Cảm biến hồng ngoại là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng?
Công nghệ IR được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày và cả trong các ngành công nghiệp với các mục đích khác nhau. Được thấy ở TV sử dụng cảm biến IR để hiểu các tín hiệu được truyền từ điều khiển từ xa. Các lợi ích chính của cảm biến IR là sử dụng năng lượng thấp, thiết kế đơn giản và các tính năng tiện lợi của chúng. Mắt người không nhận thấy tín hiệu hồng ngoại. Bức xạ IR trong quang phổ điện từ có thể được tìm thấy trong các vùng của vi sóng và nhìn thấy được. Thông thường, bước sóng của các sóng này nằm trong khoảng từ 0,7 µm 5 đến 1000µm. Phổ IR có thể được chia thành ba vùng như hồng ngoại gần, trung bình và hồng ngoại xa. Bước sóng của vùng hồng ngoại gần nằm trong khoảng 0,75 – 3µm, bước sóng của vùng hồng ngoại giữa nằm trong khoảng từ 3 đến 6µm và bước sóng của bức xạ hồng ngoại của vùng hồng ngoại xa cao hơn 6µm.
Mục lục bài viết
1. Cảm biến hồng ngoại là gì?
Cảm biến hồng ngoại (IR sensor) là một thành phần quang điện tử nhạy cảm với bức xạ có độ nhạy phổ trong dải bước sóng hồng ngoại 780 nm… 50 µm. Cảm biến hồng ngoại hiện được sử dụng rộng rãi trong máy dò chuyển động, được sử dụng trong các dịch vụ tòa nhà để bật đèn hoặc trong hệ thống báo động để phát hiện những vị khách không mời. Trong một phạm vi góc xác định, các phần tử cảm biến phát hiện bức xạ nhiệt (bức xạ hồng ngoại) thay đổi theo thời gian và không gian do chuyển động của con người. Các cảm biến hồng ngoại như vậy chỉ phải đáp ứng các yêu cầu tương đối thấp và là các mặt hàng được
Cảm biến hồng ngoại là một thiết bị điện tử, phát ra để cảm nhận một số khía cạnh của môi trường xung quanh. Cảm biến IR có thể đo nhiệt của một vật thể cũng như phát hiện chuyển động. Những loại cảm biến này chỉ đo bức xạ hồng ngoại chứ không phát ra nó được gọi là cảm biến hồng ngoại thụ động. Thông thường, trong quang phổ hồng ngoại, tất cả các vật thể đều bức xạ một số dạng bức xạ nhiệt.
Những loại bức xạ này mắt chúng ta không nhìn thấy được, có thể được phát hiện bằng cảm biến hồng ngoại. Bộ phát đơn giản là một đèn LED hồng ngoại (Light Emitting Diode) và bộ phát hiện chỉ đơn giản là một điốt quang IR nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại có cùng bước sóng với ánh sáng hồng ngoại phát ra từ đèn LED hồng ngoại. Khi ánh sáng hồng ngoại chiếu vào điốt quang, điện trở và điện áp đầu ra sẽ thay đổi tương ứng với độ lớn của ánh sáng hồng ngoại nhận được.
Cảm biến hồng ngoại được dịch sang tiếng Anh là: “IR sensor”.
2. Nguyên lý hoạt động và ứng dụng:
Cảm biến hồng ngoại nhiệt điện sử dụng dải bước sóng từ 2 đến 14 µm. InfraTec sử dụng các lớp hấp thụ đặc biệt để các cảm biến hồng ngoại thậm chí có thể hoạt động như một bộ thu diện tích lớn, ổn định lâu dài đối với bức xạ UV (ví dụ: 193 nm) cũng như bức xạ THz trong phạm vi 100 µm… 1 mm.
Các cảm biến hồng ngoại xa hơn là tế bào Golay, máy đo nhanh và nhiệt rắn, cũng thuộc về cảm biến IR nhiệt. Sự thay đổi áp suất của một thể tích khí được đánh giá trong ô Golay và sự thay đổi nhiệt độ của chất rắn được đánh giá trong một liều kế. Thermopiles về cơ bản đại diện cho một chuỗi kết nối của cặp nhiệt điện với một lớp hấp thụ và sử dụng hiệu ứng Seebeck. Điốt quang sử dụng hiệu ứng ảnh bên trong. Đồng thời, lượng tử bức xạ tạo ra các cặp hạt tải điện trong
Nguyên tắc làm việc
Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại tương tự như cảm biến phát hiện vật thể. Cảm biến này bao gồm một đèn LED hồng ngoại và một điốt quang hồng ngoại, do đó, bằng cách kết hợp hai cái này có thể được tạo thành một bộ ghép ảnh hoặc optocoupler. Các định luật vật lý được sử dụng trong cảm biến này là bức xạ ván, Stephan Boltzmann & dịch chuyển weins.
IR LED là một loại máy phát phát ra bức xạ hồng ngoại. Đèn LED này trông tương tự như đèn LED tiêu chuẩn và bức xạ được tạo ra bởi đèn LED này không thể nhìn thấy bằng mắt người. Máy thu hồng ngoại chủ yếu phát hiện bức xạ bằng cách sử dụng máy phát hồng ngoại. Các bộ thu hồng ngoại này có sẵn ở dạng điốt quang. Điốt quang IR khác với điốt quang thông thường vì chúng phát hiện đơn giản bức xạ hồng ngoại.
Các loại máy thu hồng ngoại khác nhau chủ yếu tồn tại tùy thuộc vào điện áp, bước sóng, gói, v.v. Khi nó được sử dụng làm sự kết hợp giữa bộ phát và bộ thu IR, thì bước sóng của bộ thu phải bằng với bộ phát. Ở đây, bộ phát là IR LED trong khi bộ thu là điốt quang IR. Điốt quang hồng ngoại phản ứng với ánh sáng hồng ngoại được tạo ra thông qua đèn LED hồng ngoại. Điện trở của diode quang & sự thay đổi điện áp đầu ra tỷ lệ thuận với ánh sáng hồng ngoại thu được. Đây là nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến IR. Một khi bộ phát tia hồng ngoại tạo ra phát xạ, sau đó nó đến đối tượng và một phần phát xạ sẽ phản xạ trở lại bộ thu hồng ngoại. Đầu ra của cảm biến có thể được
Các loại cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại được phân thành hai loại như cảm biến hồng ngoại chủ động và cảm biến hồng ngoại thụ động.
– Cảm biến IR chủ động
Cảm biến hồng ngoại hoạt động này bao gồm cả bộ phát và bộ thu. Trong hầu hết các ứng dụng, điốt phát quang được sử dụng làm nguồn. Đèn LED được sử dụng làm cảm biến hồng ngoại không hình ảnh trong khi diode laser được sử dụng làm cảm biến hồng ngoại hình ảnh. Các cảm biến này hoạt động thông qua bức xạ năng lượng, nhận và phát hiện thông qua bức xạ. Hơn nữa, nó có thể được xử lý bằng cách sử dụng bộ xử lý tín hiệu để lấy thông tin cần thiết. Các ví dụ tốt nhất về cảm biến hồng ngoại hoạt động này là cảm biến phản xạ và tia đứt.
-Cảm biến hồng ngoại thụ động
Cảm biến hồng ngoại thụ động chỉ bao gồm máy dò nhưng không bao gồm máy phát. Các cảm biến này sử dụng một đối tượng như máy phát hoặc nguồn IR. Vật thể này phát ra năng lượng và phát hiện qua máy thu hồng ngoại. Sau đó, một bộ xử lý tín hiệu được sử dụng để hiểu tín hiệu nhằm thu được thông tin cần thiết.
Các ví dụ tốt nhất của cảm biến này là máy dò nhiệt điện, máy đo tia, cặp nhiệt điện, v.v … Các cảm biến này được phân thành hai loại như cảm biến IR nhiệt và cảm biến IR lượng tử. Cảm biến IR nhiệt không phụ thuộc vào bước sóng. Nguồn năng lượng được sử dụng bởi các cảm biến này được đốt nóng. Máy dò nhiệt chậm với thời gian phản hồi và phát hiện của chúng. Cảm biến IR lượng tử phụ thuộc vào bước sóng và các cảm biến này bao gồm thời gian phát hiện và phản hồi cao. Các cảm biến này cần được làm mát thường xuyên cho các phép đo cụ thể.
-Sơ đồ mạch cảm biến IR
Mạch cảm biến hồng ngoại là một trong những module cảm biến cơ bản và phổ biến trong một thiết bị điện tử. Cảm biến này tương tự như giác quan nhìn xa của con người, có thể được sử dụng để phát hiện chướng ngại vật và nó là một trong những ứng dụng phổ biến trong thời gian thực. Mạch này bao gồm các thành phần sau:
LM358 IC 2 IR bộ phát và bộ thu
Điện trở trong phạm vi kilo-ohms.
Biến trở.
LED (Điốt phát sáng).
Trong dự án này, phần máy phát bao gồm một cảm biến IR, truyền các tia IR liên tục để nhận được bởi một mô-đun máy thu IR. Một đầu ra IR của máy thu thay đổi tùy thuộc vào việc nhận tia IR của nó. Vì sự biến đổi này không thể được phân tích như vậy, do đó đầu ra này có thể được cấp cho mạch so sánh. Ở đây một bộ khuếch đại hoạt động (op-amp) của LM 339 được sử dụng như một mạch so sánh.
Khi bộ thu IR không nhận được tín hiệu, điện thế ở đầu vào đảo ngược sẽ cao hơn so với đầu vào không đảo của IC so sánh (LM339). Do đó, đầu ra của bộ so sánh thấp, nhưng đèn LED không phát sáng. Khi mô-đun bộ thu IR nhận được tín hiệu đến điện thế ở đầu vào đảo ngược xuống mức thấp. Do đó, đầu ra của bộ so sánh (LM 339) tăng cao và đèn LED bắt đầu phát sáng.
Điện trở R1 (100), R2 (10k) và R3 (330) được sử dụng để đảm bảo dòng điện tối thiểu 10 mA đi qua các Thiết bị LED hồng ngoại tương ứng như Điốt quang và đèn LED bình thường. Điện trở VR2 (đặt trước = 5k) được sử dụng để điều chỉnh các cực đầu ra. Điện trở VR1 (đặt trước = 10k) dùng để đặt độ nhạy của Sơ đồ mạch. Đọc thêm về cảm biến IR.
– Mạch cảm biến IR sử dụng bóng bán dẫn
Sơ đồ mạch của cảm biến IR sử dụng bóng bán dẫn cụ thể là phát hiện chướng ngại vật bằng cách sử dụng hai bóng bán dẫn được hiển thị bên dưới. Mạch này chủ yếu được sử dụng để phát hiện chướng ngại vật bằng đèn LED hồng ngoại. Vì vậy, mạch này có thể được xây dựng với hai bóng bán dẫn như NPN và PNP. Đối với NPN, bóng bán dẫn BC547 được sử dụng trong khi đối với PNP, bóng bán dẫn BC557 được sử dụng. Sơ đồ chân của các bóng bán dẫn này giống nhau.
