5 Bi ging K Thut Cm Bin (sensors) Hoang Si Hong 2011 -Faculty of Electrical Eng., Hanoi Univ of Science and Technology (HUST), Hanoi, VietNam Hoang Si Hong-HUST Ngun tham kho Note: Bi ging mụn hc ny c tham kho, trớch dn v lc dch t cỏc ngun sau: - Sỏch K thut o lng cỏc i lng in 1, 2- Phm Thng Hn, Nguyn Trng Qu Cỏc b cm bin o lng-Lờ Vn Doanh Cỏc b cm bin-Nguyn Tng Phụ o lng in v cỏc b cm bin: Ng.V.Ho v Hong S Hng Sensor technology handbook (edited by JON WILSON) Elements of Electronic Instrumentation and Measurement (Prentice-Hall Company) Sỏch gii thớch n v o lng hp phỏp ca Vit Nam Bi ging v website: Bi ging k thut cm bin-Hong S Hng-BKHN(2005) Bi ging Cm bin v k thut o:P.T.N.Yn, Ng.T.L.Hng BKHN (2010) Bi ging MEMs ITIMS BKHN Mt s bi ging v cm bin v o lng t cỏc trng i hc KT khỏc Vit Nam Website: sciendirect/sensors and actuators A and B Hoang Si Hong-HUST Ni dung mụn hc v mc ớch Ni dung Chapter 1: Khỏi nim chung v Cm bin (2b) Chapter 2: Cm bin in tr (2b) Chng 3: Cm bin o nhit (2b) Chng 4: Cm bin quang (2b) Chng 5: Cm bin tnh in (2b) Chng 6: Cm bin Hall v hoỏ in Chng 6: Cm bin v PLC(1b) Mc ớch: nm c cu to, nguyờn lý hot ng v ng dng ca cỏc loi cm bin thụng dng cụng nghip v i sng Nm c xu th phỏt trin chung ca cụng ngh cm bin trờn th gii Hoang Si Hong-HUST Chng 3: Cm bin quang Ni dung Khỏi nim chung v ỏnh sỏng v ngun sỏng Quang in tr, t bo quang in v b nhõn quang in Photodiode Phototranzito T bo quang in Ngun sỏng hay ngun thu ỏnh sỏng? Hoang Si Hong-HUST Khỏi nim v bandgap Vt liu dn bandgap gn nh bng 0, vt liu cỏch in bandgap ln The energy difference between valence and conduction bands of semiconductor materials This parameter defines the electrical properties of a semiconductor material (carrier mobility, free carrier density, temperature behavior) Epitaxy of compound semiconductors is used to engineer bandgaps Hoang Si Hong-HUST Ti Si l vt liu bỏn dn? Atfinite temperature: +incomplete bond (mobile hole)mobile electron finite thermal energy some bonds are broken freeelectrons(mobilenegativecharge,1.6ì1019C) freeholes(mobilepositivecharge,1.6ì1019C) At 0K: all bonds satisfied all valence electrons engaged in bonding no free electrons -> insulator two electrons in bond SI SI Each atom shares electrons SI SI to turn freehole SI SI + somebondsarebroken SI SI SI - to turn free electrons SI Free electrons Hoang Si Hong-HUST C s chung v photodiode - - Photodiode núi riờng v cỏc phn t quang in núi chung l thit b chuyn i tớn hiu quang thnh tớn hiu in thụng qua bin i nng lng quang thnh nng lng in Photodiode c sn xut bng nhiu vt liu, nhiờn phụr cp nht l cỏc vt liu bỏn dn nh silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), and others include indium antimonide (InSb), indium arsenide (InAs), lead selenide (PbSe), and lead sulfide (PbS) Tu theo bn cht vt liu s cú dói bc súng hp th khỏc Vớ d 250 nm to 1100 nm for silicon, and 800 nm to 2.0 m for GaAs PIN Photo Diode PD which has the intrinsic semiconductor between the P type and the N type=PIN Avalanche Photo DiodeGenerally, APD PD which gives the internal current gain by utilizing the avalanche multiplication which takes place in the semiconductor Hoang Si Hong-HUST Nguyờn lý ca photodiode Xét hai bán dẫn, thuộc loại N v thuộc loại P, ghép tiếp xúc Tại mặt tiếp xúc hình thnh vùng nghèo hạt dẫn vùng ny tồn điện trờng v hình thnh hng ro Vb Khi điện ngoai đặt lên chuyển tiếp (V=0), dòng điện chạy qua chuyển tiếp I = Icb + Ikcb = 0, thực tế dòng I la dòng tổng cộng hai dòng điện va ngợc chiều bao gom: Dòng khuếch tán hạt (Icb) sinh ion hoá tạp chất (lỗ trong bán dẫn loại P, điện tử bán dẫn loại N) lợng nhiệt hạt dẫn đủ lớn để vợt qua hang rao Dòng hạt dẫn không (Ikcb) sinh kích thích nhiệt (điện tử bán dẫn P, lỗ trống bán dẫn N) chuyển động dới tác dụng điện trờng E vùng nghèo Hoang Si Hong-HUST Nguyờn lý ca photodiode - Khi đặt vào cực điện áp ng-ợc Ud > Hàng rào điện Vb thay đổi kt qu kéo theo : > Độ rộng vùng nghèo thay đổi v thay đổi dòng Icb Kết dòng qua chuyển tiếp Hoang Si Hong-HUST Nguyờn lý ca photodiode Hoang Si Hong-HUST 10 Nguyờn lý Phototransistor Hoang Si Hong-HUST 21 nhy Phototransistor Hoang Si Hong-HUST 22 Mch o Hoang Si Hong-HUST 23 ng dng ca Led->Photo-diode/transistor Phỏt hin i tng o tc quay ca ng c Dũ ng cho ro-bot bỏo khúi PLC Scanner & Printer CCD-Camera Hoang Si Hong-HUST 24 ng dng dũ ng cho robot S dng mt cp thu phỏt hng ngoi (IR) vi linh kin phỏt l mt IR led (gallium arsenide ) bc x bcsúng khong 880 nm V b thu l mt phototransistor S thu v phỏt nh hỡnh di nh sỏng hng ngoi phỏt i n b mt v phn x l n phn Ba-zo ca phototranzitor Kt qu in ỏp thay i Lu ý: - b thu nhy cm vi ỏnh sỏng mụi trng, ú cn thit cú s bo v vi nhiu ỏnh sỏng mụi trng xung quanh Khong cỏch gia cm bin v b mt phn x khong mm - B mt vi mu trng phn x tt B mt en cú s phn x nghốo Hoang Si Hong-HUST http://robotiks4u.blogspot.com/2008/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 25 ng dng dũ ng cho robot chematic Diagram for a Single Pair of Infrared Transmitter and Receiver To get a good voltage swing , the value of R1 must be carefully chosen If Rsensor = a when no light falls on it and Rsensor = b when light falls on it The difference in the two potentials is: Vcc * { a/(a+R1) - b/(b+R1) } Relative voltage swing = Actual Voltage Swing / Vcc = Vcc * { a/(a+R1) - b/(b+R1) } / Vcc = a/(a+R1) - b/(b+R1) Hoang Si Hong-HUST http://robotiks4u.blogspot.com/2008/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 26 ng dng optocoupler, counter - Dựng ch to cỏc input hoc output PLC (programmable logic controller) - Cỏc b cỏch ly, cỏc mch bỏo tớn hiu, mch khuych i, m, phỏt hin i tng Hoang Si Hong-HUST http://robotiks4u.blogspot.com/2008/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 27 ng dng encoder - o v trớ - o tc quay V [vong/phut] s - > N [xung] vong No xung -> V Hoang Si Hong-HUST http://robotiks4u.blogspot.com/2008/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 28 ng dng cho cm bin quang-in bỏo khúi -Photoelectric smoke detectors - Nguyờn lý: Da trờn s phõn tỏn hay phn x ỏnh sỏng cú khúi, u thu quang in s thu c ỏnh sỏng Trờn c s ú a tớn hiu cnh bỏo Trong bung ti cú cỏc l thụng bờn ngoi Bờn cú mt ngun sỏng v thu nhm mc ớch to ngun sỏng c nh theo mt hng nht nh ng thi to s chờnh ỏp hỳt khúi vo bờn bung Khi khụng cú khúi ỏnh sỏng luụn theo mt hng nht nh v b thu quang (photocell) t vuụng gúc khụng thu c ỏnh sỏng Khi cú khúi, cỏc ht khúi s lm phõn tỏn hay phn x ỏnh sỏng cỏc hng xung quanh Kt qu b thu quang s thay i trng thỏi v a mch cnh bỏo Hoang Si Hong-HUST 29 Cm bin I-On hoỏ bỏo khúi, bỏo chỏy Ionization (kiu ion hoỏ) -Nguyờn lý ca cm bin bỏo khúi kiu i-on hoỏ Bờn bung nhy khúi cú mt võt liu (to ngun bc x) cú chc nng to hay ion hoỏ cỏc phn t khớ gia hai bn cc Cỏc phn t khớ b i-on hoỏ ny to thnh mt dũng in nh gia hai bn cc Khi cú khúi vo bung, cỏc phn t khúi s gn kt vo cỏc i-on khớ, kờt qu dũng in gim Trng thỏi ca dũng gia hai bn cc chớnh l tớn hiu cnh bỏo -Photoelectric smoke detectors (kiu quang in) Hoang Si Hong-HUST 30 Smoke sensor alarm circuit diagram Vớ d mch bỏo khúi When the darlington pair conducts, the gate voltage of SCR BT169 (T3) goes high and the SCR is fired Consequently, the gate terminal of mosfet BS170 (T4) receives positive voltage through resistor R4 and the active piezo-sounder (BZ1) energises to latch! Visual indicator LED (D1) lights up instantly The buzzer sounds to indicate the presence of smoke, unless you switch off the circuit by disconnecting the volt dc input supply For optimum performance, adjust trimpots P1, P2 and the value of resistor R1 http://electroschematics.com/5450/smart-smoke-sensor-alarm/ Hoang Si Hong-HUST 31 CCD sensor Both CCD (charge-coupled device) and CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor) image sensors start at the same point they have to convert light into electrons Solar Cells Photovoltaic Cells: Converting Photons to Electrons CCD method The visible beam emitted from the semiconductor laser diode in the transmitter converges into a parallel beam through the transmitter lens and is transmitted The parallel beam passes through the band-pass filter in the receiver, and is received by the one-dimensional CCD image sensor in the receiver When the laser beam is interrupted by a target, a shadow with an area proportional to the target size is projected onto the receiver The CCD image sensor scans and calculates the shadow area and position at a 780 c/s sampling rate to measure target dimension or position Hoang Si Hong-HUST 32 CCD sensor What is a CCD image sensor? "CCD" is the abbreviation for a Charge Coupled Device The CCD image sensor consists of multiple minute photodiodes, or picture elements, forming a line, and is constructed so as to detect how much electrical charge accumulates when light is projected As shown below, when light is projected onto a CCD, an electrical charge proportional to the light intensity accumulates on each photodiode The electrical charge accumulated on each picture element is sequentially detected, and binarized to "bright" or "dark", enabling position information on each picture element to be obtained Hoang Si Hong-HUST 33 CCD sensor for scanner Mi mt mu to mt trng thỏi v in khỏc photodiode ? A CCD is an analog device When light strikes the chip it is held as a small electrical charge in each photo sensor The charges are converted to voltage one pixel at a time as they are read from the chip Additional circuitry in the camera converts the voltage into digital information Hoang Si Hong-HUST 34 Lu ý v cõu hi Cũn tip phn 5-3 !!! - quang dien tro - laser sensor - Ultrasonic Hoang Si Hong-HUST 35 [...]... Phototransistor Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Hoang Si Hong-HUST 20 Nguyên lý Phototransistor Hoang Si Hong-HUST 21 Độ nhạy Phototransistor Hoang Si Hong-HUST 22 Mạch đo Hoang Si Hong-HUST 23 Ứng dụng của Led->Photo-diode/transistor Phát hiện đối tượng Đo tốc độ quay của động cơ Dò đường cho ro-bot báo khói PLC Scanner & Printer CCD-Camera Hoang Si Hong-HUST 24 Ứng dụng dò đường cho robot Sử dụng một cặp thu phát... http://robotiks4u.blogspot.com /20 08/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 26 Ứng dụng optocoupler, counter… - Dùng chế tạo các input hoặc output PLC (programmable logic controller) - Các bộ cách ly, các mạch báo tín hiệu, mạch khuyếch đại, đếm, phát hiện đối tượng… Hoang Si Hong-HUST http://robotiks4u.blogspot.com /20 08/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 27 Ứng dụng encoder - Đo vị trí... quanh Khoảng cách giữa cảm biến và bề mặt phản xạ khoảng 5 mm - Bề mặt với màu trắng phản xạ tốt Bề mặt đen có sự phản xạ nghèo Hoang Si Hong-HUST http://robotiks4u.blogspot.com /20 08/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 25 Ứng dụng dò đường cho robot chematic Diagram for a Single Pair of Infrared Transmitter and Receiver To get a good voltage swing , the value of R1 must be carefully chosen If... http://robotiks4u.blogspot.com /20 08/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 27 Ứng dụng encoder - Đo vị trí - Đo vận tốc quay V [vong/phut] 1 s - > N [xung] 1 vong No xung -> V Hoang Si Hong-HUST http://robotiks4u.blogspot.com /20 08/06/ir-sensors-from-scratch-line-follower.html 28 Ứng dụng cho cảm biến quang-điện báo khói -Photoelectric smoke detectors - Nguyên lý: Dựa trên sự phân tán hay phản xạ ánh sáng khi có khói, đầu thu quang điện sẽ thu được...Photodiode với hiệu ứng quang dẫn Hoang Si Hong-HUST 11 Photodiode với hiệu ứng quang dẫn Hoang Si Hong-HUST 12 Photodiode với hiệu ứng quang dẫn Hoang Si Hong-HUST 13 Photodiode với hiệu ứng quang thế Hoang Si Hong-HUST 14 Photodiode với hiệu ứng quang thế Hoang Si Hong-HUST 15 Photodiode với chế độ ngắn mạch... góc không thu được ánh sáng Khi có khói, các hạt khói sẽ làm phân tán hay phản xạ ánh sáng ra các hướng xung quanh Kết quả bộ thu quang sẽ thay đổi trạng thái và đưa ra mạch cảnh báo Hoang Si Hong-HUST 29 Cảm biến I-On hoá báo khói, báo cháy Ionization (kiểu ion hoá) -Nguyên lý của cảm biến báo khói kiểu i-on hoá Bên trong buồng nhạy khói có một vât liệu (tạo nguồn bức xạ) có chức năng tạo ra hay ion... (D1) lights up instantly The buzzer sounds to indicate the presence of smoke, unless you switch off the circuit by disconnecting the 9 volt dc input supply For optimum performance, adjust trimpots P1, P2 and the value of resistor R1 http://electroschematics.com/5450/smart-smoke-sensor-alarm/ Hoang Si Hong-HUST 31 CCD sensor Both CCD (charge-coupled device) and CMOS (complimentary metal-oxide semiconductor)... target size is projected onto the receiver The CCD image sensor scans and calculates the shadow area and position at a 780 c/s sampling rate to measure target dimension or position Hoang Si Hong-HUST 32 CCD sensor What is a CCD image sensor? "CCD" is the abbreviation for a Charge Coupled Device The CCD image sensor consists of multiple minute photodiodes, or picture elements, forming a line, and is