Báo cáo thực hành: Cảm biến quang

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ – ĐIỆNBÁO CÁO THỰC HÀNH: CẢM BIẾN QUANGGiảng viên hướng dẫn: Đặng Thị Thúy HuyềnNhóm: 31. 2. 3. 4.I. Khái quát.1. Tính chất ánh sáng.        Các cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại(UV) thành tín hiệu điện.         Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt. Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng nguyên tử của nguồn sáng. Vận tốc ánh sáng được xác định   v = c/n.     Trong đó:     c vận tốc trong chân không c = 299792km/s. n chiết suất của môi trường truyền sóng.Sự liên hệ giữa tần số f và bước sóng λ: Trong chân không Trên hình 1.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải màu của phổ. Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng lượng Wφ phụ thuộc vào tần số.            Wφ = hfTrong đó: h là hằng số Planck h = 6,6256.10-34JsHình 1.1Trong vật chất, các hạt điện tử luôn có xu hướng muốn giải phóng giải phòng khỏi nguyên tử thành điện tử tự do. Để giải phóng được các hạt điện tử khỏi nguyên tử thì cần 1 năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết WL. Khi 1 photon cần hấp thụ 1 hạt điện tử được giải phóng nếu: Wφ ≥ WL. Khi đó:Hay➔ Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng là bước sóng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính từ biểu thức:  Hiện tượng giải phóng hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu. Đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang. Dưới tác dụng của ánh sáng , hiệu ứng quang điện tỉ lệ thuận với số lượng hạt dẫn được giải phóng trong 1 đơn vị thời gian. Tuy nhiên, ngay cả khi λ>λS thì không thể giải phóng tất cả các photon bởi vì 1 số sẽ phản xạ từ bề mặt và số khác sẽ chuyển năng lượng của chúng thành năng lượng của dao động nhiệt. Đối với vật liệu có hệ số phản xạ R lớn và bị chiếu bởi ánh sáng đơn sắc có công suất φ:- Số photon chiếu đến trong 1 giây: - Số photon hấp thụ trong 1 giây: - Số hạt điện tử và lổ trống được giải phóng trong 1 giây: Trong đó η là hiệu suất lượng tử (số điện tử hoặc lổ trống trung bình được giải phóng khi 1 photon được hấp thụ)2. Đơn vị đo quang.2.1. Các đơn vị đo năng lượng          Năng lượng bức xạ (Q) là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, được đo bằng Jun (J).          Thông lượng ánh sáng (φ) là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng đơn vị oat (W). Cường độ ánh sáng (I) là luồng năng lượng phát ra theo 1 hướng cho trước dưới 1 đơn vị góc khối, có đơn vị đo là oat/steradian.  Độ chói năng lượng: là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi 1 phần tử bề mặt dA theo 1 hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó (θ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA). Độ chói đo bằng oat/steradian.m2. Độ rọi năng lượng (E) là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi 1 phần tử bề mặt và diện tích phần tử đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2.2.2. Đơn vị đo thị giác Độ nhạy của mắt người đối với ánh sáng có bước sóng khác nhau là khác nhau. Hình 2 biểu diễn độ nhạy tương đối của mắt V(λ) vào bước sóng. Các đại lượng thị giác nhận được từ đại lượng năng lượng tương ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(λ).Hình 2: Đường cong độ nhạy tương đối của mắt Theo quy ước, một luồng ánh sánh có năng lượng 1W ứng với bước sóng ?max tương ứng với luồng ánh sáng bằng 680 lumen, do đó K=680. Do vậy luồng ánh sáng đơn sắc tính theo đơn vị đo thị giác:     Tên định nghĩaĐ/v năng lượngĐ/v thị giácLuồng ( thông lượng )Cường độĐộ chói Độ rọi Năng lượng Oat ( W )Oat/sr ( W/Sr )Oat/sr.m2 ( W/sr.m2 )W/m2Jun ( J )Lumen ( lm )Candela ( cd )Candela/m2 ( cd/m2 )Lumen/m2 hay lux ( lx )Lumen.s ( lm.s )Bảng 1.13. Nguồn sáng. Việc sử dụng 1 cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số). Nguồn sáng sẽ quyết định mọi đặc tính của bức xạ. Vì vậy việc tìm hiểu nguồn sáng rất quan trọng trong việc chọn lựa và sử dụng cảm biến.3.1 Đèn sợi đốt wonfram Đèn có cấu tạo gồm 1 sợi dây wonfram đặt trong 1 ampoule bằng thủy tinh hoặc thạch anh có chứa chất khí hiếm hoặc hologen làm giảm bay hơi sợi đốt. Nhiệt độ của wonfram bằng nhiệt độ của 1 vật đen tuyệt đối, có đường cong phổ phát xạ nằm trong vùng nhìn thấy. Đèn wonfram có 1 số đặc điểm như sau: - Thông lượng lớn , dãy phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc. - Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ 1 cách nhanh chóng, tuổi thọ thấp, dễ vỡ.3.2 Diode phát quang        Năng lượng giải phóng do tái hợp tái hợp điện tử lỗ trống ở gần chuyển tiếp P-N của điot sẽ làm phát sinh các photon. Các đặc điểm chính của đèn điot phát quang:          - Thời gian hồi đáp nhỏ, khoảng vài ns do vậy có khả năng thay đổi theo tần số cao .Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao, bền theo thời gian.- Thông lượng tương đối nhỏ (~ 10mW) và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm của đèn.3.3. Lazer        Tia Lazer là nguồn sáng đơn sắc , độ chói lớn , rất định hướng và đặc biệt có tính liên kết mạnh( cùng phân cực và cùng pha).         Lazer lá ánh sáng có bước song đơn sắc hòan toàn xác định , thông lượng lớn , có khả năng nhận được chùm tia mảnh với độ định hướng cao và truyền đi với khoảng cách rất lớn( đo trên koangr cách từ vệ tinh).II. Khái niệm, phân loại2.1 Khái niệm Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor) nói một cách nôm na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành. Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào. Từ đó cảm biến sẽ đưa ra đầu ra để tác động theo yêu cầu công nghệ.2.2 Phân loại2.2.1. Phân loại theo trạng tháiCảm biến quang được chia làm 3 loại: -Cảm biến quang thu phát (Through-beam sensor): +Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng. Bộ phát truyền ánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng. Nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biến. +Ưu điểm:●Khoảng cách phát hiện xa (ví dụ E3Z-T82 được tới 30m), phát hiện tốt trong môi trường nhiều bụi.●Khả năng xác định vị trí chính xác của vật thể.●Độ tin cậy cao, phát hiện được mọi loại vật thể (trừ loại trong suốt) +Nhược điểm:●Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt.●Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt●Giá thành sản phẩm cao +Ví dụ ứng dụng: 1. Kiểm soát cổng ra vào: Thông thường cổng ra vào có kính mờ / tối che ngoài. Bởi vậy cần loại thu phát có cường độ sáng cao để xuyên qua lớp kính. Omron đi đầu trên thế giới về loại cảm biến quang sử dụng trong các ứng dụng này2. Môi trường khắc nghiệt: ví dụ trạm rửa xe, hoặc môi trường nhiều bụi, cần có cảm biến cường độ sáng cao.3. Các ứng dụng rộng rãi khác trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt trong trường hợp cần xác định vị trí của vật thể.-Cảm biến quang phản xạ gương (Retro – reflection sensor) +Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến. Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra. +Ưu điểm●Giá thành thấp hơn loại thu phát●Lắp đặt dễ hơn loại thu phát●Chỉnh định dễ dàng●Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được, có thể dùng kính lọc phân cực. +Nhược điểm:●Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m).●Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương●Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở một số khoảng cách ngắn nhất định. +Ví dụ ứng dụng:●Phát hiện vật trên băng chuyền●Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy●Phát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp)●Kiểm soát cửa / cổng ra vào trong các tòa nhà-Cảm biến quang khuếch tán (Diffuse reflection sensor) +Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra.+Ưu điểm:-Lắp đặt đơn giản, dễ dàng-Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất. +Nhược điểm:-Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản xạ). Ví dụ loại E3Z-D: có khoảng cách phát hiện tối đa 1m.-Tỉ lệ lỗi đen / trắng cao; khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính chất bề mặt của vật thể.-Bởi vậy việc phát hiện vật có thể khó khăn nếu có nền màu đen sau vật.-Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương.Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán2.2.2. Phân loại theo tính chất - Cảm Biến Quang Dẫn - Cảm Biến Quang Điện Phát XạIII. Cảm biến quang dẫn.1. Tế bào quang dẫn. Thực chất TBQD là một điện trở, các cảm biến điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ của bức xạ đó. Quang trở là 1 trong những cảm biến có độ nhạy cao. Nguyên tắc chế tạo quang trở là dựa trên hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội: hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẩn điện của vật liệu. a. Cấu tạo: TBQD là 1 điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn: đa tinh thể đồng nhất, đơn tinh thể, bán dẫn riêng, bán dẫn pha tạp - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe , PbS, PbSe, - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe. Tùy theo chất cấu tạo mà quang trở có vùng phổ làm việc khác nhauVùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫnb. Đặc trưng chủ yếu. ●Điện trở:Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất hóa lý của vật liệu quang dẫn.- Các chất PbS, CdS, CdSe có giá trị điện trở tối khá lớn: từ 104 đến 109 ở nhiệt độ 250C.- Các chất SbIn, SbAs, CdHgTe có giá trị điện trở tối khá nhỏ : từ 10 đến 103 ở nhiệt độ 25 0C Một quang trở có giá trị điện trở tương đương với 2 điện trở ghép song song gồm điện trở tối Rco và điện trở Rcp được xác định bởi hiệu ứng quang điện do ánh sáng tác động và có dạng: Trong đó: a phụ thuộc vào vật liệu,nhiệt độvà phổ bức xạ ánh sáng γ có giá trị từ 0.5 đến 1==> giá trị điên trở quang:Thông thường Rcp>I0 và ta có:Trong trường hợp này VOC có giá trị tương đối lớn (cỡ 0,1 - 0,6 V) nhưng phụ thuộc vào thông lượng theo hàm logarit.Hình 3.2.1: Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào thông lượngĐo dòng ngắn mạch: Khi nối ngắn mạch hai đầu điôt bằng một điện trở nhỏ hơn r nào đó, dòng đoản mạch I chính bằng I và tỉ lệ với thông lượng (hình 8.5):Hình 3.2.2: Sự phụ thuộc của dòng ngắn mạch vào thông lượng ánh sáng Các đặc điểm của chế dộ này là:-Có thể làm việc ở chế dộ tuyến tính hoặc logarit tùy thuộc vào tải.-Ít nhiều.-Thời gian đáp ứng lớn và dải thông nhỏ.-Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ đo logarit. -Không có dòng điện tối do khống có nguồn điện phân cực.c. Độ nhạy: Đối với bức xạ có phổ xác định, dòng quang điện IP tỉ lệ tuyến tính với thông lượng trong một khoảng tương đối rộng, cỡ 5 - 6 decad. Độ nhạy phổ xác định theo công thức:Với λ = λs.Độ nhạy phổ phụ thuộc vào λ, hiệu suất lượng tử λ, hệ số phản xạ R và hệ số hấp thụ α.Hình 3.c.1: Phổ độ nhạy của photodiode Người sử dụng cần phải biết độ nhạy phổ dựa trên đường cong phổ hồi đáp S(λ)/S(λP) và giá trị của bước sóng λP ứng với độ nhạy cực đại. Thông thường S(λP) nằm trong khoảng 0,1 - 1,0 A/W.Hình 3.c.2: Sự phụ thuộc của độ nhạy vào nhiệt độKhi nhiệt độ tăng, cực đại λP của đường cong phổ dịch chuyển về phía bước sóng dài. Hệ số nhiệt của dòng quang dẫncó giá trị khoảng 0,1%/oC.d. Ứng dụng:- Chuyển mạch: điểu khiển rơ le, cổng logic.- Đo ánh sang không đổi ( Chế độ tuyến tính).- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang dẫn: Đặc trưng của chế độ quang dẫn:+Độ tuyến tính cao.+ Thời gian hồi đáp ngắn.+ Dải thông lớn.Sơ đồ cơ sở (hình 3.d.1a):Hình 3.d.1: Sơ đồ mạch đo dòng ngược trong chế độ quang dẫn Khi tăng điện trở Rm sẽ làm giảm nhiễu. Tổng trở vào của mạch khuếch đại phải lớn để tránh làm giảm điện trở tải hiệu dụng của điôt.-Sơ đồ tác động nhanh (hình 3.d.1b):điện trở của điot nhỏ và bằngtrong đó K là hệ số khuếch đại ở tần số làm việc. Tụ C2 có tác dụng bù trừ ảnh hưởng của tụ kí sinh Cpl với điều kiệnBộ khuếch đại ở đây phải có dòng vào rất nhỏ và sự suy giảm do nhiệt cũng phải không đáng kể.- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế:Đặc trưng của chế độ quang thế:+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải.+ Ít nhiễu.+ Thời gian hồi đáp lớn.+ Dải thông nhỏ.+ Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit.Sơ đồ tuyến tính (hình 3.d.2a): đo dòng ngắn mạch Isc.Trong chế độ này:Sơ đồ logarit (hình 3.d.2b): đo điện áp hở mạch Voc.Hình 3.d.2: Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang áp3. Phototranzitoa. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Phototranzito là các tranzito mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng, không có điện áp đặt lên bazơ, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ngược.Hình 3.1: Phototranzitoa) Sơ đồ mạch điện b) Sơ đồ tương đươngc) Tách cặp điện tử lỗ trống khi chiếu sáng bazơ Điện áp đặt vào tập trung hầu như toàn bộ trên chuyển tiếp B-C (phân cực ngược) trong khi đó chênh lệch điện áp giữa E và B thay đổi không đáng kể (VBE ≈ 0,6-0,7V). Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó hoạt động giống như photođiot ở chế độ quang thế với dòng ngược: Trong đó I0 là dòng ngược trong tối, IP là dòng quang điện dưới tác dụng của thông lượng F0 chiếu qua bề dày X của bazơ (bước sóng λ n2 sẽ xãy ra hiện tượng phản xạ toàn phần. Trong rường hợp này đối với cáp quang sẽ làm cho ánh sáng bị giam giữ trong lõi và được truyền đi bằng các phản xạ liên tục.Nguyên lý làm việc - Khi được chiếu sáng (ban ngày) quang trở R2 dẫn dòng từ +12v qua biến trở 47k về GND trandito Q1 khóa rơ le chưa có điện -Khi độ sáng giảm (trời tối) điện trở của quang trở R2 rất lớn dòng không đi như trên nữa làm cho Q1dẫn dòng rơ le được cấp nguồn đồng thời led Green sáng báo chế độ làm việc -Còn việc dùng tiếp điểm thường đóng hay thường mở của rơ le là tùy vào yêu cầuV. Ứng dụng của cảm biến quang.1. Mạch mở đèn bằng quang trở