Cảm biến hồng ngoại

CẢM BIẾN IR

NGÀY 2 THÁNG 2 NĂM 2015BỞI QUẢN TRỊ VIÊN 27 BÌNH LUẬN


Mục lục
Giới thiệu
Các loại cảm biến hồng ngoại
Máy phát hồng ngoại
IR nhận
Nguyên tắc làm việc
Mạch cảm biến chướng ngại vật hoặc mạch cảm biến hồng ngoại
Phân biệt màu đen và màu trắng
Bài viết liên quan:
Giới thiệu

Công nghệ hồng ngoại giải quyết rất nhiều ứng dụng không dây. Các lĩnh vực chính là cảm biến và điều khiển từ xa. Trong phổ điện từ, phần hồng ngoại được chia thành ba vùng: vùng hồng ngoại gần, vùng hồng ngoại giữa và vùng hồng ngoại xa.



Các bước sóng của các khu vực này và các ứng dụng của chúng được hiển thị dưới đây.
Vùng hồng ngoại gần - 700nm đến 1400 nm - Cảm biến hồng ngoại, cáp quang
Vùng hồng ngoại giữa - 1400 nm đến 3000nm - Cảm biến nhiệt
Vùng hồng ngoại xa - 3000nm đến 1 mm - Hình ảnh nhiệt

Dải tần của hồng ngoại cao hơn lò vi sóng và nhỏ hơn ánh sáng nhìn thấy.

Đối với cảm biến quang và truyền thông quang học, các công nghệ quang học ảnh được sử dụng ở vùng hồng ngoại gần vì ánh sáng ít phức tạp hơn RF khi được thực hiện như một nguồn tín hiệu. Truyền thông không dây quang được thực hiện với truyền dữ liệu IR cho các ứng dụng tầm ngắn.

Một cảm biến hồng ngoại phát ra và / hoặc phát hiện bức xạ hồng ngoại để cảm nhận môi trường xung quanh.

Hoạt động của bất kỳ cảm biến hồng ngoại nào được điều chỉnh bởi ba định luật: Luật bức xạ của Planck, luật Stephen - Boltzmann và luật Dịch chuyển của Vienna.

Định luật Planck tuyên bố rằng mọi vật thể phát ra bức xạ ở nhiệt độ không bằng 0 0 KÊ. Định luật Stephen - Boltzmann tuyên bố rằng, ở tất cả các bước sóng, tổng năng lượng phát ra từ một vật thể màu đen tỷ lệ thuận với năng lượng thứ tư của nhiệt độ tuyệt đối. Theo định luật dịch chuyển của Wien, đường cong bức xạ của vật thể màu đen ở các nhiệt độ khác nhau sẽ đạt cực đại ở bước sóng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ.

Khái niệm cơ bản của Cảm biến hồng ngoại được sử dụng làm đầu dò Vượt chướng ngại vật là truyền tín hiệu hồng ngoại, tín hiệu hồng ngoại này dội lên từ bề mặt của vật thể và tín hiệu được nhận tại máy thu hồng ngoại.



Có năm yếu tố cơ bản được sử dụng trong một hệ thống phát hiện hồng ngoại điển hình: nguồn hồng ngoại, môi trường truyền dẫn, thành phần quang học, máy dò hoặc máy thu hồng ngoại và xử lý tín hiệu. Laser hồng ngoại và đèn LED hồng ngoại có bước sóng cụ thể có thể được sử dụng làm nguồn hồng ngoại. Ba loại phương tiện chính được sử dụng để truyền hồng ngoại là chân không, khí quyển và sợi quang. Các thành phần quang học được sử dụng để tập trung bức xạ hồng ngoại hoặc để hạn chế phản ứng phổ.

Các thấu kính quang học làm từ Quartz, Germanium và Silicon được sử dụng để tập trung bức xạ hồng ngoại. Máy thu hồng ngoại có thể là photodiod, phototransistors, vv một số thông số kỹ thuật quan trọng của máy thu hồng ngoại là độ nhạy sáng, khả năng phát hiện và công suất tương đương nhiễu. Việc xử lý tín hiệu được thực hiện bởi các bộ khuếch đại vì đầu ra của đầu dò hồng ngoại rất nhỏ.

TRỞ LẠI ĐẦU TRANG
Các loại cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại có thể bị động hoặc chủ động. Cảm biến hồng ngoại thụ động về cơ bản là máy dò hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại thụ động không sử dụng bất kỳ nguồn hồng ngoại nào và phát hiện năng lượng phát ra từ các chướng ngại vật trong trường quan sát. Chúng có hai loại: lượng tử và nhiệt. Cảm biến hồng ngoại nhiệt sử dụng năng lượng hồng ngoại làm nguồn nhiệt và không phụ thuộc vào bước sóng. Cặp nhiệt điện, máy dò nhiệt điện và máy đo lực kế là loại phổ biến của máy dò hồng ngoại nhiệt.

Máy dò hồng ngoại loại lượng tử cung cấp hiệu suất phát hiện cao hơn và nhanh hơn máy dò hồng ngoại loại nhiệt. Độ nhạy sáng của máy dò loại lượng tử phụ thuộc vào bước sóng. Máy dò loại lượng tử được phân loại thành hai loại: loại bên trong và loại bên ngoài. Máy dò lượng tử loại xâm nhập là tế bào quang dẫn và tế bào quang điện.

Cảm biến hồng ngoại hoạt động bao gồm hai yếu tố: nguồn hồng ngoại và đầu dò hồng ngoại. Nguồn hồng ngoại bao gồm một đèn LED hoặc laser hồng ngoại. Máy dò hồng ngoại bao gồm photodiod hoặc phototransistors. Năng lượng phát ra từ nguồn hồng ngoại được phản xạ bởi một vật thể và rơi vào máy dò hồng ngoại.



TRỞ LẠI ĐẦU TRANG
Máy phát hồng ngoại

Máy phát hồng ngoại là một diode phát sáng (LED) phát ra bức xạ hồng ngoại. Do đó, chúng được gọi là IR LED. Mặc dù một đèn LED IR trông giống như một đèn LED bình thường, bức xạ phát ra từ nó là vô hình đối với mắt người.

Hình ảnh của một đèn LED hồng ngoại điển hình được hiển thị dưới đây.



Có nhiều loại máy phát hồng ngoại khác nhau tùy thuộc vào bước sóng, công suất đầu ra và thời gian đáp ứng của chúng.

Một máy phát hồng ngoại đơn giản có thể được xây dựng bằng đèn LED hồng ngoại, điện trở giới hạn dòng điện và nguồn điện. Sơ đồ của một máy phát IR điển hình được hiển thị dưới đây.



Khi hoạt động ở nguồn cung cấp 5V, bộ phát IR tiêu thụ khoảng 3 đến 5 mA dòng điện. Máy phát hồng ngoại có thể được điều chế để tạo ra một tần số cụ thể của ánh sáng hồng ngoại. Điều chế được sử dụng phổ biến nhất là điều chế OOK (ON - OFF - KEYING).

Máy phát hồng ngoại có thể được tìm thấy trong một số ứng dụng. Một số ứng dụng yêu cầu nhiệt hồng ngoại và nguồn hồng ngoại tốt nhất là máy phát hồng ngoại. Khi các bộ phát hồng ngoại được sử dụng với Quartz, pin mặt trời có thể được chế tạo.

TRỞ LẠI ĐẦU TRANG
IR nhận

Máy thu hồng ngoại cũng được gọi là cảm biến hồng ngoại khi chúng phát hiện bức xạ từ máy phát hồng ngoại. Máy thu hồng ngoại có dạng photodiod và phototransistors. Photodiodes hồng ngoại khác với điốt ảnh thông thường vì chúng chỉ phát hiện ra bức xạ hồng ngoại. Hình ảnh của một máy thu IR điển hình hoặc photodiode được hiển thị bên dưới.



Các loại máy thu hồng ngoại khác nhau tồn tại dựa trên bước sóng, điện áp, gói, v.v. Khi được sử dụng trong tổ hợp máy phát hồng ngoại - máy thu, bước sóng của máy thu phải phù hợp với máy phát.

Một mạch thu hồng ngoại điển hình sử dụng phototransistor được hiển thị bên dưới.



Nó bao gồm một phototransistor IR, một diode, MOSFET, chiết áp và đèn LED. Khi phototransistor nhận được bất kỳ bức xạ hồng ngoại nào, dòng điện chạy qua nó và MOSFET sẽ bật. Điều này lần lượt làm sáng đèn LED hoạt động như một tải. Chiết áp được sử dụng để kiểm soát độ nhạy của phototransistor.

TRỞ LẠI ĐẦU TRANG
Nguyên tắc làm việc

Nguyên lý của một cảm biến hồng ngoại hoạt động như một cảm biến phát hiện đối tượng có thể được giải thích bằng hình dưới đây. Một cảm biến hồng ngoại bao gồm một đèn LED IR và một Photodiode hồng ngoại; cùng nhau, chúng được gọi là Photo - Coupler hoặc Opto - Coupler.



Khi máy phát hồng ngoại phát ra bức xạ, nó đến được vật thể và một số bức xạ phản xạ lại máy thu hồng ngoại. Dựa trên cường độ thu của máy thu hồng ngoại, đầu ra của cảm biến được xác định.

TRỞ LẠI ĐẦU TRANG
Mạch cảm biến chướng ngại vật hoặc mạch cảm biến hồng ngoại

Một mạch cảm biến hồng ngoại điển hình được hiển thị dưới đây.



Nó bao gồm một đèn LED IR, photodiode, chiết áp, bộ khuếch đại hoạt động IC và đèn LED.

IR LED phát ra ánh sáng hồng ngoại. Photodiode phát hiện ánh sáng hồng ngoại. Một IC Op - Amp được sử dụng làm bộ so sánh điện áp. Chiết áp được sử dụng để hiệu chỉnh đầu ra của cảm biến theo yêu cầu.

Khi ánh sáng phát ra từ IR LED là sự cố trên photodiode sau khi chiếu vào một vật thể, điện trở của photodiode rơi xuống từ một giá trị rất lớn. Một trong những đầu vào của op - amp nằm ở giá trị ngưỡng được đặt bởi chiết áp. Đầu vào khác của op-amp là từ điện trở sê-ri của photodiode. Khi bức xạ tới nhiều hơn trên photodiode, điện áp rơi trên điện trở loạt sẽ cao. Trong IC, cả điện áp ngưỡng và điện áp trên điện trở nối tiếp đều được so sánh. Nếu điện áp trên chuỗi điện trở đến photodiode lớn hơn điện áp ngưỡng, thì đầu ra của IC Op - Amp cao. Khi đầu ra của IC được kết nối với đèn LED, nó sẽ sáng lên. Điện áp ngưỡng có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh chiết áp tùy thuộc vào điều kiện môi trường.

Vị trí của IR LED và Bộ thu IR là một yếu tố quan trọng. Khi đèn LED IR được giữ trực tiếp trước bộ thu IR, thiết lập này được gọi là Tỷ lệ trực tiếp. Trong trường hợp này, gần như toàn bộ bức xạ từ đèn LED IR sẽ rơi vào máy thu hồng ngoại. Do đó, có một đường truyền thông tầm nhìn giữa máy phát hồng ngoại và máy thu. Nếu một vật rơi trong đường thẳng này, nó cản trở bức xạ đến được máy thu bằng cách phản xạ bức xạ hoặc hấp thụ bức xạ.

TRỞ LẠI ĐẦU TRANG
Phân biệt màu đen và màu trắng

Điều phổ biến là màu đen hấp thụ toàn bộ sự cố bức xạ trên đó và màu trắng phản ánh toàn bộ sự cố bức xạ trên nó. Dựa trên nguyên tắc này, định vị thứ hai của cặp cảm biến có thể được thực hiện. IR LED và photodiode được đặt cạnh nhau. Khi máy phát hồng ngoại phát ra bức xạ hồng ngoại, do không có đường tiếp xúc trực tiếp giữa máy phát và máy thu, bức xạ phát ra phải phản xạ trở lại photodiode sau khi chạm vào bất kỳ vật thể nào. Bề mặt của vật thể có thể được chia thành hai loại: bề mặt phản chiếu và bề mặt không phản chiếu. Nếu bề mặt của vật thể có tính chất phản chiếu, tức là nó có màu trắng hoặc màu sáng khác, phần lớn sự cố bức xạ trên nó sẽ bị phản xạ trở lại và chạm tới photodiode. Tùy thuộc vào cường độ của bức xạ phản xạ lại,

Nếu bề mặt của vật thể không phản chiếu trong tự nhiên tức là nó có màu đen hoặc màu tối khác, nó sẽ hấp thụ gần như tất cả các sự cố bức xạ trên nó. Vì không có bức xạ phản xạ, không có sự cố bức xạ trên photodiode và điện trở của photodiode vẫn cao hơn cho phép không có dòng điện chạy qua. Tình huống này tương tự như không có đối tượng nào cả. Cảm biến hồng ngoại được sử dụng nhiều trong các dòng máy đo nhiệt độ hoặc nhiệt kế hồng ngoại đo cơ thể, đo trán, đo tai hoặc đo vật thể.

Các đại diện hình ảnh của các kịch bản trên được hiển thị dưới đây.



Việc định vị và bao quanh máy phát và máy thu hồng ngoại là rất quan trọng. Cả máy phát và máy thu phải được đặt ở một góc nhất định, để việc phát hiện đối tượng xảy ra đúng cách. Góc này là hướng của cảm biến là +/- 45 độ.

Các chỉ thị được hiển thị dưới đây.



Để tránh phản xạ từ các vật thể xung quanh không phải là vật thể, cả máy phát hồng ngoại và máy thu hồng ngoại phải được đặt đúng cách. Nói chung, vỏ được làm bằng nhựa và được sơn màu đen.