Đề tài Tìm hiểu về cảm biến quang và cảm biến màu

TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN QUANG VÀ CẢM BIẾN MÀUBÁO CÁOGiáo Viên Hướng Dẫn: Lê Mạnh ThắngSinh Viên Thực Hiện:Nguyễn Văn ViếtTrần Quang PhúĐinh Huy HoàngLớp: DC12TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN QUANG VÀ CẢM BIẾN MÀUÁnh sáng có bản chất sóng và hạt.dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phẳng.tại mỗi điểm trong không gian vectơ cường độ điện trường E,cường độ từ trường B và phương truyền sóng,làm thành một tam diện thuận.Ánh sáng lan truyền trong chân không với vận tốc v=299792 km/s.Trong vật chất: v = c/n.Sóng ánh sángKHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNGCÁC ĐƠN VỊ ĐO QUANGNăng lượng bức xạ Q: là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, và được dod bằng Jun(J).Quang thông :là công suất phát xạ lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng Oat(W), =dQ/dtCường độ ánh sáng I: là quang thông phát ra theo một hướng dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là W/steradian. I=d/dCÁC ĐƠN VỊ ĐO QUANGĐộ chói năng lượng L: là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu vuông góc của phần tử bề mặt dAn có đơn vị là W/Steradian.m2 : L=dI/dAn Độ rọi năng lượng E: là tỉ số giữa quang thông thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó, có đơn vị là w/m2 : E=d/dANGUỒN SÁNGNguồn sáng quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ. Việc sữ dụng các cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, quang thông, tần số). NGUỒN SÁNGDưới đây là các nguồn sáng thông dụng:Đèn sợi đốt: Đèn sợi đốt có cấu tạo gồm 1 sợi wonfram đặt trong ống thủy tinh hoặc thạch anh chứa các khí trơ, halogen để giảm bay hơi của sợi đốt:Dải phổ rộng.Hiệu suất phát quang thấp (là tỉ số quang thông trên công suất tiêu thụ).Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi 1 cách nhanh chóng.Tuổi thọ thấp, độ bền cơ học thấp.NGUỒN SÁNG2. Diôt phát quang:Diôt phát quang LED là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lượng giải phóng do tái hợp điện tử- lỗ trống gần chuyển tiếp P-N của diôt làm phát sinh các photon.NGUỒN SÁNG3. Các đặc điểm chính LED:Thời gian hồi đáp nhỏ (ns), có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi.Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định.Tuổi thọ cao, có thể đạt tới 100.000 giờ.Kích thước nhỏ.Tiêu thụ công suất thấp.Độ bền cơ học cao.Quang thông tương đối nhỏ (mW), và nhạy với nhiệt độ.NGUỒN SÁNGNGUỒN SÁNG4. Laser :Laser (Lirght Amplification by Stimulated Emission Radiation) phát ánh sáng đơn sắc dựa trên hiện tượng khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích do N.G.Bassov, A.M.Prokhorov, Ch.H.towner phát minh.Cấu tạo Laser gồm 4 bộ phận chính: Môi trường tác dụng.Cơ cấu kích thích.Cơ cấu phản xạ.Bộ phối ghép đầu ra.NGUỒN SÁNGNguồn sáng laserCẢM BIẾN QUANG ĐIỆN1.Khái niệm:Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó.2.Tế bào quang dẫn:a. Đăc trưng:Đặc trưng cơ bản là điện trở của nó phụ thuộc vào thông lượng của bức xạ và phổ của bức xạ đó.Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến có độ nhạy cao.Cơ sở vật lý: là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong, đó là hiện tương phóng hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNb. Vật liệu chế tạo cảm biến:Cảm biến quang được chế tạo bằng vật liệu bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp.Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe PbS, PbSe, PbTeĐơn tinh thể:Ge, Si tinh khiết hoặc pha Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNVùng phổ làm việc một số vật liệu quang dẫnCẢM BIẾN QUANG ĐIỆNc. Các tính chất cơ bản của cảm biến quang dẫn:Điện trở tối Rco phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất lý hóa của vật liệu.Ví dụ: PbS, CdS, CdSe có Rco tư 104-105 , trong khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có Rco nhỏ 10-103  ở 250C. Khi chiếu sáng Rco giảm rất nhanh.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNSự phụ thuộc điện trở vào độ rọiĐộ nhạy (S()): S()=/()Độ nhay phổ phụ thuộc vào nhiệt độ.Tế bào quang dẫn có độ nhạy cao cho phép đơn giản hóa trong các ứng dụng, tuy nhiên vẫn còn vó 1 số nhược điểm:Đặc tính điện trở- độ rọi là phi tuyến.Thời gian hồi đáp tương đối lớn.Thông số không ổn định do già hóa.Độ nhạp phụ thuộc vào nhiệt độ.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN3.Photodiot:Nguyên lý hoạt động:Khi chiếu sáng lên bề mặt diot bán dẫn bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng (làm tăng dòng điện . Điều này xảy ra trong vùng nghèo và sự chuyển dời các điện tích kéo theo sự tăng của dòng điện ngược. Do đó ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau khi qua lớp bán dẫn và tiêu hao năng lượng (không nhiều), càng đi sâu vào lớp bán dẫn quang thông càng giảm: (x)=0e-x (=10-5 cm-1).CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNCẢM BIẾN QUANG ĐIỆNHiệu ứng quang điện trong chuyển tiếp p-nVật liệu thường dùng chế tạo: Si, Ge (vùng ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại); GaAs, InAs, CdHgTe (hồng ngoại).Chế độ hoạt động: Chế độ quang dẫn.Chế độ quang thế.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN4. Phototranzito:Là tranzito silic loại NPN trong đó vùng bazơ có thể được chiếu sáng. Khi không có điện áp đạt trên bazơ chỉ có điện áp đặt lên C, chuyển tiếp B-C phân cực ngược.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNPhototranzitoĐiện áp tập trung toàn bộ lên chuyển tiếp B-C , trong khi chênh lệch giữa E-B không đáng kể.Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó sẽ hoạt động giống photodiot ở chế độ quang dẫn..CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNCảm biến quang có nhiều ưu việt so với các loại cảm biến khác như cảm biến tiệm cận hoặc cảm biến tiếp xúc:Không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện.Có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa.Không bị hao mòn tuổi thọ cao.Có thời gian đáp ứng nhanh (ví dụ 1ms).Có thể phát hiện mọi vật thể vật chất.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNCấu trúc thiết kế của cảm biến quang điện:Bộ phát sáng.Bộ thu sáng.Mạch xử lý tín hiệu.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNBộ phát sáng:Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode).Ánh sáng được phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNBộ thu sáng:Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang).Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC).Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán). Bạn sẽ tìm hiểu rõ hơn về các chế độ hoạt động này trong chương sau.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNMạch tín hiệu ra:Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt.Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN).Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNCác loại đèn báo: phần lớn cảm biến quang Omron có hai loại đèn báoĐèn xanh báo mức ổn định: đèn xanh cho biết cảm biến đang ở tình trạng phát hiện ổn định,nghĩa là tín hiệu on(có) hay off (không) rõ ràng.đèn này cũng giúp cho việc cài đặtchỉnh cảm biến dễ dàng.Đèn báo tín hiệu ra vàng cam/đỏ. đèn led vàng cam hay đỏ bật khi có vật thể được phát hiện và có tín hiệu đầu ra.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNChế độ hoạt dộng của cảm biến quang.Giới thiệu chung:các chế độ hoạt động cơ bản của cảm biến quang:chế độ thu phát,chế độ phản xạ(gương),chế độ phản xạ khuếch tán,chế độ chóng ảnh hưởng của nền.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNThu phát:cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu tách riêng biệt.bộ phát truyền ánh sáng đi và bộ nhận thu ánh sáng.nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biếnƯu điểm:Khoảng cách phát hiện xa(ví dụ E3Z-T82 được tới 30m),phát hiện tốt trong môi trường nhiều bụi.Khả năng xác định chính xác vị trí của vật thể.Độ tin cậy cao,phát hiện được mọi loại vật thể( trừ loại trong suốt).Nhược điểm:Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặtMất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt.Giá thành sản phẩm cao.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNVí dụ ứng dụng:1. Kiểm soát cổng ra vào: Thông thường cổng ra vào có kính mờ / tối che ngoài. Bởi vậy cần loại thu phát có cường độ sáng cao để xuyên qua lớp kính. Omron đi đầu trên thế giới về loại cảm biến quang sử dụng trong các ứng dụng này.2. Môi trường khắc nghiệt: ví dụ trạm rửa xe, hoặc môi trường nhiều bụi, cần có cảm biến cường độ sáng cao.3. Các ứng dụng rộng rãi khác trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt trong trường hợp cần xác định CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNPhản xạ gương Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến. Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra.Ưu điểm:Giá thành thấp hơn loại thu phátLắp đặt dễ hơn loại thu phát,chỉnh định dễ dàngVới vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được, có thể dùng kính lọc phân cực.Nhược điểm:Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát.Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gươngCảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở một số khoảng cách ngắn nhất định. CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNVí dụ ứng dụng:Phát hiện vật trên băng chuyềnCác ứng dụng phổ cập trong nhà máyPhát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp)Kiểm soát cửa / cổng ra vào trong các tòa nhàCẢM BIẾN QUANG ĐIỆNPhản xạ khuếch tánCảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra.Ưu điểm:Lắp đặt đơn giản, dễ dàng.Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất.Nhược điểm:Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản xạ). Ví dụ loại E3Z-D: có khoảng cách phát hiện tối đa 1m.Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương.CẢM BIẾN QUANG ĐIỆNVí dụ ứng dụng:Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy: như phát hiện vật trên băng chuyềnCông nghiệp chế tạo gạch men (dùng loại nguồn sáng rộng)CẢM BIẾN MÀU TCS32OODMoudule Cảm biến mầu TCS3200 có 2 hàng jum để giao tiếp+S0,S1 : Đầu vào chọn tỉ lệ tần số đầu ra .+S2,S3 : Đầu vào chọn kiểu photodiode.+OE : Đầu vào cho phép xuất tần số ở chân OUT.+OUT : Đầu ra là tần số thay đổi phụ thuộc cường độ và màu sắcCảm biến TCS3200CẢM BIẾN MÀU TCS32OODTính năng :Chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số có độ phân giải cao.Lập trình lựa chọn bộ lọc màu sắc khác nhau và dạng tần số xuất ra.Dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển.Điện áp đầu vào 2.7-5.5V.CẢM BIẾN MÀU TCS32OODNguyên lý hoạt động cảm biến mầu TCS3200 :Cấu tạo cảm biến TCS3200 gồm 2 khối như hình vẽ sau đâyCẢM BIẾN MÀU TCS32OODKhối đầu tiên là mảng ma trận 8x8 gồm các photodiode.Bao gồm 16 photodiode có thể lọc màu sắc xanh dương (Blue),16 photodiode có thể lọc màu đỏ (Red),16 photodiode có thể lọc màu xanh lá(Green) và 16 photodiode trắng không lọc (Clear).Tất cả photodiode cùng màu được kết nối song song với nhau ,và được đặt xen kẽ nhau nhằm mục đích chống nhiễu.Bản chất của 4 loại photodiode trên như là các bộ lọc ánh sáng có mầu sắc khác nhau .Có nghĩa nó chỉ tiếp nhận các ánh sáng có cùng màu với loại photodiode tương ứng và không tiếp nhận các ánh sáng có màu sắc khác.CẢM BIẾN MÀU TCS32OODViệc lựa chọn 4 loại photodiode này thông qua 2 chân đầu vào S2,S3 .CẢM BIẾN MÀU TCS32OODKhối thứ 2 là bộ chuyển đổi dòng điện từ đầu ra khối thứ nhất thành tần số :CẢM BIẾN MÀU TCS32OODTần số đầu ra có độ rộng xung 50% và tỉ lệ với ánh sáng có cường độ và mầu sắc khác nhau .Tần số đầu ra nằm trong khoảng 2Hz-500Khz .Ta có thể lựa chọn tỉ lệ tần số đầu ra ở các mức khác nhau như bảng trên cho phù hợp với phần cứng đo tần số .Ví dụ : Tần số khi S0=H,S1=H -Fout=500Khz thì:S0=H,S1=L -Fout=100KhzS0=L,S1=H -Fout=10KhzS0=L,S1=L -Fout=0CẢM BIẾN MÀU TCS32OODNguyên lý hoạt động :Ánh sáng trắng là hỗn hợp rất nhiều ánh sáng có bước sóng màu sắc khác nhau .Khi ta chiếu ánh sáng trắng vào một vật thể bất kì .Tại bề mặt vật thể sẽ xảy ra hiện tượng hấp thụ và phản xạ ánh sáng .Ví dụ : Một vật thể có màu sắc đỏ khi được chiếu ánh sáng trắng thì những ánh sáng không nằm trong dải bước sóng màu đỏ sẽ bị vật thể hấp thụ .Còn ánh sáng có bước sóng nằm trong dải màu đỏ sẽ bị phản xạ ngược trở lại .Và khiến mắt ta nhận biết vật thể đó là màu đỏ.CẢM BIẾN MÀU TCS32OODMàu sắc bất kì được tổng hợp từ 3 mầu cơ bản Blue,Green,Red :Dựa trên nguyên lý sự phản xạ , hấp thụ ánh sáng trắng của vật thể và sự phối chộn màu sắc bởi 3 màu cơ bản Blue,Green,Red thì TCS3200 có cấu tạo là 4 bộ lọc photodiode Blue,Green,Red và clear để nhận biết màu sắc vật thể.CẢM BIẾN MÀU TCS32OODVới điều kiện test là ánh sáng có bước sóng λp = 470 nm(Dải màu Blue),λp = 524 nm(dải màu Green),λp = 640 nm(dải màu Red) thì 4 bộ lọc photodiode sẽ cho ra tần số khác nhau.Tần số ra lớn nhất khi ánh sáng chiếu vào cảm biến cùng loại photodiode được chọn vì khi đó photodiode sẽ hấp thụ nhiều nhất.Hình bên dưới là bảng test quá trình chuyển đổi từ ánh sáng mà 4 loại photodiode nhận được thành tần số:CẢM BIẾN MÀU TCS32OODGiao tiếp module cảm biến mầu TCS3200 với vi điều khiển Sơ đồ kết nối Module cảm biến với vi điều khiển ATmega8