Tiểu luận Thiết bị hệ thống điều khiển tự động MỤC LỤC CẢM BIẾN QUANG Tính chất đơn vị đo ánh sáng: 1.1 Tính chất ánh sáng: Hình 2.1 Phổ ánh sáng .4 1.2 Các đơn vị đo quang: a) Đơn vị đo lượng: L = .5 E = .5 b) Đơn vị đo thị giác: Hình 2.2: Đường cong độ nhạy tương đối mắt Cảm biến quang: .7 2.1 Khái niệm: Cảm biến quang loại cảm biến đo vị trí dịch chuyển theo phương pháp quang hình học gồm nguồn phát sáng ánh sáng kết hợp với đầu thu quang (thường tế bào quang điện) 2.2 Tính chất: .7 a) Hiệu ứng quang dẫn: .7 Suy ra: n0= +( b) Tế bào quang dẫn: 10 * Vật liệu chế tạo: .10 I = VGco + VGcp = I0 + IP 11 Hình 2.8: độ nhạy tế bào quang dẫn 12 c) Photođiot: .13 * Cấu tạo nguyên lý hoạt động: 13 * Chế độ hoạt động 15 Khi điện áp ngược Vd đủ lớn, thành phần 15 I = Io + Ip 16 E = VR -VD 16 Trong r Vr = Rm Ir cho phép vẽ đường thẳng tải 16 Hình 2.13 Sự phụ thuộc hở mạch vào thông lượng 17 Hình 2.14 Sự phụ thuộc dịng ngắnmạch vào thơng lượng ánh sáng 18 * Độ nhạy 18 Hình 2.16 Sự phụ thuộc độ nhạy vào nhiệt độ .18 * Sơ đồ ứng dụng photodiot: 19 Hình 2.17: Sơ đồ mạch đo dịng ngược chế quang dẫn 19 V0 = (R1 + R2) I r 19 V0 = Rm.I sc 20 Hình 2.18 Sơ đồ mạch đo điện áp quang áp 20 2.3 Cảm biến quang điện phát xạ: 20 a) Hiệu ứng quang điện phát xạ: 20 b) Tế bào quang điện chân không: 21 Hình 2.24 Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không 22 c) Tế bào quang điện dạng khí: 22 d) Thiết bị nhân quang: 23 Hình 2,27 thiết bị quang 23 Hình ảnh thơng số kỹ thuật vài cảm biến quang : 24 Cảm biến quang phát xạ 24 Cảm biến quang điện 24 Hình ảnh số loại cảm biến lùi xe Toyota - Nhật 25 Sơ đồ cấu tạo hệ thống ETCS-i 25 Các loại cảm biến quang điện: 26 Cảm biến quang điện hình trụ có sẵn khuếch đại giá thành thấp 27 Phạm vi ứng dụng: 29 CẢM BIẾN QUANG Tính chất đơn vị đo ánh sáng: 1.1 Tính chất ánh sáng: Như biết, ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt Ánh sáng dạng sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bước song từ 0,4 - 0,75 m Trên hình 2.1 biểu diễn phổ ánh sáng phân chia thành dải màu phổ Hình 2.1 Phổ ánh sáng Vận tốc truyền ánh sáng chân không c = 299.792 km/s, môi trường vật chất vận tốc truyền sóng giảm, xác định theo cơng thức: v = n - chiết suất môi trường Mối quan hệ tần số v bước sóng ánh sáng xác định biểu thức: - Khi môi trường chân không : - Khi môi trường vật chất : Trong v tần số ánh sáng Tính chất hạt ánh sáng thể qua tương tác ánh sáng với vật chất Ánh sáng gồm hạt nhỏ gọi photon, hạt mang lượng định, lượng phụ thuộc tần số v ánh sáng: w = hv Trong h số Planck (h = 6,6256.10u34J.s) Bước sóng xạ ánh sáng dài tính chất sóng thể rõ, ngược lại bước sóng ngắn tính chất hạt thể rõ 1.2 Các đơn vị đo quang: a) Đơn vị đo lượng: - Năng lượng xạ (Q): lượng lan truyền hấp thụ dạng xạ đo Jun (J) - Thông lượng ánh sáng ( ): công suất phát xạ, lan truyền hấp thụ đo oat (W): = - Cường độ ánh sáng (I): luồng lượng phát theo hướng cho trước ứng với đơn vị góc khối, tính oat/steriadian = - Độ chói lượng (L): tỉ số cường độ ánh sáng phát phần tử bề mặt có diện tích dA theo hướng xác định diện tích hình chiếu dAn phần tử mặt phẳng P vng góc với hướng L = Trong dAn = dA.cos , với góc P mặt phẳng chứa dA Độ chói lượng đo oat/Steriadian.m2 - Độ rọi lượng (E): tỉ số luồng lượng thu phần tử bề mặt diện tích phần tử E = Độ rọi lượng đo oat/m2 b) Đơn vị đo thị giác: Độ nhạy mắt người ánh sáng có bước sóng khác khác Hình 2.2 biểu diễn độ nhạy tương đối mắt V( ) vào bước sóng Các đại lượng thị giác nhận từ đại lượng lượng tương ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V( ) Hình 2.2: Đường cong độ nhạy tương đối mắt Theo quy ước, luồng ánh sánh có lượng 1W ứng với bước sóng max tương ứng với luồng ánh sáng 680 lumen, K=680 Do luồng ánh sáng đơn sắc tính theo đơn vị đo thị giác: ( ) = 680V( ) ( ) V lume Đối với ánh sáng phổ liên tục: lumen Tương tự ta chuyển đổi tương ứng đơn vị đo lượng đơn vị đo thị giác Cảm biến quang: 2.1 Khái niệm: Cảm biến quang loại cảm biến đo vị trí dịch chuyển theo phương pháp quang hình học gồm nguồn phát sáng ánh sáng kết hợp với đầu thu quang (thường tế bào quang điện) 2.2 Tính chất: a) Hiệu ứng quang dẫn: Hiệu ứng quang dẫn (hay gọi hiệu ứng quang điện nội) tượng giải phóng hạt tải điện (hạt dẫn) vật liệu tác dụng ánh sáng làm tăng độ dẫn điện vật liệu Đại lượng đo Đơn vị thị giác Đơn vị lượng Luồng (thông lượng) lumen(lm) oat(W) Cường độ Độ chói cadela(cd) oat/sr(W/sr) Năng lượng Độ rọi cadela/m2 (cd/m2) oat/sr.m2 (W/sr.m2) lumen.s jun (j) lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2) Hình 2.3 ảnh hưởng chất vật liệu đến hạt dẫn giải phóng Trong chất bán dẫn, điện tử liên kết với hạt nhân, để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho lượng tối thiểu lượng lien kết Wlk Khi điện tử giải phóng khỏi nguyên tử, tạo thành hạt dẫn vật liệu Hạt dẫn giải phóng chiếu sáng phụ thuộc vào chất vật liệu bị chiếu sáng Đối với chất bán dẫn tinh khiết hạt dẫn cặp điện tử u lỗ trống Đối với trường hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn giải phóng điện tử pha tạp dono lỗ trống pha tạp acxepto Giả sử có bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại N có nồng độ donor Nd, có mức lượng nằm vùng dẫn khoảng Wd đủ lớn để nhiệt độ phòng tối nồng độ n0 donor bị ion hoá nhiệt nhỏ Khi tối, nồng độ điện tử giải phóng đơn vị thời gian tỉ lệ với nồng độ tạp chất chua bị ion hoá a(Nd -no), với hệ số a xác định theo công thức: Trong q trị tuyệt đối điện tích điện tử, T nhiệt độ tuyệt đối khối vật liệu, k số Số điện tử tái hợp với nguyên tử bị ion hoá đơn vị thời gian tỉ lệ với nguyên tử bị ion hoá n0 nồng độ điện tử n0 r n02, r hệ số tái hợp Phương trình động học biểu diễn thay đổi nồng độ điện tử tự khối vật liệu có dạng: trạng thái cân ta có : Suy ra: n0= +( Độ dẫn tối biểu diễn hệ thức: Trong độ linh động điện tử Khi nhiệt độ tăng, độ linh động điện tử giảm, tăng mật độ điện tử tự do kích thích nhiệt lớn nhiều nên ảnh huởng nhân tố định độ dẫn Khi chiếu sáng, photon ion hố ngun tử donor, giải phóng điện tử Tuy nhiên tất photon đập tới bề mặt vật liệu giải phóng điện tử, số bị phản xạ bề mặt, số bị hấp thụ chuyển lượng cho điện tử dạng nhiệt năng, phần lại tham gia vào giải phóng điện tử Do vậy, số điện tử (g) giải phóng bị chiếu sang giây ứng với đơn vị thể tích vật liệu, xác định cơng thức: Trong đó: G - số điện tử giải phóng thể tích V thời gian giây V=A.L, với A, L diện tích mặt cạnh chiều rộng bán dẫn hiệu suất lượng tử (số điện tử lỗ trống trung bình giải phóng photon bị hấp thụ) R - hệ số phản xạ bề mặt vật liệu - bước sóng ánh sáng F - thơng lượng ánh sáng h - số Planck Phương trình động học tái hợp trường hợp có dạng: Thơng thường xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử giải phóng lớn hơnrất nhiều so với điện tử giải phóng nhiệt: g>> a(N n-n) n>>n0 Trong điều kiện trên, rút phương trình động học cho mật độ điện tử điều kiện cân tác dụng chiếu sáng: Độ dẫn tương ứng với nồng độ điện tử điều kiện cân bằng: Từ công thức (2.9), (2.10) (2.11) ta nhận thấy độ dẫn hàm khơng tuyến tính thơng lượng ánh sáng, tỉ lệ với 1/2 Thực nghiệm cho thấy số mũ hàm nằm khoảng 0,5 - b) Tế bào quang dẫn: * Vật liệu chế tạo: Tế bào quang dẫn chế tạo bán dẫn đa tinh thể đồng đơn tinh thể, bán dẫn riêng bán dẫn pha tạp - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe Vùng phổ làm việc vật liệu biểu diễn hình * Các đặc trưng: - Điện trở : Giá trị điện trở tối RC0 quang điện trở phụ thuộc lớn vào hình dạng hình học, kích thước, nhiệt độ chất hoá lý vật liệu chế tạo Các chất PbS, CdS, 10 Khi điện áp ngược Vd đủ lớn, thành phần Ta có: I = Io + Ip Thơng thường I0