Phân tích độ mặn dùng cảm biến quang không tiếp xúc

TÓM TẮT NỘI DUNG THỰC HIỆN Phân tích quang phổ hoá học là một trong những phương pháp phân tích phổ biến và quan trọng để xác định định tính cũng như định lượng các nguyên tố, các hợp ch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN VIỄN THÔNG

Tên

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết minh LV

Họ và tên: Phạm Nhật Quang MSHV: 13461245

Ngành: Kỹ thuật viễn thông Lớp : Khóa 2013 đợt 2

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích độ mặn dùng cảm biến quang không tiếp xúc

Salinity analysis using non-contact optical sensor

II NHIỆM VỤ :

Đo đạc và đánh giá sự thay đổi quang phổ của nước muối ở các nồng độ khác nhau Thiết lập phương trình tính toán ước lượng độ mặn

III CÁC KẾT QUẢ DỰ KIẾN:

Hiện thực hóa thiết bị đo độ mặn dùng cảm biến quang không tiếp xúc

Kiểm chứng thiết bị bằng đo đạc thực nghiệm

Yêu cầu tầm đo từ 5-30 phần nghìn, với sai số 1 phần nghìn

IV NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ………

V NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 6/2017

VI CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Thầy TS Phạm Quang Thái

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN

Người duyệt (Chấm sơ bộ) :….………

Ngày bảo vệ:………

Điểm tổng kết:………

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS PHẠM QUANG THÁI

………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS VÕ QUẾ SƠN ………

………

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS HUỲNH HỮU THUẬN ………

………

………

………

………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 06 tháng 07 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Đỗ Hồng Tuấn

2 PGS.TS Hồ Văn Khương

3 TS Võ Quế Sơn

4 TS Huỳnh Hữu Thuận

5 TS Nguyễn Minh Sơn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản

lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy, TS Phạm Quang Thái đã tận tình hướng dẫn, hướng cho em những hướng đi đúng đắn, đi tắt đón đầu, cập nhật được công nghệ mới hiện tại của thế giới Thầy

đã rèn luyện cho em cách làm việc, tư duy khoa học, tính tự lập trong công việc, làm chủ thời gian, cách tìm tài liệu, cách nghiên cứu chuyên nghiệp bắt kịp với trình độ khoa học của thế giới Tất cả những điều này sẽ là động lực cho em có thể phấn đấu, nỗ lực vượt qua mọi khó khăn hoàn thành tốt mục tiêu đã đặt ra trong luận văn tốt nghiệp sắp tới

Xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến tập thể giảng viên trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, thầy cô đã truyền cho tôi nguồn tri thức quý báo trong suốt quá trình học tập tại trường

Cuối cùng em xin cám ơn cha mẹ, bạn bè, đồng nghiệp đã ủng hộ, tạo điều kiện, hỗ trợ tinh thần cho em trong suốt thời gian vừa qua.

TÓM TẮT NỘI DUNG THỰC HIỆN

Phân tích quang phổ hoá học là một trong những phương pháp phân tích phổ biến và quan trọng để xác định định tính cũng như định lượng các nguyên tố, các hợp chất trong nhiều đối tượng phân tích khác nhau, ví như: để kiểm tra các quá trình sản xuất trong công nghiệp hóa học, công nghiệp luyện kim, để nghiên cứu địa chất, nghiên cứu sinh học, y học, khoáng vật học…

Phân tích quang phổ hoá học là một kỹ thuật không phá hủy, không tốn kém

và nhanh chóng cho dự đoán nồng độ muối trong nước Phương pháp hóa học thông thường thường được sử dụng, rất chính xác nhưng mất thời gian hơn và yêu cầu kỹ thuật đặc biệt để lấy mẫu, lưu trữ và tiền xử lý nước thải Nghiên cứu các đặc tính quang phổ của nước và ảnh hưởng của muối trên nhiễu loạn trong dải hấp thụ nước Các dấu hiệu phổ thu được tại chỗ và trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng thiết bị đo bức xạ quang cầm tay với độ phân giải cao

Các mô hình dự báo [1] cho thấy độ chính xác cao trong việc ước lượng độ mặn trong nước với hệ số xác định 89,6% và độ lệch chuẩn thấp là 0,12 ‰ Nguyên nhân gây ra sự biến dạng của các dải hấp thụ nước ở các bước sóng dưới 900 nm hoặc gần vùng nhìn thấy được sẽ thấp hơn các kết quả phân tích quang phổ cho thấy các biến dạng trong quang phổ của nước ở bước sóng cao hơn (> 1.000 nm)[1] Tuy nhiên theo như độ hấp thụ của muối thì nó có sự thay đổi rõ rệt, đặc biệt là muối NaCl[5] Cùng với kết quả đạt được trong thí nghiệm và tính toán có thể nhận xét

về tính khả thi của việc sử dụng cảm biến quang không tiếp xúc để đo kiểm độ mặn của nước với sai số 1‰

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i 

TÓM TẮT NỘI DUNG THỰC HIỆN ii 

MỤC LỤC iii 

DANH SÁCH HÌNH VẼ v 

DANH SÁCH BẢNG BIỂU vii 

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii 

CHƯƠNG 1 1 

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 

1.1  Đặt vấn đề và hướng giải quyết 1 

1.2  Mục đích nghiên cứu 3 

1.3  Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 

1.4  Phương pháp nghiên cứu 4 

CHƯƠNG 2 5 

LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 5 

2.1 Sự hấp thụ ánh sáng 5 

2.1.1 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 5 

2.1.2 Giải thích theo quan điểm cổ điển 5 

2.1.3 Những định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng 6 

2.2 Quang phổ kế quang học 8 

2.2.1 Các loại quang phổ kế[2] 10 

2.2.2 Chi tiết các linh kiện quang phổ kế[2] 14 

2.3 Cảm biến quang không tiếp xúc Hamamatsu[4] 16 

2.3.1 Cấu tạo cơ bản của một cảm biến quang không tiếp xúc 17 

2.3.2 Cấu hình cảm biến quang không tiếp xúc 18 

2.4 Đèn halogen 35 

2.4.1 Cấu tạo bóng đèn halogen 35 

2.4.2 Chu kỳ tái tạo khí halogen 36 

2.4.3 Đặc tính quang phổ đèn halogen 37 

2.5 Phương pháp hồi quy thành phần chính PCR[5] 38 

CHƯƠNG 3 40 

PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN, GIẢI PHÁP VÀ KẾT QUẢ 40 

3.1 Phương pháp đo và xử lý dữ liệu 40 

3.1.1.Sơ đồ khối tổng quát 40 

3.1.2 Các bước đo và xử lý dữ liệu 42 

3.1.2.Lưu đồ giải thuật 44 

3.2 Kết quả đo nồng độ chuẩn và kết quả đo ước lượng độ mặn 45 

3.2.1.Kết quả đo nồng độ chuẩn 45 

3.2.2 Kết quả đo ước lượng nồng độ muối 49 

CHƯƠNG 4 52 

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 52 

4.1 Kết luận 52 

4.2 Hướng phát triển luận văn 52 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 

PHỤ LỤC 54 

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2 1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 5 

Hình 2 2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ C 8 

Hình 2 3: Cấu hình quang phổ kế rời rạc 10 

Hình 2 4: Cấu hình quang phổ kế chùm đơn a,b 11 

Hình 2 5: Cấu hình quang phổ kế chùm đôi 12 

Hình 2 6: Cấu hình quang phổ kế giao thoa 13 

Hình 2 7: Cấu hình quang phổ kế mở đường 14 

Hình 2 8: Sơ đồ các thành phần quang học trong cảm biến 17 

Hình 2 9: Cấu hình cảm biến quang không tiếp xúc 18 

Hình 2 10: Xác định bước sóng trung tâm của một đường quang phổ bởi xấp xỉ chức năng Gaussian 20 

Hình 2 11: Các giá trị trong phương trình cách tử nhiễu xạ 21 

Hình 2 12: Hiệu quả nhiễu xạ của 2 dòng C11482GA, C9913GC và C9914GB 22 

Hình 2 13: Biểu đồ thời gian của phương pháp tích hợp chuỗi thời gian 24 

Hình 2 14: Sự khác nhau của phương pháp tích thời gian và phương pháp tích hợp đồng thời 24 

Hình 2 15: Biểu đồ thời gian của phương pháp tích hợp đồng thời 25 

Hình 2 16: Chế độ hoạt động bình thường cảm biến ánh sáng 26 

Hình 2 17: Dữ liệu đo đồng bộ với ngõ vào kích hoạt 27 

Hình 2 18: Dữ liệu đo đồng bộ với ngõ ra kích hoạt 27 

Hình 2 19: Sơ đồ khối mạch điều khiển 29 

Hình 2 20: Độ phân giải theo tiêu chuẩn Rayleigh và FWHM 31 

Hình 2 21: Mối liên hệ độ phân giải quang phổ (Spectral resolution) với bước sóng (Wavelength) của dòng C12880MA 31 

Hình 2 22: Định nghĩa Tl và Th 33 

Hình 2 23: Đo ánh sáng phân tán sử dụng phổ vạch(C11482GA) 34 

Hình 2 24: Cấu tạo đèn halogen 36 

Hình 2 25: Chu kỳ tái tạo halogen 37 

Hình 2 26: Quang phổ của đèn halogen 38 

Hình 3 1: Sơ đồ khối tổng quát 40 

Hình 3 2: Hình ảnh thực tế cảm biến quang không tiếp xúc C12880MA 41 

Hình 3 3: Chi tiết bo mạch điều khiển: C13016-1 và bo mạch cảm biến: C13016-02 42 

Hình 3 4: Thiết lập thông số đo 43 

Hình 3 5: Lưu đồ giải thuật 44 

Hình 3 6: Mối quan hệ giữa nồng độ muối đã trừ nước cất với bước sóng 45 

Hình 3 7: Phổ hấp thụ của muối NaCl và các chất khác 46 

Hình 3 8: Giá trị vector riêng của 4 thành phần chính 47 

Hình 3 9: Giá trị phần trăm các trọng số của 4 thành phần chính 47 

Hình 3 10: Sơ đồ phân bố hệ số ma trận tải của thành phần chính thứ nhất 48 

Hình 3 11: Sơ đồ phân bố hệ số ma trận tải của thành phần chính thứ nhất 48 

Hình 3 12: Sơ đồ phân bố hệ số ma trận tải của thành phần chính thứ ba 48 

Hình 3 13: Sơ đồ phân bố hệ số ma trận tải của thành phần chính thứ tư 49 

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2 1: Khẩu độ của dòng cảm biến quang C10082CA/C10083C 19 

Bảng 3 1: Nồng độ muối ước lượng khi đo thực tế……… 50 

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

FWHM Full width at half maximum Chuẩn độ rộng đỉnh

MEMS Microelectromechanical systems Hệ thống vi cơ điện tử PCR Principal components regression Hồi quy thành phần chính PCA Principal components analysis Phân tích thành phần chính MLR Multiple linear regression Hồi quy tuyến tính đa biến

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề và hướng giải quyết

Chúng ta biết rằng, biển và đại dương chiếm khoảng 75% bề mặt hành tinh chúng ta, 25% mặt đất bị mặn, còn 1/3 đất canh tác được tưới nước trên toàn thế giới tích tụ muối do kém tiêu nước Việc dư thừa muối trong đất đã làm tăng áp suất thẩm thấu của dung dịch đất Cây lấy được nước và chất khoáng từ đất khi nồng độ muối tan trong đất nhỏ hơn nồng độ dịch bào của rễ, tức áp suất thẩm thấu và sức hút nước của rễ cây phải lớn hơn áp suất thẩm thấu và sức hút nước của đất Nếu độ mặn của đất tăng cao đến mức sức hút nước của đất vượt quá sức hút nước của rễ thì chẳng những cây không lấy được nước trong đất mà còn mất nước vào đất Cây không hấp thu được nước nhưng quá trình thoát hơi nước của lá vẫn diễn ra bình thường làm mất cân bằng nước gây nên hạn sinh lý Sự ức chế sinh trưởng của cây khi bị mặn là đặc trưng rõ rệt nhất Trong đất mặn, các thực vật kém chịu mặn ngừng sinh trưởng do các chức năng sinh lý bị kìm hãm Nồng độ muối càng cao thì kìm hãm sinh trưởng càng mạnh Ngoài ra độ mặn của nước ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh trưởng và năng suất của thuỷ hải sản

Độ mặn của nước là một trong những thông số quan trọng nhất trong hải dương học Trong thực tế, các trạng thái cơ bản của một khối lượng nước như cơ cấu di chuyển nhiệt năng và sự hòa tan nước có thể được nghiên cứu bởi các mối tương quan của độ mặn, nhiệt độ và độ sâu Hơn nữa, sự phân bố của các sinh vật biển bị ảnh hưởng mạnh bởi sự thay đổi độ mặn và các thông số khác tùy thuộc vào những thay đổi này Ví dụ, độ hòa tan oxy phụ thuộc vào nhiệt độ và độ mặn, ảnh hưởng đến sản xuất và phân bố của cây và động vật Như vậy, trong các hóa chất và định lượng sinh học của môi trường biển, độ mặn kết hợp với nhiệt độ, oxy hòa tan, mật độ, pH, oxy hóa khử…, là tham số không thể thiếu Ngày nay, một số phương pháp được sử dụng để xác định độ mặn trong nước trên cơ sở kỹ thuật đo chuẩn độ,

độ dẫn và mật độ Thiết lập Mohr Knudsen và phương pháp dẫn hiện nay là sử dụng

phổ biến nhất Đầu tiên là độ nhạy và chính xác, đạt sai số chuẩn của ±0.01 phần nghìn (0/00)

Tuy nhiên, những phương pháp trên có những bất lợi là tốn thời gian và thủ tục liên quan, mà làm cho nó chỉ thích hợp để phân tích trong phòng thí nghiệm Các phương pháp dẫn là nhanh hơn và chính xác hơn (sai số chuẩn của 0.0010/00) và

có thể được sử dụng hoặc trong phòng thí nghiệm hoặc trong phân tích di dộng, nhưng nó có một số nhược điểm khi hiệu chuẩn như trễ, thay đổi áp lực gây ra, trôi đường cơ sở và khó khăn trong việc thích nghi được cho những phát hiện nhỏ Để khắc phục những vấn đề này và để có được phương pháp phù hợp để theo dõi liên tục, các nhà nghiên cứu đã khảo sát các phương pháp quang học khác nhau như kỹ thuật thay thế do sự sẵn có của các cảm biến quang

Các đặc tính quang phổ của muối trong dung dịch nước là đặc tính vật lý duy nhất của các phân tử mà có thể được sử dụng để xác định, định lượng hoặc phát hiện các thành phần trong các mẫu phức tạp như nước Các tính chất phổ của nước

ở dạng lỏng cũng được biết đến và nhiều tính chất hóa học và vật lý của chúng được xác định chủ yếu bởi các rung động của các liên kết hóa trị của hydro trong dung dịch nước các hoạt động quang phổ của các phân tử trong vùng NIR được biểu hiện như nhiễu loạn trong dải hấp thụ nước được gây ra bởi sự gia tăng nồng độ các ion; những nhiễu loạn đã được sử dụng để ước tính số lượng của chúng trong nước tinh khiết và tương tác với các giải pháp khác bao gồm trong các hệ thống sinh học

Các mô hình và cường độ của nhiễu loạn trong dải hấp thụ nước được xác định bởi các loại ion và nồng độ; nồng độ cao của các muối gây nhiễu loạn cao và ngược lại Trong nước nồng độ của các ion là cao hơn so với ở các vùng nước tự nhiên; các ion chính trong biển nước phân tích là canxi, natri, kali, magiê, clorua, sunfat và bicacbonat

Nghiên cứu cho thấy tác động của nhiệt độ lên tần số hấp thụ nước Những biến thể này có thể gây trở ngại cho việc ước lượng độ mặn và ảnh hưởng này có

dụng phương pháp hồi quy thành phần chính Các phân tích quang phổ có lợi thế hơn các kỹ thuật khác Nó là không phá hủy, nó có thể được áp dụng để phân tích từ

xa, đặc biệt là đối với các vật liệu nguy hiểm, độc hại như nước thải, nó có thể hoạt động trong môi trường không thân thiện, phân tích các hệ thống dung dịch nước được dễ dàng so với phổ hồng ngoại và không có dung môi cần được yêu cầu, do đó

kỹ thuật này là không gây ô nhiễm

Do độ sâu thâm nhập lớn hơn nhiều bức xạ vào mẫu không cần pha loãng mẫu, chất có chứa như KBr hoặc dầu khoáng và chuẩn bị mẫu Bởi vì nó giảm thiểu sai sót chuẩn bị mẫu và phá hủy mẫu Bởi vì kỹ thuật này rõ ràng là có lợi trong việc giúp đỡ để tối ưu hóa việc sử dụng các vật liệu và các thành phần để giảm ảnh hưởng đặc điểm kỹ thuật sản phẩm, tiết kiệm chi phí tái chế, xử lý Chi phí cho mỗi bài kiểm tra thường là thấp hơn nhiều so với các phương pháp phân tích khác, đặc biệt là khi số lượng lớn các mẫu cần phải được phân tích

Mục tiêu của việc này là để mô tả các đặc tính quang phổ của các muối vô cơ quan trọng nhất trong biển nước dùng cho nhiều mục đích khác nhau, đặc trưng cho nước từ các dấu hiệu quang phổ của nó trong vùng nhìn thấy và vùng NIR và ước tính nồng độ muối từ các đặc điểm như vậy bằng cách tạo ra các mô hình dự đoán

1.2 Mục đích nghiên cứu

Các kiến thức và kết quả cần đạt được ở đề tài là:

 Nghiên cứu sự thay đổi độ mặn của nước ảnh hưởng đến quang phổ của chúng

 Đo đạt các thông số từ cảm biến quang không tiếp xúc và phân tích số liệu để

có độ chính xác cao và hoàn thiện phương pháp đo

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần hoàn thiện phương pháp phân tích độ mặn của nước sử dụng cảm biến quang không tiếp xúc

- Độ mặn của nước và đặc tính quang phổ của nó

- Cảm biến quang không tiếp xúc

Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra những cơ sở lý thuyết và sử dụng cảm biến quang không tiếp xúc để phân tích độ mặn của nước

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1 Về lý thuyết:

- Phân tích độ mặn của nước ảnh hưởng đến cảm biến quang không tiếp xúc

- Sử dụng phương pháp ước lượng, thống kê để tìm ra được độ mặn của nước

từ kết quả đo của cảm biến quang không tiếp xúc

2 Về thực nghiệm:

- Sử dụng mạch giao tiếp máy tính có cảm biến quang không tiếp xúc đo đạc phổ của nước muối bằng cách chiếu đèn qua dung dịch muối, đo ánh sáng sau khi qua dung dịch vào bộ thu cảm biến quang không tiếp xúc  

2.1.1 Hiện tượng hấp thụ ánh sáng

Chiếu một chùm sáng đơn sắc song song có cường độ I0 vuông góc vào một lớp môi trường có độ dày d Nếu bỏ qua hiện tượng mất mát ánh sáng do phản xạ và tán xạ thì cường độ thì cường độ ánh sáng I ra khỏi môi trương bị giảm đi (I<I0) thì

có sự hấp thụ ánh sáng của môi trường Hiện tượng hấp thụ ánh sáng có thể được giải thích theo quan điểm cổ điển và lượng tử

Hình 2 1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng

2.1.2 Giải thích theo quan điểm cổ điển

Sự hấp thụ ánh sáng là sự tương tác của sóng điện từ (sóng ánh sáng) với chất Dưới tác dụng của điện trường của sóng ánh sáng có tần số các electron của nguyên

tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân và thực hiện dao động điều hòa Electron dao động trở thành nguồn phát sóng thứ cấp, do sự giao thoa của sóng tới

và sóng thứ cấp mà trong môi trường xuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ

của sóng tới Do đó cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng bị thay đổi Không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụ bởi các nguyên tử, phân tử đều được giải phóng dưới dạng bức xạ mà có thể chuyển thành các dạng năng lượng khác ví dụ như năng lượng nhiệt khi đó vật sẽ bị nóng lên

2.1.3 Những định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng

Định luật Bouguer – Lambert

Lượng tương đối của dòng sáng bị hấp thụ bởi môi trường mà nó đi qua không phụ thuộc vào cường độ của tia tới Mỗi một lớp bề dày như nhau hấp thụ một phần dòng sáng đơn sắc đi qua dung dịch như nhau

Xét sự hấp thụ ánh sáng bởi một dung dịch màu nằm trong cuvet với các thành song song Bề dày của lớp dung dịch hấp thụ ánh sáng là l Chiếu một bức xạ năng lượng có cường độ Io tới dung dịch, dung dịch sẽ hấp thụ một phần, phần còn lại sẽ đi ra khỏi dung dịch tới máy thu để ghi nhận

Đầu tiên Bouger (Pierre Bouger:1698-1758) phát hiện ra rằng phần năng lượng bức xạ bị hấp thụ trên mỗi đoạn đường lcủa bình đựng có tỷ lệ thuận với chiều dày của bình Tiếp đó Lambert (Johann Heinrich Lambert: 1728-1777) đã nêu lại mối liên hệ này dưới tên gọi định luật Lambert và công thức trở thành:

A: là mật độ quang, đặc trưng cho khả năng hấp thụ của dung dịch màu l: là bề dày của dung dịch, có đơn vị cm

k: là đại lượng hằng định đặc trưng cho chất đã cho Hệ số này trong các giới hạn rộng không phụ thuộc cường độ chùm sáng, chỉ có những giá trị rất lớn của mới không còn hằng định và quan sát thấy có sự phụ thuộc của k vào I

Định luật Beer

Sự hấp thụ dòng quang năng tỷ lệ bậc nhất với số phân tử của chất hấp thụ

mà dòng quang năng đi qua nó

Xét sự hấp thụ ánh sáng bởi một chất màu có thành phần và cấu trúc không đổi khi nồng độ thay đổi Lấy dung dịch màu đó vào một ống hình trụ cao, nồng độ chất hấp thụ ánh sáng trong dung dịch là C1, quan sát độ hấp thụ ánh sáng từ trên xuống (toàn bộ lớp dung dịch), thu được mật độ quang là A1 Sau đó pha loãng dung dịch n lần và lại quan sát độ hấp thụ ánh sáng từ trên xuống, thu được mật độ quang là A2 Nhận thấy A1 =A2 = A = K.l.C

Công thức của định luật Beer:

A = K.l.C (2.2) K: là hệ số tỷ lệ

C: là nồng độ của dung dịch, tính bằng đơn vị mol/L

l: bề dày của dung dịch, đo bằng cm

Định luật hợp nhất Bouguer- Lambeer- Beer

Khi đi chiếu một chùm photon đơn sắc qua dung dịch thì mức độ hấp thụ của dung dịch tỷ lệ thuận với công suất chùm photon và nồng độ các phần tử hấp

Trong đó: A: là mật độ quang

 : là độ hấp thụ phân tử gam, đơn vị L.mol-1.cm-1

l: là bề dày của dung dịch, đơn vị cm

C: nồng độ của dung dịch màu, đơn vị mol/L

Dựa vào phương trình (2.3) khi ta có định  (bằng cách đo tại một bước

sóng xác định), l không đổi (đo trong cuvet có bề dày như nhau), nồng độ C thay

đổi thì lúc này mật độ quang chỉ phụ thuộc bậc nhất vào nồng độ C Đồ thị biểu

diễn sự phụ thuộc của A vào nồng độ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ như

hình 3a, phương trình đường thẳng y = ax Tuy nhiên trong thực tế, đồ thị biểu diễn

sự phụ thuộc của A vào nồng độ thường là một đường thẳng không đi qua gốc tọa

độ như hình 3b, phương trình đường thẳng y =ax+b, nguyên nhân là do ảnh hưởng

của thành phần nền của mẩu (ảnh hưởng của nền)

Hình 2 2: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang A vào nồng độ C

2.2 Quang phổ kế quang học

Quang phổ kế (Spectrophotometer) là các thiết bị hoạt động dựa trên phân

tích quang phổ của ánh sáng, nhằm thu được các thông tin về thành phần, tính chất

hay trạng thái của những khối vật chất liên quan đến chùm ánh sáng đó[3] Phân

tích quang phổ là phương pháp hàng đầu trong hóa phân tích

Thông thường thì quang phổ kế xác định phân bố cường độ ánh sáng theo bước sóng của ánh sáng do khối vật chất nào đó tự phát ra hoặc phản xạ hay truyền qua nó Những khối vật chất khác nhau có đặc tính phát quang hay hấp thụ ánh sáng với các bước sóng, hay mức năng lượng của photon Chúng thường được nói đến là các vạch quang phổ Đo cường độ ánh sáng ở các bước sóng (hay các vạch phổ) đặc trưng này cho phép xác định tỷ lệ (hay hàm lượng) của chất tương ứng trong mẫu vật cần nghiên cứu

Phân tích quang phổ có hai dạng đo cơ bản dựa trên nguồn phát sáng:

o Quang phổ phát xạ: Phân tích quang phổ của ánh sáng do mẫu vật phát ra khi được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết, hoặc vốn là các khối vật chất nóng sáng như Mặt Trời, các vì sao, Trong trường hợp này có thể xác định được cả nhiệt độ của mẫu vật

o Quang phổ hấp thụ: Dùng ánh sáng chiếu rọi vào khối vật chất, và quan sát phần ánh sáng phản xạ hay truyền qua mẫu vật

Phần lớn các phân tích quang phổ thực hiện ở vùng ánh sáng nhìn thấy Một

số khác thực hiện ở vùng hồng ngoại, tử ngoại, tia X Tuy nhiên không thấy nói đến

sử dụng vùng tia gamma Trong quang phổ kế thì phần cơ bản nhất, là dẫn chùm ánh sáng chứa thông tin đưa tới khối khúc xạ để phân tách ánh sáng theo bước sóng, rồi tới đầu dò để xác định cường độ sáng tại mỗi bước sóng

Trong quang phổ phát xạ thì vạch phổ đặc trưng hiện ra là vạch sáng, Chúng

dễ đo và phân tách với dòng tối của phổ Tuy nhiên việc nung nóng thường làm phá hủy mẫu vật, nên phương cách đo này thường được dùng trong phân tích hàm lượng nguyên tố Ngoài ra nó được dùng trong nghiên cứu vũ trụ xác định thành phần vật chất ở các ngôi sao phát sáng, hoặc trong kiểm tra chất lượng ánh sáng của các kiểu đèn chiếu sáng

Trong quang phổ hấp thụ thì vạch phổ đặc trưng hiện ra là vạch tối, nên dễ bị nhiễu loạn Tuy nhiên phép đo không gây phá hủy mẫu, nên thường được dung

trong phân tích hàm lượng hợp chất Lựa chọn vùng phổ cần chú ý đến mẫu vật có xảy ra hiện tượng huỳnh quang với ánh sáng đó hay không

2.2.1 Các loại quang phổ kế[2]

Quang phổ kế rời rạc: bao gồm một nguồn bức xạ, bộ lọc nhiễu rời rạc, một

mẫu, bộ dò tìm, cùng với thiết bị điện tử thích hợp để khuếch đại tín hiệu và sự ổn định của tín hiệu phát hiện Các cấu hình quang cho một quang kế chung được thể hiện trong hình 2.2

Hình 2 3: Cấu hình quang phổ kế rời rạc

Quang phổ kế chùm đơn: là quang phổ có một kênh quang học duy nhất đó

là cấu hình để đo mẫu hoặc kênh chuẩn nhưng không phải cả hai cùng một lúc Kết quả phổ là tỷ lệ phổ truyền qua từ mẫu và các phép đo chuẩn Trong thực tế phản ứng của các máy dò đo với dòng năng lượng không photon được đo như dòng tối (Dark) Phổ truyền (trong đơn vị T) phổ từ thiết bị này được cho là

(2.4)

Nếu các máy quang phổ có bất kỳ tính không ổn định (quang học, cơ khí, điện tử ), hằng số thời gian giữa các phép đo mẫu và phép đo chuẩn trở thành quan trọng Các công cụ chùm đơn hoặc là phải có vốn dĩ ổn định hoặc thay thế giữa các phép đo mẫu và phép đo chuẩn ở một tần số như vậy để làm cho không đáng kể tốc độ thay đổi của quang phổ kế Thiết kế cho quang phổ đơn sắc và quang

phổ đôi-đơn sắc, cũng như thiết kế mảng diode, được thể hiện hình 2.3 Những thiết

kế này có thể được cấu hình như một hoặc hai chùm

Hình 2 4: Cấu hình quang phổ kế chùm đơn a,b

Quang phổ kế chùm đôi: Một máy quang phổ hai chùm tia gồm cả các kênh

mẫu, kênh chuẩn và đo lường cả hai kênh cùng một lúc Sự tách biệt của chùm ánh sáng từ nguồn được thực hiện bằng cách sử dụng bộ tách chùm tia để khoảng 50% những nguồn năng lượng phát ra được chia cho cả hai mẫu và các kênh chuẩn Việc

sử dụng các khái niệm chùm đôi bù đắp cho tính không ổn định của dụng cụ vốn có của tất cả các quang phổ kế Kết quả phổ là tỷ lệ những các kênh mẫu và kênh chuẩn trong quá trình truyền Như trong trường hợp của các công cụ đơn chùm, trong thực tế phổ thức từ thiết bị này được cho là

(2.5)

Hình 2 5: Cấu hình quang phổ kế chùm đôi

Quang phổ kế chùm đôi/ bước sóng đôi: có khả năng làm các phép đo tại

hai tần số danh định cùng một lúc Chúng có khả năng chiếu sáng một mẫu với hai bước sóng trong khi đo quang phổ ở cả hai bước sóng Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai yếu tố tán sắc (ví dụ, cách tử nhiễu xạ) để phân tán năng lượng bức xạ từ các nguồn trên mẫu vật mẫu ở hai bước sóng khác nhau

Một màn trập ngắt một trong hai chùm, trong khi cái kia là tia sáng tới máy

dò Các tín hiệu từ và được xử lý trong đó một cách mà các tín hiệu hiển thị là hấp thụ khác biệt của ( ; Hấp thụ khác biệt này là tỷ lệ thuận với nồng độ Quét bước sóng kép được sử dụng để hủy bỏ những ảnh hưởng của nền khi đo mẫu tạp chất, để định lượng một thành phần trong hỗn hợp đa thành phần, hoặc để định lượng phản ứng tốc độ cao

Quang phổ kế giao thoa: thường được sử dụng để đo bước sóng; loại này

có lợi cho những phép đo phổ Trong quang phổ, độ chính xác của phép đo bước sóng có thể là rất quan trọng Đo bước sóng từ các thiết bị giao thoa là chính xác hơn nhiều so với thường được thực hiện bằng cách sử dụng công cụ tán sắc Các loại phổ biến nhất của giao thoa kế là loại Michelson Một chùm sáng song song từ các nguồn phổ hướng vào một bộ tách chùm tia tại một góc 450 Bộ tách chùm tia bao gồm một bề mặt phản xạ 50% Phần phản xạ của ánh sáng từ bộ tách chùm tia

phản xạ đến một gương di động có phản chiếu cao , trong khi ánh sáng truyền qua

bộ tách chùm tia đập vào một gương cố định

Từ góc nhìn của máy dò (D) những hiện tượng sau đây được "quan sát" Nếu chiều dài đường đi đến gương di dộng và cố định là như nhau, một người quan sát ở

vị trí D sẽ thấy một vân sáng Nếu chiều dài đường đi không giống sự lệch pha sẽ xác định xem liệu các rìa quan sát thấy ở các máy dò là ánh sáng hoặc tối Các gương cố định chỉ được điều chỉnh độ nghiêng để giữ cho nó bình thường với chùm tia tới Khi gương di động có phản chiếu cao được di chuyển, con đường trở thành khác nhau và thay đổi pha Một sự di chuyển của nó (d) có liên quan đến số lượng rìa trong các mô hình giao thoa ( ) quan sát thấy tại D bởi các mối quan hệ: Với là bước sóng của ánh sáng tới song song vào giao thoa, và d được thể hiện trong các đơn vị giống với bước sóng đơn vị Cấu hình thiết kế quang học cho một công cụ giao thoa cơ bản được thể hiện trong hình 2.5

Quang phổ kế mở đường: được thiết kế theo các tính năng của các công cụ

tán sắc và giao thoa kế ngoại trừ rằng mẫu được đặt từ xa, từ các công cụ và nguồn ánh sáng hoặc là ánh sáng mặt trời hoặc năng lượng laser Các cấu hình cơ bản cho lấy mẫu trong thiết kế mở đường được hiển thị trong hình 2.6

Hình 2 6: Cấu hình quang phổ kế giao thoa

Hình 2 7: Cấu hình quang phổ kế mở đường

2.2.2 Chi tiết các linh kiện quang phổ kế[2]

Nguồn sáng: tất cả các vật liệu phát ra bức xạ điện từ, bản chất của nó phụ

thuộc vào chất liệu và nhiệt độ của nó Khí hoặc hơi của các nguyên tử nhỏ hơn áp suất khí quyển phát ra bức xạ có bước sóng rời rạc khi một dòng điện đi qua chúng Khi bị kích thích có chứa các phân tử phát ra quang phổ gồm nhiều dòng rất gần nhau mà bao gồm các dải bức xạ Các vật liệu rắn phát ra hoặc tỏa ra quang phổ liên tục trên tất cả các tần số

Bộ dò tìm: có hai loại cơ bản của máy dò photon: quang điện và trạng thái

rắn Các loại quang điện thường được đại diện bởi các máy dò ống nhân quang, trong khi các máy dò loại trạng thái rắn được đại diện bởi các máy dò photodiode,

dò hỏa điện và các máy dò hồng ngoại

Bộ lọc: bộ lọc giao thoa tồn tại hai loại cơ bản: bộ lọc thông dải và bộ lọc

kiểu khe Bộ lọc thông dải truyền ánh sáng chỉ cho một dải quang phổ xác định Các dải phổ truyền có thể từ dưới băng thông đầy đủ 1nm ở băng thông một nửa cực đại (FWHM) đến 50 nm hoặc nhiều hơn FWHM Bộ lọc kiểu khe truyền ánh sáng ở phía trên hoặc bên dưới một vùng bước sóng nhất định; chúng được gọi là loại bộ lọc "cắt trên" hoặc "cắt dưới" Bộ lọc này truyền có hiệu quả trong suốt một khu vực rộng lớn cho đến các giới hạn truyền tải của vật liệu lọc chất nền đạt được

Cách tử: khi ánh sáng tới chạm một cách tử nhiễu xạ, ánh sáng được tách ra

thành các bước sóng thành phần của ánh sáng với mỗi bước sóng nằm rải rác ở một góc độ khác nhau Để tính toán góc đặc biệt ( ) mà tại đó mỗi bước sóng của ánh sáng ( ) bị tán xạ từ một nhiễu xạ, biểu thức sau đây được sử dụng:

sin (2.6)

nơi là góc của ánh sáng nhiễu xạ từ các góc bình thường, o là số thứ tự (số nguyên như là 1, 2, 3), s là khoảng cách của các dòng trên lưới (Trong cùng một đơn vị là bước sóng), và là bước sóng của ánh sáng tới trong không khí

Bộ tách chùm tia: Bộ tách chùm tia là thiết bị quang học dùng để phân chia

và tái kết hợp một chùm ánh sáng Chúng có thể được sản xuất bằng gương nửa bạc phản chiếu khoảng 50% năng lượng tới chúng; 50% còn lại được truyền qua bộ tách chùm tia

Lăng kính: lăng kính có thể sử dụng một trong hai phân tán ánh sáng thành

các thành phần quang phổ của nó hay như lăng kính góc vuông với lớp phủ phản chiếu ở phía bên cạnh huyền uốn cong ánh sáng ở một góc 900 Các tính chất tán sắc của lăng kính đã được biết đến từ những năm cuối thế kỷ 17 Sự lệch hoặc tán sắc ánh sáng của một lăng kính là mô tả bằng định luật Snell tại mỗi bề mặt quang học của lăng kính, có tính đến chiết suất của lăng kính tại mỗi bước sóng

Bộ giao thoa: nhiều loại giao thoa tồn tại trong quang phổ kế hiện đại; Việc

thiết kế giao thoa cổ điển được đại diện bởi các giao thoa kế Michelson Gương di dộng được di chuyển tuyến tính ở khoảng cách vài phút để mang lại một hình ảnh giao thoa như là một loạt các sóng sin khi hình ảnh giao thoa là quan sát từ một lĩnh vực cụ thể

Phân cực: Sự đa dạng của các yếu tố phân cực tồn tại với mục đích xoay

hoặc chọn ánh sáng của một hướng vectơ điện tử cụ thể Khi vectơ hướng điện tử của ánh sáng tới một bề mặt song song với vector trường điện tử của bề mặt, tăng sự

mô tả các hóa chất bề mặt cho các thành phần quang học, màng mỏng, bề mặt kim loại, và các giao diện bán dẫn Việc sử dụng một tấm thạch anh có thể hoạt động như một kính phân cực mà sẽ quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực thẳng Vòng xoay (P) có thể được mô tả bằng các mối quan hệ:

| ∆ | (2.7) Trong đó t là chiều dày của tấm thạch anh cắt vuông góc với trục, là chiết suất đối với ánh sáng phân cực tròn phải, là chỉ số khúc xạ cho ánh sáng phân cực tròn trái, và là bước sóng chân không của ánh sáng đi vào các tấm thạch anh Lưu ý: đối với thạch anh, = 1,5582 và , = 1,5581

2.3 Cảm biến quang không tiếp xúc Hamamatsu[4]

Máy đo quang phổ đo màu, phân tích hóa học thường là các thiết bị lớn, vì vậy mẫu để đo lường đã được đưa vào phòng thí nghiệm hóa học, nơi có các thiết bị cồng kềnh Điều này đã dẫn đến trong những năm gần đây quan tâm các thiết bị có khả năng phân tích bằng cách đo thời gian thực tại chỗ mà không cần phải mang mẫu vào phòng thí nghiệm đặc biệt cũng như đo lường giám sát trong quá trình quan sát liên tục

Bằng cách kết hợp công nghệ cảm biến hình ảnh tích lũy qua nhiều năm dài với công nghệ MEMS như công nghệ khắc Hamamatsu đã thành công trong việc phát triển các sản phẩm cảm biến quang không tiếp xúc cung cấp kích thước nhỏ gọn cùng với chi phí thấp Những cảm biến quang không tiếp xúc có chứa một hệ thống quang học như một cách tử (bước sóng thành phần phân tán) và một bộ cảm biến hình ảnh tuyến tính Cảm biến quang không tiếp xúc có thể được sử dụng trong một loạt các lĩnh vực đo lường bao gồm phân tích hóa học, đo màu sắc, đo đạc môi trường, và điều khiển quá trình trong dây chuyền sản xuất Hamamatsu cũng cung cấp mô hình siêu nhỏ gọn được thiết kế đặc biệt để lắp ráp thành thiết bị đo cầm tay

2.3.1 Cấu tạo cơ bản của một cảm biến quang không tiếp xúc  

Hình 2 8: Sơ đồ các thành phần quang học trong cảm biến

Bộ đơn sắc được sử dụng rộng rãi thiết bị đo phổ Bộ đơn sắc thường có một khe thoát bố trí dọc theo mặt phẳng tiêu cự của thấu kính hội tụ Bộ đa sắc hoạt động trên nguyên tắc tương tự như đơn sắc nhưng được thiết kế để cho phép phát hiện đồng thời nhiều quang phổ Cảm biến quang không tiếp xúc là bộ đa sắc nhỏ gọn, trong đó một bộ cảm biến hình ảnh tuyến tính được bố trí trên mặt phẳng tiêu

cự của thấu kính hội tụ Để làm cho cảm biến quang không tiếp xúc nhỏ gọn và di động, các độ dài tiêu cự của ống kính trực chuẩn và thấu kính hội tụ được làm ngắn hơn so với bộ đơn sắc

Chức năng của các thành phần chính được sử dụng trong cảm biến quang không tiếp xúc được mô tả dưới đây

Khe dẫn ánh sáng (Input Slit): đây là một khẩu độ mà qua đó ánh sáng cần

đo được dẫn Kích thước khẩu độ có ảnh hưởng đáng kể đến đặc điểm quang học như độ phân giải phổ và thông lượng Có hai phương pháp dẫn ánh sáng: sợi quang

và không khí

Thấu kính trực chuẩn (Collimating lens): ánh sáng đi qua các khe dẫn ở một góc độ nhất định Các ống kính trực chuẩn định hướng ánh sáng truyền và dẫn nó vào cách tử

Cách tử (Grating): cách tử sẽ chia tách ánh sáng tới từ ống kính trực chuẩn thành các bước sóng khác nhau và cho phép ánh sáng ở mỗi bước sóng đi qua hoặc phản xạ ở một góc nhiễu xạ Có hai loại cách tử cho cảm biến quang không tiếp xúc: loại truyền và loại phản xạ

Thấu kính hội tụ (Focus lens): các thấu kính hội tụ sẽ hội tụ từng hình ảnh của ánh sáng bị phân tán bởi cách tử vào các điểm ảnh sắp xếp tuyến tính của bộ cảm biến hình ảnh theo bước sóng

Cảm biến hình ảnh (Image sensor): bộ cảm biến hình ảnh chuyển đổi các tín hiệu quang học, được phân tán thành các bước sóng bằng lưới và tập trung bởi thấu kính hội tụ thành tín hiệu điện và sau đó phát ra chúng

2.3.2 Cấu hình cảm biến quang không tiếp xúc

Bên cạnh một con chip cảm biến CMOS tích hợp với một khe quang học bằng công nghệ khắc, cảm biến quang không tiếp xúc sử dụng một cách tử lõm phản xạ được tạo thành kỹ thuật nanoimprint Kính sử dụng để dẫn ánh sáng của các sản phẩm trước đây đã không được sử dụng, làm cho nó cực kỳ nhỏ gọn

Hình 2 9: Cấu hình cảm biến quang không tiếp xúc

Khe dẫn

Độ rộng khe: khe dẫn ánh sáng giới hạn sự lan truyền trong không gian của

ánh sáng đo lường vào trong cảm biến quang Chiều rộng khe là một yếu tố thiết

yếu để xác định độ phân giải quang phổ Chiều rộng khe dẫn càng hẹp, độ phân giải phổ của cảm biến quang càng được cải thiện, nhưng thông lượng trở nên thấp hơn

Tuy nhiên, vì hệ quang học có sai lệch, có một giới hạn về độ phân giải quang phổ có thể được cải thiện Ảnh hưởng của hệ thống quang học có thể được giảm bằng cách làm cho NA (khẩu số nhỏ hơn) Điều này phần nào mở rộng giới hạn để cải thiện độ phân giải quang phổ

Độ phân giải và thông lượng quang phổ có sự cân bằng lẫn nhau Ví dụ, thu hẹp chiều rộng khe dẫn hoặc làm cho NA nhỏ hơn làm giảm thông lượng thiết bị Chiều rộng khe và NA phải được tìm thấy bằng cách lấy ý kiến và thông lượng theo yêu cầu

Bảng 2 1: Khẩu độ của dòng cảm biến quang C10082CA/C10083C Chiều cao khe: Chiều cao khe ảnh hưởng đến thông lượng thiết bị nhưng hầu như không ảnh hưởng đến độ phân giải quang phổ Tuy nhiên, trong hoạt động thực

tế, hình ảnh khe tập trung vào cảm biến hình ảnh sẽ trở nên méo mó do quang sai hệ thống quang học Sự biến dạng này có thể làm giảm độ phân giải quang phổ và làm phân tác các đặc tính ánh sáng rắm nên cần sử dụng cẩn thận

Bước sóng trung tâm của đường quang phổ: để xác định bước sóng trung tâm (λc) của một đường quang phổ, đường quang phổ phải được phát hiện bởi 3 hoặc nhiều điểm ảnh và xấp xỉ bởi một hàm Gaussian

Hình 2 10: Xác định bước sóng trung tâm của một đường quang phổ bởi xấp

xỉ chức năng Gaussian

Thấu kính trực chuẩn

Các ống kính trực chuẩn định hướng ánh sáng truyền và dẫn nó vào cách tử Một khẩu độ được sử dụng cùng với ống kính trực chuẩn để giới hạn NA của dòng ánh sáng

Cách tử

Cách tử nhiễu xạ phân tách ánh sáng thành các bước sóng khác nhau có thể được biểu diễn bằng phương trình cách tử nhiễu xạ

sin sin (2.8) d: khoảng cách khẩu độ

: góc tới (góc được hình thành bởi ánh sáng tới và đường pháp tuyến cách tử)

: góc nhiễu xạ (góc được hình thành bởi ánh sáng tán xạ và đường pháp tuyến cách tử)

● Lưới tần số: Số khe (rãnh) trên 1 mm

Lưới tần số là một tham số quyết định sự phân tán qua lại (D) Sự phân tán qua lại chỉ ra độ chênh lệch bước sóng trên một đơn vị chiều dài trên mặt phẳng tiêu

cự của một thấu kính hội tụ Sự phân tán qua lại được cho như sau:

Từ phương trình cách tử

sin α ± sin β = Nmλ (2.9)

● Dải bước sóng có nhiễu xạ hiệu dụng (bước sóng phát sáng)

● Hiệu quả nhiễu xạ

Hiệu quả nhiễu xạ là một giá trị thể hiện mức độ năng lượng có thể được chiết xuất như là ánh sáng nhiễu xạ từ năng lượng ánh sáng tới Hiệu quả nhiễu xạ của cảm biến quang không tiếp xúc được biểu diễn bằng tỷ số giữa mức ánh sáng nhiễu của một bậc nhất định đến mức ánh sáng tới

Các cách tử sử dụng được thiết kế sử dụng công nghệ mô phỏng quang tiên tiến để có tỉ lệ lồi lõm và độ sâu rãnh tối ưu Từ đó chúng có thể mang lại hiệu quả nhiễu xạ và sự phụ thuộc phân cực lý tưởng cho mỗi sản phẩm

Hình 2 12: Hiệu quả nhiễu xạ của 2 dòng C11482GA, C9913GC và

C9914GB

Phương pháp tích hợp chuỗi thời gian và phương pháp tích hợp đồng thời: phương pháp tích hợp cho cảm biến hình ảnh được sử dụng trong cảm biến quang không tiếp xúc là phương pháp tích hợp chuỗi thời gian hoặc phương pháp tích hợp đồng thời

Phương pháp tích hợp chuỗi thời gian: tín hiệu được chuyển giao trong khi chuyển địa chỉ Các xung tuần tự từ thanh ghi dịch được áp dụng cho mảng photodiode như một tín hiệu địa chỉ và điện tích tích lũy trong mỗi photodiode được đưa ra ngõ ra đường tín hiệu duy nhất Như được hiển thị trong biểu đồ thời gian (hình 2.13), thời gian tích hợp của mỗi điểm ảnh giống nhau nhưng thời gian quét khác từ điểm ảnh này đến điểm ảnh khác, do đó cần thận trọng khi ánh sáng tới được dò tìm bị thay đổi theo thời gian Để phát hiện ra xung ánh sáng, xung ánh sáng cần được nhập vào trong khi tất cả các điểm ảnh được tích hợp Trong phương pháp tích hợp chuỗi thời gian, thời gian chu kỳ (Tc) bằng thời gian hội nhập (Ts) Nếu thời gian đọc ở mỗi điểm ảnh là 4 μs/ch và số điểm ảnh là 512 ch, thì tổng thời gian đo (Tr) của cảm biến được biểu diễn như sau:

Tr = 4 μs/ch x 512 ch = 2.048 ms

Hình 2 13: Biểu đồ thời gian của phương pháp tích hợp chuỗi thời gian

Hình 2 14: Sự khác nhau của phương pháp tích thời gian và phương pháp

tích hợp đồng thời

Phương pháp tích hợp đồng thời: khi xung được nhập vào từ thanh ghi dịch, thông tin nạp tích lũy trong photodiode được vận chuyển tới các thanh ghi dịch tương tự từ tất cả các điểm ảnh tại cùng một thời gian Mỗi điện tích được truyền tuần tự và xuất ra phần đầu ra bằng xung đồng hồ Phương pháp này được sử dụng bởi bộ cảm biến hình ảnh tuyến tính CMOS độ nhạy cao của Hamamatsu và bộ cảm biến hình ảnh tuyến tính InGaAs Thời gian tích hợp (Ts) của cảm biến hình ảnh tuyến tính CMOS độ nhạy cao được điều khiển bởi mức tín hiệu ST, còn cảm biến hình ảnh tuyến tính của InGaAs được điều khiển bởi mức tín hiệu RESET Các bộ nạp được tích hợp đồng bộ với mức cao của tín hiệu ST hoặc RESET Thời gian chu kỳ (Tc) sẽ là tổng của thời gian tích hợp(Ts) và thời gian đặt lại (Treset) Lưu ý rằng các tín hiệu ánh sáng nhập vào trong thời gian đặt lại không bị phát hiện.Ánh sáng xung phải được nhập vào trong thời gian tích hợp để được xử lý

Hình 2 15: Biểu đồ thời gian của phương pháp tích hợp đồng thời

Chế độ hoạt động

Khi ánh sáng đi vào một bộ cảm biến hình ảnh, một điện tích được tạo ra trong mỗi điểm ảnh của cảm biến hình ảnh theo mức ánh sáng tới Khoản phí này tích lũy trong mỗi pixel trong thời gian tích hợp và được xóa đi khi hiển thị

Điều này có nghĩa là khoản phí phải được đọc trước khi bắt đầu tích hợp các khoản phí mới tạo ra Trong cảm biến quang không tiếp xúc, chu kỳ này là "tính phí tích hợp → đọc chi phí (chuyển đổi số - tương tự) → lưu giữ dữ liệu số" lặp đi lặp lại trong một chu kỳ Dữ liệu số được cập nhật liên tục với dữ liệu thu được trong thời gian tích hợp mới nhất Khi nhận được yêu cầu dữ liệu từ máy PC, cảm biến quang sẽ gửi dữ liệu mới nhất vào thời điểm đó đến máy PC Hình sau cho thấy hoạt động tự do

Hình 2 16: Chế độ hoạt động bình thường cảm biến ánh sáng Chế độ hoạt động khi có ngõ vào kích hoạt: Cảm biến quang không không tiếp xúc tương thích với USB 2.0 có thể thu được dữ liệu dựa trên đầu vào tín hiệu kích hoạt từ máy PC Cũng có thể thu được và xuất ra dữ liệu bằng cách sử dụng một tín hiệu kích hoạt bên ngoài nhận được thông qua kết nối kích hoạt Chế độ hoạt động có thể được lựa chọn từ phần mềm được cung cấp cùng cảm biến

Trường hợp ngõ vào kích hoạt: CapturerMode: TRIGGER, TriggerPolarity: Falling, TriggerOutput: OFF Thời gian tích hợp được thiết lập bởi máy tính Thời gian bắt đầu tích hợp được đồng bộ với tín hiệu đầu vào kích hoạt.Nếu một tín hiệu đầu vào kích hoạt không được nhập vào, việc tích hợp cảm biến quang không bắt

khi hiển thị dữ liệu tới màn hình, cảm biến quang bắt đầu đo lại Quá trình đo lặp đi lặp lại

Hình 2 17: Dữ liệu đo đồng bộ với ngõ vào kích hoạt Trường hợp ngõ ra kích hoạt: CapturerMode: SPECIFIED NUMBER, TriggerPolarity: Rising, TriggerOutput: ON Thời gian tích hợp được thiết lập bởi

PC Dữ liệu đo được gởi đến PC Dữ liệu được hiển thị trên màn hình của PC Sau khi hiển thị dữ liệu tới màn hình, cảm biến quang bắt đầu đo lại Quá trình đo lặp đi lặp lại

Hình 2 18: Dữ liệu đo đồng bộ với ngõ ra kích hoạt

Mạch điều khiển

Cảm biến quang không tiếp xúc loại modun chứa một mạch điều khiển được thiết kế đặc biệt cho cảm biến hình ảnh Tín hiệu được xử lý bởi mạch xử lý tín hiệu trong mạch điều khiển được chuyển đổi thành tín hiệu số của bộ chuyển đổi 16 bit

A/D và sau đó chuyển qua giao diện USB tới máy PC bằng bộ điều khiển bên trong Các mạch điều khiển bao gồm các phần sau đây

● Bộ điều khiển nhiệt độ và quạt làm mát

(1) Mạch điều khiển cảm biến

Mạch điều khiển này tạo ra các tín hiệu (CLK, START, RESET, vv) theo thông số kỹ thuật của cảm biến hình ảnh trong cảm biến quang không tiếp xúc và tín hiệu đầu vào của nó được lấy từ thiết bị đầu cuối cảm biến hình ảnh

(2) Mạch xử lý tín hiệu

Mạch xử lý tín hiệu xử lý tín hiệu xuất ra từ bộ cảm biến hình ảnh Nó điều chỉnh điện áp bù và khuếch đại tín hiệu đầu ra để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi A/D

Hình 2 19: Sơ đồ khối mạch điều khiển (2) Mạch xử lý tín hiệu

Mạch xử lý tín hiệu xử lý tín hiệu xuất ra từ bộ cảm biến hình ảnh Nó điều chỉnh điện áp bù và khuếch đại tín hiệu đầu ra để tối đa hóa hiệu suất chuyển đổi A/D

(3) Bộ chuyển đổi A/D

Bộ chuyển đổi A/D này chuyển tín hiệu từ mạch xử lý tín hiệu sang tín hiệu