Giáo trình kỹ thuật sensor và đo lường điện

Do đó, cảm biến được định nghĩa như nhữngthiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành cácđại lượng điện có thể đo được như dòng điện, điện thế,

Trong hệ thống đo lường – điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi cácbiến trạng thái: nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment… Các biến trạng thái này thường là cácđại lượng không điện Tuy nhiên, trong các quá trình đo lường – điều khiển, thông tinđược truyền tải và xử lý dưới dạng điện Do đó, cảm biến được định nghĩa như nhữngthiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành cácđại lượng điện có thể đo được (như dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng v.v…).

Trong mô hình mạch điện, ta có thể coi cảm biến như một mạch hai cửa Trong đócửa vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đáp ứng y của bộ cảm biến với kích thíchđầu vào x

Phương trình quan hệ: y = f(x) thường rất phức tạp

Sơ đồ điều khiển tự động quá trình:

- Bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số hệ thống

- Bộ xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình

II Phân loại cảm biến

a Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

- Vật lý: nhiệt điện, quang điện, điện từ, từ điện,…

- Hóa học: hóa điện, phổ,…

- Sinh học: sinh điện, …

b Phân loại theo dạng kích thích: âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiệt,…

c Phân loại theo tính năng: độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải, độ tuyến tính…

d Phân loại theo phạm vi sử dụng: công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, thông tin, nông nghiệp…

e Phân loại theo thông số của mô hình thay thế:

- Cảm biến tích cực (có nguồn) ngõ ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

- Cảm biến thụ động (không có nguồn): R, L, C, tuyến tính, phi tuyến

III Bộ cảm biến tích cực và thụ động

1 Cảm biến tích cực

Bộ cảm biến tích cực có nguồn, hoạt động như một nguồn áp hoặc nguồn dòng Các hiệu ứng vật lý ứng dụng trong các cảm biến tích cực:

a Hiệu ứng cảm ứng điện từ (Faraday phát hiện năm 1831)

Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường

sẽ xuất hiện sức điện động tỉ lệ với biến thiên từ thông,

tức là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn

Ứng dụng để xác định tốc độ chuyển động của

vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng

b Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck phát hiện năm 1821)

Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn

kín sẽ xuất hiện sức điện động tỉ lệ nhiệt độ mối hàn

Ứng dụng để đo nhiệt độ

Ngược lại khi cho dòng điện chạy qua chất có bản

chất hóa học khác nhau sẽ tạo nên sự chênh lệch nhiệt độ

(Peltire phát hiện)

c Hiệu ứng hỏa điện

Một số tinh thể hỏa điện có tính chất phân cực điện

tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ Trên các mặt đối diện

của chúng xuất hiện các điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ

thuận với độ phân cực điện phụ thuộc vào quang thông 

Được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh

sáng Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của chúng tăng lên làm thay đổiphân cực điện, xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện

d Hiệu ứng áp điện (Pierre Curie phát hiện năm 1880)

Khi tác động cơ học lên bề mặt vật liệu áp điện

(thạch anh, muối Segnet…) làm vật liệu biến dạng và xuất

hiện các điện tích bằng nhau và trái dấu

Ứng dụng để đo các đại lượng cơ như áp suất, ứng

suất… thông qua việc đo điện áp trên hai cực tụ điện

e Hiệu ứng quang điện (A Einstein phát hiện năm 1905)

Bản chất hiệu ứng quang điện là việc giải phóng các hạt dẫn

tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng

Ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang

Hiệu ứng quang phát xạ điện tử là hiện tượng các điện

tử được giải phóng khỏi vật liệu tạo thành dòng dưới tác dụng

của điện trường

f Hiệu ứng quang-điện-từ.

Khi tác dụng một từ trường vuông góc với bức

xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ

xuất hiện hiệu điện thế vuông góc với phương từ

trường và phương bức xạ ánh sáng Cho phép nhận

được dòng điện hoặc điện áp phụ thuộc vào độ chiếu

sáng

Ứng dụng trong các bộ cảm biến đo các đại lượng

quang hoặc chuyển đổi thông tin dạng ánh sáng thành tín hiệu điện

g Hiệu ứng Hall (Hall phát hiện năm 1879)

Cho dòng điện chạy qua vật liệu bán dẫn đặt trong từ

trường B có phương tạo thành góc  với dòng điện sẽ xuất

hiện điện áp VH vuông góc với B và I, có độ lớn:

VH = KIBsin

Hệ số K phụ thuộc vào vật liệu và kích thước vật

Ứng dụng đo các đại lượng từ, điện hoặc xác định vị

trí chuyển động

2 Cảm biến thụ động

Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông

số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Chẳng hạn, giá trị trở kháng phụ thuộc vào kíchthước hình học của mẫu, tính chất điện của vật liệu như điện trở suất, từ thẩm, hằng sốđiện môi Do đó, giá trị trở kháng thay đổi được dưới tác dụng của các đại lượng đo

Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến cóphần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng:

+ Cảm biến có chứa phần tử chuyển động: mỗi vị trí của phần tử chuyển độngtương ứng với một giá trị của trở kháng cho nên đo trở kháng sẽ xác định được vị trí củađối tượng Đây là nguyên lý của nhiều loại cảm biến vị trí hoặc dịch chuyển (cảm biến điệnthế, cảm biến cảm ứng có lõi động…)

+ Cảm biến có chứa phần tử biến dạng: sự biến dạng được gây nên bởi lực hoặc cácđại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cảm biến Sựthay đổi của trở kháng (do biến dạng) liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa là tácđộng của đại lượng cần đo được biến đổi thành tín hiệu điện

Trong bảng dưới đây giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi cáctính chất điện của vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến thụ động

Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng

Biến dạng Điện trở suất, Độ từ thẩm,  Hợp kim Ni, Si pha tạpHợp kim sắt từ

Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi trở kháng dưới tác dụng của đạilượng đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là một thành phần trong mạch điện Trênthực tế, tùy trường hợp cụ thể, mà ta chọn mạch đo thích hợp.

IV Các đặc trưng cơ bản của cảm biến

Có 2 loại sai số của cảm biến:

 Sai số hệ thống: có giá trị không đổi và có độ lệch không đổi giữa giá trị thực

và giá trị đo được

Nguyên nhân:

- Do nguyên lý của cảm biến

- Giá trị đại lượng chuẩn không đúng

- Do thay đổi đặc tính của thiết bị

- Do nhiễu ngẫu nhiên

- Do ảnh hưởng các thông số môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ…).

Độ nhạy được định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng Là tỉ

số giữa sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích

Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điềukiện làm việc nhất định của cảm biến Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độlớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo Điềunày cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiệnđặt ra

7 Độ tuyến tính

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó

độ nhạy S không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo m

Trên thực tế và ngay cả trong lý thuyết cảm biến là tuyến tính thì các điểm Si, micũng không nằm trên một đường thẳng Đó là do có sự không chính xác trong khi đo vàsai lệch trong khi chế tạo cảm biến

Từ thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sựtuyến tính, đường thẳng đó gọi là đường thẳng tốt nhất có phương trình: S = am + b

Trong đó:

với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến

Độ lệch tuyến tính cho phép đánh giá độ tuyến tính của đường cong chuẩn Nóđược xác định từ độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất trongdải đo (tính bằng %)

8 Độ nhanh và thời gian đáp ứng

Độ nhanh của cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ ra có đáp ứng được vềmặt thời gian với độ biến thiên của đại lượng đo hay không

Thời gian đáp ứng là đại lượng xác định giá trị của độ nhanh

9 Hiện tượng trễ

Một số cảm biến không đáp ứng cùng thời điểm với tín hiệu kích thích Độ rộngcủa sự sai lệch được gọi là hiện tượng trễ.

10 Nhiễu

Nhiễu xuất hiện ở ngõ ra cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu

do sự dao động của tín hiệu kích thích Nhiễu làm giới hạn khả năng hoạt động của cảmbiến Nhiễu được phân bố qua phổ tần số

Nhiễu không thể loại trừ mà chỉ có thể phòng ngừa Làm giảm ảnh hưởng và khắcphục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp

Ta có thể phân nhiễu thành 2 loại:

- Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chếtạo, vật liệu cảm biến,… do đó đáp ứng có thể bị méo so với dạng lý tưởng

- Nhiễu do truyền dẫn

Để chống nhiễu ta thường dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tínhiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ Một bộ được gọi là cảm biến chính và bộkia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn

Để giảm nhiễu đường truyền ta có thể sử dụng các biện pháp sau:

- Cách ly nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn

- Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến

- Sử dụng cáp ít nhiễu

11 Giới hạn sử dụng cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tácđộng lên chúng Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặctrưng của cảm biến Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến

- Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến

- Vùng không gây nên hư hỏng

- Vùng không phá hủy

Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo màtrong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra Thông thường dải đo trùng với vùngdanh định

Tính chất hạt thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất Ánh sáng bao gồm cáchạt photon mang năng lượng Wphụ thuộc duy nhất vào tần số.

Wh(h = 6,6256.10-24 Js: hằng số Planck)

Các đại lượng quang học:

- Thông lượng: oat (W)

- Cường độ: oat/steradian (W/Sr)

- Năng lượng: J

Một điện tử được liên kết có năng lượng Wl, để giải phóng các điện tử khỏinguyên tử cần cung cấp cho nó năng lượng bằng với năng lượng liên kết Wl.

Vậy một điện tử sẽ được giải phóng nếu nó hấp thụ một photon có năng lượng

 Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính từ biểu thức:

1

s

hc W

 

Hiện tượng hạt dẫn điện được giải phóng dưới tác dụng của ánh sáng làm thayđổi tính chất điện của vật liệu gọi là hiệu ứng quang điện Đây là nguyên lý cơ bản của cảmbiến quang

II CÁC LOẠI NGUỒN SÁNG

Một cảm biến quang chỉ hiệu quả khi phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ,thông lượng, tần số) Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính của bức xạ

- Quang thông lớn, dải phổ rộng

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

- Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả năng biến điệu tần số cao

- Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao

- Tuổi thọ cao, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp

- Quang thông tương đối nhỏ và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm hạn chế phạm vi

sử dụng của đèn

3 Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation)

Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, rất định hướng và đặc biệt là tính liênkết mạnh (cùng phân cực, cùng pha) Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát ra là sựchồng chéo của rất nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác nhau Trong trường hợptia laser, tất cả các bức xạ cấu thành đều cùng pha cùng phân cực và bởi vậy khi chồng chéolên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và rất xác định

Đặc điểm chính của laser là có bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác định, quangthông lớn, có khả năng nhận được chùm tia rất mảnh với độ định hướng cao, truyền đikhoảng cách rất lớn

  

III CÁC CẢM BIẾN QUANG

1 Tế bào quang dẫn

Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang có độ nhạy cao

Đặc trưng của tế bào quang dẫn là sự phụ thuộc điện trở vào thông lượng và phổcủa bức xạ

Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng giải phóng hạt dẫn điện trongvật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu

Vật liệu chế tạo: thường được chế tạo từ các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặcđơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp

- Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe

- Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe

 Các tính chất cơ bản của cảm biến quang dẫn:

Khi đặt vào điện áp U = 10V, diện tích bề mặt tế bào bằng 1cm2, độ nhạyphổ có giá trị nằm trong khoảng 0,1 10 A/W

 Nhược điểm của tế bào quang dẫn

o Đặc tính điện trở - độ rọi là phi tuyến Thời gian đáp ứng tương đối lớn

o Các thông số không ổn định (lão hóa)

o Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ, một số loại đòi hỏi phải làm nguội

Trong thực tế các tế bào quang dẫn thường được ứng dụng trong hai trường hợp:

- Điều khiển relay

- Thu tín hiệu quang: tế bào quang điện có thể được sử dụng để biến đổi xung

quang thành xung điện Người ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm vật, đo tốc

độ quay đĩa

Minh họa dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle:

dẫn đa số rất nhỏ có thể bỏ qua Dòng ngược Ir = I0

Khi chiếu sáng diode bằng ánh sáng có bước sóng  < S sẽ xuất hiện thêm các cặpđiện tử - lỗ trống Để ngăn cản quá trình tái hợp phải tách cặp điện tử - lỗ trống dưới tácdụng của điện trường Điều này chỉ xảy ra trong vùng hiếm làm tăng dòng ngược Ir

Để đến được vùng hiếm, ánh sáng phải đi qua một bề dầy của chất bán dẫn và tiêu

Trong đó α105cm-1, thông lượng giảm 63% khi đi qua bề dầy 103 A

Trong thực tế, phiến bán dẫn được làm rất mỏng và vùng hiếm đủ rộng để hấpthụ năng lượng ánh sáng hữu hiệu nhất Chẳng hạn, các diode PIN có lớp bán dẫn I giữa 2lớp P và N Chỉ cần điện áp ngược vài volt đủ để mở rộng vùng hiếm ra toàn bộ lớp bándẫn I.

Các vật liệu thường dùng để chế tạo photodiode là:

- Si, Ge: vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần

- GaAs, InAs, InSb, HgCdTe: vùng hồng ngoại

b Nguyên tắc hoạt động

 Chế độ quang dẫn

Nguồn ES phân cực ngược diode, Rm dùng để đo tín hiệu

Đặt điện áp Vd < 0 lên diode, dòng ngược Ir chạy qua diode:



 Chế độ này là tuyến tính, Vr tỉ lệ với thông lượng

Đo điện áp hai đầu diode trong chế độ hở mạch: OC p

o

IkT

 Chế độ quang thế

Đặc điểm:

- Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit phụ thuộc vào tải

- Ít nhiễu

- Thời gian đáp ứng lớn, dải thông hẹp

- Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit

d



 , ở bước sóng tương ứng điểm cực đại, S có giá trị từ 1 ÷ 100 A/W

Ứng dụng phototransistor trong chế độ chuyển mạch để điều khiển:

4 Phototransistor hiệu ứng trường – photo FET

do sự thay đổi điện áp VGS

IDSS: dòng thoát khi VGS = 0

VP: điện áp nghẽnNối P-N giữa cổng và kênh khi được chiếu sáng giống như photodiode, tạo dòng ngược

Dòng ngược Ir = Io + Ip

Io: dòng ngược tối

Ip: dòng quang điện khi được chiếu sáng;

Ip = Sg. Sg: độ nhạy diode cổng kênhDòng Ir chạy qua điện trở Rg tạo ra điện thế VGS

VGS = Rg(Io + Ip) - Vg

Ứng dụng photo FET là điều khiển điện áp bằng ánh sáng

Khi điện áp VDS nhỏ, photo FET giống như một điện trở RDS Giá trị RDS đượcxác định bởi điện thế VGS có thể được điều chỉnh nhờ thay đổi thông lượng ánh sáng chiếutới

IV CẢM BIẾN QUANG PHÁT XẠ

Cảm biến này biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạđiện tử ra khỏi vật liệu photocatode

Số lượng điện tử thoát khỏi catode tỉ lệ với quang thông chiếu vào

1 Cơ chế hoạt động

Cơ chế phát xạ xảy ra theo ba giai đoạn:

- Hấp thụ photon và giải phóng điện tử

- Điện tử được giải phóng di chuyển đến bề mặt

- Điện tử thoát ra khỏi bề mặt vật liệu catode

Sau khi được giải phóng, điện tử di chuyển ngẫu nhiên theo mọi hướng, do đó chỉ

có một số ít đến được bề mặt Trong quá trình di chuyển chúng va chạm với các điện

tử và photon khác làm mất đi một phần năng lượng Sự phát xạ chỉ có thể xảy ra nếu điện

tử thắng được rào thế phân cách vật liệu với môi trường bên ngoài Do đó, hiệu suất phát

xạ điện tử thường nhỏ hơn 10%

2 Vật liệu chế tạo

AgOCs nhạy trong vùng hồng ngoại

Cs3Sb, (Cs)Na2KSb, K2CsSb nhạy trong vùng ánh sáng nhìn thấy và tử ngoại

Cs2Te, Rb2Te và CsT nhạy trong vùng tử ngoại

Hiệu suất phát xạ điện tử các vật liệu trên từ 1 ÷ 20%

Ngoài ra, các hợp chất nhóm III – V như GaAsxSb1-x, Ga1-xInxAs, InAsxP1-xnhạy trong vùng hồng ngoại, hiệu suất đạt tới 30%

3 Tế bào quang điện chân không

Là một ống hình trụ, có một cửa sổ, được hút chân không tới áp suất 10

-6

10-8

mmHg Trong ống đặt một catode có khả năng phát xạ và một anode

Đặc tuyến của tế bào quang điện chân không có hai vùng rõ rệt:

- Vùng điện tích không gian, khi điện áp tăng dòng điện tăng nhanh Một phầnnhỏ điện tích phát xạ đẩy điện tử mới phát xạ bật trở lại làm hạn chế dòng anode

- Vùng bão hòa, dòng điện ít phụ thuộc vào điện áp mà chỉ phụ thuộc vào quang thông

Tế bào quang điện được sử dụng trong vùng bão hòa, khi đó nó giống nhưnguồn dòng, chỉ phụ thuộc vào quang thông

Điện trở trong tế bào quang điện chân không rất lớn cỡ 1010Ω Độ nhạy nằm

trong khoảng 10 100 mA/W.

4 Tế bào quang điện chất khí

Cấu tạo giống tế bào quang điện chân không, chỉ khác là bên trong có khí trơ,thường là argon có áp suất 10-1 10-2mmHg

Khi Vak < 20V, đặc tuyến giống như trường hợp tế bào quang điện chân không.Khi Vak cao, điện tử chuyển động với vận tốc cao làm ion hóa chất khí Dònganode tăng lên từ 5 10 lần

5 Thiết bị nhân quang

Khi bề mặt anode bị bắn phá bởi các điện tử có năng lượng đủ lớn có thể phát xạđiện tử (phát xạ thứ cấp) Nếu số điện tử phát xạ thứ cấp lớn hơn số điện tử tới thì có khảnăng khuếch đại tín hiệu

Các điện tử tới (điện tử sơ cấp) được phát xạ từ một photocatode bị chiếu sáng.Sau đó chúng được tiêu tụ (bằng phương pháp tĩnh điện) trên điện cực thứ nhất của dãyđiện cực Dãy điện cực có bề mặt được phủ bằng vật liệu có khả năng bức xạ thứ cấp Cácđiện cực mắc nối tiếp nhau và được cung cấp điện thế thông qua các cầu điện trở sao chođiện tử thứ cấp phát ra từ điện cực thứ k sẽ bị hút về điện cực thứ k+1, đồng thời số điện

tử thứ cấp phát ra ở điện cực này cũng tăng lên

V CÁP QUANG

1 Cấu tạo và tính chất

Gồm một lõi chiết suất n1, bán kính 10 100m và vỏ chiết suất n2 < n1 dày50m Vật liệu chế tạo cáp quang:

- SiO2 tinh khiết hoặc pha tạp nhẹ

- Thủy tinh, SiO2 và phụ gia N2O3, B2O3, PbO

- Polyme

Minh họa mặt cắt của cáp quang

a) Khúc xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường b) Phản xạ toàn phần trong cáp quang

Định luật phản xạ: n1sin1 = n2sin2

1

narcsin

a Truyền thông tin

Tránh được tín hiệu điện từ ký sinh, đảm bảo cách điện giữa mạch phát và mạch thu.Thông tin được truyền chủ yếu bằng cách mã hóa xung ánh sáng, đôi khi biến điệubiên độ hoặc tần số ánh sáng

b Quan sát và đo lường

Cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc ở những nơi khó tiếp cận hoặc cácmôi trường độc hại, có thể dẫn ánh sáng đến những vị trí mà điều kiện bình thường ánhsáng không tới được

Nguồn sáng phát ra bức xạ dưới dạng xung để phân biệt với ánh sáng môitrường Bức xạ được dẫn đến khu vực đo Tại khu vực đo, bức xạ thay đổi phụ thuộc vàođại lượng đo:

- Thay đổi cường độ khi đo vị trí

- Thay đổi tần số tỉ lệ với tốc độ quay

- Thay đổi bước sóng trong trường hợp đo nhiệt độ, phổ phụ thuộc vào nồng độ cáctia phản xạ được truyền trở lại và được đưa đến cảm biến

Một số trường hợp, tín hiệu quang dưới tác động của đại lượng vật lý làm thayđổi tính chất của cáp quang, làm thay đổi điều kiện truyền sóng Lúc này cáp quang đóngvai trò cảm biến chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu quang

a)

b)

VI MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN QUANG THÔNG DỤNG

1 Cảm biến quang (photo sensor)

Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin ánh sáng nhìn thấy được hoặc tiahồng ngoại IR (Infrared) và tia tử ngoại UV (Ultra Violet) thành tín hiệu điện

Phổ của ánh sáng được biểu diễn như sau:

Tín hiệu ngõ ra của cảm biến quang tỷ lệ với cường độ ánh sáng Một vài cảm biếnquang tích hợp ngay cả phát và thu ánh sáng Cảm biến quang có thể phân thành cảm biếnquang học, cảm biến hồng ngoại, cảm biến laser tùy thuộc vào chiều dài bước sóng của nănglượng ánh sáng được tối ưu hoá Trong phần này, chúng ta chỉ giới thiệu về quang trở và cảmbiến hồng ngoại

1.a) Quang trở (photoresistor):

Quang trởGiá trị điện trở của quang trở thay đổi khi có cường độ ánh sáng chiếu vào bề mặtcủa nó thay đổi Giá trị điện trở của quang trở càng giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào nócàng mạnh và ngược lại

Độ nhạy của quang trở được xác định:

R: sự thay đổi điện trở

Đặc tuyến của quang trở

1.b) Cảm biến hồng ngoại (infrared sensor):

Cảm biến hồng ngoại được chia ra làm ba loại: cảm biến hồng ngoại thường, cảmbiến hồng ngoại kiểu phản xạ (infrared reflective sensor) và cảm biến hồng ngoại kiểu thấu

xạ (infrared slotted sensor)

Cảm biến hồng ngoại thường: đây là loại cảm biến mà bộ phát và bộ thu không

được kết cấu trong một khối Bộ phát và bộ thu là hai bộ phận riêng rẽ Bộ phát hồng ngoại(infrared emitter) có hình dạng như một diode phát quang (LED-light emitting diode) Tuynhiên ánh sáng phát ra là hồng ngoại Bộ thu hồng ngoại (infrared detector) là một transistorquang Khi transistor nhận được ánh sáng hồng ngoại, nó sẽ dẫn bảo hòa Ngược lại, nó sẽngưng dẫn

Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ: là một linh kiện hình thang được thiết kế

cho những ứng dụng đặc biệt Trong linh kiện này có tích hợp một transistor quang (rất nhạyđối với ánh sang hồng ngoại) và một bộ phát ánh sáng hồng ngoại Khi có vật thể chắn sáng,lượng ánh sáng này sẽ được phản hồi đến transistor quang nhờ vật chắn sáng -> transistorquang bắt đầu dẫn và ngược lại

Cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ

Cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ: nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống với

cảm biến hồng ngoại kiểu phản xạ Tuy nhiên, lượng ánh sáng phát ra sẽ được đưa trực tiếpđến transistor quang Nếu không có vật thể chắn sáng giữa bộ phát và bộ thu (transistorquang), transistor có thể nhận hoàn toàn lượng ánh sáng được phát ra Lúc này, transistor sẽdẫn bảo hòa Ngược lại, khi có vật thể chắn sáng giữa bộ phát và thu, lúc này transistor sẽkhông nhận được lượng ánh sáng phát ra

Cảm biến hồng ngoại kiểu thấu xạ

2 Thiết kế mạch cảm biến dò đường dùng quang trở hoặc IR

Một loại cảm biến thường được sử dụng trong thiết kế robot tự động dò đường đó làcảm biến quang (có 2 loại: dùng quang trở hoặc hồng ngoại), nguyên tắc cơ bản là biến đổi

sự cảm nhận về ánh sáng thành tín hiệu điện

Cụ thể dưới đây là cảm biến hồng ngoại: điện trở của sensor sẽ giảm xuống khi ánhsáng hồng ngoại chiếu lên nó, một cảm biến tốt nếu có điện trở gần bằng 0 khi ánh sáng IRchiếu vào

Sơ đồ nguyên lý mạch sensor

Ta lợi dụng tính năng này của sensor để thiết kế một cầu chia thế như hình vẽ, khi đóđiện thế tạo chân “2” của bộ so sánh là

1

SENSOR SENSOR CC

Để có được mức điện thế thay đổi này lớn nhất thì việc chọn lựa R1 là hết sức quantrọng Gọi a là điện trở của sensor khi không có ánh sáng, b là điện trở của sensor khi có ánhsáng chiếu vào và Vdiff là sự thay đổi điện thế, ta có: