سنسورهای فروسرخ یا IR sensor

IR sensor یا infrared sensor و به معنی سنسور مادون قرمز یا فروسرخ است. این سنسور تابش مادون قرمز را در محیط اطراف خود اندازه گیری کرده و تشخیص می دهد. به صورت کلی طول موج IR از نور مرئی بیشتر است. به دلیل طول موج بالای نور مادون قرمز، انسان قادر به تشخیص آن نیست. از این رو وجود نورهای دیگر در محیطی که از مادون قرمز استفاده می شود، اختلالی در سیستم ایجاد نخواهد کرد. در نظر داشته باشید که هر چیزی که گرما ساطع می کند، تشعشع مادون قرمز خواهد داشت. سنسور های مادون قرمز در دو نوع active یا فعال و passive یا غیر فعال وجود دارند. در ادامه ویژگی هر یک از این مدل ها را بررسی می کنیم.

سنسورهای فرو سرخ غیر فعال یا passive infrared sensor

PIR مخفف passive infrared sensor و به معنی سنسور فروسرخ غیر فعال است. علت غیر فعال نامیدن این سنسورها آن است که هیچ نوع انرژی از خود ساطع نکرده و فقط تشعشعات مادون قرمز را از قسمت جلویی سنسور یا Sensor Face دریافت می‌کنند. این سنسورها معمولا از مواد پلی الکتریک ساخته می شوند. مواد پلی الکتریکی در برابر جذب اشعه گرم شده و پالس های الکتریکی از خود منتشر می کنند. این مواد شامل کلسیم نیترات، گالیم نیترید و غیره است.
یکی از مهم ترین کاربردهای این سنسورها در تشخیص حرکت است. همانطور که اشاره شد، همه ی اشیا، مادون قرمز تشعشع می‌کنند. با وجود نامرئی بودن این تشعشعات از دید انسان، می توان با استفاده از وسایل الکترونیکی خاصی آن ها را آشکار کرد.
ّرخی از ویژگی های این سنسور عبارت اند از:

• یک سنسور PIR می تواند تغییرات میزان تابش فروسرخ برخورد کرده به آن را تشخیص دهد. این مقدار با توجه به دما و ویژگی های سطح جسم مقابل سنسور متفاوت خواهد بود.
• در سنسور های مادون قرمز passive از هیچ منبع مادون قرمزی استفاده نمی‌شود.
• این سنسور ها در دو نوع کوانتمی و حرارتی وجود دارند. حسگرهای حرارتی مادون قرمز از انرژی آن به عنوان منبع گرما استفاده می کنند. ترموکوپل ها، آشکارساز های pyroelectric و bolometer ها انواع رایج آشکارسازهای مادون قرمز حرارتی هستند. سنسورهای مادون قرمز کوانتمی کارایی بالاتری را در تشخیص ارائه می دهند.

طبق تصویر زیر یک سنسور pyroelectric از بخش های زیر تشکیل شده است:

• دو نوار از مواد pyroelectric: تحت عنوان pyroelectric elements
• فیلتر مادون قرمز یا Infrared filter: این فیلتر تمام طول موج های دیگر نور را مسدود یا فیلتر می کند.
• fresnel lens: این عدسی نور را از زوایای مختلف در یک نقطه جمع می کند.
• یک واحد housing: این واحد جهت محافظت از سنسور در برابر سایر متغیر های محیطی مانند رطوبت استفاده می شود.

از سنسور های PIR معمولا در تشخیص های مبتنی بر حرکت یا motion-based detection مانند سیستم های امنیتی خانگی استفاده می شود. هنگامی که جسم متحرک که تابش مادون قرمز تولید می کند وارد محدوده ی حسگر آشکارساز شود، تفاوت در سطوح IR بین دو المان pyroelectric اندازه گیری می شود. در ادامه سنسور یک سیگنال الکترونیکی را به یک embedded computer ارسال می کند.

در بعضی از فرآیند های صنعتی از جمله اندازه گیری دمای کوره به دلیل دمای بسیار بالای فرآیند، باید از دماسنج های غیر تماسی استفاده کنیم؛ زیرا به کار گیری دماسنج تماسی در این شرایط ممکن است موجب آسیب یا اختلال در اندازه گیری شود.

در برخی موارد به ترمومتر های غیر تماسی مورد استفاده در دماهای حدود 1000 درجه و بالاتر، پیرومتر یا پایرومتر می‌گویند. پیرومتر نوعی دماسنج سنجش از راه دور است. به عبارت بهتر، پیرومتر ها در اندازه گیری دمای اجسام از راه دور و یا اجسام متحرک کاربرد دارند. با استفاده از این دستگاه می توان دمای یک سطح را از روی میزان تابش حرارتی که از آن ساطع می شود، تعیین کرد. عبارت pyrometer از کلمه ی یونانی آتش “pyr” و meter به معنای اندازه گیری گرفته شده است. در تصویر زیر نمونه ایی از یک Digital pyrometer SPOT را مشاهده می کنید.

در تصویر زیر یک Pyrometer IR Thermometer تحت عنوان DIT-500 نمایش داده شده است.

تصویر زیر نمونه ایی از کاربرد DIT-500 را نشان می دهد.

سنسور فروسرخ فعال یا active infrared sensor

سنسور های فعال مادون قرمز هر دو عمل انتشار و تشخیص تشعشعات مادون قرمز را انجام می دهند. این سنسور ها دارای یک دیود ساطع کننده ی نور یا LED و یک گیرنده هستند. با نزدیک شدن یک جسم به سنسور، نور مادون قرمز LED از جسم منعکس شده و توسط گیرنده شناسایی می شود. سنسور های فروسرخ فعال به عنوان حسگر های مجاورت یا proximity sensors عمل می کنند. از این سنسور ها می توان در سیستم های تشخیص موانع از جمله ربات ها استفاده کرد. تصویر زیر نمونه ایی از سنسور فروسرخ فعال ساخت کمپانی CVC را نمایش می دهد.

به صورت کلی سنسور های مادون قرمز فعال از یک منبع مادون قرمز و یک آشکار ساز مادون قرمز تشکیل شده اند. منبع مادون قرمز شامل LED یا دیود لیزر مادون قرمز و آشکار ساز های مادون قرمز شامل فتودیود یا فتوترانزیستورها می باشند. انرژی ساطع شده از منبع مادون قرمز توسط یک جسم منعکس شده و روی آشکارساز فروسرخ می افتد. در صورتی اشعه ی مادون قرمز میان فرستنده و گیرنده توسط مانعی قطع شود، آنگاه گیرنده اشعه را در یافت نکرده و زمینه ی اعلام آلارم فراهم می شود.

فرض کنید تنها یک اشعه میان فرستنده و گیرنده ی سنسور ارسال شود. در این حالت با قرار گرفتن یک مانع کوچک در مسیر اشعه، سیگنال آلارم فعال می شود. هم چنین ممکن است فردی با تخمین محل اشعه و پریدن از روی آن و یا رد شدن از زیر آن سنسور را فریب دهد. در این صورت فرد بدون دیده شدن وارد محیط حفاظت شده خواهد شد. با توجه به نکات ذکر شده در کاربرد های فضای باز عموما بیش از یک اشعه ی مادون قرمز میان فرستنده و گیرنده ی سنسور ارسال می شود. در این سنسور ها با قطع شدن یک اشعه، آلارمی اعلام نمی شود. اگر چند اشعه در صورت ورود شی بزرگ تر قطع شود آنگاه سیگنال آلارم سنسور فعال خواهد شد.
قابل ذکر است که این سنسور ها در برابر باران و مه به سادگی دچار مشکل می شوند. حضور قطره ی آب در مسیر اشعه ها موجب انحراف و افت سیگنال مادون قرمز خواهد شد. در این حالت سیگنال دریافتی توسط گیرنده به قدری ضعیف است که قابل آشکارسازی نیست. از این رو در کاربردها ی معمولی و سطح حفظات متوسط از آن ها استفاده می شود.

سنسور های فرستنده

سنسورهای فرستنده شباهت زیادی با LED های نورانی دارند. این نوع سنسور ها در انواع استاندارد 3 و 5 میلی متر در بازار تولید می شوند. پایه ی بلند تر در آن ها پایه ی آند یا مثبت و پایه ی کوتاه تر، پایه ی کاتد یا منفی است. تصویر زیر نمونه ایی از یک دیود فرستنده و گیرنده یا receiver را نشان می دهد.

سنسورهاي گيرنده

سنسورهای گیرنده به دو صورت زیر در بازار وجود دارند:

1. سنسور مادون قرمز به همراه مدارات فيلتر و دمودولاسيون: از این سنسور ها در سيستم هاي مخابراتي و خانگي مانند تلويزيون استفاده مي شود. به منظور راه اندازي آن ها بايد از كاتالوگ استفاده شود.
2. يك فتو ديود ساده: این سنسور فقط نور مادون قرمز را دريافت کرده و از نظر شكل ظاهري شبيه به ديود فرستنده مي باشد. رنگ بدنه ي آن به دو صورت شفاف یا سياه رنگ است. این دو مدل ساختار یکسان و شکل ظاهری متفاوتی دارند.

شناسايي و تست سنسور گيرنده

سنسور فرستنده و گیرنده از نظر شکل ظاهری شبیه بوده و نمی‌توان از روی ظاهر، نوع آن ها را تشخیص داد. به منظور تست سنسور گیرنده ابتدا مولتی متر را در حالت اهم قرار می دهیم. در ادامه پراپ های مولتی متر را به پایه های سنسور متصل می کنیم. اگر عددی روی صفحه ی مولتی متر نمایش داده نشود آنگاه پایه های متصل به سنسور اشتباه است. در این حالت با جابه جا کردن جای پراپ مولتی متر، باید اعدادی روی صفحه نمایش داده شود. با قرار دادن دست روی سنسور گیرنده، مقاومت محل افزایش می یابد. هم چنین با برداشتن دست از روی گیرنده، نور به محل پیوند رسیده و موجب کاهش مقاومت محل پیوند می شود. در این حالت پایه ی متصل به پراپ قرمز همان پایه ی مثبت آند و پایه ی متصل به پراپ سیاه، پایه ی منفی کاتد است. در گیرنده ها معمولا طول پایه ی کاتد بلند تر است.

کاربرد سنسور IR

از IR sensor ها در پروژه و تجهیزات الکترونیکی متعددی استفاده می شود. برخی از کاربرد های این سنسور عبارت اند از:

• تجهیزات دید در شب یا Night Vision Devices: در صورتی که نور کافی برای دیدن در شب وجود نداشته باشد می توان از فناوری مادون قرمز استفاده کرد. دستگاه های دید در شب، فوتون های نور محیط را به الکترون تبدیل می کنند. در ادامه با استفاده از یک فرآیند شیمیایی و الکتریکی آن ها را تقویت کرده و در آخر مجددا به نور مرئی تبدیل می شوند.

• ترمومترهای تشعشعی یا Radiation Thermometers: برخی از ویژگی های این دماسنج ها عبارت از اندازه گیری بدون تماس مستقیم با جسم، پاسخ سریع تر و الگوی اندازه گیری آسان می باشد.
• ردیابی مادون قرمز یا Infrared Tracking: ردیابی مادون قرمز یا فروسرخ یک سیستم هدایت موشکی است. این سیستم با استفاده از تابش الکترومغناطیسی فروسرخ که از هدف ساطع شده است به ردیابی آن می پردازد. از این سنسور ها در زمینه ی رباتیک، تشخیص رنگ، تشخیص آتش، تشخیص نور، گرما و غیره استفاده می شود.

پارامتر قابلیت انتشار یا Emissivity

به میزان توانایی یک جسم در انتشار انرژی مادون قرمز، حساسیت گفته می شود. با استفاده از این انرژی می توان دمای یک جسم را تعیین کرد. به عبارت دقیق تر نسبت انرژی ساطع شده توسط یک جسم به انرژی ساطع شده توسط یک جسم سیاه در همان دما را قابلیت انتشار می گویند. در این تعریف جسم سیاه جسمی است که قابلیت جذب همه ی طول موج های الکترو مغناطیس را دارد. پارامتر قابلیت انتشار یا Emissivity می تواند از صفر تا یک تغییر کند. این پارامتر برای آینه براق برابر با 0 بوده و ماکسیم مقدار آن مربوط به جسم سیاه و برابر با 1 است.