Cảm biến đo quang

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 1. Tính chất và đơn vị đo 1.2. Tính chất áng sáng a) Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ: 1.2. Tính chất áng sáng • Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không) hoặc (môi trường vật chất) • Bước sóng: (chân không) hoặc (môi trường vật chất). ν → tần số ánh sáng. n cv = ν =λ c ν =λ v 1.2. 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 (ν) của ánh sáng: ν=φ .hW h = 6,6256.10-34J.s → hằng số Planck 1.2. Đơn vị đo quang a) Đơn vị đo năng lượng: • Năng lượng bức xạ Q (J): là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ tính bằng Jun. • Thông lượng ánh sáng Φ: là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ tính bằng oat. dt dQ =Φ (W) 1.2. Đơn vị đo quang • Cường độ ánh sáng (I): • Độ chói năng lượng (L): • Độ rọi năng lượng (E): ndA dIL = (W/sr.m2) Ω Φ = d dI (W/sr) dA dE Φ= (W/m2) 1.2. Đơn vị đo quang b) Đơn vị đo thị giác: • Độ nhạy đối với ánh sáng của mắt phụ thuộc bước sóng: Độ nhạy cực đại ứng với sóng λmax 1.2. Đơn vị đo quang Đại lượng đo Đơn vị năng lượng Đơn vị thị giác Luồng (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) 1.2. Đơn vị đo quang • Hệ số chuyển đổi: 1 đv đo năng lượng = K. V(λ).đv đo thị giác 1W = K. V(λmax) =680.1= 680 lumen Ví dụ đối với ánh sáng đơn sắc: Đối với ánh sáng phổ liên tục: ( ) ( ) ( )λΦλ=λΦ .V680V λ λ λΦλ=Φ ∫ λ λ d d )(d.)(V680 2 1 V (lumen) (lumen) 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. 2.1. Hiệu ứng quang dẫn W≥Wlk 2.1. Hiệu ứng quang dẫn • Mật độ điện tử trong tối: 2/1 d 2 2 0 r N.a r4 a r.2 an     ++=    −= kT qWexpa d → Hệ số tỉ lệ giải phóng e. Nd → Nồng độ tạp chất donno r → Hệ số tái hợp. 2.1. Hiệu ứng quang dẫn • Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng: ( )Φ ν −η == h R1. V 1 V Gg g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1 đơn vị thể tích: 2/1 r gn    ≈ ( )nNag d −>> 2.1. Hiệu ứng quang dẫn • Độ dẫn trong tối: • Độ dẫn khi chiếu sáng: 00 nqµ=σ 2 12 1 . A 1 r gqnq Φ=  µ=µ=σ 0σ>>σ⇒ và là hàm phi tuyến của Φ với số mũ γ =1/2 (thực tế γ = 0,5 -1) 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: đa tinh thể đồng nhất, đơn tinh thể, bán dẫn riêng, bán dẫn pha tạp. 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. 2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) • Độ nhạy: Nhận xét: + Độ nhạy giảm khi Φ tăng (trừ γ = 1) + Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi V điện áp đặt vào lớn. + Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng. 1 A VIS −γΦγ= ∆Φ ∆ = 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. 2.2. Tế bào quang dẫn 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. 2.2. Tế bào quang dẫn Điều khiển trực tiếp Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại 2.3. Photođiot a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 2.3. Photođiot • Nguyên lý hoạt động: Khi Φ = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua chuyển tiếp: Ikt → Dòng khuếch tán các hạt cơ bản. I0 → Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt. Khi V > 0 → dòng ngược: Khi V đủ lớn → 0 và Ir = I0. 0I kT qVexpII 0d0r ≠+   −=    − kT qVexpI d0 0I kT qVexpIIII 0d00kt =−   =−= 2.3. Photođiot • Khi chiếu sáng bằng luồng ánh sáng Φ0 → Ip. Khi V đủ lớn: Hiệu ứng quang điện khi chiếu sáng p0 d 0r IIkT qVexpII ++   −= pp0r IIII ≈+= ( ) ( )Xexp hc R1qI 0p α−Φ λ−η = 2.3. Photođiot • Chế độ quang dẫn: Phương trình mạch điện: Tín hiệu ra: ⇒đường thẳng tải ∆. ⇒Dòng ngược: Cảm biến làm việc ở chế độ tuyến tính VR ~ Φ. DR VVE −= rmR IRV = m D m r R V R EI += 2.3. Photođiot • Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0. ⇒ Đo thế hở mạch Khi Ip<< I0: ⇒ nhỏ nhưng tỉ lệ với Φ. Khi Ip>> I0: ⇒ lớn nhưng tỉ lệ với logΦ. ⇒Đo dòng ngắn mạch:    += 0 P OC I I1log q kTV 0 p oc I I . q kTV ≈ 0 P OC I Ilog q kTV = psc II ≈ Rbé 2.3. Photođiot c) Độ nhạy: • S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng Φ. • S phụ thuộc vào λ, với λ ≤ λs: S→Smax khi λ = λp • Khi To tăng λp dịch sang phải. • S phụ thuộc η, R, α. ( ) ( )λα−−η= ∆Φ ∆ =λ hc XexpR1qI)(S P λp (S(λp ) = 0,1-1,0 A/W) T1 T2 2.3. Photođiot d) Ứng dụng: r 1 2 m0 IR R1RV    += ( )r210 IRRV += 2.3. Photođiot - Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế: scm0 I.RV = oc 1 2 0 VR R1V    += 2.3. Photođiot Chế độ quang dẫn: + Độ tuyến tính cao. + Thời gian hồi đáp ngắn. + Dải thông lớn. + Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit. + Ít nhiễu. + Thời gian hồi đáp lớn. + Dải thông nhỏ. + Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit. 2.3. Photođiot c) Ứng dụng: - Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic, …. - Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến tính) 2.4. Phototranzito a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp E - B và B – C tương tự như một tranzito. • Phân cực: chỉ có điện áp đặt lên C, không có điện áp đặt lên B, B – C phân cực ngược. • Sơ đồ mạch điện như hình vẽ. E - B C + N P N Cấu tạo E C B + Sơ đồ mạch điện 2.4. Phototranzito Nguyên lý làm việc: • Khi đặt điện áp E lên C, điện áp VBE ≈ 0,6 ÷ 0,7 V, VBC ≈ E. Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C → các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ dưới tác dụng của ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B – C → điện tử bị kéo về C, lỗ trống ở lại trong B tạo ra dòng điện tử từ E→B→C tạo ra dòng ngược: Ir = I0 + Ip E C B Φ +E Sơ đồ mạch điện Sơ đồ tách cặp điện - lỗ trống 2.4. Phototranzito E C BΦ Ir IC Sơ đồ tương đương +E Dòng I0: dòng ngược trong tối. Dòng Ip : dòng ngược do chiếu sáng. ⇒ phototranzito tương đương tổ hợp của một photodiot và một tranzito. ( ) 0P hc )Xexp(R1qI Φλα−−η= Ir ~ IB → Dòng colector IC: ( ) ( ) ( ) p0rc I1I1I1I +β++β=+β= 2.4. Phototranzito c) Độ nhạy: Ic ∈ Ip ∈ Φ và β ∈ Ic → β ∈Φ ⇒ S ∈ Φ ⇒ độ nhạy phụ thuộc thông lượng ánh sáng. • Độ nhạy phụ thuộc λ (hình vẽ) S(λp) = 1 ÷ 100A/W 0 cI)(S ∆Φ ∆ =λ ( ) ( ) ( )p0rc I1I1I1I +β++=+β= 2.4. Phototranzito d) Ứng dụng phototranzito: • Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay không có bức xạ, bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn ngưỡng)→ điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo. ⇒ Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp. Điều khiển rơle Điều khiển cổng logic Điều khiển thyristo 2.4. Phototranzito • Sử dụng ở 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 (Điều kiện biên độ dao động nhỏ): Độ tuyến tính kém hơn photodiot. ( ) ( )tt 10 Φ+Φ=Φ Luxmet ( ) ( )t.SItI 10cc Φ+Φ= Φ0 2.5.Phototranzito hiệu ứng trường a)Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Gồm 2 lớp P và N ghép với nhau, lõi là N, vỏ là P, tạo thành một tiếp giáp P-N. Tiếp giáp P-N được phân cực ngược, bên ngoài vùng nghèo là cổng, bên trong vùng nghèo là kênh. Dòng qua kênh phụ thuộc tiết diện kênh → ∈ điện áp giữa cổng và kênh: + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - 2 P GS DSD V V1II     += 2.5.Phototranzito hiệu ứng trường • Khi chiếu sáng, chuyển tiếp P - N hoạt động như một photodiot cho dòng ngược: I0 - dòng điện trong tối. IP = SgΦ - dòng quang điện. Sg - độ nhạy của điot cổng-kênh. Φ - thông lượng ánh sáng. Rg P0r III += grgGS EIRV −= ( ) gP0gGS EIIRV −+= 2.5.Phototranzito hiệu ứng trường c) Đặc điểm và ứng dụng: - Làm việc ổn định - Hệ số khuếch đại cao ⇒ Điều khiển điện áp bằng ánh sáng. 3. Cảm biến quang điện phát xạ 3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ • Hiệu ứng quang điện phát xạ (hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu và có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng có bước sóng thích hợp (nhỏ hơn một ngưỡng nhất định). 3. Cảm biến quang điện phát xạ • Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng: - Hấp thụ photon và giải phóng điện tử. - Điện tử được 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 khi một photon bị hấp thụ (hiệu suất lượng tử) thường nhỏ hơn 10% và ít khi vượt quá 30%. 3.2. Tế bào quang điện chân không a) Cấu tạo: • Catot: có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs3Sb, K2CsSb, Cs2Te, Rb2Te , CsTe …) đặt trong vỏ hình trụ trong suốt (b) hoặc vỏ kim loại có một đầu trong suốt (b) hoặc hộp bên trong được hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8 mmHg). • Anot: bằng kim loại. a) b) c) 3.2. Tế bào quang điện chân không • Khi chiếu sáng catot (K) các điện tử phát xạ và dưới tác dụng của điện đường do Vak tạo ra tập trung về anot (A)→ tạo thành dòng anot (Ia). 3.2. Tế bào quang điện chân không • Đặc tính V - A có hai vùng: - Vùng điện tích không gian. - Vùng bão hòa. • TBQĐ làm việc ở vùng bão hòa → tương đương nguồn dòng, cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc thông lượng ánh sáng. Điện trở trong ρ của tế bào quang điện rất lớn: Φ     = ρ ak a dV dI1 =10 ÷ 100 mA/Wφ∆ ∆ = aISĐộ nhạy: 3.2. Tế bào quang điện chân không c) Đặc điểm và ứng dụng: - Độ nhạy lớn ít phụ thuộc Vak. - Tính ổn định cao ⇒ Chuyển mạch hoặc đo tín hiệu quang. 3.3. Tế bào quang điện dạng khí a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: cấu tạo tương tự TBQĐ chân không, chỉ khác bên trong được điền đầy bằng khí (acgon) dưới áp suất cỡ 10-1 - 10-2 mmHg. Khi Vak < 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống TBQĐ. Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn → ion hoá các nguyên tử khí → Ia tăng 5 ÷10 lần. 3.3. Tế bào quang điện dạng khí c) Đặc điểm và ứng dụng: - Dòng Ia lớn. - S phụ thuộc mạnh vào Vak. ⇒ Chuyển mạch và đo tín hiệu quang.