Báo cáo thực hành: Cảm biến quang được thực hiện với các nội dung: Khái quát, khái niệm phân loại, cảm biến quang dẫn, cảm biến quang điện phát xạ, ứng dụng của cảm biến. Mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.
HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ – ĐIỆN BÁO CÁO THỰC HÀNH: CẢM BIẾN QUANG Giảng viên hướng dẫn: Đặng Thị Thúy Huyền Nhóm: 2. 3. I Khái quát Tính chất ánh sáng Các cảm biến quang sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy tia hồng ngoại (IR) tia tử ngoại(UV) thành tín hiệu điện Ánh sáng có tính chất sóng hạt Dạng sóng ánh sáng sóng điện từ phát có chuyển điện tử mức lượng nguyên tử nguồn sáng Vận tốc ánh sáng xác định v = c/n Trong đó: c vận tốc chân không c = 299792km/s n chiết suất môi trường truyền sóng Sự liên hệ tần số f bước sóng λ: Trong chân khơng Trên hình 1.1 biểu diễn phổ ánh sáng phân chia thành dải màu phổ Tính chất hạt ánh sáng thể qua tương tác với vật chất Ánh sáng bao gồm hạt photon với lượng Wφ phụ thuộc vào tần số Wφ = hf Trong đó: h số Planck h = 6,6256.10-34Js Hình 1.1 Trong vật chất, hạt điện tử ln có xu hướng muốn giải phóng giải phòng khỏi nguyên tử thành điện tử tự Để giải phóng hạt điện tử khỏi nguyên tử cần lượng tối thiểu lượng liên kết WL Khi photon cần hấp thụ hạt điện tử giải phóng nếu: Wφ ≥ WL Khi đó: Hay ➔ Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) ánh sáng bước sóng gây nên tượng giải phóng điện tử tính từ biểu thức: Hiện tượng giải phóng hạt dẫn tác dụng ánh sáng hiệu ứng quang điện gây nên thay đổi tính chất điện vật liệu Đây nguyên lý cảm biến quang Dưới tác dụng ánh sáng , hiệu ứng quang điện tỉ lệ thuận với số lượng hạt dẫn giải phóng đơn vị thời gian Tuy nhiên, λ>λS khơng thể giải phóng tất photon số phản xạ từ bề mặt số khác chuyển lượng chúng thành lượng dao động nhiệt Đối với vật liệu có hệ số phản xạ R lớn bị chiếu ánh sáng đơn sắc có cơng suất φ: - Số photon chiếu đến giây: - Số photon hấp thụ giây: - Số hạt điện tử lổ trống giải phóng giây: Trong η hiệu suất lượng tử (số điện tử lổ trống trung bình giải phóng photon hấp thụ) Đơn vị đo quang 2.1 Các đơn vị đo lượng Năng lượng xạ (Q) lượng phát xạ, lan truyền hấp thụ dạng xạ, đo Jun (J) Thông lượng ánh sáng (φ) công suất phát xạ, lan truyền hấp thụ, đo đơn vị oat (W) Cường độ ánh sáng (I) luồng lượng phát theo hướng cho trước đơn vị góc khối, có đơn vị đo oat/steradian Độ chói lượng: tỉ số cường độ ánh sáng phát phần tử bề mặt dA theo hướng xác định diện tích hình chiếu phần tử mặt phẳng P vng góc với hướng (θ góc P mặt phẳng chứa dA) Độ chói đo oat/steradian.m2 Độ rọi lượng (E) tỉ số luồng lượng thu phần tử bề mặt diện tích phần tử Độ rọi lượng đo oat/m2 2.2 Đơn vị đo thị giác Độ nhạy mắt người ánh sáng có bước sóng khác khác Hình biểu diễn độ nhạy tương đối mắt V(λ) vào bước sóng Các đại lượng thị giác nhận từ đại lượng lượng tương ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(λ) Hình 2: Đường cong độ nhạy tương đối mắt Theo quy ước, luồng ánh sánh có lượng 1W ứng với bước sóng ?max tương ứng với luồng ánh sáng 680 lumen, K=680 Do luồng ánh sáng đơn sắc tính theo đơn vị đo thị giác: Sơ đồ logarit (hình 3.d.2b): đo điện áp hở mạch Voc Hình 3.d.2: Sơ đồ mạch đo chế độ quang áp Phototranzito a Cấu tạo nguyên tắc hoạt động Phototranzito tranzito mà vùng bazơ chiếu sáng, khơng có điện áp đặt lên bazơ, có điện áp C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ngược Hình 3.1: Phototranzito a) Sơ đồ mạch điện b) Sơ đồ tương đương c) Tách cặp điện tử lỗ trống chiếu sáng bazơ Điện áp đặt vào tập trung toàn chuyển tiếp B-C (phân cực ngược) chênh lệch điện áp E B thay đổi không đáng kể (VBE ≈ 0,6-0,7V) Khi chuyển tiếp B-C chiếu sáng, hoạt động giống photođiot chế độ quang với dòng ngược: Trong I0 dòng ngược tối, IP dòng quang điện tác dụng thơng lượng F0 chiếu qua bề dày X bazơ (bước sóng λ < λS): Dòng Ir đóng vai trò dòng bazơ, gây nên dòng colectơ Ic: β - hệ số khuếch đại dòng tranzito đấu chung emitơ Có thể coi phototranzito tổ hợp photodiot tranzito (hình 3.1b) Phodiode cung cấp dòng quang điện bazơ, tranzito cho hiệu ứng khếch đại β Các điện tử lỗ trống phát sinh vùng bazơ (dưới tác dụng ánh sáng) bị phân chia tác dụng điện trường chuyển tiếp B - C Trong trường hợp tranzito NPN, điện tử bị kéo phía colectơ lỗ trống bị giữ lại vùng bazơ (hình 3.1c) tạo thành dòng điện tử từ E qua B đến C Hiện tượng xẩy tương tự lỗ trống phun vào bazơ từ nguồn bên ngoài: điện bazơ tăng lên làm giảm hàng rào E B, điều gây nên dòng điện tử IE chạy từ E đến B khuếch tán tiếp từ B phía C b Độ nhạy Khi nhận thông lượng F0, điot bazơ-colectơ sinh dòng quang điện Ip, dòng gây nên phototranzito dòng giá trị Icp rút từ công thức Ip: Đối với thông lượng F0 cho trước, đường cong phổ hồi đáp xác định chất điot B-C: vật liệu chế tạo (thường Si) loại pha tạp (hình 3.2) Đối với bước sóng cho trước, dòng colectơ I khơng phải hàm tuyến tính thơng lượng độ chiếu sáng hệ số khuếch đại ò phụ thuộc vào dòng Ic (tức phụ thuộc thơng lượng), nghĩa phụ thuộc vào Φ0 Hình 3.2: Đường cong phổ hồi đáp photodiot Độ nhạy phổ S(λp) bước sóng tương ứng với điểm cực đại có giá trị nằm khoảng - 100A/W c Ứng dụng photoranzito: Phototranzito dùng làm chuyển mạch, làm phần tử tuyến tính Ở chế độ chuyển mạch có ưu điểm so với photodiot cho phép sử dụng cách trực tiếp dòng chạy qua tương đối lớn Ngược lại, chế độ tuyến tính, mặc độ khuếch đại người ta thích dùng photođiot có độ tuyến tính tốt - Phototranzito chuyển mạch: Trong trường hợp sử dụng thơng tin dạng nhị phân: có hay khơng có xạ, ánh sáng nhỏ hay lớn ngưỡng Tranzito chặn bảo hoà cho phép điều khiển trực tiếp (hoặc sau khuếch đại) rơle, điều khiển cổng logic thyristo (hình 3.3) Hình 3.3: Photodiotzito chế độ chuyển mạch a) Rơle b) Rơle sau khếch đại c) Cổng logic d) Thyristo - Phototranzito chế độ tuyến tính: Có hai cách sử dụng chế độ tuyến tính - Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống luxmet) - Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi dạng: Trong F1(t) thành phần thay đổi với biên độ nhỏ để cho khơng dẫn tới phototranzito bị chặn bảo hồ coi độ nhạy khơng đổi Trong điều kiện đó, dòng colectơ có dạng: Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý luxmet Phototranzito hiệu ứng trường: a Cấu tạo nguyên lý hoạt động: Phototranzito hiệu ứng trường (photoFET) có sơ đồ tương đương hình 4.1 Hình 4.1: Phototranzito hiệu ứng trường a) Sơ đồ cấu tạo b) Sơ đồ mạch Trong phototranzito hiệu ứng trường, ánh sáng sử dụng để làm thay đổi điện trở kênh Việc điều khiển dòng máng ID thực thông qua thay đổi điện áp VGS cổng nguồn Trong chế độ Với IDS - dòng máng VGS = phân cực ngược chuyển tiếp P-N VP - điện áp thắt kênh cổng kênh, điện áp xác định độ rộng kênh dòng máng có dạng: Khi bị chiếu sáng, chuyển tiếp P-N hoạt động photodiot cho dòng ngược: IP = SgΦ - dòng quang điện I0 - dòng điện tối Sg - độ nhạy điot cổng - kênh Φ - thông lượng ánh sáng Dòng Ir chạy qua điện trở Rg mạch cổng xác định điện VGS và dòng máng: Eg - phân cực cổng Phototranzito hiệu ứng trường ứng dụng nhiều việc điều khiển điện áp ánh sáng b Đặc điểm ứng dụng: -Làm việc ổn định -Hệ số khuếch đại cao ⇒Điều khiển điện áp ánh sang IV Cảm biến quang điện phát xạ Hiệu ứng quang điện phát xạ (hiệu ứng quang điện ngoài) tượng điện tử giải phóng khỏi bề mặt vật liệu thu lại nhờ tác dụng điện trường chiếu vào chúng xạ ánh sáng có bước sóng thích hợp (nhỏ ngưỡng định) Cơ chế phát xạ điện tử chiếu sáng: - Hấp thụ photon giải phóng điện tử - Điện tử giải phóng di chuyển → bề mặt - Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu Do nhiều nguyên nhân ⇒ số điện tử phát xạ trung bình photon bị hấp thụ (hiệu suất lượng tử) thường nhỏ 10% vượt 30% Tế bào quang điện chân không a Cấu tạo nguyên lý Catot: có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs3Sb, K2CsSb, Cs2Te, Rb2Te , CsTe …) đặt vỏ hình trụ suốt (a) vỏ kim loại có đầu suốt (b), hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8 mmHg) Anot: kim loại Hình 4.1.2: Sơ đồ tương đương đặc tính V-A Khi chiếu sáng catot (K) điện tử phát xạ tác dụng điện đường Vak tạo tập trung anot (A)→ tạo thành dòng anot (Ia) b Đặc tuyến V-A Đặc tính V - A có hai vùng: -Vùng điện tích khơng gian -Vùng bão hòa TBQĐ làm việc vùng bão hòa → tương đương nguồn dòng, cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc thông lượng ánh sáng Điện trở ρ tế bào quang điện lớn: Độ nhạy: c Đặc điểm ứng dụng - Độ nhạy lớn phụ thuộc Vak - Tính ổn định cao ⇒ Chuyển mạch đo tín hiệu quang Tế bào quang điện dạng khí a Cấu tạo nguyên lý làm việc: cấu tạo tương tự TBQĐ chân khơng, khác bên điền đầy khí (acgon) áp suất cỡ 10-1 - 10-2 mmHg b Đặc tuyến V-A Hình 4.2: Đặc trưng độ nhạy tế bào quang điện dạng khí Khi Vak< 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống TBQĐ Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn → ion hố ngun tử khí → Ia tăng ÷10 lần c.Đặc điểm ứng dụng: - Dòng Ia lớn - S phụ thuộc mạnh vào Vak Chuyển mạch đo tín hiệu quang Thiết bị nhân quang Khi bề mặt vật rắn bị bắn phá điện tử có lượng cao, phát xạ điện tử (gọi phát xạ thứ cấp) Nếu số điện tử phát xạ thứ cấp lớn số điện tử tới có khả khuếch đại tín hiệu Sự khuếch đại thực thiết bị nhân quang Hình 4.2 Các điện tử tới (điện tử sơ cấp) phát xạ từ photocatot đặt chân không bị chiếu sáng Sau chúng tiêu tụ cực thứ dãy điện cực (dynode) nối tiếp Bề mặt điện cực nối tiếp phủ vật liệu có khả phát xạ điện tử thứ cấp Theo chiều từ điện cực thứ đến điện cực tiếp theo, điện điện cực tăng dần cho điện tử sinh từ điện cực thứ k bị hút điện cực thứ (k+1) Kết điện cực sau số điện tử lớn điện cực trước Hệ số khuếch đại từ 106 - 108 Cáp quang Nguyên lí cấu tạo Cáp quang cấu tạo gồm nhiều sợi tơ quang dẫn Mõi sợi tơ quang dẫn gồm lõi ời chiết suất n1 , bán kính a (10 đến 100 m) lớp vỏ có chiết suất n2 (sao cho n2< n1) với bề dày 50 m Vật liệu sử dụng để chế tạo gồm: - SiO2 tinh khiết pha tạp chất nhẹ - Thủy tinh , thành phần SiO2 phụ gia Na2O3 , B2O3 , PbO… - Polyme ( sử dụng ) sử dụng 1số trường hợp Nguyên tắc quang học: ánh sáng qua đường phân cách mội trường có suất n1 n2, góc 1 2 tia sáng tạo thành với đường trực giác mặt phẳng có liên hệ với theo biểu thức Descartes: n1sin1 = n2sin2 Khi n1> n2 xãy tượng phản xạ toàn phần Trong rường hợp cáp quang làm cho ánh sáng bị giam giữ lõi truyền phản xạ liên tục V Ứng dụng cảm biến quang Mạch mở đèn quang trở Nguyên lý làm việc - Khi chiếu sáng (ban ngày) quang trở R2 dẫn dòng từ +12v qua biến trở 47k GND trandito Q1 khóa rơ le chưa có điện -Khi độ sáng giảm (trời tối) điện trở quang trở R2 lớn dòng khơng làm cho Q1dẫn dòng rơ le cấp nguồn đồng thời led Green sáng báo chế độ làm việc -Còn việc dùng tiếp điểm thường đóng hay thường mở rơ le tùy vào yêu cầu ... - Cảm Biến Quang Dẫn - Cảm Biến Quang Điện Phát Xạ III Cảm biến quang dẫn Tế bào quang dẫn Thực chất TBQD điện trở, cảm biến điện trở phụ thuộc điện trở vào thông lượng xạ phổ xạ Quang trở cảm. .. công nghệ 2.2 Phân loại 2.2.1 Phân loại theo trạng thái Cảm biến quang chia làm loại: -Cảm biến quang thu phát (Through-beam sensor): +Cảm biến dạng thu phát có phát thu sáng tách riêng Bộ phát... loại 2.1 Khái niệm Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor) nói cách nôm na, thực chất chúng linh kiện quang điện tạo thành Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt cảm biến quang, chúng thay