UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA QUIMICA Y TEXTILCIRCUITOS ELCTRICOS e INSTALACIONES ELCTRICAS INDUSTRIALES

EE-102 / A

Tema: SENSORES OPTICOS

Trabajo presentado por:Grupo: 8A Aguilar Enciso, Julia Bulnes Damin, Karol Escobar Soto, Frank

Profesor a cargo: Cosco Grimaney Jorge

LIMA PER

2015

INDICE

INTRODUCCION2

1. DEFINICION2

2. CONCEPTOS BSICOS LUZ3

3. MEDIDAS Y UNIDADES EN SISTEMAS PTICOS9

4. METODOLOGA 124.1 EFECTO FOTOELECTRICO 124.2 FOTORRESISTENCIAS 134.3 CELDAS FOTOCONDUCTIVAS 14 4.4 FOTOTRANSISTORES 174.5 LED 194.6 TUBO FOTOMULTIPLICADOR 224.7 SENSORES DE FIBRA PTICA 23

INTRODUCCIN

En la actualidad ya es un hecho la existencia de edificios inteligentes, diseados para responder a cualquierestmulo, tales como humo, agua, aumento o disminucin inesperada de temperatura, ruido u otros efectos de inters. En la industria del automvil uno de los principales objetivos est centrado en el diseo de coches con sensores pticos que obien produzcan el frenado del mismo o bien acten como sensor de alarma motivando la disminucin de la velocidadpor parte del conductor al acercarse a un semforo en rojo. En otras palabras, hoy en da se ha comprobado que el diseo de nuevos sensores es un reto no slo cientfico, sino tambin industrial y que puede aportar importantes mejoras en la sociedad, medio ambiente, salud pblica, etc.Es as que se pretende dar una descripcin de estos sensores para comprender su aplicabilidad en la industria.

1. DEFINICIN:Los sensores pticos basan su funcionamiento en la emisin de un haz de luz que es interrumpido o reflejadopor el objeto a detectar, es decir responden a los cambios en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que ve la luz generada por el emisor. Veamos rpidamente los dispositivos emisores. Podemos nombrar: Diodos LED Diodos lser Cristales LquidosAlgunas caractersticas de los diodos LED son: Pequea potencia Poca disipacin de calor Larga duracin e insensibilidad frente a sacudidas o vibraciones Facilidad para modular su emisinLos laser (del acrnimo Ligth Amplification by stimulated Emmision of Radiation) son un tipo de diodos que cubren aplicaciones desde el corte de materiales con haces de gran energa hasta la transmisin de datos por fibra ptica.

Las caractersticas de un diodo lser son: La emisin de luz es dirigida en una sola direccin: Un diodo LED emite fotones en muchas direcciones. La emisin de luz lser es monocromtica: Los fotones emitidos por un lser poseen longitudes de onda muy cercanas entre s.

Debido a estas dos propiedades, con el lser se pueden conseguir rayos de luz monocromtica dirigidos en una direccin determinada. Adems tambin se puede controlar lapotencia emitida.

Los sensores pticos trabajan con el principio fsico denominado efecto fotoelctrico, que hace referencia a una liberacin de cargas al incidir un haz de luz.Segn la naturaleza del dispositivo iluminado se manifiesta: Fotoconduccin: variacin de la conductividad del material (fotorresistencias, fotodiodos,) Efecto fotovoltaico: Generacin de un voltaje al hacerincidir radiacin. (clula solar) Efecto fotoemisivo: Emisin de electrones al incidir la luz (fotomultiplicadores)sensores de fibra ptica (distintas clasificaciones)

2. CONCEPTOS BSICOS LUZ

ONDA ELECTROMAGNTICA (O.E.M.)

Una onda electromagntica es la forma de propagacin de la radiacin electromagntica a travs del espacio. Y sus aspectos tericos estn relacionados con la solucin en forma de onda que admiten las ecuaciones de Maxwell.

A diferencia de las ondas mecnicas, las ondas electromagnticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, pudiendo por lo tanto propagarse en el vaco. Esto es debido a que las ondas electromagnticas son producidas por las oscilaciones de un campo elctrico, en relacin con un campo magntico asociado.

Las ondas electromagnticas viajan aproximadamente a una velocidad constante muy alta, pero no infinita de 300.000 km por segundo.

Las O.E.M. son tambin soporte de las telecomunicaciones y el funcionamiento complejo del mundo actual.

Caractersticas principales de las ondas electromagnticas

Las tres caractersticas principales de las ondas que constituyen el espectro electromagntico son: Frecuencia (f) Longitud () Amplitud (A)

Frecuencia

La frecuencia de una onda responde a un fenmeno fsico que se repite cclicamente un nmero determinado de veces durante un segundo de tiempo, tal como se puede observar en la siguiente ilustracin:

A.- Onda senoidal de un ciclo o hertz (Hz) por segundo.B.- Onda senoidal de 10 ciclos o hertz por segundo.

La frecuencia de esas ondas del espectro electromagntico se representan con la letra (f) y su unidad de medida es el ciclo o Hertz (Hz) por segundo. Otras unidades de frecuencias muy utilizadas (en otros mbitos) son las "revoluciones por minuto" (RPM) y los "radianes por segundo" (rad/s).

La frecuencia y el periodo estn relacionados de la siguiente manera:

T: Perodo: tiempo en segundos que transcurre entre el paso de dos picos o dos valles por un mismo punto, o para completar un ciclo.

V: Velocidad de propagacin: Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagacin de la luz en el vaco, se representa con la letra c.La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda estn relacionados por las siguientes ecuaciones:

En donde:C = Velocidad de la luz en el vaco (300.000 km/seg).= Longitud de onda en metros.v = Velocidad de propagacin.T = Periodo.

Longitud

Las ondas del espectro electromagntico se propagan por el espacio de forma similar a como lo hace el agua cuando tiramos una piedra a un estanque, es decir, generando ondas a partir del punto donde cae la piedra y extendindose hasta la orilla.

Cuando tiramos una piedra en un estanque de agua, se generan ondas similares a las radiaciones propias del espectro electromagntico.

Tanto las ondas que se producen por el desplazamiento del agua, como las ondas del espectro electromagntico poseen picos o crestas, as como valles o vientres. La distancia horizontal existente entre dos picos consecutivos, dos valles consecutivos, o tambin el doble de la distancia existente entre un nodo y otro de la onda electromagntica, constituye lo que se denomina longitud de onda.

P: Pico o cresta: valor mximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal del espectro electromagntico, cada medio ciclo, a partir del punto 0. Ese valor aumenta o disminuye a medida que la amplitud A de la propia onda crece o decrece positivamente por encima del valor "0".

V: Valle o vientre: valor mximo de signo negativo () que toma la onda senoidal del espectro electromagntico, cada medio ciclo, cuando desciende y atraviesa el punto 0. El valor de los valles aumenta o disminuye a medida que la amplitud A de la propia onda crece o decrece negativamente por debajo del valor "0".

N: Nodo: Valor "0" de la onda senoidal.

La longitud de una onda del espectro electromagntico se representa por medio de la letra griega lambda. ( ) y su valor se puede hallar empleando la siguiente frmula matemtica:

De donde:= Longitud de onda en metros.c = Velocidad de la luz en el vaco (300.000 km/seg).f = Frecuencia de la onda en hertz (Hz).

Amplitud

La amplitud constituye el valor mximo que puede alcanzar la cresta o pico de una onda. El punto de menor valor recibe el nombre de valle o vientre, mientras que el punto donde el valor se anula al pasar, se conoce como nodo o cero.De acuerdo su longitud de onda, las O.E.M. pueden ser agrupadas en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagntico, objeto que mide la frecuencia de las ondas.

ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

Es el rango de todas las radiaciones electromagnticas posibles. El espectro de un objeto es la distribucin caracterstica de la radiacin electromagntica de ese objeto.

El espectro electromagntico se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilmetros y la fraccin del tamao de un tomo. Se piensa que el lmite de la longitud de onda corta est en las cercanas de la longitud Planck, mientras que el lmite de la longitud de onda larga es el tamao del universo mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo.

3. MEDIDAS Y UNIDADES EN SISTEMAS PTICOS

FOTOMETRA (PTICA)

Es la ciencia que se encarga de la medida de la luz, como el brillo percibido por el ojo humano. Es decir, estudia la capacidad que tiene la radiacin electromagntica de estimular el sistema visual. No debe confundirse con la Radiometra, encargada de la medida de la luz en trminos de potencia absoluta.Fuentes luminosas. Fuentes luminosas naturales. Son fuentes luminosas naturales las estrellas, el fuego, algunos animales como laslucirnagas, loscocuyos, etc. Fuentes luminosas artificiales. Son fuentes luminosas artificiales los focos y los tubos fluorescentes.Flujo luminoso.Para hacernos una primera idea consideraremos dos bombillas, una de 25 W y otra de 60 W. Est claro que la de 60 W dar una luz ms intensa. Pues bien, esta es la idea: cul luce ms? o dicho de otra forma cunto luce cada bombilla.Cuando hablamos de 25 W o 60 W nos referimos slo a la potencia consumida por la bombilla de la cual solo una parte se convierte en luz visible, es el llamado flujo luminoso. Podramos medirlo en watts (W), pero parece ms sencillo definir una nueva unidad, el lumen, que tome como referencia la radiacin visible. Empricamente se demuestra que a una radiacin de 555 nm de 1 W de potencia emitida por un cuerpo negro le corresponden 683 lumen.Se define el flujo luminoso como la potencia (W) emitida en forma de radiacin luminosa a la que el ojo humano es sensible. Su smbolo es y su unidad es el lumen (lm). A la relacin entre watts y lmenes se le llama equivalente luminoso de la energa y equivale a:1 watt-luz a 555 nm = 683 lmIntensidad luminosaEl flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones delespacio. Por contra, si pensamos en un proyector es fcil ver que slo ilumina en una direccin. Parece claro que necesitamos conocer cmo se distribuye el flujo en cada direccin del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.Entonces, se conoce como intensidad luminosa, al flujo luminoso emitido por unidad de ngulo slido en una direccin concreta. Su smbolo es I y su unidad la candela (cd).Los cuerpos y la luzCuando un cuerpo recibe luz, pueden ocurrir uno o varios de los siguientes fenmenos: La luz refleja en el cuerpo, es decir, choca contra el cuerpo y vuelve hacia el lugar del que procede. La luz es absorbida por el cuerpo, es decir, entra en el cuerpo, pero no lo atraviesa. La luz pasa a travs del cuerpo, es decir, entra en el cuerpo y lo atraviesa.Los cuerpos pueden ser transparentes, traslcidos u opacos. Cuerpos transparentes. Son los que dejan pasar casi toda la luz que les llega. sta es la razn por la que podemos ver claramente los objetos que estn detrs de ellos. Cuerpos traslcidos. Son los que dejan pasar una parte de la luz que les llega. Por esta razn no podemos ver con claridad los objetos situados detrs de ellos. Cuerpos opacos. Son los que no dejan que los atraviesa la luz. sta es la razn por la que no podemos ver los objetos que hay detrs de ellos.Cuando la luz encuentra en su campo un cuerpo opaco, detrs de dicho cuerpo se produce una zona oscura, a la que no llega la luz. Esta zona sin iluminar se llama sombra. Alrededor de la zona de sombra suele haber una zona poco iluminada que se llama penumbra.La luz se propaga de unos cuerpos a otros, incluso en el vaco, con las siguientes particularidades: Se propaga en lnea recta. sta es la razn por la que un haz de luz, como el que produce una linterna, deja de verse cuando se interpone un cuerpo opaco en su camino. Se propaga en todas las direcciones. sta es la razn por la que la llama de una vela ilumina todo el espacio que hay a su alrededor. Se propaga con gran rapidez. En el aire y en el vaco la luz viaja a 300 000 Km. cada segundo. En el agua lo hace con una velocidad menos de 224 00 Km. cada segundo.

Reflexin y Refraccin de la luzLa reflexin de la luz es el cambio de direccin que experimenta la luz cuando choca contra un cuerpo. La reflexin de la luz hace posible que veamos los cuerpos que no tienen luz propia. Por ejemplo, la Luna pude verse gracias a que refleja la luz que llega del sol. La reflexin de la luz nos permite apreciar el color de los cuerpos.La reflexin de la luz se produce tanto en los objetos opacos como en los traslcidos, y por eso podemos verlos, incluso los cuerpos transparentes reflejan una mnima parte de la luz que reciben.Los espejos son un ejemplo de cuerpos que reflejan la luz. Los espejos son cuerpos opacos que tienen una superficie lisa y pulimentada y que refleja toda la luz que reciben. Pueden ser planos, cncavos y convexos.La refraccin de la luz es el cambio de direccin que experimenta la luz cuando pasa de un material a otro; por ejemplo, cuando pasa desde el aire hasta el agua. La refraccin de la luz puede hacer que veamos los cuerpos ms grandes o pequeos de lo que son en realidad. Por eso vemos los cuerpos ms grandes cuando los miramos a travs de una lupa.La refraccin de la luz tambin hace que veamos los cuerpos ms de cerca o ms de lejos de lo que estn en realidad. Por eso un cuerpo que est sumergido en el agua nos parece que est ms cerca de lo que de verdad est.Las lentes son un ejemplo de cuerpos que refractan la luz. Las lentes son cuerpos transparentes que tienen una o dos caras curvas y que refractan la luz que les llega. Las lentes forman imgenes que son ms grandes o ms pequeas que los objetos que se miran a travs de ellas.

4. METODOLOGA4.1 EFECTO FOTOELECTRICOLa emisin de electrones por metales iluminados con luz de determinada frecuencia fue observada a finales del siglo XIX por Hertz y Hallwachs. El proceso por el cual se liberan electrones de un material por la accin de la radiacin se denomina efecto fotoelctrico o emisin fotoelctrica. Sus caractersticas esenciales son: Para cada sustancia hay una frecuencia mnima o umbral de la radiacin electromagntica por debajo de la cual no se producen fotoelectrones por ms intensa que sea la radiacin. La emisin electrnica aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiacin que incide sobre la superficie del metal, ya que hay ms energa disponible para liberar electrones.En los metales hay electrones que se mueven ms o menos libremente a travs de la red cristalina, estos electrones no escapan del metal a temperaturas normales porque no tienen energa suficiente. Calentando el metal es una manera de aumentar su energa. Los electrones "evaporados" se denominan termoelectrones, este es el tipo de emisin que hay en las vlvulas electrnicas. Vamos a ver que tambin se pueden liberar electrones (fotoelectrones) mediante la absorcin por el metal de la energa de radiacin electromagntica.El objetivo de la prctica simulada es la determinacin de la energa de arranque de los electrones de un metal, y el valor de la constante de Planck. Para ello, disponemos de un conjunto de lmparas que emiten luz de distintas frecuencias y placas de distintos metales que van a ser iluminadas por la luz emitida por esas lmparas especiales.4.2 FOTORRESISTENCIAEs un componente electrnico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede tambin ser llamado concha de day coronel fotorresistor, fotoconductor, clula fotoelctrica o resistor dependiente de laluz, cuyas siglas, LDR, se originan de su nombre en ingls light-dependent resistor. Su cuerpo est formado por una clula o celda y dos patillas.

CaractersticasUn fotorresistor est hecho de unsemiconductorde alta resistencia como el sulfuro decadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de altafrecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad delsemiconductordando a los electrones la suficiente energa para saltar la banda de conduccin. El electrn libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores Ttulo del enlace tpicos varan entre 1 M, o ms, en la oscuridad y 100 con luz brillante. Las clulas de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia segn la cantidad de luz que incide la clula. Cuanta ms luz incide, ms baja es la resistencia. Las clulas son tambin capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, yultravioleta(UV). La variacin del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la seal luminosa vara con rapidez. El tiempo de respuesta tpico de un LDR est en el orden de una dcima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rpidas de iluminacin que podran hacer inestable un sensor (ej. tubo fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras aplicaciones (saber si es de da o es de noche) la lentitud de la deteccin no es importante. Se fabrican en diversos tipos y pueden encontrarse en muchos artculos de consumo, como por ejemplo en cmaras, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.ComparacionesEl fototransistor, NO es untransistornormal con dos patitas. Es untransistormuy particular, con una curva muy poco linear. Se usa, a diferencia del fotoresistor, cuando es esencial la velocidad de realizacin. El fotoresistor es usado cuando es necesario tener una mejor linealidad en la curva caracterstica, pero es muy lento. Cuando es muy importante la velocidad de ejecucin, dependiente del fenmeno luminoso, se tiene que usar el fototransistor. . El principio de los dos elementos es muy parecido, en cunto utiliza la caracterstica del material quegolpeadopor los fotones, emite electrones. Obviamente en el caso del fototransistor, nos beneficiamos delgaindeltransistory no siendo necesario utilizar una gran cantidad' de electrones (, gracias albetadeltransistor)) podremos tener de las'respuestasdel componente electrnico muy rpidas.El fotoresistor en cambio, puede'pilotar directamente algunos circuitos, porque, golpeada por la luz, tiene una baja resistencia y por lo tanto puede ser atravesada por una corriente, no alta, pero suficiente en muchas aplicaciones.ValoresLos valores de una fotorresistencia cuando est totalmente iluminada y cuando est totalmente a oscuras varan, por ejemplo: Puede medir de 50 ohmios a 1000 ohmios (1K) en iluminacin total y puede ser de 50K (50,000 Ohms) a varios megaohmios cuando est a oscuras. El LDR es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras. Los cristales utilizados ms comunes son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio.4.3 CELDAS FOTOCONDUCTIVASLa celda fotoconductiva es un dispositivo semiconductor de dos terminales cuya resistencia terminal variar (linealmente) con la intensidad de la luz incidente. Por razones obvias, con frecuencia se llama dispositivo fotorresistivo.

Entre los materiales fotoconductivos que se utilizan ms a menudo se encuentran el sulfuro de cadmio (CdS) y el selenuro de cadmio (CdSe). La respuesta espectral mxima del CdS ocurre a aproximadamente 5100 y para el CdSe de 6150 . El tiempo de respuesta de las unidades de CdS es de alrededor de 100 mS y de 10 mS para las celdas de CdSe. La celda fotoconductiva no tiene una unin como la del fotodiodo. Una capa delgada de material conectada entre los terminales simplemente se expone a la energa luminosa incidente.

Cuando aumenta la intensidad de la iluminacin sobre el dispositivo, se incrementa tambin el estado de energa de un gran nmero de electrones en la estructura debido al aumento de disponibilidad de los paquetes de fotones de energa. El resultado es un nmero mayor de electrones relativamente libres en la estructura y una disminucin de la resistencia del terminal. La curva de sensibilidad para un dispositivo fotoconductivo tpico aparece en la Fig. 2. Ntese de la linealidad (cuando se grafica empleando una escala loglog) para el cambio indicado de iluminacin.

Modelo fotodiodos

El fotodiodo es un diodo semiconductor, construido con una unin PN, como muchos otros diodos que se utilizan en diversas aplicaciones, pero en este caso el semiconductor est expuesto a la luz a travs de una cobertura cristalina y a veces en forma de lente, y por su diseo y construccin ser especialmente sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Todos los semiconductores tienen esta sensibilidad a la luz, aunque en el caso de los fotodiodos, diseados especficamente para esto, la construccin est orientada a lograr que esta sensibilidad sea mxima.

Diversos tipos de fotodiodoLos diodos tienen un sentido normal de circulacin de corriente, que se llama polarizacin directa. En ese sentido el diodo deja pasar la corriente elctrica y prcticamente no lo permite en el inverso: es la base del funcionamiento de un diodo. Pero en el fotodiodo la corriente que est en juego (y que vara con los cambios de la luz) es la que circula en sentido inverso al permitido por la juntura del diodo. Es decir, para su funcionamiento el fotodiodo es polarizado de manera inversa. Se producir un aumento de la circulacin de corriente cuando el diodo es excitado por la luz.Lo que define las propiedades de sensibilidad al espectro de un fotodiodo es el material semiconductor que se emplea en la construccin. Los fotodiodos estn construidos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1,1 m), de germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aproximadamente 1,8 m), y los hay de otros materiales semiconductores. El rango de espectro es:Silicio:1901100 nm

Germanio:8001700 nm

Indio galio arsnico (InGaAs):8002600 nm

Sulfuro de plomo:1000-3500 nm

Caractersticas fotodiodos

Sensibilidad (A/W) (bajas corrientes)Ifotodiodo/Pluminosa (IF-D91, 0.4A/W @ 860nm) Muy lineal, Superficie activa (BPW34, BPW21 7,5mm2) Respuesta espectral (IF-D91, 400-1100nm) Capacidad, Tiempo de subida (IF-D91, 4pF, 5ns) Corriente de oscuridad (IF-D91,