• Cảm biến quang học là các cảm biến dùng để
phát hiện các bức xạ điện từ trong dải quang
học rộng (hồng ngoại xacực 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
19 trang |
Chia sẻ: lantls | Lượt xem: 2631 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đo lường - Cảm biến Cảm biến quang học, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
File đính kèm:
- cam bien quang.pdf