Báo cáo thực hành Cảm biến quang

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CƠ – ĐIỆN

BÁO CÁO THỰC HÀNH: CẢM BIẾN QUANG

Giảng viên hướng dẫn: Đặng Thị Thúy Huyền
Nhóm: 3
1.
2.
3.
4.


I. Khái quát.
1. Tính chất ánh sáng.
Các 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 nguyên tử của nguồn sáng.
Vận tốc ánh sáng được xác định v = c/n.
Trong đó:

c vận tốc trong chân không c = 299792km/s.
n chiết suất của môi trường truyền sóng.

Sự liên hệ giữa tần số f và bước sóng λ:


Trong chân không

Trên hình 1.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải màu của phổ.

Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng
lượng Wφ phụ thuộc vào tần số.
Wφ = hf
Trong đó: h là hằng số Planck h = 6,6256.10

-34

Js


Hình 1.1


Trong vật chất, các hạt điện tử luôn có xu hướng muốn giải phóng giải phòng khỏi nguyên tử thành điện tử tự do. Để giải phóng được
các hạt điện tử khỏi nguyên tử thì cần 1 năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết W L. Khi 1 photon cần hấp thụ 1 hạt điện tử được
giải phóng nếu: Wφ ≥ WL. Khi đó:

Hay
➔


Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng là bước sóng có thể gây nên hiện tượng giải
phóng điện tử được tính từ biểu thức:

Hiện tượng giải phóng hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu. Đây là
nguyên lý cơ bản của cảm biến quang.
Dưới tác dụng của ánh sáng , hiệu ứng quang điện tỉ lệ thuận với số lượng hạt dẫn được giải phóng trong 1 đơn vị thời gian. Tuy nhiên, ngay
cả khi λ>λS thì không thể giải phóng tất cả các photon bởi vì 1 số sẽ phản xạ từ bề mặt và số khác sẽ chuyển năng lượng của chúng thành năng
lượng của dao động nhiệt.

Đối với vật liệu có hệ số phản xạ R lớn và bị chiếu bởi ánh sáng đơn sắc có công suất φ:

- Số photon chiếu đến trong 1 giây:

- Số photon hấp thụ trong 1 giây:

- Số hạt điện tử và lổ trống được giải phóng trong 1 giây:

Trong đó η là hiệu suất lượng tử (số điện tử hoặc lổ trống trung bình được giải phóng khi 1 photon được hấp thụ)


2. Đơn vị đo quang.
2.1. Các đơn vị đo năng lượng
Năng lượng bức xạ (Q) là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, được đo bằng Jun (J).
Thông lượng ánh sáng (φ) là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng đơn vị oat (W).

Cường độ ánh sáng (I) là luồng năng lượng phát ra theo 1 hướng cho trước dưới 1 đơn vị góc khối, có đơn vị đo là oat/steradian.


Độ chói năng lượng: là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi 1 phần tử bề mặt dA theo 1 hướng xác định và diện tích
hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó

(θ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA). Độ chói đo bằng oat/steradian.m2.

Độ rọi năng lượng (E) là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi 1 phần tử bề mặt và diện tích phần tử đó. Độ rọi năng lượng được
2
đo bằng oat/m .

2.2. Đơn vị đo thị giác
Độ nhạy của mắt người đối với ánh sáng có bước sóng khác nhau là khác nhau.
Hình 2 biểu diễn độ nhạy tương đối của mắt V(λ) vào bước sóng.

Các đại lượng thị giác nhận được từ đại lượng năng

lượng tương ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(λ).

Hình 2: Đường cong độ nhạy tương đối của mắt

Theo quy ước, một luồng ánh sánh có năng lượng 1W ứng với bước sóng ?max tương ứng với luồng ánh sáng bằng 680 lumen, do đó K=680.
Do vậy luồng ánh sáng đơn sắc tính theo đơn vị đo thị giác:


Tên định nghĩa

Đ/v năng lượng

Đ/v thị giác

Luồng ( thông lượng )

Oat ( W )

Lumen ( lm )

Cường độ

Độ rọi

Oat/sr ( W/Sr )
2
2
Oat/sr.m ( W/sr.m )
2
W/m

Candela ( cd )
2
2
Candela/m ( cd/m )
2
Lumen/m hay lux ( lx )

Năng lượng

Jun ( J )

Lumen.s ( lm.s )

Độ chói

Bảng 1.1

3. Nguồn sáng.
Việc sử dụng 1 cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số). Nguồn sáng sẽ quyết định
mọi đặc tính của bức xạ. Vì vậy việc tìm hiểu nguồn sáng rất quan trọng trong việc chọn lựa và sử dụng cảm biến.


3.1 Đèn sợi đốt wonfram

Đèn có cấu tạo gồm 1 sợi dây wonfram đặt trong 1 ampoule bằng thủy tinh hoặc thạch anh có chứa chất khí hiếm hoặc hologen làm giảm
bay hơi sợi đốt. Nhiệt độ của wonfram bằng nhiệt độ của 1 vật đen tuyệt đối, có đường cong phổ phát xạ nằm trong vùng nhìn thấy. Đèn
wonfram có 1 số đặc điểm như sau:
- Thông lượng lớn , dãy phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc.
- Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ 1 cách nhanh chóng, tuổi thọ thấp, dễ vỡ.

3.2 Diode phát quang
Năng lượng giải phóng do tái hợp tái hợp điện tử lỗ trống ở gần chuyển tiếp P-N của điot sẽ làm phát sinh các photon. Các đặc điểm chính của
đèn điot phát quang:
- Thời gian hồi đáp nhỏ, khoảng vài ns do vậy có khả năng thay đổi theo tần số cao .Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao, bền theo
thời gian.
- Thông lượng tương đối nhỏ (~ 10mW) và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm của đèn.


3.3. Lazer
Tia Lazer là nguồn sáng đơn sắc , độ chói lớn , rất định hướng và đặc biệt có tính liên kết mạnh( cùng phân cực và cùng pha).

Lazer lá ánh sáng có bước song đơn sắc hòan toàn xác định , thông lượng lớn , có khả năng nhận được chùm tia mảnh với độ định hướng cao và
truyền đi với khoảng cách rất lớn( đo trên koangr cách từ vệ tinh).

II. Khái niệm, phân loại
2.1 Khái niệm
Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor) nói một cách nôm na, thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành. Khi có ánh sáng
thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng
phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào. Từ đó cảm biến sẽ đưa ra đầu ra để tác động theo yêu cầu công nghệ.


2.2 Phân loại
2.2.1. Phân loại theo trạng thái
Cảm biến quang được chia làm 3 loại:

-Cảm biến quang thu phát (Through-beam sensor):
+Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng. Bộ phát truyền ánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng. Nếu có vật thể chắn
nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biến.


+Ưu điểm:
●Khoảng cách phát hiện xa (ví dụ E3Z-T82 được tới 30m), phát hiện tốt trong môi trường nhiều bụi.
●Khả năng xác định vị trí chính xác của vật thể.
●Độ tin cậy cao, phát hiện được mọi loại vật thể (trừ loại trong suốt)
+Nhược điểm:
●Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt.
●Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt
●Giá thành sản phẩm cao
+Ví dụ ứng dụng:
1. Kiểm soát cổng ra vào: Thông thường cổng ra vào có kính mờ / tối che ngoài. Bởi vậy cần loại thu phát có cường độ sáng cao để xuyên qua lớp
kính. Omron đi đầu trên thế giới về loại cảm biến quang sử dụng trong các ứng dụng này

2. Môi trường khắc nghiệt: ví dụ trạm rửa xe, hoặc môi trường nhiều bụi, cần có cảm biến cường độ sáng cao.
3. Các ứng dụng rộng rãi khác trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt trong trường hợp cần xác định vị trí của vật thể.


-Cảm biến quang phản xạ gương (Retro – reflection sensor)
+Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến. Nếu vật thể xen
vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra.


+Ưu điểm
●Giá thành thấp hơn loại thu phát
●Lắp đặt dễ hơn loại thu phát
●Chỉnh định dễ dàng

●Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được, có thể dùng kính lọc phân cực.
+Nhược điểm:
●Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m).
●Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương
●Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở một số khoảng cách ngắn nhất định.

+Ví dụ ứng dụng:
●Phát hiện vật trên băng chuyền
●Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy
●Phát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp)
●Kiểm soát cửa / cổng ra vào trong các tòa nhà


-Cảm biến quang khuếch tán (Diffuse reflection sensor)
+Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán)
ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra.
+Ưu điểm:
-Lắp đặt đơn giản, dễ dàng
-Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất.
+Nhược điểm:
-Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản xạ). Ví dụ loại E3Z-D: có khoảng cách phát hiện
tối đa 1m.
-Tỉ lệ lỗi đen / trắng cao; khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính chất bề mặt của vật thể.
-Bởi vậy việc phát hiện vật có thể khó khăn nếu có nền màu đen sau vật.
-Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương.
Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán


2.2.2. Phân loại theo tính chất
- Cảm Biến Quang Dẫn

- Cảm Biến Quang Điện Phát Xạ
III. Cảm biến quang dẫn.
1. Tế bào quang dẫn.
Thực chất TBQD là một điện trở, các cảm biến điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ của bức xạ đó. Quang trở là 1
trong những cảm biến có độ nhạy cao. Nguyên tắc chế tạo quang trở là dựa trên hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội: hiện
tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẩn điện của vật liệu.

a. Cấu tạo:
TBQD là 1 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

- Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe , PbS, PbSe,
- Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe.


Tùy theo chất cấu tạo mà quang trở có vùng phổ làm việc khác nhau

Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn

b. Đặc trưng chủ yếu.
●Điện trở:
Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất hóa lý của vật liệu quang dẫn.
- Các chất PbS, CdS, CdSe có giá trị điện trở tối khá lớn: từ 104 đến 109 ở nhiệt độ 250C.


- Các chất SbIn, SbAs, CdHgTe có giá trị điện trở tối khá nhỏ : từ 10  đến 103  ở nhiệt độ 25 0C
Một quang trở có giá trị điện trở tương đương với 2 điện trở ghép song song gồm điện trở tối Rco và điện trở Rcp được xác định bởi hiệu ứng
quang điện do ánh sáng tác động và có dạng:

Trong đó: a phụ thuộc vào vật liệu,nhiệt độvà phổ bức xạ ánh sáng
γ có giá trị từ 0.5 đến 1

==> giá trị điên trở quang:

Thông thường Rcp<< Rco nên


Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến tính. Tuy nhiên có thể tuyến tính hóa nó bằng cách sử dụng 1 điện trở mắc
song song với tế bào quang dẫn.

Điện trở khi bị chiểu sáng phụ thuộc vào nhiệt độ: độ nhạy nhiệt của tế
báo quang dẫn càng nhỏ khi độ rọi sáng sáng càng lớn. Giá trị điện trở sẽ
bị giảm ở những điều kiện làm việc giới hạn khi độ rọi sáng và điện áp
đặt vào quá lớn.

●Độ nhạy:
Theo sơ đồ tương đương của quang trở, độ dẫn điện của quang trở là
tỏng độ dẩn sáng và độ dẫn tối.

Trong đó: Gco là độ dẫn tối :


Gcp là độ quang dẫn :

Khi đặt điện áp V đặt vào tế bào quang dẫn, sẽ có dòng điện I chạy qua nó:

Trong đó: Io dòng tối, Ip dòng quang điện
Trong điều kiện sử dụng thông thường Io<< Ip nên dòng quang điện có thể được xác định theo biểu thức

Trong đó:- V là điện áp
- A là hệ số phụ thuộc vào vật liệu, nhiệt độ và phổ bức xạ.
-γ = 0.5÷1

Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỷ lệ chuyển đổi tĩnh:


Độ nhạy

Từ 2 biểu thức trên này có thể thấy:
+ Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy giảm khi bức xạ tăng (trừ khi γ =1).

+ Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào quang dẫn. Khi điện áp đặt vào lớn, hiệu ứng Joule làm tăng
nhiệt độ, dẫn đến độ nhạy giảm (hình 3.1.1).

Hình 3.1.1: ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào
quang dẫn


Hình 3.1.2: Độ nhạy của tế bào quang dẫn
c. Đặc điểm
+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao.
+ Độ nhạy cao.
+ Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng 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.