GebraBit

سنسورهای مادون قرمز

متن سربرگ خود را وارد کنید

سنسورهای مادون قرمز

سنسورهای مادون قرمز

سنسورهای مادون قرمز
  1. خانه
  2. »
  3. انواع سنسور
  4. »
  5. سنسورهای مادون قرمز

سنسورهای مادون قرمز تشعشعات مادون قرمز را شناسایی و اندازه گیری می‌کنند و معمولاً برای سنجش از راه دور، اندازه گیری دما و سیستم‌های امنیتی استفاده می‌شوند.

حسگرهای مادون قرمز که به عنوان سنسورهای IR نیز شناخته می‌شوند، المان‌های الکترونیکی هستند که تشعشعات مادون قرمز در محیط اطراف خود را تشخیص داده و اندازه گیری می‌کنند. آنها بر اساس تشخیص گرمای ساطع شده توسط اجسام یا تشخیص تغییرات ایجاد شده در میزان تابش مادون قرمز عمل می‌کنند. تابش مادون قرمز نوعی تابش الکترومغناطیسی با طول موج‌های بلندتر از نور مرئی اما کوتاهتر از امواج رادیویی است و از تمام اجسام با دمای بالای صفر مطلق ساطع می‌شود.
حسگرهای IR تشعشعات مادون قرمز را با استفاده از مواد حساسی که به تغییرات دما واکنش نشان می‌دهند یا تابش مادون قرمز را جذب می‌کنند، تشخیص می‌دهند. سپس با استفاده از سایر المان‌ها و قواعد الکترونیکی، این تغییرات را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند که می‌توانند توسط میکروکنترلرها یا سایر سیستم‌های کنترلی پردازش و تفسیر شوند.
حسگرهای مادون قرمز از روش‌های مختلفی برای تشخیص و اندازه گیری تابش فروسرخ استفاده می‌کنند. این روش‌ها شامل ترموپیل‌ها، آشکارسازهای پیروالکتریک، و فوتودیودهای مادون قرمز و… است.

دسته‌بندی کلی سنسورهای مادون قرمز

سنسورهای مادون قرمز به طور کلی به دو دسته سنسورهای مادون قرمز فعال (اکتیو) و سنسورهای مادون قرمز غیرفعال (پسیو) تقسیم می‌شوند.

سنسورهای مادون قرمز اکتیو

سنسورهای مادون قرمز فعال نوعی حسگر مادون قرمز هستند که تابش مادون قرمز خود را ساطع می‌کنند و سپس انعکاس یا تغییرات در تابش ساطع شده را تشخیص داده و اندازه‌گیری میکنند. این بدان معناست که سنسورهای مادون قرمز فعال شامل هر دو فرستنده IR و گیرنده IR هستند. این حسگرها برای ارسال فعال سیگنال و تجزیه و تحلیل سیگنال بازگشتی به منظور تشخیص حضور، فاصله یا حرکت اجسام طراحی شده‌اند.

infrared sensors

در این سنسورها هنگامی که یک جسم به سنسور نزدیک می‌شود، نور مادون قرمز از LED از جسم منعکس شده و توسط گیرنده شناسایی می‌شود.

IR sensor working principle

برخی از انواع رایج سنسورهای مادون قرمز فعال:

سنسورهای مجاورت مادون قرمز: سنسورهای مجاورت مادون قرمز یک پرتو متمرکز از تابش مادون قرمز ساطع کرده و میزان تابش منعکس شده را اندازه‌گیری می‌کنند. آنها برای تشخیص حضور و نزدیکی اشیا استفاده می‌شوند. از کاربردهای رایج آنها می‌توان به تشخیص موانع، شمارش اشیا و سوئیچ های بدون لمس اشاره کرد.

سنسورهای فاصله مادون قرمز: این حسگرها از مثلث بندی یا اصول زمان پرواز برای اندازه گیری فاصله بین سنسور و یک  

جسم استفاده می‌کنند. حسگرهای مثلثی یک پرتو مدوله شده از نور مادون قرمز ساطع می‌کنند و فاصله را بر اساس زاویه بازتاب محاسبه می‌کنند. سنسورهای زمان پرواز نیز، زمان لازم برای حرکت نور ساطع شده به جسم و بازگشت را اندازه گیری می‌کنند. این سنسورها معمولا در رباتیک، اتوماسیون و سیستم‌های ناوبری استفاده می‌شوند.

IR Distance Sensor
سنسور تشخیص فاصله مادون قرمز

سنسورهای حرکتی مادون قرمز: این حسگرها با انتشار پالس‌های تابش مادون قرمز و تجزیه و تحلیل سیگنال‌های بازتابی حرکت را تشخیص می‌دهند. آنها می‌توانند تغییرات ناشی از یک جسم متحرک در سیگنال دریافتی را تشخیص دهند و به صورت اتومات اقداماتی مانند روشن کردن چراغ‌ها یا فعال کردن سیستم‌های امنیتی را فعال کنند.

حسگرهای پرتو مادون قرمز: این حسگرها از یک فرستنده و یک گیرنده تشکیل شده‌اند که در فاصله معینی از یکدیگر قرار 

گرفته‌اند. هنگامی که یک جسم پرتو مادون قرمز را قطع می‌کند، موجب ایجاد یک سیگنال خروجی میشود. این سنسورها معمولاً در سیستم‌های امنیتی، تشخیص درب/پنجره و گیت‌های اتوماتیک استفاده می‌شوند.

پرده‌های نوری مادون قرمز: این حسگرها از چندین جفت فرستنده و گیرنده مادون قرمز تشکیل شده‌اند که به صورت عمودی

یا افقی مرتب شده‌اند تا “پرده”ای از پرتوهای مادون قرمز را تشکیل دهند. هنگامی که هر یک از پرتوها قطع می‌شود، نشان می‌دهد که یک شی در منطقه نظارت شده وجود دارد. پرده‌های نور مادون قرمز اغلب برای اهداف ایمنی برای تشخیص دسترسی غیرمجاز یا جلوگیری از حوادث در محیط‌های صنعتی استفاده می‌شود.

سنسورهای مادون قرمز فعال عملکرد قابل اعتمادی دارند، کمتر تحت تأثیر عوامل محیطی قرار می‌گیرند و می‌توانند اندازه گیری‌های دقیقی را ارائه دهند. با این حال، آنها برای عملکرد بهینه نیاز به منبع تغذیه و تنظیم مناسب دارند.

سنسورهای مادون قرمز غیرفعال

سنسورهای مادون قرمز غیرفعال (PIR) سنسورهایی هستند که تغییرات در تابش مادون قرمز ساطع شده از اجسام در میدان دید خود را تشخیص می‌دهند. برخلاف حسگرهای مادون قرمز فعال، سنسورهای PIR تشعشعات مادون قرمز را خودشان ساطع نمی‌کنند، بلکه گرمای طبیعی ساطع شده توسط موجودات زنده و سایر اشیاء را تشخیص می‌دهند.
حسگرهای مادون قرمز منفعل (PIR) با استفاده از این حقیقت که اشیاء تشعشعات مادون قرمز را عمدتاً به شکل گرما منتشر می‌کنند، کار میکنند. این سنسورها حاوی یک ماده پیروالکتریک هستند که وقتی در معرض تغییرات انرژی فروسرخ در میدان دید خود قرار می‌گیرد، بار الکتریکی تولید می‌کند.
سنسورهای PIR معمولا برای تشخیص حرکت استفاده می‌شوند. هنگامی که یک شخص یا جسم در میدان دید حسگر حرکت می‌کند، باعث تغییر سریع در انرژی مادون قرمز شناسایی شده می‌شود. سنسور این تغییر را تشخیص داده و سیگنال خروجی را راه اندازی میکند.

passive infrared sensor

سنسورهای PIR میدان دید خاصی دارند، یعنی ناحیه‌ای که می‌توانند در آن ناحیه بر حرکت نظارت کنند. میدان دید این سنسورها معمولاً یک شکل مخروطی با زاویه مشخص است. در نظر گرفتن موقعیت و منطقه پوشش سنسور برای تشخیص موثر مهم است.
این سنسورها به‌طور گسترده در سیستم‌های امنیتی، کنترل‌های روشنایی، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و… استفاده می‌شوند و به دلیل سادگی، مقرون‌به‌صرفه بودن و عملکرد قابل‌اعتماد برای تشخیص حضور و حرکت انسان بر اساس گرمای ساطع شده، محبوب هستند.

انواع مختلف سنسورهای مادون قرمز

انواع مختلفی از سنسورهای مادون قرمز (IR) موجود است که هر کدام فناوری و کاربرد خاص خود را دارند. در اینجا به طور مختصر با برخی از انواع رایج سنسورهای IR آشنا میشویم:

سنسورهای ترموپیل

سنسور ترموپیل نوعی سنسور دما است که تابش مادون قرمز ساطع شده از اجسام را برای تعیین دمای آنها اندازه گیری میکند. این سنسور بر اساس اثر Seebeck که ولتاژ ایجاد شده هنگام اتصال دو فلز مختلف به یکدیگر و قرار گرفتن در معرض گرادیان دما را توصیف می کند، کار میکند.

یک سنسور ترموپیل از چندین ترموکوپل که به صورت سری به هم متصل شده اند، تشکیل شده است. هر ترموکوپل از دو فلز غیر مشابه (معمولاً آلیاژها) مانند آهن و کنستانتان (آلیاژ مس و نیکل) یا کرومل (آلیاژى شامل اهن نیکل کرم) و آلومل (آلیاژى از نیکل و کرم) تشکیل شده است. فلزات جوری به هم متصل اند که به صورت حداکثری در معرض تابش مادون قرمز قرار گیرند.
هنگامی که یک جسم تابش مادون قرمز ساطع می‌کند، این تابش توسط سنسور ترموپیل جذب می‌شود.

انرژی حاصل از تابش باعث ایجاد اختلاف دما بین ترموکوپل‌های مختلف در سنسور می‌شود.
گرادیان دما در سرتاسر ترموکوپل‌ها ولتاژی متناسب با اختلاف دما ایجاد می‌کند. این پدیده اثر Seebeck نامیده می‌شود. ولتاژ تولید شده توسط هر ترموکوپل برای ایجاد یک ولتاژ خروجی کلی باهم جمع میشوند.

Thermopile

ولتاژ خروجی از سنسور ترموپیل معمولاً بسیار کوچک است و برای اندازه‌گیری دقیق دما نیاز به تقویت و تنظیم سیگنال دارد. سپس سیگنال تقویت شده با استفاده از منحنی‌ها یا الگوریتم‌های کالیبراسیون به یک مقدار دمای معنی دار تبدیل می‌شود.

سنسورهای ترموپیل معمولاً برای اندازه گیری دما بدون ایجاد تماس مستقیم استفاده می‌شوند. آنها می‌توانند دمای اجسام را بدون تماس فیزیکی اندازه گیری کنند و برای اندازه‌گیری دمای اجسام ثابت و متحرک مناسب هستند. این سنسورها همچنین دارای مزایای زیادی از جمله حساسیت بالا، دامنه دمایی وسیع، زمان پاسخگویی سریع و دوام خوب میباشند. با این حال، محدودیت‌هایی هم دارند مثل خروجی غیرخطی و نیاز به کالیبراسیون برای اطمینان از اندازه گیری دقیق دما. آنها به طور گسترده در فرآیندهای صنعتی، سیستم‌های HVAC، دستگاه‌های پزشکی، خودروها و لوازم خانگی کم مصرف مانند ترموستات‌ها استفاده می‌شوند.

فتودیودهای مادون قرمز

دیودهای نوری مادون قرمز تشعشعات مادون قرمز ورودی را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کنند. آنها در کنترل از راه دور، موانع نوری و سایر کاربردهایی که نیاز به تشخیص یا انتقال سیگنال‌های IR دارند، استفاده می‌شوند.

دیودهای نوری مادون قرمز معمولاً از مواد نیمه هادی مانند سیلیکون یا ژرمانیوم ساخته می‌شوند. این مواد دارای خواص منحصر به فردی هستند که به آنها اجازه می‌دهد فوتون‌های مادون قرمز را جذب کنند.
مواد نیمه هادی مورد استفاده در فتودیود دارای سطح انرژی شکاف باند (bandgap) هستند. سطح انرژی شکاف باند (bandgap)، تفاوت انرژی بین باند ظرفیت (جایی که الکترون‌ها معمولاً در آن قرار دارند) و نوار رسانایی (جایی که الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند) میباشد.
هنگامی که یک فوتون مادون قرمز وارد فتودیود می‌شود، می‌تواند انرژی خود را به یک الکترون در باند ظرفیت منتقل کند و آن را به باند هدایت انرژی بالاتر ارتقا دهد. این فرآیند جذب به فتودیود اجازه می‌دهد تا حضور نور مادون قرمز را تشخیص دهد.
با جذب یک فوتون مادون قرمز، یک الکترون به نوار رسانایی برانگیخته می‌شود و فضای خالی به نام حفره در نوار ظرفیت باقی می‌ماند. این فرآیند یک جفت الکترون-حفره ایجاد می‌کند.

photodiode structure

فتودیود حاوی یک میدان الکتریکی است که توسط اتصال p-n در دستگاه ایجاد می‌شود. این میدان الکتریکی به عنوان یک مانع عمل می‌کند و از ترکیب مجدد جفت الکترون-حفره جلوگیری می‌کند و آنها را از هم جدا نگه می‌دارد.
میدان الکتریکی باعث می‌شود که الکترون به سمت یک الکترود (سمت N) و حفره به سمت الکترود دیگر (سمت P) فوتودیود حرکت کند. این حرکت جریانی از الکترون‌ها را ایجاد میکند و در نتیجه موجب ایجاد یک جریان الکتریکی می‌شود.

سنسورهای پیروالکتریک

سنسورهای پیروالکتریک سنسورهایی هستند که می‌توانند تغییرات در تابش مادون قرمز را با استفاده از اثر پیروالکتریک تشخیص دهند. اثر پیروالکتریک پدیده‌ای است که در آن مواد خاصی در معرض تغییرات دما، بار الکتریکی تولید می‌کنند. این سنسورها معمولاً برای تشخیص حرکت و حسگر حرارتی استفاده می‌شوند.

سنسورهای پیروالکتریک معمولاً از کریستال‌ها یا سرامیک‌هایی مانند لیتیوم تانتالات یا پلی‌ وینیلیدین فلوراید (PVDF) ساخته می‌شوند که خواص پیروالکتریکی از خود نشان می‌دهند. این مواد دارای ویژگی منحصر به فردی در ایجاد بار الکتریکی در هنگام تغییر دمای آنها هستند.
مواد پیروالکتریک دارای ساختار قطبی هستند، به این معنی که حتی زمانی که میدان الکتریکی خارجی وجود نداشته باشد، دارای قطبش الکتریکی طبیعی هستند.
هنگامی که این سنسورها در معرض تابش مادون قرمز قرار می‌گیرند، دمای مواد پیروالکتریک تغییر می‌کند. این منجر به اعوجاج شبکه کریستالی و توزیع مجدد قطبش در مواد می‌شود.
تغییر در پلاریزاسیون، یک بار الکتریکی بر روی سطح ماده پیروالکتریک ایجاد می‌کند که مقدار و جهت این بار به تغییر دما و خواص مخصوص آن ماده بستگی دارد.

سنسور پیروالکتریک دارای الکترودهایی است که با مواد پیروالکتریک در تماس هستند تا بار تولید شده را جمع آوری کنند. سیگنال الکتریکی حاصل معمولاً کوچک است و برای اندازه گیری و قابل استفاده بودن نیاز به تقویت دارد.

Schematic view of a pyroelectric sensor

سپس سیگنال تقویت شده با استفاده از مدارهای الکترونیکی پردازش می‌شود تا به شکل قابل استفاده تبدیل شود. این پردازش می‌تواند شامل فیلترینگ، تقویت و پردازش بیشتر برای استخراج اطلاعات مربوطه از تابش مادون قرمز شناسایی شده باشد.

سنسورهای بازتابی مادون قرمز (Infrared Reflective)

سنسورهای بازتابنده مادون قرمز یک پرتو مادون قرمز را منتقل می‌کنند و انعکاس پرتو را روی سطح تشخیص می‌دهند. آنها اغلب برای تشخیص اشیا، حسگر مجاورت و ربات‌های مسیریاب استفاده می‌شوند.

سنسورهای گاز مادون قرمز

سنسورهای گاز مادون قرمز وجود گازهای خاص را بر اساس جذب اشعه مادون قرمز تشخیص می‌دهند. از این سنسورها در نظارت بر محیط زیست، ایمنی صنعتی و تشخیص نشت گاز استفاده میشوند.

سنسورهای دمای مادون قرمز

سنسورهای دمای مادون قرمز که به عنوان سنسورهای دمای غیر تماسی یا دماسنج‌های IR نیز شناخته می‌شوند، دمای سطح یک جسم را بدون تماس فیزیکی اندازه گیری می‌کنند. این سنسورها معمولاً در فرآیندهای صنعتی، سیستم های HVAC و دستگاه‌های پزشکی استفاده می‌شوند.

اینها تنها نمونه‌هایی از انواع مختلف سنسورهای مادون قرمز هستند. هر کدام از این سنسورها مزایا، معایب، محدودیت‌ و کابردهای خاص خود را دارند. انتخاب یک سنسور IR مناسب، به نیازهای خاص هر پروژه بستگی دارد.

کاربردهای سنسورهای مادون قرمز

سنسورهای مادون قرمز کاربردهای گسترده‌ای در صنایع و زمینه های مختلف دارند. برخی از کاربردهای رایج این سنسورها عبارتند از:

تشخیص مجاورت: سنسورهای IR می‌توانند وجود یا عدم وجود اشیاء را بدون تماس فیزیکی تشخیص دهند و آنها را برای تشخیص حضور، اجتناب از برخورد با موانع و شمارش مفید می‌کند.

اندازه گیری دما: دماسنج‌های مادون قرمز از سنسورهای IR برای اندازه گیری دمای سطح بدون تماس مستقیم استفاده می‌کنند. این ویژگی به طور ویژه برای اندازه گیری دما در فرآیندهای صنعتی، کاربردهای پزشکی و سیستم های HVAC مفید است.

امنیت خانه: سنسورهای حرکتی مادون قرمز به طور گسترده در سیستم‌های امنیتی برای تشخیص حرکت انسان و ایجاد زنگ هشدار استفاده می‌شوند.

کنترل از راه دور: سنسورهای IR برای استفاده در کنترل از راه دور نیز مورد استفاده قرار میگیرند و به کاربران اجازه می‌دهند دستگاه‌های الکترونیکی مانند تلویزیون، دستگاه‌های تهویه مطبوع و پخش‌کننده‌های DVD را به صورت بی‌سیم و از راه دور فعال کنند.

این مقاله را با دوستانتان به اشتراک بگذارید!

Be the first to write a review

لطفا با ارسال دیدگاه و امتیاز دهی تیم جبرا را در بهبود کیفیت همیاری کنید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Shopping cart
Start typing to see posts you are looking for.

Sign in

No account yet?