Giáo trình Đo lường-Cảm biến - Chương 3: Cảm biến quang học

Nội dung text: Giáo trình Đo lường-Cảm biến - Chương 3: Cảm biến quang học

1. Đo lường - cảm biến Cảm biến quang học
2. Giới thiệu • Cảm biến quang học là các cảm biến dùng để phát hiện các bức xạ điện từ trong dải quang học rộng (hồng ngoại xa cực tím) • Có thể trực tiếp chuyển đổi từ ánh sáng sang điện (các cảm biến quang điện hoặc quang dẫn) • Có thể gián tiếp chuyển đổi thành sự thay đổi nhiệt độ sau đó sang tín hiệu điện Đo lường – Cảm biến
3. Cảm biến quang • Dựa trên 2 nguyên lý – Hiệu ứng nhiệt – Hiệu ứng lượng tử • Hiệu ứng nhiệt: sự hấp thu bức xạ của vật thể làm gia tăng chuyển động của các nguyên tử. Điều này có thể làm giải phóng các electron (tăng nhiệt) • Hiệu ứng lượng tử: do các photon tương tác với các nguyên tử, bao gồm cả việc giải phóng các electron Đo lường – Cảm biến
4. Hiệu ứng quang điện • Ánh sáng gồm các hạt nhỏ photon • Phương trình Planck: e=hf h = 6.6262x10  [joule.second] (hằng số Planck) f = tần số e = năng lượng của 1 photon tại tần số bức xạ f. • Năng lượng photon phải lớn hơn hoặc bằng năng lượng liên kết của vật liệu để có thể giải phóng các electron Đo lường – Cảm biến
5. Đường đi của bức xạ Độ mở ống kính Aperture Ống kính Lenses dùng tập trung hay phân tán bức xạ Gương chiếu Mirror phản xạ bức xạ Vách ngăn Ống rỗng: giảm ảnh hưởng của ánh sáng môi trường xung quanh Cửa sổ: bảo vệ cảm biến, giới hạn bức xạ Cáp quang: truyền dẫn bức xạ Chopper (Bộ xén) gián đoạn bức xạ tới Bộ khuyếch đại AC Bộ giải mã và hiệu chuẩn Đo lường – Cảm biến
6. Cảm biến quang điện • Cảm biến quang điện là các linh kiện quang điện, thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó • Tế bào quang dẫn – quang trở • Photodiode • Phototransitor Đo lường – Cảm biến
7. Various photoconductors (photoresistors) Đo lường – Cảm biến
8. Photodiodes • Photodiode as used in Photodiode array used in a CD player a scanner Đo lường – Cảm biến
9. Photodiode Đo lường – Cảm biến
10. Phototransitor Đo lường – Cảm biến
11. Cảm biến phát xạ • Tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ quang điện • Cơ chế phát xạ: - Hấp thụ photon và giải phóng electron bên trong vật liệu - Electron được giải phóng di chuyển tới bề mặt - Electron thoát khỏi bề mặt cathode • Tế bào quang điện – Solar cell Đo lường – Cảm biến
12. Solar cells Đo lường – Cảm biến
13. CCD – Coupled Charge Device • Ứng dụng trong máy ảnh, máy quay phim, • Bộ phận cảm nhận ánh sáng cơ bản của CCD là MOS (hoạt động như một photodiode và thiết bị lưu trữ • Cửa (gate) và bề mặt tạo thành một tụ điện, trong đó Gate được phân cực dương • Bức xạ quang đi vào thiết bị qua Gate và lớp Oxide làm giải phóng electron vào vùng chứa • Mật độ electron trong vùng chứa tỉ lệ với cường độ bức xạ Đo lường – Cảm biến
14. CCD – Coupled Charge Device • Đo mật độ điện tích có thể thực hiện bằng cách phân cực ngược MOS để xả qua một điện trở R • Điện áp V0 sẽ tỉ lệ trực tiếp với cường độ ánh sáng • Cảm biến CCD gồm lượng lớn các tụ MOS đặt gần nhau • Các tụ MOS được đo mật độ điện tích lần lượt theo từng hàng • CCD có thể xem như một mảng bộ nhớ, được duy trì tính toàn vẹn của thông tin cho tới khi được đọc ra Đo lường – Cảm biến
15. CCD – Coupled Charge Device • Để cảm nhận màu sắc, các bộ lọc được sử dụng để tách các màu thành các thành phần cơ bàn (RBG) • Mỗi màu sắc cơ bản được cảm nhận riêng biệt và tạo thành một phần của tín hiệu. Một CCD màu sẽ bao gồm 3 cell cho mỗi pixel (mỗi cell cho 1 màu cơ bản) A CCD array for a video camera (500lines,625pixels,3colors) Đo lường – Cảm biến
16. Cảm biến quang dùng hiệu ứng nhiệt • PIR (Passive Infra Red - hồng ngoại thụ động) hay AFIR (Active Far Infra Red – viễn hồng ngoại tích cực) • Cảm biến PIR gồm 2 phần cơ bản: - Bộ hấp thụ dùng chuyển đổi bức xạ thành nhiệt - Cảm biến nhiệt độ để chuyển nhiệt thành tín hiệu điện • Cảm biến AFIR: cần nguồn điện ổn định và mạch điều khiển nhiệt độ nhưng nhạy cảm hơn nhiều so với PIR - Nguồn nuôi cấp cho cảm biến làm nóng phần tử cảm ứng (lớn hơn nhiệt độ môi trường) - Nhiệt độ phần tử cảm ứng được giữ không đổi - Nhiệt do bức xạ được đưa tới cảm biến - Công suất cần thiết để giữ nhiệt độ không đổi là công suất bức xạ cần đo Pnguồn = Ploss + Pbức xạ Đo lường – Cảm biến
17. Cảm biến quang dùng hiệu ứng nhiệt Cảm biến PIR với cảm biến nhiệt độ bên trong Cảm biến PIR phát hiện chuyển động Đo lường – Cảm biến
18. Ứng dụng • Đo độ sáng dùng • Ứng dụng phototransitor – Điều khiển độ sáng trong – Đáp ứng phi tuyến nhà thông minh • Dùng bảng tra cứu • Đóng hay mở rèm che cửa dựa vào ngõ ra của mạch đo độ sáng • Đóng mở đèn theo độ sáng Đo lường – Cảm biến
19. Ứng dụng • Mạch ứng dụng Photodiode/Phototransitor • Mạch ứng dụng dùng LDR Đo lường – Cảm biến