Quelle: Ulink Media
In der Zeit nach der Pandemie sind Infrarotsensoren unserer Ansicht nach unverzichtbar geworden. Auf dem Weg zur Arbeit oder nach Hause müssen wir uns immer wieder einer Temperaturmessung unterziehen, bevor wir unser Ziel erreichen. Als Temperaturmesssysteme mit einer Vielzahl von Infrarotsensoren erfüllen diese zahlreiche wichtige Funktionen. Im Folgenden betrachten wir den Infrarotsensor genauer.
Einführung in Infrarotsensoren
Alles oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273 °C) emittiert permanent Infrarotstrahlung an die Umgebung. Ein Infrarotsensor kann diese Infrarotstrahlung erfassen und in elektrische Signale umwandeln. Er besteht aus einem optischen System, einem Detektorelement und einer Wandlerschaltung.
Optische Systeme lassen sich anhand ihrer Struktur in Transmissions- und Reflexionssysteme unterteilen. Für die Transmission werden zwei Komponenten benötigt: eine zum Senden und eine zum Empfangen von Infrarotstrahlung. Reflektorsysteme hingegen benötigen nur einen Sensor zur Erfassung der gewünschten Informationen.
Detektionselemente lassen sich nach ihrem Funktionsprinzip in thermische und fotoelektrische Detektionselemente unterteilen. Thermistoren sind die am weitesten verbreiteten Thermistoren. Bei Bestrahlung mit Infrarotstrahlung steigt ihre Temperatur und ihr Widerstand ändert sich (diese Änderung kann je nach Temperaturkoeffizient (TCC) variieren). Die Widerstandsänderung wird mittels einer Wandlerschaltung in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt. Fotoelektrische Detektionselemente werden häufig als lichtempfindliche Elemente eingesetzt und bestehen üblicherweise aus Bleisulfid, Bleiselenid, Indiumarsenid, Antimonarsenid, Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Legierungen oder mit Germanium und Silizium dotierten Materialien.
Infrarotsensoren lassen sich anhand ihrer Signalverarbeitungs- und Wandlungsschaltungen in analoge und digitale Sensoren unterteilen. Die Signalverarbeitungsschaltung analoger pyroelektrischer Infrarotsensoren besteht aus Feldeffekttransistoren, während die Signalverarbeitungsschaltung digitaler pyroelektrischer Infrarotsensoren aus digitalen Chips besteht.
Viele Funktionen von Infrarotsensoren werden durch verschiedene Kombinationen der drei empfindlichen Komponenten realisiert: optisches System, Detektionselement und Wandlerschaltung. Betrachten wir einige weitere Anwendungsbereiche, in denen Infrarotsensoren einen Unterschied gemacht haben.
Anwendung des Infrarotsensors
1. Gasdetektion
Das optische Prinzip des Infrarot-Gassensors basiert auf den selektiven Absorptionseigenschaften verschiedener Gasmoleküle im Nahinfrarotspektrum. Mithilfe des Lambert-Beer-Gesetzes wird die Konzentration der Gaskomponenten im Gassensor identifiziert und bestimmt.
Infrarotsensoren ermöglichen die Erstellung einer Infrarotanalysekarte, wie in der obigen Abbildung dargestellt. Moleküle, die aus unterschiedlichen Atomen bestehen, absorbieren Infrarotstrahlung gleicher Frequenz, was zu Intensitätsänderungen führt. Anhand der verschiedenen Wellenmaxima lassen sich die im Gemisch enthaltenen Gase bestimmen.
Anhand der Position eines einzelnen Infrarot-Absorptionsmaximums lassen sich lediglich die im Gasmolekül vorhandenen funktionellen Gruppen bestimmen. Um die Gasart genau zu bestimmen, müssen die Positionen aller Absorptionsmaxima im mittleren Infrarotbereich des Gases, also dessen Infrarot-Absorptionsprofil, analysiert werden. Mithilfe des Infrarotspektrums lässt sich der Anteil jedes Gases im Gemisch schnell ermitteln.
Infrarot-Gassensoren finden breite Anwendung in der Petrochemie, der Metallurgie, im Bergbau, bei der Überwachung der Luftverschmutzung und der CO₂-Neutralisierung, in der Landwirtschaft und weiteren Branchen. Aktuell sind Mittel-Infrarot-Laser noch teuer. Ich bin jedoch überzeugt, dass Infrarot-Gassensoren in Zukunft mit zunehmender Verbreitung in verschiedenen Branchen leistungsfähiger und kostengünstiger werden.
2. Infrarot-Entfernungsmesser
Ein Infrarot-Entfernungssensor ist ein Sensor, der Infrarotlicht als Messmedium nutzt. Er zeichnet sich durch einen großen Messbereich und eine kurze Reaktionszeit aus und wird hauptsächlich in der modernen Wissenschaft und Technik, der Landesverteidigung sowie in Industrie und Landwirtschaft eingesetzt.
Der Infrarot-Entfernungssensor verfügt über zwei Infrarot-Sende- und Empfangsdioden. Er sendet einen Infrarotstrahl aus, der nach dem Auftreffen auf ein Objekt reflektiert wird. Das reflektierte Licht wird vom Sensor empfangen und anschließend mittels CCD-Bildverarbeitung verarbeitet. Die Laufzeitdifferenz zwischen dem gesendeten und empfangenen Licht wird vom Signalprozessor berechnet. Die Entfernung zum Objekt wird nach der Signalverarbeitung ermittelt. Der Sensor eignet sich sowohl für natürliche Oberflächen als auch für reflektierende Flächen. Er zeichnet sich durch hohe Messgenauigkeit, einen hohen Frequenzgang und seine Eignung für raue Industrieumgebungen aus.
3. Die Infrarot-Transmission
Die Datenübertragung mittels Infrarotsensoren ist ebenfalls weit verbreitet. Fernsehfernbedienungen nutzen Infrarotsignale zur Steuerung des Fernsehers; Mobiltelefone können Daten per Infrarot übertragen. Diese Anwendungen existieren bereits seit der Entwicklung der Infrarottechnologie.
4. Infrarot-Wärmebild
Eine Wärmebildkamera ist ein passiver Sensor, der die Infrarotstrahlung von Objekten mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt erfasst. Ursprünglich als militärisches Überwachungs- und Nachtsichtgerät entwickelt, sanken mit zunehmender Verbreitung die Preise, wodurch sich das Anwendungsgebiet erheblich erweiterte. Wärmebildkameras werden unter anderem in der Tierhaltung, Landwirtschaft, Gebäudetechnik, Gasdetektion, Industrie und im Militär eingesetzt, aber auch zur Erkennung, Verfolgung und Identifizierung von Personen. In den letzten Jahren werden Infrarot-Wärmebilder vermehrt im öffentlichen Raum genutzt, um die Temperatur von Produkten schnell zu messen.
5. Infrarot-Induktion
Ein Infrarot-Induktionsschalter ist ein automatischer Steuerschalter, der auf Infrarot-Induktionstechnologie basiert. Er realisiert seine automatische Steuerungsfunktion durch die Erfassung der von der Umgebung abgegebenen Infrarotwärme. Damit lassen sich Lampen, automatische Türen, Alarmanlagen und andere elektrische Geräte schnell öffnen.
Mithilfe der Fresnel-Linse des Infrarotsensors kann das vom menschlichen Körper abgegebene Streulicht vom Schalter erfasst werden, um verschiedene automatische Steuerungsfunktionen wie das Einschalten des Lichts zu realisieren. In den letzten Jahren hat sich die Infrarotsensorik mit der zunehmenden Verbreitung von Smart Homes auch in intelligenten Mülleimern, Toiletten, Gestenschaltern, induktiven Türen und anderen intelligenten Produkten etabliert. Die Infrarotsensorik beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Personenerkennung, sondern wird kontinuierlich weiterentwickelt, um zusätzliche Funktionen zu ermöglichen.
Abschluss
In den letzten Jahren hat sich die IoT-Branche rasant entwickelt und bietet ein breites Marktpotenzial. Vor diesem Hintergrund verzeichnet auch der Markt für Infrarotsensoren ein weiteres Wachstum. Daher expandiert der chinesische Markt für Infrarotdetektoren kontinuierlich. Laut Daten belief sich sein Volumen im Jahr 2019 auf fast 400 Millionen Yuan und wird bis 2020 voraussichtlich auf fast 500 Millionen Yuan ansteigen. Angesichts der Nachfrage nach Infrarot-Temperaturmessungen im Zusammenhang mit Epidemien und der Infrarot-Gasdetektion zur CO₂-Neutralisierung wird der Markt für Infrarotsensoren zukünftig ein enormes Wachstum verzeichnen.
Veröffentlichungsdatum: 16. Mai 2022