CẢM BIẾN QUANG
I/ Khái quát :
1/ Tính chất ánh sáng:
Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt . Dạng sóng ánh sáng là
sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng
nguyên tử của nguồn sáng .
Vận tốc ánh sáng được xác định v = c/n
trong đó c vận tốc trong chân không c = 299792km/s
n chiết suất của môi trường truyền sóng
Sự liên hệ giữa tần số f và bước sóng λ :
f
V
=
λ
Trong chân không :
f
c
=
λ
Dãy phổ ánh sáng được biểu diễn như hình :
Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật
chất . Ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng lượng Wφ phụ thuộc vào
tần số . Wφ = hf
Trong đó h là hằng số Planck h = 6,6256.10
-34
Js
Trong vật chất các hạt điện tử luôn có xu hướng trở thành điện tử tự
do . Để giải phóng được các hạt điện tử khỏi nguyên tử thì cần 1 năng lượng
tối thiểu bằng năng lượng liên kết W
L
. Do đó nếu photon cần hấp thụ 1 hạt

điện tử thì cần 1 điều kiện là W
φ
≥ W
L
. Khi đó ta có ;
h
W
f
L
≥
do ta có
f
c
=
λ
nên
L
W
hc
≤
λ
Bước sóng ngưỡng ( bước sóng lớn nhất ) của ánh sáng là bước sóng
có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính từ biểu thức :
l
s
W
hc
=
λ
Hiện tượng giải phóng hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu

ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu . Đây là
nguyên lý cơ bản của cảm biến quang.
Dưới tác dụng của ánh sáng , hiệu ứng quang điện tỉ lệ thuận với số
lượng hạt dẫn được giải phóng trong 1 đơn vị thời gian . Ngay cả khi λ > λ
S
thì không thể giải phóng tất cả các hạt dẫn bởi vì 1 số sẽ phản xạ từ bề mặt
và số khác sẽ chuyển năng lượng của chúng thành năng lượng của dao động
nhiệt.
Đối với vật liệu có hệ số phản xạ R lớn và bị chiếu bởi ánh sáng đơn
sắc có công suất φ thì :
_ Số photon chiếu đến trong 1 giây :
hchv
n
inc
λφφ
==
_ Số photon hấp thụ trong 1 giây :
hc
RnRn
inca
λφ
)1()1(
−=−=
_ Số hạt điện tử và lổ trống được giải phóng trong 1 giây :
hc
RnG
a
λφ
ηη
)1(.

−==
Trong đó η là hiệu suất lượng tử ( số điện tử hoặc lổ trống trung
bình được giải phóng khi 1 photon được hấp thụ )
2/ Đơn vị đo quang :
_ Năng lượng bức xạ ( Q ) là năng lượng phát xạ , lan truyền hoặc hấp thụ
dưới dạng bức xạ , được đo bằng Jun ( J ) .
_ Thông lượng ánh sáng ( φ ) là công suất phát xạ , lan truyền hoặc hấp thụ ,
đo bằng đơn vị oat ( W ).
dt
dQ
=
φ
_ Cường độ ánh sáng ( I ) là luồng năng lượng phát ra theo 1 hướng cho
trước dưới 1 đơn vị góc khối , có đơn vị đo là oat/steradian.
Ω
=
d
d
I
φ
_ Độ chói năng lượng : là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi 1 phần tử
bề mặt dA theo 1 hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này
trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó
θ
cosdAdA
n
=
( θ là góc giữa P và
mặt phẳng chứa dA ) . Độ chói đo bằng oat/steradian.m
2

.
n
dA
dI
L
=
_ Độ rọi năng lượng ( E ) là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi 1 phần
tử bề mặt va diện tích phần tử đó . Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m
2
.
dA
d
E
φ
=
Tên định nghĩa Đ/v thị giác Đ/v năng lượng
Luồng ( thông lượng )
Cường độ
Độ chói
Độ rọi
Năng lượng
Lumen ( lm )
Candela ( cd )
Candela/m
2
( cd/m
2
)
Lumen/m
2

hay lux ( lx )
Lumen.s ( lm.s )
Oat ( W )
Oat/sr ( W/Sr )
Oat/sr.m
2
( W/sr.m
2
)
W/m
2

Jun ( J )
3/ Nguồn sáng :
Việc sử dụng 1 cảm biến chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ
ánh sáng ( phổ , thông lượng , tần số ) . Nguồn sáng sẽ quyết định mọi đặc
tính của bức xạ vì vậy việc tìm hiểu nguồn sáng rất quan trọng trong việc
chọn lựa và sử dụng cảm biến.
a/ Đèn sợi đốt wonfram :
Được cấu tạo gồm 1 dây wonfram có vỏ bọc bằng thủy tinh hoặc
thanh anh có chứa chất khí hiếm hoặc halogen ( I
2
) . Đèn wonfram co đặc
điểm :
_ Thông lượng lớn , dãy phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc.
_ Do có quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ 1 cách
nhanh chóng , tuổi thọ thấp , dễ vở .
b/ Diode phát quang :
_ Thời gian hồi đáp nhỏ , khoảng vài ns do vậy có khả năng thay đổi
theo tần số cao .Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định , độ tin cậy cao , bền theo

thời gian .
_ Thông lượng tương đối nhỏ ( ~ 10mW ) và nhạy với nhiệt độ là
nhược điểm của đèn .
c/ Lazer :
Tia Lazer là nguồn sáng đơn sắc , độ chói lớn , rất định hướng và đặc
biệt có tính liên kết mạnh ( rất khó xãy ra tán sắc ánh sáng )
Lazer lá ánh sáng có bước song đơn sắc hòan toàn xác định , thông
lượng lớn , có khả năng nhận được chùm tia mảnh với độ định hướng cao và
truyền đi với khoảng cách rất lớn .
II/ Điện Trở Quang : ( photo register )
Các cảm biến điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng
bức xạ và phổ của bức xạ đó . Quang trở là 1 trong những cảm biến có độ
nhạy cao . Nguyên tắc chế tạo quang trở là dựa trên hiện tượng quang dẫn do
kết quả của hiệu ứng quang điện nội ( hiện tượng giải phóng hạt tải điện
trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẩn điện của vật liệu ).
1/ Cấu tạo :
Cảm biến quang thường được cấu tạo bằng các chất bán dẫn đa tinh
thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp chất .
_ Đa tinh thể : CdS, CdSe, CdTe , PbS, PbSe, PbTe.
_ Đơn tinh thể : Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn,
AsIn, PIn, CdHgTe.
Tùy theo chất cấu tạo mà quang trở có vùng phổ làm việc khác nhau .
2/ Điện trở :
Một quang trở có giá trị điện trở tương đương với 2 điện trở ghép
song song gồm điện trở tối R
co
và điện trở R
cp
được xác định bởi hiệu ứng
quang điện do ánh sáng tác động .

Giá trị điện trở tối phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo , dạng hình học ,
kích thước và nhiệt độ.
_ Các chất PbS , CdS, CdSe có giá trị điện trở tối khá lớn : từ 10
4
đến
10
9
ở nhiệt độ 25
0
C.
_ Các chất SbIn, SbAs, CdHgTe có giá trị điện trở tối khá nhỏ : từ
10Ω đến 10
3
Ω ở nhiệt độ 25
0
C
Điện trở R
cp
được xác định theo biểu thức :
γ
φ
−
=
aR
cp
Trong đó a phụ thuộc vào vật liệu ,nhiệt độ và phổ bức xạ ánh sáng
γ có giá trị từ 0.5 đến 1
Do đó giá trị điện trở của quang trở là R
C
γ

γ
φ
φ
−
−
+
=
+
=
aR
aR
RR
RR
R
co
co
cpco
cpco
C
.
Thông thường R
cp
<< R
co
nên
γ
φ
−
=
aR

c
Nghĩa là giá trị điện trở của cảm biến phụ thuộc mạnh vào ánh sáng
tác dụng , có giá trị giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên .
Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến
tính . Tuy nhiên có thể tuyến tính hoá nó bằng cách ghép song song với 1
điện trở
Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
Điện trở R
C
phụ thuộc vào nhiệt độ , độ nhạy nhiệt của quang trở càng
nhỏ khi độ rọi càng lớn . Giá trị điện trở sẽ bị giảm chậm ở những điều kiện
làm việc giới hạn khi độ rọi và điện áp đặt vào quá lớn .
3/ Độ nhạy :
Dựa vào sơ đồ tương đương của quang trở , độ dẫn điện của quang trở
là tỏng độ dẩn sáng và độ dẫn tối .
cpcoc
GGG
+=
Trong đó G
co
là độ dẫn tối
co
co
R
G
1
=
G
cp
là độ quang dẫn

aR
G
cp
cp
γ
φ
==
1
Khi làm việc quang trở được phân cực 1 điện áp V sẽ có 1 dòng điện
đi qua nó được xác định
POCPCOc
IIVGVGVGI
+=+==
Trong đó I
o
dòng tối , I
p
dòng quang điện