng phát xạ, số trường hợp dạng xung, để đảm bảo phân biệt với ánh sáng môi trường Bức xạ dẫn đến khu vực đo cáp Fa (hình 2.32) Các đại lượng cần đo vị trí vật thể (phản xạ hấp thụ ánh sáng), tốc độ quay, thành phần hóa học mơi trường, nhiệt độ, vv…Trong khu vực đo, tia xạ bị thay đổi thay đổi phụ thuộc vào đại lượng đo Tùy trường hợp cụ thể mà ta thu thay đổi khác tia xạ: - Thay đổi cường độ trường hợp đo vị trí (hình 2.32) - Điều biến với tần số tỉ lệ với tốc độ quay (hình2 32b) - Thay đổi bước sóng trường hợp đo nhiệt độ: ánh sáng tới làm phát quang vật liệu, ánh sáng vật liệu xạ có phổ phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 2.32: Ứng dụng cáp quang để đo dịch chuyển (a) đo tốc độ quay (b) Hình2 33: Sử dụng cáp quang để đo nhiệt độ Các tia phản xạ trở lại, tia bị truyền trở lại tia phát xạ thu lại Fr đưa đến cảm biến quang Cảm biến cung cấp tín hiệu điện chứa thông tin đại lượng cần đo Trong ứng dụng loại này, số trường hợp tín hiệu quang (phát sinh băng cách biến điệu ánh sáng) tác động đại lượng vật lí làm thay đổi tính chất quang cáp quang thay đổi điều kiện lan truyền sóng Như cáp quang đóng vai trò cảm biến để chuyển thay đổi đại lượng vật lí cần đo thành tín hiệu quang KẾT LUẬN Như vậy, giới hạn cho phép đề tài, tơi tìm hiểu vấn đề sau:  Vài nét khái quát cảm biến nói chung  Cảm biến quang: - Ánh sáng phép đo quang - Tế bào quang dẫn - Photodiot - Phototranzito - Cảm biến quang phát xạ - Cáp quang Qua thấy vai trò quan trọng cảm biến quang đời sống nghiên cứu Sau hoàn thành đề tài, bổ sung thêm nhiều kiến thức đáng quý kho tàng kiến thức Đây bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học nên đề tài không tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp thầy, giáo bạn đọc để đề tài tơi hồn thiện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Quốc Phơ, Giáo trình cảm biến, NXB khoa học kỹ thuật, 2006 [2] Nguyễn Văn Hồ, Giáo trình đo lường điện cảm biến đo lường, NXB Giáo dục, 2005 [3] Nguyễn Thị Lan Hương, Kĩ thuật cảm biến, NXB Giáo dục, 2008 [4] Đoàn Hiệp (dịch), Sensors and Actuators, NXB khoa học kĩ thât, 2006 ... Nghiên cứu nguyên lí cấu tạo cảm biến quang - Nghiên cứu chế hoạt động cảm biến quang - Nghiên cứu thông số đo lường phạm vi ứng dụng cảm biến quang Phương pháp nghiên cứu - Tìm tài liệu hướng dẫn... báo cáo đề tài chi tiết CẢM BIẾN QUANG CHƯƠNG 1: VÀI NÉT KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN 1.1 Định nghĩa Việc đo đạc đại lượng vật lý nhiệt độ, áp suất thực nhờ sử dụng cảm biến Cảm biến thiết bị chịu tác... nghiệp Tìm hiểu cảm biến quang Nguyễn Thùy Linh – K32E Lý LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thuỳ Linh Sinh viên:K32E – Cử nhân Khoa Vật lý – Trường đại học Sư phạm Hà Nội Tơi xin cam kết Tìm hiểu cảm biến