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

hạt.Dạng

sóng

ánh

sáng

là

sóng

điện

từ

phát

ra

khi

có

sự


Tần

số



và

bước

sóng



của

ánh

sáng

liên

hệ

với

nhau

quaTính

chất

hạt

thể

hiện

qua

sự

tương

tác
của nó
với

vật

chất. Ánh

sáng
bao
gồm

h

(h

=

6,6256.10
-24
Js:

hằng

số

Planck)
Các

đại

lượng

quang

học:-

Thông


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
,



kết

W
l
.

Vậy

một

điện

tử

sẽ

được

giải

phóng

nếu

nó

hấp

thụ

hc
W



Hiện tượng hạt
dẫn

điện

được

giải

phóng

dưới

tác

dụng

của

ánh

sáng

làm


nguyên

lý

cơ

bản

của

cảm

biến quang.II.

CÁC

LOẠI

NGUỒN

SÁNGMột

cảm


tần

số).

Nguồn

sáng

quyết

định

mọi

đặc

tính

của

bức

xạ.1.

Đèn
sợi đốt v
onfram


tuyệt

đối.-

Phổ

phát

xạ

nằm

trong

vùng

nhìn

thấy.-

Quang

thông

bức

xạ

nhanh

chóng.-

Tuổi

thọ

thấp,

dễ

vỡ.2.

Diode

phát

quang


dẫn

làm

phát sinh

các

photon.Đặc

điểm:-

Thời

gian

hồi

đáp

nhỏ

cỡ



xác

định,

độ

tin

cậy

cao.-

Tuổi

thọ

cao,

kích

thước

nhỏ,

tiêu


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


rất

mảnh
với
độ

định

hướng

cao,

truyền

đi

khoảng

cách

rất

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



dẫn

là

một

loại

cảm

biến

quang

có

độ

nhạy

cao.Đặc

trưng

của

tế


xạ.Cơ

sở

vật

lý

của

tế

bào

quang

dẫn

là

hiện

tượng

giải


dẫn

điện

của

vật

liệu.Vật

liệu

chế

tạo:

thường

được

chế

tạo

từ

các


tạp.-

Đa

tinh

thể:

CdS,

CdSe,

CdTe,

PbS,

PbSe,

PbTe-

Đơn

tinh


Các

tính

chất

cơ

bản

của

cảm

biến

quang

dẫn:a.

Điện

trở

tối


Ω ở 25
o
C
.

SbIn,

AbSn,

CdHgTe

có

R
CO
rất

nhỏ:
10Ω – 10
3
Ω ở 25
o
C
.

b.

Độ

nhạy:

chạy

qua

tế

bào

quang

dẫn

(A)
:

thông

lượng

ánh

sáng

(W)Khi


độ

nhạy
phổ
có giá trị nằm trong
khoảng

0,1


10 A/W.
Nhược

điểm

của

tế

bào

quang

dẫn

o

lớn.

o
Các

thông

số

không

ổn

định

(lão

hóa).o
Độ

nhạy

phụ

thuộc

vào

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

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:


tạo

Lớp

tiếp

xúc

của

hai

bán

dẫn

loại

n

và

loại

p

(nối

P-N)


V
b
.
Khi

không

có

điện

áp

bên

ngoài

đặt

lên

nối

P-N,

dòng


phần:-

Dòng

khuếch

tán

các

hạt

dẫn

điện

đa

số

có

năng

lượng


dưới

tác

động

của

điện

trường.Khi

đặt

điện

áp

V
d
lên

diode,

chiều

cao

qV
I I exp I
kT
 
 
 
 

I
0
:

dòng

hạt

dẫn

điện

thiểu

số
Khi

điện

áp

ngược

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

thức

0
( )
x
x e

 



Trong

đó

α

10
5
cm
-1
,

thông

lượng

giảm

63%

bán

dẫn

được

làm

rất

mỏng

và

vùng

hiếm

đủ

rộng

để

hấp

thụ năng

lượng


giữa

2

lớp

P và

N.

Chỉ

cần

điện

áp

ngược

vài

volt

đủ

để

mở



để

chế

tạo

photodiode

là:-

Si,

Ge:

vùng

ánh

sáng

nhìn

thấy

và



động Chế độ quang dẫn

Nguồn

E
S
phân

cực

ngược

diode,

R
m
dùng

để

đo

tín

hiệu.


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

I
p

:

dòng

điện

sinh

ra

khi

ánh

sáng

đi


I
0
+

I
p
,

nghĩa

là

I
r
#

I
p
.
Phương

trình

mạch

điện:

E
S


này

là

tuyến

tính,

V
r
tỉ

lệ

với

thông

lượng.


Chế

độ

quang

thế


bộ

chuyển

đổi năng

lượng,

người

ta

đo

điện

áp

hở

mạch

V
OC
hoặc

dòng

ngắn


rào

điện

thế

giảm

một

lượng


V
b
.

Sự

giảm

này

làm

dòng

hạt

dẫn

       
 
 
 
 

V
d
R
mTài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang II-6
Đo

điện

áp

hai

đầu

diode

trong

chế



Độ

lớn

V
OC
phụ

thuộc

vào

thông

lượng

có

dạng

hàm

logarit.

-

Dòng

ngắn

điện

trở

động

rd

của

nối

P-N. Dòng

ngắn

mạch

I
SC
=

I
p
,

tỷ

lệ


)

nằm

trong

khoảng

từ

0,1

đến

1

A/W.d.

Sơ

đồ

sử

dụng

Tùy

dẫn

Có

độ

tuyến

tính

cao,

thời

gian

đáp

ứng

ngắn,

băng

thông

rộng.-

trở

R
m
-

Sơ

đồ

tác

động

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

độ

quang



nhiễu.-

Thời

gian

đáp

ứng

lớn,

dải

thông

hẹp.-

Nhạy

cảm

với


Phototransistor

là

các

transistor

loại

NPN

mà

cực

nền

có

thể

được

chiếu

sáng,

không có


phân

cực

ngược.Khi

nối

B-C

được

chiếu

sáng,

nó

hoạt

động giống

photodiode

ở


ngược

tối

I
p
:

dòng

quang

điện

khi

được

chiếu

sáng

Dòng

cực

thu:

I
c

tổ

hợp

của

một

photo

diode

và

một

transistor. Photodiode

cung

cấp

dòng

điện

tại

cực


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

–



điều

khiển

dòng

I
D
do

sự

thay

đổi

điện

áp

V
GS
. I
DSS
:



và

kênh

khi

được

chiếu

sáng

giống

như photodiode,

tạo

dòng

ngược.

Dòng

ngược



khi

được

chiếu

sáng;
I
p
=

S
g
.


S
g
:

độ

nhạy

diode

cổng

kênh

(I
o
+ I
p
) - V
g

Ứng

dụng

photo

FET

là

điều

khiển

điện

áp

bằng

ánh

sáng.

Giá

trị

R
DS
được

xác
định

bởi

điện

thế

V
GS
có

thể

được

điều

chỉnh

nhờ
Cảm

biến

này

biến

đổi

tín

hiệu quang

thành

tín

hiệu

điện

nhờ

hiện

tượng



tỉ

lệ

với

quang

thông

chiếu

vào.

1.

Cơ

chế

hoạt

độngCơ

chế



điện

tử.-

Điện

tử

được

giải

phóng

di

chuyển

đến

bề

mặt.-

phóng,

điện

tử

di

chuyển

ngẫu

nhiên

theo

mọi

hướng,

do

đó

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


các

điện

tử

và photon

khác

làm

mất

đi

một

phần

năng

lượng.

Sự

phát

xạ


với

môi

trường

bên

ngoài.

Do

đó,

hiệu

suất

phát

xạ

điện

tử thường

nhỏ

hơn

Sb,

(Cs)Na
2
KSb,

K
2
CsSb

nhạy

trong

vùng

ánh

sáng

nhìn

thấy

và

tử

ngoại.
Cs


tử

các

vật

liệu

trên

từ

1

÷

20%. Ngoài

ra,

các

hợp

chất


hồng

ngoại,

hiệu

suất

đạt

tới

30%.3.

Tế

bào

quang

điện

chân

không

Là


10
-6

10
-8

mmHg.

Trong

ống

đặt

một

catode

có

khả

năng

phát

xạ

và

vùng

rõ

rệt:

-

Vùng

điện

tích

không

gian,

khi

điện

áp

tăng

dòng

xạ

bật

trở

lại

làm

hạn

chế

dòng

anode.-

Vùng

bão

hòa,

dòng

điện

bào

quang

điện

được

sử

dụng

trong

vùng

bão

hòa,

khi

đó

nó

giống

như


không

rất

lớn

cỡ

10
10
Ω
.

Độ

nhạy

nằm

trong khoảng

10

100

mA/W.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường

chân

không,

chỉ

khác

là

bên

trong

có

khí

trơ,

thường
là

argon

có

áp

suất

tế

bào

quang

điện

chân

không.

Khi

V
ak
cao,

điện

tử

chuyển

động

với

vận



Thiết

bị

nhân

quangKhi

bề

mặt

anode

bị

bắn

phá

bởi

các

điện


Nếu

số

điện

tử

phát

xạ

thứ

cấp

lớn

hơn

số

điện

tử

tới

thì



phát

xạ

từ

một

photocatode

bị

chiếu

sáng.

Sau đó

chúng

được

tiêu

tụ
(bằng phương pháp tĩnh điện)
trên

điện


vật

liệu

có

khả

năng

bức

xạ

thứ

cấp.

Các

điện

cực

mắc

nối

tiếp


tử

thứ

cấp

phát

ra

từ

điện

cực

thứ

k

sẽ bị

hút

về

điện

cực


cũng

tăng lên.
V.

CÁP

QUANG1.

Cấu

tạo

và

tính

chấtGồm

một

2
<

n
1
dày

50

m.
Vật

liệu

chế

tạo

cáp

quang:

-

SiO
2
tinh

khiết


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


tin


Tránh

được

tín

hiệu

điện

từ

ký

sinh,

đảm

bảo

cách

điện

giữa



xung

ánh

sáng,

đôi

khi

biến

điệu
biên

độ

hoặc

tần

số

ánh

sáng.b.

ở

những

nơi

khó

tiếp

cận

hoặc

các

môi trường

độc

hại,

có

thể

dẫn

ánh



sáng

phát

ra

bức

xạ

dưới

dạng

xung

để

phân

biệt

với

ánh

sáng

môi


đổi

phụ

thuộc

vào

đại

lượng đo:-

Thay

đổi

cường

độ

khi

đo

vị


đổi

bước

sóng

trong

trường

hợp

đo

nhiệt

độ,

phổ

phụ

thuộc

vào

nồng

độ các



trường

hợp,

tín

hiệu

quang

dưới

tác

động

của

đại

lượng

vật

lý

làm

thay


quang

đóng

vai

trò cảm

biến

chuyển

đổi

đại

lượng

vật

lý

thành

tín

hiệu

quang.

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

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

V