Chương 2 Cảm biến đo quang thuộc bài giảng Cảm biến công nghiệp, có cấu trúc nội dung cần tìm hiểu được chia làm 3 phần: Phần 1 Tính chất và đơn vị đo ánh sáng, phần 2 Cảm biến quang dẫn, phần 3 Cảm biến quang điện phát xạ.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Cảm biến công nghiệp - Chương 2
- Chương II. Cảm biến đo quang
1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng
2. Cảm biến quang dẫn
3. Cảm biến quang điện phát xạ
03/24/14
- 1. Tính chất và đơn vị đo
1.1 Tính chất ánh sáng
a) Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ:
0,395 0,455 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750
cực tím tím lam lục da cam đỏ hồng ngoại
λ(µm)
0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100
cực tím Hồng ngoại H. ngoại xa
Phổ ánh sáng
03/24/14
- 1.1. Tính chất áng sáng
Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không)
c
hoặc v = (môi trường vật chất)
n
c
Bước sóng:λ = (chân không)
f
v
hoặc λ = (môi trường vật chất).
f
f → tần số ánh sáng.
03/24/14
- 1.1. Tính chất áng sáng
b) Tính chất hạt:
Chùm hạt (photon) chuyển động với vận tốc
lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định,
năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số (f) của
ánh sáng:
Wφ = h.ν
h = 6,6256.10-34J.s → hằng số Planck
03/24/14
- 1.2. Đơn vị đo quang
a) Đơn vị đo năng lượng:
Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng lan
truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, tính
bằng Jun (J).
Thông lượng ánh sáng Φ: là công suất phát xạ,
lan truyền hoặc hấp thụ, tính bằng Oát (W).
dQ
Φ= (W)
dt
03/24/14
- 1.2. Đơn vị đo quang
Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát
ra theo một hướng ứng với một đơn vị gốc khối
dΦ
I= (W/sr) sr: steradian
dΩ
Độ chói năng lượng (L):
dI
L= (W/sr.m2)
dA n
Độ rọi năng lượng (E):
dΦ
E= (W/m2)
dA
03/24/14
- 1.2. Đơn vị đo quang
b) Đơn vị đo thị giác:
Đại lượng Đơn vị năng
Đơn vị thị giác
đo lượng
Thông lượng W lumen(lm)
Cường độ W/sr cadela(cd)
Độ chói W/sr.m2 cadela/m2 (cd/m2)
Độ rọi W/m2 lumen/m2 hay lux (lx)
Năng lượng J lumen.s (lm.s)
03/24/14
- 2. Cảm biến quang dẫn
2.1. Hiệu ứng quang dẫn:
Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội)
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.
03/24/14
- 2.1. Hiệu ứng quang dẫn
W≥ Wlk
Vùng dẫn - điện tử - điện tử
hν
Wlk + -
hν
hν
Vùng hoá trị + lổ trống + lổ trống
Bán dẫn tinh khiết Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p
03/24/14
- 2.1. Hiệu ứng quang dẫn
Mật độ điện tử trong tối:
1/ 2
a a 2
a.Nd
n0 = + 2 +
4r
2.r r
Nd → Nồng độ tạp chất loại N
qWd
a = exp − → Hệ số tỉ lệ giải phóng e.
kT
r → Hệ số tái hợp.
03/24/14
- 2.1. Hiệu ứng quang dẫn
Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng:
1/ 2
g
n ≈
r
g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1
đơn vị thể tích:
G 1 η(1 − R )
g= = . Φ
V V hν
g >> a( Nd − n)
03/24/14
- 2.1. Hiệu ứng quang dẫn
Độ dẫn trong tối:
σ0 = qµn0
Độ dẫn khi chiếu sáng:
1
g 2
1 1
σ = qµn = qµ = .Φ 2
r A
⇒ σ >> σ 0và là hàm phi tuyến của Φ với
số mũ γ =1/2 (thực tế γ = 0,5 -1)
03/24/14
- 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
CdS
CdSe
CdTe
PbS
PbSe
PbTe
Ge
Si GeCu
SnIn
AsIn
CdHgT
e
λ, µm
0,2 0,6 1 2 3 45 10 20 30
Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn
03/24/14
- 2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
b) Đặc trưng chủ yếu:
Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 104 Ω - 109 Ω
ở 25oC đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh
khi độ rọi sáng tăng.
Điện trở (Ω)
106
106
104
102
0,1 1 10 100 1000 Độ rọi sáng (lx)
Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
03/24/14
- 2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
Độ nhạy:
∆I V γ −1
S= =γ Φ
∆Φ A
Nhận xét:
+ Độ nhạy giảm khi Φ tăng (trừ γ = 1)
+ Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi điện áp
đặt vào lớn.
+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
03/24/14
- 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.
03/24/14
- 2.2. Tế bào quang dẫn
Độ 10 Độ 100
nhạy nhạy
tương 5 tương 50
đối đối 30
(%)
1 10
0,5 5
3
0,1
-150 -100 -50 0 50 1
1 2 3
Nhiệt độ
(oC) Bước sóng (µm)
Ảnh hưởng của Ảnh hưởng bước
nhiệt độ đến độ sóng đến độ nhạy
nhạy của tế bào của tế bào quang
quang dẫn dẫn
03/24/14
- 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.
03/24/14
- 2.2. Tế bào quang dẫn
+ +
Điều khiển trực tiếp Điều khiển thông qua
tranzito khuếch đại
03/24/14
- 2.3. Photodiode
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
03/24/14
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
