Một số loại cảm biến Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể phân loại theo các đặc trưng như • Cảm biến vật lý: Siêu âm, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất,
GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
GIỚI THIỆU
Tia hồng ngoại (IR) là các tia nhiệt phát ra từ vật thể nóng, bao gồm cả cơ thể sống với thân nhiệt khoảng 37 độ C Cơ thể con người liên tục phát ra tia hồng ngoại, và thông qua việc sử dụng tế bào điện, các tia nhiệt này được chuyển đổi thành tín hiệu điện Nhờ đó, chúng ta có thể chế tạo cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang di chuyển Cảm biến này được gọi là thụ động, vì nó không sử dụng nguồn nhiệt tự phát mà chỉ dựa vào thân nhiệt của các thực thể khác như con người và động vật.
Tia hồng ngoại là loại bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba Tên gọi "hồng ngoại" có nghĩa là "ngoài mức đỏ", với màu đỏ là màu có bước sóng dài nhất trong phổ ánh sáng nhìn thấy.
Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ánh sáng
Tên Bước sóng Tần số (Hz) Năng lượng photon (eV)
Tia gamma ≤ 0,01 nm ≥ 30 EHz 124 keV - 300+ GeV
Tia X 0,01 nm - 10 nm 30 EHz - 30 PHz 124 eV - 124 keV Tia tử ngoại 10 nm - 380 nm 30 PHz - 790 THz 3.3 eV - 124 eV Ánh sáng nhìn thấy 380 nm-700 nm 790 THz - 430 THz 1.7 eV - 3.3 eV
Tia hồng ngoại 700 nm - 1 mm 430 THz - 300 GHz 1.24 meV - 1.7 eV
Vi ba 1 mm - 1 met 300 GHz - 300 MHz 1.7 eV - 1.24 meV
Radio 1 mm - 100000 km 300 GHz - 3 Hz 12.4 feV - 1.24 meV
Ánh sáng khả kiến mà mắt người có thể nhìn thấy có bước sóng từ 0,38-0,70 μm, tương ứng với tần số 430-790 THz Trong khi đó, bức xạ hồng ngoại được định nghĩa với bước sóng từ 0,7 μm (tần số 430 THz) đến 1 mm (300 GHz) Một số sinh vật có khả năng nhìn thấy tia hồng ngoại gần với ánh sáng khả kiến, và trong một số thí nghiệm, con người cũng có thể nhận biết vùng hồng ngoại lên đến 1,05 μm.
Tính chất và ứng dụng của tia hồng ngoại:
+ Tác dụng nhiệt: những vật hấp thụ tia hồng ngoại sẽ bị nóng lên=> ứng dụng làm bếp hồng ngoại, làm các thiết bị sấy khô …
Gây ra một số phản ứng hóa học trên phim ảnh cho phép chế tạo máy chụp ảnh hồng ngoại, giúp nhận biết các vật thể trong đêm tối hoặc nhìn xuyên tường.
+ Tia hồng ngoại có thể biến điệu được như sóng điện từ cao tần => chế tạo điều khiển từ xa.
Tia hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực quân sự, bao gồm ống nhòm hồng ngoại cho việc quan sát ban đêm, camera hồng ngoại để giám sát và phát hiện, cùng với tên lửa tầm nhiệt có khả năng tìm kiếm mục tiêu dựa vào tia hồng ngoại mà mục tiêu phát ra.
Nguồn phát tia hồng ngoại: mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 K đều phát tia hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại (PIR) là cảm biến dùng để phát hiện ra các đối tượng với nhiệt độ trên không độ tuyệt đối (0K).
PIR là viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại
CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
Đầu dò PIR là thiết bị nội bộ với 2 cảm biến tia nhiệt, có 3 chân kết nối: một chân nối masse, một chân nối nguồn volt DC từ 3 đến 15V, và góc dò lớn Để tăng độ nhạy cho đầu dò, bạn có thể sử dụng kính Fresnel, được thiết kế cho loại đầu có 2 cảm biến, giúp mở rộng góc dò và ngăn tia tử ngoại.
NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI (PIR)
Hình 1 : Nguyên lý làm việc của cảm biến hồng ngoại
Các nguồn nhiệt, bao gồm cả cơ thể người và động vật, phát ra tia hồng ngoại Qua kính Fresnel và bộ lọc, tia hồng ngoại được tập trung vào hai cảm biến hồng ngoại trong đầu dò Khi có vật nóng di chuyển qua, hai cảm biến này phát ra tín hiệu, được khuếch đại bởi transistor FET Tín hiệu khuếch đại có biên độ đủ cao sẽ được đưa vào mạch so áp để điều khiển hoặc kích hoạt thiết bị báo động.
Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các phân tử nhỏ, và nhiệt là dạng năng lượng phát sinh từ các xao động hỗn loạn của chúng Những xao động này phát ra tia nhiệt, mà con người cảm nhận được như sức nóng Nhiệt độ cơ thể người thường ổn định ở mức 37 độ C, tạo ra nguồn nhiệt mà có thể phát hiện bằng linh kiện cảm ứng thân nhiệt Ý tưởng này là cơ sở để phát triển thiết bị phát hiện chuyển động (motion detector) dựa trên nguồn thân nhiệt.
Khi vật liệu pyroelectric được kẹp giữa hai bản cực, sự tác động của tia nhiệt sẽ tạo ra tín hiệu điện trên hai bản cực Tuy nhiên, do tín hiệu này thường yếu, nên cần thiết phải sử dụng mạch khuếch đại để tăng cường độ tín hiệu.
Bộ đầu dò PIR bao gồm hai cảm biến PIR được lắp đặt nằm ngang, kết nối với cực Gate của transistor FET để khuếch đại tín hiệu Khi cảm biến pyroelectric đầu tiên phát hiện tia nhiệt, nó sẽ gửi tín hiệu, và khi nguồn nhiệt di chuyển sang cảm biến thứ hai, tín hiệu tiếp theo được phát ra Sự xuất hiện đồng thời của hai tín hiệu này cho thấy có một nguồn nhiệt di động, từ đó mạch điện tử sẽ phát ra tín hiệu điều khiển Tín hiệu này có thể được sử dụng để tắt mở đèn hoặc cảnh báo khi có người lạ xâm nhập vào nhà.
Thiết bị tiêu tụ gôm tia nhiệt rọi trên bề mặt cảm ứng PIR sử dụng kính có mặt kính lồi, hay còn gọi là kính Focus, để tăng độ nhạy cho việc phát hiện tia nhiệt phát ra từ cơ thể người Các tia nhiệt này rất yếu và phân tán, do đó việc sử dụng kính lồi giúp hội tụ các tia sáng tại một điểm nhỏ, gọi là tiêu điểm, tương tự như cách mà kính lúp tạo ra điểm nóng có thể đốt cháy giấy Tuy nhiên, khi mặt kính mở rộng, điểm tiêu tụ có thể không nằm cố định, và điều này được khắc phục bằng cách sử dụng mặt kính Fresnel, nơi các mặt cong được hiệu chỉnh để tối ưu hóa khả năng hội tụ Kính Fresnel cho phép hội tụ nhiều tia sáng hơn trên diện tích rộng lớn, từ đó tăng độ nhạy và mở rộng góc dò so với kính lồi thông thường.
Một sơ đồ mạch điện điển hình:
Sơ đồ dưới đây minh họa cách kết hợp đầu dò PIR với mạch khuếch đại, mạch so áp sử dụng IC LM324 và mạch tạo trễ bằng IC logic CD4538 Sự kết hợp này cho phép tạo ra các tiếp điểm lá kim của relay, từ đó điều khiển các dụng cụ điện khác một cách hiệu quả.
Phân tích sơ đồ mạch điện:
Sơ đồ cho thấy bộ đầu PIR có 3 chân: chân 3 nối masse, chân 1 nối vào nguồn, và chân 2 xuất tín hiệu Việc phân cực cho đầu PIR là cần thiết do bên trong sử dụng transistor FET Điện trở R2 (100K) lấy tín hiệu và tín hiệu này được khuếch đại qua 2 tầng với IC1A và IC2B Mạch hồi tiếp nghịch với R4 (1M), R3 (10K) và tụ C2 (10uF) định độ lợi cho tầng khuếch đại, đạt khoảng 100 Tụ C3 (0.1uF) giúp hạn chế dải tần, chỉ cho phép hoạt động ở tần số thấp, loại bỏ tần số cao Tín hiệu ra trên chân 1 được đưa qua điện trở giảm biên R5 (10K) và tụ liên lạc C4 (10uF) vào tầng khuếch đại thứ hai trên chân số 6.
Mạch sử dụng điện trở R6 (1M), diode D1, D2 và điện trở R7 (1M) để tạo cầu chia áp, cung cấp điện áp phân cực cho chân 5 của tầng khuếch đại và điện áp mẫu (Vref) cho chân 9 và chân 12 của hai tầng so áp IC1C và IC1D Điện trở R8 (1M) và tụ C5 (0.1uF) tạo hồi tiếp nghịch, giúp ổn định tầng khuếch đại IC1B Tín hiệu cảm biến được khuếch đại xuất ra chân 7 và đồng thời được đưa vào hai tầng so áp ở chân 10 và chân 13 Hai tầng so áp này có chu trình hồi sai, tạo ra xung kích thích với độ dốc tốt, kích hoạt tầng đa hài đơn ổn trong IC CD4538 Diode D3 và D4 có chức năng cách ly, ngăn chặn ảnh hưởng giữa hai đường ra ở chân 8 và chân 14.
IC logic CD 4538 là một mạch định thời đơn ổn với hai tầng, sử dụng điện trở R10 (1M) và tụ C6 (1uF) để điều chỉnh thời gian trễ Tín hiệu xung được đưa vào chân 4 để chuyển đổi trạng thái, tạo ra mức áp cao trên chân 6, kích hoạt transistor Q1 Q1 cung cấp dòng cho relay, đóng các tiếp điểm lá kim Sau một khoảng thời gian nhất định, mạch sẽ tự động trở về trạng thái ổn định, tắt Q1 và ngắt dòng cho relay, làm cho các tiếp điểm lá kim nhả ra.
Mạch có thể làm việc với mức nguồn nuôi từ 5 đến 12V (Bạn chú ý mức nguồn nuôi để chọn loại relay cho thích hợp).
Khi có người hoặc động vật đi qua bộ đầu dò PIR, nguồn thân nhiệt sẽ kích hoạt đầu dò, khiến relay được cấp dòng để đóng các tiếp điểm lá kim Những tiếp điểm này có thể được sử dụng để mở đèn Sau một thời gian, mạch sẽ trở về trạng thái ban đầu và đèn sẽ tự tắt Như vậy, chúng ta đã thiết lập một mạch tự động tắt mở đèn dựa trên sự hiện diện của con người.
Tư liệu về 2 ic LM324 và CD4538 dùng trong mạch :
IC LM324 có 4 tầng khuếch đại toán thuật (op-amp) cho phép khuếch đại tín hiệu và làm tầng so áp, mang lại nhiều ứng dụng hữu ích Ngoài ra, IC này có 2 bộ đa hài đơn ổn, với thời gian quá độ có thể xác định bằng mạch thời hằng với điện trở và tụ điện, tự động trở về trạng thái ổn định sau thời gian quy định LM324 rất thông dụng trong các mạch điều khiển Tải tư liệu liên quan ở phần mục download để tìm hiểu thêm.
Các sơ đồ mạch điện tham khảo:
Các sơ đồ tham khảo dưới đây được sưu tầm từ internet, trong đó bộ đầu dò PIR được sử dụng để phát hiện chuyển động của các nguồn thân nhiệt như con người và động vật Bộ đầu dò này sẽ xuất tín hiệu để điều khiển việc bật tắt đèn hoặc kích hoạt mạch báo động, hoạt động của nó tương tự như mạch điện đã được phân tích ở phần trước.
Mạch 1: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng TRIAC.
Mạch 2: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC,cho giảm áp bằng tụ và tắt mở đèn bằng tiếp điểm của relay.
Mạch 3: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo hơi người, làm việc trực tiếp với nguồn điện DC (12V), tắt mở đèn bằng relay và có trang bị quang trở (SCd) để mạch chỉ tác dụng trong đêm tối
MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
Dưới đây là hình ảnh một số cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản Sharp GP2Y0A21YK0F/ Obstacle avoidance IR sensor GP2Y0A21YK0F
Cảm biến GP2Y0A21YK0F là thiết bị đo khoảng cách bằng tia hồng ngoại với khả năng đo tối đa lên đến 80cm và trả về giá trị analog, dễ dàng sử dụng Module này được trang bị cáp kết nối 3 chân có cực, giúp người dùng tránh nhầm lẫn khi đấu dây Cảm biến thường được ứng dụng trong các robot dò đường, đo khoảng cách và tránh vật cản.
• Dòng tiêu thụ : 30mA ( nên thêm 1 tu nguồn 10uF để đảm bảo sự ổn định )
• Khoảng cách đo : 10cm - 80 cm
• Tốc độ hồi lấy mẫu : 38 +- 10ms
Module cảm biến PIR- HC-SR501
HC-SR501 được dựa trên pyroelectric hồng ngoại dò LHI778.
Các thông số kỹ thuật:
- Cấp độ đầu ra: 3.3V cao / thấp 0V
- Thời gian trễ: điều chỉnh (5 giây đến 200 giây)
- Trigger: L không thể được lặp đi lặp lại, H có thể được lặp đi lặp lại, giá trị mặc định là H
- Phạm vi cảm biến: Làm việc được lâu hơn
Cảm biến ko tiếp xúc
Bảo tồn năng lượng, kích thước nhỏ
Khoảng cách đo tối đa của cảm biến phụ thuộc vào loại cảm biến được sử dụng Cảm biến có khả năng đo khoảng cách gần (dưới 10 cm) thường có tầm đo thấp (dưới 80 cm) Ngược lại, cảm biến có khả năng đo khoảng cách xa (đến 550 cm) lại không thể đo được khoảng cách gần (tối thiểu 100 cm).
Vùng phát hiện là một chùm tia hẹp thẳng đứng - Khó bị nhiễu nhưng bị ảnh hưởng bởi màu sắc của vật chắn
Bị ảnh hưởng bởi các bức xạ hồng ngoại khác
Ảnh hưởng bởi ánh sáng mặt trời và màu sắc của vật cản.
ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN HỒNG NHIỆT
Cảm biến hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi trong các khía cạnh của đời sống thực tế.
Cảm biến hồng ngoại Intelligen Eye trong điều hòa nhiệt độ có khả năng phát hiện chuyển động của người trong phòng Khi không có ai trong phòng, cảm biến tự động điều chỉnh nhiệt độ, tăng hoặc giảm 2oC, giúp tiết kiệm đến 20% năng lượng cho chế độ làm lạnh và 30% cho chế độ sưởi ấm Điều này không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu lãng phí nếu bạn quên tắt điều hòa.
Trong chế tạo các thiết bị cảm ứng hồng ngoại : cửa tự động, thiết bị hơ khô tay…
Trong dự báo thời tiết thiên tai
Hình ảnh hồng ngoại từ vệ tinh ghi lại siêu bão Haiyan trước khi đổ bộ vào Philippines, được công nhận là cơn bão mạnh nhất thế giới trong năm 2015.
Trong lĩnh vực quân sự
Trong lĩnh vực quân sự ống nhòm hồng ngoại giúp nhìn và phát hiện mục tiêu trong đêm tối
Cảm biến hồng ngoại là thiết bị sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện sự hiện diện của vật thể hoặc chuyển động Tia hồng ngoại là một dạng bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến, không thể nhìn thấy bằng mắt thường nhưng có thể được cảm nhận qua nhiệt độ Các ứng dụng của cảm biến hồng ngoại rất đa dạng, từ hệ thống an ninh, tự động hóa đến điều khiển từ xa Việc hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của tia hồng ngoại giúp nâng cao hiệu quả trong việc sử dụng công nghệ này trong đời sống hàng ngày.