Transcript Luce - ARScontrol

Sensori di Luce
Fabio Coccomeri
Stefano Galaverni
Lorenzo Donelli
Fabio Ceccati
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Sensori ottici
I sensori ottici, o fotorivelatori, sono dispositivi in grado di rivelare la
radiazione elettromagnetica, fornendo in uscita un segnale avente
un’intensità di corrente, una differenza di potenziare o, più raramente,
un’azione meccanica, proporzionale all’intensità della radiazione
rilevata.
Rilevano lunghezze d’onda coincidenti con lo spettro visibile,
spingendosi nel campo dell’infrarosso o dell’ultravioletto vicino se
l’applicazione lo richiede.
Grandezze misurabili
Intensità luminosa, Candela [Cd]
Una candela è pari all'intensità luminosa, in una data direzione, di una
sorgente emettente radiazione monocromatica alla frequenza di
540 × 1012 hertz con intensità radiante in quella direzione pari a 1/683
watt per steradiante.
Flusso luminoso, Lumen [lm]
Equivale al flusso luminoso visibile emesso da una sorgente con intensità
luminosa di 1 candela in un angolo solido di 1 steradiante.
Illuminamento, Lux [lx]
Equivale al flusso luminoso visibile emesso da una sorgente con intensità
luminosa di 1 candela in un angolo solido di 1 steradiante, su una
superficie di 1m2.
Grandezze misurabili
I sensori ottici misurano
direttamente l’illuminamento in
lux, le altre grandezze luminose
possono essere ricavate
conoscendo le caratteristiche del
sensore e il suo posizionamento.
𝑙𝑚 𝐶𝑑 ∙ 𝑠𝑟
𝑙𝑥 = 2 =
𝑚
𝑚2
Caratteristiche comuni
•
Intervallo di lunghezze d’onda rilevabili e sensibilità associata
•
Responsività: rapporto tra la fotocorrente generata e la potenza ottica
incidente sul sensore
•
Efficienza quantica (solo per rivelatori basati su effetto fotoelettrico):
numero ci cariche generate per ogni fotone incidente
•
Rapporto segnale/rumore
•
Intensità minima rilevabile
• Velocità di risposta
Effetto fotoelettrico
L'effetto fotoelettrico è il fenomeno fisico
caratterizzato dall'emissione di elettroni da una
superficie, solitamente metallica, quando questa
viene colpita da una radiazione elettromagnetica.
Osservato per la prima volta da Hertz nel 1888,
interpretato correttamente da Einstein nel 1905
utilizzando una rappresentazione quantistica
dell’onda elettromagnetica.
L’effetto fotovoltaico è il fenomeno fisico che si
realizza quando un elettrone presente nella
banda di valenza di un materiale semiconduttore
passa alla banda di conduzione a causa
dell'assorbimento di un fotone incidente sul
materiale.
Effetto fotoelettrico
Esperimento di Lenard
•
ddp negativa per rallentare gli
elettroni
•
Esiste una differenza di potenziale V0
minima che impedisce il salto di
tutti gli elettroni = nessuna corrente
• Oltre V0 la corrente sale in modo
proporzionale all’intensità luminosa
e inversamente proporzionale alla
ddp da vincere
•
Con ddp positive la corrente satura
velocemente ad un valore massimo
dipendente solo dall’intensità
luminosa
Tipi di sensori
A effetto fotoelettrico a semiconduttore:
• Fotodiodi (celle fotovoltaiche, CCD, CMOS)
• Fototransistor
• Fotoresistenze
Effetto fotoelettrico:
• Radiometri
• Tubi fotoelettrici
• Fotomoltiplicatori
A Riscaldamento:
• Bolometro
• Cella di Golay
• Rivelatore piroelettrico
Nell’effetto fotoelettrico a semiconduttori le
radiazioni luminose liberano elettroni nel
corpo rimango i quali rimangono al suo interno
I principali fotorivelatori che sfruttano questo
effetto si possono suddividere in:
• Fotoresistenze
• Fotodiodi
• fototransistor
FOTORESISTENZE
Dispositivo la cui conduciblità elettrica aumenta
quando è colpito dalla luce
Un elettrone colpito da
un fotone acquisisce
parte della sua energia,
rompe il legame
covalente e crea una
lacuna che partecipa alla
conduzione
Vantaggi:
• Costi contenuti
• Funzionamento lineare
• Rapidità di risposta
• Funziona in AC e DC
• Robustezza
Svantaggi
• Risposta lenta
• Banda limitata
• Sensibilità influenzata da temperatura
• Sensibilità influenzata da superficie
Utilizzi:
• Interruttori crepuscolari
• Inseguitori solari
• Misuratori di luminosità
Fotodiodi
E’ un tipo di diodo che, grazie alla giunzione
P-N funziona come sensore ottico
trasformando una lunghezza d’onda in un
segnale elettrico
Possono essere polarizzati in diretta o in
inversa, progettati privilegiando la
silenziosità(PiN) o la potenza di segnale(APD)
Quando un’elettrone
colpisce il fotodiodo si
crea coppia elettrone
lacuna spinti nei settori n
e p del fotodiodo, il quale
tenderà a neutralizzare
tale situazione con una
coppia elettrone-lacuna
spostata dal generatore
di corrente: questa è la
corrente fotogenerata
Io= corrente naturale del diodo per la giunzione p-n
Iph= corrente fotogenerata
Vantaggi:
• Costi contenuti
• Dimensioni
• Funzionamento lineare
• Buona efficienza
• Rapidità di risposta
Svantaggi:
• Sensibilità
• Termodipendente
• Rumore
Utilizzi:
• Fibre ottiche
• Supporti ottici
• Sensori prossimità
• Fotocellule
• Telecomandi
• Fotografia digitale
• Encoder
• Dispositivi biomedici
Fototransistor
I fototransistor sono dei
transistori bipolari (BJT)
polarizzati normalmente e
senza la corrente di base
incapsulati in contenitori
provvisti di una lente (in plastica
o in vetro trasparente) che
permette alla radiazione
incidente di concentrarsi sulla
giunzione collettore-base
in presenza di illuminazione sulla base, si generano
sulla giunzione C-B coppie elettroni-lacune che
creano una nuova corrente inversa di portatori
minoritari che scorre tra la giunzione C-B
proporzionale all’intensità luminosa incidente
Vantaggi:
• Costi contenuti
• Elevata sensibilità
• Bassa tensione d’alimentazione
• Dimensioni
• Funzionamento lineare
• Buona efficienza
Svantaggi:
• Risposta lenta
• Termodipendente
• Rumore
Utilizzi:
• Fotografia digitale
• Encoder
• Optoisolatori
• Sensori prossimità
• Fotocellule
• Luxometri
Fotodiodo a vuoto
Funzionamento:
•Bulbo a vuoto in materiale trasparente
•Catodo fotosensibile & anodo collettore
•La radiazione causa emissione
fotoelettrica
•Il campo elettrico accelera gli
elettroni verso l’anodo
•L’anodo raccoglie una corrente
•Il segnale luminoso è convertito
in segnale elettrico
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Fotodiodo a vuoto
Caratteristiche:
• Fotocatodo ampia
area attiva
• Fotocatodoleghe metalli
pesanti
• Corrente di buioprossima a
zero
• Gas inerte guadagno x 10
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Fotodiodo a vuoto
Pregi:
• Ottima linearità (solo a vuoto!)
• Bassi tempi di risposta 10-9 s
• Buona sensibilità nello spettro UV
Difetti:
• Ingombrante, delicato, costoso, poco sensibile…
In applicazioni ordinarie superato dai sensori a stato
solido, ma...
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Fotomoltiplicatore
FOTOTUBO
MOLTIPLICATORE ELETTRONICO
•Il fotone incidente estrae dal fotocatodo l’elettrone primario.
•L’elevato campo elettrico accelera e guida il flusso elettronico.
•Il forte impatto sull’elettrodo successivo genera elettroni per emissione
secondaria.
•Iterazione della moltiplicazione a valanga per diversi stadi.
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Fotomoltiplicatore
•
•
•
•
•
•
Ampiezza di banda: da 100 nm a 1000 nm
Efficienza quantica: 5% - 30%
Ottima linearità ingresso - uscita
Tempo di risposta: pochi ns
Intensità minima rilevabile: singoli fotoni
Ottimo SNR rispetto a sensori a semiconduttore
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Fotomoltiplicatore
Caratteristiche:
•9-12 stadi di amplificazione
•Guadagno totale: 105 - 109
•ddp anodo-catodo: 1 - 3 kV
•Tensione stabilizzata a meno di 1‰
•Non può essere esposto a
illuminamento diurno
•Disturbato dai campi magnetici
Applicazioni:
• Medicina nucleare, diagnostica per immagini, fisica delle particelle,
astronomia, spettrofotometria, misura di radioattività..
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Radiometro di Crookes
Caratteristiche:
• Sensore passivo di radiazione
elettromagnetica
• Converte un segnale luminoso in
segnale meccanico
• Sensibile a tutto lo spettro
infrarosso e al visibile
• Costituito da un bulbo di vetro a
vuoto parziale e un rotore a palette
• Ogni paletta ha una superficie
riflettente ed una assorbente
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Radiometro di Crookes
Come funziona:
•Il diverso assorbimento di radiazione
provoca un gradiente termico fra le
superfici
•Effetto termomeccanico del gas
rarefatto rotazione
•Velocità di rotazione proporzionale
all’intensità di radiazione
•A vuoto spinto (10-6 torr) si inverte il
senso di rotazione
Pressione della luce  i fotoni
hanno massa
Radiometro di Nichols
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Sensori ad effetto termico
A riscaldamento:
 Bolometro
 Cella di Golay
 Rivelatori Piroelettrici
Caso in cui il fotone non ha
abbastanza energia per passare
nella banda di conduzione si
utilizzano questi tipi di sensori,
che utilizzano il fenomeno della
termalizzazione del fotone.
Bolometro
Il segnale incidente viene assorbito dal bolometro e riscalda una
massa termica con capacità termica C e temperatura T. La massa
termica è collegata ad un serbatoio di temperatura costante
attraverso un legame con conduttanza termica G.
L'aumento di temperatura è Δ T = P / G e la variazione di
temperatura viene letta con un termometro resistivo.
Il tempo termico intrinseco costante è τ = C / G .
La radiazione incidente fa variare la sua resistenza e quindi il valore di tensione in
uscita dal ponte di Wheastone.
Bolometro
Diversi tipi:
o Bolometro di Langley
o Bolometro composito
o Bolometro monolitico al silicio
o Bolometro superconduttore
Materiali costruzione del resistivo termosensibile:
 Metallo (Platino, oro annerito)
 Semiconduttori (Silicio, Germanio, Manganese, Cobalto, …)
 Superconduttori (Nitruro di Nobio)
Bolometro
Utilizzi:
Astronomia
Rivelatore di particelle
Vantaggi:
Banda elevata
Ottima rivelazione per lunghezze d’onda
sub millimetriche
Svantaggi:
Sensibilità bassa
Grande ingombro
Tempi lunghi per il reset
Cella di Golay
Misura della radiazione infrarossa
incidente, sfruttando l’effetto
pneumatico di dilatazione del gas
(Xenon).
La radiazione è assorbita da un film
metallico a bassa riflettività. Il calore
sviluppato nel film viene trasferito al
gas circostante, che si espande,
aumenta la sua pressione e quindi
deflette la parete posteriore della cella,
costruita utilizzando una sottile
membrana, speculare all’esterno. Tale
membrana agisce come uno specchio
deformabile che è inserito in un sistema
ottico, esterno alla cella, comprendente
una sorgente (un diodo LED), una
griglia, lo specchio ed un rivelatore a
fotodiodo.
Appena arriva la radiazione la
membrana si deforma e riflette la
luce, che comincia ad arrivare in modo
diverso sul fotodiodo, in quantità
proporzionale all’entità della
deformazione dello specchio. Questa
è a sua volta proporzionale alla
variazione di pressione e quindi alla
variazione di potenza incidente.
Cella di Golay
Utilizzi:
Spettroscopia
Calibrazione dei sensori
Vantaggi:
Risposta lineare dall’ultravioletto all’infrarosso
Elevata sensibilità
Svantaggi:
Scarsa dinamica
Difficoltà di utilizzo
Fragilità
Rivelatori piroelettrici
Captazione delle onde elettromagnetiche nel campo
dell’infrarosso, utilizzando l’effetto piroelettrico, cioè la
capacita, di alcuni materiali, di generare carica elettrica
dovuta ad una differenza di temperatura.
Piroelettricità
L'effetto per cui si forma un temporaneo
accumulo di cariche elettriche di segno opposto
(quindi differenza di potenziale) sulle facce
opposte di certi cristalli in risposta ad un
cambiamento
di temperatura.
L'accumulo avviene su facce ortogonali rispetto
ad un asse di simmetria noto come asse
termico. La faccia che viene caricata
positivamente viene chiamata "polo analogo",
mentre la faccia opposta è detta "polo
antilogo".
Tutti i cristalli che sono piroelettrici sono
anche piezoelettrici.
Esiste anche una piroelettricità inversa quando
ad un cristallo si applica una differenza di
potenziale si avrà una variazione di
temperatura del cristallo stesso.
Rivelatori Piroelettrici
Utilizzi:
Rivelatori di movimento e presenza
Vantaggi:
Robusto
Economico
Facilmente interfacciabile
Svantaggi:
Disturbo da fonti di calore esterne