Cảm biến hồng ngoại là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại  là một thiết bị điện tử phát hoặc nhận bức xạ hồng ngoại xung quanh nó. Khi một vật thể phát ra nhiệt độ trên 35 độ C, nó sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại mà con người không nhìn thấy được. Cảm biến hồng ngoại được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống hiện đại. Hãy cùng Điện Tử Số đi tìm hiểu về cảm biến hồng ngoại trong bài viết sau đây.

Cảm biến hồng ngoại là gì?

Cảm biến hồng ngoại là một loại cảm biến có khả năng phát hiện và đo lường các tia hồng ngoại không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Các cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng để phát hiện chuyển động hoặc đo nhiệt độ, và được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như điều khiển từ xa, hệ thống bảo mật, máy tính và các thiết bị y tế. Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng cách sử dụng một bộ phận phát tia hồng ngoại và một bộ phận thu tia hồng ngoại, và phản ứng với sự khác biệt giữa các tia hồng ngoại được phát ra và các tia hồng ngoại được thu lại.

Cảm biến hồng ngoại là một thiết bị điện tử thông minh, cho phép đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong không gian xung quanh. Phát hiện này ban đầu là một phát hiện ngẫu nhiên của nhà thiên văn học William Herschel vào năm 1800 khi ông đang nghiên cứu về nhiệt độ của từng màu sắc trong ánh sáng (sử dụng một lăng kính để phân tách). Ông đã nhận ra rằng nhiệt độ cao nhất lại nằm ngoài phạm vi của ánh sáng đỏ. Cảm biến hồng ngoại hoạt động trong phạm vi vô hình đối với mắt người vì bức xạ hồng ngoại có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến (mặc dù chúng cùng nằm trong phổ điện từ). Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ trên năm độ Kelvin cũng sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại.

Xem thêm: Sự khác nhau giữa dây dẫn điện và dây cáp là gì?

Phân loại cảm biến hồng ngoại

Có 2 loại cảm biến hồng ngoại là: cảm biến hồng ngoại chủ động và thụ động. Cụ thể:

• Cảm biến hồng ngoại chủ động là loại cảm biến có khả năng tạo ra bức xạ hồng ngoại và đo độ phản chiếu của nó từ các vật thể xung quanh. Loại cảm biến này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như cảm biến khoảng cách, cảm biến chuyển động và hệ thống nhận dạng bằng vân tay. Cảm biến hồng ngoại chủ động thường có thể hoạt động trong các điều kiện ánh sáng thấp và không bị ảnh hưởng bởi màu sắc của các vật thể xung quanh. Loại cảm biến này có độ chính xác cao và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và y tế.

• Cảm biến hồng ngoại thụ động là loại cảm biến không tạo ra bức xạ hồng ngoại mà chỉ phát hiện và đo độ phát ra của các vật thể xung quanh. Loại cảm biến này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như cảm biến nhiệt, cảm biến khí thải và hệ thống giám sát môi trường. Cảm biến hồng ngoại thụ động có thể phát hiện được nhiệt độ của các vật thể, các tín hiệu phát ra từ các thiết bị điện tử và cả các tia phát ra từ các nguồn ánh sáng khác nhau. Loại cảm biến này có độ chính xác cao và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và y tế.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại thường bao gồm hai thành phần chính: bộ phát tín hiệu hồng ngoại và bộ thu tín hiệu hồng ngoại.

Bộ phát tín hiệu hồng ngoại sử dụng một nguồn ánh sáng hồng ngoại để phát tín hiệu. Thông thường, nguồn ánh sáng này được sản xuất từ một đèn LED hồng ngoại. Bộ phát tín hiệu này có thể được lắp đặt trực tiếp trên bề mặt cảm biến hoặc nằm ở một vị trí gần cảm biến.

Bộ thu tín hiệu hồng ngoại sử dụng một bộ cảm biến để thu nhận các tín hiệu hồng ngoại và chuyển đổi chúng thành một tín hiệu điện. Bộ cảm biến thường được làm bằng các vật liệu nhạy quang như seleni, germani hoặc indium antimonide. Các tín hiệu thu được từ bộ cảm biến này sau đó được xử lý để xác định các tính chất của tín hiệu hồng ngoại, chẳng hạn như cường độ và tần số.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại là dựa trên khả năng của các vật liệu nhạy quang để hấp thụ các tia hồng ngoại và phát ra một tín hiệu điện. Khi các tia hồng ngoại được phát ra từ nguồn bên ngoài, chúng sẽ bị hấp thụ bởi các vật liệu nhạy quang trong bộ cảm biến. Việc hấp thụ này sẽ dẫn đến việc phát ra một tín hiệu điện có thể đo được, và các tính chất của tín hiệu này sẽ cho phép chúng ta xác định các tính chất của các tia hồng ngoại.

Cấu tạo của thiết bị cảm biến tia IR bao gồm: 

Trong nguyên tắc hoạt động của cảm biến hồng ngoại cũng được phân loại theo hai nguyên tắc chính của cảm biến hồng ngoại chủ động - cảm biến hồng ngoại thụ động.

- Cảm biến hồng ngoại chủ động: Sử dụng một bóng đèn LED để phát ra tia sáng hồng ngoại và cảm biến hồng ngoại. Hoạt động khi tia sáng gặp vật thể lạ, tia hồng ngoại sẽ bật ngược lại và sẽ đi vào cảm biến hồng ngoại.

- Cảm biến hồng ngoại thụ động: Sử dụng thấu kính Fresnel để phát hiện ra tia hồng ngoại từ vật thể. Cách hoạt động này có thể hiểu như việc cảm biến nhiệt điện vậy.

Sơ đồ mạch thiết kế cảm biến hồng ngoại

Dưới đây là sơ đồ mạch thiết kế của cảm biến hồng ngoại:

Như trong sơ đồ, bộ phát tín hiệu hồng ngoại là một LED hồng ngoại được kết nối với đầu vào của transistor NPN. Điều này cho phép dòng chạy qua LED và tạo ra ánh sáng hồng ngoại.

Bộ thu tín hiệu hồng ngoại bao gồm một bộ cảm biến hồng ngoại và một op-amp. Bộ cảm biến hồng ngoại được kết nối đến đầu vào không đổi của op-amp. Op-amp được cấu hình là một bộ khuếch đại không đổi, và đầu ra của nó được kết nối đến đầu vào âm của một bộ so sánh.

Bộ so sánh này sẽ so sánh mức đầu ra của op-amp với một điện áp ngưỡng được đặt trước. Nếu mức đầu ra của op-amp cao hơn điện áp ngưỡng, bộ so sánh sẽ cho ra một tín hiệu kích hoạt để báo hiệu rằng đã phát hiện được tín hiệu hồng ngoại.

Điện áp ngưỡng và các giá trị linh kiện khác trong mạch có thể được điều chỉnh để phù hợp với ứng dụng cụ thể của cảm biến hồng ngoại.

Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong cuộc sống như:

• Dùng trong thiết bị chống trộm ngăn kẻ gian vào nhà.

• Cảm biến hồng ngoại dùng để bật tắt đèn.

• Sử dụng trong các thiết bị nhìn đêm.

• Cảm biến hồng ngoại đo nhiệt độ.

• Cảm biến hồng ngoại dùng để đếm sản phẩm giúp tiết kiệm thời gian.

• Ứng dụng trong quân sự như “ tên lửa tầm nhiệt”.

• Cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong những thiết bị như điện thoại thông minh , đồng hồ thông minh,...

Trên đây là những thông tin về cảm ứng hồng ngoại , cấu tạo và cách phân loại của cảm ứng hồng ngoại. Mong rằng những thông tin mà Điện Tử Số chia sẻ giúp các bạn hiểu rõ về cảm ứng hồng ngoại, để thiết lập mạch cảm biến hồng ngoại một cách an toàn , hiệu quả.