Cảm biến hồng ngoại: Khái niệm cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nội dung bài viết [hide]

1 Cảm biến hồng ngoại là gì?
2 Phân loại cảm biến hồng ngoại
- 2.1 Chủ động (AIR)
- 2.2 Thụ động (PIR)
3 Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại
4 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại
- 4.1 Cảm biến hồng ngoại chủ động
- 4.2 Cảm biến hồng ngoại thụ động
5 Ưu và nhược điểm của cảm biến hồng ngoại
- 5.1 Ưu điểm
- 5.2 Nhược điểm
6 Ứng dụng của cảm biến tia hồng ngoại trong thực tế
7 Cách thiết lập cảm biến hồng ngoại
8 Một số lưu ý khi lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại

Cảm biến là các thiết bị điện tử có tính ứng dụng cao, cho phép người dùng phát hiện và đo lường các yếu tố vật lý và hóa học nhỏ. Có nhiều loại cảm biến được phát triển dựa trên các nguyên lý khác nhau. Trong số đó, cảm biến hồng ngoại là một trong những loại phổ biến và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống cảm biến. Vậy, cảm biến hồng ngoại thực chất là gì? Nó có những đặc điểm, phân loại và ứng dụng như thế nào? Cùng Đình Hải tìm hiểu bài viết dưới đây nhé !

Cảm biến hồng ngoại là gì?

Cảm biến hồng ngoại (IR sensor) là một loại thiết bị tự động hoạt động dựa trên nguyên tắc điện tử điện dung, được sử dụng để đo và phát hiện các bức xạ hồng ngoại. Bức xạ hồng ngoại là các nguồn sáng mà mắt người không thể nhìn thấy được, do bước sóng của chúng lớn hơn so với ánh sáng có thể nhìn thấy được. Do đó, mọi vật thể có nhiệt độ lớn hơn 5 độ C đều phát ra bức xạ hồng ngoại.

Xem thêm :

Cảm biến tiệm cận là gì? Tất tần tật mọi thông tin cần biết

Phân loại cảm biến hồng ngoại

Chủ động (AIR)

Cấu trúc của nó bao gồm diode phát sáng (LED) và máy thu. Khi có một vật thể tiếp cận cảm biến, thiết bị sẽ tự động phát ra ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED và sau đó thu lại ánh sáng được phản xạ từ vật thể, cho phép người sử dụng nhận biết. Ứng dụng này thường được áp dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật (ví dụ như trong robot).

Thụ động (PIR)

Loại thiết bị này không tự phát ra bức xạ hồng ngoại mà chỉ có khả năng nhận diện bức xạ được phát ra từ các vật thể khác như con người, động vật hoặc các nguồn nhiệt. Cảm biến hồng ngoại thụ động sẽ nhận biết các vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại và chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu báo động. Do đó, nó được gọi là thụ động, chỉ phát hiện mà không phát ra tia hồng ngoại.

Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên tắc của cảm biến ánh sáng. Thiết bị cảm biến hồng ngoại có cấu tạo tương tự với cảm biến ánh sáng, nhưng được tinh chỉnh để phát hiện các bức xạ hồng ngoại.

Đèn led hồng ngoại

Đây là thiết bị phát ra nguồn sáng hồng ngoại. Đèn LED hồng ngoại phát ra các tia sáng không nhìn thấy được mắt người nhưng có thể được cảm biến hồng ngoại phát hiện.

Máy dò hồng ngoại

Thiết bị này nhận tín hiệu và phát hiện bức xạ hồng ngoại phản xạ trở lại từ các vật thể. Khi có bức xạ hồng ngoại được phản xạ từ một vật thể, máy dò sẽ ghi nhận và tạo ra một tín hiệu điện tương ứng.

Điện trở

Điện trở trong cảm biến hồng ngoại có vai trò hạn chế cường độ dòng điện đi qua đèn LED, tránh tình trạng quá tải làm hỏng hệ thống hoặc gây chập cháy.

Dây điện

Dây điện kết nối các thành phần của cảm biến hồng ngoại với nhau, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của thiết bị.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại chủ động

Cảm biến hồng ngoại chủ động sử dụng một đầu phát tia hồng ngoại để phát ra tia sáng và một bộ thu sóng để thu nhận tia sáng bị phản xạ lại từ vật thể. Khi vật thể nằm trong tầm hoạt động của cảm biến, tia sáng sẽ phản xạ trở lại và được thu nhận bởi bộ thu sóng. Sau đó, tín hiệu này được chuyển đến mạch điện tử trong cảm biến để xác định khoảng cách và tính toán nếu cần.

Cảm biến hồng ngoại thụ động

Cảm biến hồng ngoại thụ động còn được gọi là cảm biến hồng ngoại quang điện, hoạt động bằng cách sử dụng các phần tử cảm biến để thu nhận tia hồng ngoại từ các vật thể xung quanh. Các phần tử cảm biến thường được làm từ chất bán dẫn như silic, germani và cadimi selenid. Khi tia hồng ngoại chạm vào các phần tử này, chúng tạo ra một điện áp tương ứng, đại diện cho mức độ phản chiếu của tia hồng ngoại. Điện áp này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện và xử lý bởi mạch điện tử trong cảm biến để xác định sự hiện diện của vật thể.

Ưu và nhược điểm của cảm biến hồng ngoại

Ưu điểm

Độ nhạy cao trong việc phát hiện vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại trong không gian.
Khả năng xác định khoảng cách chính xác của vật thể phát bức xạ hồng ngoại.
Thiết kế đơn giản và chi phí thấp.

Nhược điểm

Phụ thuộc nhiều vào điều kiện nhiệt độ môi trường, và hoạt động kém hiệu quả trong môi trường có nhiệt độ cao.
Góc và phạm vi quét của cảm biến hồng ngoại có thể bị hạn chế, gây ra các góc chết.
Độ nhạy cao có thể dẫn đến nhầm lẫn khi phát hiện chuyển động.

Ứng dụng của cảm biến tia hồng ngoại trong thực tế

Cảm biến hồng ngoại được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với các ứng dụng đa dạng như sau:

An ninh: Cảm biến hồng ngoại được sử dụng để giám sát các khu vực như nhà kho, bãi đậu xe, khu dân cư, tòa nhà và các khu vực công cộng. Chúng giúp phát hiện và báo động khi có chuyển động không mong muốn hoặc các đối tượng lạ xuất hiện trong khu vực giám sát.
Điều khiển từ xa: Cảm biến hồng ngoại được tích hợp trong các hệ thống điều khiển từ xa, cho phép người dùng điều khiển các thiết bị như TV, máy lạnh, đèn và các thiết bị gia dụng khác một cách thuận tiện.
Y tế: Cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong các thiết bị y tế để đo nhiệt độ của cơ thể mà không tiếp xúc trực tiếp. Chúng thường được áp dụng để giám sát nhiệt độ của bệnh nhân trong bệnh viện hoặc các khu vực đông người.
Tự động hóa: Cảm biến hồng ngoại hỗ trợ trong việc giám sát và điều khiển các thiết bị và hệ thống trong quá trình sản xuất, giúp tăng cường độ chính xác và hiệu quả của quá trình sản xuất.
Điều khiển ánh sáng: Cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong các hệ thống điều khiển ánh sáng để tự động điều chỉnh độ sáng của đèn dựa trên mức độ ánh sáng tự nhiên có mặt trong khu vực.
Điều khiển nhiệt: Cảm biến hồng ngoại hỗ trợ trong việc tự động điều chỉnh nhiệt độ của các thiết bị như lò nướng, máy giặt và các thiết bị gia dụng khác.
Điều khiển robot: Cảm biến hồng ngoại được sử dụng để hỗ trợ các robot di chuyển và tránh các vật thể trong quá trình hoạt động.

Cách thiết lập cảm biến hồng ngoại

Cách thiết lập cảm biến hồng ngoại phụ thuộc vào mục đích sử dụng cụ thể của nó. Tuy nhiên, đối với cảm biến hồng ngoại chủ động, việc thiết lập cơ bản nhất là điều chỉnh khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu để đảm bảo rằng tín hiệu được phát ra có thể phản xạ lại đến bộ thu một cách chính xác.
Trong trường hợp sử dụng cảm biến hồng ngoại để đo khoảng cách, người dùng cần điều chỉnh độ nhạy của cảm biến sao cho phù hợp với khoảng cách đo mong muốn. Hơn nữa, cần thiết lập độ rộng và góc quét của cảm biến để đảm bảo bao phủ toàn bộ khu vực cần quan sát.
Đối với cảm biến hồng ngoại thụ động, không cần thiết phải thiết lập bộ phát và bộ thu riêng biệt. Tuy nhiên, người dùng cần đặt cảm biến ở vị trí phù hợp để thu nhận các tín hiệu hồng ngoại từ các nguồn khác nhau như ánh sáng mặt trời hoặc từ các vật thể trong môi trường xung quanh.

Việc thiết lập cảm biến hồng ngoại cũng đòi hỏi lựa chọn các thiết bị điều khiển phù hợp để xử lý tín hiệu cảm biến và thực hiện các chức năng cần thiết như báo động, điều khiển, đo lường hoặc ghi nhận dữ liệu.

Một số lưu ý khi lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại

Khi lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại, cần chú ý đến các điểm quan trọng sau:

Vị trí lắp đặt: Cần đặt cảm biến ở vị trí phù hợp để đảm bảo quan sát được vùng cần giám sát. Tránh đặt ở những nơi có ánh sáng mạnh hoặc nhiễu từ điện/magnet có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng dữ liệu thu thập.
Độ cao lắp đặt: Cần đặt cảm biến ở độ cao phù hợp với vùng cần giám sát, để đảm bảo có thể phát hiện các vật thể cần giám sát và tránh các vật thể không cần thiết.
Góc quan sát: Cần điều chỉnh góc quan sát sao cho phù hợp với mục đích sử dụng cảm biến.
Điều kiện ánh sáng: Cảm biến hồng ngoại cần một mức độ ánh sáng đủ để hoạt động tốt. Tránh đặt ở những nơi quá tối hoặc quá sáng.
Kiểm tra thường xuyên: Nên kiểm tra cảm biến thường xuyên để đảm bảo hoạt động tốt và tránh sự cố xảy ra.
Lưu ý về môi trường: Tránh đặt cảm biến ở những nơi có môi trường độc hại, ẩm ướt hoặc có nhiệt độ cao.
Lựa chọn cảm biến phù hợp: Cần lựa chọn cảm biến phù hợp với mục đích sử dụng và môi trường lắp đặt để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của hệ thống giám sát.