Bài giảng Cảm biến công nghiệp - Chương 2

Chương 2 Cảm biến đo quang thuộc bài giảng Cảm biến công nghiệp, có cấu trúc nội dung cần tìm hiểu được chia làm 3 phần: Phần 1 Tính chất và đơn vị đo ánh sáng, phần 2 Cảm biến quang dẫn, phần 3 Cảm biến quang điện phát xạ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cảm biến công nghiệp - Chương 2Chương II. Cảm biến đo quang1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng2. Cảm biến quang dẫn3. Cảm biến quang điện phát xạ03/24/14 1. Tính chất và đơn vị đo1.1 Tính chất ánh sánga) Tính chất sóng: một dạng của sóng điện từ: 0,395 0,455 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750cực tím tím lam lục da cam đỏ hồng ngoại λ(µm) 0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100 cực tím Hồng ngoại H. ngoại xa Phổ ánh sáng 03/24/141.1. Tính chất áng sáng Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không) c hoặc v = (môi trường vật chất) n c Bước sóng:λ = (chân không) f v hoặc λ = (môi trường vật chất). f f → tần số ánh sáng.03/24/141.1. Tính chất áng sángb) 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: Wφ = h.ν h = 6,6256.10-34J.s → hằng số Planck03/24/141.2. Đơn vị đo quanga) 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). dQ Φ= (W) dt03/24/141.2. Đơn vị đo quang Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo một hướng ứng với một đơn vị gốc khối dΦ I= (W/sr) sr: steradian dΩ Độ chói năng lượng (L): dI L= (W/sr.m2) dA n Độ rọi năng lượng (E): dΦ E= (W/m2) dA03/24/141.2. Đơn vị đo quangb) Đơn vị đo thị giác: Đại lượng Đơn vị năng Đơn vị thị giác đo lượng 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)03/24/142. Cảm biến quang dẫn2.1. 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.03/24/142.1. Hiệu ứng quang dẫn W≥ WlkVùng dẫn - điện tử - điện tử hν Wlk + - hν hνVùng hoá trị + lổ trống + lổ trống Bán dẫn tinh khiết Bán dẫn loại n Bán dẫn loại p03/24/142.1. Hiệu ứng quang dẫn Mật độ điện tử trong tối: 1/ 2 a a 2 a.Nd  n0 = + 2 +  4r  2.r  r  Nd → Nồng độ tạp chất loại N  qWd  a = exp −  → Hệ số tỉ lệ giải phóng e.  kT  r → Hệ số tái hợp.03/24/142.1. Hiệu ứng quang dẫn Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng: 1/ 2 g  n ≈  r g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1đơn vị thể tích: G 1 η(1 − R ) g= = . Φ V V hν g >> a( Nd − n)03/24/142.1. Hiệu ứng quang dẫn Độ dẫn trong tối: σ0 = qµn0 Độ dẫn khi chiếu sáng: 1 g 2 1 1 σ = qµn = qµ  = .Φ 2 r  A ⇒ σ >> σ 0và là hàm phi tuyến của Φ với số mũ γ =1/2 (thực tế γ = 0,5 -1)03/24/14 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 CdS CdSe CdTe PbS PbSe PbTe Ge Si GeCu SnIn AsIn CdHgT e λ, µm 0,2 0,6 1 2 3 45 10 20 30 Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn 03/24/142.2. Tế bào quang dẫn (TBQD)b) Đặc trưng chủ yếu: Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 104 Ω - 109 Ω ở 25oC đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi độ rọi sáng tăng. Điện trở (Ω) 106 106 104 102 0,1 1 10 100 1000 Độ rọi sáng (lx) Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng03/24/142.2. Tế bào quang dẫn (TBQD) Độ nhạy: ∆I V γ −1 S= =γ Φ ∆Φ A 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.03/24/142.2. Tế bào quang dẫnc) 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 ...