Giáo trình Kỹ thuật cảm biến - Nghề: Điện tử công nghiệp - Lê Văn Hiền (Trình độ trung cấp)

HgTe, InSb (cho vùng ánh sáng hồng ngoại).
Hình 5.6 Cấu tạo của Photo Diode
 - Nguyên lý làm việc của photo diode:
 Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng λ < λn sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử– lỗ trống. Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I ta cần 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 chế độ làm việc của Photo Diode :
 + Chế độ quang dẫn :
Ở chế độ quang dẫn, Photo Diode được phân cực ngược bởi nguồn sức điện động E như hình 5.7
Hình 5.7 Sơ đồ phân cực Photo Diode ở chế độ quang dẫn
Dòng điện ngược chạy qua diode :
 (5-10) 
Trong đó : Io - là dòng ngược khi không được chiếu sáng
 Ip - là dòng quang điện khi ánh sáng đạt tới vùng nghèo sau khi qua bề dày X của lớp bán dẫn
 (5-11) 
Trong đó : K - là hằng số
 Φo - là quang thông bên ngoài lớp bán dẫn
 α ≈ 105 [cm-1]
 Vd - là điện áp ngược trên photo diode
Khi Vd có giá trị đủ lớn thì : Ir = Io + Ip (5-12) 
do Io thường rất nhỏ nên : Ir = Ip 	(5-13) 
Viết phương trình cho mạch điện hình 5.7 : E = VR - Vd (5-14) 
Trong đó : VR = R.Ir (5-15) - là đường thẳng tải
Hay : (5-16) 
Hình 5.8 Đặc tuyến I – V với thông lượng khác nhau của photo diode
 + Chế độ quang thế :
Trong chế độ quang thế không có điện áp ngoài đặt vào Diode, Photo diode làm việc như 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.
Khi chiếu sáng vào photo diode, các hạt dẫn không cơ bản tăng lên làm cho hàng rào điện thế của tiếp giáp thay đổi một lượng khi đó ta có :
 (5-17) 
 (5-18) 
Sự thay đổi của hàng rào điện thế này được xác định bằng cách đo hiệu điện thế trên photo diode ở trạng thái hở mạch.
Khi chiếu sáng yếu : Ip << Io thì :
 (5-19) 
Do đó điện áp trên diode phụ thuộc tuyến tính vào thông lượng ánh sáng Φ
Khi chiếu sáng mạnh : Ip >> Io thì :
 (5-20) 
Với Ip được tính trong công thức ở trên thì từ đây ta thấy điện áp trên photo diode phụ thuộc theo thông lượng ánh sáng theo hàm logarit.
 - Độ nhạy của photo diode :
 (5-21) 
 - Ứng dụng của photo diode :
Photo diode 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, ..
Sơ đồ dùng photo diode :
Hình 5.9 Sơ đồ mạch đo dòng ngược dùng photo diode ở chế độ quang dẫn
Hình 5.9 Sơ đồ mạch đo dùng photo diode ở chế độ quang thế
 * Photo transistor :
 - Cấu tạo của photo transistor và nguyên lý làm việc của transistor quang :
Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ có thể được chiếu sáng. Khi không có điện áp đặt lên Bazơ chỉ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bị phân cực ngược như hình 5.10
 a) Sơ đồ phân cực transistor quang b) Sơ đồ tương đương
Hình 5.10 Sơ đồ mạch đo dùng transistor quang
Điện áp đặt vào E hầu như 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 được chiếu sáng, nó hoạt động như một photo diode ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược
Ir = Io + Ip (5-22) 
Trong đó : Io - là dòng điện ngược khi không được chiếu sáng 
 Ip - là dòng quang điện khi có quang thông Φo chiếu qua bề dày X của lớp bán dẫn
 Ir đóng vai trò như dòng Bazơ, nó sẽ gây nên dòng colector Ic :
Ic = (β +1)Ir (5-23) 
Trong đó : β - là hệ số khuếch đại dòng khi emiter nối chung
 - Độ nhạy của transistor quang :
 (5-24) 
 - 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 
5.1.4 Một số cảm biến quang thông dụng 
 * Quang trở (photoresistor) :
Hình 5.11 Quang trở
Giá trị điện trở của quang trở thay đổi khi có cường độ ánh sáng chiếu vào bề mặt của nó thay đổi. Giá trị điện trở của quang trở cũng giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào nó cũng mạnh và ngược lại.
Độ nhạy của quang trở được xác định :
 (5-25)
Trong đó : ∆I - sự thay đổi của cường độ ánh sáng
 ∆R - sự thay đổi điện trở
Hình 5.12 Đường đặc tính của quang trở
 * Cảm biến hồng ngoại : 
Bao gồm các loại sau :
Cảm biến quang loại phát thu độc lập
Cảm biến quang loại phản xạ gương
Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
5.2 Cảm biến quang loại thu phát độc lập
Mục tiêu :
	- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí hoạt động và các đặc điểm liên quan đến cảm biến quang loại thu phát độc lập
 * Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :
 Cảm biến quang loại thu phát độc lập (through beam) bao gồm hai bộ phận chính đó là bộ phận phát và bộ phận thu (như hình 5.13)
Hình 5.13 Cấu tạo cảm biến quang loại thu phát độc lập
 Bộ phận phát sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại và truyền đi thẳng, ánh sáng hồng ngoại này đã được mã hóa theo 1 tần số nào đó, mục đích nhằm tránh ảnh hưởng của các nguồn ánh sáng xung quanh. 
 Nếu đặt bộ phận thu trên đường truyền thẳng của ánh sáng hồng ngoại thì bộ phận thu sẽ nhận được ánh sáng và không có tác động gì ở ngõ ra.
 Nếu có vật cảm biến đi ngang qua và ngắt ánh sáng truyền đến bộ phận thu thì bộ phận thu sẽ không nhận được ánh sáng từ bộ phận phát, lúc này bộ phận thu sẽ có tín hiệu tác động ở ngõ ra.
 * Khoảng cách phát hiện :
 Đối với cảm biến quang loại thu phát độc lập, khoảng cách cài đặt là khoảng cách tính từ bộ phận phát đến bộ phận thu sao cho bộ phận thu có thể nhận được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát. Do đó, có thể nói khoảng cách phát hiện cũng chính là khoảng cách cài đặt.
Hình 5.14 Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại thu phát độc lập
 *Góc phát quang :
 Trên thực tế bộ phận phát không phát ra một tia sáng truyền thẳng mà phát ra một tia sáng có đường kính tăng dần
Hình 5.15 Góc phát quang của cảm biến quang loại thu phát độc lập
 * Chế độ hoạt động Dark-On và Light-On :
 - Chế độ hoạt động Dark-On :
Hình 5.16 Chế độ hoạt động Dark-On của cảm biến quang loại thu phát độc lập
 - Chế độ hoạt động Light-On :
Hình 5.17 Chế độ hoạt động Light-On của cảm biến quang loại thu phát độc lập
 * Kết nối cảm biến :
 Tùy thuộc vào đối tượng tải thực tế, mà chúng ta sử dụng bộ phận thu của cảm biến quang là loại DC hay AC. Khi kết nối cảm biến với tải phải tuân theo chỉ dẫn đã được ghi trên nhãn của cảm biến. Mọi kết nối sai sẽ làm hỏng cảm biến.
 - Kết nối tải khi bộ phận thu là kiểu NPN :
Hình 5.18 Kết nối bộ phận thu kiểu NPN
 - Kết nối tải khi bộ phận thu là kiểu PNP : 
Hình 5.19 Kết nối bộ phận thu kiểu PNP
 Tải có thể là Relay, PLC hoặc các mạch Logic
5.3 Cảm biến quang loại phản xạ gương
Mục tiêu :
	- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí hoạt động và các đặc điểm liên quan đến cảm biến quang loại phản xạ gương
 * Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :
 Cảm biến quang loại phản xạ gương (retro reflective) gồm hai thành phần chính đó là bộ phận phát – thu và gương phản xạ như hình 5.20
 Bộ phận phát sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại và truyền đi thẳng, ánh sáng hồng ngoại này đã được mã hóa theo 1 tần số nào đó, mục đích nhằm tránh ảnh hưởng của các nguồn ánh sáng xung quanh. 
 Nếu không có vật cảm biến thì ánh sáng từ bộ phận phát sẽ bị phản xạ ngược lại, bộ phận thu sẽ nhận được ánh sáng và không có tác động gì ở ngõ ra.
 Nếu có vật cảm biến đi ngang qua và ngắt ánh sáng truyền đến bộ phận thu thì bộ phận thu sẽ không nhận được ánh sáng từ bộ phận phát, lúc này bộ phận thu sẽ có tín hiệu tác động ở ngõ ra.
Hình 5.20 Cấu tạo cảm biến quang loại phản xạ gương
 * Gương phản xạ :
 Gương phản xạ là loại gương mà khi ánh sáng chiếu đến thì ánh sáng phản xạ trở lại sẽ song song với ánh sáng chiếu tới. Gương phản xạ dùng cho cảm biến quang thường có dạng hình vuông hoặc hình chữ nhật. Về cấu tạo bên trong thì gương phản xạ có hai loại, đó là loại hạt thủy tinh và loại gương ba mặt.
Hình 5.21 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của :
a)Gương thường b)Gương phản xạ 3 mặt c) Gương phản xạ loại hạt thủy tinh
 * Khoảng cách phát hiện :
 Đối với cảm biến quang loại gương phản xạ, khoảng cách cài đặt là khoảng cách tính từ bộ phận phát – thu đến gương phản xạ sao cho bộ phận thu có thể nhận được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát. Do đó, có thể nói khoảng cách phát hiện cũng chính là khoảng cách cài đặt.
Hình 5.22 Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại gương phản xạ
 * Chế độ hoạt động Dark-On và Light-On :
 - Chế độ hoạt động Dark-On :
Hình 5.23 Chế độ hoạt động Dark – On của cảm biến quang loại gương phản xạ
 - Chế độ hoạt động Light-On :
Hình 5.24 Chế độ hoạt động Light – On của cảm biến quang loại gương phản xạ
 * Kết nối cảm biến : (Tương tự như kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập)
5.4 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán 
Mục tiêu :
	- Trình bày được cấu tạo, nguyên lí hoạt động và các đặc điểm liên quan đến cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
 * Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :
 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán (diffuse reflective) là loại cảm biến cũng sử dụng nguyên lý phát thu, những tia hồng ngoại phát ra có góc phát to dần khi ánh sáng đi ra xa.
Hình 5.25 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
 * Khoảng cách phát hiện :
 Đối với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán, khoảng cách cài đặt là khoảng cách xa nhất tính từ bộ phận phát – thu đến vật cảm biến sao cho bộ phận thu có thể nhận được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát. Do đó, có thể nói khoảng cách phát hiện cũng chính là khoảng cách cài đặt.
Hình 5.26 Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
 * Chế độ hoạt động Dark-On và Light-On :
 - Chế độ hoạt động Dark-On :
Hình 5.27 Chế độ hoạt động Dark – On của cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
 - Chế độ hoạt động Light-On :
Hình 5.28 Chế độ hoạt động Light – On của cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
 * Kết nối cảm biến : (Tương tự như kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập)
5.5. Một số ứng dụng của cảm biến quang điện
Mục tiêu :
	- Trình bày được một số ứng dụng của cảm biến quang điện
 * Cảm biến quang loại phát thu độc lập :
E3C
Phát hiện các vật nhỏ
Phát hiện gãy mũi khoan
E3S-C
E3C
Phát hiện linh kiện điện tử
E3C
Phát hiện các vật lớn
Phát hiện sữa trong hộp giấy
Kiếm tra thuốc
Phát hiện vật băng ngang qua
Đặc điểm:
- Độ tin cậy cao
- Khoảng cách phát hiện xa
- Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật
E3Z-T61, với tia sáng mạnh có thể xuyên qua vỏ bọc giấy bên ngoài và vì vậy có thể phát hiện được sữa / nước trái cây tại thời điểm hiện tại cũng như phát hiện được mức của chất lỏng này.
 * Cảm biến quang loại phản xạ gương :
 Phát hiện người để mở cửa	 Phát hiện xe đi qua
Phát hiện vali, túi xách  trên băng chuyền Nhận dạng và đếm IC
 Phát hiện màn trong	 Phát hiện chai PET
 * Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán :
Z4W-V là loại Laser sensor và nó có thể phát hiện được chiều cao của bánh được làm ra với độ chính xác tới vài micromet.
Phát hiện bánh trên băng chuyền
E3SC
Nhận dạng và cắt cao su
5.6. Thực hành với cảm biến quang
Mục tiêu :
	 - Thực hiện được các phép đo dùng cảm biến quang đạt yêu cầu kỹ thuật
 - Xử lý được các lỗi do hệ thống cảm biến quang gây ra đạt yêu cầu kỹ thuật
 - Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp
5.6.1 Thực hành với cảm biến quang loại phát thu độc lập 
5.6.1.1 Thiết bị 
 + Cảm biến quang loại phát thu độc lập E3C
 + Relay trung gian 24VDC
 + Nguồn 24VDC
 + Đèn tín hiệu 24VDC
 + Vật cảm biến
5.6.1.2 Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến
Nguồn gốc: ..............................................................................................
Công ty sản xuất: ....................................................................................
Mã số sản xuất sản phẩm: ......................................................................
Điện áp hoạt động: .................................................................................
Dòng điện: ..............................................................................................
Đặc tính hoạt động: ................................................................................
Khoảng cách tác động: ...........................................................................
Tiêu chuẩn cách điện: ............................................................................
5.6.1.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 
5.6.1.4 Các bước thực hành 
Bước 1 : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ
Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ ra của cảm biến mà có thể đấu nối theo dạng NPN hoặc PNP. 
Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến khác nhau đi qua giữa bộ phận phát và bộ phận thu để xét xem tác động ở ngõ ra của cảm biến
5.6.1.5 Những ghi chú khi thực hành và nhận xét : ............................................................................................................................ ............................................................................................................................
............................................................................................................................
............................................................................................................................ ............................................................................................................................
..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 
5.6.2 Thực hành với cảm biến quang loại gương phản xạ 
5.6.2.1 Thiết bị 
 + Cảm biến quang loại gương phản xạ E3T - SR
 + Relay trung gian 24VDC
 + Nguồn 24VDC
 + Đèn tín hiệu 24VDC
 + Vật cảm biến
5.6.2.2 Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến
Nguồn gốc: ..............................................................................................
Công ty sản xuất: ....................................................................................
Mã số sản xuất sản phẩm: ......................................................................
Điện áp hoạt động: .................................................................................
Dòng điện: ..............................................................................................
Đặc tính hoạt động: ................................................................................
Khoảng cách tác động: ...........................................................................
Tiêu chuẩn cách điện: ............................................................................
5.6.2.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 
5.6.2.4 Các bước thực hành 
Bước 1 : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ
Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ ra của cảm biến mà có thể đấu nối theo dạng NPN hoặc PNP. 
Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến khác nhau đi qua giữa bộ phận phát - thu và gương phản xạ để xét xem tác động ở ngõ ra của cảm biến
5.6.2.5 Những ghi chú khi thực hành và nhận xét : ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................
5.6.3 Thực hành với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán 
5.6.3.1 Thiết bị 
 + Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán E3S – CL1
 + Relay trung gian 24VDC
 + Nguồn 24VDC
 + Đèn tín hiệu 24VDC
 + Vật cảm biến
5.6.3.2 Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến
Nguồn gốc: ..............................................................................................
Công ty sản xuất: ....................................................................................
Mã số sản xuất sản phẩm: ......................................................................
Điện áp hoạt động: .................................................................................
Dòng điện: ..............................................................................................
Đặc tính hoạt động: ................................................................................
Khoảng cách tác động: ...........................................................................
Tiêu chuẩn cách điện: ............................................................................
5.6.3.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 
5.6.3.4 Các bước thực hành 
Bước 1 : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ
Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ ra của cảm biến mà có thể đấu nối theo dạng NPN hoặc PNP. 
Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến khác nhau đi qua bộ phận phát - thu với những khoảng cách khác nhau để xét xem tác động ở ngõ ra của cảm biến
5.6.3.5 Những ghi chú khi thực hành và nhận xét : ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................
............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................ ............................................................................................................................
YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI 5
Nội dung:
+ Về kiến thức: Trình bày được các khái niệm cơ bản về các phép đo quang, mô tả, phân biệt được các loại cảm biến quang
+ Về kỹ năng: lắp ráp đúng yêu cầu kỹ thuật các mạch cảm biến và lập bảng ghi nhận các thông số của cảm biến
+ Về thái độ: Đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp.
Phươngpháp:
+ Về kiến thức: Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm
+ Về kỹ năng: Đánh giá kỹ năng thực hành lắp ráp mạch cảm biến, bảng ghi nhận kết quả
+ Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ngăn nắp trong công việc.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đề cương môđun/môn học nghề Sửa chữa thiết bị điện tử công nghiệp”, Dự án Giáo dục kỹ thuật và Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, Hà Nội, 2003
[2] Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển . Lê văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân. NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2001
[3] Cảm biến và ứng dụng. Dương Minh Trí .NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2001
[4] Giáo trình cảm biến . Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến. NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội, 2001
[5] Giáo trình đo lường không điện. Trường ĐHSPKT TP HCM