Khái niệm và nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại là một thiết bị được sử dụng khá nhiều trong cuộc sống hiện nay nhờ vào những ứng dụng hữu ích của mình. Vậy nhưng không phải ai cũng biết khái niệm và nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại là gì?

Sơ đồ mạch thiết kế và những ứng dụng trong đời sống hằng ngày của cảm biến vật cản hồng ngoại. Hãy theo dõi bài viết sau đây để biết thêm thông tin về cảm biến hồng ngoại nhé! 

Cảm biến vật cản hồng ngoại là gì? 

Cảm biến vật cản hồng ngoại hay còn được gọi là IR Sensor, là thiết bị điện tử có khả năng đo và phát hiện được bức xạ hồng ngoại ở môi trường xung quanh. Ngoài ra, cảm biến vật cản hồng ngoại có tên tiếng Anh là Passive Infrared (viết tắt là PIR), nếu dịch sát nghĩa là “hồng ngoại thụ động”.

Cảm biến hồng ngoại phát ra những tia vô hình đối mắt với người, bởi vì bước sóng của nó dài hơn ánh sáng khả kiến (dù rằng nó vẫn nằm trong cùng một phổ điện từ). Bất kỳ thứ gì phát ra nhiệt (tất cả mọi thứ có nhiệt độ trên 5 độ Kelvin) đều phát ra bức xạ hồng ngoại.

Hiện nay, cảm biến hồng ngoại gồm có 2 loại là cảm biến chủ động và cảm biến thụ động. Cụ thể: 

• Cảm biến hồng ngoại chủ động: có cấu tạo gồm 2 phần là máy thu và diode phát sáng (LED). Khi vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại của đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể giúp người nhận phát hiện. Theo đó, cảm biến hồng ngoại chủ động đóng vai trò cảm biến tiệm cận, thường được sử dụng ở các hệ thống phát hiện chướng ngại vật giống như robot.  
• Cảm biến hồng ngoại thụ động: loại cảm biến này chỉ nhận những tia hồng ngoại phát ra ở những vật thể khác như người, động vật hay một nguồn nhiệt bất kỳ, nó không thể tự động phát ra tia hồng ngoại. Sau khi đã nhận biết được nguồn nhiệt, bộ phận cảm biến sẽ tiến hành phân tích nhằm xác định điều kiện báo động. Chính vì thế, loại cảm biến này thường được gọi là thụ động, chủ có thể phát hiện mà không phải là nguồn phát hồng ngoại.  

>> Xem thêm: Mắt thần cảm biến hồng ngoại

Nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại như thế nào? 

• Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản sẽ hoạt động bằng cách dùng một cảm biến ánh sáng cụ thể nhằm phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại (IR). Với cách sử dụng đèn LED để tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng cùng với cảm biến đang tìm kiếm, bạn có thể xem cường độ của ánh sáng khi nhận được. 
• Một vật cản khi ở gần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED sẽ bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng. Điều này có thể dẫn đến bước nhảy lớn về cường độ, mà chúng ta thì biết rằng có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng.

Sơ đồ mạch thiết kế nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại

Hiện nay, trên thị trường có khá nhiều loại cảm biến vật cản hồng ngoại. Trong đó, chúng tôi sẽ trình bày sơ đồ mạch thiết kế của 2 loại thông dụng sau: 

Loại cảm biến hồng ngoại cơ bản 

• Cảm biến vật cản hồng ngoại có thể thích nghi với môi trường, gồm có 1 cặp truyền và nhận tia hồng ngoại, trong đó, tia hồng ngoại sẽ phát ra một tần số nhất định, khi đã phát hiện hướng truyền có vật cản (mặt phản xạ), thì phản xạ vào đèn thu hồng ngoại. Sau khi so sánh, sẽ thấy đèn màu xanh sáng lên, và đồng thời đầu cho tín hiệu số đầu ra (một tín hiệu bậc thấp).
• Khoảng cách làm việc hiệu quả là 2 ~ 5cm, điện áp 3.3V – 5V. Độ nhạy sáng của cảm Độ nhạy sáng của cảm biến siêu âm phát hiện vật cản hồng ngoại được điều chỉnh bằng chiết áp, dễ lắp ráp và sử dụng,…
• Có thể thấy, loại cảm biến hồng ngoại cơ bản này thường được sử dụng rộng rãi cho robot tránh chướng ngại vật, xe tránh chướng ngại vật, xe dò đường,… Tuy nhiên, cảm biến vật cản hồng ngoại này không có vỏ bảo vệ chống nước nên không được sử dụng cho các loại máy rửa tay sát khuẩn tự động, có thể bị nhiễu khi sử dụng ngoài trời hay nơi có nhiều ánh nắng, hoạt động không ổn định. 

Loại cảm biến vật cản hồng ngoại chuyên dụng – E3F-DS10C4

• Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS10C4 ADJUSTABLE là sản phẩm chuyên dụng có chất lượng tốt, độ bền và độ ổn định cao. Đặc biệt, loại cảm biến này sử dụng ánh sáng hồng ngoại nhằm xác định vật cản ở phía trước cảm biến, cảm biến phát hiện ra tia hồng ngoại có tần số chuyên biệt có khả năng chống nhiễu tốt dù ở ngoài trời. 
• Ngoài ra, cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS10C4 còn có thể tự điều chỉnh khoảng cách thông qua biến trở trên cảm biến. Ngõ ra của cảm biến có dạng cực thu hở NPN nên cần có thêm trở kéo lên VCC (khoảng 1 ~ 10K Ohm) trước khi giao tiếp với vi điều khiển. 

Ưu và nhược điểm khi sử dụng cảm biến siêu âm phát hiện vật cản

Bất kỳ một thiết bị điện tử nào cũng đều có ưu, nhược điểm nhất định và nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại cũng không ngoại lệ. Sau đây là một số ưu nhược điểm của cảm biến hồng ngoại mà chúng tôi đã tìm hiểu được, hãy cùng tham khảo nhé. 

Ưu điểm

• Đèn cảm biến hồng ngoại là một loại đèn có độ nhạy cao, có khả năng phát hiện ra các chuyển động dù là nhỏ nhất, kể cả các chuyển động xuyên qua lớp tường mỏng, lớp gỗ hay nhựa.
• Hơn thế nữa, loại đèn còn có góc quét rất rộng, khoảng 360 độ và có khoảng cách độ nhạy cảm ứng từ 6m – 8m nên thích hợp sử dụng cho các không gian rộng lớn. Đèn cũng không phải chịu sự chi phối nhiệt độ của những môi trường xung quanh. 
• Đặc biệt, đèn cảm biến hồng ngoại cũng có khả năng phân biệt được cả chuyển động của con người và đồ vật. Vì thế, có thể điều chỉnh góc cảm ứng theo ý muốn của mình, sử dụng vách ngăn nhằm tránh đi các vùng không muốn cảm ứng.

Nhược điểm

• Độ nhạy cao của cảm biến hồng ngoại cũng được xem là nhược điểm của công nghệ này vì chúng dễ bị nhầm lẫn khi phát hiện các vật chuyển động. Khác với đèn cảm biến hồng ngoại hiện đại ở trên, đèn công nghệ sử dụng cảm biến hồng ngoại có khá nhiều điểm yếu như góc quét nhỏ, có điểm chết và không thể cảm biến xuyên vật cản. 
• Cảm biến hồng ngoại còn phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ nên ở những môi trường có nhiệt độ cao thì đèn sẽ càng kém nhạy. Phạm vi đèn cảm biến chỉ nằm trong khoảng 2m – 3m.  

Những ứng dụng của cảm biến siêu âm phát hiện vật cản

Nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại giúp chúng sở hữu khá nhiều tính năng nổi bật. Ví dụ như có thể bật tắt đèn tự động, mở cửa tự động, báo trộm,…  

• Cảm biến vật cản hồng ngoại giúp bật tắt đèn tự động: Chức năng này sẽ khiến đèn hồng ngoại tự động bật sáng khi có người bước vào. Và khi người di chuyển tới đầu, đèn hồng ngoại sẽ tự động sáng đến đó. Vì vậy, những không gian lắp đặt thiết bị cảm biến hồng ngoại như hành lang, nhà vệ sinh,… sẽ giúp không gian đó luôn được chiếu sáng khi có người xuất hiện. 
• Cảm biến vật cản hồng ngoại giúp chống trộm: So với việc sử dụng những thiết bị chống trộm khác, sử dụng cảm biến hồng ngoại chống trộm đem lại hiệu quả cao, bảo vệ gia đình tốt hơn. Bởi vì, vào buổi tối nếu trộm bước vào nhà hay đi qua sân vườn, ban công và đi qua mắt cảm ứng mà chúng không biết. Thiết bị đó ngay lập tức sẽ hú còi, cảnh báo cho chủ nhà biết có trộm để đưa ra biện pháp xử lý kịp thời. 
• Cảm biến vật cản hồng ngoại giúp mở cửa tự động: Hiện nay, có khá nhiều loại thiết bị cảm biến hồng ngoại được lắp đặt cùng với chế độ đóng mở cửa tự động. Điều này giúp cho người dùng có thể linh hoạt, tiện lợi hơn khá nhiều khi sử dụng và lắp đặt các thiết bị.
• Cảm biến hồng ngoại trong quân sự, quốc phòng: Chúng có vai trò vô cùng quan trọng, được ứng dụng trong tên lửa không đối cự ly gần của máy bay chiến đấu để dẫn đường. 

Không dừng lại ở đó, với nguyên lý cảm biến hồng ngoại nên thiết bị cảm biến ngày càng được sử dụng nhiều trong cuộc sống như: áp dụng trong truyền thông, nhận diện tiền, phụ kiện điện tử, đồ dùng nhà bếp,… 

Những điều cần tránh khi lắp đặt cảm biến siêu âm phát hiện vật cản hồng ngoại

Trong quá trình lắp đặt cảm biến hồng ngoại, chúng ta cần tránh những điều sau đây: 

• Không được hướng mắt sensor về phía giàn nóng máy lạnh, vì khi máy hoạt động thường có nhiệt độ cao, tia bức xạ hồng ngoại phát ra sẽ gây nhiễu cảm biến, khiến chúng không hoạt động tốt. 
• Không lắp đặt cảm biến hồng ngoại trong nhà ở ngoài trời vì loại cảm biến trong nhà không có tính năng chịu mưa nắng. Nếu lắp ngoài trời dù không trực tiếp gặp mưa nắng thì cũng dễ bị hỏng hóc, khiến chức năng hoạt động kém dần đi.
• Không hướng mắt sensor về phía rèm che cửa sổ vì có thể dẫn đến báo động giả. Hơn nữa, khi cửa sổ mở thì nguồn nhiệt xâm nhập gặp gió có thể gây nhiễu cảm biến.
• Không nên đặt sensor ở gần dây điện nguồn bởi vì PIR là một thiết bị điện tử, hoạt động ở điện áp thấp nên cần hạn chế đặt gần điện nguồn cao áp.
• Không hướng mắt sensor trực tiếp về nơi nhiều nắng mặt trời. Tia mặt trời với nhiều bức xạ hồng ngoại sẽ khiến sensor bị nhiễu.
• Không nên hướng mắt sensor về phía cổng sát với đường đi để tránh các báo động giả do người khác đi bộ hay chạy bộ ngang qua cổng. 
• Không lắp sensor ở trên tường bị rung giúp sensor hoạt động ổn định hơn.

Ngoài những điều cần tránh khi lắp đặt thiết bị cảm biến hồng ngoại ở trên, ta còn phải lưu ý một số vấn đề sau: 

• Đặt đầu báo ở nơi kẻ đột nhập phải đi qua, hay ở nơi tạo ra cái bẫy với kẻ gian.
• Đặt đầu báo có độ cao theo tài liệu hướng dẫn. 
• Tính toán lại vùng cảm nhận của đầu báo cho phù hợp yêu cầu.
• Tránh các điểm mù tại nơi lắp đặt, khiến đầu báo không phát hiện được chuyển động.
• Kiểm tra lại khả năng cảm nhận của đầu báo khi mới lắp đặt xong.
• Đầu báo thường nhạy cảm với năng lượng hồng ngoại, cần tránh các nguồn phát nhiệt như gần cửa, điều hòa, bếp lửa,….
• Công nghệ phân biệt vật nuôi.

Bài viết trên đây là những thông tin tổng hợp về nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại do chúng tôi đã tổng hợp và chia sẻ. Hy vọng rằng, những thông tin mà chúng tôi đã chia sẻ sẽ giúp bạn có thêm kiến thức hữu ích về cảm biến hồng ngoại.