1. Khái niệm cảm biến hồng ngoại là gì?

Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor / Infrared Sensor) được hiểu là thiết bị tự động hoạt động dựa trên nguyên tắc điện tử điện dung, có chức năng đo và phát hiện những bức xạ hồng ngoại. Bức xạ hồng ngoại là những nguồn ánh sáng mà mắt của con người không thể nhìn thấy được do bước sóng hồng ngoại rộng hơn ánh sáng khả biến. Khi có bất kỳ vật thể nào phát ra ở mức nhiệt độ lớn hơn 5oC sẽ phát ra bước sóng hồng ngoại.

2. Các loại cảm biến hồng ngoại

Hiện nay có một số loại cảm biến hồng ngoại phổ biến, bao gồm:

• Cảm biến hồng ngoại tiệm cận (Proximity Sensor): Cảm biến này được sử dụng để xác định sự tiếp cận hoặc gần nhau của các đối tượng. Nó thường được sử dụng trong các thiết bị di động để tắt màn hình khi bạn đặt điện thoại gần tai trong cuộc gọi.
• Cảm biến hồng ngoại từ xa (IR Remote Sensor): Loại cảm biến này thường được thấy trên các thiết bị điều khiển từ xa. Cảm biến này phát tín hiệu hồng ngoại để điều khiển các thiết bị như TV, điều hòa nhiệt độ, hoặc máy chơi đĩa DVD từ xa.
• Cảm biến hồng ngoại nhiệt độ (IR Temperature Sensor): Cảm biến này được sử dụng để đo nhiệt độ bề mặt của các vật thể mà chúng hướng vào. Chúng thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp và y tế để đo nhiệt độ cơ thể hoặc bề mặt vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp.
• Cảm biến hồng ngoại dạng hình ảnh (IR Imaging Sensor): Loại cảm biến này có khả năng tạo ra hình ảnh nhiệt độ của các đối tượng. Nó thường được sử dụng trong quân đội, y tế và kiểm tra cơ cấu trong công nghiệp.

Mỗi loại cảm biến hồng ngoại có ứng dụng riêng biệt dựa trên cách nó tương tác với tia hồng ngoại và các đặc tính kỹ thuật của nó, từ đó mang lại đóng góp đáng kể trong cuộc sống hằng ngày.

3. Cấu tạo cảm biến hồng ngoại

Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại sẽ tương tự như cảm biến ánh sáng bao gồm:

• Đèn LED hồng ngoại: Đây là thiết bị được phát ra từ nguồn sáng hồng ngoại.
• Máy dò hồng ngoại: Là thiết bị nhận tín hiệu và phát hiện ra bức xạ hồng ngoại phản xạ trở lại.
• Điện trở: Là thiết bị có tác dụng đi cường độ dòng điện quá lớn chạy quá đèn LED làm cho hệ thống chập cháy.
• Dây điện: Tác dụng chính là kết nối các chi tiết để tạo nên cảm biến hoạt động ổn định.

4. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại có hai dạng chính:

1. Dạng chủ động: Sử dụng đèn LED phát ra tia hồng ngoại và một cảm biến thu nhận tia phản xạ từ vật thể.

2. Dạng thụ động: Cảm biến trực tiếp phát hiện bức xạ hồng ngoại từ các vật thể phát ra do nhiệt. Khi một vật ở gần với cảm biến, ánh sáng từ đèn LED sẽ bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng tạo nên một bước nhảy lớn về cường độ.

Cảm biến hồng ngoại hoạt động nhờ vào đầu dò, bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt. Một cảm biến có 3 chân ra: 1 chân nối masse và 1 chân nối với nguồn volt DC. Nó hoạt động với mức điện áp dao động trong khoảng từ 3 – 15V và góc dò lớn. Để tăng độ nhạy cho đầu dò, người thực hiện sẽ dùng kính Fresnel để ngăn tia tử ngoại.

5. Ưu và nhược điểm của cảm biến hồng ngoại (IR)

Cảm biến hồng ngoại có nhiều ưu điểm quan trọng:

• Khả năng hoạt động trong điều kiện ánh sáng yếu: Cảm biến hồng ngoại hoạt động tốt trong điều kiện thiếu ánh sáng, làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng trong môi trường tối hoặc ban đêm.
• Độ tin cậy cao: Cảm biến hồng ngoại có khả năng phát hiện các vật thể mà không cần tiếp xúc vật lý, giúp giảm nguy cơ hỏng hóc và bảo trì.
• Tính năng không tiếp xúc: Vì không cần tiếp xúc vật lý, cảm biến hồng ngoại thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu sự tiếp xúc tối thiểu nhất như kiểm tra nhiệt độ cơ thể hoặc điều khiển từ xa.
• Tính đa năng: Cảm biến hồng ngoại có nhiều ứng dụng trong cuộc sống, từ điều khiển từ xa, kiểm soát nhiệt độ, đến bảo mật và nhận dạng.
• Tính năng tiết kiệm năng lượng: Cảm biến hồng ngoại thường tiêu thụ ít năng lượng trong quá trình hoạt động, giúp gia tăng tuổi thọ của pin hoặc nguồn cung cấp năng lượng.

Tuy cảm biến hồng ngoại có nhiều ưu điểm, nhưng chúng vẫn tồn tại một số nhược điểm cần chú ý như:

• Giới hạn khoảng cách: Cảm biến hồng ngoại thường có giới hạn về khoảng cách phát hiện, không thể hoạt động hiệu quả ở khoảng cách quá xa.
• Chịu ảnh hưởng bởi môi trường: Các yếu tố môi trường như ánh sáng mặt trời mạnh, mưa, sương mù, hoặc bụi bẩn có thể ảnh hưởng đến cảm biến hồng ngoại, làm giảm đi độ chính xác.
• Khả năng phát hiện vật thể nhỏ: Cảm biến hồng ngoại thường khó hoặc không thể phát hiện các vật thể nhỏ hoặc có hình dạng phức tạp.
• Không thể phát hiện màu sắc: Cảm biến hồng ngoại chỉ phát hiện dựa trên sự phát ra và thu nhận của tia hồng ngoại mà không xem xét màu sắc, điều này có thể làm giới hạn ứng dụng của nó trong một số trường hợp đòi hỏi phát hiện màu sắc cụ thể.

6. Ứng dụng

Cảm biến hồng ngoại được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điều khiển tự động, y tế, thiên văn,... một số ứng dụng cụ thể được trình bày cụ thể dưới đây.

Bật tắt đèn tự động

Cảm biến hồng ngoại (IR) được ứng dụng trong việc bật tắt đèn tự động bằng cách phát hiện sự xuất hiện của người hoặc đối tượng trong phạm vi cảm biến. Khi người hoặc đối tượng đi vào khu vực cảm biến, cảm biến này sẽ gửi tín hiệu tới hệ thống điều khiển để bật đèn, từ đó giúp tiết kiệm năng lượng và tạo sự tiện lợi cho người sử dụng.

Giúp truyền lệnh điều khiển

Cảm biến hồng ngoại thường được sử dụng để giúp truyền lệnh điều khiển trong các thiết bị như điều khiển từ xa, hệ thống điều khiển tivi, hoặc các thiết bị điện tử khác. Khi bạn nhấn nút trên điều khiển, cảm biến IR phát ra tín hiệu hồng ngoại chứa lệnh cụ thể truyền đến thiết bị cần điều khiển, và thiết bị này sau đó nhận dạng tín hiệu và thực hiện lệnh tương ứng. Điều này giúp bạn kiểm soát các thiết bị từ xa thuận tiện.

Cảm biến hồng ngoại giúp sáng tạo thiết bị nhìn đêm

Ví dụ, trong máy ảnh hoặc camera an ninh, cảm biến IR có thể phát ra tia hồng ngoại không thể thấy bằng mắt người, nhưng lại được máy ảnh hoặc camera dùng để nhận diện và ghi lại hình ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc hoàn toàn tối. Điều này giúp nâng cao khả năng quan sát và tăng mức độ an ninh trong các tình huống khó khăn về ánh sáng.

Ứng dụng trong thiên văn

Cảm biến hồng ngoại (IR) cũng được ứng dụng trong thiên văn học để quan sát các ngôi sao, hành tinh và thiên thể xa xôi. Các nhà thiên văn học sử dụng cảm biến IR trong các ống kính thiên văn để thu thập thông tin về các vật thể không gian ở dải bước sóng hồng ngoại, giúp hiểu rõ hơn về sự hình thành và phát triển của vũ trụ.

Ứng dụng trong nghệ thuật chế tác và phục hồi ảnh

Cảm biến hồng ngoại (IR) cũng được sử dụng trong nghệ thuật chế tác và phục hồi ảnh để tạo ra các hiệu ứng độc đáo và tái hiện màu sắc trong ảnh một cách chân thật. Điều này giúp tạo ra những tác phẩm nghệ thuật ấn tượng và độc đáo dựa trên sự sáng tạo của nhiếp ảnh gia và nghệ sĩ.

Ứng dụng trong một số lĩnh vực quan trọng khác

Cảm biến hồng ngoại còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng khác như trong công nghiệp, y tế, an ninh và đặc biệt là trong các hệ thống tự động hóa. Sự linh hoạt và đa dạng của cảm biến IR đã giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm thời gian trong nhiều ứng dụng khác nhau.

‍