سنسور دمای مادون قرمز چیست؟ سنسور دمای مادون قرمز از سنسورهای دمای غیر تماسی بوده و برای اندازه‌گیری دما از فاصله دور با تشخیص انرژی مادون قرمز (IR) اجسام طراحی شده‌اند. هر چه دما بیشتر باشد، انرژی IR بیشتری نیز ساطع می‌شود.
پیش از تعریف و بررسی سنسورهای دمای مادون قرمز، ابتدا درباره سنسورهای مادون قرمز بطور کلی و انواعشان، طیف این امواج و کاربرد سنسورهای IR صحبت می‌کنیم:
سنسور مادون قرمز چیست؟
سنسور مادون قرمز قطعه‌ای الکترونیکی است که با تابش و آشکارسازی نور مادون قرمز، ویژگی‌های خاصی از محیط اطرافش را ، تشخیص می‌دهد. علاوه بر این، سنسورهای مادون قرمز قادر به اندازه‌گیری گرمای منتشر شده از اجسام و تشخیص جابجایی آنها هستند.
تکنولوژی مادون قرمز علاوه بر صنعت، در زندگی روزمره نیز کاربرد دارد. به عنوان مثال کنترل تلویزیون‌ها توسط امواج مادون قرمز سیگنال را می‌فرستند.
انواع سنسور مادون قرمز
سنسورهای مادون قرمز می‌توانند فعال و یا غیرفعال باشند. همچنین به دو دسته حرارتی و کوانتومی تقسیم میشوند.
سنسورهای غیرفعال، امواج مادون قرمز را تشخیص می‌دهند و در ساختار آنها فرستنده‌ای وجود ندارد. سنسورهای مادون قرمز غیر فعال در سیستم‌های تشخیص حرکت، و LDR ها در سیستم‌های روشنایی بیرون به کار می‌روند.
سنسورهای فعال، از یک فرستنده و گیرنده تشکیل شده‌اند؛ فرستنده موج مادون قرمز را به سمت هدفی ارسال می‌کند و گیرنده موج برگشتی را آشکارسازی می‌کند.
سنسورهای مادون قرمز حرارتی، از انرژی مادون قرمز به عنوان گرما استفاده می‌کنند. محدودیتی برای آشکارسازی طول موج دریافت شده ندارند. همچنین نیاز به سیستم سرد کننده ندارند اما، پاسخ زمانی کند و قابلیت آشکار سازی پایینی دارند.
سنسورهای مادون قرمز کوانتومی، عملکرد تشخیص بهتر و سریع‌تری دارند. نسبت به طول موج دریافتی حساس هستند و برای اندازه‌گیری دقیق، نیاز به سیستم سردکننده دارند.
طیف امواج مادون قرمز
طیف الکترومغناطیسی امواج مادون قرمز به سه ناحیه تقسیم می‌شود:
نزدیک (Near)، میانه (Mid) و دور (Far). ناحیه نزدیک، امواج بین 700 تا 1400 نانومتر را در بر گرفته و شامل سنسورهای مادون قرمز و فیبر نوری می‌شود. ناحیه میانه، از 1400 تا 3000 نانومتر را در بر می‌گیرند: مانند حسگرهای حرارتی و ناحیه دور، از 3000 تا 1 میلی‌متر می‌باشد مانند تصویربرداری حرارتی.
کاربرد تکنولوژی مادون قرمز
- دستگاه‌های دید در شب
- دستگاه‌های ستاره شناسی
- سامانه‌های رهگیری
- تاریخ شناسی
- سنسورهای تشخیص گاز
- آنالیز آب
- اکتشافات نفتی
- تصویربرداری حرارتی
سنسور دمای IR چیست؟
حسگرهای دمای مادون قرمز، امواج الکترومغناطیسی را در محدوده 700 تا 14000 نانومتر حس می‌کنند. درحالی‌که طیف مادون قرمز تا 1000000 نانومتر گسترش می‌یابد، سنسورهای دمای مادون قرمز بیش از 14000 نانومتر اندازه گیری نمی‌کنند.
این سنسورها با تمرکز انرژی مادون قرمز ساطع شده از یک جسم بر روی یک یا چند آشکارساز نوری کار می‌کنند.
این آشکارسازهای نوری آن انرژی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کنند که متناسب با انرژی فروسرخ ساطع شده از جسم است. از آنجایی که انرژی مادون قرمز ساطع شده از هر جسم متناسب با دمای آن است، سیگنال الکتریکی خوانش دقیقی از دمای جسمی که به آن اشاره شده است را ارائه می‌دهد.
با دانستن مقدار و نوع انتشار انرژی مادون قرمز خارج شده از سطح یک ماده، اغلب می‌توان دمای آن را در محدوده حرارتی‌اش یافت. دماسنج‌های مادون قرمز زیرمجموعه گروهی دیگر از ابزار با نام «دماسنج‌های تابشی-حرارتی» هستند.
اندازه‌گیری دما با سنسور دمای مادون قرمز
گاهی‌اوقات، به‌ویژه دمای نزدیک محیط، به دلیل انعکاس تابش از جسم داغ‌تر – حتی شخصی که ابزار را در دست دارد – به جای تابش توسط جسم مورد اندازه‌گیری و همچنین به دلیل انتشار نادرست، اندازه‌گیری ممکن است با خطا روبرو شود.
در این طرح لزوما یک عدسی وجود دارد که تابش حرارتی مادون قرمز را روی یک آشکارساز متمرکز می‌کند تا توان تابشی را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کند که می‌تواند پس از جبران دمای محیط در واحد دما نمایش داده شود. این امکان اندازه‌گیری دما از فاصله دور بدون تماس با جسم مورد اندازه‌گیری را فراهم می‌کند. دماسنج مادون قرمز غیر تماسی برای اندازه‌گیری دما در شرایطی که ترموکوپل‌ها یا دیگر سنسورهای تماسی نمی‌توانند استفاده شوند یا به دلایل مختلف داده‌های دقیقی تولید نمی‌کنند، مفید است.
کاربرد سنسورهای دمای غیرتماسی IR
برخی از شرایط استفاده از دماسنج‌های غیرتماسی عبارتنداز: جسم مورد اندازه‌گیری در حال حرکت است، جایی که جسم توسط یک میدان الکترومغناطیسی احاطه شده‌است (مانند گرمایش القایی)، جایی که جسم در خلا یا جو کنترل‌شده دیگری قرار دارد؛ در کاربردهایی که نیاز به پاسخ سریع است، دمای دقیق سطح مورد نظر است، دمای جسم بالاتر از نقطه استفاده توصیه شده برای سنسورهای تماسی است، تماس با یک سنسور باعث آسیب رساندن به جسم یا سنسور می‌شود و یا یک گرادیان دمای قابل توجهی بر سطح جسم ایجاد می‌کند.
دماسنج های مادون قرمز را می‌توان برای انجام طیف گسترده‌ای از عملکردهای نظارت بر دما مورد استفاده قرار‌داد. چند نمونه ارائه شده عبارتند از: تشخیص ابرها برای عملکرد تلسکوپ از راه دور، بررسی دما و نقاط داغ تجهیزات مکانیکی یا الکتریکی، اندازه‌گیری دمای بیماران در بیمارستان بدون دست زدن به آنها، بررسی دمای بخاری یا فر، برای کالیبراسیون و کنترل، بررسی نقاط داغ در اطفای حریق، نظارت بر مواد در فرآیندهای گرمایش یا سرمایش و اندازه‌گیری دمای آتشفشان‌ها. همچنین، در مواقع بیماری‌های همه‌گیر مانند کرونا، سارس و ابولا که باعث تب میشوند از دماسنج‌های مادون قرمز برای بررسی تب مسافران ورودی به کشور بدون ایجاد اختلال در حرکت آنها استفاده می‌شود.
در سال 2020، زمانی که ویروس کرونا ( کووید 19) در جهان همه‌گیر شد، از دماسنج‌های مادون قرمز برای اندازه‌گیری دمای بدن افراد استفاده شد تا در صورت مشاهده علائم تب، از ورود آنها به مکان‌های عمومی و انتقال احتمالی جلوگیری کنند. مقامات بهداشت عمومی مانند FDA در ایالات متحده، قوانینی را برای اطمینان از دقت و سازگاری دماسنج‌های مادون قرمز منتشر کردند. انواع مختلفی از دستگاه‌های سنجش دمای مادون قرمز، هم به صورت قابل حمل و دستی و هم به صورت نصب‌شده در مکان ثابت وجود دارند.
چگونه یک سنسور دمای مادون قرمز انتخاب کنیم؟
هنگام خرید یک دماسنج مادون قرمز باید چندین ویژگی کلیدی را با هم مقایسه کرد:
محدوده دمایی که پیش‌بینی می‌کنید با آن مواجه شوید
دقت ابزار
نوع سطح در حال اندازه‌گیری (ضریب انتشار)
اندازه هدف و فاصله از هدف میدان دید و نسبت [D:S]
نسبت فاصله به نقطه [D:S] اندازه ناحیه (نقطه) اندازه‌گیری شده‌است که به فاصله دماسنج از نقطه مربوط می‌شود. برای مثال، نسبت D:S 8 به 1، یک نقطه 1 اینچی را در فاصله 8 اینچی اندازه‌گیری می‌کند
محدوده دمایی سنسور دمای مادون قرمز
مهم است فکر محدوده دمایی که احتمالا با دماسنج مادون قرمز اندازه گیری می‌کنید را کرده باشید. یک دماسنج با محدوده مشخص و محدود انتخاب کنید که آنچه را که قصد اندازه‌گیری‌اش را دارید پوشش دهد.
ضریب انتشار سنسور دمای مادون قرمز
سطوح مختلف مقادیر متفاوتی از انرژی مادون قرمز ساطع می‌کنند. «ضریب انتشار»، اندازه‌گیری توانایی یک جسم برای نشر انرژی مادون قرمز است؛ انرژی ساطع‌شده دمای جسم را نشان می‌دهد. میزان انتشار می‌تواند مقداری بین صفر (به عنوان مثال، یک سطح براق، مانند یک آینه) تا 1 (جسم سیاه) داشته باشد. بیشتر سطوح آلی، رنگ‌شده یا اکسید‌شده دارای مقادیر انتشار نزدیک به 95/0 هستند. برخی از دماسنج‌های مادون قرمز دارای یک ضریب انتشار ثابت هستند (معمولاً 95/0 یا 97/0) که این ضریب ثابت عملکرد آنها را ساده‌تر می‌کند تا برای اکثر سطوح مواد مناسب باشد. سایر دماسنج‌های مادون قرمز دارای ضریب انتشار قابل‌تنظیم هستند، بنابراین می‌توانید دماسنج خود را با دقت بیشتری برای اندازه‌گیری انواع سطوح آماده کنید.
دقت سنسور دمای مادون قرمز
دقت به دمای هر چیزی که اندازه‌گیری می‌کنید بستگی دارد – معمولاً دقت در دماهای بسیار بالا یا بسیار پایین بدتر می‌شود. ارقام دقت نقل‌شده اغلب به دقت در یک محدوده دمایی خاص (نه در کل محدوده دمایی تحت پوشش) اشاره دارد، بنابراین هنگام مقایسه مشخصات مدل‌های مختلف مراقب باشید. همچنین به یاد داشته باشید که فقط به این دلیل که صفحه نمایش دما را با دقت 1/0 درجه نمایش می‌دهد، به این معنی نیست که دقت خواندن تا 1/0 درجه است.
اندازه هدف و فاصله از هدف سنسور دمای IR
اندازه و فاصله هدف برای دقت بیشتر دماسنج‌های مادون‌قرمز بسیار مهم است. هر ابزار مادون‌قرمز یک میدان دید دارد، یک زاویه دید که در آن از تمام دماهایی که می‌بیند، میانگین می‌گیرد.
جسم A میدان دید دماسنج را پر می‌کند. تنها دمایی که مشاهده می‌شود، دمای جسم A است، بنابراین دمای جسم A به طور دقیق نشان داده می‌شود. اما اگر جسم A حذف شود، جسم B و دیوار میدان دید مشترک دارند؛ بسته به نواحی نسبی هر یک که میدان دید دایره‌ای را پر می‌کند، دمای مشخص‌شده جایی بین دمای جسم B و دیوار خواهد بود.
نسبت فاصله تا محل – میدان دید اغلب با نسبت فاصله تا محل (D:S) توصیف می‌شود.
نسبت فاصله تا محل (D:S) اندازه ناحیه (محل) تحت اندازه‌گیری است و با فاصله دماسنج از این نقطه رابطه دارد؛ مثلا، نسبت D:S 8 به 1، در فاصله 8 اینچی (20 سانتی‌متری) دمای یک مکان دایره‌ای با قطر 1 اینچ (5/2 سانتی‌متری) را اندازه‌گیری می‌کند. از منظر میدان دید، اگر فاصله تا شی مورد نظر تقسیم بر قطر آن برابر با 8 باشد، پس آن شی میدان دید دستگاه را دقیقا پر خواهد کرد. هر چه فاصله از محل مورد نظر زیاد شود، قطر محل اندازه‌گیری هم بیشتر می‌شود. پس با نسبت D:S 8 به 1، در فواصل 16 و 24 اینچی، قطر محل اندازه‌گیری به ترتیب 2 و 3 اینچ خواهد بود.
نسبت D:S بر دقت اندازه‌گیری تاثیر دارد. اگر هدف مورد نظر برای اندازه‌گیری قطر 6 اینچی دارد و نسبت D:S دماسنج مادون قرمز شما 8 به 1 است، پس حداکثر فاصله‌ای که با اطمینان می‌توانید دمای آن نقطه را بیابید برابر با 48 اینچ می‌باشد. اگر فاصله بیش از 48 اینچ باشد، قطر محل اندازه‌گیری بیشتر شده و علاوه بر دمای مکان موردنظر، هر شی که داخل میدان دید دماسنج قرار بگیرد نیز دمایش اندازه‌گیری خواهد شد. این بدین معنی است که اگر مکان مورد نظر بسیار داغ است اما اطرافش بسیار سردتر است، بنابراین اندازه‌گیری دما در فواصل بیشتر از حداکثر مقدار، شامل قسمتهای سردتر خواهد شد و دمای متوسط اندازه‌گیری شده از نقطه موردنظر را کاهش می‌دهد.
مطمئن شوید که هدف بزرگتر از اندازه نقطه‌ای است که دستگاه اندازه‌گیری می‌کند. هرچه هدف کوچکتر باشد، باید به آن نزدیکتر باشید. وقتی دقت بسیار مهم است، مطمئن شوید که هدف حداقل دو برابر اندازه نقطه است.
از کجا بدانیم به چه نسبت D:S نیاز داریم؟
با استفاده از رابطه بین نسبت D:S، قطر محل اندازه‌گیری و فاصله از محل اندازه‌گیری می‌توانید تشخیص دهید که دماسنج مادون‌قرمز نیاز شما را برآورده می‌کند یا اینکه به چه دماسنج مادون‌قرمز نیاز دارید:
- اگر نسبت D:S دماسنج و قطر محل اندازه‌گیری را می‌دانید، با استفاده از فرمول زیر می‌توانید مشخص کنید که تا چه فاصله‌ای می‌توانید از مکان مورد نظر فاصله بگیرید و اندازه‌گیری دقیقی داشته باشید:
2. اگر می‌دانید که فاصله شما از محل اندازه‌گیری و قطر آن چقدر است، می‌توانید حداقل نسبت D:S را به صورت زیر بیابید:
3. اگر فاصله از محل اندازه‌گیری و همچنین نسبت D:S دماسنج مادون‌قرمز را می‌دانید، کوچکترین قطر محل اندازه‌گیری دقیق را با فرمول زیر می‌توانید محاسبه کنید:
48 اینچ تقسیم بر 2 اینچ 24 یا نسبت D:S 24 به 1
حال با همان قطر اولیه 6 اینچی، فاصله اندازه‌گیری را به 60 اینچ تغییر می‌دهیم:
60 اینچ تقسیم بر 6 اینچ 10 یا نسبت D:S 10 به 1
نسبت D:S بسیار زیاد تغییر می‌کند پس زمانیکه بهترین دماسنج مادون‌قرمز برای برآورده کردن نیازتان را انتخاب می‌کنید، مواظب این ویژگی آنها باشید.
مزایای سنسور دمای مادون قرمز
- سنسورهای مادون‌قرمز متوجه حرکت اشیا میشوند. سنسورهای دمایی تماس محور در مورد تشخیص اشیای در حال حرکت خوب عمل نمی‌کنند. سنسورهای دمایی مادون‌قرمز مناسب برای اندازه‌گیری دمای تایر، ترمز و ابزار مشابه هستند
- سنسورهای مادون‌قرمز ساییده نمی‌شوند. وقتی تماسی وجود ندارد اصطکاکی هم نیست. سنسورهای مادون‌قرمز ساییده یا خورده نمی‌شوند و در نتیجه طول عمر عملیاتی بالاتری دارند.
- سنسورهای مادون‌قرمز دقت بالاتری دارند. سنسور مادون‌قرمز می‌تواند به سادگی با نشانه رفتن آن به مکان‌های مختلف شی تحت اندازه‌گیری، جزییات بیشتری نسبت به ابزار تماسی به هنگام اندازه‌گیری در اختیار ما قرار بدهد.
- از سنسورهای مادون‌قرمز می توان با اندازه‌گیری نوسانات دمایی در میدان دید برای تشخیص حرکت بهره برد.
2 دیدگاه در “سنسور دمای مادون قرمز چیست؟”
با درود حسگر های فرو سرخ کوانتومی چرا حساس‌تر هستندو ساختارشکن چه فرقی دارد و چرا می گویند کوانتمی؟ ممنون
با سلام و احترام،
سنسورهای حرارتی IR (یا مادون قرمز) از انرژی مادون قرمز به عنوان گرما برای تشخیص استفاده می کند، حساسیت‌شان مستقل از طول موج است، این آشکارسازهای غیر تماسی نیاز به خنک کردن ندارند، اما زمان پاسخ (Response time) آهسته و رزولوشن پایینی دارند. اما سنسورهای کوانتومی که معمولا بصورت یک تراشه نیمه هادی آرسنید گالیم (GaAs) هستند، فوتون‌ها را تشخیص می‌دهند که بسیار حساس‌تر از حسگر نوع دمایی محسوب میشوند. سیگنال خروجی حسگرهای کوانتومی بسیار کوچک است و به راحتی در دمای اتاق دچار نویز میشوند. برای غلبه بر این مشکل، سنسورهای کوانتومی اغلب در دماهای برودتی کار می‌کنند تا نویز را به حداقل برسانند.که این به طور قابل توجهی هزینه آنها را افزایش می دهد. در نتیجه، آنها تنها در صورتی استفاده می شوند که حساسیت بالا، وضوح بالا و/یا زمان پاسخ کوتاه در یک طول موج خاص مورد نیاز باشد.