Tiểu luận nhập môn - Báo cáo nhập môn ngành điện về các loại cảm biến PDF

Preview

Summary

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬTIỂU LUẬN NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆNĐề tài:Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động các loại cảmbiến phát hiện chuyển động thông dụngGiáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Đại DươngNhóm sinh viên thực hiện:Họ và tên Mã số sinh viênTrịnh Cao Cường 20212714Lê Đức ...

Description

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TIỂU LUẬN NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN Đề tài:

Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động các loại cảm biến phát hiện chuyển động thông dụng

Giáo viên hướng dẫn: Thầy Nguyễn Đại Dương Nhóm sinh viên thực hiện:

Mục lục

Họ và tên

Mã số sinh viên

Trịnh Cao Cường

20212714

Lê Đức Anh

20212680

LỜI NÓI ĐẦU Ngành Điện ngày nay là một ngành rất quan trọng và phổ biến trong cuộc sống của chúng ta. Các thiết bị điện cũng đã và đang được ứng dụng trong mọi lĩnh vực của đời sống con người. Cùng với việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện thì vấn đề tối ưu hóa các thiết bị điện, nâng cao tính an toàn và thông minh cho chúng đang ngày càng được chú trọng. Trong đó, không thể không kể đến việc ra đời các thành phần cảm biến được coi là tai mắt của các thiết bị điện. Các thành phần cảm biến ngày nay vô cùng đa dạng như: cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến phát hiện chuyển động,…Nhóm chúng em đã quyết định tìm hiểu về cảm biến phát hiện chuyển động – một trong những loại cảm biến đang được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện nay. Chúng em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Đại Dương đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn chúng em cùng với sự cố gắng của các thành viên trong nhóm để hoàn thành bản tiểu luận này. Tuy nhiên do chúng em còn chưa có kiến thức chuyên sâu nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em xin tiếp thu ý kiến từ thầy và các bạn để bổ sung kiến thức cho mình và những lần tiếp theo. Chúng em xin chân thành cảm ơn!

I. GIỚI THIỆU CẢM BIẾN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG Cảm biến chuyển động là một thiết bị thông báo các đối tượng chuyển động, chủ yếu là con người. Một cảm biến chuyển động còn được gọi là một máy phát hiện chuyển động. Tùy thuộc vào khả năng của cảm biến chuyển động, nó có thể phát hiện chuyển động trong thiết bị được tích hợp hoặc môi trường xung quanh. Nó thường được kết nối với một hệ thống hoặc phần mềm xử lý chuyển động thành một hành động hoặc thông tin. Cảm biến chuyển động đầu tiên được phát minh vào năm 1950 bởi Samuel Bango có tên là báo động chống trộm. Ông đã áp dụng những điều cơ bản của radar vào sóng siêu âm - tần số để chú ý đến lửa hoặc tên cướp và điều mà con người không thể lắng nghe. Cảm biến chuyển động Samuel dựa trên nguyên lý hiệu ứng Doppler 1. Hiện nay, hầu hết các cảm biến chuyển động đều hoạt động theo nguyên lý của máy dò Samuel Bango. Cảm biến vi sóng và hồng ngoại được sử dụng để phát hiện chuyển động bởi những thay đổi về tần số mà chúng tạo ra. Cảm biến chuyển động được áp dụng cho các hệ thống an ninh được sử dụng trong văn phòng, ngân hàng, trung tâm mua sắm và cũng như báo động đột nhập tại nhà. Các máy dò chuyển động hiện tại có thể ngăn chặn các tai nạn nghiêm trọng bằng cách phát hiện những người ở gần cảm biến nhất. Có nhiều loại cảm biến khác nhau có sẵn trên thị trường, có những ưu điểm và nhược điểm của chúng. Chúng ta có các loại cảm ứng như: PIR, Ultrasonic, Microwave, Tomographic và các loại kết hợp khác.

1 Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian Andreas Doppler, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát.

II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN PHÁT HIỆN CHUYỂN ĐỘNG 1. Cảm biến hồng ngoại thụ động PIR a. Nguyên lý: Khi có người hoặc vật thể trong vùng quét, cảm biến sẽ thu nhận bức xạ hồng ngoại từ người hoặc vật thể đó gửi về mạch điện tử. Cảm biến nhận bức xạ hồng ngoại từ vật thể. Mạch điện tử này nhận ra sự chênh lệch về bức xạ nhiệt giữa môi trường xung quanh cảm biến và khi có vật thể vào vùng quét, đưa ra lệnh tác động khi trị số chênh lệch này có giá trị dương. Chúng được thiết kế để phát hiện nhiệt độ cơ thể và chuyển động trong dải thông số của cảm biến. Đây là công nghệ phổ biến nhất được sử dụng trong các thiết bị này trên thị trường hiện nay. b. Cấu tạo: Một công tắc cảm biến chuyển động bao gồm rất nhiều linh kiện và mạch điện chức năng hình thành.Trong đó quan trong nhất là linh kiện phát hiện chuyển động thân nhiệt PIR và lăng kính Fresnel. Mặc dù được phát triển rừ rất sớm (cuối những năm 60 thế kỷ trước) nhưng mãi đến năm 1970 mới có những linh kiện hồng ngoại hoàn chỉnh ở California Hoa Kỳ. Ngày nay linh kiện này đã phổ biến và được biết với tên

Mạch cảm biến PIR trong thực tế

gọi PIR (Passive Infrared). Đó là linh kiện phát hiện chuyển động thân nhiệt. Bản thân PIR đứng một mình thì khả năng dò chuyển động thân nhiệt rất hạn chế theo những tiêu chí như phase, cự ly, v.v… Cho nên có một lăng kính Fresnel hỗ trợ giúp thiết bị hoạt động chính xác hơn. Hình trên đây của một loại lăng kính Fresnel hay chính xác hơn là một loại lăng kính Fresnel đa tròng. Chất liệu lăng kính bằng nhựa acrylic hay

plycarbonate cùng nhiều chất phụ gia nữa. Cho đến nay đây vẫn còn là một bí mật công nghệ mà có số ít quốc gia có thể sản xuất chúng với chất lượng tốt. Đây là lăng kính quang học nhưng chỉ làm việc tốt ở dải sóng ánh sáng hồng ngoại nhiệt độ thấp. Bằng thị giác ta cũng đánh giá được màu mờ đục, vốn không thích hợp cho ánh sáng trắng hay ánh sáng đa sắc. Sở dỉ người ta thiết kế đa tròng là để chia nhỏ không gian phía trước thành nhiều điểm. Nhờ kết cấu đa tròng mà độ nhạy thiết bị tăng lên đáng kể. Do vậy đây cũng chính là linh kiện quyết định đến chất lượng của thiết bị. c. Kết luận: Ưu điểm: Cảm ứng chuyển động hồng ngoại có khả năng phát hiện chuyển động chính xác của người hay vật. Nhược điểm: Bộ cảm biến hoạt động trên nguyên tắc phát hiện tia hồng ngoại. Nên với những gia đình có nuôi động vật chạy qua cũng tác động lên cảm biến. Nên rất khó kiểm soát các hoạt động của các thiết bị điện.

2. Cảm biến hồng ngoại chủ động AIR a. Nguyên lý: Cảm biến hồng ngoại chủ động thường cấu tạo có 2 phần: diode phát sáng LED và máy thu. Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể được người nhận phát hiện. Cảm biết hồng ngoại hoạt động đóng vai trò là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật (như trong robot). b. Cấu tạo: Gồm có 1 mạch chức năng và 1 bóng LED phát hồng ngoại cùng 1 cảm biến hồng ngoại như trong hình. c. Kết luận: Ưu điểm: Có khả năng phát hiện chuyển động của người và đồ vật. Bạn hoàn toàn có thể điều chỉnh được góc cảm ứng theo ý muốn của mình và sử dụng vách ngăn để tránh vùng không muốn cảm ứng. Nhược điểm: góc quét nhỏ, có điểm chết, không thể cảm biến xuyên vật cản. Chính vè công nghệ này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ để cảm biến nên tại môi trường có nhiệt độ cao thì độ nhạy càng kém, phạm vi từ 2-3m

3. Cảm biến vi sóng a. Nguyên lý: Cảm biến vi sóng (hay còn gọi là cảm biến radar). Đây là cảm biến sử dụng sóng vi ba (sóng siêu cao tần) là loại sóng có bước sóng từ 30cm (tần số 1Hz) đến 1cm (tần số 30GHz). Hoạt động của cảm biến vi sóng dựa trên nguyên lý của hiệu ứng Droppler, cảm biến vi sóng sẽ phát ra bước sóng viba có tần số điều chế sóng liên tục 5.8Ghz, ở mức dưới 10m sẽ nhận tín hiệu khi có sự chuyển động qua lại. Bộ phận nhận tín hiệu tại đầu cảm biến sẽ so sánh và tính toán sự thay đổi của tần số phát đi và tần số thu về để nhận biết được có sự chuyển động trong vùng làm việc hay không. b. Cấu tạo: Gồm có: + 1 mạch chức năng + Bộ tạo dao động Dielectric Resonator (vật liệu cách điện thường là ceramic để tạo sóng microwave). + 1 cặp Microstrip patch antenna (loại anten giống anten pcb trên mạch nhưng thường tích hợp sẵn bên trong cảm biến).

Cảm biến Radar HB100X

c. Kết luận: Ưu điểm: Khoảng cách cảm ứng xa.Góc quét rộng, thường là 360 độ. Khả năng cảm ứng nhạy, có khả năng phát hiện những chuyển động rất nhỏ, không phụ thuộc vào người hay vật, có khả năng phát hiện cả những chuyển động xuyên qua các vật thể mỏng phi kim như nhựa, gỗ, kính, thạch cao… Có thể thay đổi độ trễ sáng. Các loại công tắc loại này thường được trang bị chiết áp để thay đổi thời gian trễ, khả năng cảm biến quang cũng như khoảng cách cảm ứng. Nhược điểm: Vì khả năng cảm ứng nhạy và phát hiện cả chuyển động của vật nên đôi khi cảm biến vi sóng radar phát hiện nhầm, làm cho đèn bật không đúng lúc.

4. Cảm biến sóng siêu âm a. Nguyên lý: Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình cho và nhận, có nghĩa là hệ thống cảm biến sẽ liên tục phát ra các sóng âm thanh ngắn với tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền mạnh. Khi các sóng âm này gặp phải vật cản là chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản hồi. Sau cùng, thiết bị cảm biến sẽ tiếp nhận, phân tích và xác định chính xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản. b. Cấu tạo: Thiết bị cảm biến siêu âm được cấu tạo bởi một bộ phận đầu dò phát ra tín hiệu. Đầu dò của cảm biến hoạt động như một microphone để nhận và phát âm thanh siêu âm. Chúng được thiết kế với nhiều hình dạng như:    

Đầu dò thẳng (sóng dọc). Đầu dò ngang (sóng ngang). Đầu dò sóng bề mặt. Đầu dò kép (một đầu phát và một đầu nhận tín hiệu).

Mặc dù thiết kế khác nhau nhưng các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có chung cấu tạo gồm:  Bộ phát: Là bộ phận được cấu tạo từ gốm, với đường kính rộng 15mm, hoạt động nhờ cơ chế chuyển động bằng máy rung để tạo ra các sóng siêu âm truyền vào không khí.  Bộ thu: Có chức năng hình thành các rung động cơ học tương thích với sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của bộ thu.  Điều khiển: Là bộ phận sử dụng mạch điện tích hợp để điều khiển sự truyền sóng siêu âm của bộ phát, từ đó đánh giá được khả năng nhận tín hiệu và kích thước của bộ thu.  Nguồn điện DC: Cung cấp năng lượng cho thiết bị cảm biến thông qua mạch ổn áp, với mức điện áp PCB ± 10%, 24V ± 10%.

c. Kết luận: Ưu điểm: Sóng siêu âm giúp người sử dụng có thể đo khoảng cách từ điểm phát đến vật thể mà không cần phải tiếp xúc. Do đó, thiết bị này rất hữu dụng, dùng để đo các chất lỏng có độ ăn mòn cao, nguy cơ gây hại đến cơ thể. Ngoài chất lỏng, các sóng siêu âm còn có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác như: không khí, chất rắn,... để phát hiện và đo khoảng cách giữa các vật thể. Hệ thống cảm biến siêu âm còn có độ nhạy cao nên thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác gần như tuyệt đối khi sai số chỉ rơi vào khoảng trung bình là 0,15% trong khoảng cách 2m. Nhược điểm: Hệ thống cảm biến siêu âm có thể bị nhiễu tín hiệu nếu không được lắp đặt đúng cách. Do đó, người dùng nên đọc kỹ hướng dẫn của nhà sản xuất để lắp đặt chính xác. Ngoài ra, chi phí cho một thiết bị cảm biến thường khá cao.

5. Cảm biến Tomographic

6. Cảm biến kết hợp

III. KẾT LUẬN CHUNG

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phụ lục: Phân công nhiệm vụ...