Cảm biến hồng ngoại (IR sensor, infrared sensor) là thiết bị điện tử phát hiện hoặc đo bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh để nhận biết vật thể, chuyển động và nhiệt độ mà không cần tiếp xúc. Bài viết trả lời câu hỏi cảm biến hồng ngoại là gì, phân loại chủ động và thụ động, ứng dụng trong nhà máy và đời sống, ưu nhược điểm, cách đấu nối về bộ điều khiển và các lưu ý khi lắp đặt.
1. Cảm biến hồng ngoại là gì?
Cảm biến hồng ngoại (IR sensor) là thiết bị điện tử có khả năng phát hiện và đo bức xạ hồng ngoại, loại bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến nên mắt người không nhìn thấy.
Đây là một nhánh của cảm biến nói chung, hoạt động dựa trên nguyên tắc: mọi vật có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối đều phát ra bức xạ hồng ngoại, vật càng nóng bức xạ càng mạnh. Cảm biến thu bức xạ này, hoặc thu tia hồng ngoại do chính nó phát ra và phản xạ về, rồi chuyển thành tín hiệu điện cho bộ điều khiển.
Tia hồng ngoại được nhà thiên văn William Herschel phát hiện năm 1800. Trong quang phổ, hồng ngoại nằm ngay ngoài vùng ánh sáng đỏ, có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy và ngắn hơn sóng vi ba. Từ "hồng ngoại" nghĩa là "ngoài vùng đỏ", vì đỏ là màu có bước sóng dài nhất trong ánh sáng khả kiến. Cơ thể người và máy móc đang chạy đều là nguồn phát hồng ngoại rõ rệt so với nền xung quanh, đây là cơ sở cho cảm biến phát hiện người và đo nhiệt không tiếp xúc.
2. Phân loại cảm biến hồng ngoại
Theo cách thu tín hiệu, cảm biến hồng ngoại chia thành hai loại: chủ động và thụ động.
2.1 Cảm biến hồng ngoại chủ động
Cảm biến chủ động (active IR sensor) vừa phát vừa thu tia hồng ngoại. Cấu tạo gồm hai phần: LED hồng ngoại phát tia và bộ thu (photodiode hoặc phototransistor). Khi vật thể đi vào vùng phát, tia hồng ngoại phản xạ từ vật về bộ thu; mạch xử lý so mức tín hiệu với ngưỡng và đổi trạng thái ngõ ra. Dạng thu phát độc lập đặt LED và bộ thu đối diện nhau, vật đi qua chắn tia sẽ kích ngõ ra.
Loại chủ động dùng để phát hiện vật, đếm sản phẩm trên băng tải, dò vạch cho robot, phát hiện tay người ở máy sấy tay, vòi nước tự động. Về nguyên lý, đây là một dạng cảm biến quang dùng nguồn sáng hồng ngoại.
2.2 Cảm biến hồng ngoại thụ động
Cảm biến thụ động (PIR, Passive Infrared) không phát tia. Nó chỉ thu bức xạ hồng ngoại do người, động vật hoặc nguồn nhiệt trong vùng quan sát phát ra. Phần tử cảm biến là cặp cảm biến nhiệt điện (pyroelectric) đặt sau thấu kính Fresnel; khi một nguồn nhiệt di chuyển qua các vùng của thấu kính, chênh lệch tín hiệu giữa hai phần tử tạo ra xung, mạch xử lý xác định có chuyển động và kích ngõ ra. Vì chỉ thu chứ không phát nên gọi là thụ động.
2.3 Cảm biến nhiệt hồng ngoại
Nhóm thứ ba là cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc (thermopile, pyrometer hồng ngoại, camera nhiệt). Chúng đo cường độ bức xạ từ bề mặt vật để suy ra nhiệt độ, dùng cho vật đang quay, vật ở xa hoặc quá nóng để gắn đầu dò. Chi tiết ở bài cảm biến nhiệt độ.
| Tiêu chí | Chủ động (active IR) | Thụ động (PIR) | Nhiệt hồng ngoại |
|---|---|---|---|
| Nguồn phát | LED hồng ngoại trong cảm biến | Không, thu bức xạ từ vật | Không, thu bức xạ từ vật |
| Phát hiện | Vật thể có mặt hoặc đi qua, kể cả vật nguội | Chuyển động của nguồn nhiệt (người, động vật) | Nhiệt độ bề mặt |
| Ngõ ra | ON/OFF NPN/PNP, một số loại analog | ON/OFF hoặc rơ-le | 4–20 mA, RS-485, ảnh nhiệt |
| Ứng dụng chính | Đếm sản phẩm, dò vật, dò vạch, vòi tự động | Bật đèn, báo động, phát hiện người vào vùng máy | Giám sát nhiệt lò, động cơ, tủ điện |
3. Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại có mặt ở cả tòa nhà lẫn nhà máy. Các ứng dụng phổ biến:
- Bật tắt đèn tự động: cảm biến PIR kích đèn khi có người vào vùng quét và tắt sau thời gian trễ đặt trước, dùng cho hành lang, kho, nhà vệ sinh nhà xưởng để tiết kiệm điện.
- Chống trộm, báo động: PIR phát hiện người xâm nhập khu vực giám sát ngoài giờ và gửi tín hiệu về tủ báo động hoặc hệ thống camera.
- Mở cửa tự động: cảm biến hồng ngoại chủ động hoặc PIR gắn trên cửa siêu thị, cửa kho phát hiện người tới gần để mở cửa và giữ cửa không đóng khi còn người trong vùng.
3.1 Ứng dụng trong sản xuất
- Đếm sản phẩm và phát hiện vật trên băng tải: cảm biến hồng ngoại chủ động dạng thu phát hoặc phản xạ phát hiện sản phẩm đi qua, tín hiệu đưa về PLC hoặc máy tính công nghiệp để đếm sản lượng, dừng băng tải khi kẹt hàng.
- Dò vạch và tránh vật cản cho robot, AGV: dãy cảm biến hồng ngoại đặt dưới gầm xe đọc vạch dẫn đường; cảm biến phía trước phát hiện vật cản ở cự ly gần.
- An toàn máy: PIR hoặc rào hồng ngoại phát hiện người vào vùng nguy hiểm của máy ép, robot để dừng máy.
- Giám sát nhiệt không tiếp xúc: đo nhiệt độ trục, bạc đạn, lò sấy, thanh cái tủ điện để cảnh báo sớm hỏng hóc.
- Điều khiển từ xa và truyền dữ liệu tầm ngắn: remote hồng ngoại cho thiết bị, cổng IrDA trên máy đo.
4. Ưu nhược điểm khi sử dụng cảm biến hồng ngoại
4.1 Ưu điểm của cảm biến hồng ngoại
- Phát hiện không tiếp xúc, không mài mòn cơ khí, tuổi thọ cao.
- Đáp ứng nhanh, phù hợp đếm sản phẩm tốc độ cao.
- Phân biệt được chuyển động của người với vật nguội (loại PIR), ít báo động giả do rung động hoặc gió so với cảm biến radar.
- Góc cảm ứng có thể điều chỉnh, dùng vách chắn hoặc mặt nạ thấu kính để loại vùng không muốn giám sát.
- Tiêu thụ điện thấp, kích thước nhỏ, giá thành thấp, dễ tích hợp vào thiết bị.
- Không dùng sóng vô tuyến nên không gây nhiễu thiết bị khác và không bị nhiễu bởi sóng vô tuyến.
4.2 Nhược điểm của cảm biến hồng ngoại
- Không xuyên qua vật cản: kính, tường, vách ngăn đều chặn tia hồng ngoại, cảm biến cần đường nhìn thẳng tới vật.
- Góc quét hẹp hơn radar và có điểm mù, nhất là với PIR khi người đi thẳng về phía cảm biến.
- Phụ thuộc nhiệt độ môi trường: khi nhiệt độ nền gần bằng thân nhiệt, PIR giảm độ nhạy rõ rệt.
- Dễ bị nhiễu bởi ánh nắng trực tiếp, đèn halogen, giàn nóng máy lạnh và nguồn nhiệt biến động.
- Bụi, dầu bám trên mặt thấu kính làm giảm cự ly phát hiện; cần lịch vệ sinh trong xưởng nhiều bụi.
- Cự ly phát hiện của loại phản xạ ngắn và phụ thuộc màu, độ bóng bề mặt vật.
5. Cách thiết lập cảm biến hồng ngoại
Phần này mô tả cách đấu nối một cặp cảm biến hồng ngoại chủ động (LED phát và bộ thu rời) vào bộ điều khiển. Với cảm biến công nghiệp đóng gói sẵn, chỉ cần thực hiện bước 5.
Chuẩn bị
- 2 bộ thu hồng ngoại (IR receiver) và 2 LED phát hồng ngoại kèm vỏ định hướng.
- 2 điện trở 2 kΩ hạn dòng cho LED, 2 điện trở 220 Ω cho chân tín hiệu.
- Dây nối nguồn, dây nối đất và dây tín hiệu.
- Bộ điều khiển có ngõ vào số: vi điều khiển, PLC hoặc máy tính công nghiệp có DIO.
Bước 1: Lắp LED vào vỏ định hướng
Đặt LED hồng ngoại vào phần vỏ lớn, ấn chặt rồi lắp nắp nhỏ lên trên. Vỏ định hướng giúp tia phát tập trung và giảm ánh sáng tạp lọt vào bộ thu.
Bước 2: Xác định cực của LED
- Cực dương (anode) là chân dài hơn, phía cạnh tròn của vỏ.
- Cực âm (cathode) là chân ngắn hơn, phía cạnh phẳng.
- Đấu ngược cực sẽ làm hỏng LED; kiểm tra trước khi cấp nguồn.
Bước 3: Đặt bộ thu hồng ngoại
Chân giữa của bộ thu (GND) nối chung đường với cực âm của LED. Hai chân còn lại là nguồn và tín hiệu, xem đúng thứ tự theo tài liệu của linh kiện.
Bước 4: Đặt điện trở hạn dòng
LED hồng ngoại vẫn là LED và cần điện trở hạn dòng nối tiếp. Điểm cần lưu ý là tia hồng ngoại không nhìn thấy được, nên không thể kiểm tra LED sáng hay không bằng mắt; có thể dùng camera điện thoại để quan sát điểm sáng tím nhạt của LED khi cấp nguồn.
Bước 5: Đi dây về bộ điều khiển
- Nối chân nguồn của các bộ thu với nguồn cấp (thường 5 V với mô-đun hobby, 12–24 V DC với cảm biến công nghiệp), không cần điện trở nối tiếp.
- Nối chân GND của bộ thu và cực âm của LED về chân GND của bộ điều khiển.
- Nối chân tín hiệu của mỗi bộ thu qua điện trở 220 Ω về một ngõ vào số của bộ điều khiển.
- Nối cực dương của LED qua điện trở 2 kΩ về một ngõ ra số hoặc nguồn, tùy thiết kế cho LED sáng liên tục hay điều chế xung.
- Với cảm biến công nghiệp ba dây: nâu nguồn 24 V DC, xanh dương GND, đen tín hiệu ngõ ra NPN hoặc PNP nối vào DI của PLC hoặc máy tính công nghiệp; kiểm tra kiểu ngõ ra khớp với kiểu ngõ vào (sink/source).
Đây là hướng dẫn chung. Sơ đồ chân và mức điện áp thay đổi theo từng mã cảm biến, cần đối chiếu tài liệu kỹ thuật của thiết bị trước khi đấu nối.
6. Lưu ý khi lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại
6.1 Lưu ý khi lắp đặt cảm biến hồng ngoại
- Không hướng mắt cảm biến về giàn nóng máy lạnh; nhiệt biến động từ giàn nóng gây nhiễu và báo động giả.
- Không hướng cảm biến về cửa sổ có rèm hoặc nơi ánh nắng chiếu trực tiếp.
- Không đưa cảm biến PIR loại trong nhà ra ngoài trời; vỏ và thấu kính Fresnel không chịu được mưa nắng. Ngoài trời phải dùng loại có cấp bảo vệ IP phù hợp.
- Tránh đặt cảm biến gần đường điện cao áp hoặc biến tần; cảm biến hoạt động ở điện áp thấp nên dễ bị nhiễu.
- Không hướng cảm biến ra cổng hoặc lối đi công cộng để tránh kích hoạt bởi người qua lại.
- Không lắp trên tường hoặc kết cấu bị rung.
- Trong xưởng, lắp cảm biến chủ động cách xa nguồn sáng hồng ngoại mạnh như lò sấy, đèn halogen, máy hàn.
6.2 Lưu ý sử dụng cảm biến hồng ngoại
Nhà sản xuất đều kèm hướng dẫn lắp đặt và các vị trí cần tránh. Bỏ qua các điểm này dẫn đến cảm biến hoạt động sai hoặc báo động giả. Các điểm cần kiểm tra:
- Đặt cảm biến ở vị trí mà đối tượng cần phát hiện bắt buộc đi qua, ưu tiên hướng cắt ngang vùng quét vì PIR nhạy nhất với chuyển động ngang.
- Lắp đúng độ cao theo tài liệu kỹ thuật; sai độ cao làm thay đổi vùng phủ.
- Kiểm tra vùng cảm nhận thực tế khớp với yêu cầu, dùng mặt nạ thấu kính để che vùng không cần.
- Tránh điểm mù và khu vực bị vật cản che.
- Thử lại khả năng phát hiện sau khi lắp và định kỳ sau khi vệ sinh xưởng.
- Giữ khoảng cách với nguồn nhiệt: cửa, máy điều hòa, miệng gió, bếp, ánh nắng.
- Vệ sinh mặt thấu kính theo lịch nếu môi trường nhiều bụi hoặc dầu.
Chọn thiết bị cho cảm biến hồng ngoại
Tín hiệu từ cảm biến hồng ngoại thường được đưa về PLC hoặc máy tính công nghiệp để đếm, dừng máy, ghi nhật ký và cảnh báo. Kỹ sư IPC247 khuyến nghị xét ba điểm khi chọn bộ điều khiển nhận tín hiệu:
- Ngõ vào số cách ly: DI nhận mức 24 V DC từ ngõ ra NPN/PNP của cảm biến, cách ly quang để tránh nhiễu từ biến tần và động cơ trong cùng tủ.
- Cổng COM và LAN: RS-485 cho cảm biến nhiệt hồng ngoại dùng Modbus RTU, LAN để đẩy sản lượng và cảnh báo lên hệ thống giám sát.
- Điều kiện lắp đặt: không quạt, dải nhiệt rộng, nguồn DC dải rộng, vì cảm biến hồng ngoại hay lắp gần lò sấy, kho lạnh hoặc ngoài trời.
Advantech ARK-2121F có DIO cách ly, 6 cổng COM, 6 cổng USB, nguồn 9–36 VDC, hoạt động −20…70 °C khi dùng SSD nhiệt rộng (0…45 °C nếu lắp HDD), phù hợp trạm đếm và giám sát nhiều cảm biến. Với điểm thu nhỏ gọn gắn trong tủ, Advantech UNO-2271G có 2 cổng GbE, eMMC tích hợp và thêm DIO cách ly hoặc cổng fieldbus qua mô-đun iDoor. Xem thêm danh mục máy tính công nghiệp không quạt, các bài trong chuyên mục cảm biến, hoặc dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt để lọc theo số cổng DIO, nhiệt độ và nguồn.
Câu hỏi thường gặp về cảm biến hồng ngoại
Cảm biến hồng ngoại là gì?
Cảm biến hồng ngoại (IR sensor) là thiết bị điện tử phát hiện hoặc đo bức xạ hồng ngoại, loại sóng điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng đỏ mà mắt người không nhìn thấy. Mọi vật có nhiệt độ đều phát ra bức xạ này, nên cảm biến hồng ngoại dùng để nhận biết vật thể, chuyển động và nhiệt độ mà không cần chạm vào vật.
Sensor hồng ngoại có mấy loại?
Có hai loại chính. Cảm biến chủ động tự phát tia hồng ngoại từ LED rồi thu tia phản xạ về, dùng để phát hiện vật, đếm sản phẩm, dò vạch. Cảm biến thụ động (PIR) không phát tia mà chỉ thu bức xạ nhiệt từ người hoặc vật nóng, dùng để phát hiện chuyển động, bật đèn, báo động.
Cảm biến hồng ngoại và cảm biến quang khác nhau thế nào?
Cảm biến quang là tên chung cho cảm biến dùng ánh sáng để phát hiện vật; nguồn sáng có thể là hồng ngoại, đỏ hoặc xanh lục. Cảm biến hồng ngoại chủ động thực chất là một dạng cảm biến quang dùng nguồn hồng ngoại. Riêng cảm biến hồng ngoại thụ động PIR và cảm biến nhiệt hồng ngoại không phát sáng nên không xếp vào nhóm cảm biến quang.
Cảm ứng hồng ngoại có xuyên qua kính hoặc tường không?
Không. Tia hồng ngoại bị kính, tường, vách ngăn và vật cản đục chặn lại. Vì vậy cảm biến PIR không phát hiện được người sau cửa kính, và cảm biến hồng ngoại chủ động phải có đường nhìn thẳng tới vật. Cần phát hiện xuyên vách mỏng thì dùng cảm biến radar vi sóng.
Đấu tín hiệu cảm biến hồng ngoại về PLC hoặc máy tính công nghiệp bằng cách nào?
Đa số cảm biến hồng ngoại công nghiệp có ngõ ra transistor NPN hoặc PNP mức 24 V DC, nối thẳng vào ngõ vào số DI của PLC hoặc máy tính công nghiệp có DIO cách ly. Cảm biến đo nhiệt hồng ngoại cho tín hiệu 4–20 mA hoặc RS-485 Modbus, nối vào mô-đun analog hoặc cổng COM.