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

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO
BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI :TÌM HIỂU CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ
CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
Giảng viên hướng dẫn :

T.S PHẠM VĂN HÀ

Nhóm

:

6

Sinh viên thực hiện

:

Lê Ngọc Hưng

0741360114

Đào Khắc Vững

0741360125

Nguyễn Đình Quân

0741360160

Hà Nội 5 /2016

1


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, các thiết bị hay các mạch cảm biến đang được sử dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực như: điều khiển, tự động hóa, đo đạc, truyền thông. Quân sự, Quốc
phòng, y tế, xã hội... 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 các cảm biến
có các ưu điểm như: nhỏ gọn, ít tốn năng lượng, thời gian đáp ứng nhanh, có thể lập
trình được...
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
thế cho 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 ”.
Dưới sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy Phạm Văn Hà cùng với sự cố gắng
nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hoàn thành đề tài đúng thời
gian cho phép. Tuy nhiên do thời gian hạn chế, cũng như với tầm hiểu biết có hạn
nên chúng em không tránh khỏi sai sót. Vì vậy chúng em rất mong nhận được nhiều
ý kiến đánh giá, góp ý của thầy giáo và các bạn để chúng em có thể hoàn thiện thêm
đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

2

Mục lục

3


PHẦN I: MỞ ĐẦU
1. Tên đề tài
Tìm hiểu về cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại và cách dùng

2 . Lý do chọn đề tài
Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão. Hệ thống công nghệ cảm
biến, đo lường và điều khiển đã làm thay đổi sâu sắc toàn bộ hoạt động sản
xuất của con người. Công nghệ cảm biến đã và đang thay thế dần các kỹ thuật
tương tự và còn đóng vai trò then chốt trong cuộc cách mạng kỹ thuật và công
nghệ. Song song với sự phát triển thần kì của cuộc cách mạng khoa học – công
nghệ cảm biến đã dần dần có mặt trong hầu hết tất cả các trong lĩnh vực của
đời sống như: Khoa học công nghệ, Quân sự, Y tế, Giáo Dục, Điều Khiển, Rô
Bốt, Người máy, Quốc phòng… Nó nhỏ gọn, tiện lợi, giải quyết khối lượng
công việc lớn, giảm kích thước của các mạch điện tử đồng thời chúng có nhiều
tính năng và độ chính xác cao. Có thể nói rằng công nghệ cảm biến là cuộc
cách mạng trong ngành kỹ thuật điện tử.
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

4


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 biến
đổi 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

5


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.

6


1.2CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM
Vỏ bên ngoài
Hốc cộng hưởng
Đìa kim loại
Lớp gốm áp điện
Đê cách điện

Dây dân

vỏ kim loại

Lớp gốm áp điện
Dây dẫn

Đe bảo vệ

Lớp vật liệu đệm

Cáp dẫn

Cấu trúc cảm biến siêu âm hở

7


Cấu trúc cảm biến siêu âm kín
Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính
1/Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm
2/bộ phận so sánh
3/mạch phát hiện
4/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 khoảng
cách, 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 cảm
biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến cảm biến.

1.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Cảm biến có 2 phần chính: phần phát ra sóng
siêu âm phản xạ về

siêu âm và phần thu sóng

8


Kĩ thuật cảm thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc âm thanh là
hằng số.thời gian sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại
liên hệ trực tiếp đến độ dài quảng đường.vì vậy cảm biến siêu âm thường được
dùng trong các ứng dụng đo khoảng cách.

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 kim
loại). Lớp vật liệu áp điện dính trên khối rung sẽ rung theo, từ đó một dòng điện
được 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 của
cảm biến,với tần số 50khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới
10m hoặc hơn,với tần số 200khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở
mức 1m. Vùng hoạt động:là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn nhất và
khoảng cách nhỏ nhất. Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng
gần cảm biến gọi là khu vực mù. Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát
hiện quyết định khoảng cách phát hiện lớn nhất (vật xốpCảm biến siêu âm có
thể 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 cách
phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng. Ngoài ra để cảm biến siêu âm
không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm

9


biến,người ta có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạ
lại sóng âm thanh
Xác định khoảng cách
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu
một 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 với
sai 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 ứng
nhân 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, dường
như 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.

10


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 trong
khoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong
những điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta chế tạo các loại cảm biến
siêu 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 động
nhanh
+ 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

11


+ Cảm biến siêu âm với cả hai giao diện I2C với nối tiếp thuật toán
AutotuneMới 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 phân
chia.Dễ dàng kết nối với USB chủ với module USBI2C tự động nhờ các bus
USB.
Cảm biến siêu âm SRF04:

Hình 3 Cảm biến siêu âm SRF04
+ Điện áp: Nguồn 5V

+ Dòng: 30mA
+Tần số: 40khz
+ Phạm vi làm việc: 3cm-3m
+ Đầu vào kích khởi: 10uS Min.Mức xung TTL
+Kích thước: 43mm×20mm×17mm
Cảm biến siêu âm SRF05:

Hình 4. Cảm biến siêu âm SRF05
+ Điện áp: Nguồn 5V
+ Dòng: 4mA
+Tần số: 40khz
+ Phạm vi hoạt động: 3cm- 4m
+ Loại: 2 chế độ hoạt động
+ 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:

12


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

13


- Là một thiết bị định vị nhỏvới một cặp chuyển đổi khí dùng trong công
nghiệp, cung cấp một tia hẹp 15˚ và chu kỳ ngắn đạt tới tần số 100Hz, làm
việc 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

14


Cảm biến siêu âm Sick

Cảm biến siêu âm Pepperl Fuchs

15


Cảm biến siêu âm UNDK-30I6103

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

16


Cảm biến siêu âm Carlo Gavazz

Cảm biến siêu âm Warner Electric

Cảm biến siêu âm Omron E4C-UDA - Loại hình trụ Ø18mm bằng kim loại

17

Bảng thông số một số loại cảm biến siêu âm

1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM
ƯU ĐIỂM
- Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển
- Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt
- Không ảnh hưởng bởi màu sắc
- Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách
- Có thể phát hiện vật nhỏ ở khoảng cách xa
NHƯỢC ĐIỂM
- Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm
- Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận
sóng phản hồi  chậm hơn CB khác
- Khó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng cách xa

18


1.6 ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM
Công nghệ cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi trong các khía cạnh
khác nhau của đời sống và hoạt động sản xuất… Một trong những ứng
dụng quan trọng nhất Trong ngành y tế:rada giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ
cấu trúc nội tại của cơ thể, chuẩn đoán chính xác các khối U, thai nhi…
Như ví dụ sau đây minh họa các công nghệ cảm biến siêu âm. Các ứng
dụng của siêu âm trong y học chủ yếu là chẩn đoán bệnh, nó đã trở thành
một phương pháp chẩn đoán lâm sàng không thể thiếu. Lợi thế chẩn đoán
siêu âm là: trên các đối tượng không đau, không có thiệt hại, phương pháp
này là, hình ảnh rõ ràng đơn giản, chẩn đoán và độ chính xác cao. Do đó

thúc đẩy dễ dàng, bởi các nhân viên y tế và bệnh nhân như nhau. Chẩn
đoán siêu âm có thể được dựa trên lý thuyết y tế khác nhau, chúng ta nhìn
vào đó một đại diện của một cái gọi là phương pháp A-type. Phương pháp
này là việc sử dụng phản chiếu siêu âm. Khi truyền sóng siêu âm trong mô
người âm trở gặp phải hai giao diện phương tiện truyền thông khác nhau
được tạo ra tại giao diện phản ánh tiếng vang. Từng gặp phải một bề mặt
phản xạ, tiếng vang trên màn hình hiển thị của máy hiện sóng, và sự khác
biệt trở kháng giữa hai giao diện cũng xác định biên độ của độ vang.
Siêu âm còn được ứng dụng trong gia công kim loại. Sóng siêu âm là sóng
cơ đàn hồi có mang năng lượng có thể làm sạch bề mặt chi tiết trước khi
gia công như: Mạ, hàn…
Các ứng dụng, siêu âm với công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới
với nhau, sẽ có thông minh hơn, cảm biến siêu âm độ nhạy cao.
Trong kĩ thuật đo và kiểm tra công nghiệp: việc đo và phân tích tiếng dội
khi chùm siêu âm được chiếu nên bề mặt kiểm tra giúp cho việc phát hiện
trạng thái bề mặt và các khuyết trật bên trong cấu trúc.Cảm biến siêu âm
còn được dùng để điều khiển mực chất lỏng, đo khoảng cách độ cao hay vị
trí của phiến gỗi trên dây chuyền, Dùng để phát hiện người, phát hiện dây
bị đứt, phát hiện xe… và nhiều ứng dụng quan trong khác trong cuộc
sống.Phát hiện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, quốc phòng, y
sinh học và các khía cạnh khác.Cảm biến siêu âm từ xa có thể được sử
dụng rộng rãi trong mức độ (level) giám sát, robot tránh va chạm, một loạt
thiết bị chuyển mạch gần siêu âm, cũng như
Báo động chống trộm và các lĩnh vực khác có liên quan, đáng tin cậy, dễ
cài đặt, không thấm nước, góc mắt là công cụ màn hình nhỏ, độ nhạy cao,
tiện lợi và công nghiệp
Kết nối, cũng cung cấp một góc độ phát thải lớn của tàu thăm dò.
Link Tham Khảo
/> /> />%91+lo%E1%BA%A1i+c%E1%BA%A3m+bi%E1%BA%BFn+si
%C3%AAu+

%C3%A2m&biw=1360&bih=597&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=

19


0ahUKEwiQmdal_pLMAhVCqqYKHVhDAJEQ_AUIBigB#imgrc=u4v
WJBRq-8uDDM%3A

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
2.1 GIỚI THIỆU
Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong
các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C),
và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng
ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín
hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng
đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn
nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các
nguồn thân nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con
vật...
Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến
nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Tên "hồng ngoại" có nghĩa là "ngoài mức
đỏ", màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường.
Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ánh sáng
Tên
Tia gamma

Bước sóng

Tần số (Hz)

≤ 0,01 nm

≥ 30 EHz

Năng
lượng photon (eV)
124 keV - 300+ GeV

Tia X

0,01 nm - 10 nm

30 EHz - 30 PHz

124 eV - 124 keV

Tia tử ngoại

10 nm - 380 nm

30 PHz - 790 THz

3.3 eV - 124 eV

Ánh sáng
nhìn thấy

380 nm-700 nm

790 THz - 430 THz

1.7 eV - 3.3 eV

Tia hồng
ngoại

700 nm - 1 mm

430 THz - 300 GHz

1.24 meV - 1.7 eV

Vi ba

1 mm - 1 met

300 GHz - 300 MHz

1.7 eV - 1.24 meV

Radio

1 mm - 100000 km

300 GHz - 3 Hz

12.4 feV - 1.24 meV

Vùng ánh sáng mà mắt người thông thường nhìn thấy, được áp đặt gọi là "ánh sáng
khả kiến", có bước sóng 0,38-0,70 μm hay tần số 430-790 THz. Bức xạ hồng ngoại

được định nghĩa có bước sóng từ 0,7 μm (tần số 430 THz) đến 1 mm (300 GHz). Một
số sinh vật có thể nhìn thấy tia hồng ngoại ở vùng gần kề với ánh sáng thường, cũng
như trong một số thí nghiệm thì có người nhìn thấy đến vùng hồng ngoại 1,05 μm.
Tính chất và ứng dụng của tia hồng ngoại:

20


+ Tác dụng nhiệt: những vật hấp thụ tia hồng ngoại sẽ bị nóng lên=> ứng dụng làm
bếp hồng ngoại, làm các thiết bị sấy khô …
+ Gây ra một số phản ứng hóa học lên phim ảnh => chế tạo máy chụp ảnh hồng ngoại
để nhận biết các vật trong đêm tối hoặc nhìn xuyên tường.
+ Tia hồng ngoại có thể biến điệu được như sóng điện từ cao tần => chế tạo điều
khiển từ xa.
+ Tia hồng ngoại được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực quân sự: ống nhòm hồng ngoại
để nhìn vào ban đêm, camera hồng ngoại, tên lửa tầm nhiệt tìm mục tiêu dựa vào tia
hồng ngoại do mục tiêu phát ra.
Nguồn phát tia hồng ngoại: mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0 K đều
phát tia hồng ngoại.

 Cảm biến hồng ngoại (PIR) là cảm biến dùng để phát hiện ra các
đối tượng với nhiệt độ trên không độ tuyệt đối (0K).
PIR là viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ
cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại

Ảnh chụp tia hồng ngoại do con người phát ra. Một số loài động vật như rắn có
khả năng nhìn các động vật thân nhiệt cao giống như một camera hồng ngoại.

2.2 CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI

21


Trên đây là đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân
ra, một chân nối masse, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có
thể từ 3 đến 15V. Góc dò lớn. Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính
Fresnel, nó được thiết kế cho loại đầu có 2 cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng
ngăn tia tử ngoại.

22


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

Hình 1 : Nguyên lý làm việc của cảm biến hồng ngoại
Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia
hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho
tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được
khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm
biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có
biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển
hay báo động

Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các phân tử nhỏ li ti, nhiệt là một dạng năng
lượng tạo ra từ các xao động của các phân tử (hình 2), đó là các chuyển động
hỗn loạn, không trật tự. Từ các xao động này, nó phát ra các tia nhiệt, bằng
cảm giác thông thường của giác quan, con người chúng ta nói đó là sức
nóng. Ở mỗi người nguồn thân nhiệt thường được điều ổn ở mức 37 độ C, đó

23


là nguồn nhiệt mà ai cũng có và nếu dùng linh kiện cảm ứng thân nhiệt, chúng
ta sẽ có thiết bị phát hiện ra người, đó chính là ý tưởng mà người ta chế ra
thiết bị motion detector, điều khiển theo nguồn thân nhiệt chuyển động

24


Người ta kẹp vật liệu pyroelectric giữa 2 bản cực, khi có tác kích của các tia
nhiệt, trên hai 2 bản cực sẽ xuất hiệu tín hiệu điện, do tín hiệu yếu nên cần
mạch khuếch đại.
Trong bộ đầu dò PIR, người ta gắn 2 cảm ứng PIR nằm ngang, và cho nối vào
cực Gate (chân Cổng) của một transistor FET có tính khuếch đại. Khi cảm
biến pyroelectric thứ nhất nhận được tia nhiệt, nó sẽ phát ra tín hiệu và khi
nguồn nóng di chuyển ngang, sẽ đến cảm biến pyroelectric thứ hai nhận được
tia nhiệt và nó lại phát ra tín hiệu điện. Sự xuất hiện của 2 tín hiệu này cho
nhận biết là đã có một nguồn nhiệt di động ngang và mạch điện tử sẽ phát ra
tín hiệu điều khiển. Tín hiệu này có thể dùng tắt mở đèn hay dùng để báo
động khi có kẻ lạ vào nhà
Bây giờ hãy nói đến thiết bị tiêu tụ gôm tia nhiệt rọi trên bề mặt cảm ứng PIR
Chúng ta biết các tia nhiệt phát ra từ thân thể người rất yếu và rất phân tán, để
tăng độ nhậy phải dùng kính có mặt kính lồi tạo chức năng tiêu tụ, quen gọi
là kinh Focus, hình động dưới đây cho thấy các mặt sóng của các tia sáng khi
đi qua một mặt kính lồi đã được cho gôm lại tại một điểm nhỏ, điểm đó gọi là
tiêu điểm vậy nó có nghĩa là điểm nóng, nhiều Bạn dùng kính lúp tạo ra điểm
nóng, điểm nóng này có thể đốt cháy giấy đấy, đó là trò chơi của các bạn nhỏ)

Khuyết điểm của loại kính hội tụ dùng mặt lồi thông thường là khi mặt kính

mở rộng, điểm tiêu tụ sẽ không nằm ở một chổ, người ta cho hiệu chỉnh sai
lệch này bằng mặt kính Fresnel (Bạn xem hình, các mặt cong ở xa trục quang
đã được chỉnh lại). Bạn thấy khi ở xa trục quang học, độ cong của mặt kính
được hiệu chỉnh lại, với cách làm này, chúng ta sẽ có thể hội tụ nhiều tia sáng
tốt hơn, trên một diện tích rộng lớn hơn và như vậy sẽ tăng được độ nhậy cao
hơn và có góc dò rộng hơn kinh Fresnel.

25