Cảm biến và đo lường - Chương 2: CẢM BIẾN QUANG

Tính chất ánh sáng Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện. Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt. Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử nguồn sáng. Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân c không là c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là: v  (n: chiết suất...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến và đo lường - Chương 2: CẢM BIẾN QUANGTài liệu môn Cảm biến và đo lườngChương 2 : CẢM BIẾN QUANGI. Á NH SÁNG – CÁC ĐẶC TÍN H C Ơ BẢN C ỦA Á NH SÁNG 1. Tính chất ánh sáng Cảm biến quang đ ược sử dụng để chuyển thô ng tin từ ánh sáng nhìn thấy ho ặc tiahồng ngo ại ( IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu đ iện. Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt. Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chu yển đ iện tử giữa cácmức năng lượng của nguyên tử nguồ n sáng. Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân ckhông là c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là: v  (n: chiết suất của môi trường) n v Tần số  và bước só ng  của ánh sáng liên hệ với nhau qua b iểu thức:    ctrong chân không    Phổ ánh sáng đ ược b iểu d iễn như hình: Tính chất hạt thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất. Ánh sáng b ao gồ m cáchạt p ho to n mang năng lượng Wphụ thu ộc d uy nhất vào tần số. W h(h = 6 ,6256.10-24 Js: hằng số P lanck) Các đ ại lượng quang học: Thông lượng: o at (W) - Cường độ: o at/steradian (W/Sr) - Độ chói: (W /Sr.m2) - - Năng lư ợng: J Trang II-1Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Một điện t ử đ ượ c liên kết có năng lượ ng Wl, đ ể giải p hóng các điện tử khỏ inguyên tử cần cung cấp cho nó năng lượ ng b ằng v ới năng lượng liên kết Wl. Vậ y một đ iện tử sẽ đ ược giải p hóng nếu nó hấp thụ mộ t p hoto n có năng lượn g WW≥ W1 , nghĩa là     hay   hc h W1 Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải hcphóng điện tử đ ược tính từ biểu thức: s  W1 Hiện tượng hạt dẫn điện đ ược giải p hóng dưới tác d ụng của ánh sáng làm thayđổi tính chất điện của vật liệu gọi là hiệu ứng q uang đ iện. Đây là nguyê n lý cơ b ản củ a cảmbiến qu ang.II. CÁC LOẠI N GU ỒN SÁNG Một cảm b iến q uang chỉ hiệu quả khi p hù hợp với b ức xạ ánh sáng (p hổ,thông lượng, tần số). Nguồn sáng q u yết đ ịnh mọi đặc tính của b ức xạ. 1. Đèn sợi đốt vonfram Cấu tạo: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh có chứa khí halogen để giảmbay hơi sợi đốt. Đặc đ iểm: Nhiệt độ giống như nhiệt độ của một vật đen tuyệ t đố i. - Phổ p hát xạ nằm trong vùng nhìn thấ y. - Quang t hông lớn, d ải phổ rộ ng. - Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ nhanh chóng. - Tu ổi thọ thấp, d ễ vỡ. - 2. Diode phát quang Cấu tạo: gồ m nố i P-N. Năng lượng giải p hóng do sự tái hợp các hạt dẫn làmphát sinh các photon. Đặc đ iểm: Thời gian hồi đ áp nhỏ cỡ ns, có khả năng biến đ iệu tần số cao . - Phổ ánh sáng ho àn toàn xác định, độ tin cậ y cao. - Tu ổi thọ cao, kích thước nhỏ, t iêu thụ năng lượng thấp. - - Quang t hông tương đối nhỏ và nhạ y với nhiệt độ là nhược điểm hạn chế p hạm vi sử dụng của đèn. 3. Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, r ất đ ịnh hướng và đặc b iệt là tính liênkết m ạnh (cùng p hân cực, cùng p ha). Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ p hát ra là sựchồng chéo của r ất nhiều sóng thành p hần có phân cực và p ha khác nhau. Trong trường hợptia laser, tất cả các b ức xạ cấu thành đ ều cùng p ha cùng p hân cực và b ởi vậy khi chồngchéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và rất xác đ ịnh. Đặc điểm chính của laser là có bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác đ ịnh, qu angthông lớn, có khả năng nhận đ ược chùm t ia rất m ảnh với độ đ ịnh hướng cao, tru yền đikho ảng cách rất lớn. Trang II-2Tài liệu môn Cảm biến và đo lườngIII. CÁC CẢ M BIẾN QUANG 1. Tế bào quang dẫn Tế b ào q uang dẫn là mộ t loại cảm b iến q uang có đ ộ nhạ y cao. Đặc trư ng củ a t ế b ào qu ang d ẫn là sự p hụ thu ộc điện trở vào thông lượng và p hổcủa bức xạ. Cơ sở vật lý của t ế bào q uang dẫn là hiện tượng giải p hóng hạt dẫn đ iện tron gvật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng đ ộ dẫn đ iện của vật liệu. Vật liệu chế tạo: thường được chế tạo từ các bán d ẫn đa tinh thể đ ồng nhất ho ặcđơn tinh thể, b án d ẫn riêng ho ặc p ha tạp. ...