Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động kiểm soát hàm lượng sản phẩm dầu mỏ trong nước thải lacanh tàu cá, chương 9 pps

Chương 9:
CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN
HỒNG NGOẠI NHẬN BIẾT DẦU MỎ
Căn cứ vào bản chất phản xạ của dầu mỏ ta nhận thấy dầu
có bước sóng từ 0.8
m cho đến 1m cho nên dưạ vào tính chất
này ta chế tạo cảm biến cho phù hợp với bước sóng của dầu mỏ.
Theo
F.F.Sabins, Jr., 1978: Hệ số phản xạ quang phổ của
nước biển và dầu thô.
Ta có:
Từ 0,9
m  1,0m (hồng ngoại) thì chỉ có hệ số phản xạ
của dầu thô còn nước biển không có hệ số phản xạ như vậy căn
cứ vào hệ số phản xạ trên ta tiến hành chọn các linh kiện điện
tử cho phù hợp.
Mặt khác căn cứ vào tính chất bức xạ ánh sáng là những
khoảng bức xạ điện từ:
 Cực tím có bước sóng từ 100nm380nm.
 nh sáng thấy được có bước sóng từ 380nm  780nm.
 Hồng ngoại có bước sóng từ 780nm  1mm.
Như vậy ta nhận thấy dầu mỏ có bức sóng bức xạ thuộc trong
dải bước sóng hồng ngoại.
2.4.1. Phân tích lựa chọn cảm biến.
Ta có công thức tính bước sóng:
W
ch


.


trong đó:
 h là hằng số planck (h=4,16.10
-15
eVs) (eV= electron Volt).
 c là vận tốc ánh sáng (c=3.10
8
m/s)
 W là năng lượng photon.
Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của vật liệu
Vật liệu Năng lượng W
(eV)
Bước sóng (nm)
Germanium
Siliczium
Gallium – Arsenid
Gallium – Arsenid
– Phosphid
Gallium – Phosphid
Siliczium – Karbid
Gallium - Nitrit
0,66
1,09
1,38
 1,43
1,91
2,24
2,5
3,1
1890
1144

870  900
650
550
500
400
Qua bảng 1 ta nhận thấy Gallium – Arsenid có bước sóng
từ 870nm
900nm rất phù hợp và thoả mãn nên ta chọn Gallium
Hiệu suất tương đối
P
h
o
t
o
d
i
o
t

S
i
– Arsenid làm vật liệu cảm biến (Gallium – Arsenid là nguyên
tố ở nhóm III của bảng phân loại tuần hoàn).
Hình 2.8. Hiệu suất tương đối của nguồn sáng
)(900
38
.
1
10.3.10.16,4.
815

nm
W
ch





Gallium – Arsenid là một vật liệu bán dẫn lý tưởng cho
điện phát quang. Sự tái hợp giữa vùng dẫn và vùng hoá là trực
tiếp. Tuỳ theo sự pha tạp mà bức xạ do sự tái hợp trong GaAs có
cực đại giữa 880 và 940nm trong hồng ngoại gần, mắt không thể
nhìn thấy được.
Bức xạ phát sinh chủ yếu là qua sự tái hợp. Năng lượng
photon khoảng 1,4eV.
2.4.2. Đặc tính của cảm biến
Hình 2.9. Phổ ánh sáng
nh sáng lan truyền trong chân không có vận tốc v=
299792 km/s và có phổ ánh sáng và giải màu của phổ như hình
2.9.
Trong phần nghiên cứu của đề tài này tôi chọn linh kiện
thu điện trở quang CdS, linh kiện phát là led hồng ngoại IR.
2.4.2.1. Đặc điểm của led hồng ngoại
Hình 2.10. Bước sóng phát xạ của Led
Led có những đặc điểm như sau:
Hồng ngoại giữaTia X
Cực tím
Ánh sáng
nhìn thấy
Hồng ngoại gần Hồng ngoại xa

1nm 400nm 3
m 30m
100
nm
300
nm
600
nm
500
nm
700
nm
800
nm
900
nm
1000nm
m
Led hồng ngoạiLed đỏLed xanh
Catot
0,358
0,435
0,490
0,575
0,580
0,650
0,760
Cực tím
Tím
Lam

Lụ
c
Vàn
g
Da cam
Đỏ
Hồng ngoại

m
Ánh sáng nhìn thấy
 Không bò lệ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
 Tuyến tính.
 Có hiệu suất lượng tử cao.
 Đời sống cao, có thể đạt tới 100.000 giờ.
 Rẻ tiền.
 Kích thước nhỏ.
 Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả năng điều biến đến
tần số cao nhờ nguồn nuôi.
 Tiêu thụ công suất thấp.
 Quang thông tương đối nhỏ.
 Phổ ánh sáng hoàn toàn xác đònh.
 Không cần có mạch điều chỉnh tự động nhiệt độ và công
suất phát.
Trong mạch kiểm soát này ta chọn Led hồng ngoại có các
thông số kỹ thuật như sau:
Bảng 2.2 – Thông số kỹ thuật của các loại led hồng ngoại
Chủng loại Trò số giới hạn
Type
Hãng 
1/2

(Deg)
V
f
(V)
I
f
(mA)
P
tot
(mW)
Bức xa
ï(mW/Sr)

P
(nm)
CQX14
CQY31
CQW14
Har
Tel
Val
30
-
-
1,7
1,7
1,25
100
100
100

1300
1300
1300
5,4
5,4
1,5
940
900
900
Hình 2.11
. Cấu trúc của le
d
hồng ngoại IR
2.4.2.2. Đặc điểm của điện trở quang CdS (Cadmiummsulfid)
Hình 2.12. Cấu trúc của quang điện trở CdS
Điện trở quang CdS hay cảm biến quang là loại cảm biến
dùng để chuyển tín hiệu vật lý (ánh sáng) thành điện trở và là
loại cảm biến có độ nhạy tương đối cao. Nguyên tắc làm việc
của nó là điện trở thay đổi khi cường độ ánh sáng tại nơi đặt nó
thay đổi.
Quang trở thường được làm bằng chất sunfit catmi (CdS),
selenid cadmium (CdSe), sunfit chì (PbS)…trong đó loại quang
trở CdS có độ nhạy rất cao đối với tia hồng ngoại. Quang trở
được chế tạo bằng cách tạo một màn bán dẫn trên nền cách điện
nối ra hai đầu kim loại rồi đặt trong một vỏ nhựa, mặt trên có
lớp thủy tinh trong suốt để nhận ánh sáng của led hồng ngoại.
Bảng 2.3 - Các thông số kỹ thuật của quang điẹn trở CdS
Metal - film
contact
Metal - film

contact
Cadmium
sulphide
track
Chủng loại Trò số giới hạn
Type Hãng P
tot
(mw) U
a
(V) T
u
(
0
c) 
P
(nm)
R
1000
()
RPY64
A90.XX
Tel
Tel
50
50
100
100
-40bis
+75
-40bis

+75
900
860
3500
3000
Điện trở quang có 4 đặc tính quan trọng:
 Độ dẫn suất 
phot
: hàm số của mật độ năng lượng u với
độ dài sóng không thay đổi của ánh sáng.


phot
(u);  = const
 Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ: đó là độ
dẫn suất

phot
: hàm số của  khi mật độ năng lượng không thay
đổi.
 
constuS
phot
phot
rel
 ;
max.




 Vận tốc của quang điện trở CdS nhanh và thu nhận
thông tin hơn led IR, ít bò nhiễu do ánh sáng môi trường tác
động…
 Khả năng dò tìm của 1 detector gọi là Detectivity D.
với a là diện tích tích cực của một detector:
NEP
A
D

NEP ñôn vò laø [
z
H
W
]; D ñôn vò laø [
cmWH
Z
1
.

]