инфракрасные датчики

Инфракрасный датчик (ИК-датчик, пирометр, тепловой детектор) — это устройство, предназначенное для обнаружения и измерения инфракрасного излучения (теплового излучения) объектов. Инфракрасное излучение представляет собой электромагнитные волны с длиной волны от 0,74 мкм до 1000 мкм, занимающие спектральную область между видимым светом и микроволновым радиоизлучением. Основная функция ИК-датчика заключается в преобразовании энергии теплового излучения в электрический сигнал, который может быть обработан, измерен или использован для управления другими устройствами.

Принцип действия

Работа инфракрасных датчиков основана на физическом эффекте преобразования тепловой энергии в электрическую. Все объекты, температура которых выше абсолютного нуля, излучают инфракрасное излучение. Интенсивность и спектральный состав этого излучения зависят от температуры и материала объекта (закон Планка, закон Стефана — Больцмана).

Датчик улавливает это излучение с помощью чувствительного элемента (приёмника). В зависимости от типа приёмника, излучение либо вызывает нагрев элемента (тепловые датчики), либо непосредственно генерирует электрический сигнал (фотонные датчики). Полученный сигнал усиливается, фильтруется и преобразуется в цифровой или аналоговый выходной сигнал, пропорциональный температуре объекта или факту его присутствия в поле зрения датчика.

Классификация

Инфракрасные датчики классифицируются по нескольким основным признакам.

По типу приёмника излучения

• Тепловые (болометрические) датчики. Измеряют изменение температуры чувствительного элемента под действием ИК-излучения. К ним относятся термопары, терморезисторы (болометры), пироэлектрические датчики. Такие датчики работают в широком спектральном диапазоне, не требуют охлаждения, но имеют относительно низкое быстродействие. Примеры: пироэлектрические датчики движения (PIR-датчики), термобатареи.
• Фотонные (квантовые) датчики. Используют внутренний фотоэффект — поглощение фотонов ИК-излучения приводит к генерации носителей заряда в полупроводнике. К ним относятся фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы (например, на основе сульфида свинца или антимонида индия). Такие датчики обладают высокой чувствительностью и быстродействием, но требуют охлаждения (часто до криогенных температур) для снижения теплового шума. Спектральный диапазон узок и зависит от материала.

По спектральному диапазону

• Ближний ИК-диапазон (NIR, 0,74–3 мкм). Используется в пультах дистанционного управления, системах связи, оптических датчиках.
• Средний ИК-диапазон (MWIR, 3–8 мкм). Применяется в тепловизионных системах, газоанализаторах, для обнаружения горячих объектов (например, ракет).
• Дальний ИК-диапазон (LWIR, 8–15 мкм). Основной диапазон для тепловидения, пирометрии, датчиков движения. Соответствует излучению тел с температурой, близкой к комнатной.
• Сверхдальний ИК-диапазон (FIR, 15–1000 мкм). Используется в научных исследованиях, астрономии.

По принципу обнаружения

• Пассивные датчики. Только принимают собственное ИК-излучение объекта. Не излучают ничего. Примеры: пирометры, тепловизоры, PIR-датчики.
• Активные датчики. Содержат собственный источник ИК-излучения (светодиод, лазер) и приёмник. Измеряют отражённое от объекта излучение. Примеры: ИК-барьеры, дальномеры, оптические датчики приближения.

Устройство и основные компоненты

Типичный инфракрасный датчик состоит из следующих элементов:

• Оптическая система (линза, зеркало, световод). Фокусирует ИК-излучение на чувствительном элементе. Часто используются линзы Френеля (для PIR-датчиков) или сапфировые/германиевые линзы для тепловизионных систем.
• Чувствительный элемент (приёмник). Преобразует тепловую энергию в электрический сигнал. Материал и конструкция определяют характеристики датчика.
• Электронный блок обработки. Включает усилитель сигнала, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер для фильтрации, компенсации температуры окружающей среды и вычисления температуры.
• Корпус. Защищает внутренние компоненты от внешних воздействий, часто герметизирован. Может содержать окно, прозрачное для ИК-излучения (например, из германия, кремния или селенида цинка).

Применение

Инфракрасные датчики широко используются в различных отраслях промышленности, науки и быта.

Промышленность и энергетика

• Бесконтактное измерение температуры (пирометрия). Контроль температуры расплавленного металла, стекла, пластмасс, вращающихся деталей, высоковольтного оборудования.
• Тепловизионный контроль. Обнаружение перегрева контактов, подшипников, изоляции линий электропередач, утечек тепла в зданиях.
• Газоанализ. Определение концентрации газов (CO₂, CH₄, NOₓ) по их характерным полосам поглощения в ИК-диапазоне (недисперсионные инфракрасные газоанализаторы — NDIR).

Безопасность и охрана

• Охранные датчики движения (PIR). Обнаружение вторжения в помещение по изменению теплового фона.
• Системы контроля доступа. ИК-барьеры для обнаружения пересечения границы.
• Тепловизоры для наблюдения. Обнаружение людей и животных в темноте, в условиях дыма или тумана.

Медицина

• Бесконтактные термометры. Измерение температуры тела человека (например, инфракрасные термометры для уха или лба).
• Тепловизионная диагностика. Выявление воспалительных процессов, нарушений кровообращения, опухолей (маммография, ангиография).
• Пульсоксиметрия. Измерение насыщения крови кислородом с помощью ИК-светодиодов.

Автомобильная промышленность

• Системы ночного видения. Обнаружение пешеходов, животных, препятствий в темноте.
• Адаптивный круиз-контроль. Измерение расстояния до впереди идущего автомобиля.
• Датчики дождя. Определение наличия влаги на лобовом стекле.

Бытовая техника

• Пульты дистанционного управления. Передача команд на телевизоры, кондиционеры, аудиосистемы.
• Датчики движения для автоматического включения света. Энергосбережение.
• Инфракрасные обогреватели. Излучение тепла в определённом направлении.

Научные исследования

• Астрономия. Наблюдение холодных объектов (звёзд, планет, галактик) в ИК-диапазоне.
• Спектроскопия. Анализ химического состава веществ.
• Экология. Мониторинг температуры поверхности Земли, океана, атмосферы.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Бесконтактность. Измерение температуры на расстоянии, без механического контакта с объектом.
• Безопасность. Отсутствие вредного излучения (в отличие от рентгеновского или лазерного излучения высокой мощности).
• Быстродействие. Возможность измерения температуры движущихся объектов.
• Широкий диапазон измеряемых температур. От -50 °C до +3000 °C и выше.
• Возможность работы в агрессивных средах. Высокая температура, давление, химически активные вещества.

Недостатки

• Зависимость от излучательной способности объекта. Разные материалы имеют разную степень излучения (эмиссию), что требует коррекции.
• Влияние помех. Пыль, дым, пар, конденсат на оптике могут искажать измерения.
• Ограниченная точность. Для точных измерений требуется калибровка и учёт температуры окружающей среды.
• Необходимость охлаждения. Для фотонных датчиков высокого разрешения требуется криогенное охлаждение.

Интересные факты

• Первый инфракрасный датчик был создан в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем, который обнаружил невидимое тепловое излучение за красной областью солнечного спектра.
• Пироэлектрический эффект, лежащий в основе большинства датчиков движения, был открыт ещё в Древней Греции (турмалин).
• Современные тепловизоры способны различать разницу температур в 0,01 °C.
• В России разработкой инфракрасных датчиков занимаются такие предприятия, как АО «Швабе» (входит в Госкорпорацию Ростех), НПО «Орион», АО «ЛОМО» и другие.

Источники

• ГОСТ Р 8.568-97 «Государственная система обеспечения единства измерений. Тепловизоры. Методы поверки».
• Физическая энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990.
• Криксунов Л. З. «Справочник по основам инфракрасной техники». — М.: Воениздат, 1978.
• Хадсон Р. «Инфракрасные системы». — М.: Мир, 1972.
• Материалы сайта «Росстандарт» (методические указания по пирометрии).