Źródło: Ulink Media
W erze postepidemicznej uważamy, że czujniki podczerwieni są niezbędne każdego dnia. W trakcie dojazdów do pracy musimy wielokrotnie mierzyć temperaturę, zanim dotrzemy do celu. Ponieważ pomiar temperatury z dużą liczbą czujników podczerwieni odgrywa w rzeczywistości wiele ważnych ról. Przyjrzyjmy się teraz bliżej czujnikowi podczerwieni.
Wprowadzenie do czujników podczerwieni
Wszystko powyżej zera absolutnego (-273°C) stale emituje energię podczerwoną do otaczającej przestrzeni. Czujnik podczerwieni jest w stanie wyczuć energię podczerwoną obiektu i przekształcić ją w elementy elektryczne. Czujnik podczerwieni składa się z układu optycznego, elementu detekcyjnego i układu konwersji.
Układ optyczny można podzielić na transmisyjny i odbiciowy, w zależności od jego struktury. Transmisja wymaga dwóch komponentów: transmitującego i odbierającego podczerwień. Z kolei reflektor potrzebuje tylko jednego czujnika do zebrania pożądanych informacji.
Ze względu na zasadę działania, element detekcyjny można podzielić na termiczny i fotoelektryczny. Termistory są najczęściej stosowanymi termistorami. Pod wpływem promieniowania podczerwonego temperatura wzrasta, a rezystancja ulega zmianie (zmiana ta może być większa lub mniejsza, ponieważ termistory można podzielić na termistory o dodatnim i ujemnym współczynniku temperaturowym), co może być przekształcane na sygnał elektryczny poprzez układ konwersji. Fotoelektryczne elementy detekcyjne są powszechnie stosowane jako elementy światłoczułe, zazwyczaj wykonane z siarczku ołowiu, selenku ołowiu, arsenku indu, arsenku antymonu, stopu potrójnego tellurku kadmu i rtęci, materiałów domieszkowanych germanem i krzemem.
Ze względu na różne obwody przetwarzania i konwersji sygnału, czujniki podczerwieni można podzielić na analogowe i cyfrowe. Obwód przetwarzania sygnału analogowego piroelektrycznego czujnika podczerwieni to lampa polowa, natomiast obwód przetwarzania sygnału cyfrowego piroelektrycznego czujnika podczerwieni to układ cyfrowy.
Wiele funkcji czujnika podczerwieni jest realizowanych poprzez różne kombinacje i połączenia trzech czułych komponentów: układu optycznego, elementu detekcyjnego i układu konwersji. Przyjrzyjmy się innym obszarom, w których czujniki podczerwieni odegrały znaczącą rolę.
Zastosowanie czujnika podczerwieni
1. Detekcja gazu
Zasada działania czujnika gazu w podczerwieni opiera się na charakterystyce selektywnej absorpcji widmowej w bliskiej podczerwieni różnych cząsteczek gazu, a także na wykorzystaniu zależności między stężeniem gazu a siłą absorpcji (prawo Lamberta – Billa Lamberta-Beera) w celu identyfikacji i określenia stężenia składnika gazowego urządzenia wykrywającego gaz.
Czujniki podczerwieni mogą być użyte do uzyskania mapy analizy w podczerwieni, jak pokazano na powyższym rysunku. Cząsteczki złożone z różnych atomów ulegną absorpcji w podczerwieni pod wpływem promieniowania podczerwonego o tej samej częstotliwości, co spowoduje zmiany w natężeniu światła podczerwonego. Na podstawie różnych pików falowych można określić rodzaje gazu zawartego w mieszaninie.
Na podstawie położenia pojedynczego piku absorpcji w podczerwieni można określić jedynie grupy występujące w cząsteczce gazu. Aby dokładnie określić rodzaj gazu, należy przeanalizować położenia wszystkich pików absorpcji w obszarze średniej podczerwieni, czyli tzw. odcisk palca absorpcji w podczerwieni. Dzięki widmu w podczerwieni można szybko przeanalizować zawartość każdego gazu w mieszaninie.
Czujniki gazu na podczerwień są szeroko stosowane w przemyśle petrochemicznym, metalurgicznym, górnictwie, monitoringu zanieczyszczeń powietrza i detekcji związanej z neutralizacją dwutlenku węgla, rolnictwie i innych gałęziach przemysłu. Obecnie lasery średniej podczerwieni są drogie. Wierzę, że w przyszłości, wraz z rosnącą liczbą gałęzi przemysłu wykorzystujących czujniki podczerwieni do wykrywania gazów, czujniki te staną się jeszcze lepsze i tańsze.
2. Pomiar odległości w podczerwieni
Czujnik podczerwieni to rodzaj urządzenia pomiarowego, którego zadaniem jest wykorzystanie podczerwieni jako medium pomiarowego. Charakteryzuje się szerokim zakresem pomiaru i krótkim czasem reakcji. Jest stosowany głównie w nowoczesnej nauce i technologii, obronie narodowej oraz przemyśle i rolnictwie.
Czujnik podczerwieni składa się z pary diod nadawczo-odbiorczych, które emitują wiązkę światła podczerwonego. Po napromieniowaniu obiektu, wiązka odbija się od niego, a następnie, po odebraniu sygnału, odbija się do czujnika. Następnie, za pomocą przetwornika CCD, odbiera dane dotyczące różnicy czasu. Odległość obiektu jest obliczana po przetworzeniu przez procesor sygnałowy. Czujnik może być stosowany nie tylko na powierzchniach naturalnych, ale także na panelach odblaskowych. Pomiar odległości i wysoka częstotliwość odpowiedzi sprawiają, że nadaje się do trudnych warunków przemysłowych.
3. Transmisja podczerwieni
Transmisja danych za pomocą czujników podczerwieni jest również szeroko stosowana. Piloty do telewizorów wykorzystują sygnały podczerwieni do zdalnego sterowania telewizorem; telefony komórkowe mogą przesyłać dane za pomocą podczerwieni. Są to aplikacje, które istnieją od czasu opracowania technologii podczerwieni.
4. Obraz termiczny w podczerwieni
Kamera termowizyjna to pasywny czujnik, który może rejestrować promieniowanie podczerwone emitowane przez wszystkie obiekty o temperaturze wyższej od zera absolutnego. Kamera termowizyjna została pierwotnie opracowana jako wojskowe narzędzie do obserwacji i widzenia w nocy, ale wraz z upowszechnieniem się jej cena spadła, co znacznie rozszerzyło zakres jej zastosowań. Zastosowania kamery termowizyjnej obejmują: hodowlę zwierząt, rolnictwo, budownictwo, wykrywanie gazów, zastosowania przemysłowe i wojskowe, a także wykrywanie, śledzenie i identyfikację ludzi. W ostatnich latach obrazowanie w podczerwieni jest wykorzystywane w wielu miejscach publicznych do szybkiego pomiaru temperatury produktów.
5. Indukcja podczerwieni
Przełącznik indukcyjny na podczerwień to automatyczny przełącznik sterujący oparty na technologii indukcji podczerwieni. Realizuje on swoją funkcję automatycznego sterowania poprzez wykrywanie ciepła podczerwonego emitowanego ze świata zewnętrznego. Umożliwia on szybkie otwieranie lamp, drzwi automatycznych, alarmów antykradzieżowych i innych urządzeń elektrycznych.
Dzięki soczewce Fresnela czujnika podczerwieni, rozproszone światło podczerwone emitowane przez ludzkie ciało może być wykrywane przez przełącznik, co pozwala na realizację różnych funkcji automatycznego sterowania, takich jak włączanie światła. W ostatnich latach, wraz z rosnącą popularnością inteligentnych domów, czujniki podczerwieni znalazły zastosowanie również w inteligentnych koszach na śmieci, inteligentnych toaletach, inteligentnych przełącznikach gestów, drzwiach indukcyjnych i innych inteligentnych produktach. Czujniki podczerwieni nie służą wyłącznie do wykrywania ludzi, ale są stale udoskonalane, aby oferować coraz więcej funkcji.
Wniosek
W ostatnich latach branża Internetu Rzeczy (IoT) dynamicznie się rozwija i ma szerokie perspektywy rynkowe. W tym kontekście rynek czujników podczerwieni również odnotował dalszy wzrost. W związku z tym skala rynku czujników podczerwieni w Chinach stale rośnie. Według danych, w 2019 roku wartość chińskiego rynku czujników podczerwieni wynosiła prawie 400 milionów juanów, a do 2020 roku prawie 500 milionów juanów. W połączeniu z zapotrzebowaniem na podczerwony pomiar temperatury w przypadku epidemii oraz neutralizację dwutlenku węgla do detekcji gazów w podczerwieni, rynek czujników podczerwieni będzie w przyszłości ogromny.
Czas publikacji: 16 maja 2022 r.