Nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại như thế nào? Phân loại và ứng dụng

Cảm biến vật cản hồng ngoại đang trở thành một trong những công nghệ tiên tiến và hữu ích trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ công nghiệp, giao thông cho đến an ninh gia đình, cảm biến hồng ngoại không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất mà còn nâng cao chất lượng cuộc sống và đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Nhưng cảm biến vật cản hồng ngoại là gì và nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại là như thế nào? Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về nguyên lý hoạt động, các loại cảm biến phổ biến, cũng như ứng dụng thực tế và lợi ích mà chúng mang lại. Hãy cùng RX Tradex khám phá để hiểu rõ hơn về công nghệ đầy tiềm năng này!

1. Cảm biến vật cản hồng ngoại là gì? 

Cảm biến vật cản hồng ngoại là một thiết bị điện tử sử dụng công nghệ hồng ngoại để phát hiện và đo lường khoảng cách đến các vật thể xung quanh. Cảm biến này thường bao gồm hai bộ phận chính là một đèn LED phát ra tia hồng ngoại và một bộ thu nhận hồng ngoại (thường là một đi-ốt quang hoặc bóng bán dẫn quang).

Bước sóng của cảm biến hồng ngoại dài hơn ánh sáng khả kiến, vì thế cảm biến hồng ngoại sẽ phát ra những tia vô hình đối với mắt người, và bất kỳ vật nào có nhiệt độ trên 5 độ kelvin đều phát ra bức xạ hồng ngoại. 

Có 2 loại cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản phổ biến hiện nay là cảm biến hồng ngoại chủ động và cảm biến hồng ngoại bị động.

• Cảm biến hồng ngoại chủ động được cấu tạo từ 2 phần chính là máy thu và đi-ốt phát sáng (hay còn gọi là đèn LED). Ánh sáng hồng ngoại sẽ phản xạ vật thể khi chúng đến gần cảm biến giúp cho người nhận phát hiện một cách dễ dàng hơn. Bên cạnh đó, cảm biến hồng ngoại còn được xem như cảm biến tiệm cận vì chúng cũng được ứng dụng vô các hệ thống phát hiện chướng ngại vật như robot.
• Cảm biến hồng ngoại bị động chỉ nhận tín hiệu hồng ngoại từ các nguồn nhiệt như người, động vật, hoặc bất kỳ nguồn nhiệt nào khác mà không tự phát ra tia hồng ngoại. Sau khi nhận tín hiệu, cảm biến phân tích để xác định điều kiện báo động. Vì chỉ phát hiện mà không phát tia hồng ngoại, loại cảm biến này được gọi là thụ động.

2. Nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại 

Nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại sẽ được thực hiện dựa trên việc phát hiện vật cản và phản xạ của tia hồng ngoại

• Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản sử dụng cảm biến ánh sáng để phát hiện bước sóng ánh sáng trong phổ hồng ngoại (IR). Hệ thống này sử dụng đèn LED phát ra ánh sáng có cùng bước sóng mà cảm biến đang tìm kiếm. Khi ánh sáng từ đèn LED gặp vật cản, nó sẽ phản xạ lại và được cảm biến ánh sáng thu nhận. 
• Khi vật cản tiến gần đến cảm biến, ánh sáng phản xạ từ đèn LED sẽ trở nên mạnh hơn và đi vào cảm biến với cường độ lớn hơn. Sự thay đổi đột ngột về cường độ ánh sáng này có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng xác định trước. Khi cường độ ánh sáng vượt qua ngưỡng này, cảm biến sẽ kích hoạt báo động hoặc thực hiện hành động tương ứng.

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

Cảm biến vật cản hồng ngoại hoạt động bằng cách phát ra tia hồng ngoại từ IR LED. Khi gặp vật cản, tia hồng ngoại phản xạ trở lại và được LED thu hồng ngoại nhận. Sự phản xạ này làm giảm nội trở của LED thu, thay đổi điện áp đầu vào của Op-Amp.

Op-Amp so sánh điện áp này với một điện áp chuẩn từ biến trở R3. Nếu điện áp đầu vào lớn hơn điện áp chuẩn, Op-Amp xuất tín hiệu mức cao (VCC). Nếu nhỏ hơn, Op-Amp xuất tín hiệu mức thấp (GND). 

Các điện trở R1, R2 và R4 giúp bảo vệ và ổn định hoạt động của các LED, biến trở R3 điều chỉnh độ nhạy của cảm biến.

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

Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản là một công cụ hữu ích và hiệu quả cho việc phát hiện vật cản trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dù nhiều lợi ích nhưng chúng cũng không tránh khỏi một vài nhược điểm đáng lưu ý. Dưới đây là một số ưu và nhược điểm của cảm biến siêu âm phát hiện vật cản.

Ưu điểm:

• Có khả năng đo khoảng cách với độ chính xác cao và độ phân giải tốt, giúp phát hiện vật cản một cách rõ ràng.
• Không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện ánh sáng môi trường, hoạt động tốt cả trong bóng tối và ánh sáng mạnh.
• Khả năng phát hiện nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, gỗ, nhựa và thậm chí là chất lỏng, điều mà nhiều loại cảm biến khác không làm được.
• Có thể hoạt động trong khoảng cách rộng, từ vài cm đến vài mét, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.
• An toàn và không gây hại cho con người và vật nuôi, khác với một số loại cảm biến khác có thể phát ra bức xạ.

Nhược điểm:

• Hiệu suất của cảm biến siêu âm có thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và áp suất không khí.

• Các vật liệu hấp thụ âm thanh hoặc có bề mặt không đồng đều có thể làm giảm hiệu quả phát hiện của cảm biến siêu âm.
• Độ phân giải có thể thấp hơn một số loại cảm biến quang học khác, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
• Một số cảm biến siêu âm có thể lớn và nặng hơn so với các loại cảm biến khác, hạn chế việc sử dụng trong các thiết bị nhỏ gọn.
• Giá thành đắt hơn so với một số loại cảm biến khác như cảm biến hồng ngoại hoặc cảm biến quang học, làm tăng chi phí của hệ thống.

5. Ứng dụng của cảm biến vật cản hồng ngoại 

Với những lợi thế kể trên, cảm biến hồng ngoại vật cản được ứng dụng rộng rãi không những trong đời sống mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như: công nghiệp, giao thông,… Một số ứng dụng phổ biến có thể kể đến như:

• Bật tắt đèn tự động: Cảm biến hồng ngoại giúp đèn tự động bật sáng khi có người bước vào khu vực cảm biến. Khi người di chuyển, đèn sẽ tự động bật sáng theo từng vị trí họ đến, đảm bảo rằng không gian như hành lang, nhà vệ sinh luôn được chiếu sáng đúng lúc. Điều này không chỉ tạo sự thuận tiện mà còn giúp tiết kiệm năng lượng.
• Hệ thống chống trộm: Cảm biến hồng ngoại mang lại hiệu quả cao trong việc chống trộm, bảo vệ gia đình tốt hơn. Khi kẻ trộm lẻn vào nhà hoặc đi qua sân vườn, ban công vào ban đêm, cảm biến sẽ phát hiện chuyển động và kích hoạt hệ thống báo động ngay lập tức. Còi sẽ hú lên, cảnh báo chủ nhà về sự xâm nhập bất hợp pháp, giúp họ có biện pháp xử lý kịp thời.
• Cửa tự động: Cảm biến hồng ngoại cũng được tích hợp vào hệ thống cửa tự động, giúp cửa mở ra khi có người đến gần. Điều này mang lại sự linh hoạt và tiện lợi cho người dùng, đồng thời nâng cao trải nghiệm sử dụng trong các không gian công cộng và gia đình.
• Ứng dụng trong quân sự và quốc phòng: Trong lĩnh vực quân sự, cảm biến hồng ngoại đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn đường cho tên lửa không đối không cự ly gần trên máy bay chiến đấu. Chúng giúp xác định và theo dõi mục tiêu một cách chính xác, nâng cao hiệu quả tác chiến và bảo vệ an ninh quốc gia.

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

Khi lắp đặt cảm biến siêu âm phát hiện vật cản hồng ngoại, có một số điều quan trọng cần tránh để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác của hệ thống như:

• Tránh hướng cảm biến về phía giàn nóng máy lạnh, vì khi hoạt động, chúng sẽ phát ra nhiệt độ cao và tia bức xạ hồng ngoại, gây nhiễu cho cảm biến.
• Không lắp cảm biến trong nhà ở ngoài trời vì chúng không được thiết kế để chịu mưa nắng, dễ bị hỏng hóc khi lắp ngoài trời, ngay cả khi không tiếp xúc trực tiếp với thời tiết khắc nghiệt.
• Tránh hướng cảm biến về phía rèm cửa sổ vì rèm cửa sổ có thể tạo ra báo động giả. Khi cửa sổ mở, nguồn nhiệt từ bên ngoài xâm nhập cùng với gió có thể làm nhiễu cảm biến.
• Để không bị nhiễu điện từ, cần tránh lắp cảm biến hồng ngoại gần dây điện nguồn vì cảm biến hồng ngoại là thiết bị điện tử hoạt động ở điện áp thấp, nên hạn chế lắp gần các dây điện cao áp.
• Không hướng cảm biến về nơi nhiều ánh nắng mặt trời vì chúng chứa nhiều tia bức xạ hồng ngoại, gây nhiễu và làm giảm độ chính xác của cảm biến.
• Để tránh báo động giả do người đi bộ hoặc chạy bộ ngang qua, không nên hướng cảm biến trực tiếp về phía cổng gần đường đi.
• Để đảm bảo hoạt động ổn định, tránh lắp đặt cảm biến trên các bề mặt bị rung động.

Ngoài ra, để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị cảm biến siêu âm phát hiện vật cản hồng ngoại, doanh nghiệp cần lưu ý những vấn đề sau:

• Đặt đầu báo ở vị trí mà kẻ đột nhập phải đi qua hoặc ở nơi tạo ra cái bẫy với kẻ gian, để đảm bảo phát hiện sớm và hiệu quả.
• Tuân thủ độ cao lắp đặt được chỉ định trong tài liệu hướng dẫn, để đảm bảo vùng cảm nhận của đầu báo phù hợp với yêu cầu.
• Đối với các yêu cầu cụ thể, tính toán lại vùng cảm nhận của đầu báo để đáp ứng đúng nhu cầu.
• Đảm bảo không có điểm mù tại nơi lắp đặt, để đầu báo có thể phát hiện chuyển động một cách toàn diện.
• Sau khi lắp đặt xong, kiểm tra lại khả năng cảm nhận của đầu báo để đảm bảo hoạt động đúng như mong đợi.
• Đầu báo nhạy cảm với năng lượng hồng ngoại, vì vậy tránh lắp đặt gần các nguồn phát nhiệt như cửa, điều hòa không khí, bếp lửa, để tránh các nhiễu loạn không mong muốn.
• Lựa chọn các đầu báo sử dụng công nghệ phân biệt vật nuôi để tránh báo động giả do chuyển động của thú cưng.

7. Tổng kết

Trên đây là những thông tin về nguyên lý cảm biến vật cản hồng ngoại mà RX Tradex đã chia sẻ. Với những kiến thức này, quý doanh nghiệp có thể áp dụng cảm biến vật cản hồng ngoại vào quy trình sản xuất để tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu quả hoạt động. Việc triển khai công nghệ này không chỉ giúp cải thiện năng suất mà còn đảm bảo an toàn, chất lượng sản phẩm, và giảm thiểu chi phí vận hành, mang lại lợi ích toàn diện cho doanh nghiệp. 

Nhằm mang đến nhiều giải pháp sản xuất hiệu quả hơn trong lĩnh vực điện tử, RX Tradex sẽ tổ chức sự kiện triển lãm NEPCON Việt Nam 2024 vào tháng 8 tới đây. Sự kiện hứa hẹn sẽ mang đến quy mô hoành tráng, quy tụ hàng trăm thương hiệu hàng đầu và uy tín từ khắp nơi trên thế giới. Đây sẽ là cơ hội tuyệt vời để quý doanh nghiệp khám phá và cập nhật những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực sản xuất điện tử.