Luận văn Nghiên cứu xây dựng hệ đo các đặc trưng quang dẫn vùng hồng ngoại ở nhiệt độ phòng

DANH MỤC HÌNH VẼ . v

DANH MỤC BẢNG.vii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .viii

MỞ ĐẦU . 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN . 3

1.1. Hiệu ứng quang dẫn. 3

1.1.1. Các quá trình kích thích quang cơ bản trong bán dẫn . 3

1.1.2. Phương trình cơ bản của hiệu ứng quang dẫn . 4

1.2. Các thông số và đặc tuyến của cảm biến quang dẫn. 9

1.2.1. Độ nhạy tích phân. 10

1.2.2. Điện áp nhiễu (ồn). 10

1.2.3. Ngưỡng nhạy . 13

1.2.4. Thời gian đáp ứng . 14

1.2.5. Điện trở . 14

1.2.6. Đặc tuyến phổ. 15

1.2.7. Đặc tuyến tần số . 17

1.2.8. Đặc tuyến năng lượng. 18

1.2.9. Đặc tuyến điện áp. 19

1.2.10. Phổ nhiễu. 19

CHƯƠNG 2. THIẾT LẬP HỆ ĐO CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG QUANG

DẪN VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN . 20

2.1. Bài toán bức xạ và phép đo. 20

2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ đo. 22

2.2.1. Nguồn cấp Bias. 22

2.2.2. Nguồn hồng ngoại . 23

2.2.3. Bộ điều biến quang . 23

2.2.4. Bộ khuếch đại và lọc tần. 24

pdf71 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 28/02/2022 | Lượt xem: 327 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu xây dựng hệ đo các đặc trưng quang dẫn vùng hồng ngoại ở nhiệt độ phòng, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
à nhiễu sinh ra do sự thăng giáng ngẫu nhiên của nhiệt độ quang trở xung quanh một giá trị trung bình nào đó. Nhiễu nhiệt độ được tính theo công thức sau [7]: 2 2 5 t U QT QT QTU s 16q k T f   (1.22) Trong đó: qQT là diện tích phần tử nhạy quang của quang trở. 13 1.2.2.6. Nhiễu (ồn) hạt Nhiễu hạt là nhiễu xuất hiện do sự thăng giáng theo thời gian của dòng hạt tải điện rời rạc tạo nên dòng điện. Nhiễu hạt được tính theo công thức sau: 2 2 H TU 2eiR f  (1.23) 1.2.3. Ngưỡng nhạy Ngưỡng nhạy là một trong những thông số quan trọng nhất của đầu thu bởi vì nó xác định cự ly hoạt động tối đa của thiết bị hồng ngoại, đó là giá trị quang thông nhỏ nhất tạo nên ở đầu ra tín hiệu bằng điện áp nhiễu (hiệu dụng), hoặc lớn hơn điện áp đó m lần. 2 on Um U / s (1.24) Giá trị của hệ số m phụ thuộc vào quan điểm là ta muốn so sánh ngưỡng nhạy với cái gì. Nếu ta xem xét ứng dụng của đầu thu trong những điều kiện lý tưởng thì m = 1. Nếu đầu thu được lắp vào một mạch điện cụ thể với mục đích tách tín hiệu trên nền nhiễu thì người ta chọn m bằng 3÷5, riêng đối với một số mạch đặc biệt thậm chí người ta chọn m bằng hoặc nhỏ hơn 1. Vì rằng điện áp nhiễu của đầu thu phụ thuộc vào diện tích qQT phần tử nhạy của quang trở và dải thông Δf của bộ khuếch đại tín hiệu, cho nên để so sánh các quang trở khác nhau người ta sử dụng một đại lượng khác, đó là ngưỡng nhạy tính cho một dải thông bằng 1 đơn vị (1 Hz) và một đơn vị diện tích của phần tử nhạy (1 cm2) [7]: * 2 on U QTm U / (s q f )   (1.25) Đơn vị của Ф* là 1 1/2Wcm Hz  Trên thực tế đại lượng được sử dụng nhiều hơn cả là đại lượng nghịch đảo của Ф*, đó là năng suất phát hiện D*: 14 * 2 U QT onD (s q f ) / m U  (1.26) Đại lượng D* cũng không phụ thuộc vào diện tích phần tử nhạy quang của quang trở, nên rất phù hợp cho việc so sánh các linh kiện khác nhau. Thông thường người ta ghi D* dưới dạng D*(λ, fM, 1) để chỉ rõ điều kiện đo của đại lượng này (Cụ thể, cách ghi như vậy có nghĩa là D* được xác định ở bước sóng λ, tần số đo bằng fM và dải thông bằng 1 Hz). 1.2.4. Thời gian đáp ứng Thời gian đáp ứng hay còn gọi là hằng số thời gian của quang trở là khoảng thời gian τ kể từ khi bắt đầu chiếu sáng đến khi tín hiệu đầu ra của nó đạt tới một tỷ lệ nhất định so với giá trị dừng. Đối với phần lớn các đầu thu, tín hiệu đầu ra tăng theo quy luật hàm mũ, vì vậy thường người ta chọn τ bằng khoảng thời gian từ lúc bắt đầu chiếu sáng cho đến khi tín hiệu đầu ra đạt mức bằng 0,63 giá trị dừng. Thời gian đáp ứng của quang trở qui định tần số điều chế lớn nhất đối với tín hiệu bức xạ. Giá trị của τ thay đổi trong phạm vi rất rộng, từ mức mili giây đối với các quang trở CdS cho đến mức vài phần chục micro giây như đối với quang trở sử dụng vật liệu InSb. Độ tản mát về thời gian đáp ứng đối với các mẫu khác nhau của cùng một loại quang trở không vượt quá 5÷10%. 1.2.5. Điện trở Điện trở RQT của quang trở được hiểu là điện trở tối của quang trở. Giá trị của điện trở có ảnh hưởng đối với các tính chất của bản thân quang trở cũng như có ảnh hưởng đối với mạch đầu vào của sơ đồ khuếch đại. Đối với quang trở, điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh, vật liệu của màng nhạy quang và hình dạng, kích thước của phần tử nhạy quang. Trong tất cả các thông số của quang trở thì điện trở là thông số kém ổn định nhất và giá trị của nó phụ thuộc nhiều yếu tố. 15 1.2.6. Đặc tuyến phổ Đặc tuyến phổ là đồ thị phụ thuộc của độ nhạy quang trở đối với bức xạ đơn sắc vào bước sóng tương ứng. Đây là một trong những đặc tuyến quan trọng nhất của quang trở, vì nó quyết định hiệu quả sử dụng quang trở đối với việc thu tín hiệu bức xạ phát đi từ mục tiêu với phân bố phổ bức xạ biết trước. Đặc tuyến phổ của các quang trở thông thường là những đường cong trơn có một cực đại. Khi lựa chọn đầu thu, cần cố gắng sao cho vị trí của cực đại đó phù hợp tốt nhất với cực đại phân bố mật độ bức xạ của nguồn phát, bởi vì khi đó thì bức xạ phát đi từ nguồn được sử dụng hiệu quả nhất. Đối với phần lớn các quang trở thì biên vùng phổ nhạy quang ở phía sóng dài và độ nhạy cực đại tăng khi nhiệt độ giảm, vì thế phải sử dụng các cơ cấu làm lạnh sâu chuyên dụng để làm lạnh các phần tử nhạy quang. Sử dụng đặc tuyến phổ của đầu thu, ta có thể tính được hệ số sử dụng bức xạ thu được và tính toán độ nhạy khi chuyển từ chế độ làm việc này sang chế độ làm việc khác. Hệ số sử dụng của đầu thu được xác định như sau [4,6]: 2 1 2 1 ,T ,T S .r d r d               (1.27) Trong đó τλ là độ truyền qua của môi trường ở bước sóng λ; rλ,T là mật độ phổ bức xạ của nguồn, λ1 và λ2 là giới hạn vùng phổ nhạy quang của quang trở. Khi nhiệt độ của nguồn thay đổi, không những chỉ có cường độ bức xạ thay đổi, mà cả phân bố phổ của dòng bức xạ từ nguồn chiếu tới quang trở cũng thay đổi, vì vậy người ta phải đưa ra thông số κ. Đôi khi người ta đưa ra khái niệm hệ số sử dụng đối với vật đen lý tưởng với nhiệt độ cho trước, đồng thời lấy tích phân từ 0 đến vô cùng. Khi đó ta có: 16 ,T 0 4 S .r d T        (1.28) Thông thường các hàm số sλ và τλ được biểu diễn dưới dạng đồ thị hoặc bảng, tích phân (1.27) và (1.28) thường được tính bằng phương pháp số. Bây giờ ta giả sử rằng có một đầu thu với độ nhạy điện áp sU1 đối với bức xạ có phân bố phổ r1(λ,T) và ta muốn tính độ nhạy điện áp của đầu thu đó đối với nguồn bức xạ với nhiệt độ khác, có phân bố mật độ phổ bức xạ là r1(λ,T). Khi đo độ nhạy điện áp sU1, đầu thu hoạt động trong môi trường có phổ truyền qua là τ1λ, khi làm việc với nguồn bức xạ r2(λ,T), đầu thu hoạt động trong môi trường có phổ truyền qua là τ2λ. Biểu thức tính sU trong trường hợp tổng quát có dạng: 2 1 2 1 ,max ,T U ,T s s r d s s r d                 (1.29) Trong đó sλ,max là giá trị cực đại của độ nhạy trong phân bố phổ độ nhạy của đầu thu, sλ là hàm ứng với phổ độ nhạy tỷ đối. Ta dễ thấy rằng: 2 2 1 1 2 2 1 1 ,max 1 1 ,max 2 2 U1 U2 1 2 s s r d s s r d s ; s s r d s r d                             (1.30) Từ đây suy ra: 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 1 U2 U1 1 1 2 s r d . s r d s s s r d . s r d                          (1.31) 17 Nói cách khác, ta có: 2 U2 U1 1 s s    (1.32) Đôi khi cần phải tính độ nhạy tuyệt đối sλ,abs đối với bức xạ đơn sắc có bước sóng bằng λ dựa theo các đặc tuyến phổ tỷ đối đã biết sλ và độ nhạy tuyệt đối sΣ được đo cho dải phổ từ λ1 đến λ2 đối với nguồn bức xạ cho trước với phân bố phổ r(λ,T) cho trước. Ta xuất phát từ các phương trình: 2 1 2 1 ,max ,T ,abs ,max ,T s s r d s s ; s s r d                  (1.33) Từ đây ta được: 2 1 2 1 ,T ,abs ,T s s r d s s r d                (1.34) Đại lượng sΣ đối với khoảng bước sóng từ 0 đến ∞ chính là độ nhạy tích phân được liệt kê trong tài liệu đi kèm của các đầu thu. 1.2.7. Đặc tuyến tần số Đặc tuyến tần số là hàm mô tả sự phụ thuộc của độ nhạy quang trở vào tần số điều chế của bức xạ chiếu tới. Dạng đặc tuyến tần số phụ thuộc vào thời gian đáp ứng τQT của quang trở và vào cách điều chế bức xạ quang. Nếu ta ký hiệu s(0) là độ nhạy của quang trở ở tần số điều chế nhỏ xấp xỉ bằng không, s(f) là độ nhạy của quang trở ở tần số điều chế f thì đối với các quang trở mà tín hiệu ra phụ thuộc vào thời gian theo hàm mũ, ta có: Khi bức xạ chiếu tới được điều chế dưới dạng xung hình sin [6]: 18   2 QT s(0) s f 1 (2 f )     (1.35) Khi bức xạ chiếu tới được điều chế dưới dạng xung vuông: 1 1 exp 2 ( ) 1 1 exp 2                 QT QT f s f f   (1.36) Nếu biết hàm s(f), ta có thể tính được dải thông hiệu dụng của đầu thu. Nếu không kể đến sự phụ thuộc của nhiễu tạp vào tần số thì dải thông hiệu dụng của đầu thu được tính theo công thức sau: 2 eff 2 0 s(f ) f df s(0)     (1.37) Từ các công thức (1.35) và (1.36), ta thấy rằng khi tần số điều chế tăng thì độ nhạy của đầu thu giảm. Tần số điều chế chấp nhận được đối với đầu thu được chọn dựa theo tiêu chuẩn sau: QT 1 f 3   (1.38) 1.2.8. Đặc tuyến năng lượng Đặc tuyến năng lượng là đường cong mô tả sự phụ thuộc của tín hiệu đầu ra vào cường độ bức xạ chiếu tới phần tử nhạy của quang trở. Dựa trên đồ thị này, có thể xác định được độ nhạy điện áp (độ nhạy tích phân) của đầu thu, chính bằng độ dốc của đồ thị phụ thuộc của điện áp đầu ra vào quang thông chiếu tới. Đối với các đầu thu mà điện áp đầu ra phụ thuộc phi tuyến vào quang thông thì độ nhạy điện áp phải được xác định ở một độ rọi định trước đối với phần tử nhạy, hay nói cách khác là ở một nhiệt độ cho trước của nguồn phát 19 (thường là vật đen tuyệt đối). Ở mức chiếu sáng khác, độ nhạy sẽ khác. Điều đó có thể tính toán được nếu biết đặc tuyến năng lượng của đầu thu. 1.2.9. Đặc tuyến điện áp Các đặc tuyến điện áp biểu diễn sự phụ thuộc vào điện áp nuôi đầu thu của các đại lượng như độ nhạy điện áp, ngưỡng nhạy và điện áp nhiễu. Khi điện áp nuôi đầu thu tăng lên thì độ nhạy điện áp tăng, nhưng đồng thời điện áp nhiễu cũng tăng theo, vì thế người ta sử dụng các đặc tuyến điện áp để tối ưu hóa tỷ lệ tín/tạp của đầu thu. 1.2.10. Phổ nhiễu Phổ nhiễu tạp là đường cong mô tả sự phân bố nhiễu tạp theo tần số, còn gọi là phổ công suất nhiễu tạp. Trên cơ sở đặc tuyến này người ta lựa chọn tần số điều chế và dải thông của mạch khuếch đại sao cho tỷ số tín/tạp là lớn nhất. Ngoài những đặc tuyến kể trên của đầu thu bức xạ, còn có những đặc tuyến khác, như các đặc tuyến mô tả sự phụ thuộc của các thông số quang trở vào thời gian, nhiệt độ, vào các tác động cơ học và điều kiện môi trường (thời tiết), góc nghiêng của chùm bức xạ so với mặt phẳng của phần tử nhạy Tuy nhiên, các đặc tuyến này không được phổ biến rộng rãi trên thực tế. 20 CHƯƠNG 2. THIẾT LẬP HỆ ĐO CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG QUANG DẪN VÙNG HỒNG NGOẠI GẦN Hệ đo các thông số đặc trưng quang dẫn vùng hồng ngoại gần có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu, khảo sát các tính chất của vật liệu quang dẫn cũng như đánh giá khả năng ứng dụng của các cảm biến quang dẫn (quang trở). 2.1. Bài toán bức xạ và phép đo Đây là phép đo liên quan đến bài toán năng lượng bức xạ điện từ chiếu đến bề mặt một vật và làm xuất hiện tín hiệu (điện) thay đổi do ảnh hưởng của quá trình kích thích đó. Nguồn bức xạ ở đây là các nguồn phát hồng ngoại có thể cung cấp phổ hồng ngoại ở các nhiệt độ khác nhau một cách ổn định và chính xác. Công suất phát xạ của một đơn vị diện tích bề mặt nguồn có nhiệt độ Tn được tính theo định luật Stefan - Boltzmann [8]: 4 4 n RW (T T )   (2.1) Trong công thức này: W là công suất phát xạ của một đơn vị diện tích [W/m2];  là hệ số phát xạ của nguồn (đối với vật đen tuyệt đối  = 1);  = (5,67.10-12 (W/cm2K-4) là hằng số Stefan - Boltzmann; Tn, TR lần lượt là nhiệt độ của nguồn phát và nhiệt độ của môi trường. Đối với một nguồn bức xạ có dạng cầu, công suất truyền đi được phân bố đều trong góc khối 4. Khi đó, năng lượng bức xạ chiếu đến một diện tích bề mặt nào đó sẽ phụ thuộc vào các yếu tố: khoảng cách đến nguồn chiếu xạ, diện tích được chiếu xạ và góc tới của chùm tia bức xạ với bề mặt vật. 21 Hình 2.1. Mô hình kích thích hiệu ứng quang dẫn hồng ngoại. Giải bài toán công suất bức xạ đơn giản nhất chính là sử dụng nguồn bức xạ vật đen tuyệt đối ( = 1). Nếu cửa sổ bức xạ có diện tích dS, tổng năng lượng bức xạ có thể xem như được phân bố trong một góc khối 2 (Hình 2.2) với quy luật phân bố cường độ tuân theo định luật Lambert [1,6,8]. Hình 2.2. Phân bố bức xạ theo định luật Lambert. Gọi I là cường độ bức xạ (trong một đơn vị góc khối) theo hướng vuông góc với bề mặt phát xạ thì tổng công suất của chùm bức xạ được tính theo công thức: /2 2 /2 0 0 0 P cos .I.sin d d 2 .I. cos sin d I                  (2.2) Suy ra: P I   (2.3) Cửa sổ phát xạ hồng ngoại Bề mặt mẫu a d S 22 Giả sử bức xạ hồng ngoại phát ra từ cửa sổ của nguồn vật đen tuyệt đối có dạng tròn, đường kính a chiếu lên diện tích mẫu S nằm cách nguồn một khoảng là d. Để đơn giản ta cho rằng của chùm bức xạ tới bề mặt mẫu theo phương vuông góc. Công suất chùm bức xạ phát ra từ nguồn là: 2 4 4 n n RP a . (T T )    (2.4) Do mẫu có diện tích là S nên góc khối tương ứng là S/d2. Công suất bức xạ hồng ngoại chiếu tới mẫu được tính theo công thức: 2 4 4 m n R 2 a P S(T T ) d    (2.5) 2.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ đo Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của hệ đo [1,3,9]. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ đo được thể hiện trên Hình 2.3. Tùy vào thông số cần đo đạc mà lựa chọn các thành phần thiết bị khác nhau. 2.2.1. Nguồn cấp Bias Thường sử dụng nguồn điện một chiều lấy từ ắc qui, pin hoặc từ các thiết bị cung cấp nguồn một chiều độ chính xác cao [9]. 23 2.2.2. Nguồn hồng ngoại Nguồn hồng ngoại được sử dụng trong hệ đo là vật đen tuyệt đối có thể đạt tới hệ số phát xạ  ~ 1. Trên Hình 2.4 là phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối ở các nhiệt độ khác nhau tương ứng với công suất phát xạ và cực đại của phổ phát xạ khác nhau [7,10]. Hình 2.4. Phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối [7,10]. 2.2.3. Bộ điều biến quang Hình 2.5. Một số dạng đĩa điều biến. C ô n g s u ất ( W c m -2 sr -1 µ m -1 ) Bước sóng (µm) 24 Với mục đích hạn chế tối đa ảnh hưởng của nhiễu nên tín hiệu quang tới quang trở hồng ngoại thường được điều biến để tạo ra tín hiệu nhấp nháy chiếu vào quang trở. Tín hiệu hồng ngoại từ nguồn phát đi qua bộ điều biến sẽ tạo thành các tín hiệu xung dạng vuông, dạng hình sin ở các tần số khác nhau tùy theo yêu cầu đo đạc [11]. Để tạo ra một chùm bức xạ như vậy, người ta dùng một đĩa điều biến như Hình 2.5. 2.2.4. Bộ khuếch đại và lọc tần Thông thường tín hiệu thu được từ các quang trở rất bé nên trong quá trình sử dụng trong các ứng dụng cũng như việc đo đạc, khảo sát các thông số của quang trở đều cần tới các mạch khuếch đại [9,12]. Thực chất của khuếch đại là một quá trình biến đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp không chứa thông tin, được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu vào, chứa thông tin [9]. Kết quả là tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại như Hình 2.6. Hình 2.6. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại. 2.2.5. Thiết bị hiển thị Các máy hiện sóng (Osilloscope) được sử dụng làm thiết bị hiển thị, cung cấp cho người sử dụng hình ảnh trực quan sự thay đổi của tín hiệu đầu ra từ bộ khuếch đại theo thời gian. Có hai dòng máy hiện sóng là máy hiện sóng tương 25 tự và máy hiện sóng số. Các máy hiện sóng số ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn do khả năng lưu trữ, sao chép, truyền dữ liệu tới máy tính, tăng khả năng tính toán và xử lý các tín hiệu. 2.3. Phân tích chi tiết các thiết bị được sử dụng trong hệ đo 2.3.1. Khối nguồn cung cấp điện Để tránh mọi nguồn nhiễu có thể phát sinh liên quan đến khối cung cấp điện cho hệ đo, và năng lượng tiêu thụ không đáng kể nên nguồn được sử dụng là acqui hoặc pin mắc nối tiếp với nhau. Do nguyên lý hoạt động của acqui (hoặc pin) là chuyển hóa năng lượng hóa học thành điện năng nên quá trình phóng điện của acqui rất ổn định. Nhược điểm của nguồn dạng này là phải sạc lại sau một thời gian sử dụng. 2.3.2. Khối nguồn phát hồng ngoại Hệ đo sử dụng nguồn phát hồng ngoại là nguồn vật đen (BB - BlackBody) Models 67031 của hãng Newport (Mỹ) [10]. Hình 2.7. Vật đen Newport 67031. a) Cấu tạo: 26 Cấu tạo của nguồn phát hồng ngoại bao gồm hai bộ phận là bộ điều khiển nhiệt độ và khối vật đen. Khối vật đen có cấu tạo bao gồm khoang rỗng, lò nhiệt và 2 cặp nhiệt điện (Hình 2.8). Khoang rỗng là một cấu trúc dạng hình nón với góc mở 20o được chế tạo từ thép không gỉ đặc biệt và được xử lý để có thể phủ lớp vật liệu phát xạ cao trên bề mặt một cách đồng đều. Sự kết hợp của khả năng phát xạ cao của lớp bề mặt và cấu trúc hình học của khoang rỗng tạo ra khả năng phát xạ đồng nhất và rất hiệu quả. Khoang rỗng được đốt nóng bởi lò nhiệt điện trở, dòng đốt nóng điện trở cung cấp bởi bộ điều khiển nhiệt độ. Các thông số về nhiệt độ được liên tục cập nhập trên màn hình LCD của khối điều khiển. Sự thay đổi nhiệt độ của khối vật đen được cung cấp cho khối điều khiển sử dụng hai cặp nhiệt điện loại S (Pt/Pt 10% Rhodium), trong hai cặp nhiệt điện này, một cặp được đặt ngay cạnh đỉnh của khoang rỗng, cặp còn lại được đặt ở khoảng giữa khoang rỗng. Hình 2.8. Cấu tạo của vật đen tuyệt đối. Bộ điều khiển nhiệt độ điều khiển toàn bộ quá trình thiết lập, hiệu chỉnh nhiệt độ của khối vật đen dựa trên tín hiệu đầu vào từ các cặp nhiệt điện. Một bộ vi xử lý hoạt động theo PID tiêu chuẩn (tỷ lệ, tích phân và vi phân) được sử dụng để điều khiển và thu nhận các tín hiệu. Tất cả các thiết lập về thông số 27 chế độ làm việc có thể thao tác từ bảng điều khiển phía trước mặt máy. Trên bảng này có các mức cảnh báo nhiệt và hiển thị nhiệt độ của vật đen. Việc điều khiển thông số, lựa chọn và quá trình hiệu chỉnh được thực hiện đơn giản thông qua MENU, sử dụng 4 phím (trái, phải, trên, dưới). b) Thông số kỹ thuật và tính năng của vật đen Thông số kỹ thuật của khối vật đen được thể hiện trong Bảng 2.1. Hệ số phát xạ của khoang rỗng đạt giá trị 0,99% với sai số ±0,01%. Trên nguồn vật đen có các cửa sổ với khẩu độ mở khác nhau cho phép chúng ta thay đổi công suất phát xạ một cách dễ dàng. Bảng 2.1. Thông số kỹ thuật của vật đen. Khe hở của khoang rỗng Đường kính: 1 inch Loại khoang rỗng Dạng hình nón (góc mở 20o) lõm vào Hệ số phát xạ 0,99% ± 0,01% Hiệu chỉnh Cặp nhiệt điện loại S Nhiệt độ đĩa tròn Cao hơn nhiệt độ môi trường một lượng nhỏ hơn 20 oC tại 1050 oC Nhiệt độ vỏ bọc Cao hơn nhiệt độ môi trường một lượng nhỏ hơn 15 oC tại 1050 oC Kích thước cửa sổ phát xạ 0,6”; 0,4”; 0,2”; 0,1”; 0,05”; 0,02”; 0,125” Tính năng chung của khối nguồn phát hồng ngoại được thể hiện trong Bảng 2.2. Các tính năng quan trọng như độ chính xác và độ ổn định của nhiệt độ điều khiển, thời gian đốt nóng để đạt các nhiệt độ cần thiết lập sẽ được kiểm tra trước khi hệ thiết bị thực hiện các phép đo. 28 Bảng 2.2. Tính năng của nguồn vật đen. Khoảng nhiệt độ Từ 50 oC đến 1050 oC Độ chính xác ± 0,2 oC Độ ổn định +/- 0,02% toàn thang đo/ 24 giờ Độ phân giải Có thể lựa chọn 1 oC hoặc 0,1 oC Thời gian đốt nóng 35 phút (từ nhiệt độ môi trường tới 1050 oC) Đầu đo nhiệt độ Cặp nhiệt điện loại S Điều khiển PID Hiển thị - Nhiệt độ được hiển thị bởi màn hình LED - Điểm thiết lập và các thông số được hiển thị ở màn hình LCD. Tốc độ lấy mẫu 10 lần/ giây 2.3.3. Bộ điều biến quang Trong hệ đo, bộ điều biến quang được lựa chọn là SR540 của hãng Stanford Research Systems (Mỹ). Thiết bị này có cấu tạo gồm có 2 bộ phận chính (Hình 2.9). - Bộ điều khiển và hiển thị tần số. - Mô tơ và đĩa điều chế tín hiệu. 29 Hình 2.9. Bộ điều biến quang SR540 [13]. Tần số tín hiệu thay đổi thông qua sự thay đổi tốc độ quay của mô tơ và số khe trên đĩa điều biến, tần số tín hiệu thu được được tính theo công thức: f .n (2.6) Trong đó  là tốc độ quay và n là số khe cho bức xạ qua trên đĩa. Bằng cách thay đổi tốc độ quay hoặc thay thế số lượng khe trên đĩa ta sẽ được tần số điều chế mong muốn. Bảng 2.3. Tính năng kỹ thuật của bộ điều biến. Tần số tín hiệu điều biến  4 Hz đến 400 Hz khi sử dụng đĩa điều chế 5/6 khe.  400 Hz đến 3700 Hz khi sử dụng đĩa điều chế 25/30 khe. Độ chính xác ±1 Hz Điều khiển tần số 3 khoảng điều khiển:  4 Hz đến 40 Hz  40Hz đến 400 Hz  400 Hz đến 3700 Hz Kích thước  Bộ điều khiển: 7,7” x 5,1” x 1,8”  Đường kính đĩa điều chế: 4,00” 30 2.3.4. Khối cảm biến Khối cảm biến dùng để gắn các mẫu quang trở khác nhau trong quá trình đo đạc. Nhiệm vụ của khối là phân áp cho mẫu, biến đổi tín hiệu bức xạ hồng ngoại từ nguồn vật đen sau khi được điều biến chiếu tới mẫu thành tín hiệu điện áp xoay chiều, sử dụng tín hiệu này là tín hiệu đầu vào của khối khuếch đại. Mạch nguyên lý của khối cảm biến được thiết kế như trên Hình 2.10. Nguồn sử dụng 30V cấp cho khối cảm biến lấy từ khối nguồn cung cấp điện. Điện trở R3 = 220 k, điện trở R9 = 51 k, giá trị của tụ C1 = 15 µF. Trong quá trình đo đạc, điện trở R9 được thay thế bởi một biến trở để có thể dễ dàng thay đổi giá trị tín hiệu ra cho phù hợp với từng loại mẫu cần đo. Hình 2.10. Khối cảm biến [12]. Khi chưa có bức xạ chiếu vào mẫu, trong mạch có dòng điện tối I0: N 0 3,9 QT U I = R +R (2.7) Khi có bức xạ hồng ngoại chiếu vào mẫu, do hiện tượng quang dẫn, điện trở giảm đi một lượng là QTΔR . Khi đó dòng điện trong mạch khối cảm biến được tính theo công thức: N 1 3,9 QT QT U I = R +R -ΔR (2.8) 31 Khi tín hiệu hồng ngoại chiếu lên mẫu bị điều biến thông qua bộ điều biến quang thì thì trên RQT sẽ xuất hiện một tín hiệu điện áp xoay chiều, biên độ của nó được xác định: N QT DT C 0 1 QT T QT QT QT T U .R .ΔR U =(I -I ).R = (R +R -ΔR )(R +R ) (2.9) Tín hiệu này được lấy làm đầu vào cho khối khuếch đại. 2.3.5. Khối khuếch đại tín hiệu và lọc tần số Khối khuếch đại tín hiệu và lọc tần số bao gồm 2 thiết bị của hãng Stanford Research Systems (Mỹ):  Bộ tiền khuếch đại dải rộng nhiễu thấp SR560 với vai trò khuếch đại tín hiệu từ khối cảm biến trên dải tần số rộng làm cơ sở cho quá trình phân tích nhiễu của quang trở và đo đạc độ nhạy điện áp cũng như ngưỡng nhạy.  Bộ khuếch đại Lock-in SR830 có khả năng đo đạc các tín hiệu rất bé trên nền nhiễu lớn, có khả năng phân tích nhiễu ở các tần số khác nhau. a) Bộ tiền khuếch đại dải rộng: Sơ đồ mạch nguyên lý của bộ tiền khuếch đại dải rộng trên Hình 2.11. Hai thành phần chính của bộ tiền khuếch đại dải rộng là hai bộ lọc tần số và mạch khuếch đại thuật toán. Hình 2.11. Nguyên lý của bộ tiền khuếch đại dải rộng. 32 Bộ tiền khuếch đại dải rộng SR560 có hai bộ lọc tần số sử dụng mạch lọc tần kiểu R-C, mỗi bộ lọc bao gồm 16 mạch lọc tần số R-C. Một bộ lọc thông thấp và một bộ lọc thông cao sử dụng để cắt các khoảng tần số không mong muốn. Cấu hình tần số cắt của 2 bộ lọc có thể thực hiện trực tiếp trên mặt trước (Hình 2.12) của thiết bị, dải tần số lọc trong khoảng từ 0,03 Hz đến 1 MHz. Hình 2.12. Bộ tiền khuếch đại dải rộng SR560 [14]. Hệ số khuếch đại tín hiệu có thể tùy chỉnh tăng hoặc giảm trong khoảng từ 1 đến 5.104 bằng cách sử dụng phím bấm GAIN, các mức khuếch đại tín hiệu được cung cấp là: 1, 2 hoặc 5 nhân với các mức là 10, 100, 1000, 10000. Khối tiền khuếch đại có thể kết nối và điều khiển trực tiếp từ máy tính thông qua giao tiếp RS-232. Tính năng chi tiết của bộ tiền khuếch đại thể hiện trong Bảng 2.4, với những ưu điểm là nhiễu phát sinh từ thiết bị rất bé, méo tín hiệu nhỏ và độ ổn định cao. Bảng 2.4. Tính năng bộ tiền khuếch đại dải rộng SR560. Đầu vào tín hiệu Tín hiệu đơn hoặc tín hiệu so sánh Trở kháng lối vào 100 MΩ + 25 pF Đầu vào cực đại 1 VDC; 3 VAC Dải tần khuếch đại 0,03 ÷ 1 MHz 33 Nhiễu < 4nV/ Hz ở 1 kHz Hệ số khuếch đại 1 đến 5.104 Độ ổn định 200 ppm/ oC Độ trôi tín hiệu DC 5µV/ oC Méo tín hiệu 0,01% Công suất 60 W Điện áp và tần số làm việc 100/120/220/240 VAC, 50/60 Hz. Thời gian hoạt động sử dụng pin 15 giờ liên tục b) Bộ khuếch đại Lock-in: Bộ khuếch đại Lock-in được sử dụng để đo đạc các tín hiệu nhỏ và phân tích nhiễu. Các tín hiệu nhỏ tới vài nanoVolt vẫn có thể được đo đạc. Điểm đặc biệt nhất trong tính năng của bộ khuếch đại Lock-in là các phép đo đạc tín hiệu vẫn có thể được thực hiện trong trường hợp tín hiệu nhiễu lớn gấp hàng nghìn lần tín hiệu cần đo. Bộ khuếch đại Lock-in sử dụng một kỹ thuật gọi là “phát hiện nhạy pha” (PSD) để nhận biết các thành phần hợp thành ở một tần số tham chiếu riêng và pha. Các tín hiệu nhiễu ở tần số khác với tần số tham chiếu sẽ bị loại bỏ hoàn toàn và không ảnh hưởng tới kết quả đo. Hình 2.13 là bộ khuếch đại Lock-in SR830 [15]. Hình 2.13. Bộ khuếch đại lock-in SR830. 34 Tính năng cơ bản của bộ khuếch đại Lock-in được tổng hợp trong Bảng 2.5: Bảng 2.5. Tính năng của bộ khuếch đại Lock-in SR830. Đầu vào tín hiệu Tín hiệu đơn hoặc tín hiệu so sánh Trở kháng lối vào 10 MΩ+25 pF Tín hiệu đầu vào 1 nV ÷1 V Nhiễu < 6 nV/ Hz ở 1 kHz Dải tần hoạt động 1 mHz ÷ 102 kHz Độ trôi của pha tín hiệu tham chiếu < 0,01°/ °C Độ ổn định tần số 5 ppm/ oC Công suất 40 W, 100/120/220/240 VAC, 50/60 Hz. Bộ khuếch đại Lock-in có thể hoạt động ở chế độ đơn giản nhất là như một vôn-kế có độ nhạy rất cao. Nó có thể xác định tín hiệu ở

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_van_nghien_cuu_xay_dung_he_do_cac_dac_trung_quang_dan_v.pdf
Tài liệu liên quan