slide bài giảng môn kỹ thuật cám biến chương 2

Chương 2
CẢM BIẾN QUANG


2.1 Cảm biến quang dẫn
2.1.1. Hiệu ứng quang dẫn
• Hiệu ứng quang dẫn là hiện tượng giải
phóng những hạt mang điện trong vật
liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng
độ dẫn điện của vật liệu.
• Trong chất bán dẫn, các điện tử liên kết
với hạt nhân, để giải phóng điện tử khỏi
nguyên tử cần cung cấp cho nó một năng
lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết
Wlk. Khi điện tử được giải phóng khỏi
nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới
trong vật liệu.


2.1.2. Cảm biến quang dẫn
- Là cảm biến được chế tạo bằng vật liệu
bán dẫn và hoạt động dựa trên hiệu ứng
quang dẫn.
- Tế bào quang dẫn là cảm biến quang
dẫn có độ nhạy cao.
Chiếu sáng
V

A
L

- Điện trở :
Điện trở(Ω)
108

106

104

102
0,1

1

10

100

1000

Độ rọi sáng (lx)

Hình 2.6. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng


2.1.3. Đặc điểm
Đặc điểm chung của các tế bào quang dẫn:
• Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao.
• Độ nhạy cao.
• Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào

thông lượng.
• 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.


2.1.4. Ứng dụng
a) 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
+

+

a)

b)

Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle
a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito
khuếch đại


b) Thu tín hiệu quang: dùng tế bào
quang dẫn để thu và biến tín hiệu
quang thành xung điện. Các xung ánh
sáng ngắt quảng được thể hiện qua

xung điện, trên cơ sở đó có thể lập các
mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của
đĩa.


Cảm biến quan trong dân dụng


Cảm biến quang trong robot dò đường


Cảm biến quang trong công nghiệp


2.2 Photođiot (điot quang)
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
a) Diot thường
- Khi điện áp thuật đặt lên AK  diot dẫn
- Khi điện áp ngược đặc lên AK diot không
dẫn


b) diot quang: giống diot thường (dùng
loại điôt PIN) nhưng có vỏ trong suốt.
- Làm việc ở chế độ đặt ngược điện áp lên
AK.
+ Không có ánh sáng: diot không dẫn
(giống diot thường)
+ Có ánh sáng: các hạt dẫn điện được tạo
ra bởi năng lượng ánh sáng và diot dẫn

điện


2.2.2 Sơ đồ ứng dụng photodiot
a) Sơ đồ làm việc ở chế độ quang dẫn
Là chế độ làm việc khi có điện áp ngược
ngoài đặt vào.
Đặc trưng của chế độ quang dẫn:
+ Độ tuyến tính cao.
+ Thời gian hồi đáp ngắn.
+ Dải thông lớn.


• Sơ đồ
ES

CP1

R2
R1

−

+
−

+
Rm

Rm

Ir

R2

V0

−
+

ES

R1+R2

C2

R1

a)

b)

Sơ đồ mạch đo dòng ngược trong chế độ quang dẫn
a) Sơ đồ cơ sở
nhanh

b) Sơ đồ tác động

V0

b) Sơ đồ mạch ở chế độ quang thế:
Là chế độ khi không có điện áp ngoài đặt
vào, khi có ánh sáng chiếu vào sẽ tạo
thành 1 hiệu điện thế giữa 2 đầu diot.
Đặc trưng của chế độ quang thế:
+ Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc
logarit tuỳ thuộc vào tải.
+ Ít nhiễu.
+ Thời gian hồi đáp lớn.
+ Dải thông nhỏ.
+ Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit.


Sơ đồ:
R2

Rm
_
IOC

+
_

+

Vco
V0

R1

R1=Rm

b)

a)

Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang thế
a) Sơ đồ tuyến tính
b) Sơ đồ logarit

V0


2.2.3 Ứng dụng thực tế


2.3 Phototranzito (tranzitor quang)
2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Phototranzito là các tranzito mà vùng
bazơ có thể được chiếu sáng, không có
điện áp đặt lên bazơ, chỉ có điện áp trên C,
đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ngược.
Điện
thế

|
+

a)

b)

C
B
E

c)

Hình 2.19 Phototranzito
a) Sơ đồ mạch điện b) Sơ đồ tương đương
c) Tách cặp điện tử lỗ trống khi chiếu sáng


2.3.2 Sơ đồ dùng phototranzito
Phototranzito có thể dùng làm bộ chuyển
mạch,
hoặc làm phần tử tuyến tính.
+
+

a)

b)

+

c)

+

+

d)

Hình 2.21 Photodiotzito trong chế độ chuyển mạch
a) Rơle b) Rơle sau khuếch đại c) Cổng logic d)
Thyristo


Tranzitor quang điều khiển rơle


Optocoupler (cách ly quang):

Mạch cách lý quang


2.4 Cảm biến quang điện phát xạ
2.4.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ
Hiệu ứng quang điện phát xạ hay còn được gọi
là hiện tượng các điện tử được giải phóng khỏi bề
mặt
vật liệu tạo thành dòng khi chiếu vào chúng một bức
xạ
ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất
định
và có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.
Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng vật liệu
xẩy ra
theo ba giai đoạn:

• Hấp thụ photon và giải phóng điện tử bên trong
vật liệu.
• Điện tử vừa được giải phóng di chuyển đến bề
mặt.
• Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu.


2.4.2. Tế bào quang điện chân không
Tế bào quang điện chân không gồm một
ống hình trụ có một cửa sổ trong suốt,
được hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8
mmHg). Trong ống đặt một catot có khả
năng phát xạ khi được chiếu sáng và một
anot.
Φ

K
A

A
K

A

K

Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không


• Sơ đồ

Ia (µA)
A

Ia

4,75 mW

4

E

3

2,37 mW

2

K
R

U

0,95 mW
1
0

a)

20

40
b)

60

80

100

120

Vak (V)

Sơ đồ tương đương và đặc tính V-I của tế bào quang điện chân không

+ Vùng điện tích không gian đặc trưng bởi
sự tăng mạnh của dòng khi điện áp tăng.
+ Vùng bảo hoà đặc trưng bởi sự phụ thuộc
không đáng kể của dòng vào điện áp.


2.5 Mã vạch (Bar code)
Mã vạch là hệ mã quy ước dùng trong các
hệ thống sản xuất để nhận dạng, phân
loại, kiểm tra …các chi tiết, hàng hóa.
Có nhiều loại mã vạch nhưng phổ biến
nhất là UPC (mã sản phẩm thông dụng –
Universal Product Code), mã OCR (nhận
dạng ký tự bằng quang – Optical
Character Recognition).

Mã vạch là những vạch đậm hoặc mảnh
dùng để mã hóa số hay chử cái, mã vạch
có thể in trực tiếp lên sản phẩm hoặc in
riêng rồi dán lên sản phẩm