Cảm biến và đo lường - Chương 2: CẢM BIẾN QUANG docx

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-1
Chương 2:

CẢM BIẾN QUANG


I. ÁNH

SÁNG

–

CÁC

ĐẶC

TÍNH

CƠ

BẢN

CỦA

ÁNH

SÁNG

1.

Tính

chất

ánh

sáng


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

của

nguyên

tử

nguồn

sáng.
Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân
không là c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là:
c
v
n

(n: chiết suất của môi trường)

Tần

số



và

bước

sóng



của

ánh

sáng

liên

hệ

với

nhau

qua

biểu

thức:
v




trong
chân không

c



Phổ

ánh

sáng

được

biểu

diễn

như

hình:

Tính

chất

hạt

thể

hiện

qua

sự

tương

tác
của nó
với

vật

chất. Ánh

sáng
bao
gồm

các

hạt

photon

mang

năng

lượng

W


phụ

thuộc
duy nhất
vào

tần

số.
W





h

(h

=

6,6256.10
-24
Js:

hằng

số

Planck)
Các

đại

lượng

quang

học:


-

Thông

lượng:

oat

(W)


-

Cường

độ:

oat/steradian

(W/Sr)

-

Độ

chói:

(W/Sr.m
2
)


-

Năng

lượng:

J

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-2
Một

điện

tử

được

liên

kết

có

năng

lượng

W
l
,

để

giải

phóng

các

điện

tử

khỏi

nguyên tử cần cung cấp cho n
ó

năng

lượng

bằng

với

năng

lượng

liên

kết

W
l
.

Vậy

một

điện

tử

sẽ

được

giải

phóng

nếu

nó

hấp

thụ

một

photon

có

năng

lượng
W


≥ W
1
, nghĩa là 
W
h


 hay
1
hc
W


Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải
phóng điện tử được tính từ biểu thức:
1
s

hc
W



Hiện tượng hạt
dẫn

điện

được

giải

phóng

dưới

tác

dụng

của

ánh

sáng

làm

thay

đổi tính

chất

điện

của

vật

liệu

gọi

là

hiệu

ứng

quang

điện.

Đây

là

nguyên

lý

cơ

bản

của

cảm

biến quang.


II.

CÁC

LOẠI

NGUỒN

SÁNG


Một

cảm

biến

quang

chỉ

hiệu

quả

khi

phù

hợp

với

bức

xạ

ánh

sáng

(phổ,

thông lượng,

tần

số).

Nguồn

sáng

quyết

định

mọi

đặc

tính

của

bức

xạ.


1.

Đèn
sợi đốt v
onfram

Cấu tạo: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh có chứa khí halogen để giảm
bay hơi sợi đốt.

Đặc

điểm:


-

Nhiệt

độ

giống

như

nhiệt

độ

của

một

vật

đen

tuyệt

đối.


-

Phổ

phát

xạ

nằm

trong

vùng

nhìn

thấy.


-

Quang

thông

lớn,

dải

phổ

rộng.


-

Quán

tính

nhiệt

lớn

nên

không

thể

thay

đổi

bức

xạ

nhanh

chóng.


-

Tuổi

thọ

thấp,

dễ

vỡ.


2.

Diode

phát

quang

Cấu

tạo:

gồm

nối

P-N.

Năng

lượng

giải

phóng

do

sự

tái

hợp

các

hạt

dẫn

làm

phát sinh

các

photon.


Đặc

điểm:


-

Thời

gian

hồi

đáp

nhỏ

cỡ

ns,

có

khả

năng

biến

điệu

tần

số

cao.


-

Phổ

ánh

sáng

hoàn

toàn

xác

định,

độ

tin

cậy

cao.


-

Tuổi

thọ

cao,

kích

thước

nhỏ,

tiêu

thụ

năng

lượng

thấp.


-

Quang

thông

tương

đối

nhỏ

và

nhạy

với

nhiệt

độ là nhược điểm hạn chế phạm vi

sử dụng của đèn.


3.

Laser

(Light

Amplification

by

Stimulated

Emission

Radiation)

Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, rất định hướng và đặc biệt là tính liên
kết mạnh (cùng phân cực, cùng pha). Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát ra là sự
chồng chéo của rất nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác nhau. Trong trường hợp
tia laser, tất cả các bức xạ cấu thành đều cùng pha cùng phân cực và bởi vậy khi chồng
chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và rất xác định.

Đặc

điểm chính của laser là có bước

sóng

đơn

sắc

hoàn

toàn

xác

định,

quang

thông

lớn,

có

khả

năng

nhận

được chùm

tia

rất

mảnh
với
độ

định

hướng

cao,

truyền

đi

khoảng

cách

rất

lớn.


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-3





III.

CÁC

CẢM

BIẾN

QUANG


1.

Tế

bào

quang

dẫn


Tế

bào

quang

dẫn

là

một

loại

cảm

biến

quang

có

độ

nhạy

cao.


Đặc

trưng

của

tế

bào

quang

dẫn

là

sự

phụ

thuộc

điện

trở

vào

thông

lượng

và

phổ

của bức

xạ.


Cơ

sở

vật

lý

của

tế

bào

quang

dẫn

là

hiện

tượng

giải

phóng

hạt

dẫn

điện

trong

vật liệu

dưới

tác

dụng

của

ánh

sáng

làm

tăng

độ

dẫn

điện

của

vật

liệu.


Vật

liệu

chế

tạo:

thường

được

chế

tạo

từ

các

bán

dẫn

đa

tinh

thể

đồng

nhất

hoặc

đơn tinh

thể,

bán

dẫn

riêng

hoặc

pha

tạp.


-

Đa

tinh

thể:

CdS,

CdSe,

CdTe,

PbS,

PbSe,

PbTe


-

Đơn

tinh

thể:

Ge,

Si

tinh

khiết

hoặc

pha

tạp

Au,

Cu,

Sb,

In,

SbIn,

AsIn, PIn, CdHgTe.


Các

tính

chất

cơ

bản

của

cảm

biến

quang

dẫn:


a.

Điện

trở

tối

R
CO
:

Phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất lý hóa của vật liệu. Khi
chiếu sáng R
CO
giảm rất nhanh, quan hệ điện trở và độ sáng là phi tuyến
.

PbS,

CdS,

CdSe

có

R
CO
rất

lớn:

từ

10
4
Ω đến 10
5

Ω ở 25
o
C
.

SbIn,

AbSn,

CdHgTe

có

R
CO
rất

nhỏ:
10Ω – 10
3
Ω ở 25
o
C
.

b.

Độ

nhạy:

Định

nghĩa

theo

biểu

thức:

( ) ( / )
( )
I
S A W

 





I:

dòng

quang

điện

chạy

qua

tế

bào

quang

dẫn

(A)



:

thông

lượng

ánh

sáng

(W)


Khi

đặt

vào

điện

áp

U

=

10V,

diện

tích

bề

mặt

tế

bào
bằng
1cm
2
,

độ

nhạy
phổ
có giá trị nằm trong
khoảng

0,1


10 A/W.



Nhược

điểm

của

tế

bào

quang

dẫn

o

Đặc

tính

điện

trở

-

độ

rọi

là

phi

tuyến. Thời

gian

đáp

ứng

tương

đối

lớn.

o
Các

thông

số

không

ổn

định

(lão

hóa).


o
Độ

nhạy

phụ

thuộc

vào

nhiệt

độ,
một số loại
đòi

hỏi

phải

làm

nguội.



Ứng

dụng:


Không

dùng

tế

bào

quang

dẫn

để

xác

định

quang

thông,

thông

thường

dùng

để

phân

biệt mức

sáng khác nhau: trạng thái tối – sáng hoặc xung ánh sáng.


Việc

đo

điện

trở

của

tế

bào

quang

dẫn

cần

phải

có

mạch

đo như áp dụng cho một
cảm biến thụ động, nghĩa là

phải

cấp

dòng

không

đổi và lắp mạch
theo sơ đồ
đo

thế,
dùng
cầu

Wheatstone,

khuếch

đại

thuật

toán.


Trong

thực

tế các tế bào quang dẫn thường được ứng dụng trong hai trường hợp:

-

Điều

khiển

relay.


-
Thu tín hiệu quang: tế bào quang điện có thể được sử dụng để biến đổi xung

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-4
quang thành xung điện. Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật, đo tốc
độ quay đĩa
.


Minh họa dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle:
a) Điều khiển trực tiếp; b) Điều khiển thông qua transistor khuếch đại
2.

Photodiode


a.

Cấu

tạo

Lớp

tiếp

xúc

của

hai

bán

dẫn

loại

n

và

loại

p

(nối

P-N)

tạo

nên

vùng

hiếm,

ở

đó

tồn tại

điện

trường

và

hình

thành

rào

điện

thế

V
b
.



Khi

không

có

điện

áp

bên

ngoài

đặt

lên

nối

P-N,

dòng

điện

qua

nối

I

=

0.

Thực

tế

có tồn

tại

dòng

I

gồm

các

thành

phần:


-

Dòng

khuếch

tán

các

hạt

dẫn

điện

đa

số

có

năng

lượng

đủ

lớn

vượt

qua

rào điện

thế.

-

Dòng

hạt

dẫn

điện

thiểu

số

chuyển

động

dưới

tác

động

của

điện

trường.


Khi

đặt

điện

áp

V
d
lên

diode,

chiều

cao

của hàng rào

thế sẽ thay

đổi

kéo

theo

thay

đổi

độ rộng

vùng

hiếm.

Dòng

qua

nối:


d
0 0

qV
I I exp I
kT
 
 
 
 

I
0
:

dòng

hạt

dẫn

điện

thiểu

số
Khi

điện

áp

ngược

V
d
đủ

lớn

26
 
  
 
 

d
kT
V mV
q
(ở 300K),
dòng

khuếch

tán

các

hạt

dẫn đa

số

rất

nhỏ

có

thể

bỏ

qua.

Dòng

ngược

I
r
=

I
0
.


Khi chiếu sáng diode bằng ánh sáng có bước sóng  < 
S
sẽ xuất hiện thêm các cặp

điện tử - lỗ trống. Để ngăn cản quá trình tái hợp phải tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tác
dụng của điện trường. Điều này chỉ xảy ra trong vùng hiếm làm tăng dòng ngược I
r
.
Để đến được vùng hiếm, ánh sáng phải đi qua một
bề

dầy

của

chất

bán

dẫn

và

tiêu
hao

năng

lượng

theo

biểu

thức

0
( )
x
x e

 



Trong

đó

α

10
5
cm
-1
,

thông

lượng

giảm

63%

khi

đi

qua

bề

dầy

10
3

A

.

a) b)

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-5
Trong

thực

tế,

phiến

bán

dẫn

được

làm

rất

mỏng

và

vùng

hiếm

đủ

rộng

để

hấp

thụ năng

lượng

ánh

sáng

hữu

hiệu

nhất.

Chẳng

hạn,

các

diode

PIN

có

lớp

bán

dẫn

I

giữa

2

lớp

P và

N.

Chỉ

cần

điện

áp

ngược

vài

volt

đủ

để

mở

rộng

vùng

hiếm

ra

toàn

bộ

lớp

bán

dẫn

I.


Các

vật

liệu

thường

dùng

để

chế

tạo

photodiode

là:


-

Si,

Ge:

vùng

ánh

sáng

nhìn

thấy

và

hồng

ngoại

gần.

-

GaAs,

InAs,

InSb,

HgCdTe:

vùng

hồng

ngoại.


b.

Nguyên

tắc

hoạt

động


 Chế độ quang dẫn

Nguồn

E
S
phân

cực

ngược

diode,

R
m
dùng

để

đo

tín

hiệu.

Đặt

điện

áp

V
d

<

0

lên

diode,

dòng

ngược

I
r

chạy

qua

diode:

d
r 0 0 p
qV
I I exp I I
kT
 
   
 
 

I
p

:

dòng

điện

sinh

ra

khi

ánh

sáng

đi

đến

vùng

hiếm


p 0
q (1 R)
I exp( X)
hc
  
  

Khi

điện

áp

ngược

đủ

lớn:

I
r



I
0
+

I
p
,

nghĩa

là

I
r
#

I
p
.
Phương

trình

mạch

điện:

E
S

=

V
r
–

V
d
mà

V
r
=

R
m
I
r 

S d
r
m
E V
I
R


Chế

độ

này

là

tuyến

tính,

V
r
tỉ

lệ

với

thông

lượng.


Chế

độ

quang

thế

Chế

độ

này

không

có

điện

áp

ngoài

đặt

vào

diode.

Diode

hoạt

động

như

bộ

chuyển

đổi năng

lượng,

người

ta

đo

điện

áp

hở

mạch

V
OC
hoặc

dòng

ngắn

mạch

I
SC
.

-

Điện

áp

hở

mạch

V
OC

Khi

chiếu

sáng,

I
p

tăng,

rào

điện

thế

giảm

một

lượng


V
b
.

Sự

giảm

này

làm

dòng

hạt

dẫn

đa

số

tăng

lên,
I
r
=

0,

nghĩa

là:

 
p
b
0 0 p b
0
I
q V kT
I exp I I 0 V ln 1
kT q I
 

 

       
 
 
 
 

V
d
R
m


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-6
Đo

điện

áp

hai

đầu

diode

trong

chế

độ

hở

mạch:
p
OC
o
I
kT
V ln 1
q I
 
 
 
 

Khi chiếu sáng yếu:
:
p
OC
o
I
kT
V ln
q I
 

 
 


Độ

lớn

V
OC
phụ

thuộc

vào

thông

lượng

có

dạng

hàm

logarit.

-

Dòng

ngắn

mạch

I
SC

Nối

ngắn

mạch

2

đầu

diode

bằng

điện

trở

Rm

nhỏ

hơn

điện

trở

động

rd

của

nối

P-N. Dòng

ngắn

mạch

I
SC
=

I
p
,

tỷ

lệ

với

thông

lượng.

c.

Độ

nhạy



p
I
q (1 R)exp( X)
S( )
hc

  
   


Thông

thường

S(


)

nằm

trong

khoảng

từ

0,1

đến

1

A/W.


d.

Sơ

đồ

sử

dụng

Tùy

mục

đích

sử

dụng

mà

ta

chọn

chế

độ

hoạt

động.


Chế

độ

quang

dẫn

Có

độ

tuyến

tính

cao,

thời

gian

đáp

ứng

ngắn,

băng

thông

rộng.


-

Sơ

đồ

cơ

sở:
2
O m r
1
R
V R 1 I
R
 
 
 
 


Để

giảm

nhiễu

tăng

điện

trở

R
m



-

Sơ

đồ

tác

động

nhanh:



Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-7

Chế

độ

quang

thế


Đặc

điểm:


-
Có thể làm việc ở chế độ t
uyến

tính

hoặc

logarit

phụ

thuộc

vào

tải.


-

Ít

nhiễu.


-

Thời

gian

đáp

ứng

lớn,

dải

thông

hẹp.


-

Nhạy

cảm

với

nhiệt

độ

ở

chế

độ

logarit.

Sơ

đồ

tuyến

tính: Sơ

đồ

logarit:



3.

Phototransistor

Phototransistor

là

các

transistor

loại

NPN

mà

cực

nền

có

thể

được

chiếu

sáng,

không có

điện

áp

tại

cực

nền

B

mà

chỉ

có

điện

áp

tại

C,

nối

B-C

phân

cực

ngược.


Khi

nối

B-C

được

chiếu

sáng,

nó

hoạt

động giống

photodiode

ở

chế

độ

quang

dẫn.


Dòng

ngược

I
r
=

I
o
+

I
p

I
o
:

dòng

ngược

tối

I
p
:

dòng

quang

điện

khi

được

chiếu

sáng

Dòng

cực

thu:

I
c

=


I
r
=


I
o
+


I
p

Như

vậy,

có

thể

coi

phototransistor

là

tổ

hợp

của

một

photo

diode

và

một

transistor. Photodiode

cung

cấp

dòng

điện

tại

cực

nền

còn

transistor

cho

hiệu

ứng

khuếch

đại


.


Độ nhạy:
C
dI
S
d


, ở bước sóng tương ứng điểm cực đại, S có giá trị từ 1 ÷ 100 A/W.
Ứng

dụng

phototransistor

trong
chế độ
chuyển

mạch để điều khiển:




a) Rơle, b)Rơle (sau khuếch đại), c) Cổng logic d) Thyristo

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-8

4.

Phototransistor

hiệu

ứng

trường

–

photo

FET


Trong

photo

FET,

ánh

sáng

được

dùng

để

thay

đổi

điện

trở

kênh,

điều

khiển

dòng

I
D
do

sự

thay

đổi

điện

áp

V
GS
.


I
DSS
:

dòng

thoát

khi

V
GS

=

0

V
P
:

điện

áp

nghẽn

Nối

P-N

giữa

cổng

và

kênh

khi

được

chiếu

sáng

giống

như photodiode,

tạo

dòng

ngược.




Dòng

ngược

I
r
=

I
o
+

I
p

I
o
:

dòng

ngược

tối

I
p
:

dòng

quang

điện

khi

được

chiếu

sáng;
I
p
=

S
g
.


S
g
:

độ

nhạy

diode

cổng

kênh

Dòng

I
r
chạy

qua

điện

trở

Rg

tạo

ra

điện

thế

V
GS

V
GS
= R
g

(I
o
+ I
p
) - V
g

Ứng

dụng

photo

FET

là

điều

khiển

điện

áp

bằng

ánh

sáng.

Khi

điện

áp

V
DS
nhỏ,

photo

FET

giống

như

một

điện

trở

R
DS
.

Giá

trị

R
DS
được

xác
định

bởi

điện

thế

V
GS
có

thể

được

điều

chỉnh

nhờ

thay

đổi

thông

lượng

ánh

sáng

chiếu

tới.



IV.

CẢM

BIẾN

QUANG

PHÁT

XẠ

Cảm

biến

này

biến

đổi

tín

hiệu quang

thành

tín

hiệu

điện

nhờ

hiện

tượng

phát

xạ

điện tử

ra

khỏi

vật

liệu

photocatode.


Số

lượng

điện

tử

thoát

khỏi

catode

tỉ

lệ

với

quang

thông

chiếu

vào.

1.

Cơ

chế

hoạt

động


Cơ

chế

phát

xạ

xảy

ra

theo

ba

giai

đoạn:


-

Hấp

thụ

photon

và

giải

phóng

điện

tử.


-

Điện

tử

được

giải

phóng

di

chuyển

đến

bề

mặt.


-

Điện

tử

thoát

ra

khỏi

bề

mặt

vật

liệu

catode.


Sau

khi

được

giải

phóng,

điện

tử

di

chuyển

ngẫu

nhiên

theo

mọi

hướng,

do

đó

chỉ


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-9
có một

số

ít

đến

được

bề

mặt.

Trong

quá

trình

di

chuyển

chúng

va

chạm

với

các

điện

tử

và photon

khác

làm

mất

đi

một

phần

năng

lượng.

Sự

phát

xạ

chỉ

có

thể

xảy

ra

nếu

điện

tử

thắng được

rào

thế

phân

cách

vật

liệu

với

môi

trường

bên

ngoài.

Do

đó,

hiệu

suất

phát

xạ

điện

tử thường

nhỏ

hơn

10%.


2.

Vật

liệu

chế

tạo


AgOCs

nhạy

trong

vùng

hồng

ngoại.


Cs
3

Sb,

(Cs)Na
2
KSb,

K
2
CsSb

nhạy

trong

vùng

ánh

sáng

nhìn

thấy

và

tử

ngoại.
Cs

2
Te,

Rb
2
Te

và

CsT

nhạy

trong

vùng

tử

ngoại.

Hiệu

suất

phát

xạ

điện

tử

các

vật

liệu

trên

từ

1

÷

20%.


Ngoài

ra,

các

hợp

chất

nhóm

III

–

V

như

GaAs
x
Sb
1-x
,

Ga
1-x
In
x
As,

InAs
x
P
1-x
nhạy trong

vùng

hồng

ngoại,

hiệu

suất

đạt

tới

30%.


3.

Tế

bào

quang

điện

chân

không

Là

một

ống

hình

trụ,

có

một

cửa

sổ,

được

hút

chân

không

tới

áp

suất

10
-6

10
-8

mmHg.

Trong

ống

đặt

một

catode

có

khả

năng

phát

xạ

và

một

anode.




Đặc

tuyến

của

tế

bào

quang

điện

chân

không

có

hai

vùng

rõ

rệt:




-

Vùng

điện

tích

không

gian,

khi

điện

áp

tăng

dòng

điện

tăng

nhanh.

Một

phần

nhỏ
điện

tích

phát

xạ

đẩy

điện

tử

mới

phát

xạ

bật

trở

lại

làm

hạn

chế

dòng

anode.


-

Vùng

bão

hòa,

dòng

điện

ít

phụ

thuộc

vào

điện

áp

mà

chỉ

phụ

thuộc

vào

quang

thông.


Tế

bào

quang

điện

được

sử

dụng

trong

vùng

bão

hòa,

khi

đó

nó

giống

như

nguồn dòng,

chỉ

phụ

thuộc

vào

quang

thông.

Điện

trở

trong

tế

bào

quang

điện

chân

không

rất

lớn

cỡ

10
10
Ω
.

Độ

nhạy

nằm

trong khoảng

10

100

mA/W.



Tài liệu môn Cảm biến và đo lường

Trang II-10
4.

Tế

bào

quang

điện

chất

khí


Cấu

tạo

giống

tế

bào

quang

điện

chân

không,

chỉ

khác

là

bên

trong

có

khí

trơ,

thường
là

argon

có

áp

suất

10
-1


10
-2
mmHg.


Khi

V
ak
<

20V,

đặc

tuyến

giống

như

trường

hợp

tế

bào

quang

điện

chân

không.

Khi

V
ak
cao,

điện

tử

chuyển

động

với

vận

tốc

cao

làm

ion

hóa

chất

khí.

Dòng

anode tăng

lên

từ

5

10

lần.


5.

Thiết

bị

nhân

quang


Khi

bề

mặt

anode

bị

bắn

phá

bởi

các

điện

tử

có

năng

lượng

đủ

lớn

có

thể

phát

xạ

điện tử

(phát

xạ

thứ

cấp).

Nếu

số

điện

tử

phát

xạ

thứ

cấp

lớn

hơn

số

điện

tử

tới

thì

có

khả

năng khuếch

đại

tín

hiệu.


Các

điện

tử

tới

(điện

tử

sơ

cấp)

được

phát

xạ

từ

một

photocatode

bị

chiếu

sáng.

Sau đó

chúng

được

tiêu

tụ
(bằng phương pháp tĩnh điện)
trên

điện

cực

thứ

nhất

của

dãy

điện

cực.

Dãy

điện

cực

có

bề

mặt

được phủ

bằng

vật

liệu

có

khả

năng

bức

xạ

thứ

cấp.

Các

điện

cực

mắc

nối

tiếp

nhau

và

được

cung cấp

điện

thế

thông

qua

các

cầu

điện

trở

sao

cho

điện

tử

thứ

cấp

phát

ra

từ

điện

cực

thứ

k

sẽ bị

hút

về

điện

cực

thứ

k+1,

đồng

thời

số

điện

tử

thứ

cấp

phát

ra

ở

điện

cực

này

cũng

tăng lên.



V.

CÁP

QUANG


1.

Cấu

tạo

và

tính

chất


Gồm

một

lõi

chiết

suất

n
1
,

bán

kính

10

100

m

và

vỏ

chiết

suất

n

2
<

n
1
dày

50

m.
Vật

liệu

chế

tạo

cáp

quang:

-

SiO
2
tinh

khiết

hoặc

pha

tạp

nhẹ.

-

Thủy

tinh,

SiO
2
và

phụ

gia

N
2
O
3
,

B
2

O
3
,

PbO.

-

Polyme.



Minh họa mặt cắt của cáp quang

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-11


a) Khúc xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường
b) Phản xạ toàn phần trong cáp quang
Định luật phản xạ: n
1
sin
1
= n
2
sin
2

Điều kiện xảy ra phản

xạ

toàn

phần:
2
1 0
1
n
arcsin
n
 
   
 
 

Với điều kiện như vậy, trong trường hợp cáp quang tia sáng sẽ bị giam giữ trong lõi và
được truyền đi bằng phản xạ liên tục nối nhau.
2.

Ứng

dụng


a.

Truyền

thông

tin


Tránh

được

tín

hiệu

điện

từ

ký

sinh,

đảm

bảo

cách

điện

giữa

mạch

phát

và

mạch

thu.


Thông

tin

được

truyền

chủ

yếu

bằng

cách

mã

hóa

xung

ánh

sáng,

đôi

khi

biến

điệu
biên

độ

hoặc

tần

số

ánh

sáng.


b.

Quan

sát

và

đo

lường


Cáp

quang

cho

phép

quan

sát

hoặc

đo

đạc

ở

những

nơi

khó

tiếp

cận

hoặc

các

môi trường

độc

hại,

có

thể

dẫn

ánh

sáng

đến

những

vị

trí

mà

điều

kiện

bình

thường

ánh

sáng không

tới

được.


Nguồn

sáng

phát

ra

bức

xạ

dưới

dạng

xung

để

phân

biệt

với

ánh

sáng

môi

trường. Bức

xạ

được

dẫn

đến

khu

vực

đo.

Tại

khu

vực

đo,

bức

xạ

thay

đổi

phụ

thuộc

vào

đại

lượng đo:


-

Thay

đổi

cường

độ

khi

đo

vị

trí


-

Thay

đổi

tần

số

tỉ

lệ

với

tốc

độ

quay.


-

Thay

đổi

bước

sóng

trong

trường

hợp

đo

nhiệt

độ,

phổ

phụ

thuộc

vào

nồng

độ các

tia

phản

xạ

được

truyền

trở

lại

và

được

đưa

đến

cảm

biến.


Một

số

trường

hợp,

tín

hiệu

quang

dưới

tác

động

của

đại

lượng

vật

lý

làm

thay

đổi tính

chất

của

cáp

quang,

làm

thay

đổi

điều

kiện

truyền

sóng.

Lúc

này

cáp

quang

đóng

vai

trò cảm

biến

chuyển

đổi

đại

lượng

vật

lý

thành

tín

hiệu

quang.

a)







b)

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-12
VI.

MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN QUANG THÔNG DỤNG
1. Cảm biến quang (photo sensor)
Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin ánh sáng nhìn thấy được hoặc tia
hồng ngoại IR (Infrared) và tia tử ngoại UV (Ultra Violet) thành tín hiệu điện.
Phổ của ánh sáng được biểu diễn như sau:
Color Violet Blue Green Yellow Orange Red
(nm)
400-450 450-500 500-550 550-600 600-650 650-700
Tín hiệu ngõ ra của cảm biến quang tỷ lệ với cường độ ánh sáng. Một vài cảm biến
quang tích hợp ngay cả phát và thu ánh sáng. Cảm biến quang có thể phân thành cảm biến
quang học, cảm biến hồng ngoại, cảm biến laser tùy thuộc vào chiều dài bước sóng của năng
lượng ánh sáng được tối ưu hoá. Trong phần này, chúng ta chỉ giới thiệu về quang trở và cảm
biến hồng ngoại.
a) Quang trở (photoresistor):

Quang trở

Giá trị điện trở của quang trở thay đổi khi có cường độ ánh sáng chiếu vào bề mặt
của nó thay đổi. Giá trị điện trở của quang trở càng giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào nó
càng mạnh và ngược lại.
Độ nhạy của quang trở được xác định:
R
I
K
photo



Trong đó: I: sự thay đổi của cường độ ánh sáng.
R: sự thay đổi điện trở.

Đặc tuyến của quang trở

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-13
b) Cảm biến hồng ngoại (infrared sensor):
Cảm biến hồng ngoại được chia ra làm ba loại: cảm biến hồng ngoại thường, cảm
biến hồng ngoại kiểu phản xạ (infrared reflective sensor) và cảm biến hồng ngoại kiểu thấu
xạ (infrared slotted sensor).
Cảm biến hồng ngoại thường: đây là loại cảm biến mà bộ phát và bộ thu không
được kết cấu trong một khối. Bộ phát và bộ thu là hai bộ phận riêng rẽ. Bộ phát hồng ngoại
(infrared emitter) có hình dạng như một diode phát quang (LED-light emitting diode). Tuy
nhiên ánh sáng phát ra là hồng ngoại. Bộ thu hồng ngoại (infrared detector) là một transistor
quang. Khi transistor nhận được ánh sáng hồng ngoại, nó sẽ dẫn bảo hòa. Ngược lại, nó sẽ
ngưng dẫn.
Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ: là một linh kiện hình thang được thiết kế
cho những ứng dụng đặc biệt. Trong linh kiện này có tích hợp một transistor quang (rất nhạy

đối với ánh sang hồng ngoại) và một bộ phát ánh sáng hồng ngoại. Khi có vật thể chắn sáng,
lượng ánh sáng này sẽ được phản hồi đến transistor quang nhờ vật chắn sáng -> transistor
quang bắt đầu dẫn và ngược lại


Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ
Cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ: nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống với
cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ. Tuy nhiên, lượng ánh sáng phát ra sẽ được đưa trực tiếp
đến transistor quang. Nếu không có vật thể chắn sáng giữa bộ phát và bộ thu (transistor
quang), transistor có thể nhận hoàn toàn lượng ánh sáng được phát ra. Lúc này, transistor sẽ
dẫn bảo hòa. Ngược lại, khi có vật thể chắn sáng giữa bộ phát và thu, lúc này transistor sẽ
không nhận được lượng ánh sáng phát ra.


Cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-14
2. Thiết kế mạch cảm biến dò đường dùng quang trở hoặc IR
Một loại cảm biến thường được sử dụng trong thiết kế robot tự động dò đường đó là
cảm biến quang (có 2 loại: dùng quang trở hoặc hồng ngoại), nguyên tắc cơ bản là biến đổi
sự cảm nhận về ánh sáng thành tín hiệu điện.
Cụ thể dưới đây là cảm biến hồng ngoại: điện trở của sensor sẽ giảm xuống khi ánh
sáng hồng ngoại chiếu lên nó, một cảm biến tốt nếu có điện trở gần bằng 0 khi ánh sáng IR
chiếu vào.

Sơ đồ nguyên lý mạch sensor
Ta lợi dụng tính năng này của sensor để thiết kế một cầu chia thế như hình vẽ, khi đó
điện thế tạo chân “2” của bộ so sánh là
1

SENSOR
SENSOR CC
SENSOR
R
V V
R R



Một mạch sensor tốt là mạch có sự thay đổi điện thế lớn nhất tại chân “2” của bộ so
sánh khi có ánh sáng IR chiếu vào sensor và không chiếu vào sensor.
Để có được mức điện thế thay đổi này lớn nhất thì việc chọn lựa R
1
là hết sức quan
trọng. Gọi a là điện trở của sensor khi không có ánh sáng, b là điện trở của sensor khi có ánh
sáng chiếu vào và V
diff
là sự thay đổi điện thế, ta có:
1 1
( )
diff CC
a b
V V
a R b R
 
 

Vậy để tìm được R
1
ta vẽ

diff
V
theo R
1
( a,b : ta tìm được từ phép đo) và sau đó chọn
giá trị R
1
tương ứng với giá trị lớn nhất của
diff
V


Ví dụ: Ta có a = 920K, b = 15K khi đó ta vẽ
diff
V


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-15

Đặc tuyến của giá trị R
1
Vậy dựa vào đồ thị ta chọn R1 = 100K
Trong mạch cảm biến trên, ta thấy có một bộ so sánh. Chức năng chủ yếu của bộ so
sánh này là đảm bảo ngõ ra chỉ có 2 mức điện thế (0 hoặc 1) tương ứng với sự thay đổi
khoảng điện thế của cảm biến.
Bộ so sánh có 2 ngõ vào: một ngõ (-) nối với ngõ ra của cảm biến, ngõ còn lại (+)
được nối với một điện thế tham chiếu, điện thế này của chính bằng
2
diff

V