Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động kiểm soát hàm lượng sản phẩm dầu mỏ trong nước thải lacanh tàu cá, chương 9 pps

Chương 9: CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẬN BIẾT DẦU MỎ Căn cứ vào bản chất phản xạ của dầu mỏ ta nhận thấy dầu có bước sóng từ 0.8m cho đến 1m cho nên dưạ vào tính chất này t

Chương 9:

CƠ SỞ THIẾT KẾ BỘ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI NHẬN BIẾT DẦU MỎ

Căn cứ vào bản chất phản xạ của dầu mỏ ta nhận thấy dầu có bước sóng từ 0.8m cho đến 1m cho nên dưạ vào tính chất này ta chế tạo cảm biến cho phù hợp với bước sóng của dầu mỏ

Theo F.F.Sabins, Jr., 1978: Hệ số phản xạ quang phổ của

nước biển và dầu thô

Ta có:

Từ 0,9m  1,0m (hồng ngoại) thì chỉ có hệ số phản xạ của dầu thô còn nước biển không có hệ số phản xạ như vậy căn cứ vào hệ số phản xạ trên ta tiến hành chọn các linh kiện điện tử cho phù hợp

Mặt khác căn cứ vào tính chất bức xạ ánh sáng là những khoảng bức xạ điện từ:

 Cực tím có bước sóng từ 100nm380nm

 Aùnh sáng thấy được có bước sóng từ 380nm  780nm

 Hồng ngoại có bước sóng từ 780nm  1mm

Như vậy ta nhận thấy dầu mỏ có bức sóng bức xạ thuộc trong dải bước sóng hồng ngoại

2.4.1 Phân tích lựa chọn cảm biến.

Ta có công thức tính bước sóng:

W

c h



 .



trong đó:

 h là hằng số planck (h=4,16.10-15 eVs) (eV= electron Volt)

 c là vận tốc ánh sáng (c=3.108m/s)

 W là năng lượng photon

Bảng 2.1: Các thông số kỹ thuật của vật liệu

(eV)

Bước sóng (nm)

Germanium

Siliczium

Gallium – Arsenid

Gallium – Arsenid

– Phosphid

Gallium – Phosphid

Siliczium – Karbid

Gallium - Nitrit

0,66 1,09 1,38  1,43

1,91 2,24 2,5 3,1

1890 1144

870  900

650 550 500 400 Qua bảng 1 ta nhận thấy Gallium – Arsenid có bước sóng từ 870nm 900nm rất phù hợp và thoả mãn nên ta chọn Gallium

Photodiot Si

– Arsenid làm vật liệu cảm biến (Gallium – Arsenid là nguyên tố ở nhóm III của bảng phân loại tuần hoàn)

Hình 2.8 Hiệu suất tương đối của nguồn sáng

) ( 900 38

1

10 3 10 16 , 4

nm W

c





Gallium – Arsenid là một vật liệu bán dẫn lý tưởng cho điện phát quang Sự tái hợp giữa vùng dẫn và vùng hoá là trực tiếp Tuỳ theo sự pha tạp mà bức xạ do sự tái hợp trong GaAs có cực đại giữa 880 và 940nm trong hồng ngoại gần, mắt không thể nhìn thấy được

Bức xạ phát sinh chủ yếu là qua sự tái hợp Năng lượng photon khoảng 1,4eV

2.4.2 Đặc tính của cảm biến

Hình 2.9 Phổ ánh sáng

Aùnh sáng lan truyền trong chân không có vận tốc v=

299792 km/s và có phổ ánh sáng và giải màu của phổ như hình 2.9

Trong phần nghiên cứu của đề tài này tôi chọn linh kiện thu điện trở quang CdS, linh kiện phát là led hồng ngoại IR

2.4.2.1 Đặc điểm của led hồng ngoại

Hình 2.10 Bước sóng phát xạ của Led

Led có những đặc điểm như sau:

Hồng ngoại giữa Tia X Cực tím Ánh sáng

nhìn thấy Hồng ngoại gần Hồng ngoại xa

100

nm 300nm 500nm 600nm 700nm 800nm 900nm

1000nm

m

Led hồng ngoại Led đỏ

Led xanh

Catot

0,358 0,435 0,490 0,575 0,580 0,650 0,760

c

Vàn

Ánh sáng nhìn thấy

 Không bị lệ thuộc nhiều vào nhiệt độ.

 Tuyến tính

 Có hiệu suất lượng tử cao

 Đời sống cao, có thể đạt tới 100.000 giờ

 Rẻ tiền

 Kích thước nhỏ

 Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi

 Tiêu thụ công suất thấp

 Quang thông tương đối nhỏ

 Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định

 Không cần có mạch điều chỉnh tự động nhiệt độ và công suất phát

Trong mạch kiểm soát này ta chọn Led hồng ngoại có các thông số kỹ thuật như sau:

Bảng 2.2 – Thông số kỹ thuật của các loại led hồng ngoại

(Deg)

Vf (V) If

(mA) Ptot

ï(mW/Sr)

P (nm) CQX14

CQY31

CQW14

Har

Tel

Val

30

-1,7 1,7 1,25

100 100 100

1300 1300 1300

5,4 5,4 1,5

940 900 900

Hình 2.11 Cấu trúc của led hồng ngoại IR

2.4.2.2 Đặc điểm của điện trở quang CdS (Cadmiummsulfid)

Hình 2.12 Cấu trúc của quang điện trở CdS

Điện trở quang CdS hay cảm biến quang là loại cảm biến dùng để chuyển tín hiệu vật lý (ánh sáng) thành điện trở và là loại cảm biến có độ nhạy tương đối cao Nguyên tắc làm việc của nó là điện trở thay đổi khi cường độ ánh sáng tại nơi đặt nó thay đổi

Quang trở thường được làm bằng chất sunfit catmi (CdS), selenid cadmium (CdSe), sunfit chì (PbS)…trong đó loại quang trở CdS có độ nhạy rất cao đối với tia hồng ngoại Quang trở được chế tạo bằng cách tạo một màn bán dẫn trên nền cách điện nối ra hai đầu kim loại rồi đặt trong một vỏ nhựa, mặt trên có lớp thủy tinh trong suốt để nhận ánh sáng của led hồng ngoại

Bảng 2.3 - Các thông số kỹ thuật của quang điẹn trở CdS

Metal - film contact

Metal - film contact

Cadmium sulphide track

Chủng loại Trị số giới hạn

Type Hãng Ptot(mw) Ua(V) Tu(0c) P

(nm)

R1000() RPY64

A90.XX

Tel

Tel

50 50

100 100

-40bis +75 -40bis +75

900 860

3500 3000

Điện trở quang có 4 đặc tính quan trọng:

 Độ dẫn suất phot: hàm số của mật độ năng lượng u với độ dài sóng không thay đổi của ánh sáng

phot(u);  = const

 Độ nhạy của quang trở đối với quang phổ: đó là độ dẫn suấtphot: hàm số của  khi mật độ năng lượng không thay đổi

S

phot

phot

max







 Vận tốc của quang điện trở CdS nhanh và thu nhận thông tin hơn led IR, ít bị nhiễu do ánh sáng môi trường tác động…

 Khả năng dò tìm của 1 detector gọi là Detectivity D với a là diện tích tích cực của một detector:

A

D

NEP đơn vị là [

z

H

W ]; D đơn vị là [ H Z.W 1cm]