Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và kỹ thuật đang từng ngày, từng giờ đem
lại diện mạo mới cho tất cả các lĩnh vực của xã hội. Trong quân sự, các vũ khí không
ngừng được cải tiến để nhanh hơn, mạnh hơn, hiệu quả hơn trong các cuộc chiến. Một
trong những loại vũ khí được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi hiện nay là các tên lửa có
gắn các đầu tự dẫn hồng ngoại. Với những ưu điểm vượt trội về sự cơ động, tính hiệu
quả khi tìm diệt các mục tiêu: Tên lửa, máy bay tầm thấp,…của đối phương, những tên
lửa này đã và đang được sử dụng, nghiên cứu, phát triển rộng rãi trong quân đội nhiều
quốc gia. “Đôi mắt “ của khí tài này là các cảm biến hồng ngoại dạng quang trở. Đây là
loại cảm biến mà nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn do bức xạ hồng
ngoại gây ra với các vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp. Bức xạ hồng ngoại là những sóng
điện từ có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy, nằm trong khoảng từ
0,75µm đến 1000 µm [dựa vào khoảng bước sóng có thể chia thành các loại: hồng
ngoại gần (0,75µm đến 3 µm), hồng ngoại trung bình (3µm đến 6µm), hồng ngoại xa
(6 µm đến 15 µm), hồng ngoại siêu xa (> 15 µm)]. Do đặc tính không thể quan sát
bằng mắt thường và có khả năng gây nên các hiện ứng: nhiệt điện, hỏa điện, quang
điện,… nên bức xạ hồng ngoại được sử dụng làm tín hiệu thu, phát quan trọng trong
lĩnh vực quân sự. Quá trình nghiên cứu về cảm biến hồng ngoại và các hệ thiết bị đo
đạc kèm theo đã được tiến hành từ cuối những năm 1800, nhưng đến chiến tranh Thế
Giới thứ 2 thì các cảm biến hồng ngoại mới bắt đầu được đưa vào sử dụng trong quân
sự. Toàn bộ các quy trình thiết kế, chế tạo, đo đạc các thông số của các loại cảm biến
hồng ngoại nói chung và quang trở hồng ngoại nói riêng sử dụng trong lĩnh vực quân
sự là những bí mật công nghệ mà các nước không chuyển giao cho nước khác. Đây
chính là lý do mà những nghiên cứu chuyên sâu về quang trở hồng ngoại sử dụng trong
quân sự ở Việt Nam còn gặp rất nhiều khó khăn trên con đường chế tạo, khảo sát, tiến
tới đưa các quang trở hồng ngoại vào thay thế cho các linh kiện cũ hoặc cung cấp cho

1

Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

các vũ khí mới sản xuất. Trước yêu cầu cấp thiết của quân đội, nhóm nghiên cứu tại Bộ
môn Vật lý – Khoa Hóa Lý Kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã và đang tiến hành
nghiên cứu, chế tạo, khảo sát các quang trở hồng ngoại hoạt động ở nhiệt độ phòng
phục vụ cho nhu cầu quốc phòng. Nghiên cứu về nhiễu và xác định năng suất phát hiện
của quang trở hồng ngoại là những vấn đề có ý nghĩa quan trọng vì nó cho phép đánh
giá chất lượng và triển vọng ứng dụng thực tiễn của quang trở hồng ngoại, đặc biệt
trong lĩnh vực quân sự. Vì vậy tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ đo
nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại hoạt động ở nhiệt độ phòng ”.
Mục tiêu của đề tài là xây dựng một hệ thiết bị đủ khả năng đo các thông số đặc
trưng của quang trở hồng ngoại, để phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá, so sánh cũng
như hiệu chỉnh công nghệ chế tạo quang trở hồng ngoại.
Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Danh mục tài liệu tham khảo, luận văn
được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm xây dựng hệ đo
Chương 3: Kết quả và thảo luận
Trong quá trình thực hiện luận văn, đã xây dựng thành công hệ đo các thông số
của quang trở hồng ngoại hoạt động ở nhiệt độ phòng. Các kết quả đo đạc các mẫu
quang trở của Nga trên cơ sở sử dụng hệ đo đã xây dựng phù hợp với các số liệu được
cung cấp bởi phía đối tác, đồng thời phân tích một số thông số kỹ thuật quan trọng của
quang trở khi sử dụng trong mục đích quân sự.

2



Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về quang trở hồng ngoại

1.1.1. Lịch sử phát triển
Trong lĩnh vực quân sự, người ta thường ví các cảm biến hồng ngoại như
“ những đôi mắt của các cuộc chiến”. Các quốc gia có nền quân sự phát triển như Mỹ,
Nga, Trung Quốc,… luôn coi lĩnh vực phát triển các cảm biến hồng ngoại là một lĩnh
vực trọng điểm nhằm tạo ra những ưu thế vượt trội so với đối thủ trong các cuộc chiến.
Cảm biến hồng ngoại có vai trò quan trọng trong các ứng dụng quân sự như: Thu thập
mục tiêu, tìm kiếm và theo dấu mục tiêu, chỉ thị mục tiêu ... Bên cạnh đó, các cảm biến
hồng ngoại còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự như: Công nghiệp ôtô,
hàng không, y tế, kiểm tra chất lượng sản phẩm,…theo thống kê, trong khoảng một
thập kỷ gần đây, thị trường cảm biến hồng ngoại phát triển mạnh mẽ với mức tăng 70%
về số lượng và 40% về giá trị [3, 9, 14]. Cảm biến hồng ngoại được chia thành hai loại
chính là cảm biến quang và cảm biến nhiệt, bắt đầu được nghiên cứu từ những năm
1800 bởi William Herschel. Quang trở hồng ngoại thuộc dòng cảm biến quang, được
bắt đầu nghiên cứu, chế tạo và đưa vào ứng dụng từ những năm 1940, sử dụng lớp
màng nhạy hồng ngoại là các vật liệu bán dẫn vùng cấm hẹp như PbS, PbSe, InSb,…
Quang trở sử dụng vật liệu Lead sulfide (PbS) là dòng quang trở hồng ngoại ứng dụng
rộng rãi trong lĩnh vực quân sự với nhiệm vụ nhận biết dải bước sóng hồng ngoài từ 1
µm đến 3 µm, trở thành một bộ phận quan trọng trong các tên lửa thông minh trong
suốt chiến tranh Thế Giới thứ II và tới tận ngày nay. Bên cạnh PbS, các dạng vật liệu
đa dạng khác đã và đang được nghiên cứu, chế tạo ứng dụng cho quang trở hồng ngoại
để mở rộng dải bước sóng làm việc như: Lead Selenide (PbSe), Lead Telluride (PbTe),
Indium Antimonide (InSb)… cung cấp độ nhạy tương đối tốt ở dải bước sóng hồng

ngoại trung bình (3-6 µm), vật liệu MCT - Mercury Cadmium Telluride (HgCdTe) cho
phép mở rộng dải nhạy ánh sáng hồng ngoại tới vùng hồng ngoại xa (6-16 µm). Hiện

3


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

nay các nhà khoa học thuộc các trung tâm, viện nghiên cứu cứu tại nhiều quốc gia trên
thế giới vẫn tiếp tục cải thiện các thông số làm việc của quang trở hồng bằng cách sử
dụng các vật liệu mới và cấu trúc mới [12, 18, 19, 20].
1.1.2. Phân loại
Trên bảng 1.1 trình bày cách phân loại các loại quang trở hồng ngoại thông
dụng hiện nay theo vật liệu chế tạo, dải bước sóng và nhiệt độ làm việc [4, 7].
Bảng 1.1: Phân loại quang trở hồng ngoại.
Dải bước sóng làm việc

Nhiệt độ làm việc

(µm)

(K)

PbS

1 đến 3.6

300


PbSe

1.5 đến 5.8

300

InSb

2 đến 6

213

HgCdTe

2 đến 16

77

Vật liệu chế tạo

Các quang trở hồng ngoại sử dụng vật liệu PbS và PbSe với dải bước sóng làm
việc thuộc vùng hồng ngoại gần (λ = 0.8 đến 3m) có thể làm việc tốt ở nhiệt độ
phòng, không cần sử dụng tới hệ thống làm lạnh. Quang trở hồng ngoại sử dụng vật
liệu InSb và HgCdTe cần sử dụng tới các hệ thống làm lạnh khi làm việc ở vùng hồng
ngoại trung bình (λ = 3 đến 6m) và vùng hồng ngoại xa ( λ≥ 6m ). Trong các tên lửa
hiện đại ngày nay thường sử dụng song song hai loại quang trở với hai dải bước sóng
làm việc khác nhau là PbS và InSb cho các nhiệm vụ theo dấu mục tiêu, phân biệt mục
tiêu thật và mục tiêu giả. Các quang trở hồng ngoại đã và đang được nghiên cứu, chế
tạo ở nhiều quốc gia, các công ty lớn như: FLIR, Raytheon, Locheed Martin, Northrop


4


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

Krumman, Boeing, L3 Electronics của Mỹ; Softradir và EADS (Pháp), BAE System
(Anh), Reihmetal (Đức), Hamamatsu và NEC (Nhật), Saphir (Nga), SCD (Israel)…,
1.1.3. Cấu tạo
Các loại cảm biến hồng ngoại tùy theo mục đích sử dụng mà có cấu tạo khác
nhau. Trên hình (1.1 và 1.2) lần lượt là cấu tạo thông dụng của cảm biến hồng ngoại
dạng quang trở hoạt động ở nhiệt độ phòng và hình ảnh quang trở hồng ngoại của hãng
Hamamatsu (Nhật) [4, 5].

(6)

(3)

(5)
(4)

(2)

(1)

Hình 1.1. Cấu tạo của quang trở hồng
ngoại

Hình 1.2. Quang trở của hãng
Hamamatsu


Các thành phần cấu tạo cơ bản của quang trở bao gồm:
(1): Đế – làm bằng vật liệu SiO2
(2): Điện cực ngoài – thường sử dụng Au
(3): Dây nối – thường sử dụng Ag
(4): Điện cực trong – Sử dụng kim loại thích hợp để đảm bảo tiếp xúc Ohmic

5


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

(5): Màng mỏng nhạy hồng ngoại
(6): Lớp phủ bảo vệ và chống phản xạ
1.1.4. Nguyên lý hoạt động
Quang trở hồng ngoại hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn trong các vật liệu
bán dẫn có vùng cấm hẹp [17]. Trong điều kiện chưa bị chiếu sáng và nhiệt độ của
quang trở hồng ngoại không đổi, linh kiện này giống như một điện trở với giá trị điện
trở phụ thuộc vào kích thước hình học, bản chất của vật liệu chế tạo quang trở và nhiệt
độ không đổi đó. Khi được chiếu sáng bởi các bức xạ hồng ngoại trong dải bước sóng
thích hợp, quá trình hấp thụ trong vật liệu bán dẫn các phô tôn của bức xạ hồng ngoại
sẽ tạo ra các hạt tải tự do (điện tử chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và lỗ trống điện
tích dương ở vùng dẫn). Kết quả là làm tăng độ dẫn điện của vật liệu hay giảm điện trở
của các quang trở hồng ngoại. Trên hình (1.3) là một mạch tín hiệu đơn giản miêu tả
quá trình lấy tín hiệu ra dạng điện áp từ sự thay đổi điện trở của quang trở hồng ngoại
[2, 4, 17, 19,].

RC


R
Vout

VB
Hình 1.3. Mạch tín hiệu ra từ quang trở hồng ngoại
Điện áp nguồn VB cấp cho quang trở RC nối tiếp với điện trở R, tín hiệu điện áp
được lấy ra từ điện trở R thay đổi khi có bức xạ hồng ngoại chiếu tới quang trở. Nhược
6


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

điểm quang trở hồng ngoại hồng ngoại hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn là hiệu
suất lượng tử của các cảm biến hồng ngoại loại này thường không cao do chùm dòng
điện tử phải trải qua một quãng đường bằng chiều dài của quang trở nên có nhiều điện
tử bị tái hợp trở lại với các lỗ trống điện tích dương, ngoài ra các quang trở hoạt động ở
dải bước sóng hồng ngoại trung bình và dài cần tới các hệ thống làm lạnh. Tuy nhiên,
nhờ có những ưu điểm như: thời gian đáp ứng và độ nhạy tương đối cao, cấu tạo đơn
giản, gọn nhẹ, độ tin cậy cao… nên các linh kiện quang dẫn này vẫn được sử dụng
rộng rãi trong nhiều ứng dụng quân sự và dân sự.
1.1.5. Các thông số đặc trưng của quang trở hồng ngoại
Mỗi cảm biến hoạt động đều có một bộ các thông số đặc trưng được cung cấp
bởi các nhà sản suất, đối với quang trở hồng ngoại, những thông số quan trọng nhất
quyết định tới khả năng hoạt động trong các ứng dụng mà chúng ta cần phải xác định
đó là: Độ nhạy (điện áp), ngưỡng nhạy và năng suất phát hiện, nhiễu [4, 5, 26, 27].
Độ nhạy điện áp Su
Độ nhạy điện áp được định nghĩa là tỷ số giữa giá trị bình phương trung bình
của tín hiệu điện áp sinh ra trên giá trị bình phương trung bình của công suất bức xạ tới
quang trở (1.1). Dạng biến điệu của bức xạ là tín hiệu dạng hình sin hoặc xung vuông

được tạo ra thông qua bộ điều biến tín hiệu.

Su =

Trong công thức này,
tín hiệu điện áp,

(1.1)

U C2
j2

U C2 là bình phương trung bình hay giá trị hiệu dụng của

j2 là bình phương trung bình của công suất bức xạ tới quang trở. Ý

nghĩa của độ nhạy điện áp là độ lớn của tín hiệu điện áp thay đổi trên quang trở ứng với

7


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

một đơn vị công suất bức xạ chiếu vào. Trong phép đo đạc để xác định độ nhạy điện áp
phải có nguồn bức xạ ở các nhiệt độ khác nhau và có khả năng điều khiển dễ dàng
công suất bức xạ phát và phổ phát xạ. Thiết bị này giúp cho chúng ta dễ dàng tính toán
được chính xác công suất phát xạ cũng như phổ bức xạ chiếu tới quang trở. Ngoài ra,
bức xạ từ nguồn này phải được biến điệu thành các tín hiệu xoay với những tần số nhất
định để phù hợp với yêu cầu sử dụng trong tên lửa. Mặt khác, thông qua điều biến tín

hiệu quang, tín hiệu điện áp đầu ra của cảm biến cũng có dạng xoay chiều và dễ dàng
tính toán giá trị bình phương trung bình của điện áp tín hiệu ra theo thời gian.
Nhiễu
Trong phép đo đạc, ở đầu ra của quang trở, ngoài tín hiệu có ích còn có một tín
hiệu hỗn loại với tần số và biên độ ngẫu nhiên, đây chính là nhiễu của quang trở [17,
28]. Các tín hiệu này có thể ở dạng điện áp hoặc dòng điện và không quan hệ trực tiếp
với công suất tín hiệu phát xạ hay phổ phát xạ. Vì nhiễu là một quá trình ngẫu nhiên
nên giá trị của nó phù hợp nhất là đo ở dạng bình phương trung bình của biên độ
2

điện áp ( U on ). Nhiễu là thông số quan trọng, nó liên quan đến ngưỡng nhạy của
cảm biến và cho phép đánh giá công nghệ chế tạo cũng như khả năng hoạt động của
cảm biến, do đó đo đạc độ lớn của nhiễu và phân tích phổ nhiễu của quang trở là một
trong những phép đo quan trọng cần phải thực hiện. Trong quá trình sử dụng quang trở
trong tên lửa cần thông tin chi tiết về biên độ tín hiệu nhiễu ở các dải tần số từ đó thiết
kế mạch điều khiển một cách phù hợp, tăng độ chính xác khi bám mục tiêu, tránh nhiễu
động giả.
Các nguồn nhiễu:
Đối với quang trở hồng ngoại, các nguồn nhiễu chủ yếu cần quan tâm là:
a. Nhiễu do nhiệt: Điện tử tự do trong chất bán dẫn đều nằm ở trạng thái
chuyển động nhiệt hổn loại. Kết quả là trong một thời điểm bất kỳ nào đó số lượng

8


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

điện tử chuyển động về hướng này sẽ khác với số lượng điện tử về hướng ngược lại.
Vì vậy trên hai đầu của quang trở sẽ xuất hiện một biến thiên suất điện động trong

dải tần f1  f2 được xác định bởi công thức [17, 28]:
f2

(1.2)

U =4k.T. R(f).df
2
T

f1

Nếu điện trở của quang trở không phụ thuộc vào tần số thì :
2

(1.3)

U T  4k.T .R.f

Ở đây:

R là điện trở của cảm biến
T là nhiệt độ của cảm biến
k= 1,38.10-23 (J/K)
f là dải thông

b. Nhiễu do thăng giáng hạt tải: Dòng điện là các dòng hạt tải. Giá trị dòng
điện được xác định bởi số lượng các hạt tải, các hạt tải này lại thăng giáng theo thời
gian, vì vậy sinh ra nhiễu. Sự thăng giáng dòng điện được viết dưới dạng [17, 28]:
2


(1.4)

if =2.e.i0 .Δf

i0 là giá trị trung bình của các dòng điện qua quang trở,e là điện tích của electron.
Thăng giáng dòng if sẽ sinh ra trên trở tải một điện áp nhiễu:
2

(1.5)

Uon.if =2.e.i0 .R 2 .Δf

c. Nhiễu phát sinh - tái hợp: Là do thăng giáng về số lượng và thời gian sống
của hạt tải, công thức biểu diễn cho nguồn nhiễu này [17, 28]:

9


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

i g 2 =i 0 2 .

2
.f
N[1+(2 f  ) 2 ]

(1.6)

ở đây  là thời gian sống của hạt tải, N là tổng số hạt tải tự do.

Thăng giáng dòng ig sẽ sinh ra trên trở tải một điện áp nhiễu:
2

U on.ig = i 0 2 .

2
.R 2 .f
N[1+(2 f  )2 ]

(1.7)

d. Nhiễu bức xạ: Nhiễu này xác định bởi sự thăng giáng tín hiệu quang rơi
trên quang trở tức là thăng giáng số lượng phôtôn đến quang trở từ nguồn bức xạ bên
ngoài cũng như từ các phần tử khác của cảm biến nằm gần phần tử nhạy [28].
Thăng giáng công suất bức xạ từ nguồn phát là vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ TBB
trong dải tần f lên quang trở có điện tích A sẽ là:
(1.8)

5
Δj2BB =8eT .k.TBB
.σ.A.Δf

Ở đây:
 - Hằng số Stefan –Boltzmann

A - Diện tích của quang trở
eT – Hệ số phát của quang trở
vì quang trở cũng là vật phát có nhiệt độ Tc do vậy thăng giáng dòng đi từ nó được
viết:
(1.9)


ΔjC2 =8eT .k.Tc5 .σ.A.Δf
Tổng của thăng giáng sẽ là:
5
Δj2U =8eT .k.σ.A.Δf(TBB
+Tc5 )

10

(1.10)


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

Phổ của nhiễu này không phụ thuộc vào tần số, phụ thuộc trực tiếp vào diện tích
quang trở, độ ổn định của nguồn phát hồng ngoại và điều kiện đo đạc (những nguồn
nhiệt trong môi trường). Thực tế các quang trở ngày nay đều có diện tích màng nhạy
hồng ngoại rất bé để giảm nhiễu bức xạ [4, 5], trong quá trình đo đạc cần đảm bảo sự
ổn định của nguồn phát hồng ngoại và tiến hành phép đo trong môi trường không có
những nguồn nhiệt có nhiệt độ cao để giảm ảnh hưởng của nguồn nhiễu này. Trong quá
trình đo đạc, đối với các quang trở lý tưởng thì nhiễu bức xạ đóng vai trò là thành phần
nhiễu chính, các nguồn nhiễu còn lại thì mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào các điều
kiện tiến hành phép đo.
Ngưỡng nhạy và năng suất phát hiện D*
Ngưỡng nhạy  n được định nghĩa là công suất bức xạ bé nhất chiếu tới quang
trở làm xuất hiện trên nó một tín hiệu bằng tín hiệu nhiễu hoặc lớn gấp một số lần theo
quy ước [4, 26, 27]. Trong đo đạc thường sử dụng ngưỡng nhạy  *n để có thể so sánh
các quang trở với diện tích màng nhạy hồng ngoại và dải tần số hoạt động khác nhau.
(1.11)


2

 =n.
*
n

Ở đây n thường lấy bằng 1,

U on .b
SU

U on

2

-1/2

(W.Hz

-1

.cm )

là giá trị bình phương trung bình điện áp của tín

hiệu nhiễu, b được định nghĩa theo biểu thức:

b=


(1.12)

1
Δf.A

Trong đó f là dải thông, A là diện tích màng nhạy hồng ngoại của quang trở. Từ giá trị
của ngưỡng nhạy, năng suất phát hiện D* lúc này được tính theo công thức:

11


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

D* =

1
*n

(Hz1/2.cm/W)

(1.13)

Nếu đo  *n , D* bằng bức xạ đơn sắc khi ấy có ký hiệu: D *
1.2. Tổng quan về hệ đo
1.2.1. Các thiết bị cơ bản trong hệ đo
Hệ đo các thông số đặc trưng của quang trở hồng ngoại đóng vai trò quan trọng
trong quá trình nghiên cứu, chế tạo cũng như kiểm tra, hiệu chỉnh các quang trở hồng
ngoại trước khi đưa vào ứng dụng thưc tế. Ở Việt Nam từ trước đến nay, chỉ có một số
nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, nhà máy Z181 Tổng cục

Công nghiệp Quốc phòng,… đã và đang tiến hành xây dựng một số hệ thiết bị đo đạc
các thông số của quang trở. Tuy nhiên những nghiên cứu này vẫn chưa đáp ứng được
những nhu cầu thực tế của quân đội trong việc đo đạc, hiệu chỉnh, kiểm tra khả năng
hoạt động của quang trở hồng ngoại. Trên hình 1.4 trình bày sơ đồ sắp xếp các thiết bị
của hệ đo các thông số của quang trở hồng ngoại [2, 26].

Hình 1.4. Sơ đồ các thiết bị của hệ đo.

12


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

1.2.1.1. Nguồn cấp Bias
Thường sử dụng nguồn điện một chiều lấy từ ắc qui, pin hoặc từ các thiết bị
cung cấp nguồn một chiều độ chính xác cao [6].

Hình 1.5. Ắc qui

Hình 1.6. Pin

1.2.1.2. Nguồn phát hồng ngoại
Để có thể khảo sát được các thông số của quang trở hồng ngoại một cách chính
xác cần sử dụng một nguồn phát hồng ngoại cung cấp một phổ hồng ngoại ở các nhiệt
độ khác nhau với độ chính xác và độ ổn định cao, công suất bức xạ từ nguồn phát có
nhiệt độ Ts tuân theo định luật Stefan-Boltzmann.
W  (Ts4  Tb4 ) [W/m2]

(1.14)


Trong công thức này:
-

W là công suất phát xạ [W/m2].

-

 là

-

Ts , Tb lần lượt là nhiệt độ của nguồn phát và nhiệt độ của môi trường.

hệ số phát xạ của nguồn, đối với vật đen tuyệt đối  =1.

Bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực đại tuân theo định luật Wien:
m 

b
[m]
T

(1.15)

Trong công thức này:
13


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại

hoạt động ở nhiệt độ phòng

-

 m là bước sóng ứng với năng suất phát xạ cực đại

-

b là hằng số Wien, b= 2,898.10-3 m.K.

Một số nguồn phát hồng ngoại được sử dụng trong các hệ đo là: Bóng đèn sợi đốt
Vonfram, nguồn vật đen,….Mặc dù chưa thể chế tạo được nguồn vật đen tuyệt đối
tuy nhiên các nguồn vật đen được sản suất phục vụ cho các nghiên cứu về quang trở
hồng ngoại có thể đạt tới hệ số phát xạ  ~ 1, các nguồn vật đen này được xem như
nguồn vật đen tuyệt đối với công suất phát xạ và phổ phát xạ ổn định. Trên hình 1.7
là phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối ở các nhiệt độ khác nhau tương ứng với công suất
phát xạ và cực đại của phổ phát xạ khác nhau [4].

Hình 1.7. Phổ phát xạ của nguồn vật đen tuyệt đối
Trên hình 1.8, 1.9 là một số nguồn vật đen thông dụng hiện nay được sản suất bởi các
hãng của Mỹ như Newport Corporation, Boston Electronics,… với khả năng điều khiển
nhiệt độ của nguồn vật đen rất chính xác và hệ số phát xạ  ~ 1 [15]. Các nhóm nghiên

14


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

cứu trong nước trước đây thường sử dụng các nguồn vật đen tự chế hoặc dùng bóng

đèn sợi đốt Vonfram có hệ số phát xạ có độ chính xác không cao, dẫn tới những hạn
chế trong kết quả của phép đo.

Hình 1.8. Nguồn vật đen của hãng

Hình 1.9. Nguồn vật đen của hãng

Newport Corporation

Boston Electronics

1.2.1.3. Bộ điều biến quang
Các quang trở hoạt động trong tên lửa cung cấp các tín hiệu điện áp dạng xoay
chiều cho hệ thống điều khiển quỹ đạo bay, ngoài ra với mục đích hạn chế tối đa ảnh
hưởng của nhiễu nên tín hiệu quang tới quang trở hồng ngoại cần phải được điều biến.
Hệ đo các thông số đặc trưng của quang trở do vậy cần sử dụng bộ điều biến quang.
Tín hiệu hồng ngoại từ nguồn phát đi qua bộ điều biến sẽ tạo thành các tín hiệu xung
dạng vuông, dạng hình sin ở các tần số khác nhau tùy theo yêu cầu đo đạc.
Cấu tạo cơ bản của bộ điều biến bao gồm:
-

Đĩa tròn có các khe chắn ánh sáng

-

Bộ điều khiển tốc độ quay

-

Hệ thống hiển thị tần số


Trên hình 1.10 và 1.12 là một số bộ điều biến quang được cung cấp bởi Scitek và
Stanford Research systems(Mỹ).

15


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

Hình 1.10. Bộ điều biến quang của hãng

Hình 1.11. Bộ điều biến quang của hãng

Scitek

Stanford Research systems

1.2.1.4. Bộ khuếch đại tín hiệu và lọc tần
Thông thường tín hiệu thu được từ các quang trở rất bé nên trong quá trình sử
dụng trong các ứng dụng cũng như việc đo đạc, khảo sát các thông số của quang trở
đều cần tới các mạch khuếch đại [4]. Thực chất của khuếch đại là một quá trình biến
đổi năng lượng có điều khiển, ở đó năng lượng một chiều của nguồn cung cấp không
chứa thông tin, được biến đổi thành năng lượng xoay chiều theo tín hiệu điều khiển đầu
vào, chứa thông tin [11, 16]. Kết quả là tín hiệu ra lớn lên nhiều lần và không méo. Sơ
đồ tổng quát của mạch khuếch đại như hình 1.12.

Hình 1.12. Sơ đồ tổng quát của mạch khuếch đại
Các mạch khuếch đại thường sử dụng các linh kiện là transistor hoặc các khuếch đại
thuật toán làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, hình 1.13 và 1.14 chỉ ra một số mạch


16


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

khuếch đại tín hiệu sử dụng transistor và IC 741. Bên cạnh quá trình khuếch đại cần
các bộ lọc tần số của tín hiệu ở các khoảng tần số khác nhau. Đối với các quang trở sử
dụng trong tên lửa, các tần số được quan tâm là 200 Hz, 800 Hz và 1000 Hz. Bộ lọc tần
với độ phân giải cao cũng cần thiết để khảo sát phổ nhiễu của tín hiệu.

Hình 1.13. Mạch khuếch đại dùng khuếch
đại thuật toán

Hình 1.14. Mạch khuếch đại dùng
transistor

Một số thông số của bộ khuếch đại và lọc tần:
 Hệ số khuếch đại:
Hệ số khuếch đại được định nghĩa theo công thức:
(1.16)

K=
 Trở kháng lối vào và lối ra

Trở kháng lối vào và lối ra của bộ khuếch đại được định nghĩa:
Zv 

Uv

U
; Zr  r
Iv
Ir

(1.17)

 Méo tần số

17


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

Méo tần số là méo do độ khuếch đại của mạch khuếch đại bị giảm ở vùng hai đầu dải
tần. Ở vùng tần số thấp có méo thấp Mt, ở vùng tần số cao có méo tần số cao Mc, chúng
được xác định theo biểu thức:
Mt 

Trong đó:

K0
K
; Mc  0
Kt
Kc

(1.18)


K0 là hệ số khuếch đại ở vùng tần số trung bình.
Kc là hệ số khuếch đại ở vùng tần số cao.
Kt là hệ số khuếch đại ở vùng tần số thấp.

 Hiệu suất khuếch đại
Được định nghĩa là đại lượng tính bằng tỷ số giữa công suất tín hiệu xoay chiều đưa ra
tải Pr và công suất một chiều của nguồn cung cấp P0.


Pr
P0

(1.19)

Yêu cầu cơ bản với một bộ khuếch đại là phải đảm bảo hệ số khuếch đại lớn, hiệu suất
khuếch đại tín hiệu cao và tín hiệu đầu ra không bị méo.
1.2.1.5. Thiết bị hiển thị
Các máy hiện sóng (Osilloscope) được sử dụng làm thiết bị hiển thị, cung cấp
cho người sử dụng hình ảnh trực quan sự thay đổi của tín hiệu đầu ra từ bộ khuếch đại
theo thời gian. Có hai dòng máy hiện sóng là máy hiện sóng tương tự và máy hiện sóng
số. Các máy hiện sóng số ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn do khả năng lưu trữ,
sao chép, truyền dữ liệu tới máy tính, tăng khả năng tính toán và xử lý các tín hiệu.
Trên hình 1.15 và 1.16 là hai loại máy hiện sóng tương tự và máy hiện sóng số. Các hệ
đo hiện đại ngày nay đều sử dụng các thiết bị hiện sóng dạng số.

18


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng


Hình 1.15. Máy hiện sóng OS 5040A,

Hình 1.16. Máy hiện sóng TDS2024C,

40Mhz (EZ-Hàn Quốc)

200Mhz (Tektronix-Mỹ)

Trong quá trình xây dựng hệ đo cần đảm bảo khả năng phối hợp và hoạt động
ổn định của từng bộ phận hợp thành, liên tục kiểm tra và tiến hành các hiệu chỉnh cần
thiết để kết quả đo đạc có độ chính xác, tin cậy và lặp lại.

19


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

CHƢƠNG 2

THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG HỆ ĐO

2.1. Hệ đo sử dụng trong phòng thí nghiệm
Căn cứ vào các thông số quan trọng cần đo đạc của quang trở, các tài liệu tham
khảo [2, 4, 26], các nhiệm vụ được giao cũng như hướng phát triển tiếp theo của
nghiên cứu, sơ đồ ghép nối các thiết bị tổng quát xây dựng nên hệ đo sử dụng trong
phòng thí nghiệm được nhóm tác giả đưa ra như hình 2.1. Tùy vào thông số cần đo đạc
mà nhóm tác giả lựa chọn các thành phần thiết bị khác nhau.


Hình 2.1. Sơ đồ thiết bị của hệ đo
Toàn bộ hệ đo các thông số đặc trưng của quang trở hồng ngoại được chia làm 8
khối thiết bị chính:
1. Khối nguồn cung cấp điện
2. Khối nguồn phát hồng ngoại
3. Bộ điều biến tín hiệu quang
20


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

4. Khối cảm biến
5. Khối khuếch đại tín hiệu và lọc tần
6. Khối hiển thị
7. Đồng hồ đo điện Keithley 2612A
8. Máy vi tính
2.1.1. Các sơ đồ thiết bị đo thông số khác nhau của quang trở hồng ngoại
Từ sơ đồ các thiết bị tổng quát, nhóm tác giả xây dựng nên các sơ đồ đo các
thông số của quang trở như sau:
 Sơ đồ thiết bị đo thông số điện trở tối, điện trở sáng
 Sơ đồ thiết bị phân tích nhiễu
 Sơ đồ thiết bị đo độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện
2.1.1.1. Sơ đồ đo thông số điện trở tối, điện trở sáng
Được bố trí như trên hình 2.2.

Hình 2.2. Sơ đồ đo điện trở sáng, điện trở tối
Các điều kiện đo đạc gồm có: nguồn vật đen được thiết lập ở nhiệt độ 500 K với
khẩu độ mở của cửa số phát là 1.524 cm, khoảng cách tới quang trở 40 cm, nhiệt độ
của môi trường 298 K. Mục đích của sơ đồ này là xác định điện trở tối và điện trở sáng

của các quang trở ở cùng một điều kiện đo đạc qua đó đánh giá sơ bộ khả năng hoạt

21


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

động của quang trở cũng như so sánh các quang trở với nhau. Nguyên lý hoạt động của
sơ đồ là: bộ điều biến quang điều biến tín hiệu bức xạ hồng ngoại chiếu tới khối cảm
biến, khối cảm biến được cấp nguồn từ khối nguồn điện, biến thiên điện được tính toán
và đo đạc thông qua đồng hồ đo Keithley 2612 A và được lưu trữ trên máy tính. Kết
quả đo đạc thông số điện trở tối, điện trở sáng của các mẫu quang trở Q1, Q2 được chỉ
ra trong chương 3.
2.1.1.2. Sơ đồ phân tích nhiễu
Bố trí như trên hình (2.3). Nguyên lý hoạt động của sơ đồ là: khối cảm biến
được cấp nguồn 30 V từ khối nguồn điện, do không có bức xạ hồng ngoại từ nguồn vật
đen chiếu tới quang trở nên điện trở của quang trở hầu như không thay đổi, tín hiệu ra
từ khối cảm biến theo lý thuyết là tín hiệu điện áp một chiều không đổi theo thời gian,
tất cả những tín hiệu thay đổi trong trường hợp này là nhiễu, kết quả phân tích phổ
nhiễu khi chưa có quang trở và khi có quang trở được trình bày trong chương 3.

Hình 2.3. Sơ đồ phân tích nhiễu của quang trở
Phổ của tín hiệu nhiễu thu được sẽ cung cấp thông tin về nhiễu ở các dải tần số
khác nhau. Các dải tần số có biên độ tín hiệu nhiễu cao sẽ được phân tích, kiểm tra chi
tiết, đặc biệt là ở các tần số mà quang trở hồng ngoại hoạt động trong tên lửa là 200,
800, 1000 Hz thông qua sơ đồ trên hình (2.4).

22



Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

Hình 2.4. Sơ đồ phân tích nhiễu chi tiết của quang trở
2.1.1.3. Sơ đồ đo độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện
Độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại theo sự thay
đổi nhiệt độ của của nguồn phát được đo đạc theo sơ đồ trên hình (2.5).

Hình 2.5.Sơ đồ đo độ nhạy điện áp và năng suất phát hiện

23


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

Các điều kiện đo đạc ban đầu gồm có: nguồn vật đen được thiết lập ở nhiệt độ
500 K với khẩu độ mở của cửa số phát là 1.524 cm, khoảng cách tới quang trở 40 cm,
nhiệt độ của môi trường 298 K. Mục đích của sơ đồ này là xác độ nhạy điện áp và năng
suất phát hiện của quang trở hồng ngoại đối với bức xạ hồng ngoại ở các nhiệt độ khác
nhau của nguồn vật đen. Bức xạ hồng ngoại phát ra từ nguồn vật đen ở các nhiệt độ
khác nhau được điều biến qua bộ điều biến quang trước khi chiếu tới quang trở gắn
trên khối cảm biến. Tín hiệu điện áp biến thiên từ khối cảm biến sau khi đi qua khối
tiền khuếch đại được đưa vào khối khuếch đại Lock – In, có thể quan sát trực tiếp kết
quả đo trên bộ khuếch đại Lock – In hoặc thông quá khối hiển thị và máy tính.
2.1.2. Phân tích hoạt động chi tiết của các thiết bị trong sơ đồ đo
2.1.2.1. Khối nguồn cung cấp điện
Trong hệ đo này nhóm tác giả sử dụng các ắc quy 12 V ghép nối tiếp tạo thành
khối nguồn cung cấp điện.

 Phân loại, cấu tạo
Có nhiều cách để phân loại ắc quy, tuy nhiên có thể phân loại thành hai dòng cơ
bản là ắc quy chì (axít) và ắc quy kiềm. Trong hai dòng này thì ắc quy chì (axít) được
sử dụng rộng rãi hơn. Cấu tạo cơ bản của ắc quy
chì được chỉ ra trên hình 2.2 bao gồm: phân khối
bản cực dương, phân khối bản cực âm và dung dịch
axít H2SO4 loãng (nồng độ γ =1,1÷ 1,3 g/cm3). Cấu
tạo của một bản cực trong ắc quy gồm có phần
khung xương và chất tác dụng trát lên nó.
Khung xương của bản cực dương và âm có cấu
tạo giống nhau. Chúng được đúc từ chì có pha
thêm ( 5 ÷ 8% ) Sb và tạo hình dạng mặt lưới.

24

Hình 2.6. Cấu tạo cơ bản của ắc quy


Nghiên cứu xây dựng hệ đo nhiễu và năng suất phát hiện của quang trở hồng ngoại
hoạt động ở nhiệt độ phòng

Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng thêm độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong
thành phần của chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hữu cơ) để
tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng, tăng diện tích tham gia phản ứng hóa học.
Phần đầu mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc quy đơn được hàn với
nhau tạo thành phân khối bản cực dương. Các bản cực âm hàn với nhau tạo thành phân
khối bản cực âm.
 Nguyên lý làm việc của ắc quy
Ắc quy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng dưới
dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc quy cung

cấp điện cho mạch ngoài gọi là quá trình phóng điện. Quá trình ắc quy được dự trữ
năng lượng gọi là quá trình nạp điện. Năng lượng của ắc quy quan hệ với quá trình
biến đổi hoá học của các bản cực và dung dịch điện phân được trình bày trong bảng
sau:
Bảng 2.1. Quá trình biến đổi hóa học trong ắc quy
Trạng thái ắc quy

Bản cực dƣơng

Dung dịch điện phân

Bản cực âm

Nạp no

PbO2

H2SO4

Pb

↓↑

↓↑

↓↑

↓↑

Phóng điện hết


PbSO4

H2O

PbSO4

(Pb+4 -> Pb+2 -2e)

(Pb -> Pb+2 +2e)

Khi nối bản cực dương và bản cực âm xuất hiện suất điện động sinh ra dòng
điện một chiều chạy từ cực dương sang cực âm. Trong sơ đồ thiết bị, nguồn cung cấp
điện bao gồm nhiều bộ ắc quy đơn ghép lại với nhau cung cấp nguồn điện một chiều 30 V
cho khối cảm biến 4. Trong quá trình sử dụng khối nguồn cung cấp điện thường xuyên
được kiểm tra giá trị của điện áp cung cấp và tiến hành xạc lại khi cần thiết.
25