phổ hồng ngoại tín hiệu điều khiển bằng hồng ngoại, và thiết kế chế tạo thiết bị bằng khoảng cách giữa thiết bị điều khiển và thiết bị được điều khiển

Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G I A H À N Ộ I
K H O A C Ô N G N G H Ệ
BÙI XUÂN SƠN
PHỔ HỔNG NGOẠI - TÍN HIỆU ĐlỂU KHIEN b a n g
HỔNG NGOẠI
VÀ VIỆC THIẾT KẾ, CHÊ TẠO THIẾT BỊ TẢNG KHOẢNG CÁCH
• ' • t
GIỮA THIẾT BỊ ĐlỂU KHIEN v à THIÊT bị đ ư ợ c đ iể u k h iể n
C H U Y Ê N N G À N H : K Ỹ T H U Ậ T V Ô T U Y Ê N Đ IỆ N T Ử V À T H Ô N G T IN L I Ê N L Ạ C
MÃ SỐ: 2.07.00
LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC
• • •
N G Ư Ờ I H Ư Ớ N G D Ẫ N K H O A H Ọ C :
TS VƯƠNG Đ Ạ O VY
ĐAI HOC cuoc GIA HA NỌ! Ị
TRUNGTẢM THGMB TIN.
THƯ
Y Ộ
•Y - h / : w _
HÀ NỘI 2002
1
3
3
3
4
8
9
9
11
13
17

17
19
19
19
21
25
27
27
28
28
31
33
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
LÝ THUYẾT BÚC XẠ HồNG NGOẠI VÀ ÚNG
DỤNG TRONG VIỆC ĐlỀU KHIẺN t h iế t bị
PHỔ HỒNG NGOẠI
1.1 Cơ SỞ LÝ THUYẾT HồNG NGOẠI
1.1.1 T rạ n g th á i nă n g lư ợng củ a phâ n tử
1.1.2 P hổ h ồng n goạ i
1.2 QUANG PHỔ QUAY VÀ QUANG PHổ DAO ĐỘNG
QUAY
1.2.1 Đ iề u k iệ n về tín h qu a ng hoạ t
1.2.2 Sự q u a y củ a phâ n tử và p h ổ q u ay
1.2.3 Sự d ao đ ộ n g c ủa ph ân tử và p hổ da o đ ộ n g q uay
1.3 CƯỜNG ĐỘ VÀ HÌNH DẠNG CỦA VÂN PHỔ HồNG
NGOẠI
1.3.1 Cường độ c ủa p h ổ h ồ n g ngo ạ i
1.3.2 H ìn h dạ ng củ a vân phổ hồ n g n goạ i
1.4 CÁC ĐẶC TÍNH CHUNG CỦA BỘ CẢM BIÊN HồNG

NGOẠI
1.4.1 Đ ặ c tín h d òng và áp
1.4.2 N h iễ u
1.4.3 Đ ộ n h ậy của b ộ cả m biế n
TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN BẰNG HồNG NGOẠI
2.1 ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA TÍN HIỆU Đ iề u KHIEN
2.2 TÍN HIỆU ĐIỀU KHIEN c ủa m ộ t số HÃNG TIÊU Biểu
2.2.1 H ã n g P h illip s và m ã R C 5
2.2.2 H ã n g S O N Y
2.2 .3 H ã n g J V C
2 .2 .4 H ã n g N E C , A P E X , H IT A C H I, P IO N E E R 35
CHUƠNG 3 Mộ t s ố ú n g d ụ n g c ủ a HồNG n g o ạ i 37
3.1 ĐIỀU KHIỂN TỪ XA BẰNG HồNG NGOẠI 37
3.1.1 M ạ c h điề u kh iể n từ xa b ằn g hồ n g n goạ i vớ i 32 chức 37
năn g
3 .1 .2 B ộ phát đa năng và mạch thu dùng vi điều khiển 41
3.2 CÔNG NGHỆ KẾT HỢP DỬLIỆU H ồNG NGOẠI IrDA 44
3.2 .1 Đặc đ iể m 44
3.2.2 Bảng giới thiệu các loại sản phẩm dùng IrDA 46
3.3 MỘT SỐ Sơ ĐỒ ÚNG DỤNG KHÁC 46
3.3.1 K h o á đó ng mở d ùng ánh sáng h ồng ngo ại 4 6
3 .3 .2 M ạ c h tiến khuy ế ch đ ại tín h iệ u h ồng ng oại 47
3 .3.3 M ạ c h phá t - th u â m thanh bằn g tín hiệ u hồng ng o ại 48
PHẦN II THỤC NGHIỆM: THIÊT k ế, chê' tạo t hiết bị tả ng 5 0
KHOẢNG CÁCH GIỮA THIÊT BỊ ĐlÊU KHIEN và
THIẾT BỊ ĐƯỢC ĐIỀU KHIEN
CHƯƠNG 4 C ơ SỞ CỦA VIỆC XÂY DỤNG THỤC NGHIỆM 50
4.1 MỤC ĐÍCH VÀ Ý NGHĨA 50
4 .2 Cơ SỞ ĐỂ XÂY DỤNG THỤC NGHIỆM 52
4.2.1 N g u yên lý c h un g 52

4.2 .1 .1 B ộ th u 52
4 .2 .1 .2 Bộ p h át 53
4 .2 .2 Y ê u cầu th iế t k ế 53
4.2.2.1 Đ ố i với đầu th u , ph át 54
4 .2 .2 .2 Cáp truy ề n
54
4 .2 .2 .3 L in h kiệ n tro n g sơ đồ 54
4 .2.3 M ộ t số đặc tính k ỹ th u ậ t c ủa K Đ T T 55
4.2 .3.1 Các ưu đ iể m củ a h ồ i tiế p 58
4 .2 .3 .2 K h u y ế ch đ ại đả o p ha có p hản h ồ i âm 60
4 .2.3.3 K h u y ế ch đạ i kh ô n g đảo pha có p hản h ồi âm 60
4 .2 .3 .4 K h u y ế ch đ ại lặ p lạ i điệ n áp 61
4 .2.3.5 K h u y ế ch đại th u ật toá n với ngu ồn n u ô i duy nhất 62
4 .2 .3 .6 M ạ c h so sánh dù ng khuy ế ch đại th u ật toán 63
4 .2 .3 .7 D ả i th ồ n g và tố c đ ộ th ăn g g iá ng 64
4 .2 .4 Đ ầ u th u , ph át hồ ng ngo ại 66
4 .2.4.1 L E D hồ n g n g oạ i 66
4 .2 .4 .2 P hoto d io d e h ồng ng o ại 67
CHƯƠNG 5 T H IẾ T KẾ , C H Ế T Ạ O T H IÊ T B Ị V À CÁC K Ê T Q U Ả 69
Đ O T H Ử N G H IỆ M
5 •1 THIẾT KẾ VÀ LẮP MẠCH 69
5 .2 Sơ ĐỒ MẠCH ĐIỆN TỬ 69
5.2.1 Bộ th u 69
5 .2 .2 B ộ p há t 72
5.3 KẾT NỐI 74
5.4 KẾT QUẢ ĐO THỤC NGHIỆM 77
5.4.1 Đ iề u kiệ n đ o thực n ghiệ m 77
5 .4.2 K ế t qu ả đ o thực n g hiệ m 77
5.4 .3 K ế t qu ả đo v ớ i k ênh 1 tại bộ th u 78
5 .4.4 K ế t q uả đo vớ i kê nh 5 tạ i bộ th u 79

5.4 .5 K ế t quả đo với k ênh 8 tạ i b ộ th u 79
5 .4.6 K ế t qu ả đo v ới tín h iệ u sóng m a ng tạ i bộ th u 80
5.4.7 K ế t quả đo vớ i kên h 1 tạ i bộ phá t 81
5.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO 81
PHẦN III K Ế T LU Ậ N 84
LỜI MỞ ĐẦU
Khi nghiên cứu cấu trúc hoá học và các trạng thái chuyển động của phân
tử, người ta đã tìm ra được đặc tính bức xạ hồng ngoại của vật chất và vẫn
thường quen gọi là tia hồng ngoại hay sóng hồng ngoại.
Bức xạ hồng ngoại có rất nhiều trong tự nhiên, chúng thường xuất hiện
trong các nguồn có bức xạ nhiệt. Trong kỹ thuật sóng hồng ngoại được tạo ra
nhờ quá trình biến đổi điện - quang và được dùng rất phổ biến trong xử lý
thông tin.
Tia hồng ngoại có thể dễ dàng được tạo ra nhưng lại không bị ảnh hưởng
bởi trường điện từ, nhờ đó nó được sử dụng trong giao tiếp trao đổi thông tin
và điều khiển.
Úng dụng sóng hồng ngoại trong điều khiển từ xa đã được thực hiện từ
nhiều năm nay và đó cũng là ứng dụng thuộc lĩnh vực điều khiển bằng vô
tuyến. Chính vì vậy nó có thể cho phép và tham gia thực hiện được nhiều chức
năng điều khiển, tuỳ thuộc vào đặc tính kỹ thuật của thông tin điều khiển. Tuy
nhiên điều này chỉ được thực hiện trong phạm vi của khoảng cách ngắn và trực
tiếp. Đó là một trong những hạn chế của lĩnh vực ứng dụng này.
Giải pháp thích hợp để khắc phục nhược điểm trên cho các thiết bị dùng
điều khiển từ xa bằng hồng ngoại là sử dụng thiết bị tăng khoảng cách bằng
dây dẫn kim loại. Đây cũng chính là nội dung của việc xây dựng thực nghiệm
Thiết bị tăng khoảng cách giữa thiết bị điều khiển và thiết bị được điều
khiển của bản luận văn này.
Tôi cho rằng những nội dung trình bầy trong bản luận văn không tránh
khỏi những thiết sót, vì thế tôi mong nhận được sự lượng thứ và góp ý của
người đọc.

Tôi xin chân thành cảm om tập thể các Giáo sư, phó Giáo sư, các Tiến sĩ
và các Giảng viên Khoa Công nghệ thuộc Đại hoạc Quốc gia - Hà nội, đặc
I
biệt là Tiến sĩ Vương Đạo Vy đã trang bị cho tôi những kiến thức và phương
pháp luận, phương pháp nghiên cứu khoa học vô cùng quý báu, đã định hướng
và giúp tôi để hoàn thành bản luận văn này.
Tác giả
Bùi Xuân Sơn
2
LÝ THUYẾT BỨC XẠ HỔNG NGOẠI VÀ ỨNG DỤNG
TRONG VIỆC ĐIỂU KHIEN t h i ế t b ị
CHUƠNG 1 - PHỔ HỔNG NGOẠI
PHẨN I
1.1. C ơ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHổ HồNG NGOẠI
Ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia hồng ngoại, đều là các dạng khác
nhau của bức xạ điện từ, chúng chỉ khác nhau về độ dài bước sóng. Chẳng hạn
bức xạ có bước sóng cỡ 1 0 4 đến 1 0 2 cm được gọi là bức xạ hồng ngoại, bức
xạ của ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 396 đến 760 n m ,
Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của ánh sáng với vật
chất. Ánh sáng gồm các hạt photon có năng lượng phụ thuộc duy nhất vào tần
số co qua biểu thức:
w = fleo
lnm 400nm 739nm 1 |im 30nm lmm 100m
lkm 10.000km
xạ
Gam
ma
Röntgen sáng
nhìn
thấy

Hồng
ngoại
gần
Hồng ^ Hồng ngoại
ngoại xa
trung
bình
Vệ
tinh
Radar
Vô
tuyến
Radio
' vùng hồng ngoại I
Hình 1.1 Sự phân bố vùng bước sóng của sóng điộn từ
Phổ hồng ngoại chiếm một vùng khá rộng trong phổ tần số của sóng điện
từ (xem hình 1 .1 ) và thường được chia thành ba vùng: hồng ngoại gần, hồng
ngoại trung bình và hồng ngoại xa. Hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi trong
công nghệ thông tin hiện đại, trong tự động hoá các quá trình điều khiển.
Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang, người ta có thể truyền cùng một lúc
3
15.000 cuộc điện thoại hay 12 kênh truyền hình qua một sợi quang dẫn với
đường kính 0,13 mm. Trong truyền dữ liệu, lượng thông tin được truyền đi
bằng bức xạ hồng ngoại lớn gấp nhiều lần so với sóng điện từ.
Dựa vào bước sóng của bức xạ hồng ngoại mà người ta có thể dò tìm
được bức xạ nhiệt của vật chất, của cơ thể người, cách hàng km với độ
chính xác 0,rc, với cách này có thể nhìn thấy mọi vật vào ban đêm, có thể
thu được hình ảnh nhiệt.
Khi nghiên cứu cấu trúc hoá học và các trạng thái chuyển động của phân
tử, người ta đã tìm ra được đặc tính bức xạ hồng ngoại của vật chất. Đó chính

là dựa trên cấu trúc hoá học của phân tử và dao động, chuyển động quay của
phân tử.
1.1.1. Trạng thái năng lượng của phân tử
Theo quan điểm hoá học, phân tử là phần tử nhỏ nhất của một chất còn
mang đầy đủ tính chất hoá học của chất đó. Phân tử được cấu tạo từ các
nguyên tử thông qua liên kết hoá học. Nguyên nhân của sự liên kết giữa
nguyên tử để tạo thành phân tử là sự tương tác của các điện tử hoá trị. Các
điện tử này thì thường tương đối tự do, nó không bị gắn quá chặt vào một hạt
nhân cố định mà có thể chuyển động quanh hạt nhân này hay hạt nhân khác
với những xác suất khác nhau.
Đứng về mặt cơ học phân tử có thể xem như là một tập hợp gồm hai loại
hạt có khối lượng rất khác nhau, là các hạt nhân có khối lượng M và các điện
tử có khối lượng m « M. Trong phép gần đúng, có thể coi khối lượng của
phân tử như tập trung tại một số điểm riêng biệt là các hạt nhân.
Khi phân tử được chiếu bởi một nguồn bức xạ nào đó, thì bức xạ có thể
bị khuyếch tán hoặc bị hấp thụ bởi các phân tử. Sự khuyếch tán không làm
thay đổi tần số của bức xạ được gọi là sự khuyếch tán thường, còn sự khuyếch
tán làm thay đổi tần số của bức xạ được gọi là khuyếch tán tổ hợp.
Trong phân tử luôn luôn tồn tại ba dạng chuyển động:
4
> Chuyển động của các điện tử
> Dao động của các hạt nhân quanh các vị trí cân bằng
> Chuyển động quay của cả phân tử như một khối thống nhất
ứng với ba dạng chuyển động này, trong phân tử có ba loại trạng thái năng
lượng như sau:
> Năng lượng của điện tử: Năng lượng này phụ thuộc vào sự phân bố của
điện tử trong vật chất. Sự biến thiên của năng lượng điện tử gắn liền với
sự chuyển dời của các điện tử từ phân tử này sang phân tử khác. Năng
lượng của điện tử được ký hiệu là Ee.
> Năng lượng dao động: Năng lượng dao động được tạo ra do sự dao động

của các hạt nhân nguyên tử xung quanh vị trí cân bằng của chúng trong
phân tử. Năng lượng dao động được ký hiệu là Ed.
> Năng lượng quay: Năng lượng quay được tạo ra do sự quay của phân tử
xung quanh những trục nào đó của phân tử. Năng lượng quay được ký
hiệu là Eq.
Các dạng năng lượng trên của phân tử đều là các giá trị gián đoạn, người
ta thường coi năng lượng toàn phần E của phân tử là tổng của năng lượng điện
tử Ee , năng lượng dao động Ed và năng lượng quay Eq.
E = Ee + Ed + Eq (1.1)
Công thức trên chỉ là gần đúng bởi vì cả ba dạng chuyển động ứng với ba
dạng năng lượng trên không độc lập với nhau mà chúng có tương tác với nhau.
Chẳng hạn khi phân tử quay nhanh, lực ly tâm làm cho các phân tử dãn xa
nhau hơn và làm thay đổi những đặc trưng của chuyển động, hay khi một điện
tử chuyển động thì lực tương tác giữa điện tử và hạt nhân thay đổi cũng làm
ảnh hưởng đến đặc trưng chuyển động của phân tử.
Khi hấp thụ bức xạ, phân tử chuyển từ mức năng lượng này lên mức năng
lượng khác cao hơn, chẳng hạn từ trạng thái điện tử cơ bản lên trạng thái điện
tử kích thích. Năng lượng mà phân tử được bổ sung khi hấp thụ bức xạ không
5
được giữ lâu mãi. Thời gian phân tử giữ năng lượng hấp thụ rất ngắn, khoảng
108 đến 10 1 giây. Có nhiều cách để phân tử làm biến đổi phần năng lượng hấp
thụ đó. Sự va chạm giữa các phân tử dẫn đến việc phân bố lại năng lượng giữa
chúng. Do đó năng lượng mà phân tử hấp thụ được có thể chuyển thành năng
lượng quay, năng lượng dao động và năng lượng chuyển động tịnh tiến của
các phân tử khác theo nguyên tắc phân bố đều.
Biến thiên của năng lượng điện tử AEe lớn hơn biến thiên của năng lượng
dao động AEd khoảng 10 đến 100 lần. Biến thiên của năng lượng dao động lớn
hơn biến thiên của năng lượng quay AEq khoảng 100 đến 1000 lần. Hình 1.2
biểu diễn sự phân bố năng lượng của phân tử gồm hai nguyên tử, trong đó j0,
jj, j2, là các mức năng lượng quay, v0, Vị, v2, là các mức năng lượng dao

động, E(), Eị là các trạng thái năng lượng điện tử . Vì AEe» AEd » AEq nên
ta thấy trên hình vẽ biểu diễn các mức năng lượng quay thì phân bố rất xít
nhau, các mức năng lượng dao động phân bố xa nhau hơn, còn các trạng thái
năng lượng điện tử thì phân bố càng xa hơn.
Mỗi trạng thái điện tử cơ bản hay kích thích bao gồm một số trạng thái
năng lượng dao động khác nhau, trong mỗi trạng thái năng lượng dao động lại
gồm một số trạng thái năng lượng quay khác nhau. Do đó khi có sự chuyển
mức năng lượng của điện tử thì thường kèm theo sự biến thiên của năng lượng
dao động và năng lượng quay của phân tử.
Khi ở nhiệt độ không tuyệt đối, lớp vỏ điện tử của các phân tử không bị
kích thích, hoạt động quay của phân tử cũng không xẩy ra. Mặc dù vậy, phân
tử vẫn có một năng lượng dao động nào đó và được gọi là năng lượng dao
động ở điểm không. Khi tăng dần năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử
từ 0,03 đến 0,3 kcal/mol thì trạng thái quay của phân tử được kích thích nhưng
trạng thái dao động và trạng thái điện tử vẫn chưa được kích thích.
Khi năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử từ 0,3 đến 12 kcal/mol thì
trạng thái dao động của phân tử bắt đầu được kích thích và những photon được
6
sinh ra ứng với biến thiên của năng lượng dao động, ở trạng thái này có bước
sóng trong khoảng 2,5 đến 100 ụm nghĩa là ứng với các bức xạ hồng ngoại. Ở
nhiệt độ thường 25° c, năng lượng chuyển động nhiệt của phân tử ở vào
khoảng 0 , 6 kcal/mol thì đa số phân tử chưa có trạng thái dao động được kích
thích, mà chỉ có trạng thái quay được kích thích và chỉ những phân tử có chứa
nguyên tử nặng (có tần số dao động phân tử thấp) mới có trạng thái dao động
được kích thích.
Năng
lượng
- Jo
Ji
_vl,

-vl,
.vlo
A
V
A
V
^ 1
Trạng thái
điện tử
kích thích
Trạng thái
điện tử
cơ bản
Hình 1.2 Các trạng thái năng lượng của phân tử hai nguyên tử
Để kích thích điện tử cần phải có năng lượng lớn hơn nhiều vào khoảng
vài chục đến hàng trăm kcal/mol. Năng lượng đó ứng với các bức xạ thuộc
vùng ánh sáng nhìn thấy hoặc vùng tử ngoại.
7
Các bức xạ có năng lượng thấp như sóng cực ngắn hoặc hồng ngoại xa
chỉ đủ làm thay đổi trạng thái quay của phân tử, vì vậy khi nghiên cứu sự hấp
thụ bức xạ trong vùng hồng ngoại xa hoặc vùng vi sóng ta sẽ thu được phổ
quay thuần tuý.
Năng lượng của bức xạ theo Planck thì nó không phải là liên tục mà là
gồm bởi các lượng tử năng lượng nhỏ bé tỉ lệ với tần số co. Các dao động tử
(phân tử chẳng hạn) chỉ có thể phát ra hoặc hấp thụ năng lượng từng đơn vị
gián đoạn, từng lượng nhỏ nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng. Độ lớn của
lượng tử năng lượng không phải là cố định mà phụ thuộc vào tần số của dao
động tử và được xác định bởi hệ thức Planck:
e = h(0 (1.2 )
Trong đó h = 6,626 X 10 34 J.s gọi là hằng số Planck

Phổ quay thuần tuý gồm các vạch rất xít gần nhau và cách đều nhau, mỗi
vạch có tần số được xác định bằng:
1.1.2. Phổ hồng ngoại
Khi phân tử hấp thụ bức xạ ở vùng hồng ngoại gần, trạng thái dao động
bị kích thích (trạng thái điện tử vẫn chưa được kích thích), các lượng tử năng
lượng dao động của phân tử có tần số được xác định bằng:
Vì AEd » AEq nên cùng với biến thiên năng lượng dao động AEđ luôn
luôn có biến thiên năng lượng quay AEq. Do đó khi ta thu phổ của năng lượng
dao động thì đồng thời ta cũng thu được phổ năng lượng quay. Để đơn giản ta
gọi là phổ dao động hoặc phổ hồng ngoại. Phổ dao động trong vùng hồng
ngoại thu được là các đám vạch với tần số:
(0 = CDd + Cừq
8
Trong đó mỗi đám vạch của phổ dao động là chồng chất của các vạch mảnh
của phổ quay.
Nếu phân tử hấp thụ các bức xạ có năng lượng lớn hơn như bức xạ của
ánh sáng nhìn thấy hoặc bức xạ tử ngoại thì năng lượng điện tử của phân tử sẽ
bị thay đổi. Nếu chỉ có trạng thái điện tử thay đổi thì phổ hấp thụ tương ứng sẽ
có tần số:
Tuy nhiên như trên đã nêu khi có sự chuyển mức năng lượng của điện tử
thì thường kèm theo biến thiên năng lượng của dao động và năng lượng quay
nên phổ thu được trong vùng năng lượng của điện tử là các đám vạch với tần
số:
(0 = © e + COd + (Oq
và được gọi là phổ hấp thụ điện tử.
1.2. QUANG PHỔ QUAY VÀ QUANG PHổ DAO ĐỘNG QUAY
1.2.1. Điều kiện về tính quang hoạt
Phân tử không thể hấp thụ bức xạ một cách hỗn loạn, mà chỉ hấp thụ
những bức xạ tương ứng chính xác với biến thiên giữa các mức năng lượng
của chúng. Ngoài ra để phân tử hấp thụ năng lượng khi tương tác với hợp phần

điện của bức xạ điện từ, cần phải có thêm điều kiện là sự chuyển mức năng
lượng nhất thiết phải kèm theo sự thay đổi của các trung tâm điện tích trong
phân tử, tức là thay đổi sự phân bố điện tích trong phân tử. Theo điều kiện này
thì những phân tử có cấu trúc đối xứng về mặt phân bố điện tích như H2, N2,
không có quang phổ quay và quang phổ dao động, bởi vì kiểu dao động hoá trị
đối xứng không làm thay đổi moment lưỡng cực của phân tử nên sự quay và
sự dao động của chúng không làm xuất hiện một sự bất đối xứng về điện.
9
Đối với các phân tử nhiều nguyên tử, việc xét đoán một chuyển mức
nãng lượng chẳng hạn một dao động nào đó có thoả mãn điều kiện trên hay
không thì cần phải xem xét cụ thể tính đối xứng của phân tử. Những chuyển
mức được phép thì có xác suất chuyển lớn và được đặc trưng bởi cường độ hấp
thụ lớn, những chuyển mức bị cấm thì có xác xuất chuyển nhỏ và đặc trưng
bởi cường độ hấp thụ nhỏ.
Các yếu tố đối xứng thông thường là: Tâm đối xứng (ký hiệu là i); mặt
phẳng đối xứng hay còn gọi là mặt phẳng gương, mặt phẳng phản chiếu, mặt
phẳng phản xạ (ký hiệu là ơ); trục đối xứng hay gọi là trục quay (ký hiệu là
C).
Nếu phân tử quay được n vị trí tương đương khác nhau so với trục đã
chọn thì ta nói trục quay đó là trục quay bậc n và ký hiệu là Cn. M ỗi lần phân
tử quay quanh trục Cn một góc 2rc/n ta đều được một định hướng tương đương
và sau n lần quay ta sẽ được chính vị trí của phân tử ban đầu.
Nếu phân tử được thực hiện bởi thao tác quay xung quanh một trục rồi
sau đó lấy đối xứng qua mặt phẳng vuông góc với trục quay hoặc lấy đối xứng
trước rồi quay sau. Nếu sau hai thao tác đó ta thu được một cấu trúc tương
đương ban đầu thì ta nói phân tử đó một trục quay phản xạ.
Xác định các mặt phảng: Mặt phẳng đối xứng chứa trục đối xứng bậc cao
nhất được gọi là mặt phẳng đứng; mặt phẳng vuông góc với trục đối xứng bậc
cao nhất được gọi là mặt phẳng nằm ngang.
Tiêu chuẩn về tính quang hoạt: Nếu ảnh gương của phân tử không trùng

với chính nó thì phân tử là quang hoạt, nếu ngược lại thì phân tử không có tính
quang hoạt. Đối với những phân tử có cấu trúc phức tạp việc xét xem vật và
ảnh gương có trùng nhau hay không là khó thực hiện. Vì vậy cần phải có một
tiêu chuẩn dựa vào tính đối xứng để xem xét một phân tử có tính quang hoạt
hay không có tính quang hoạt. Tiêu chuẩn đó là: “ Nếu phân tử không có trục
quay phản xạ thì phân tử là mất đối xứng và nó có tính quang hoạt” .
10
Phổ hấp thụ hổng ngoại chính là phổ dao động quay, vì khi hấp thụ bức
xạ hồng ngoại thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của phân tử
đều bị kích thích. Để tìm hiểu về sự quay và phổ quay của phân tử ta xét một
hệ sau:
Giả sử ở phân tử hai nguyên tử, khối lượng của hai nguyên tử là m, và m 2
tập trung tại tâm của hai hạt nhân đặt cách nhau một khoảng r0 và trong quá
trình chuyển động khoảng cách giữa hai hạt luôn cố định, đó là quay tử rắn
(xem hình 1.3). Bài toán về chuyển động quay của hệ trên quy về bài toán của
một hệ hạt duy nhất với khối lượng rút gọn là m.
m = — —
mx + m2
Khi đó moment quán tính I của quay tử được xác định bằng biểu thức
I = m{r? + m2r22 = ~-W|W- — r02 = mr02 (1.3)
m ! + m 2
Theo cơ học lượng tử năng lượng chuyển động quay của phân tử hai
nguyên tử được biểu diễn bằng biểu thức:
E ' (E' )= ỉ h JU + l)
( M )
Trong đó j là số lượng tử quay và chỉ có thể nhận các giá trị bằng 0 và
nguyên dương (j = 0, 1, 2, 3, ).
Nếu đặt:
Q= ề ĩ
gọi là hằng số quay thì ta có:

E , = 2 / 0 + 1 )
Hệ thức 1.4 cho thấy năng lượng quay Ej tỉ lệ nghịch với moment quán
tính I và các mức năng lượng ứng với các giá trị của j càng lớn thì càng cách
xa nhau.
1.2.2. Sự quay của phân tử và phổ quay
11
m.
m, m
Hình 1.3 Sơ đổ mô tả moment cùa quay tử
Phổ quay của phân tử được sinh ra do sự chuyển dịch giữa các mức năng
lượng quay. Đối với quang phổ quay thuần tuý của phân tử hai nguyên tử thì
sự chuyển dịch giữa các mức năng lượng quay tuân theo nguyên tắc: Phân tử
chỉ hấp thụ những bức xạ tương ứng chính xác với biến thiên giữa các mức
năng lượng của chúng và sự chuyển mức năng lượng nhất thiết phải kèm theo
sự thay đổi của các trung tâm điện tích trong phân tử, tức là thay đổi sự phân
bố điện tích trong phân tử. Chuyển dịch này tuân theo quy tắc chọn lọc Aj =
±1.
Nếu Aj = +1 thì phân tử ứng với quá trình hấp thụ bức xạ
Nếu Aj = -1 thì phân tử ứng với quá trình phát xạ
Giả sử có sự chuyển dịch từ mức quay j n lên j m , khi đó biến thiên năng
lượng giữa hai mức là:
AEq = hQjm(jm+ l) - hQjn(jn+ l) = hQ{jm(jm+ l) - hQ(jn(jn+l)ỉ
khi đó tần số quay của vạch phổ hấp thụ tương ứng là:
A E
a' =—
Vì Aj = +1 nên j m = j n + 1 do đó ta có:
12
thay j n bằng các giá trị 0, 1,2, 3, vào công thức trên, ta sẽ thu được các giá
trị có tần số tương ứng CD = 2Q, 4Q, 6 Q , Như vậy, phổ quay của phân tử hai
nguyên tử (nếu coi là một quay tử rắn) là một dẫy vạch cách đều nhau và

khoảng cách giữa hai vạch cạnh nhau là
A to = 2Q = - \ -
%7Ĩ I
Tuy nhiên, mẫu quay tử rắn áp dụng ở đây không được chính xác bởi vì
khi phân tử thực hiện chuyển động quay, nó luôn chịu một lực ly tâm và do
vậy, khoảng cách giữa hai hạt nhân nguyên tử sẽ thay đổi.
Phổ quay của phân tử giữ một vai trò quan trọng trong việc nhận dạng
các chất và xác định khoảng cách giữa các hạt nhân nguyên tử, xác định góc
giữa
các liên kết trong phân tử.
1.2.3. Sự dao động của phân tử và phổ dao động quay
Để xác định trạng thái năng lượng dao động của phân tử gồm hai nguyên
tử, ta có thể sử dụng các kết quả của dao động tử điều hoà. Trong cơ học cổ
điển, dao động tử điều hoà đơn giản là hai khối cầu A và B gắn với nhau bởi
một lò so. A có khối lượng mị B có khối lượng m2, khoảng cách giữa tâm A và
tâm B ở vị trí cân bằng là r0 (hình 1.4).
®, = 2 Ố Ơ .+1) = (1.6)
I
r0
Ar
Hình 1.4 Mô hình dao động điẻu hoà của phân tử hai nguyên tử
13
Khi A và B dao động dọc theo trục AB, giả sử biến thiên khoảng cách
giữa chúng là Ar, khi đó sẽ xuất hiện một lực luôn luôn có su hướng kéo
chúng về vị trí cân bằng. Lực đó gọi là lực triệu hồi, nó tỉ lệ với Ar và hướng
ngược chiều với chiều chuyển dịch của A và B
f = - k A r ( 1 . 7 )
trong đó k là hệ số tỉ lệ được gọi là hằng số lực.
Trong phân tử, liên kết hoá học giữa hai nguyên tử đóng vai trò gây ra
lực triệu hồi. Việc tính toán theo cơ học cho thấy giữa tần số dao động co<j,

hằng số lực k và khối lượng rút gọn m có liên hệ theo công thức:
1 í~ĩ~ _ m^m-y
cod = (1-8) m ~ mx+m2
2n \m
Biểu thức (1.8) trên cho thấy dao động sẽ có tần số càng cao nếu k càng
lớn và khối lượng rút gọn m càng nhỏ.
Dưới tác dụng của lực triệu hồi f, hệ có thế năng V được xác định theo hệ
thức:
f = ~ = - k ầ r = -k(r-rữ) ( 1 . 9 )
dr
t ừ đ ó t a c ó : vr = -k (r-r ữ) 2 + V0 ( 1 . 1 0 )
Trong đó V r là thế năng của hệ ứng với sự chuyển dịch nào đó khỏi vị trí cân
bằng; v 0 là thế năng ứng với vị trí cân bằng (r=r0), do đó v 0 là thế năng cực
tiểu.
Theo biểu thức (1.10), đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế năng của phân tử
hai nguyên tử vào khoảng cách r giữa hai nguyên tử là một parabol.
Theo cơ học lượng tử, đối với dao động điều hoà, năng lượng toàn phần
Ed chỉ có thể nhận một dẫy giá trị gián đoạn phù hợp với hệ thức:
Ed =V = (v + ị)h cod ( 1 . 1 1 )
Trong đó V là số lượng tử dao động , V = 0, 1, 2, 3,
14
ở trạng thái dao động thấp nhất V = 0, dao động của phân tử vẫn có năng
lượng Ed = —h(0d. Năng lượng này gọi là năng lượng không, ngay cả ở nhiệt
độ không tuyệt đối.
Theo công thức (1.11) hiệu giữa hai mức năng lượng liền kề nhau luôn
bằng hcod. Vì vậy trên hình 1.5 những mức năng lượng dao động được biểu
diễn bởi những đường thẳng nằm ngang cách đều nhau.
Trong thực tế, dao động của phân tử không phải là dao động điều hoà.
Khi hai hạt nhân lại gần nhau, lực tương tác tăng lên nhanh hơn so với lúc khi
chúng rời xa nhau. Do đó đường biểu diễn thế năng theo khoảng cách r không

phải là một đường parabol mà là một đường cong không đối xứng (hình 1.6).
i i
V(r)
Hình 1.5 Phân bố các mức năng lượng của dao
động điểu hoà của phân tử hai nguyên tử
Hình 1.6 Phân bô' các mức năng lượng của dao
động không điéu hoà của phân tử hai nguyên tử
Khi s ố lượng tử V tăng lên thì hiệu giữa các mức năng lượng cạnh nhau
giảm dần và triệt tiêu khi biên độ dao động đạt đến mức làm phân ly phân tử.
Kết quả là ta thu được phổ dao động của phân tử hai nguyên tử gồm nhiều dẫy
vạch, mà mỗi dẫy hợp thành một “ âm” cơ bản và các “ hoạ âm” .
15
Tuy nhiên, thực tế thì không thể thu được quang phổ dao động thuần tuý
như vậy, vì khi năng lượng đủ lớn để kích thích các trạng thái dao động của
phân tử thì nó cũng làm thay đổi cả các trạng thái quay của phân tử. Do kết
quả của sự chồng chất bởi các mức lượng tự quay nằm trong các mức lượng tử
dao động của phân tử (xem hình 1.2) mà nhờ đó ta thu được mỗi vạch phổ dao
động là tập hợp của nhiều vạch phổ nhỏ của phổ quay. Vì vậy, nó được gọi là
phổ dao động quay và thường được gọi là phổ dao động. Người ta có thể thu
được phổ dao động quay khi kích thích phân tử bằng bức xạ hồng ngoại, do đó
nó còn được gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại hay đơn giản là phổ hồng ngoại
(Infrared spectra - IR).
Trong các phân tử có từ ba nguyên tử trở lên, ngoài các dao động dãn và
nén dọc theo các trục liên kết giữa các nguyên tử còn có loại dao động làm
thay đổi góc giữa các liên kết nguyên tử
Dao động dãn và nén theo trục liên kết gọi là dao động hoá trị.
Dao động làm thay đổi góc giữa các liên kết gọi là dao động biến dạng.
Việc giải thích nguồn gốc của từng vân hấp thụ trên phổ hồng ngoại của
các phân tử có nhiều nguyên tử là một việc làm rất khó khăn, bởi vì số các
kiểu dao động tăng lên khi số nguyên tử của phân tử tăng. Các dao động trong

phân tử lại tương tác với nhau làm biến đổi lẫn nhau, nên chúng không còn
tương ứng với tần số dao động cơ bản nữa. Ngoài ra còn có thể có nhiều dao
động có tần số trùng nhau gây ra hiệu ứng cộng hưởng,
Để việc phân tích được đơn giản, người ta đưa vào khái niệm “ dao động
nhóm” . Theo quan niệm “ dao động nhóm” , những nhóm nguyên tử giống
nhau trong phân tử có cấu tạo khác nhau sẽ có những dao động định vị thể
hiện ở những tần số giống nhau. Những tần số ứng với các dao động nhóm
được gọi là tần số đặc trưng nhóm. Nó phụ thuộc vào mối liên kết giữa các
nguyên tử trong nhóm và khối lượng của các nguyên tử tham gia liên kết, các
hiệu ứng điện tử, hiệu ứng không gian và liên kết nội phân tử.
16
1.3. CƯỜNG ĐỘ VÀ HÌNH DẠNG CỦA V Â N PHổ H ổNG NGOẠI
Khi phân tích phổ hồng ngoại, ngoài việc xem xét vị trí (tần số) của vân
phổ còn phải xét đến cường độ và hình dạng của vân phổ.
1.3.1. Cường độ của phổ hồng ngoại
Cường độ hấp thụ là biểu hiện của xác suất chuyển dời năng lượng từ
trạng thái dao động thấp lên trạng thái năng lượng dao động cao hơn. Theo lý
thuyết hạt, cường độ của bức xạ được xác định bởi số hạt photon. Chùm tia
bức xạ mạnh (cường độ lớn) thì ứng với dòng photon dày đặc. Khi bức xạ đi
qua một môi trường vật chất hấp thụ nào đó thì một số hạt photon bị giữ lại
(hấp thụ) làm cho dòng photon giảm đi hay cường độ nhỏ đi.
Việc nghiên cứu lý thuyết của hấp thụ bức xạ hồng ngoại, cho thấy
cường độ hấp thụ bức xạ hổng ngoại không liên quan trực tiếp đến moment
lưỡng cực |J của liên kết phân tử, mà nó liên quan trực tiếp đến sự biến thiên
moment lưỡng cực theo khoảng cách liên kết giữa hai nguyên tử dụ/dr.
Chính vì vậy, không phải liên kết nào có moment lưỡng cực lớn đều có
cường độ hấp thụ hồng ngoại lớn. Chẳng hạn với phân tử c o có moment
lưỡng cực là 0,1 có cường độ hấp thụ tương đối là 53, trong khi đó phân tử
ClBr có moment lưỡng cực là 0,57 nhưng lại có cường độ hấp thụ tương đối là
1.

Đối với các phân tử gồm hai nguyên tử hoàn toàn đối xứng như H2, 0 2,
N2, dao động của hai nguyên tử trong phân tử không gây ra sự biến thiên về
moment lưỡng cực, dụ/dr = 0. Vì vậy, cường độ hấp thụ cũng bằng không. Nói
cách khác các phân tử đó không hoạt động trong phổ hồng ngoại.
Khi một chùm sáng đơn sắc, song song, có cường độ I0 chiếu thẳng góc
lên bề dày L của một môi trường hấp thụ, thì sau khi đi qua lớp vật liệu hấp
OAI H ỌC OU C"
TRUNG7ÁK r
17
thụ, cường độ của chùm sáng còn lại là I. Thực nghiệm đã xác định được sự
liên hệ giữa I0 và I được biểu diễn bởi phương trình:
k n = — ( 1.12)
I
Trong đó k là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào vật liệu hấp thụ và tần số của bức xạ; n
là số mol của vật liệu nghiên cứu đặt trên đường đi của bức xạ.
Việc định lượng chính xác cường độ của vân phổ hồng ngoại là một việc
làm rất khó khăn. Cường độ của vân phổ hồng ngoại có thể được đánh giá qua
diện tích của vân phổ (cường độ tích phân). Tuy nhiên, việc đo diện tích vân
phổ là một công việc rất tỉ mỉ và mắc sai số lớn, vì vậy ngày nay người ta chỉ
đánh giá cường độ vân phổ hồng ngoại một cách định tính với ba mức độ:
mạnh, trung bình và yếu. Những vân phổ có độ truyền qua mạnh là những vân
phổ hấp thụ yếu, những vân phổ có độ truyền qua yếu là những vân phổ hấp
thụ mạnh.
0.2 0.8 1.4 2.0 2.6
Visibỉe VVavelenglh (um)
range
Hình 1.7 Vân phổ hổng ngoại
18
Phổ hồng ngoại thường được biểu diễn dưới dạng đường cong sự phụ
thuộc của phần trăm truyền qua [IOOCIq/I)] vào số sóng (v) hoặc bước sóng (X)

của bức xạ . Sự hấp thụ của các nhóm nguyên tử được thể hiện bởi những vân
phổ với các đỉnh phổ tại một số lượng sóng xác định vẫn thường gọi là tần số.
Các vân phổ hồng ngoại nói chung thường mảnh và nhọn. Tuy nhiên
cũng có những vân phổ trải ra trong một vùng tần số rộng (xem hình 1.7). Các
vân phổ hồng ngoại sinh ra do sự chuyển mức năng lượng hoặc các chuyển
động cơ bản của phân tử như đã nêu trong phần trên gây ra gọi là các vân phổ
hồng ngoại cơ bản. Các vân phổ không liên quan trực tiếp đến các chuyển
động cơ bản của phân tử mà do các chuyển động tương tác hay do hiện tượng
cộng hưởng giữa một vân cơ bản với một vân “ hoạ âm” hoặc giữa một vân cơ
bản với một vân tổ hợp gây ra gọi là vân phổ hồng ngoại không cơ bản.
1.4. CÁC ĐẶC TÍN H CHUNG CỦA BỘ CẢM BIÊN H ồNG NGOẠI
Các thiết bị quang điện tử sử dụng tương tác giữa ánh sáng và điện tử
trong các vật liệu để tạo ra hiệu ứng vật lý được dùng rất phổ biến trong kỹ
thuật xử lý thông tin.
Việc lựa chọn thiết bị thu, phát (cảm biến) hồng ngoại cho một hệ thống
phụ thuộc vào đặc tính của chúng như: miền phổ độ nhậy, các mức tín hiệu
quang học, mức tín hiệu điện mong muốn, nhiễu cực đại cho phép, đáp ứng ở
vùng tần số nào, vv
1.4.1. Đặc tính dòng và áp
Khi ánh sáng chiếu vào một vật hấp thụ có cường độ I0 thì sau khi qua
lớp vật liệu hấp thụ cường độ ánh sáng còn lại là I và khi đó I < I0, đó là vì
cường độ ánh sáng khi qua lớp vật liệu hấp thụ nó phụ thuộc rất lớn vào đặc
tính của vật liệu hấp thụ, vào các nguồn nhiễu và các hiệu ứng vật lý, hoá học
1.3.2. Hình dạng của vân phổ hồng ngoại
19
xuất hiện trong vật liệu, ngoài ra một phần của ánh sáng chiếu vào vật hấp thụ
bị mất đi do phản xạ với bề mặt tiếp xúc.
Để nghiên cứu các tính chất của bộ cảm biến hồng ngoại thì cần phải xây
dựng đặc tính tĩnh quan hệ giữa dòng điện và điện áp i = f(v). Đặc tính tĩnh
này cần được giới hạn trong miền công suất, bằng việc lựa chọn điểm làm việc

tĩnh để không làm ảnh hưởng đến bộ cảm biến và cho phép chọn điểm làm
việc trên đoạn tuyến tính của đặc tính. Điểm làm việc là giao điểm giữa đường
tải do điện trở R và điện áp phân cực v 0 quyết định, đồng thời còn phụ thuộc
vào họ đặc tuyến dòng - áp.
Từ hình vẽ 1.8 ta thấy rằng trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến dòng -
áp, biến thiên của các thông số theo phương trình đạo hàm riêng như sau:
di = — dF + — dv
ÕF dv
, _ ỡ v õv
dv - - —dF + — di
ÕF õỉ
( 1 . 1 3 )
Nếu ta đặt:
s = —
v ÔF
Gọi là độ nhậy điện áp theo quang thông
s , = -
' ÔF
Gọi là độ nhậy dòng điện theo quang thông
õv
Gọi là trở kháng của cảm biến
z =■
ôi
A = -
õv
Gọi là độ dẫn nạp của cảm biến thì phương trình 1.13 có thể viết như sau:
di = SidF + Adv
dv = SdF + Zdi
20
Từ phương trình 1.14 ta có thể xác định được các thông số: độ nhậy theo

quang thông (Sj, Sv), trở kháng (Z), độ dẫn nạp (A) của cảm biến. Công suất
trên tải sẽ cực đại khi z = Rtải.
Quang
thông
VO
dv
Hình 1.8 Đặc tính tĩnh dòng điện - điện áp của Sensor
1.4.2. Nhiễu
Khi có nguồn tín hiệu ánh sáng ở dạng xung vuông kích thích vào bộ
cảm biến, bằng dụng cụ đo quang có độ nhậy cao, ta có thể thu được đáp ứng
dòng i hoặc điện áp V.
Dưới tác dụng của nhiễu các đáp ứng này bị tác động tạo nên độ biến
thiên của dòng và áp xung quanh giá trị trung bình của tín hiệu. Các biến thiên
này có thể được phân thành hai loại như sau:
Nhiễu phụ thuộc vào các thông số bên ngoài như: Nhiệt độ, quang thông
hoặc do sự lão hoá của hệ thống.
Nhiễu xuất hiện do bản chất hạt của vật chất và bức xạ của nguyên tử,
các hiệu ứng xẩy ra trong vật liệu.
Nhiễu phụ thuộc thông số bên ngoài thì có thể loại trừ được, nhưng với
trường hợp thứ hai thì không thể khắc phục được. Đây cũng chính là giới hạn
phạm vi làm việc và độ chính xác của phép đo.
21