Cảm biến công ngiệp: chuong 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
1. Tính chất và đơn vị đo
1.2. Tính chất áng 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
vàn
g
da cam đỏ
hồng ngoại
0,01
0,1 0,4 0,75 1,2 10 30
100
cực tím
Hồng ngoại
H. ngoại xa
Trông
thấy
H.N. ngắn
λ(µm)
Phổ ánh sáng

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
c
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):
n
dA
dI
L
=
(W/sr.m2)
Ω
Φ
=
d
d
I
(W/sr)
dA
d

E
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:
λ (µm)
V(λ)
0,3
0,4 0,5
0,6 0,7 0,8
0
0,5
1
λmax
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 .V680
V
λ
λ
λΦ
λ=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
+
điện tử
hν
+
hν
-
điện tử
hν
+
Vùng dẫn
Vùng hoá trị
Wlk
-
-
Bán dẫn tinh khiết
lổ trống
lổ trống
Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p
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
a
n








++=






−=
kT
qW
expa
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
G
g
g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s
trong 1 đơn vị thể tích:
2/1
r
g
n






≈
( )
nNag

d
−>>
2.1. Hiệu ứng quang dẫn
•
Độ dẫn trong tối:
•
Độ dẫn khi chiếu sáng:
00
nqµ=σ
2
1
2
1
.
A
1
r
g
qnq
Φ=






µ=µ=σ
0
σ>>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.
0,2
0,6 1 2 3 4 5 10 20 30
CdS
CdSe
CdTe
PbS
PbSe
PbTe
Ge
Si
GeC
u
SnI
n
AsIn
CdHgT
e
λ, µm
Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn
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)
Độ rọi sáng (lx)
0,1 1 10 100
102
104
106
106
1000
Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
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
VI
S
−γ
Φγ=
∆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
-
150
-
100
-50 0 50
Nhiệt độ
(oC)
10
5
1
0,5
0,1
Độ
nhạy
tương
đối
Bước sóng (µm)
Độ
nhạy
tương
đối
(%)
1 2

3
1
3
5
10
30
50
100
Ảnh hưởng của nhiệt
độ đến độ nhạy của tế
bào quang dẫn
Ảnh hưởng bước sóng
đến độ nhạy của 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
Sơ đồ chuyển tiếp P – N
Vùng
chuyển tiếp
E
P
N
Vùng nghèo
Vb
Vùng
nghèo
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
qV
expII
0
d
0r
≠+







−=






−
kT
qV
expI
d
0
0I
kT
qV
expIIII
0
d
00kt
=−







=−=
2.3. Photođiot
•
Khi chiếu sáng bằng luồng
ánh sáng Φ0 → Ip.
Khi V đủ lớn:
N
P
hν
−
+
Ir
Vùng
nghèo
−
+
x
Hiệu ứng quang
điện khi chiếu
sáng
V
p0
d
0r
II
kT
qV
expII
++







−=
pp0r
IIII
≈+=
( )
( )
Xexp
hc
R1q
I
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.
Ir
VD
VR
Rm
ES
−
+
∆
0-10-20-30-40
50µW
100µW
150µW
200µW
20
40
60
Ir
DR
VVE
−=
rmR
IRV
=
ES
m
D
m
r
R

V
R
E
I +=