Tài liệu thiết kế máy chấm bài trắc nghiệm, chương 4 ppt

Chương 4: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MỘT SỐ LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 1. Quang điện trở: a. Cấu tạo: Quang trở có hình dạng bên ngoài không giống như những điện trở thông thường, chúng có một lớp vỏ ngoài bằng chất dẻo, sứ hay kim loại nhưng đặc điểm nổi bật là có một cửa sổ bằng thủy tinh để ánh sáng đi xuyên qua. Quang điện trở dùng trong công nghiệp được chế tạo từ Sulfit chì để mức chỉ thò nhiệt động và tình trạng nung nóng ở nhiệt độ tương đối thấp (từ 200 đến 400 o C). Đặc tuyến phổ nhiệt của quang điện trở được thể hiện như hình sau: Theo đường đặc tuyến của Sulfitbitmuyt, Sulfit chì có tác dụng mạnh trong khu vực bức xạ hồng ngoại (  = 1,8  2,5 m). Hình 01: Đặc tuyến phổ của Sulfitbitmuyt và Sulfitcatmi Hình 02: Sơ đồ cấu tạo quang trở b. Nguyên lý hoạt động: Khi chưa được chiếu sáng, dòng điện qua quang trở và qua mạch nhỏ (hay lớn là tùy loại), gọi là dòng điện tối. Khi được chiếu sáng, điện trở nội của quang trở giảm (hay tăng là tùy loại) đáng kể làm cho dòng qua tăng theo. Giá trò của điện trở tùy thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào qua cửa sổ thủy tinh. Hiện tượng này tùy thuộc vào loại chất làm nên quang trở được sử dụng, độ tạp chất và chiều dài bước sóng. c. Ứng dụng: Quang điện trở được ứng dụng rộng trong nhiều lónh vực cảm biến ánh sáng khác nhau tùy thuộc vàonguyên lý hoạt động của chúng. Cụ thể là các lónh vực sau:  Phần tử phát hiện.  Đo độ ánh sáng trong quang phổ.  Cảm biến trong hệ tự động hóa.  Bảo vệ, chuyển mạch, báo động, … 2. Diod quang : a. Cấu tạo: Diod quang thường được cấu tạo từ chất bán dẫn phổ biến như Gecmani hay Silic. Chúng cũng như các diod khác nhưng đặc trưng của chúng chính là luôn có một cửa sổ để ánh sáng lọt vào tác động lên lớp tiếp giáp PN. Diod quang có thể được sử dụng với hai mục đích hoàn toàn khác nhau, pin mặt trời và diod cảm biến quang. b. Nguyên lý hoạt động: * Pin mặt trời: Khi được chiếu sáng, diện tích trên mối nối PN được tăng cường làm cho sức điện động trên hai đầu mối nối được hình thành. Dòng điện sẽ xuất hiện khi mạch ngoài và diod tạo thành một vòng khép kín. Giá trò của điện áp xuất hiện tùy thuộc vào chất bán dẫn làm nên diod. * Diod cảm biến quang: Diod được phân cực nghòch đối với nguồn cung cấp. Khi không được chiếu sáng, diod phân cực nghòch làm cho mạch giống như bò hở, chỉ có lượng dòng rỉ nhỏ trôi qua. Khi được chiếu sáng, mối nối PN như được nối tắt, dòng có thể đổ qua diod. c. Ứng dụng: Diod quang được dùng trong các lónh vực sau:  Đo ánh sáng.  Cảm biến quang đo tốc độ.  Điều khiển tự động trong các thiết bò chuyên về quang học.  Cảm biến trong hệ tự động hóa.  Bảo vệ, chuyển mạch, báo động, … 3. Transistor quang : a. Cấu tạo: BJT quang cũng giống các linh kiện quang điện khác, đều có cửa sổ thủy tinh để cho ánh sáng xuyên qua. BJT quang để hở mối nối BC, ba lớp bán dẫn tạo nên hai lớp tiếp giáp. Một trong những lớp ngoài có kích thước nhỏ để quang không thể chiếu vào giữa lớp nền. Lớp nền phải đủ mỏng để đưa để lượng quang hấp thụ có thể tác động đến lớp tiếp giáp kề bên. b. Nguyên lý hoạt động: BJT quang không làm việc theo kiểu tự kích, khi có sự tác dụng của ánh sáng mối nối tạo ra dòng điện tác động đến Transistor quang, dòng điện này giống như dòng kích vào cực B của các BJT thường. Độ nhạy của BJT quang tùy thuộc vào mối nối BC và độ lợi của mạch. c. Ứng dụng: BJT quang với điện áp phân cực từ 3 đến 5V (nguồn áp thông dụng trong nhiều lónh vực thiết kế), độ nhạy tín hiệu lớn nên được sử dụng khá rộng rải và có thể thay thế được nhiều linh kiện cảm biến quang điện. Transistor quang được ứng dụng rộng rải trong việc đóng ngắt mạch, điều khiển tự động, tín hiệu khuất, mạch đếm,… 4. Bộ ghép quang Opto coupler : a. Cấu tạo: Hình 03: Sơ đồ cấu tạo BJT quang Hình 04: Sơ đồ cấu tạo bộ ghép quang Opto-coupler Phần tử phát quang là Diod phát quang (LED, Light Emitter Diod) còn phần tử cảm biến quang là linh kiện cảm biến quang, thường sử dụng nhất là BJT quang. b. Nguyên lý hoạt động: Khi có tín hiệu phân cực thuận cho Led, diod phát quang này sẽ phát sáng và kích thích vào mối nối BC của BJT quang (phần tử cảm biến quang) làm cho BTJ làm việc ở trạng thái dẫn (thường là dẫn bảo hòa). c. Ứng dụng: Với ưu điểm là tần số đáp ứng nhanh, tổn hao ít người ta thường sử dụng bộ ghép quang Opto-coupler vào các phạm vi đóng ngắt mạch điều khiển. II. CÁC LOẠI CẢM BIẾN QUANG TRONG CÔNG NGHIỆP: Với môi trường làm việc trong hóa chất, nhiệt độ cao,… các linh kiện cảm biến quang phải đảm bảo đạt các yếu cầu sau:  Có độ bền cơ khí cao, giảm được chấn động, vận tốc quét cao, chống run cơ học, …  Có độ nhạy cảm cao, giảm tối thiểu được ảnh hưởng của môi trường làm việc,…  Thích hợp với nhu cầu và đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Các hãng sản xuất thiết bò tự động đã đưa ra thò trường các loại cảm biến đạt được các yêu cầu nói trên. Đề tài ứng dụng cảm biến quang (Photo Electric Sensors) nên chỉ tập trung tìm hiểu về loại cảm biến này. Về ứng dụng người ta có thể chia cảm biến quang ra làm hai loại:  Loại chùm tia xuyên.  Loại tán xạ. Tiến hành phân tích hai thể loại trên để tìm ra giải pháp cho đề tài. 1. Loại chùm tia xuyên : a. Nguyên tắc hoạt động: Bộ thu và bộ phát cùng nằm trên cùng một đường thẳng. Dùng kó thuật phát hiện do che khuất hay vật thể làm cho ánh sáng có bước sóng đã chọn không thể xuyên thấu. Kó thuật này thường được sử dụng trong các bộ phận đếm và kiểm tra sản phẩm. b. Các thông số đáng chú ý: Hình dạng : hình trụ hay khối chữ nhật. Tầm cảm nhận : tối đa khoảng 20 mét. Đầu vào : 2 4 đầu dây. Đầu ra : Rờ le (Relay). Tần số chuyển : 1,5 200Hz. c. Nhận xét: Với nguyên lý hoạt động như trên, có thể ứng dụng để thiết kế đầu đọc cho đề tài. Nhìn chung, dù là khả thi nhưng mạch rất khó thực hiện, vì lý do:  Linh kiện rất đắt. Hình 05: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ thu phát loại chùm tia xuyên  Thực hiện xuyên qua một lớp giấy, nếu như đục lổ thì không khả thi còn như tự xuyên vật chất (giấy) thì đụng đến độ dầy mỏng và trắng đen của giấy (phẩm chất giấy).  Rất khó để cải tiến đầu đọc vì đầu dò cảm biến quang trong trường hợp này chỉ thích ứng với sự chuyển động tònh tiến (trong khả năng là một sinh viên, kinh phí thực hiện không cao, không thể thực hiện) hoặc cố đònh.  Độ tinh tia quét, theo khả năng cho phép thực hiện, không cao. Kết luận sau cùng là: phương pháp này không phải là tối ưu hoàn toàn đối với người nghiên cứu. 2. Loại phản hồi: a. Nguyên tắc hoạt động: Mỗi vật chất đều có tính chất hấp thụ (vật đen) hay phản xạ (gương) năng lượng từ ngoài tác động vào. Tùy theo mức độ phản xạ của vật thể khi nhận một chùm tia tới chiếu đến mà chùm tia phản xạ có thể là mạnh hay yếu. Cảm biến quang dựa theo nguyên tắc phản hồi chính là dựa trên nguyên tắc phản xạ của chùm tia phản xạ. b. Các thông số tiêu chuẩn: Hình dạng : hình trụ hay khối chữ nhật. Tầm cảm nhận : 1,5 70mm. Đầu vào : 2 đầu dây, 12VDC hay 24VDC. Đầu ra : 1 đầu dây tín hiệu. Tần số chuyển : 1,5 200Hz. Theo tài liệu của hãng “PEPPERL+FUCHS” về cường độ phản xạ tia hồng ngoại trên các gam màu và vật chất ta có bảng sau: V ậ t c h ấ Phản xạ Từ nguyên bản Hình 06: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ thu phát loại phn hồi t Trắng tiêu chuẩn 90% Testcard standard white Xám tiêu chuẩn 18% Testcard standard grey Giấy trắng 80% White paper Chữ in trên báo 55% News print Gỗ thông sạch 75% Clean pine wood Nút bần 35% Cork Tấm bảng gỗ sạch 20% Wooden pallets clean Bọt bia 70% Beer foam Chai nhựa trong 40% Clear plastic bottes Chai nhựa nâu trong 60% Transparent brown plastic bottles Nhựa trắng đục 87% Opaque white plastic Nhựa đen 14% Black plastic Đen tuyền 04% Black neoprene Gáy xoắn đen 02% Black foam carpet backing Lốp xe hơi 1.5% Automobile tyres Nhôm nguyên chất 140% Aluminium, untreated Thép bóng láng 400% Polished stainless steel c.Nhận xét: Với nguyên lý hoạt động như trên, rất tốt để ứng dụng thiết kế đầu đọc cho đề tài. Nhìn chung, dù là khả thi nhưng mạch rất khó thực hiện, vì lý do:  Linh kiện rất đắt.  Thực hiện phản hồi trên một lớp giấy có rất nhiều tia tán xạ gây ảnh hưởng đến vùng lân cận nếu như sử dụng nhiều đầu quét sát liền nhau.  Độ tinh tia quét, theo khả năng cho phép thực hiện, không cao. Kết luận sau cùng là: phương pháp này không phải là tối ưu hoàn toàn đối với người nghiên cứu nhưng mang tính khả thi hơn nếu thực hiện công việc cải tiến cũng như tìm vật tương ứng thay thế. d. Giải pháp: * Mạch phát hồng ngoại: Diod phát hồng ngoại có bước sóng  = 950nm (dãy phát  = 900  1020 nm), thời gian trể là 0,5 s, dòng tiêu thụ 20  30mA. Khi sử dụng dùng thêm một điện trở hạn dòng từ 180  330. * Mạch thu hồng ngoại: Mạch thu hồng ngoại có một Diod thu loại Silic, DIN (Diod Infraronge), độ nhạy  = 900  950 nm thích hợp với mạch phát hồng ngoại. Sử dụng trực tiếp bộ thu hồng ngoại nhận tín hiệu của bộ điều khiển xa của Television SONY, giá thò trường khoảng 10.000 ĐVN. Bộ thu hồng ngoại này hoạt động ổn đònh ở mức áp +5VDC, có ba chân (một chân V CC , một chân Mass và một chân tín hiệu). * Nguyên lý hoạt động: Khi hệ thống làm việc, đầu đọc luôn ở trạng thái đọc. Đầu quét nhận tín hiệu đọc từ mạch trung tâm (nối Mass), đèn hồng ngoại chiếu sáng, phát ra tín hiệu hồng ngoại. Tùy theo bề mặt của tờ giấy là sáng hay tối mà độ phản xạ tia hồng ngoại mạch hay yếu. Điện áp đường tín hiệu của đầu đọc tùy thuộc vào cường độ chiếu của tia hồng ngoại, điện áp này sẽ qua bộ khuếch đại thuật toán (Opamp) để [...]... ổn đònh của chúng khá cao, riêng các IC số là được thiết kế cho nhu cầu rộng rãi của nhiều nhà thiết kế nên khi áp dụng cho việc thiết kế một mạch có tính năng riêng biệt đôi khi xuất hiện hiện tượng hoạt động bất ổn Để giúp cho hệ thống hoạt động ổn đònh mạch cần có một số mạch hỗ trợ cho hoạt động của mạch Chính vì nhu cầu ấy mà trong mạch thiết kế cần sử dụng một số mạch có tác dụng hỗ trợ như sau:... Tiếng ồn do động cơ sinh ra (rất nhỏ) Kết luận: Người thực hiện đề tài quyết đònh áp dụng giải pháp và những cải tiến này để thực hiện đề tài chính vì tính linh hoạt, tính kinh tế cũng độ tin cậy sau khi đã thực nghiệm Do mỗi linh kiện được thiết kế bởi một nhu cầu nhất đònh nào đó, trong một hay một số hệ thống Ngoài các các IC chuyên dùng là nhà sản xuất thiết kế theo một chuẩn mực riêng nên tính...chuyển đổi mức tín hiệu 0 hay 1 Tín hiệu này sẽ được truyền về slot giao tiếp chờ CPU đọc vào * Bước cải tiến so với đề tài trước:  Đầu quét được khống chế qua một lỗ cực nhỏ để làm tăng độ tinh cho tia quét  Đầu quét và đầu đọc được thiết kế có thể chuyển động tònh tiến trên cùng một cần quét do một động cơ bước loại nhỏ điều khiển, lấy trong ổ đóa mềm1,2 MB  Cần quét, mang đầu... quét do một động cơ bước loại lớn điều khiển, lấy trong máy in kim-động cơ kéo đầu ổ kim Lợi điểm của những cải tiến này là:  Độ tinh tia quét cao hơn và đầu đọc_quét có thể chuyển động tònh tiến: thích hợp cho xử lý ảnh mức sắc nét hơn, rông hơn theo đúng yêu cầu  Cần quét di động được: có thể đọc được mọi phương thức bố trí vò trí đánh dấu trắc nghiệm  Dùng ít đầu đọc_quét hơn Khuyết điểm của những . khá cao, riêng các IC số là được thiết kế cho nhu cầu rộng rãi của nhiều nhà thiết kế nên khi áp dụng cho việc thiết kế một mạch có tính năng riêng biệt. linh kiện được thiết kế bởi một nhu cầu nhất đònh nào đó, trong một hay một số hệ thống. Ngoài các các IC chuyên dùng là nhà sản xuất thiết kế theo một chuẩn