tr tr ờng đại học vinh ờng đại học vinh khoa vật lý khoa vật lý ----------------- ----------------- nguyễn thị việt hà nguyễn thị việt hà BIếN Tử QUANG ĐIệN Và MộT Số ứNG BIếN Tử QUANG ĐIệN Và MộT Số ứNG DụNG DụNG khoá luận tốt nghiệp đại học khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành: điện tử viễn thông chuyên ngành: điện tử viễn thông Vinh - 6/2009 Vinh - 6/2009 1 LỜI MỞ ĐẦU Để đáp ứng nhu cầu phát triển ngày càng nhanh của công nghệ thông tin cũng như các lĩnh vực khoa học khác nhau, kỹ thuật quang - điện tử đã có những bước tiến nhảy vọt và đạt được nhiều thành tựu nổi bật. Hiện nay, những thiết bị quang - điện tử, những linh kiện bán dẫn mới với các tính năng, công dụng khác nhau đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Trong một số các thiết bị điện tử đang được sử dụng hiện nay thường có các linh kiện như: quang trở, photodiode, phototranzito, tế bào quang điện…hay còn gọi là các biến tử quang điện. Việc nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của chúng nhằm mục đích hướng tới thiết kế, chế tạo các hệ mạch dùng trong các lĩnh vực thông tin liên lạc, tự động hoá, đặc biệt là trong đo lường…đã tạo tiền đề để phát triển cho các ngành khoa học công nghệ khác nhau. Đây chính là lý do tôi chọn đề tài "Biến tử quang điện và một số ứng dụng" làm khoá luận này. Nội dung của khoá luận gồm 4 chương: Chương I : Những khái niệm cơ bản về kĩ thuật đo lường. Chương II : Biến tử quang điện. Chương III : Ứng dụng của biến tử quang điện. Chương IV : Thực hành thí nghiệm. Tôi rất mong nhận được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn sinh viên. Tôi xin chân thành cảm ơn! Vinh, ngày tháng năm NGUYỄN THỊ VIỆT HÀ 2 CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG 1.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CHUNG 1.1.1. Đo lường Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. * Kết quả đo được biểu diễn dưới dạng: o X.AX o X X A =⇒= Trong đó : X - đại lượng đo. Xo - đơn vị đo. A - con số kết quả đo. 1.1.2. Phép biến đổi đo Phép biến đổi đo là phương pháp cho ta nhận được ánh xạ của một giá trị của một đại lượng vật lý bằng một giá trị của một đại lượng vật lý khác có phụ thuộc hàm số với nó. * Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra: Y = f (X) Trong đó : X - đại lượng đầu vào (không mang bản chất điện). Y - đại lượng đầu ra (mang bản chất điện). 1.1.3. Biến tử đo (cảm biến) Biến tử đo là một thiết bị kỹ thuật xây dựng dựa trên một nguyên tắc vật lý xác định (tức là dựa trên một hiệu ứng vật lý xác định) để thực hiện một phần phép biến đổi đo một cách trung thực, chính xác thông tin cần đo. Mỗi biến tử đo được cấu tạo sao cho nó chỉ nhạy cảm với một đại lượng vật lý trong số nhiều đại lượng vật lý tác dụng vào nó, đại lượng này được gọi là đại lượng vào tự nhiên. 3 N x /N 0 X X 0 A/D X X 0 N x N 0 BĐ SS 1.1.4. Bộ cảm biến (đầu đo - sensor) Bộ cảm biến là một tập hợp cấu trúc gồm một hoặc nhiều biến tử đo, đặt trực tiếp gần đối tượng đo. * Cảm biến tích cực Cảm biến tích cực hoạt động như một máy phát dựa trên các hiệu ứng vật lý để biến đổi một dạng năng lượng nào đó (cơ, nhiệt, quang, bức xạ) thành dạng năng lượng điện; trong đó đại lượng đầu vào là điện tích q, hiệu điện thế U hay dòng điện I. * Cảm biến thụ động Cảm biến thụ động được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy cảm với đại lượng cần đo; trong đó đại lượng đầu vào là điện trở R, điện cảm L, điện dung C. Trở kháng Z phụ thuộc vào: - Kích thước hình học của mẫu. - Tính chất điện của vật liệu: điện trở suất ρ , độ từ thẩm μ , hằng số điện môi ε . 1.2. PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP ĐO - THIẾT BỊ ĐO 1.2.1. Phân loại phương pháp đo a, Phương pháp đo biến đổi thẳng Là phương pháp đo có cấu trúc theo kiểu biến đổi thẳng, nghĩa là không có khâu phản hồi . Đại lượng cần đo X được đưa qua các khâu biến đổi (BĐ, A/D) và biến đổi thành con số N x . Đơn vị của đại lượng đo X 0 cũng được biến đổi 4 Hình 1: Quá trình đo biến đổi thẳng thành N 0 . Sau đó, đại lượng đo và đơn vị đo được so sánh với nhau qua bộ so sánh (SS). Quá trình được thực hiện bằng một phép chia o N x N . Kết quả đo được thể hiện bằng biểu thức dưới dạng: o X o N x N X ⋅= Quá trình đo như vậy được gọi là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo thực hiện quá trình này được gọi là thiết bị đo biến đổi thẳng. b, Phương pháp đo kiểu so sánh Là phương pháp đo có cấu trúc theo kiểu mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi. Tín hiệu đo X được so sánh với một tín hiệu X k tỷ lệ với đại lượng mẫu X 0 . Qua bộ so sánh ta có: ΔX k XX =− Quá trình đo như vậy được gọi là quá trình đo kiểu so sánh. Thiết bị đo thực hiện quá trình này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh (hay thiết bị bù). Tuỳ thuộc vào cách so sánh mà ta có các phương pháp sau: * So sánh cân bằng Là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng X k được so sánh với nhau sao cho Δ X = 0. Hay: X = X k = N k .X 0 . Như vậy, X k là một đại lượng thay đổi sao cho khi X thay đổi luôn đạt được kết quả như trên, nghĩa là phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng. * So sánh không cân bằng Nếu X k là đại lượng không đổi: X = X k + Δ X 5 SS BĐ A/D N k D/A X k ΔX CT X Hình 2: Quá trình đo kiểu so sánh * So sánh không đồng thời Là phương pháp đo mà các giá trị đo X được thay bằng đại lượng X k . Các giá trị X và X k được đưa vào thiết bị không cùng một thời gian. Thông thường, X k được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc độ để xác định giá trị của đại lượng đo. * So sánh đồng thời Là phương pháp so sánh các giá trị X và X k cùng một lúc. Khi X và X k trùng nhau thì qua X k ta sẽ xác định được giá trị đại lượng X. 1.2.2. Thiết bị đo Là sự thể hiện phương pháp đo bằng các khâu chức năng cụ thể. Do đó, thiết bị đo thường được chia thành 3 loại: a, Mẫu Là thiết bị đo để khôi phục một đại lượng vật lý nhất định. Đây là thiết bị đo đơn giản nhất nhưng có độ chính xác rất cao từ 0,1%0,001% ÷ tuỳ theo từng cấp, từng loại. b, Dụng cụ đo lường điện Là dụng cụ đo lường bằng điện để gia công các thông tin đo lường và thể hiện kết quả đó dưới dạng con số, đồ thị hoặc bẳng số. Tuỳ theo cách biến đổi tín hiệu và chỉ thị, dụng cụ đo được chia thành 2 loại: * Dụng cụ đo tương tự (analog) Là dụng cụ đo mà kết quả đo là một hàm liên tục của đại lượng đo. * Dụng cụ đo chỉ thị số (digital) Là dụng cụ đo mà đại lượng đo liên tục được biến đổi thành rời rạc và kết quả đo được thể hiện bằng số. c, Chuyển đổi đo lường Là thiết bị dùng để biến đổi tín hiệu đo ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi hơn để biến đổi tiếp theo, hoặc truyền đạt, gia công, lưu trữ nhưng không quan sát được. 6 Có 2 loại chuyển đổi:  Chuyển đổi các đại lượng điện thành các đại lượng không điện: A/D, D/A.  Chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện: đó là các bộ biến đổi sơ cấp và là bộ phận chính của đầu đo hoặc biến tử. d, Hệ thống thông tin đo lường Là tổ hợp các thiết bị đo và những thiết bị phụ để tự động thu thập số liệu từ nhiều nguồn khác nhau, truyền các thông tin đo lường qua khoảng cách theo kênh liên lạc và chuyển nó về một dạng để tiện cho việc đo và điều khiển. Hệ thống thông tin được chia thành nhiều nhóm: hệ thống đo lường, hệ thống kiểm tra tự động, hệ thống chuẩn đoán kỹ thuật, hệ thống nhận dạng, hệ thống tổ hợp đo lường tính toán 1.3. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA DỤNG CỤ ĐO 1.3.1. Giới hạn biến đổi và ngưỡng nhạy * Giới hạn biến đổi Là giá trị cực đại của đại lượng vào mà một biến tử nhận được không gây méo phi tuyến hoặc làm hỏng biến tử. Kí hiệu: X H . * Ngưỡng nhạy Là giá trị cực tiểu của đại lượng vào mà biến tử còn có thể xác định được đại lượng ra một cách tin cậy. Kí hiệu: X 0 . 1.3.2. Độ nhạy * Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi x i nào đó của đại lượng đo được xác định bởi tỷ số biến thiên Δy của đại lượng đầu ra và Δx của đại lượng đầu vào tương ứng: 7 i xx Δx Δy S = = Đơn vị: phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại lượng liên quan. Ví dụ: đối với cảm biến nhiệt điện trở thì đơn vị của độ nhạy: C 0 Ω/ , cảm biến cặp nhiệt điện: C 0 μV/ . * Nếu một dụng cụ đo gồm nhiều biến tử đo thì độ nhạy toàn phần: ∏ = =⋅⋅⋅⋅= n 1i i S n S 2 S 1 SS 1.3.3. Độ nhanh - Thời gian hồi đáp * Độ nhanh Là một đặc trưng của cảm biến, cho phép đánh giá đại lượng đầu ra Y có theo kịp đầu vào X hay không. * Thời gian hồi đáp Là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Đối với dụng cụ tương tự, thời gian này là 4s. Còn đối với dụng cụ số, có thể đo được hàng nghìn điểm đo trong 1s. 1.3.4. Độ tin cậy Độ tin cậy của dụng cụ đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Độ tin cậy của các linh kiên sử dụng. - Kết cấu của dụng cụ không quá phức tạp. - Điều kiện làm việc. Độ tin cậy được xác định bởi thời gian làm việc tin cậy trong điều kiện cho phép có phù hợp với thời gian quy định không. Đây là một đặc tính quan trọng của dụng cụ đo. 1.4. SAI SỐ VÀ PHÂN LOẠI SAI SỐ 1.4.1. Sai số của phép đo Sai số của phép đo là sự chênh lệch giữa kết quả đo với giá trị thực của đại lượng đo. Giá trị thực là giá trị xác dịnh đầy đủ về lượng cũng như về 8 chất của đại lượng đo. Giá trị đó không bao giờ nhận được mà chỉ tiệm cận với giá trị thực. Để đánh giá phép đo, người ta đánh giá qua sai số. Để đánh giá được sai số, trong thực tế phải thay thế giá trị thực bằng một giá trị gần đúng với giá trị thực gọi là giá trị thực tế. 1.4.2. Phân loại sai số a, Căn cứ theo phương pháp biểu diễn * Sai số tuyệt đối Là hiệu số giữa đại lượng cần đo X và giá trị thực X th của đại lượng cần đo: Δ X = X - X th . Sai số tuyệt đối có thứ nguyên của đại lượng cần đo và có thể âm hoặc dương. * Sai số tương đối Được tính bằng phần trăm của tỷ số sai số tuyệt đối và giá trị thực của đại lượng cần đo: 100% X ΔX 100% th X ΔX x γ ⋅≈⋅= Sai số tương đối không có thứ nguyên, và đặc trưng cho chất lượng của từng phép đo. * Sai số quy đổi Là tỷ số giữa sai số tuyệt đối với giá trị lớn nhất của thang đo đang sử dụng: ( ) % max X ΔX β ±= * Độ chính xác của phép đo được định nghĩa như là một đại lượng nghịch đảo của modul sai số tuyệt đối: 9 x γ 1 ΔX th X ε == b, Căn cứ theo nguyên nhân gây ra sai số * Sai số hệ thống Là sai số mắc phải khi thực hiện phép đo nhiều lần trong điều kiện đo như nhau mà sai số của phép đo không thay đổi hoặc thay đổi theo quy luật. Nguyên nhân:  Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.  Do điều kiện và chế độ sử dụng.  Do xử lý kết quả đo. * Sai số ngẫu nhiên Là sai số mắc phải khi thực hiện một phép đo nhiều lần trong điều kiện đo như nhau mà kết quả thay đổi không theo quy luật nào. Nguyên nhân:  Do tính không xác định của đặc trưng thiết bị, tính linh động của thiết bị.  Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.  Do các đại lượng ảnh hưởng. * Sai số thô (sai sót) Là loại sai số mắc phải do kết quả đo lệch khỏi giá trị cần đo không thể chấp nhận được, ta phải phát hiện và loại trừ. CHƯƠNG II: BIẾN TỬ QUANG ĐIỆN 2.1. KHÁI NIỆM - PHÂN LOẠI - CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BIẾN TỬ QUANG ĐIỆN 2.1.1. Khái niệm 10 . hà BIếN Tử QUANG ĐIệN Và MộT Số ứNG BIếN Tử QUANG ĐIệN Và MộT Số ứNG DụNG DụNG khoá luận tốt nghiệp đại học khoá luận tốt nghiệp đại học chuyên ngành: điện. Chương II : Biến tử quang điện. Chương III : Ứng dụng của biến tử quang điện. Chương IV : Thực hành thí nghiệm. Tôi rất mong nhận được sự quan tâm và đóng