CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ. ( 6 tiết)
2.6 Nhiệt kế áp suất lỏng và khí
Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ông mao (2) và chất lỏng (3). Chất lỏng thường dùng là thủy ngân có hệ số giãn nở nhiệt = 18.10-5 /0C, vỏ nhiệt kế thủy ngân có = 2.10-5 /0C khi đo nhiệt độ, bình nhiệt được đặt tiếp xúc với môi trường đo, chất lỏng dãn nở và đang lên ống mao dẫn, thang đo nhiệt chia độ dọc theo ống mao. Dãi nhiệt độ từ 50 – 6000C tùy theo vật liệu chế tạo vỏ bọc
Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ.
CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1: Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thermictor
Câu 2: Trình bày ƣu, khuyết điểm của cảm biến cặp nhiệt điện – Thermocouple
Câu 3: Trình bày đặc điểm của cảm biến hỏa kế và phạm vi ứng dụng của nó trong thực tế Câu 4: Trình bày cấu tạo và đặc điểm của Cặp nhiệt Chromel / Alumel:
Câu 5: Thiết kế sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến LM35
Câu 6: Cho biết ý nghĩa các thông số trình bày trong datasheet của LM335 và cách sử dụng LM335 nhƣ thế nào?
Câu 7: Trình bày cấu tạo và hoạt động, ứng dụng của cảm biến nhiệt điện trở TRẮC NGHIỆM
Câu 8: Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện (Thermocouple) dựa trên hiệu ứng
a. Dòng điện da c. Nóng - lạnh
b. Seebeck d. fuco
Câu 9: Tầm đo của cảm biến nhiệt LM135A
a. -55 – 150oC c. -150 – 300oF
b. -50 – 150oF d. -55 – 150oF
Câu 10: Cảm biến nhiệt độ bán dẫn loại LM45B có độ chính xác
a. 1oC c. 3oC
b. 4oC d. 2oC
Câu 11: Độ nhạy của cảm biến nhiệt LM34 là
a. 10mv / oC c. 5mv / oC
b. 10mv / oF d. 5mv / oF
Câu 12: Độ nhạy của cảm biến nhiệt LM35 là
a. 1mv/0F c. 5mv / oF
b. 1mv / oC d. 10mv / oC
Câu 13: Khi đo nhiệt độ dùng Thermocouple ta nên giữ nhiệt độ
a. Đầu nóng không đổi c. Hiệu (T1 –T2) không đổi
b. Tổng (T1 + T2) không đổi d. Đầu lạnh không đổi
Chương 3: Cảm biến quang học
3.1 Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn
Ánh sáng vừa có tính chất sóng và tính chất hạt, ánh sáng là một dạng sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy từ 0.38 – 0.76m
Hình 3.1: Vùng phân bố ánh sáng
Ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lƣợng nhất định
E = h.f (3.1)
Trong đó:
h là hằng số Planck (h = 6,6256.10-34J.s)
f là tần số ( f = c/ )
Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính quang trọng của bức xạ, việc sử dụng cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với ánh sáng. Các nguồn sáng thông dụng gồm đèn sợi đốt, đèn led, đèn lazer
Đèn sợi đốt
Cấu tạo: Gồm sợi Voonfram đặt trong bóng thủy tinh hoặc thạch anh chứa các khí trơ hoặc Halogen để giảm bay hơi của sợi đốt.
Hình 3.2 Hình ảnh về đèn sợi đốt
Chương 3: Cảm biến quang học
Đặc điểm: dải phổ rộng, hiệu suất phát quang thấp, quán tính nhiệt lớn, tuổi thọ thấp
Đèn bán dẫn
Cấu tạo:Là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lƣợng giải phóng do tái hợp điện tử - lỗ trống gần chuyển tiếp P – N làm phát sinh các Photon.
Đặc điểm: Thời gian đáp ứng nhanh (ns), tuổi thọ cao (gần 100.000 giờ), kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất thấp, độ bền cao, quang thông cỡ mW
Hình 3.3 Hình ảnh một số loại đèn Led
- Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode).
- Ánh sáng đƣợc phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt đƣợc ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (nhƣ ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).
- LED thông dụng nhất: LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng
3.2 Các đơn vị quang học 3.2.1 Đơn vị đo năng lƣợng
- Năng lượng bức xạQ là năng lượng lan truyền hoặc hấp thu dưới dạngbức xạ đo bằng Jun (J) - Thông lƣợng ánh sáng () là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thu đo bằng Oat (W)
(3.2)
- Cường đồ ánh sáng (I) là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước ứng với một đon vị góc khối tính bằng W/steriadian
Chương 3: Cảm biến quang học
(3.3)
- Độ chói năng lượng (L) là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt có diện tích dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu dAn của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó.
(3.4)
- Độ rọi năng lƣợng (E) là tỷ số giữa luồng năng lƣợng thu đƣợc bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó. Đơn vị đo là Oat/m2
(3.5)
3.2.2 Đơn vị đo thị giác
Độ nhạy của mắt người với ánh sáng có bước sóng khác nhau là khác nhau
Hình 3.4 Đường cong độ nhạy tương đối của mắt
Theo quy ước một luồng sáng có năng lượng 1W ứng với bước sóng max , tương ứng với luồng sáng bằng 680 lumen, do đó K = 680.
Luồng sáng đơn sắc tính theo thị giác
V () = 680V()() lumen (3.6)
Đối với ánh sáng liên tục
∫
lumen (3.7)
Chương 3: Cảm biến quang học Bảng 3.1 : Các đơn vị đo ánh sáng cơ bản
3.3 Quang trở, tế bào quang điện.
3.3.1 Quang trở
Quang trở là hiện tƣợng điện trở của chất bán dẫn giảm đi khi khi bị chiếu sáng, điện trở có giá trị thay đổi theo cường độ ánh sáng kích thích
Cấu tạo: gồm lớp bán dẫn mỏng (cadimi sulfur CdS); tấm cách điện; điện cực bằng kim
loại.
Hình 3.5: Hình dạng cấu tạo của quang trở Nguyên lý:
Hình 3.5: Hình dạng thật của một quang trở
Nối quang trở với nguồn ( vài volt ).
Chương 3: Cảm biến quang học
Chiếu askt có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang dẫn: xuất hiện dòng điện.
Điện trở của quang trở giảm rất mạnh khi có ánh sáng kích thích thích hợp.
3.3.2 Tế bào quang điện
Tế bào quang điện là một loại cảm biến quang dựa trên hiện tƣợng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tƣợng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng.
Hình 3.5: Hình dạng cấu tạo của tế bào quang điện
Cấu tạo: Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thểđồng nhất hoặc đơn 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 phatạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe.
Tính chất : Điện trở vùng tối Rco phụ thuộc vào hình dạng, kích thuớc, nhiệt độ và bản chất lý hoá của vật liệu. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 104 tới 105Ω ở 25oC), trong khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ (từ 10 tới 103Ω ở 25oC). Khi đƣợc chiếu sáng, điện trở cửa tế bào quang dẫn giảm xuống rất nhanh, quan hệ giữđiện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng:
Rc = a- (3.8)
Chương 3: Cảm biến quang học Trong đó: a là hằng số phụ thuộc vật liệu, 0.5< < 1
Hình 3.6: Quan hệ giữa độ rọi và điện trở
Ánh sáng có bước sóng thích hợp rọi vào điện cực dương + (trong suốt) vào lớp bán dẫn loại p.
Tại lớp p, xảy ra hiện tƣợng quang điện trong tạo thành lỗ trống và electron quang điện.
Điện trường lớp tiếp xúc p - n đẩy lỗ trống vềlớp p và đẩy e về lớp n.
Lớp kim loại mỏng nhiễm điện dương.
Phần đế tiếp xúc với lớp n nhiễm điện âm trở thành cực âm.
Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Ứng dụng của tế bào quang dẫn:
Chương 3: Cảm biến quang học Tế bào quang dẫn thường được dùng để đo thông lượng ánh sáng, kết hợp với nguồn sáng để dò vạch dẫn dường cho các mobile robot, đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng …
Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn:
Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng
Hình 3.9: Sơ đồ dùng tế bào quang điện để dò vạch dẫn đường, đọc mã vạch 3.4 Diode quang, Transistor quang.
3.4.1 Diode quang
Cấu tạo: Photo diode là một tiếp giáp p-n đƣợc tạo bởi các vật liệu nhƣ: Ge, Si (Cho vùng ánh sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng ngoại.
Chương 3: Cảm biến quang học
Hình 3.10: Cấu tạo của photo Diode
Nguyên lý làm việc của photo diode: Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạcó bước sóng nhỏhơn bước sóng ngưỡng < nsẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử– lỗ trống.
Để các hạt này có thểtham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I tacần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng nghĩa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Quá trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược.
Các chếđộ làm việc của photo Diode:
Chếđộ quang dẫn:
Ở chế độ quang dẫn, photo diode đƣợc phân cực ngƣợc bởi nguồn sức điện động E
Hình 3.11: Sơ đồ mạch ở chế độ quang dẫn
Chếđộ quang thế:
Trong chế độ quang thế không có điện áp ngoài đặt vào Diode, Photo diode làm việc nhƣ một nguồn dòng. Đặc điểm của chế độ này là không có dòng điện tối do không có nguồn phân cực ngoài nên giảm được ảnh hưởng của nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ. ta thấy điện áp trên diode phụ thuộc tuyến tính vào thông lƣợng ánh sáng theo hàm logarit.
Ứng dụng của photo diode: Photo diode có thểdùng đểđo thông lƣợng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộđiều khiển từ xa, đọc mã vạch …
Sơ đồ dùng photo diode:
Chương 3: Cảm biến quang học
Hình 3.12: Sơ đồ đo dòng ngƣợc ở chế độ quang dẫn
Hình 3.13: Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang thế 3.4.2 Photo transistor:
Cấu tạo: Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ có thể đƣợc chiếu sáng.
Khi không có điện áp đặt lên Bazơ chỉ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bị phân cực ngƣợc
: Phân cực cho Transistor quang và sơ đồ tương đương
Chương 3: Cảm biến quang học Điện áp đặt vào E hầu nhƣ tập trung toàn bộ trên chuyển tiếp B-C, trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa Emiter và Bazơ là không đáng kể (VBE ≈0,7 [V]). Khi chuyển tiếp B-C đƣợc chiếu sáng, nó hoạt động nhƣ một photo diode ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngƣợc
Ứng dụng của transistor quang:
Transistor có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch, chế tạo các cảm biến quang trong công nghiệp.
3.5 Sợi quang.
Cấu tạo : Sợi quang thông thường có dạng trụ với lõi bằng vật liệu thạch anh hoặc thủy tinh đa thành phần hoặc nhựa tổng hợp trong suốt với chiết suất lớn hơn nhiều so với không khí. Bên ngoài lõi là một màng vỏ làm bằng chất có chiết suất nhỏhơn.
Hình 3.15: Sơ đồ cấu tạo và đường đi của ánh sáng trong sợi quang Đặc điểm:
- Hoạt động ổn định trong môi trường khắc nghiệt, nhiệt độ cao - Dễ lắp đặt, chỉ cần không gian nhỏ
- Có thể phát hiện các vật nhỏ
Chương 3: Cảm biến quang học Ứng dụng cảm biến sợi quang
Hình 3.16: Vị trí cảm biến trong các băng chuyền sản xuất
OMRON đã sáng chế đƣợc loại sensor công nghệ cao phát hiện đƣợc vật thể bóng là sensor có mã hiệu E3X-NL11 và E32-S15L-1 mà một sensor truyền thống không thể phát hiện đƣợc chính xác vật thể có độ phản xạ ( bóng ) cao nhƣ vậy.
Hình 3.17: Băng chuyền dãn nhãn
E3X-DA-N với E32-T17L do có tia sáng rất mạnh nên có thể phát hiện đƣợc cả bên trong hộp chứa mờ đục. Đây là loại sensor đặt số nên rất dễ đặt mức ngƣỡng.
: Hệ thống phát hiện lỗi trong hộp thực phẩm
Chương 3: Cảm biến quang học 3.6 Ứng dụng cảm biến quang.
Cảm biến quang là các linh kiện quang điện có thể thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của nó. Cảm biến quang thường được sử dụng giống như một công tắt đóng, ngắt mạch điện nhờ vào sự chiếu sáng hay không chiếu sáng đến linh kiện cảm nhận quang khi có mặt hay không có mặt của đối tƣợng cần phát hiện
Cấu tạo cảm biến quang công nghiệp
Hình 3.19: Cấu tạo cảm biến quang thu phát riêng
Hình 3.20: Cấu tạo cảm biến quang thu phát chung Cảm biến gồm phần phát và phần thu:
+ Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò nhƣ một nguồn phát sáng đƣợc đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu.
+ Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập trung ánh sáng rọivào trasistor. Transistor quang thu đƣợc nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra.
Một số hình dạng thực tế
Chương 3: Cảm biến quang học
a.Loại phản xạ b.Loại thu - phát riêng c.Loại hộp vuông
d. Loại thu phát riêng e. Loại dùng gương phản xạ Hình 3.21: Hình dạng thực tế của cảm biến quang
Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vị trí định trước như: dùng làm cảm biến phát hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản phẩm và đóng thùng sản phẩm, phát hiện có vật cản ngay cửa của các thang máy, phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống đóng gói sản phẩm, dùng đo tốc độ động cơ … Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng của cảm biến quang.
Cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài
Chương 3: Cảm biến quang học
Phát hiện chai và đếm số chai
Hình 3.23: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ để đếm chai
Cảm biến khuếch tán dùng để phát hiện chiều cao của bánh có trong khay ( hộp ) chính xác lên đến vài micromet
Hình 2.24: Ứng dụng cảmbiến quang khuếch tán phát hiện bánh trong khay
Phát hiện ống hút trong hộp sữa
Chương 3: Cảm biến quang học E3G-L1 là sensor đặt đƣợc khoảng cách thế hệ mới. Nó có thể nhận biết đƣợc sự khác biệt rất nhỏ về chiều cao. Sensor hoạt động rất ổn định và không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, chất liệu, độ nghiêng dốc, độ bóng và kích thước của vật thể. Để phát hiện có hoặc không có ống hút đi kèm theo đồ uống đóng hộp
Phát hiện thực phẩm trong khay
Hình 2.26: Mô hình hoạt động với sensor E3S_CL1
Kiểm tra mức chất lỏng có trong hộp giấy
Hình 2.27:Ứng dụng của cảm biến thu phát độc lập
Chương 3: Cảm biến quang học
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Muốn Diode quang ( photoDiode) dùng trong việc đo quang thông thì ta phải cho Dioode quang làm việc ở chếđộ nào?
2. Diode quang có mấy chếđộ làm việc? Trình bày các ứng dụng của Diode quang.
3. Muốn Diode quang ( photoDiode) dùng làm đầu thu trong các bộđiều khiển từ xa không dây thì ta phải cho Dioode quang làm việc ở chếđộ nào?
4. Sensor E3Z _ T61 có đặc điểm như thế nào và được sử dụng trong những trường hợp nào?
5. Đặc điểm và ứng dụng của cảm biến thu phát chung?
6. Đặc điểm và ứng dụng của cảm biến thu phát độc lập?
7. Cho biết đặc điểm của E3S_R12 và ứng dụng của nó trong thực tế? 8. Cho biết đặc điểm và ứng dụng của E3Z_B?
9. Cho biết đặc điểm và ứng dụng của Z4W_V?
10. Cho biết đặc điểm của loại cảm biến quang không bị ảnh hưởng bởi màu nền?
11. Trình bày các khối chính trong một sensor quang 12. Trình bày cấu tạo và đặc điểm của quang trở TRẮC NGHIỆM
Câu 13: Ƣu điểm của cảm biến sợi quang là
a. Hoạt động trong môi trường khắc nghiệt c. Có độ nhạy tốt b. Có sai số nhỏ d. Tốc độ nhanh, chính xác
Câu 14: ứng dụng nổi bật của cảm biến sợi quang là:
a. Phát hiện kim loại, phi kim c. Dễ lắp đặt ở không gian nhỏ b Phát hiện đƣợc nhựa, thủy tinh d. Không gian nhỏ, phát hiện vật nhỏ Câu 15: PhotoDiode làm việc chế độ quang dẫn đƣợc
a. Khuếch đại c. Phân cực thuận
Chương 3: Cảm biến quang học Câu 16: Ứng dụng phổ biến của photo diode là
a. Đầu thu từ bộ điều khiển Remote c. Mã vạch số
b. Cảm biến nhiệt d. Cảm biến ánh sáng
Câu 17: Khi đƣợc chiếu sáng, điện trở tế bào quang dẫn sẽ
a. Tăng khi nhiệt độ cũng tăng c. Tăng lên
b. Giảm xuống d. Không đổi
Câu 18: Tế bào quang dẫn là cảm biến dựa trên hiện tƣợng
a. Quang điện c. Cảm ứng
b. Quang dẫn d. Nhiệt độ - Ánh sáng
Câu 19:Các ứng dụng như đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, dò vạch dẫn đường thường dùng cảm biến
a. Điện dung c. Tế bào quang dẫn
b. Điện cảm d. Tiệm cận