BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO
BÀI TẬP LỚN
ĐỀ TÀI :TÌM HIỂU CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ
CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
Giảng viên hướng dẫn :

T.S PHẠM VĂN HÀ

Nhóm

:

6

Sinh viên thực hiện

:

Lê Ngọc Hưng

0741360114

Đào Khắc Vững

0741360125

Nguyễn Đình Quân


Mục lục

3


PHẦN I: MỞ ĐẦU
1. Tên đề tài
Tìm hiểu về cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại và cách dùng

2 . Lý do chọn đề tài
Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão. Hệ thống công nghệ cảm
biến, đo lường và điều khiển đã làm thay đổi sâu sắc toàn bộ hoạt động sản
xuất của con người. Công nghệ cảm biến đã và đang thay thế dần các kỹ thuật
tương tự và còn đóng vai trò then chốt trong cuộc cách mạng kỹ thuật và công
nghệ. Song song với sự phát triển thần kì của cuộc cách mạng khoa học – công
nghệ cảm biến đã dần dần có mặt trong hầu hết tất cả các trong lĩnh vực của
đời sống như: Khoa học công nghệ, Quân sự, Y tế, Giáo Dục, Điều Khiển, Rô
Bốt, Người máy, Quốc phòng… Nó nhỏ gọn, tiện lợi, giải quyết khối lượng
công việc lớn, giảm kích thước của các mạch điện tử đồng thời chúng có nhiều
tính năng và độ chính xác cao. Có thể nói rằng công nghệ cảm biến là cuộc
cách mạng trong ngành kỹ thuật điện tử.
Thế kỷ 21 chứng kiến sự phát triển với tốc độ chóng mặt của khoa học công
nghệ, nó đóng vai trò then chốt trên tất cả các lĩnh vực của cuộc sống vì vậy
trong mỗi chúng ta, đặc biệt là thế hệ trẻ, sinh viên ngành kỹ thuật cần phải
hiểu rõ và nắm bắt được các kiến thức về công nghệ cảm biến. Do đó chúng
em quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu về cảm biến siêu âm, cảm biến hồng
ngoại và cách dùng”..

3. Mục tiêu nghiên cứu

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể phân loại theo các đặc trưng như
• Cảm biến vật lý: Siêu âm, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ,
nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia
tốc, từ trường, trọng trường, sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại...
• Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,...
• Cảm biến sinh học: biến đổi sinh hóa, biến đổi vật lý,...
Ngoài ra có thể phân loại theo : Âm thanh,điện,từ,quang, cơ,nhiệt…
Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định.
o Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện
o Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến
đổi cố định
o Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được
o Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường
o Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân
khác lên kết quả
o Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu

5


CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM
1.1 GIỚI THIỆU
Siêu âm là gì ?
Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy
được. Tần số tối đa này tùy vào từng người, nhưng thông thường nó vào cỡ
20000 Hz. Ngược lại với siêu âm, các âm thanh có tần số thấp hơn ngưỡng
nghe được bởi tai người (thường vào khoảng 20 Hz) là hạ âm.
Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường tương tự như môi trường
lan truyền của âm thanh, như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc
độ bằng tốc độ âm thanh. Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi có tần số cao

Dây dân

vỏ kim loại

Lớp gốm áp điện
Dây dẫn

Đe bảo vệ

Lớp vật liệu đệm

Cáp dẫn

Cấu trúc cảm biến siêu âm hở

7


Cấu trúc cảm biến siêu âm kín
Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính
1/Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm
2/bộ phận so sánh
3/mạch phát hiện
4/mạch ngõ ra
Trên cảm biến có 4 chân :
- VCC: nguồn cấp cho cảm biến 5V
- GND: nối âm
- Trigger: pin cho cực phát
- Echo: pin cho cực thu Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phận so sánh sẽ tính toán khoảng
cách, bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận tốc âm thanh. Tín hiệu ngõ

số 5mhz trở lên.tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện của
cảm biến,với tần số 50khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới
10m hoặc hơn,với tần số 200khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở
mức 1m. Vùng hoạt động:là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn nhất và
khoảng cách nhỏ nhất. Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng
gần cảm biến gọi là khu vực mù. Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát
hiện quyết định khoảng cách phát hiện lớn nhất (vật xốpCảm biến siêu âm có
thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện. Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho
phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện,sau một khoảng xác định.khoảng cách
phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng. Ngoài ra để cảm biến siêu âm
không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm

9


biến,người ta có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạ
lại sóng âm thanh
Xác định khoảng cách
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu
một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo
được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác
định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường
di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại
vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay khoảng cách từ cảm biến tới
chướng ngại vật sẽ được.

L0 =v.t/2
Nguyên lý TOF (time of flight) là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian
truyền của sóng. Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử
dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong

Cảm biến siêu âm SRF02:

Hình 2 Cảm biến siêu âm SRF02
+ Là cảm biến đo cự ly từ xa bằng sóng siêu âm
+ Điện áp: Nguồn 5V
+ Dòng: 4mA
+Tần số: 40khz
+ Phạm vi hoạt động: 15cm- 6m
+ Khả năng hoạt động: 64 bước
+ Kiểu kết nối: 1-Tốc độ truyền 12C
2- Đường truyền tương tự
+ Điều khiển tự động: Không định kích cỡ hoạt động, tự xử lý và hoạt động
nhanh
+ Thời gian hoạt động: thời gian hồi đáp, đưa tín hiệu điều khiển
+ Hệ đơn vị: Đo trong hệ inch, mm, us
+ Trọng lượng: 4,6m
+ kích thước: 24mm×20mm×17mm chiều cao

11


+ Cảm biến siêu âm với cả hai giao diện I2C với nối tiếp thuật toán
AutotuneMới thông minh sử dụng trong phạm vi nhỏ, không cần chu kỳ định
cỡ thêm vào đó những chức năng mới cho phép quản lý phạm vi và phân
chia.Dễ dàng kết nối với USB chủ với module USBI2C tự động nhờ các bus
USB.
Cảm biến siêu âm SRF04:

Hình 3 Cảm biến siêu âm SRF04
+ Điện áp: Nguồn 5V

Cảm biến siêu âm SRF10 - Cảm biến siêu âm kích thước nhỏ:

Hình 6 . So sánh kích thước hai cảm biến SRF04và SRF10
+ Điện áp: Nguồn 5V
+ Dòng: 15mA
+Tần số: 40khz
+ Phạm vi hoạt động: 6cm- 6m
+ Tín hiệu tương tự: Biến thiên từ 40 đến 700 trong 16 bước
+ Đầu nối: Bus tiêu chuẩn I2C
+ Định thời: tín hiệu về toàn thời gian làm việc, quản lý chức năng tự do
+ Hệ đơn vị: Đo trong hệ inch, mm, us
+Kích thước: 32mm×15mm×10mm
Cảm biến siêu âm SRF235

Hình 7 Cảm biến siêu âm SRF235

13


- Là một thiết bị định vị nhỏvới một cặp chuyển đổi khí dùng trong công
nghiệp, cung cấp một tia hẹp 15˚ và chu kỳ ngắn đạt tới tần số 100Hz, làm
việc ở 235, dùng rộng rãi ở dải tần 40kHz, không cần tác động ngoài.
+ Điện áp: Nguồn 5V
+ Dòng: 25mA
+Tần số: 235kHz
+ Phạm vi hoạt động: 10cm- 1,2m
+ Đường kính siêu âm 15˚
+Đầu nối: Bus tiêu chuẩn I2C
+ Định thời: tín hiệu về toàn thời gian làm việc
+ Hệ đơn vị: Đo trong hệ inch, mm, us



Bảng thông số một số loại cảm biến siêu âm

1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM
ƯU ĐIỂM
- Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển
- Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt
- Không ảnh hưởng bởi màu sắc
- Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách
- Có thể phát hiện vật nhỏ ở khoảng cách xa
NHƯỢC ĐIỂM
- Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm
- Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận
sóng phản hồi  chậm hơn CB khác
- Khó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng cách xa

18


1.6 ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM
Công nghệ cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi trong các khía cạnh
khác nhau của đời sống và hoạt động sản xuất… Một trong những ứng
dụng quan trọng nhất Trong ngành y tế:rada giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ
cấu trúc nội tại của cơ thể, chuẩn đoán chính xác các khối U, thai nhi…
Như ví dụ sau đây minh họa các công nghệ cảm biến siêu âm. Các ứng
dụng của siêu âm trong y học chủ yếu là chẩn đoán bệnh, nó đã trở thành
một phương pháp chẩn đoán lâm sàng không thể thiếu. Lợi thế chẩn đoán
siêu âm là: trên các đối tượng không đau, không có thiệt hại, phương pháp
này là, hình ảnh rõ ràng đơn giản, chẩn đoán và độ chính xác cao. Do đó

%C3%A2m&biw=1360&bih=597&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=

19


0ahUKEwiQmdal_pLMAhVCqqYKHVhDAJEQ_AUIBigB#imgrc=u4v
WJBRq-8uDDM%3A

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
2.1 GIỚI THIỆU
Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong
các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C),
và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng
ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín
hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng
đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn
nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các
nguồn thân nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con
vật...
Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến
nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Tên "hồng ngoại" có nghĩa là "ngoài mức
đỏ", màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường.
Bảng phân chia các bức xạ sóng điện từ/ánh sáng
Tên
Tia gamma

Bước sóng

Tần số (Hz)



1.7 eV - 3.3 eV

Tia hồng
ngoại

700 nm - 1 mm

430 THz - 300 GHz

1.24 meV - 1.7 eV

Vi ba

1 mm - 1 met

300 GHz - 300 MHz

1.7 eV - 1.24 meV

Radio

1 mm - 100000 km

300 GHz - 3 Hz

12.4 feV - 1.24 meV

Vùng ánh sáng mà mắt người thông thường nhìn thấy, được áp đặt gọi là "ánh sáng
khả kiến", có bước sóng 0,38-0,70 μm hay tần số 430-790 THz. Bức xạ hồng ngoại

21


Trên đây là đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân
ra, một chân nối masse, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có
thể từ 3 đến 15V. Góc dò lớn. Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính
Fresnel, nó được thiết kế cho loại đầu có 2 cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng
ngăn tia tử ngoại.

22


2.3 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI
(PIR)

Hình 1 : Nguyên lý làm việc của cảm biến hồng ngoại
Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia
hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho
tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được
khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm
biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có
biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển
hay báo động

Mọi vật thể đều được cấu tạo từ các phân tử nhỏ li ti, nhiệt là một dạng năng
lượng tạo ra từ các xao động của các phân tử (hình 2), đó là các chuyển động
hỗn loạn, không trật tự. Từ các xao động này, nó phát ra các tia nhiệt, bằng
cảm giác thông thường của giác quan, con người chúng ta nói đó là sức
nóng. Ở mỗi người nguồn thân nhiệt thường được điều ổn ở mức 37 độ C, đó


mở rộng, điểm tiêu tụ sẽ không nằm ở một chổ, người ta cho hiệu chỉnh sai
lệch này bằng mặt kính Fresnel (Bạn xem hình, các mặt cong ở xa trục quang
đã được chỉnh lại). Bạn thấy khi ở xa trục quang học, độ cong của mặt kính
được hiệu chỉnh lại, với cách làm này, chúng ta sẽ có thể hội tụ nhiều tia sáng
tốt hơn, trên một diện tích rộng lớn hơn và như vậy sẽ tăng được độ nhậy cao
hơn và có góc dò rộng hơn kinh Fresnel.

25