Chương 2. cam bien do quang

Chương II. Cảm biến đo quangChương II. Cảm biến đo quang
1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng
2. Cảm biến quang dẫn
3. Cảm biến quang điện phát xạ
09/11/13

1. Tính chất và đơn vị đo1. Tính chất và đơn vị đo
1.1 Tính chất ánh sáng
a) Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ:
0,395 0,455 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750
cực tím tím lam lục da cam đỏ hồng ngoại
0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100
cực tím Hồng ngoại H. ngoại xa
λ(µm)
Phổ ánh sáng
09/11/13

1.1. Tính chất áng sáng1.1. Tính chất áng sáng
Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không)
hoặc (môi trường vật chất)
Bước sóng: (chân không)
hoặc (môi trường vật chất).
f → tần số ánh sáng.
n
c
v =
f
c
=λ
f
v
=λ
09/11/13

1.1. Tính chất áng sáng1.1. Tính chất áng sáng
b) Tính chất hạt:
Chùm hạt (photon) chuyển động với vận tốc lớn,
mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng
lượng này chỉ phụ thuộc tần số (f) của ánh sáng:
νφ .hW =
h = 6,6256.10-34
J.s → hằng số Planck
09/11/13

1.2. Đơn vị đo quang1.2. Đơn vị đo quang
a) Đơn vị đo năng lượng:
Năng lượng bức xạ Q: là năng lượng lan truyền
hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, tính bằng Jun
(J).
Thông lượng ánh sáng Φ: là công suất phát xạ,
lan truyền hoặc hấp thụ, tính bằng Oát (W).
dt
dQ
=Φ (W)
09/11/13

Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra
theo một hướng ứng với một đơn vị gốc khối
Độ chói năng lượng (L):
Độ rọi năng lượng (E):
ndA
dI
L = (W/sr.m2
)
Ω
Φ
=
d
d
I (W/sr) sr: steradian
dA
d
E
Φ
= (W/m2
)
09/11/13

b) Đơn vị đo thị giác:
Đại lượng đo Đơn vị năng lượng Đơn vị thị giác
Thông lượng W lumen(lm)
Cường độ W/sr cadela(cd)
Độ chói W/sr.m2
cadela/m2
(cd/m2
)
Độ rọi W/m2
lumen/m2
hay lux (lx)
Năng lượng J lumen.s (lm.s)
09/11/13

2. Cảm biến quang dẫn2. Cảm biến quang dẫn
2.1. Hiệu ứng quang dẫn:
Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện nội) là
hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt
dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng
làm tăng độ dẫn điện của vật liệu.
09/11/13

2.1. Hiệu ứng quang dẫn2.1. Hiệu ứng quang dẫn
W≥Wlk
+
điện tử
hν
+
hν
-
điện tử
hν
+
Vùng dẫn
Vùng hoá trị
Wlk
--
Bán dẫn tinh khiết
lổ trống lổ trống
Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p
09/11/13

Mật độ điện tử trong tối:
2/1
d
2
2
0
r
N.a
r4
a
r.2
a
n 





++=






−=
kT
qW
expa d
→ Hệ số tỉ lệ giải phóng e.
Nd → Nồng độ tạp chất loại N
r → Hệ số tái hợp.
09/11/13

Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng:
( ) Φ
ν
−η
==
h
R1
.
V
1
V
G
g
g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1
đơn vị thể tích:
2/1
r
g
n 





≈
( )nNag d −>>
09/11/13

Độ dẫn trong tối:
Độ dẫn khi chiếu sáng:
00 nqµ=σ
2
12
1
.
A
1
r
g
qnq Φ=





µ=µ=σ
0σ>>σ⇒ và là hàm phi tuyến của Φ với số
mũ γ =1/2 (thực tế γ = 0,5 -1)
09/11/13

2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)2.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)
a) Cấu tạo:
Thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ
các chất bán dẫn
0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30
CdS
CdSe
CdTe
PbS
PbSe
PbTe
Ge
Si GeCu
SnIn
AsIn
CdHgT
e
λ, µm
Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn
09/11/13

b) Đặc trưng chủ yếu:
Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 104
Ω - 109
Ω ở
25o
C đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi
độ rọi sáng tăng.
Điện trở (Ω)
Độ rọi sáng (lx)0,1 1 10 100
102
104
106
106
1000
Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
09/11/13

Độ nhạy:
Nhận xét:
+ Độ nhạy giảm khi Φ tăng (trừ γ = 1)
+ Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi điện áp đặt
vào lớn.
+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
1
A
VI
S −γ
Φγ=
∆Φ
∆
=
09/11/13

2.2. Tế bào quang dẫn2.2. Tế bào quang dẫn
c) Đặc điểm
+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao.
+ Độ nhạy cao.
+ Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính 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.
09/11/13

-150 -100 -50 0 50
Nhiệt độ
(o
C)
10
5
1
0,5
0,1
Độ
nhạy
tương
đối
Bước sóng (µm)
Độ
nhạy
tương
đối
(%)
1 2 3
1
3
5
10
30
50
100
Ảnh hưởng của
nhiệt độ đến độ nhạy
của tế bào quang dẫn
Ảnh hưởng bước
sóng đến độ nhạy
của tế bào quang dẫn
09/11/13

c) Ứng dụng:
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.
Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu
và biến tín hiệu quang thành xung điện.
09/11/13

+ +
Điều khiển trực tiếp Điều khiển thông qua
tranzito khuếch đại
09/11/13

2.3. Photodiode2.3. Photodiode
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
09/11/13

2.3. Photođiot2.3. Photođiot
Nguyên lý hoạt động:
- Khi Φ = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua
Ikt → Dòng khuếch tán các hạt cơ bản. I0 → Dòng hạt
dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt.
- Khi V > 0 → dòng ngược:
- Khi V đủ lớn → 0 và Ir = I0.
0I
kT
qV
expII 0
d
0r ≠+





−=






−
kT
qV
expI d
0
0I
kT
qV
expIIII 0
d
00kt =−





=−=
09/11/13

Khi chiếu sáng bằng luồng ánh sáng Φ0 → Ip.
Khi V đủ lớn:
N
P
hν
−
+
Ir
Vùng
nghèo
−+
x
Hiệu ứng quang
điện khi chiếu sáng
Vp0
d
0r II
kT
qV
expII ++





−=
pp0r IIII ≈+=
( ) ( )Xexp
hc
R1q
I 0p α−Φ
λ−η
=
Ip: dòng quang điện
09/11/13

Chế độ quang dẫn:
Phương trình mạch điện:
Tín hiệu ra:
⇒đường thẳng tải ∆.
⇒Dòng ngược:
Cảm biến làm việc ở chế độ
tuyến tính VR ~ Φ.
Ir
VD
VRRm
ES
−
+
∆
0-10-20-30-40
50µW
100µW
150µW
200µW
20
40
60
Ir
DR VVE −=
rmR IRV =
ES
m
D
m
r
R
V
R
E
I +=
09/11/13

Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0.
⇒ Đo thế hở mạch
Khi Ip<< I0: ⇒ nhỏ nhưng tỉ lệ với Φ.
Khi Ip>> I0: ⇒ lớn nhưng tỉ lệ với logΦ.
⇒Đo dòng ngắn mạch:






+=
0
P
OC
I
I
1log
q
kT
V
0
p
oc
I
I
.
q
kT
V ≈
0
P
OC
I
I
log
q
kT
V =
psc II ≈
ISC
Rbé
09/11/13

c) Độ nhạy:
S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng Φ.
S phụ thuộc vào λ, với λ ≤ λs:
S→Smax khi λ = λp
Khi nhiệt độ tăng, λpdịch sang phải.
S phụ thuộc hiệu suất lượng tử η, hệ số phản
xạ R, hệ số hấp thụ α.
( ) ( ) λ
α−−η
=
∆Φ
∆
=λ
hc
XexpR1qI
)(S P
λp
(S(λp ) = 0,1-1,0 A/W)
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
λ (µm)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
S (µA/µW)
T1 T2
09/11/13

d) Ứng dụng:
ES
Rm
Ir
R1
R2
V0
CP1
Rm
ES
R1+R2
R1
V0
R2
Sơ đồ cơ sở Sơ đồ tác động nhanh
+
−
C2
+
−
−
+
- Sơ đồ mạch làm việc ở chế độ quang dẫn:
r
1
2
m0 I
R
R
1RV 





+=
( ) r210 IRRV +=
09/11/13

- Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế:
Vco
R1
R2
V0
+
_
ISC
R1=Rm
Rm
V0
_
+
Sơ đồ tuyến tính Sơ đồ logarit
09/11/13

Chế độ quang dẫn:
+ Độ tuyến tính cao.
+ Thời gian hồi đáp
ngắn.
+ Dải thông lớn.
Chế độ quang thế:
+ Có thể làm việc ở chế
độ tuyến tính hoặc
logarit.
+ Ít nhiễu.
+ Thời gian hồi đáp lớn.
+ Dải thông nhỏ.
+ Nhạy cảm với nhiệt độ
ở chế độ logarit.
09/11/13

c) Ứng dụng:
- Chuyển mạch: điều khiển rơ le, cổng logic, ….
- Đo ánh sáng không đổi (Chế độ tuyến tính)
09/11/13

2.4. Phototranzito2.4. Phototranzito
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp
E - B và B – C tương tự như một tranzito
Phân cực: chỉ có điện áp đặt lên C, không có điện áp đặt
lên B, B – C phân cực ngược.
Sơ đồ mạch điện như hình vẽ
09/11/13

b) Nguyên lý làm việc:
Khi đặt điện áp E lên C, điện
áp VBE ≈ 0,6 ÷ 0,7 V, VBC ≈ E.
Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C
→ các điện tử và lỗ trống phát sinh
trong vùng bazơ dưới tác dụng của
ánh sáng sẽ bị phân chia dưới tác
dụng của điện trường trên chuyển
tiếp B – C → điện tử bị kéo về C, lỗ
trống ở lại trong B tạo ra dòng điện
tử từ E→B→C tạo ra dòng ngược:
Ir = I0 + Ip
E
C
B
Φ
+E
Sơ đồ mạch điện
Điện thế
C
B
E
+
-
Sơ đồ tách cặp
điện - lỗ trống
09/11/13

E
C
BΦ
Ir
IC
Sơ đồ tương đương
+E
Dòng I0: dòng ngược trong tối.
Dòng Ip : dòng ngược do chiếu
sáng.
⇒ phototranzito tương đương tổ
hợp của một photodiot và một
tranzito.
( )
0P
hc
)Xexp(R1q
I Φλ
α−−η
=
Ir ~ IB → Dòng colector IC:
09/11/13

c) Độ nhạy:
Ic ∈ Ip ∈ Φ và β ∈ Ic → β ∈Φ
⇒ S ∈ Φ ⇒ độ nhạy phụ
thuộc thông lượng ánh sáng.
Độ nhạy phụ thuộc λ
(hình vẽ)
S(λp) = 1 ÷ 100A/W
0
cI
)(S
∆Φ
∆
=λ
( ) ( ) ( ) p0rc I1I1I1I +β++β=+β=
S(λ)
S(λp)
(%)
100
80
60
40
20
0,4 0,6 0,8 1,0
λ (µm)
Đường cong phổ hồi đáp
λ p
09/11/13

d) Ứng dụng phototranzito:
Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay
không có bức xạ, bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn
ngưỡng)→ điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo.
⇒ Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp.
+ +
Điều khiển rơle
+
Điều khiển cổng logic
+ +
Điều khiển thyristo
09/11/13

Sử dụng ở chế độ tuyến tính:
+ Trường hợp thứ nhất: đo ánh
sáng không đổi (giống luxmet).
+ Trường hợp thứ hai: thu nhận tín
hiệu thay đổi (Điều kiện biên độ
dao động nhỏ):
Độ tuyến tính kém hơn photodiot.
( ) ( )tt 10 Φ+Φ=Φ
+
Luxmet
( ) ( )t.SItI 10cc Φ+Φ=
Φ0
09/11/13

2.5.Phototranzito hiệu ứng trường2.5.Phototranzito hiệu ứng trường
a) Cấu tạo và nguyên lý làm
việc: Gồm 2 lớp P và N ghép
với nhau, lõi là N, vỏ là P,
tạo thành một tiếp giáp P-N.
Tiếp giáp P-N được phân
cực ngược, bên ngoài vùng
nghèo là cổng, bên trong
vùng nghèo là kênh. Dòng
qua kênh phụ thuộc tiết diện
kênh → ∈ điện áp giữa
cổng và kênh:
S
G
D
G
P
P
N
+ + + + + + + +
+ + + + + + + +
- - - - - - -
- - - - - - -
2
P
GS
DSD
V
V
1II 





+=
09/11/13

• Khi chiếu sáng, chuyển tiếp P - N
hoạt động như một photodiot cho
dòng ngược:
I0 - dòng điện trong tối.
IP = SgΦ - dòng quang điện.
Sg - độ nhạy của điot cổng-kênh.
Φ - thông lượng ánh sáng.
-
G
D
S
+
Sơ đồ mạch
Rg
grgGS EIRV −=
09/11/13

c) Đặc điểm và ứng dụng:
- Làm việc ổn định
- Hệ số khuếch đại cao
⇒ Điều khiển điện áp bằng ánh sáng.
09/11/13

3. Cảm biến quang điện phát xạ3. Cảm biến quang điện phát xạ
3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ
Hiệu ứng quang điện phát xạ (hiệu ứng quang
điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải
phóng khỏi bề mặt vật liệu và có thể thu lại nhờ
tác dụng của điện trường khi chiếu vào chúng
một bức xạ ánh sáng có bước sóng thích hợp (nhỏ
hơn một ngưỡng nhất định).
09/11/13

3. Cảm biến quang điện phát xạ3. Cảm biến quang điện phát xạ
Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng:
- Hấp thụ photon và giải phóng điện tử.
- Điện tử được giải phóng di chuyển → bề mặt.
- Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu.
Do nhiều nguyên nhân ⇒ số điện tử phát xạ
trung bình khi một photon bị hấp thụ (hiệu suất
lượng tử) thường nhỏ hơn 10% và ít khi vượt quá
30%.
09/11/13

3.2. Tế bào quang điện chân không3.2. Tế bào quang điện chân không
a) Cấu tạo:
Catot: có phủ lớp vật liệu nhạy với ánh sáng (Cs3Sb,
K2CsSb, Cs2Te, Rb2Te , CsTe …) đặt trong vỏ hình
trụ trong suốt (b) hoặc vỏ kim loại có một đầu trong
suốt (b) hoặc hộp bên trong được hút chân không
(áp suất ~ 10-6
- 10-8
mmHg).
Anot: bằng kim loại.
A
Kc)
A
K
Φ
b)Φ
AK
a)
09/11/13

K
A Ia
E
Rm
Ia (µA)
Vak (V)
4,75 mW
2,37 mW
0,95 mW
4
3
2
1
0 20 40 60 80 100 120
Φ
Sơ đồ tương đương Đặc tính V - A
• Khi chiếu sáng catot (K) các điện tử phát xạ và
dưới tác dụng của điện đường do Vak tạo ra tập trung
về anot (A)→ tạo thành dòng anot (Ia).
09/11/13

Đặc tính V - A có hai vùng:
- Vùng điện tích không gian.
- Vùng bão hòa.
TBQĐ làm việc ở vùng bão hòa → tương đương
nguồn dòng, cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc
thông lượng ánh sáng. Điện trở trong ρ của tế
bào quang điện rất lớn:
Φ






=
ρ ak
a
dV
dI1
=10 ÷ 100 mA/W
φ∆
∆
= aI
SĐộ nhạy:
09/11/13

- Độ nhạy lớn ít phụ thuộc Vak.
- Tính ổn định cao
⇒ Chuyển mạch hoặc đo tín hiệu quang.
09/11/13

3.3. Tế bào quang điện dạng khí3.3. Tế bào quang điện dạng khí
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: cấu tạo tương tự
TBQĐ chân không, chỉ khác bên trong được điền
đầy bằng khí (acgon) dưới áp suất cỡ 10-1
- 10-2
mmHg.
Ia (µA)
Vak (V)
2
1
0 20 40 60 80 100 120
10-2
lm
1,5.10-2
lm
Khi Vak < 20V, đặc tuyến I -
V có dạng giống TBQĐ. Khi
điện áp cao, điện tử chuyển
động với tốc độ lớn → ion hoá
các nguyên tử khí → Ia tăng 5
÷10 lần.
09/11/13

3.3. Tế bào quang điện dạng khí3.3. Tế bào quang điện dạng khí
- Dòng Ia lớn.
- S phụ thuộc mạnh vào Vak.
⇒ Chuyển mạch và đo tín hiệu
quang.
6
2
0 20 40 60 80
4
8
Stg.đối
Vak (V)
09/11/13

Chương 2. cam bien do quang

More Related Content

What's hot

Similar to Chương 2. cam bien do quang

More from Đinh Công Thiện Taydo University

Recently uploaded

Chương 2. cam bien do quang