Cảm biến hồng ngoại: Cấu tạo và ứng dụng trong công nghiệp

Cảm biến hồng ngoại là một trong những thiết bị số không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại. Nhờ khả năng phát hiện và đo lường nhiệt độ cũng như chuyển động từ xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp, với độ chính xác cao, nó đã mang lại nhiều lợi ích quan trọng trong các ngành công nghiệp và cả các lĩnh vực khác ngoài đời sống. Vậy cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của thiết bị này trong công nghiệp ra sao? Làm thế nào để lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại hiệu quả? Hãy cùng A.I Tech tìm hiểu ngay nhé!

Cảm biến hồng ngoại là gì?

Cảm biến hồng ngoại hay IR sensor  là một thiết bị điện tử dùng để phát hiện và đo lường bức xạ hồng ngoại (IR) từ các vật thể. Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý tiếp nhận và phân tích bức xạ nhiệt hoặc ánh sáng hồng ngoại phát ra, từ đó xác định được nhiệt độ, khoảng cách hoặc chuyển động của vật thể từ xa. Nhờ vậy cũng giống như các loại cảm biến khác, sensor hồng ngoại đã được ứng dụng tích hợp vào nhiều hệ thống tự động hóa công nghiệp và nhiều thiết bị trong đời sống hàng ngày.

Cấu tạo chính của cảm biến hồng ngoại

Cấu tạo chính của cảm biến hồng ngoại bao gồm 3 bộ phận cơ bản: nguồn phát tia hồng ngoại, bộ thu hồng ngoại, và bộ xử lý tín hiệu.

• Nguồn phát tia hồng ngoại: Tùy theo loại cảm biến, mà nguồn phát sẽ được làm bằng LED hồng ngoại hoặc Laser hồng ngoại.
• Bộ thu hồng ngoại: Cùng giống như nguồn phát, tùy vào ứng dụng là bộ phận này có thể được cấu tạo bằng Photodiode hồng ngoại hoặc Phototransistor hoặc Thermopile và Bolometer
• Bộ xử lý tín hiệu: Gồm có bộ khuyêchs đại, bộ lọc và vi mạch xử lý kèm vi mạch điều khiển để phân tích, xử lý tín hiệu đầu vào sau đó xuất ra tín hiệu cụ thể cho các thiết bị khác.

Ngoài ba thành phần chính này, cảm biến hồng ngoại còn có thể bao gồm các linh kiện hỗ trợ khác như vỏ bảo vệ, ống kính hội tụ tia hồng ngoại, điện trở, dây điện,…

Các loại cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại có 2 loại chính là cảm biến chủ động và cảm biến thụ động:

• Cảm biến hồng ngoại chủ động (Active Infrared Sensor): Loại này bao gồm một nguồn phát tia hồng ngoại và một bộ thu.  Khi hoạt động, nó sẽ phát ra tia hồng ngoại, sau đó thu nhận tín hiệu phản xạ từ vật thể. Loại cảm biến này thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật, như trong robot hoặc hệ thống mở cửa tự động.
• Cảm biến hồng ngoại thụ động (Passive Infrared Sensor – PIR): Loại này không phát ra tia hồng ngoại mà chỉ nhận bức xạ hồng ngoại từ các vật thể xung quanh. Khi một vật thể có nhiệt độ khác biệt so với môi trường di chuyển trong phạm vi phát hiện của cảm biến, sự thay đổi bức xạ hồng ngoại sẽ được cảm biến thụ động ghi nhận. PIR thường được dùng trong các hệ thống an ninh và phát hiện chuyển động.

Nguyên lý hoạt động

Gần tương tự như cảm biến laser phát và thu ánh sáng laser, cảm biến hồng ngoại cũng sẽ hoạt động dựa vào việc phát và thu tia hồng ngoại để xác định, đo lường các thông số.

• Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại chủ động: Hoạt động dựa trên nguyên lý phát và thu tia hồng ngoại. Nguồn phát sẽ liên tục phát ra các tia hồng ngoại vào không gian xung quanh.Khi có một vật thể xuất hiện trong phạm vi hoạt động của cảm biến, tia hồng ngoại phát ra sẽ bị phản xạ lại từ bề mặt vật thể. Bộ thu hồng ngoại sẽ nhận các tia phản xạ này. Sau đó tín hiệu phản xạ được bộ thu chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó được khuếch đại và xử lý để xác định hoặc khoảng cách của vật thể.
• Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại thụ động: Cảm biến PIR có một bộ thu hồng ngoại nhạy cảm với bức xạ nhiệt từ các vật thể. Khi một vật thể có nhiệt độ khác biệt so với môi trường di chuyển qua khu vực cảm biến, bức xạ nhiệt từ vật thể đó sẽ thay đổi mức năng lượng bức xạ hồng ngoại mà cảm biến nhận được. Khi có sự thay đổi, một tín hiệu điện sẽ được tạo ra. Tín hiệu điện này sau đó được khuếch đại và xử lý để xác định sự hiện diện và chuyển động của vật thể.

Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại trong công nghiệp

Cảm biến hồng ngoại có nhiều ứng dụng trong công nghiệp nhờ vào khả năng phát hiện và đo lường bức xạ hồng ngoại một cách chính xác. Dưới đây là 3 ứng dụng nổi bật:

1. Kiểm tra và giám sát nhiệt độ: Cảm biến hồng ngoại được sử dụng để đo nhiệt độ của các thiết bị và vật liệu trong quá trình sản xuất. Chúng giúp đảm bảo rằng các quy trình hoạt động ở nhiệt độ tối ưu, ngăn ngừa quá nhiệt hoặc hư hỏng thiết bị. Ví dụ: Giám sát nhiệt độ động cơ, máy móc.
2. Ứng dụng trong tự động hóa: Cảm biến hồng ngoại đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống và giải pháp tự động hóa công nghiệp, giúp tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu sự can thiệp của con người. Ví dụ: Robot công nghiệp sử dụng cảm biến quang hồng ngoại để định vị và tương tác với các vật thể trong quá trình lắp ráp hoặc gia công.
3. Kiểm soát an ninh: Cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong các hệ thống an ninh để phát hiện chuyển động và bảo vệ tài sản. Chúng có thể phát hiện sự hiện diện của con người hoặc vật thể và kích hoạt cảnh báo.

Ngoài trong công nghiệp thì ở trong đời sống hàng ngày, cảm biến hồng ngoại cũng được ứng dụng nhiều trong nhiều thiết bị như: camera an ninh, hệ thống điều khiển ánh sáng tự động, điều khiển từ xa, nhiệt kế hồng ngoại.

Hướng dẫn lắp đặt cảm biến hồng ngoại

Để có thể lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại hiệu quả. A.I Tech sẽ hướng dẫn bạn cách lắp đặt cụ thể:

1. Chuẩn bị trước khi lắp đặt: Lựa chọn cảm biến phù hợp (chủ động hoặc thụ động) theo mục đích sử dụng và môi trường lắp đặt. 
2. Lắp đặt cảm biến hồng ngoại chủ động

• Vị trí lắp đặt: Lắp cảm biến ở nơi có thể bao quát toàn bộ khu vực cần giám sát. Tránh đặt ở nơi có ánh sáng mạnh trực tiếp hoặc nhiễu từ điện. Đặt cảm biến ở độ cao phù hợp với mục đích sử dụng. Ví dụ, đối với hệ thống an ninh, độ cao thường là 2-3 mét.
• Thiết lập khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu: Điều chỉnh khoảng cách sao cho tín hiệu phát ra từ bộ phát có thể phản xạ lại đến bộ thu một cách chính xác.
• Điều chỉnh độ nhạy và góc quét: Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến để phù hợp với khoảng cách đo mong muốn. Đảm bảo cảm biến có thể phát hiện các vật thể ở khoảng cách cần thiết. Cùng với đó hãy kiểm tra góc quét để tránh vùng chết trong phạm vi giám sát.

3. Lắp đặt cảm biến hồng ngoại thụ động (PIR)

• Vị trí lắp đặt: Lắp cảm biến ở nơi có thể nhận tín hiệu hồng ngoại từ các nguồn khác nhau như ánh sáng mặt trời hoặc các vật thể trong môi trường. Tránh đặt ở nơi có ánh sáng mạnh trực tiếp hoặc nguồn nhiệt không mong muốn.
• Điều chỉnh góc quét: Sao cho phù hợp với mục đích sử dụng. Đảm bảo cảm biến có thể phát hiện chuyển động trong toàn bộ khu vực giám sát.

4. Kết nối và thiết lập hệ thống điều khiển: Kết nối cảm biến với nguồn điện và hệ thống điều khiển theo hướng dẫn của nhà sản xuất. Cài đặt các thiết bị điều khiển phù hợp để xử lý tín hiệu cảm biến và thực hiện các chức năng cần thiết như báo động, điều khiển thiết bị, đo lường hoặc ghi nhận dữ liệu.
5. Kiểm tra và bảo trì: Thường xuyên kiểm tra cảm biến để đảm bảo hoạt động tốt và phát hiện sớm các vấn đề rủi ro tiềm ẩn. Giữ cho cảm biến sạch sẽ, tránh bụi bẩn và các vật cản khác làm ảnh hưởng đến hoạt động.

Lời kết

Với những chia sẻ trên đây của A.I Tech, có thể thấy được cảm biến hồng ngoại có trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Với cấu tạo đặc biệt và khả năng ứng dụng đa dạng, từ giám sát nhiệt độ, phát hiện chuyển động, đến kiểm soát quá trình sản xuất, cảm biến hồng ngoại không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình mà còn đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm.

Đây chắc chắn sẽ là thiết bị mà các doanh nghiệp lựa nên chọn và triển khai các giải pháp phù hợp, để đạt được hiệu quả cao trong hoạt động sản xuất và kinh doanh.