Cảm Biến Nhiệt

Bai 2 – Cảm biến (SENSOR)

2.1 KHÁI QUÁT

2.1.1 Khái niệm

2.1.2 Phân loại cảm biến

2.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biến

2.1.1 Khái niệm

• Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý

không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử

lý được.

sensor temperature resistance

• Các đại lượng cần đo (M):

– thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, trọng

lượng…)

– tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính

chất điện như (như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng)

chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó.

• Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)

S = F(M)

• Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc đáp ứng của cảm biến. (M)

là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng cần

đo). Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M)

• Để chế tạo cảm biến người ta sử dung các hiệu ứng vật lý

2.1.2 Phân loại cảm biến

• Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng

sau đây:

– Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích

thích.

– Phân loại theo dạng kích thích

– Phân loại theo phạm vi sử dung

– Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích

thích

Hiện tượng Chuyển đổi và đáp ứng kích thích

Vật lý - Nhiệt điện; - Quang điện; - Quang từ

- Điện từ; - Quang đàn hồi; - Từ điện

- Nhiệt từ....

Hoá học - Biến đổi hoá học ; - Biến đổi điện hoá

- Phân tích phổ…..

Sinh Học - Biến đổi sinh hoá; - Biến đổi vật lý.

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

Phân loại theo dạng kích thích Âm

thanh

-Biên pha, phân cực; -Phổ; -Tốc độ truyền sóng

Điện -Điện tích, dòng điện; -Điện thế, điện áp

-Điện trường; -Điện dẫn, hằng số điện môi

Từ -Từ trường; -Từ thông, cường độ điện trường; -Độ từ

thẩm

Quang -Biên, pha, phân cực,phổ; -Tốc độ truyền

-Hệ số phát xạ, khúc xạ; -Hệ số hấp thu, hệ số bức xạ

Cơ -Vị trí; -lực ,áp suất; -Gia tốc, vận tốc

-Ứng suất, độ cứng; -Moment; -Khối luợng tỷ trọng

-Vân tốc chất lưu, độ nhớt…

Nhiệt -Nhiệt độ; -Thông lượng; -Nhiệt dung, tỉ nhiệt

Bức xạ -Kiểu; -Năng lượng; -Cường độ

Theo tính năng của bộ cảm biến

Độ nhạy

Độ chính xác

Độ phân giải

Độ chọn lọc

Độ chính xác

Độ tuyến tính

Công suất tiêu thụ

Dải tần

Độ trễ

Khả năng quá tải

Tốc độ đáp ứng

Độ ổn định

Tuổi thọ

Điều kiện lựa chọn

Kích thước, trọng lượng

• Đô nhay: là giá trị nhỏ nhất của giá trị đầu vào mà

cảm biến cảm nhận được

• Độ nhay của cảm biến ở giá trị m = m0 là tỷ số giữa

biến thiên ở đầu ra của cảm biến Δx và biến thiên ở

đầu vào Δm trong lân cận của m0. Gọi s là độ nhay

của cảm biến:

• Độ phân giải: là đại lượng bằng sư thay đổi

nho nhất ở đầu vào mà cảm biến còn có thê đo

được.

• Độ trễ: là thời gian đáp ứng của cảm biến

• Độ chính xác:

Phân loại theo phạm vi sử dung

• Khả năng quá tải

• Tốc độ đáp ứng

• Độ ổn định

• Tuổi thọ

• Điều kiện lựa chọn

• Kích thước, trọng lượng

Phân loại theo phạm vi sử dung

• Công nghiệp

• Nghiên cứu khoa học

• Môi trường, khí tượng

• Thông tin, viễn thông

• Nông nghiệp

• Dân dung

• Vũ tru

• Quân sự

Phân loại theo thông số mô hình mạch

thay thế

• Cảm biến tích cực hoạt động như một nguồn

áp hoặc nguồn dòng được biểu diễn bằng một

mạng hai cửa có nguồn.

• Cảm biến thu động được mô tả như một mạng

hai cửa không nguồn, có trở kháng phu thuộc

vào các kích thích.

2.1.3. Đường cong chuẩn của cảm biến

• Đường cong chuẩn của cảm biến là đường

cong được biểu diễn sự phu thuộc vào đại

lượng điện (S) ở đầu ra của cảm biến vào giá

trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.


• Đường cong được biểu thể biểu diễn bằng biểu

thức đại số dưới dạng S = F (M) hoặc bằng đồ

thị sau đây:

0 0

s s

m m

a) b)

Hinh 1:Ñöôøng cong chuaån cuûa caûm bieán


• Dạng đường cong chuẩn

– Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể

xác định giá trị chuẩn Mi chưa biết của M thông

qua giá trị đo được Si của S

– Để dễ sử dung, người ta thường chế tạo cảm biến

có sự phu thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra

và đầu vào, phương trình S = F(M) có dạng S =

AM+B với A,B là các hệ số, đường cong chuẩn là

đường thẳng

2.1.4. Các nguyên tắc chế tạo cảm

biến

• Hiệu ứng hỏa điện:

– Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (vd như tinh thể sulfate

triglycine), có tính phân cực điện tự phát phu thuộc vào nhiệt độ.

– Khi tinh thể hoả điện hấp thu ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng lên

làm thay đổi phân cực điện.

– Hiệu ứng hỏa điện được sử dung để chế tạo cảm biến đo thông

lượng búc xạ của ánh sáng.

• Hiệu ứng áp điện:

– Khi tác động một lực cơ học lên một vật làm bằng chất áp

điện (Ví du như Thạch anh), sẽ làm cho vật đó bị biến dạng

và làm xuất hiện trên hai mặt đối diện của vật đó một lượng

điện tích bằng nhau nhưng trái dấu.

– Hiệu ứng này được dùng để chế tạo các cảm biến đo lực, đo

áp suất, gia tốc …

• Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

– Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất

hiện một sức điện động tỷ lệ với biến thiên của từ thông

nghĩa là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn.

– Hiệu ứng điện từ được ứng dung để chế tạo cảm biến đo

tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động

cảm ứng.

• Hiệu ứng quang điện:

– Bản chất của hiệu ứng quang điện là hiện tượng

giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác

dung của bức xạ ánh sáng.

– ứng dung chế tạo cảm biến quang

• Hiệu ứng HALL: Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó

có dòng điện chạy qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với

dòng điện I trong tấm một góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế Vh

theo hướng vuông góc với B và I , biểu thức hiệu điện thế có dạng

như trên

– KH là hệ số phu thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu

• Hiệu ứng Hall được ứng dung để xác định vị trí của một vật

chuyển động.

– Vật cần xác định vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm.

– ở mọi thời điểm, vị trí thanh nam châm xác định giá trị của từ

trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung

gian.

– Vì vậy hiệu điện thế Vh đo được giữa 2 cạnh tấm bán dẫn là hàm

phu thuộc vào vị trí của vật trong không gian

Các nguyên tắc chế tạo cảm biến

thu động

• Cảm biến thu động thường được chế tạo từ

một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy

với đại lượng cần đo.

• Giá trị của trở kháng phu thuộc kích thước

hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo

(điện trở suất , độ từ thẩm, hằng số điện môi)

2.2 Các loại cảm biến thông dung

• 2.2.1 Cảm biến nhiệt

• 2.2.2 Các thuật ngữ thường sử dung

• 2.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng

• 2.2.4 Cảm biến tiệm cận điện dung

• 2.2.5 Cảm biến quang

• 2.2.6 Các ứng dung cảm biến trong công

nghiệp

2.2.1. Cảm biến nhiệt

• Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

• Nhiệt điện trở kim loại (RTD)

• Thermistor

• IC

Cặp nhiệt điện

• Cấu tạo: gồm 2 kim loại khác nhau được hàn

chung với nhau

– Một đầu gọi là đầu nóng

– Hai đầu còn lại không hàn chung gọi là đầu lạnh

hay đầu chuẩn.


• Nguyên lý hoạt động: khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu

nóng và đầu lạnh của cặp nhiệt thì ở ngõ ra của thermocouple

sẽ xuất hiện sức điện động e phu thuộc vào chêng lệch nhiệt độ

và phu thuộc vào bàn chất của vật liệu dùng chế tạo cảm biến.

• Xét một cặp nhiệt được chế tạo từ 2 kim loại A và B:

• Trong đó hệ số K có thể xác định bằng thực nghiệm bằng cách

đo sức điện động của cảm biến ở nhiệt độ đã biết

Dây nối


• Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

• Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai

số. Độ nhạy không cao.

• Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc

nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

• Tầm đo: -100 0C <1400 0C


• Phân loại


Đặc tính vào ra của một số cặp nhiệt điện


• Chú ý:

- Sức điện động nhiệt điện sinh ra trên Thermocouple phu thuộc vào hiệu

số của nhiệt độ đầu nóng T1 và nhiệt độ đầu lạnh T2 vì vậy khi đo nhiệt độ

dùng thermocouple, ta phải giữ nhiệt độ đầu lạnh không đổi.

- Tuy nhiên nhiệt độ đầu lạnh T2 thường chính là nhiệt độ môi trường nên

việc giữ cố định rất khó vì vậy người ta thườngdùng biện pháp loại bỏ sự

ảnh hưởng của nhiệt độ đầu lạnh bằng cách bù nhiệt.

• Không nên nối thêm dây (vì tín hiệu cho ra là

mV nối sẽ suy hao rất nhiều)

• Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và

dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt

vào bộ khuếch đại cho đúng.


• Mạch đo:

Vo = ?

Chọn sao cho

Nhiệt điện trở kim loại

• Cấu tạo: Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm

một dây dẫn bằng kim loại như: Platin, Niken,

Đồng quấn trên một lõi cách điện.


• Nguyên lý hoạt động: Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện

trở của cảm biến thay đổi theo phương trình:

– T đo bằng oC

– R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T

– R0là điện trở của cảm biến ở 0oC

– A, B, C là các hằng số và được xác định bằng cách đo điện

trở của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trước


• Ở nhiệt độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là

tuyến tính

• Với α là hệ số nhiệt của điện trở, tuỳ thuộc vào kim loại

như ở bảng sau:


• Do tính chất của các kim loại dùng chế tạo

cảm biến có tính chất lý hoá khác nhau nên

tầm đo của các cảm biến sủ dung các kim loại

khác nhau cũng khác nhau.



• Mạch đo:

Gọi Rx = R + ΔR là điện trở của cảm biến,

Với R là điện trở của cảm biến ở 0oC

Chọn R1 = R3; R2 = R4

Nhiệt điện trở bán dẫn

• Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan,

nickel, cobalt,…

• Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

• Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo.

• Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.

• Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn

dây động cơ, mạch điện tử.

• Tầm đo: 50 <150 0C.


• Phân loại:

– Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ.

– Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ

(thường dùng)

• Thermistor chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định

50-150 0C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến

đo nhiệt.

• Chỉ sử dung trong các muc đích bảo vệ, ngắt nhiệt,

thường gọi là Tẹt-mít.


• Lưu ý khi sử dụng:

– Nên ép chặt vào bề mặt cần đo

– Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ

– Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều

đấu dây

• Mạch đo

IC

IC

• Cấu tạo: Cảm biến nhiệt IC là những loại cảm biến được

chế tạo từ những chất bán dẫn. (Có các loại như Diode,

Transistor)

• Nguyên lý: dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N

tuyến tính với nhiệt độ môi trường.

• Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt,

mạch xử lý đơn giản.

• Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.

• Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết

bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.

• Tầm đo: -50 <150 0C.

IC

Một số loại thông dung

IC

• Lưu ý:

– Kém bền, không chịu nhiệt độ cao (Nếu vượt ngưỡng

bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến)

– Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một

giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác

dung. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến

này để đạt được sự chính xác.

– Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường

khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung

sốc va chạm mạnh.

Bán dẫn

• Mạch đo:

Thang đo nhiệt độ

Các phương pháp khác

• Đo nhiệt độ bằng phân tích phổ

• Hỏa kế quang học dùng để đo các vật có nhiệt

độ cao, thí du nhiệt độ một vật nung đỏ, nhiệt

độ lò luyện kim…. Với các nhiệt độ cao như

vậy người ta không thể xác định bằng các

phương pháp thông thường.

• So sánh bằng mắt tuy thô sơ nhưng vẫn đảm

bảo độ chính xác nhất định vì cường độ sáng

thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần sự thay đổi nhiệt

độ.

Hỏa kế

• Dung cu đo nhiệt độ của những vật bị nung nóng (lò) bằng

cách so sánh độ sáng của dây tóc bóng đèn của dung cu đo với

độ sáng của vật thể cần đo.

• Ánh sáng phát từ lò, qua thấu kính tập trung tạo nên ảnh của

vùng sáng trong lò trên một mặt phẳng, ở đó có sợi dây đốt

nóng của một bóng đèn.

• Điều chỉnh độ sáng của dây tóc sao cho trùng với độ sáng của

nguồn sáng từ lò tới.

• Nếu cường độ sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây

đốt ta sẽ thấy dây thâm trên nền sáng

• Nếu cường độ sáng của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây

đốt cho thấy dây sáng trên nền thẫm

• Nếu độ sáng bằng nhau hình dây sẽ biến mất

• Khi ánh sáng của đối tượng đo và đèn bằng

nhau, dòng điện ra của tế bào quang điện

không thay đổi.

• Miliampemét được khắc trực tiếp giá trị nhiệt

độ cho ta biết nhiệt độ đo được. Hoả quang kế

loại này có độ chính xác cao (sai số cơ bản

±1%) trong dải nhiệt độ 900 ÷ 2200oC.

2.2.2 Cảm biến quang

I- Các định nghĩa cần quan tâm

II- Một số loại cảm biến quang

Các định nghĩa

• Năng lượng bức xạ (Q): là năng lượng phát xạ, lan truyền

hoặc hấp thu dưới dạng bức xạ, được đo bằng Jun (J).

• Thông lượng ánh sáng (Φ): là công suất phát xạ, lan

truyền hoặc hấp thu , đo bằng đơn vị W.

• Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo 1

hướng cho trước dưới 1 đơn vị góc khối , có đơn vị đo là

oat/steradian.

Các định nghĩa

• Độ chói năng lượng : là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát

ra bởi 1 phần tử bề mặt dA theo 1 hướng xác định và diện

tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông

góc với hướng đó:

– θ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA .

– Độ chói đo bằng oat/steradian.m2

Các định nghĩa

• Độ rọi năng lượng (E) là tỉ số giữa luồng năng

lượng thu được bởi 1 phần tử bề mặt và diện

tích phần tử đó . Độ rọi năng lượng được đo

bằng oat/m2.

Nguồn sáng

• Đèn sợi đốt: a. Cấu tạo:

– Gồm một sợi dây wonfram đặt trong một ống bằng thủy

tinh hay thạch anh có chứa chất khí hiếm như Halogen để

giảm bay hơi sợi đốt.

b. Đặc điểm:

- Thông lượng lớn, dải phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm

lọc.

- Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ một

cách nhanh chóng, thời gian sống nhỏ,dễ vỡ.

• Diode phát quang (LED):

– Hiện tượng phát xạ ánh sáng xảy ra trong diode

phát quang chủ yếu là do quá trình tái hợp điện tử

- lỗ trống gần chuyển tiếp p-n đối với các hạt dẫn

tự do phun vào chuyển tiếp: giải phóng năng

lượng.

Nguồn sáng

a. Cấu tạo:

- Trên một lớp bán dẫn n có nồng độ pha tạp cao (n+),

người ta sử dung phương pháp epitaxy, tạo một lớp

bán dẫn n có nồng độ tạp chất ít hơn.

- Trên lớp n, người ta tạo một lớp p bằng phương pháp

khuếch tán: ta được chuyển tiếp p-n.

n+ subtrat

n+- subtrat n - epitaxy

p

n - epitaxy

p

hν hν

Cấu tạo của LED

• Có thể mở cửa sổ để ánh sáng thoát ra ngoài ở lớp n

hay lớp p đều được.

• Lớp p có hằng số hấp thu bức xạ cao nên lớp trên

mặt của diode thường là lớp n, nếu để lớp p trên mặt

diode thì nó phải thật mỏng.

b. Đặc điểm:

- Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, phổ ánh sáng hoàn toàn

xác định, độ tin cậy cao và độ bền tốt.

- Thông lượng tương đối nhỏ (~ 102mV) và nhạy với

nhiệt độ là nhược điểm hạn chế phạm vi sử dung của

LED.

Laze

a. Định nghĩa:

Laze là nguồn sáng:

• rất đơn sắc, có độ chói lớn, rất định hướng,

• có tính liên kết mạnh (cùng phân cực, cùng

pha).

b. Đặc điểm chính của Laze:

• Bước sóng hoàn toàn xác định,

• Thông lượng lớn,

• Chùm tia rất mảnh với độ định hướng cao,

• Truyền đi trên một khoảng cách lớn.

Các thông số cần quan tâm

• Tỷ số U/N:

• Hệ số khuếch đại:

• Hiệu suất lượng tử:

Thời gian đáp ứng

Thời gian đáp ứng tr thể hiện quán tính của linh kiện.

• tr phu thuộc vào điện dung và trở kháng của đầu thu:

• tr = (RD + RA) (CD + CA)

RD, CD: điện trở vào và điện dung của cảm biến.

RA, CA: điện trở vào và điện dung lối vào của bộ

khuếch đại.

Nếu cảm biến được chế tạo tốt thì:

RD >> RA, CD >> CA.

Do đó: tr ≈ RDCD

tr còn gọi là thời gian hồi đáp của cảm biến.

II. Một số linh kiện và cảm biến quang

1. Quang trở:

1.1. Định nghĩa:

Quang trở là:

- một linh kiện bán dẫn hai cực,

- có điện trở thay đổi theo năng lượng ánh sáng

chiếu vào,

- hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện nội

(quang dẫn).

Khi chiếu ánh sáng vào quang trở, các hạt mang điện

trong bán dẫn nhận thêm được năng lượng từ photon trở

thành điện tử tự do làm thay đổi điện trở suất (hay độ

dẫn) trong bán dẫn.

1.2. Cấu tạo:

- Một phiến bán dẫn nhạy

sáng đa tinh thể hay đơn

tinh thể.

- Hai đầu được mạ kim

loại để hàn điện cực dẫn

ra ngoài.

Vỏ bọc

Phiến bán dẫn

hν

- Toàn bộ phiến bán dẫn được bọc trong vỏ kim loại

hoặc chất dẻo có cửa sổ trong suốt để ánh sáng có

thể chiếu vào phiến bán dẫn.

Cấu tạo của quang trở

Mỗi quang trở có một đặc tính quang phổ riêng: sự phu

thuộc giá trị độ dẫn suất vào bước sóng ánh sáng.

σ

λ0 λ

Ký hiệu trong mạch điện :

Đặc tuyến quang phổ riêng σ = f(λ)

1.3. Đặc tuyến và tham số của quang trở

a. Đặc tuyến Volt ampere (V-A)

Mô tả quan hệ giữa dòng điện qua quang trở và điện áp hạ

trên nó ứng với các mức độ chiếu sáng khác nhau.

I

V

Φ3 Φ

2

Φ

1

Φ =

0

0 < Φ1< Φ2 < Φ3

• Khi không chiếu sáng, nếu

đặt điện áp vào hai đầu

quang trở thì vẫn có dòng

chạy qua: dòng tối It.

• Khi chiếu sáng, nếu đặt

điện áp vào hai đầu quang

trở, dòng qua quang trở

tăng lên: dòng tổng Itg.

Dòng sáng: IΦ = Itg – It.

• IΦ = f(Φ)|U=const

b. Đặc tuyến năng lượng dòng sáng

Mô tả quan hệ giữa cường độ dòng sáng và năng lượng

ánh sáng chiếu vào khi điện áp đặt vào hai đầu quang trở

không đổi.

IΦ = f(Φ)|U=const

IΦ

Φ

U =

const

• Khi năng lượng chùm sáng Φ

thấp, quan hệ gần như tuyến tính.

• Khi năng lượng chùm sáng Φ

tăng lên, đặc tuyến mang tính phi

tuyến rõ nét. (Φ↗ → nồng độ các

hạt tải ↗ → tốc độ tái hợp bởi các

bẩy↗ → thời gian sống của các

hạt tải ↘ → dòng ↗ chậm lại.).

c. Đặc tuyến điện trở

Mô tả quan hệ giữa điện trở của dung cu với năng lượng

chùm tia sáng chiếu vào.

Quan hệ này trong các quang trở là quan hệ tuyến tính.

Đây là đặc tính thường gặp và được ứng dung nhiều

trong thực tế.

Đặc tuyến điện trở của quang phổ

d. Đặc tuyến phổ tương đối

• Đặc tuyến phổ tương đối xác định quan hệ giữa

tần số ánh sáng chiếu vào và độ nhạy đơn sắc của

dung cu.

• Với các bán dẫn khác nhau, độ nhạy của chúng

đối với ánh sáng đơn sắc cũng khác nhau.

⇒ Các bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau → có

điểm hấp thu cực đại tại các tần số khác nhau.

e. Các tham số của quang trở (tt)

- Chùm sáng ngưỡng :

• Là chùm sáng cực tiểu chiếu vào quang trở làm

cho tín hiệu vượt lên trên nền nhiễu.

• Đây là tham số quan trọng nhất của quang trở.

- Hệ số nhiệt dòng sáng:

- Cho biết sự phu thuộc của quang trở vào nhiệt

độ.

1.4. Ứng dụng của quang trở:

- Sử dung để phân biệt mức sáng khác nhau: trạng thái

tối - sáng hoặc xung ánh sáng.

- Điều khiển rơ-le: Dòng điện sáng dùng để điều khiển

trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua mạch khuếch đại

để đóng mở rơ-le.

- Thu tín hiệu quang: quang trở được sử dung để biến

đổi xung quang thành xung điện.

Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên quang

trở sẽ được phản ánh trung thực qua xung điện.

⇒ Các thông tin mà xung ánh sáng mang đến sẽ được

thể hiện trên xung điện.

Người ta sử dung để đếm vật hoặc đo tốc độ quay

của đĩa.

Quang trở

Đóng ngắt rơle theo ánh sáng Dò vach dẫn đường

Photo diode

• Cấu tạo: Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật

liệu như: Ge, Si (Cho vùng ánh sáng trông thấy và gần hồng

ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng

ngoại.

Photo diode

• Nguyên lý làm việc:

– Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức

xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng λ < λn sẽ

xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống.

– Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng

dòng điện I ta cần phải ngăn quá trình tái hợp của

chúng nghĩa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ

trống dưới tác dung của điện trường.

– Quá trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng

dòng điện ngược.

Photo diode

• Chế độ sử dung photodiode: Chế độ quang dẫn và chế độ

quang thế.

– Chế độ quang dẫn: photo diode được phân cực ngược bởi

nguồn sức điện động E

– Chế độ quang dẫn được đặc trưng bởi độ tuyến tính cao,

thời gian hồi đáp ngắn và dải thông lớn

Cách mắc mạch:

• Nếu tăng giá trị Rm sẽ làm giảm nhiễu. Tổng trở ngã vào phải

lớn để giảm ảnh hưởng của nội trở diode

Chế độ quang dẫn

Cách mắc mạch:

• Điện trở tải của diode nhỏ và gần bằng (R1 + R2)/K với K là hệ số

khuếch đại ở tần số làm việc.

• Tu C2 có nhiệm vu bù trừ ảnh hưởng của tu kí sinh C1 với điều kiện

R1 C1 =R2 C2 .

• Bộ khuếch đại sử dung dòng vào rất nhỏ và suy giảm do nhiệt không

đáng kể .

Chế độ quang dẫn

Chế độ quang thế

• Trong chế độ quang thế không có điện áp

ngoài đặt vào Diode, Photo diode làm việc như

một nguồn dòng

• Đặc điểm của chế độ này là không có dòng

điện tối do không có nguồn phân cực ngoài

nên giảm được ảnh hưởng của nhiễu và cho

phép đo quang thông nhỏ

Chế độ quang thế

• Trong chế độ này mạch có thể làm việc ở chế độ tuyến tính

hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải

• Nhiễu nhỏ

• Thời gian hồi đáp lớn và dải thông nhỏ

Sơ đồ Logarit Sơ đồ tuyến tính

Photo diode

• Ứng dung: Photo diode có thể dùng để do thông lượng ánh

sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm dầu thu trong

các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch …

Sơ đồ mach đo dòng ngược ở

chế độ quang dẫn

Sơ đồ mach đo dùng photo

diode ở chế độ quang thế

Photo Transistor

• Cấu tạo: Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng

Bazơ có thể được chiếu sáng

Sơ đồ phân cực transistor quang Sơ đồ tương đương

Photo Transistor

• Ứng dung:

– Transistor có thể dùng để do thông lượng ánh sáng,

dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm đầu thu

trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã

vạch, chế tạo các cảm biến quang trong công

nghiệp …

2.2.6 Các ứng dung cảm biến trong

công nghiệp

– Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền

– Phân biệt chiều cao của nắp

– Phát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộp

– Cảm biến phát hiện màu

– Đo đường kính của ống

– Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhôm

– Phát hiện nắp lọ bị lỏng

– Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin

– Phát hiện lon kim loại

Phát hiện màn trong

• E3S-R12 là sensor chuyên dùng để phát hiện

các màn trong suốt với độ tin cậy cao. Các

sensor quang thông thường không thể xác định

được chính xác như vậy.

Phát hiện dấu/vết trên nền

• E3X-DA là sensor có đèn led màu đỏ/màu xanh

dương hoặc xanh lá cho phép phát hiện độ tương

phản giữa các điểm, các vết màu trên nền. Người kỹ

sư rất dễ vận hành nhờ nút Tech trên sensor.

Phát hiện dây băng

• Bao thuốc lá được bọc bởi một vỏ bọc nylon sáng màu và có 1

dy băng để dễ dàng bóc lớp bao này ra. Có thể dùng sensor

trong trường hợp này để phát hiện dây băng này có nằm đúng

vị trí hay không. E3C-VM35R rất nhỏ, có thể phát hiện vật thể

có kích thước nhỏ đến 0,2mm. Nó cũng phân biệt được sự

khác biệt rất nhỏ về màu sắc.

Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp

• Nắp lọ/hộp được bọc bởi một lớp plastic bảo vệ niêm phong

ngăn không khí, vỏ bọc này rất mỏng, trong suốt và bóng láng.

Một sensor truyền thống không thể phát hiện được chính xác

đối tượng có độ bóng cao như vậy. Omron đã sáng chế ra loại

sensor cu thể đáp ứng được yêu cầu trên là: E3X-NL11 dùng

với đầu E32-S15L1 với độ tin cậy cao

Phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy

• Nhãn giấy bằng plastic có độ phản xạ rất cao mà các loại

sensor trước đây không thể phát hiện được. Sensor E3X-NL11

với đầu fiber E32-S15L-1 của OMRON có thể được dùng để

phát hiện các vật thể bóng loáng như trong trường hợp này.

Phát hiện nắp nhôm trên chai nước

• Nhiệm vu là phát hiện nắp nhôm trên chai nước. E2CY-C2A là

sensor tiệm cận chuyên để phát hiện vật thể bằng nhôm với độ

tin cậy cao. Nó rất dễ cài đặt, chỉ cần ấn nút TEACH trên bộ

khuyếch đại.

Phát hiện chai PET

• Chai PET thường rất mỏng và chứa nước hoặc chất lỏng trong

suốt. Hình dạng của chai là hình trọn hoặc hình vuông với các

gờ cạnh. Do vậy, việc dùng các loại sensor quang thông

thường để phát hiện sẽ không tin cậy. Omron đã phát triển 1

loại sensor đặc biệt dùng cho muc đích này là model E3Z-B

với độ tin cậy cao.

Phát hiện mẫu bánh trên băng

chuyền • Phát hiện mẩu bánh, kẹo với kích thướt và hình dạng, màu sắc

khác nhau mà không cần phải cài đặt, thiết lập phức tạp. E3S-

CL là loại Photosensor của OMRON với khoảng cách phát

hiện xác định và điều chỉnh được dễ dàng.

Phân biệt chiều cao của nắp

• E3G-L1 là loại photosensor đặt được khoảng cách thế hệ mới.

Nó có thể phát hiện 1 cách chính xác sự khác biệt dù là nhỏ

nhất về chiều cao vật. Hoạt động của sensor không bị ảnh

hưởng bởi màu sắc, chất liệu, độ nghiêng dốc, độ bóng và kích

thướt vật thể. Có thể dể dàng chỉnh được khoảng cách phát

hiện của sensor bằng nàn hiển thị kép.

Phát hiện mức sữa/nước trái cây

bên trong hộp • Phát hiện sữa/nước trái cây bên trong hộp màu trắng, không

trong suốt (hộp đã đóng nắp). E3Z-T61 với tia sáng mạnh, có

thể xuyên qua lớp vỏ bọc giấy bên ngoài của hộp và do đó có

thể phát hiện được sữa/trái cây có bên trong hộp giấy hay

không. E2K-C là sensor tiệm cận công suất lớn, nó cũng có thể

phát hiện được có chất lỏng bên trong hộp hay không.

Cảm biến phát hiện màu

• Nhiệm vu là phát hiện bàn chải đánh răng và phân loại các

màu khác nhau. E3MC là loại sensor màu, nó rất dễ dàng nhận

biết màu của vật theo yêu cầu (có chức năng Teach). Tín hiệu

ra của E3MC có thể nối với bộ điều khiển để phân loại, xác

định lỗi …

Đo đường kính của ống

• Sensor laser với tia sáng song song Z4LC là loại cho

phép đo đường kính ống với độ chính xác cao mà

không cần tiếp xúc.

Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp

nhôm

• Bằng cách kiểm tra độ lõm của nắp. Sensor lazer ZX

có thể phân biệt được độ chênh lệch chiều cao rất

nhỏ, do vậy khi nắp bị dẹp (do thủng lỗ) hay lồi lên,

đầu ra sẽ được cảnh báo ngay với tốc độ hoạt động

khá cao

Phát hiện nắp lọ bị lỏng

• Phát hiện nắp lọ bị lỏng với Z4LB-S10V2 của loại sensor

thông minh ZX-LT với tia lazer song song có thể phát hiện

được nắp lọ bị lỏng hoặc các ứng dung tương tự chính xác tới

vài micromet.

Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay

của viên pin

• Sensor F10 hoạt động trên nguyên tắc bắt hình

và so với mẫu đã lưu. Do đó ta có thể kiểm tra

sản phẩm có hình ảnh không đúng như mẫu đã

lưu (hình bị quay, nghiêng, sai loại…)

Phát hiện lon kim loại

• Phát hiện các lon kim loại đang di chuyển trên băng

chuyền. E2EV là loại cảm biến tiệm cận cảm ứng từ,

có thể phát hiện tất cả các kim loại, ngoài ra còn có

loại sensor phát hiện sắt từ(E2E) và sensor chỉ phát

hiện nhôm/đồng là E2EY.

Documents

Cảm Biến Nhiệt