CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TIA HỒNG NGOẠI VÀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI 1.1 Cơ sở lý thuyết về tia hồng ngoại 1.1 Khái niệm về tia hồng ngoại Tia hồng ngoại hay bức xạ hồng ngoại, là một loại năng lượng bức xạ mà mắt người không nhìn thấy được nhưng chúng ta có thể cảm nhận được dưới dạng nhiệt. Tất cả các vật thể trong vũ trụ đều phát ra một mức bức xạ IR nào đó, nhưng hai nguồn rõ ràng nhất là mặt trời và lửa. Tia hồng ngoại là tia bức xạ có bước sóng nằm trong khoảng 700 nm – 1 mm.
Tia hồng ngoại có bước sóng dài hơn bước sóng của ánh sáng nhìn thấy nhưng lại ngắn hơn bước sóng viba ( bước sóng của lò vi sóng). Trong đó, tia hồng ngoại có tần số 300 GHz – 300 MHz, năng lượng của photon dao động ở khoảng 1.2 Đặc điểm của tia hồng ngoại Tia hồng ngoại cũng như ánh sáng thông thường đều có bản chất là sóng điện tử. Nên về tính chất nó sẽ tuân theo định luật là truyền thẳng, phản xạ, khúc xạ và cũng gây được hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường. Tia hồng ngoại có đặc trưng nổi bật nhất là tác dụng nhiệt.
Thế nên ngoài tên là tia hồng ngoại ra, đôi khi nó còn được gọi với cái tên là “tia nhiệt”. Vì là bức xạ ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường nên con người chỉ có thể cảm nhận tia hồng ngoại dưới dạng nhiệt hoặc muốn thầy thì phải dùng các dụng cụ chuyên dụng. Chẳng hạn như kính nhìn ban đêm hoặc máy ảnh hồng ngoại — cho phép chúng ta "nhìn thấy" sóng hồng ngoại phát ra từ các vật thể ấm áp như người và động vật. Sau đây là hình ảnh về thang sóng điện từ, là tập hợp các loại sóng điện từ được sắp xếp theo thứ tự bước sóng tăng dần (hay tần số giảm dần).
Đồng nghĩa với việc năng lượng sẽ giảm dần. 1 Hình TỔNG QUAN VỀ TIA HỒNG NGOẠI VÀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI.1 Thanh đo sóng điện từ Bước sóng tia UV ngắn hơn bước sóng ánh sáng tím. Bước sóng tia hồng ngoại dài hơn bước sóng của ánh sáng đỏ.3 Ứng dụng của tia hồng ngoại trong thực tế a) Dùng trong các thiết bị điện gia đình. Sử dụng trong các bộ điều khiển từ xa như điều khiển tivi, điều hòa, điều khiển đèn, dàn âm thanh,.
Dùng làm bếp điện, lò nướng vi sóng sử dụng bức xạ hồng ngoại để dẫn nhiệt. Đèn cảm ứng: nhận tín hiệu hồng ngoài từ thân nhiệt của con người để hoạt động bật/ tắt đèn. Dùng trong phòng tắm hơi làm máy sưởi ẩm. Ứng dụng của tia hồng ngoại trong hệ thống lọc nước,sưởi ấm, sấy khô b) Thiết bị nhìn ban đêm Tia hồng ngoại còn được ứng dụng vào thiết bị nhìn đêm như camera hồng ngoại, đống nhòm, đèn pha,.
giúp chúng ta quan sát được trong môi 2 trường có cường độ ánh sáng yếu, được dùng rộng rãi trong quân sự cũng như đời sống hằng ngày. c) Cảm biến hồng ngoại Bạn dễ dàng thấy tại các cửa sân bay, trung tâm thương mại, nhà hàng luôn có cửa kính đóng mở tự động từ xa. Đây chính là ứng dụng của cảm biến hồng ngoại. Loại cảm biến này giúp phát hiện sự hiện diện của con người, từ đó kích hoạt hệ thống đóng/mở cửa.
d) Ứng dụng trong y học Không giống như tia cực tím - có tác động gây hại đến các mô và tế bào của cơ thể - ánh sáng hồng ngoại giúp các tế bào tự tái tạo hoặc sửa chữa. Chúng còn hỗ trợ cải thiện lưu thông máu, thúc đẩy quá trình chữa lành các mô sâu và giảm đau nhanh hơn. Vậy trong y học, ánh sáng tia hồng ngoại là một trong những liệu pháp cải tiến để điều trị các căn bệnh đau cấp tính hoặc mãn tính khác nhau, bao gồm đau lưng, viêm khớp, chấn thương nặng, căng cơ, đau cổ, đau lưng, bệnh thần kinh do tiểu đường, viêm khớp dạng thấp, đau khớp thái dương hàm (TMJ), viêm gân, vết thương, đau thần kinh tọa và vết mổ. Tia hồng ngoại sử dụng các bước sóng ánh sáng nhất định được đưa đến các vị trí bị thương trên cơ thể.
Ánh sáng hồng ngoại sẽ thâm nhập vào bên dưới các lớp da, kích thích tái tạo và sửa chữa các mô bị thương, giảm đau và viêm. Ngoài ra, tia hồng ngoại rất an toàn và hiệu quả, không có tác dụng phụ. Trên thực tế, ánh sáng hồng ngoại an toàn và được sử dụng ngay cả cho trẻ sơ sinh trong chăm sóc đặc biệt sơ sinh.2 Tổng quan về cảm biến hồng ngoại 1.1 Khái niệm về cảm biến hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại theo tên Tiếng Anh là Infrared Sensor (IR Sensor), đây là một thiết bị điện tử có khả năng phát/thu nhận trong một phạm vi các bức xạ hồng ngoại – bức xạ điện từ có bước sóng lớn hơn ánh sáng khả kiến. Do vậy, 3 bất cứ vật thể gì phát ra mức nhiệt lớn hơn 5 độ C đều phát ra bước sóng hồng ngoại.
Đa số các cảm biến hồng ngoại hiện nay được ứng dụng trong nhận diện chuyển động của người hoặc vật, khi đối tượng đi vào phạm vi cảm biến. Do vậy cảm biến hồng ngoại thông thường còn được gọi là cảm biến chuyển động.2 Phân loại cảm biến hồng ngoại phổ biến. a) Cảm biến chủ động (AIR) Cảm biến chủ động không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt Có cấu tạo gồm diode phát sáng (LED) và máy thu.
Khi một vật thể đến gần cảm biến, thiết bị sẽ chủ động phát ra ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED và phản xạ vào vật thể trở lại mà người nhận có thể nhận thấy được. Ứng dụng này thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật (như trong robot). b) Cảm biến thụ động (PIR) Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược.
Thiết bị không thể phát ra bức xạ hồng ngoại mà chỉ có thể phát hiện được bức xạ phát ra từ các vật thể khác như người, độc vật hoặc nguồn nhiệt. Cảm biến hồng ngoại thụ động sẽ phát hiện vật thể phát bức xạ hồng ngoại và chuyển tín hiệu thành báo động. Vì vậy người ta gọi đó là thụ động, chỉ phát hiện chứ không phải là nguồn phát ra tia hồng ngoại.3 Ưu nhược điểm của cảm biến hồng ngoại và ứng dụng Cảm biến hồng ngoại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống, sản xuất công nghiệp. Cụ thể có thể kể đến như: thiết bị chống trộm, cảm biến bật tắt đèn tự động, camera giám sát quay trong điều kiện thiếu sáng, cảm biến đóng mở cửa tự động, truyền tín hiệu bật tắt tự động… Ngoài ra, cảm biến hồng 4 ngoại còn ứng dụng nhiều trong y học, quân sự, thiên văn và cả nghệ thuật.
Cảm biến hồng ngoại có những ưu điểm nổi bật như: 1. Cảm biến hồng ngoại có độ nhạy cao trong xác định vật thể phát ra bức xạ hồng ngoại trong không gian. Thiết kế cảm biến cho phép xác định khoảng cách chính xác của vật thể phát bức xạ hồng ngoại. Thiết kế và cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ.
Hạn chế của cảm biến hồng ngoại: 1. Cảm biến hồng ngoại phụ thuộc nhiều vào điều kiện nhiệt độ môi trường. Với những môi trường có nhiệt độ cao, cảm biến sẽ hoạt động kém hiệu quả. Góc và phạm vi quét cảm biến hồng ngoại hạn chế, nhiều góc chết.
Độ nhạy cao nên dễ nhầm lẫn khi phát hiện ra chuyển động.3 Tổng quan về thiết bị điều khiển bằng tia hồng ngoại 1.1 Thiết bị điểu khiển từ xa IR Remote a) Cấu tạo Cấu tạo của một điều khiển từ xa (IR remote) thường bao gồm các thành phần chính sau: 1. Mạch điều khiển Thường là một vi xử lý hoặc vi mạch giúp điều khiển các chức năng của remote. Bảng phím Gồm các nút bấm cho phép người dùng tương tác, như bật/tắt, điều chỉnh âm lượng, chọn kênh, v. Cảm biến hồng ngoại (IR LED) Phát ra tín hiệu hồng ngoại khi người dùng nhấn nút.
Tín hiệu này được mã hóa thành một chuỗi để thiết bị nhận biết. Nguồn điện Thường sử dụng pin (AA, AAA hoặc pin lithium) để cung cấp năng lượng cho 5 remote. Mạch thu phát hồng ngoại Bao gồm một IR receiver ở thiết bị nhận (như TV hoặc đầu DVD) để tiếp nhận tín hiệu từ remote. Vỏ điều khiển Chất liệu nhựa, bảo vệ các linh kiện bên trong và tạo cảm giác cầm nắm cho người dùng.
b) Nguyên lý hoạt động IR remote hoạt động dựa trên nguyên lý truyền tín hiệu hồng ngoại từ bộ phát (Remote) đến bộ nhận (Thiết bị điện tử). Khi bạn nhấn một nút trên điều khiển, một diode phát hồng ngoại (IR LED) sẽ phát ra tín hiệu hồng ngoại theo dạng xung ánh sáng. Tín hiệu này chứa các lệnh mã hóa dưới dạng các chuỗi bit nhị phân, được thiết bị nhận giải mã và thực thi. Mỗi lệnh tương ứng với một hành động cụ thể, chẳng hạn như tăng âm lượng, chuyển kênh hoặc tắt mở thiết bị.
Tín hiệu hồng ngoại là một loại ánh sáng không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng có khả năng truyền tải thông tin với độ chính xác cao. Để tín hiệu này được nhận đúng, điều khiển cần được hướng thẳng vào bộ nhận của thiết bị. Điều này là do ánh sáng hồng ngoại không thể xuyên qua các vật cản như tường hay đồ nội thất và cũng bị giới hạn bởi khoảng cách từ remote đến thiết bị nhận, thường không vượt quá 10 mét.2 Thiết bị nhận tín hiệu IR Receiver a) Cấu tạo IR receiver (bộ thu hồng ngoại) thường bao gồm các thành phần chính sau: - Diode hồng ngoại (Photodiode hoặc Phototransistor): Nhận tín hiệu hồng ngoại từ điều khiển từ xa. - Bộ khuếch đại (Amplifier): Tăng cường tín hiệu nhận được để dễ dàng xử lý.
- Mạch giải mã (Demodulator): Phân tích tín hiệu và loại bỏ tần số không 6 mong muốn. - Mạch điều khiển (Microcontroller hoặc Logic Circuit): Chuyển đổi tín hiệu thành các lệnh điều khiển b) Nguyên lý hoạt động Đầu tiên, điều khiển từ xa phát ra tín hiệu hồng ngoại, thường là một sóng mang với tần số chuẩn khoảng 38 kHz. Khi tín hiệu này được phát ra, diode hồng ngoại trong bộ thu nhận tín hiệu hồng ngoại sẽ tiếp nhận và chuyển đổi tín hiệu thành một tín hiệu điện áp tương ứng.