BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN :TÌM HIỂU CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

Mục lục LỜI NÓI ĐẦU 3 PHẦN I: MỞ ĐẦU 5 1. Tên đề tài 5 2 . Lý do chọn đề tài 5 3. Mục tiêu nghiên cứu 5 4 . Bố cục đề tài 5 PHẦN 2: NỘI DUNG 6 1.1 GIỚI THIỆU 7 1.2CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM 8 1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 9 1.4 MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM 11 1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM 18 1.6 ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM 19 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 20 2.1 GIỚI THIỆU 20 2.2 CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 21 2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI (PIR) 22 2.4 MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 31 2.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 33 2.6. ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN HỒNG NHIỆT 33 KẾT LUẬN 36  

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

LỜI NÓI ĐẦU

Hi n nay, các thi t b hay các m ch c m bi n đang đết bị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ết bị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ược sử dụng rộng rãi trong ử dụng rộng rãi trong ụng rộng rãi trong c s d ng r ng rãi trong ộng rãi trong nhi u lĩnh v c nh : đi u khi n, t đ ng hóa, đo đ c, truy n thông Quân s , ư ển, tự động hóa, đo đạc, truyền thông Quân sự, ộng rãi trong ạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong

Qu c phòng, y t , xã h i ốc phòng, y tế, xã hội ết bị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ộng rãi trong các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao Sử dụng rộng rãi trong ụng rộng rãi trong d ng các

c m bi n có các u đi m nh : nh g n, ít t n năng lảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ết bị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ư ển, tự động hóa, đo đạc, truyền thông Quân sự, ư ỏ gọn, ít tốn năng lượng, thời gian đáp ứng ọn, ít tốn năng lượng, thời gian đáp ứng ốc phòng, y tế, xã hội ược sử dụng rộng rãi trong ng, th i gian đáp ng ời gian đáp ứng ứng nhanh, có th l p trình đển, tự động hóa, đo đạc, truyền thông Quân sự, ập trình được ược sử dụng rộng rãi trong c

Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ chế tạo hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thếcho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây Vì vậy nhóm chúng em chọn đề tài:

“Tìm hiểu về cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại và cách dùng ”

Dư i s hư ng d n, ch b o nhi t tình c a th y Ph m Văn Hà cùng v i s c ẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố ỉ bảo nhiệt tình của thầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố ảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ủa thầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố ầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố ạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ốc phòng, y tế, xã hội

g ng n l c c a các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đ tài đúng ủa thầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố

th i gian cho phép Tuy nhiên do th i gian h n ch , cũng nh v i t m hi u bi t ời gian đáp ứng ời gian đáp ứng ạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ết bị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ư ầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố ển, tự động hóa, đo đạc, truyền thông Quân sự, ết bị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong

có h n nên chúng em không tránh kh i sai sót Vì v y chúng em r t mong nh n ạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ỏ gọn, ít tốn năng lượng, thời gian đáp ứng ập trình được ất mong nhận ập trình được

được sử dụng rộng rãi trong c nhi u ý ki n đánh giá, góp ý c a th y giáo và các b n đ chúng em có th ết bị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ủa thầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố ầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố ạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ển, tự động hóa, đo đạc, truyền thông Quân sự, ển, tự động hóa, đo đạc, truyền thông Quân sự, hoàn thi n thêm đ tài này

Chúng em xin chân thành c m n!ảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong ơn!

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU 3

PHẦN I: MỞ ĐẦU 5

1 Tên đề tài 5

2 Lý do chọn đề tài 5

3 Mục tiêu nghiên cứu 5

4 Bố cục đề tài 5

PHẦN 2: NỘI DUNG 6

1.1 GIỚI THIỆU 7

1.2 CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM 8

1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 9

1.4 MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM 11

1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM 18

1.6 ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM 19

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 20

2.1 GIỚI THIỆU 20

2.2 CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 21

2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI (PIR) 22

2.4 MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 31

2.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 33

2.6 ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN HỒNG NHIỆT 33

KẾT LUẬN 36

Thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển với tốc độ chóng mặt của khoa học công nghệ, nó đóng vai trò then chốt trên tất cả các lĩnh vực của cuộc sống vì vậy trong mỗi chúng ta, đặc biệt là thế hệ trẻ, sinh viên ngành kỹ thuật cần phải hiểu rõ và nắm bắt được các kiến thức về công nghệ cảm biến Do đó chúng

em quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu về cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại và cách dùng”

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Sinh viên bước đầu tìm hiểu về nghiên cứu khoa học

- Nắm được thế nào là Cảm Biến Siêu Âm, Cảm Biến Hồng Ngoại

- Nó là gì? Nó trông thế nào? Có những loại nào? Nó làm việc như thế nào?

- Nó được ứng dụng ở đâu? Ưu điểm và nhược điểm

4 Bố cục đề tài

Nội dung chính của đề tài gồm hai chương:

 Chương I: Giới thiệu về Cảm Biến Siêu Âm

 Chương II: Giới thiệu về Cảm Biến Hồng Ngoại

PHẦN 2: NỘI DUNG

1 Khái quát chung

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được

Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, trọng lượng… tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó

Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)

S = F(M)

Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến (M) là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M)

2 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, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường, sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại

• Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,

• Cảm biến sinh học: biến đổi sinh hóa, biến đổi vật lý,

Ngoài ra có thể phân loại theo : Âm thanh,điện,từ,quang, cơ,nhiệt…

Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định

o Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện

o Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biếnđổi cố định

o Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được

o Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường

o Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả

o Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM

1.1 GIỚI THIỆU

Siêu âm là gì ?

Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy

được Tần số tối đa này tùy vào từng người, nhưng thông thường nó vào cỡ

20000 Hz Ngược lại với siêu âm, các âm thanh có tần số thấp hơn ngưỡng nghe được bởi tai người (thường vào khoảng 20 Hz) là hạ âm

Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường tương tự như môi trường lan truyền của âm thanh, như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc

độ bằng tốc độ âm thanh Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi có tần số cao hơn,bước sóng của siêu âm ngắn hơn bước sóng của âm thanh Nhờ bước sóng ngắn, độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt các vật thể ở kích thước cỡ centimét hoặc milimét Do đó siêu âm được ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh y khoa (siêu âm y khoa) hoặc chụp ảnh bên trong các cấu trúc

cơ khí trong kiểm tra không phá hủy Nhờ khả năng không bị nhận biết được bởi người, sóng siêu âm còn được dùng trong các ứng dụng quan trắc khác, như

để đo khoảng cách hay vận tốc Ngoài ra còn có nhiều ứng dụng siêu âm khác như làm sạch bằng siêu âm, hàn siêu âm, ứng dụng siêu âm trong hóa học, sinh học,

Siêu âm có thể được tạo ra từ một số loại loa, từ dao động của tinh thể áp điện Trong tự nhiên, nhiều loài động vật có thể tạo ra hoặc cảm nhận được siêu

âm, ví dụ như dơi là loài có thị giác kém phát triển nhưng tạo ra và cảm nhận siêu âm để xác định các vật thể trong không gian xung quanh

Cá voi, cá heo dùng siêu âm để liên lạc và định vị đối tượng xung quanh Một số loài như cá voi trắng vùng Amazon tự chỉnh cường độ phát, khi bắt mồi thì dùng siêu âm mạnh để gây tê liệt cá

 Khái Niệm Cảm Biến Siêu Âm

Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu âm

Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm

1.2CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Cấu trúc cảm biến siêu âm hở

Cấu trúc cảm biến siêu âm kín

Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính

1/Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm2/bộ phận so sánh

3/mạch phát hiện4/mạch ngõ ra

Trên cảm biến có 4 chân :

- VCC: nguồn cấp cho cảm biến 5V

- GND: nối âm

- Trigger: pin cho cực phát

- Echo: pin cho cực thu - Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phận so sánh sẽ tính toán khoảngcách, bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận tốc âm thanh Tín hiệu ngõ

ra có thể là digital hoặc analog Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không

tự xuất hiện của đối tượng trong vùng cảm nhận của cảm biến, tín hiệu từ cảmbiến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến cảm biến

Vỏ bên ngoàiHốc cộng hưởng Đìa kim loạiLớp gốm áp điện

Đê cách điệnDây dân

vỏ kim loại

Lớp gốm áp điện Dây dẫn

Đe bảo vệ

Lớp vật liệu đệm

Cáp dẫn

Phương thức hoạt động Bộ phát sóng siêu âm sử dụng một tinh thể gốm áp

điện gắn liền với một tấm kim loại hình nón Khi đưa một điện áp vào lớp vật liệu gốm áp điện, lớp vật liệu này sẽ rung với quá hai quá trình nén và giãn diễn ra liên tục Do đó theo tính chất áp điện, sóng siêu âm được tạo ra và lan truyền thẳng do bộ cộng hướng hình nón

Bộ thu sóng siêu hoạt động trên nguyên lý ngược lại Khi sóng siêu âm đập vào

bộ cộng hưởng sẽ gây ra sự rung động trên khối rung được gắn với nó (tấm kimloại) Lớp vật liệu áp điện dính trên khối rung sẽ rung theo, từ đó một dòng điệnđược sinh ra do tính cho chất của vật liệu gốm áp điện Dòng điện này được đưa

ra mạch ngoài nhờ hai dây dẫn

Tần số hoạt động:nhìn chung là cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số là

từ 25khz đến 500khz.các cảm biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần

số 5mhz trở lên.tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện củacảm biến,với tần số 50khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới10m hoặc hơn,với tần số 200khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ởmức 1m Vùng hoạt động:là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn nhất vàkhoảng cách nhỏ nhất Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụnggần cảm biến gọi là khu vực mù Kích thước và vật liệu của đối tượng cần pháthiện quyết định khoảng cách phát hiện lớn nhất (vật xốpCảm biến siêu âm cóthể điều chỉnh khoảng cách phát hiện Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho

phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện,sau một khoảng xác định.khoảng cáchphát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng Ngoài ra để cảm biến siêu âmkhông phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảmbiến,người ta có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạlại sóng âm thanh

Xác định khoảng cách

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếumột cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian Quãng đường

di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay khoảng cách từ cảm biến tới

chướng ngại vật sẽ được

L0 =v.t/2

Nguyên lý TOF (time of flight) là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian

truyền của sóng Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách vớisai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí) Phương pháp này không được dùng trong các thiết bị thu nhận sóng điệntừ, vì vận tốc sóng điện từ rất cao bằng với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s).Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của sóng trong môi trường tương ứngnhân với một nửa thời gian truyền của sóng

Trong đó:

- L0 là khoảng cách cần đo,

- v là vận tốc sóng siêu âm trong môi

trường truyền sóng

- t là thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại

Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cảm biến siêu âm, một cách gián tiếp cho

ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến Khi đó, dườngnhư trên quãng đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thông số cảm biến ghi nhận được, có một chướng ngại vật Và vì thế, cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó

1.4 MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Hình 1 Một số loại cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có nhiều loại, tùy theo công dụng như để nhận biết vật trongkhoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trongnhững điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta chế tạo các loại cảm biếnsiêu âm khác nhau

Cảm biến siêu âm SRF02:

Hình 2 Cảm biến siêu âm SRF02

+ Là cảm biến đo cự ly từ xa bằng sóng siêu âm

+ Điện áp: Nguồn 5V

+ Dòng: 4mA

+Tần số: 40khz

+ Phạm vi hoạt động: 15cm- 6m

+ Khả năng hoạt động: 64 bước

+ Kiểu kết nối: 1-Tốc độ truyền 12C

2- Đường truyền tương tự

+ Điều khiển tự động: Không định kích cỡ hoạt động, tự xử lý và hoạt độngnhanh

+ Thời gian hoạt động: thời gian hồi đáp, đưa tín hiệu điều khiển

+ Hệ đơn vị: Đo trong hệ inch, mm, us

+ Trọng lượng: 4,6m

+ kích thước: 24mm×20mm×17mm chiều cao

+ Cảm biến siêu âm với cả hai giao diện I2C với nối tiếp thuật toánAutotuneMới thông minh sử dụng trong phạm vi nhỏ, không cần chu kỳ định

cỡ thêm vào đó những chức năng mới cho phép quản lý phạm vi và phânchia.Dễ dàng kết nối với USB chủ với module USBI2C tự động nhờ các busUSB

Cảm biến siêu âm SRF04:

Hình 3 Cảm biến siêu âm SRF04

Cảm biến siêu âm SRF05:

Hình 4 Cảm biến siêu âm SRF05

+ Đầu vào kích khởi: 10uS Min.Mức xung TTL

+Xung va đập: Mức tín hiệu TTL dương, bề rộng đối xứng

+Kích thước: 43mm×20mm×17mm

Cảm biến siêu âm SRF08-Cảm biến siêu âm vai trò cao:

Hình 5 Cảm biến siêu âm SRF08

+ Điện áp: Nguồn 5V

+ Dòng: 15mA

+Tần số: 40khz

+Phạm vi hoạt động: 3cm-6m

+ Tín hiệu tương tự: Biến thiên từ 94 đến 1025 trong 32 bước

+ Đầu nối: Bus tiêu chuẩn I2C

+ Hệ đơn vị: Đo trong hệ inch, mm, us

+Kích thước: 43mm×20mm×17mm

Cảm biến siêu âm SRF10 - Cảm biến siêu âm kích thước nhỏ:

Hình 6 So sánh kích thước hai cảm biến SRF04và SRF10

+ Điện áp: Nguồn 5V

+ Dòng: 15mA

+Tần số: 40khz

+ Phạm vi hoạt động: 6cm- 6m

+ Tín hiệu tương tự: Biến thiên từ 40 đến 700 trong 16 bước

+ Đầu nối: Bus tiêu chuẩn I2C

+ Định thời: tín hiệu về toàn thời gian làm việc, quản lý chức năng tự do

+ Hệ đơn vị: Đo trong hệ inch, mm, us

+Kích thước: 32mm×15mm×10mm

Cảm biến siêu âm SRF235

Hình 7 Cảm biến siêu âm SRF235

- Là một thiết bị định vị nhỏvới một cặp chuyển đổi khí dùng trong côngnghiệp, cung cấp một tia hẹp 15˚ và chu kỳ ngắn đạt tới tần số 100Hz, làmviệc ở 235, dùng rộng rãi ở dải tần 40kHz, không cần tác động ngoài.

+ Điện áp: Nguồn 5V

+ Dòng: 25mA

+Tần số: 235kHz

+ Phạm vi hoạt động: 10cm- 1,2m

+ Đường kính siêu âm 15˚

+Đầu nối: Bus tiêu chuẩn I2C

+ Định thời: tín hiệu về toàn thời gian làm việc

+ Hệ đơn vị: Đo trong hệ inch, mm, us

+Kích thước: 34mm×20mm×19mm

Cảm biến siêu âm SRF05

Cảm biến siêu âm với tần số 122GHz

Cảm biến siêu âm Sick

Cảm biến siêu âm Pepperl Fuchs

Cảm biến siêu âm UNDK-30I6103

Cảm biến siêu âm Omron E4PA - Loại hình trụ analog 6m

Cảm biến siêu âm Carlo Gavazz