Bài giảng Đo lường - Cảm biến - Chương 3: Cảm biến quang học

Đo lường - cảm biến Cảm biến quang học 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 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 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 Đường đi của bức xạ Đo lường – Cảm biến 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 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 Various photoconductors (photoresistors) Đo lường – Cảm biến Photodiodes • Photodiode as used in Photodiode array used in a CD player a scanner Đo lường – Cảm biến Photodiode Đo lường – Cảm biến Phototransitor Đo lường – Cảm biến 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 Solar cells Đo lường – Cảm biến CCD – Coupled Charge Device Đo lường – Cảm biến • 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 CCD – Coupled Charge Device Đo lường – Cảm biến • 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 CCD – Coupled Charge Device Đo lường – Cảm biến A CCD array for a video camera (500lines,625pixels,3colors) • 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) 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 Cảm biến quang dùng hiệu ứng nhiệt Đo lường – Cảm biến Cảm biến PIR phát hiện chuyển động Cảm biến PIR với cảm biến nhiệt độ bên trong Ứng dụng • Đo độ sáng dùng phototransitor – Đáp ứng phi tuyến • Dùng bảng tra cứu • Ứng dụng – Điều khiển độ sáng trong nhà thông minh • 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 Ứng dụng • Mạch ứng dụng Photodiode/Phototransitor • Mạch ứng dụng dùng LDR Đo lường – Cảm biến