ما هو مستشعر الأشعة تحت الحمراء: مخطط الدائرة وعمله

تُستخدم تقنية الأشعة تحت الحمراء في الحياة اليومية وأيضًا في الصناعات لأغراض مختلفة. على سبيل المثال ، تستخدم أجهزة التلفزيون ملف مستشعر IR لفهم الإشارات التي يتم إرسالها من جهاز التحكم عن بعد. تتمثل الفوائد الرئيسية لأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء في انخفاض استهلاك الطاقة وتصميمها البسيط وميزاتها المريحة. لا يمكن ملاحظة إشارات الأشعة تحت الحمراء بالعين البشرية. الأشعة تحت الحمراء في المجال الكهرومغناطيسي يمكن العثور عليها في المناطق المرئية والميكروويف. عادة ، تتراوح الأطوال الموجية لهذه الموجات من 0.7 ميكرومتر من 5 إلى 1000 ميكرومتر. يمكن تقسيم طيف الأشعة تحت الحمراء إلى ثلاث مناطق مثل الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة والأشعة تحت الحمراء البعيدة. يتراوح الطول الموجي لمنطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة من 0.75 - 3 ميكرومتر ، ويتراوح الطول الموجي لمنطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة من 3 إلى 6 ميكرومتر والطول الموجي للأشعة تحت الحمراء لمنطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة أعلى من 6 ميكرومتر.

ما هو مستشعر الأشعة تحت الحمراء / مستشعر الأشعة تحت الحمراء؟

مستشعر الأشعة تحت الحمراء هو جهاز إلكتروني ينبعث من أجل استشعار بعض جوانب البيئة المحيطة. يمكن لمستشعر الأشعة تحت الحمراء قياس حرارة الجسم وكذلك اكتشاف الحركة. تقيس هذه الأنواع من المستشعرات الأشعة تحت الحمراء فقط ، بدلاً من انبعاثها التي تسمى أ مستشعر IR السلبي . عادة ، في طيف الأشعة تحت الحمراء ، تشع جميع الأجسام شكلاً من أشكال الإشعاع الحراري.

حساس الأشعة تحت الحمراء

هذه الأنواع من الإشعاعات غير مرئية لأعيننا ، ويمكن اكتشافها بواسطة مستشعر الأشعة تحت الحمراء. الباعث هو ببساطة IR LED ( الصمام الثنائي الباعث للضوء ) والكاشف هو ببساطة ثنائي ضوئي IR حساس لضوء الأشعة تحت الحمراء بنفس الطول الموجي الذي ينبعث من IR LED. عندما يسقط ضوء الأشعة تحت الحمراء على الثنائي الضوئي ، ستتغير المقاومة والجهد الناتج بما يتناسب مع حجم ضوء الأشعة تحت الحمراء المستلم.

مبدأ العمل

يشبه مبدأ عمل مستشعر الأشعة تحت الحمراء مستشعر اكتشاف الأشياء. يشتمل هذا المستشعر على IR LED و IR Photodiode ، لذلك من خلال الجمع بين هذين يمكن تشكيله كقارن ضوئي أو optocoupler. قوانين الفيزياء المستخدمة في هذا المستشعر هي إشعاع الألواح الخشبية وإزاحة ستيفان بولتزمان وإزاحة وين.

IR LED هو نوع واحد من أجهزة الإرسال التي تنبعث منها إشعاعات IR. يبدو هذا LED مشابهًا لمصباح LED قياسي والإشعاع الناتج عن هذا غير مرئي للعين البشرية. تكتشف مستقبلات الأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي الإشعاع باستخدام جهاز إرسال الأشعة تحت الحمراء. تتوفر مستقبلات الأشعة تحت الحمراء هذه في شكل ثنائيات ضوئية. تختلف الثنائيات الضوئية للأشعة تحت الحمراء عن الثنائيات الضوئية المعتادة لأنها تكتشف ببساطة الأشعة تحت الحمراء. توجد أنواع مختلفة من مستقبلات الأشعة تحت الحمراء اعتمادًا على الجهد وطول الموجة والحزمة وما إلى ذلك.

بمجرد استخدامه كمجموعة من جهاز إرسال واستقبال الأشعة تحت الحمراء ، يجب أن يساوي الطول الموجي لجهاز الاستقبال جهاز الإرسال. هنا ، جهاز الإرسال هو IR LED بينما المستقبل هو الثنائي الضوئي IR. يستجيب الثنائي الضوئي للأشعة تحت الحمراء لضوء الأشعة تحت الحمراء الذي يتم إنشاؤه من خلال مؤشر LED للأشعة تحت الحمراء. تتناسب مقاومة الصمام الثنائي الضوئي والتغير في جهد الخرج مع ضوء الأشعة تحت الحمراء الذي تم الحصول عليه. هذا هو مبدأ العمل الأساسي لمستشعر الأشعة تحت الحمراء.

بمجرد أن يولد مرسل الأشعة تحت الحمراء انبعاثًا ، فإنه يصل إلى الكائن وسيعكس بعض الانبعاثات مرة أخرى نحو مستقبل الأشعة تحت الحمراء. يمكن تحديد خرج المستشعر بواسطة مستقبل الأشعة تحت الحمراء اعتمادًا على شدة الاستجابة.

أنواع مستشعر الأشعة تحت الحمراء

تصنف مستشعرات الأشعة تحت الحمراء إلى نوعين مثل مستشعر الأشعة تحت الحمراء النشط ومستشعر الأشعة تحت الحمراء السلبي.

جهاز استشعار الأشعة تحت الحمراء النشط

يتضمن مستشعر الأشعة تحت الحمراء النشط كلاً من جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال. في معظم التطبيقات ، يتم استخدام الصمام الثنائي الباعث للضوء كمصدر. يستخدم LED كمستشعر الأشعة تحت الحمراء غير التصويري بينما يستخدم الصمام الثنائي الليزري كمستشعر تصوير بالأشعة تحت الحمراء.

تعمل هذه المستشعرات من خلال إشعاع الطاقة الذي يتم استقباله واكتشافه من خلال الإشعاع علاوة على ذلك ، يمكن معالجتها باستخدام معالج الإشارة لجلب المعلومات اللازمة. أفضل الأمثلة على مستشعر الأشعة تحت الحمراء النشط هو مستشعر شعاع الانعكاس والكسر.

مستشعر الأشعة تحت الحمراء السلبية

يتضمن مستشعر الأشعة تحت الحمراء السلبية أجهزة الكشف فقط ولكنها لا تشتمل على جهاز إرسال. تستخدم هذه المستشعرات كائنًا مثل جهاز الإرسال أو مصدر الأشعة تحت الحمراء. يصدر هذا الجسم طاقة ويكشف من خلال مستقبلات الأشعة تحت الحمراء. بعد ذلك ، يتم استخدام معالج إشارة لفهم الإشارة للحصول على المعلومات المطلوبة.

أفضل الأمثلة على هذا المستشعر هي كاشف كهربي حراري ، ومقياس بولوميتر ، ومزدوجة حرارية ، وما إلى ذلك. تصنف هذه المستشعرات إلى نوعين مثل مستشعر الأشعة تحت الحمراء الحرارية ومستشعر الأشعة تحت الحمراء الكمومية. لا يعتمد مستشعر الأشعة تحت الحمراء الحراري على الطول الموجي. يتم تسخين مصدر الطاقة الذي تستخدمه هذه المستشعرات. الكاشفات الحرارية بطيئة في الاستجابة ووقت الكشف. يعتمد مستشعر الأشعة تحت الحمراء الكمومية على الطول الموجي وتشمل هذه المستشعرات استجابة عالية ووقت اكتشاف. تحتاج هذه المستشعرات إلى تبريد منتظم لإجراء قياسات محددة.

مخطط دائرة حساس الأشعة تحت الحمراء

تعد دائرة مستشعر الأشعة تحت الحمراء إحدى وحدات الاستشعار الأساسية والشائعة في جهاز الكتروني . يشبه هذا المستشعر حواس الرؤية البشرية ، والتي يمكن استخدامها لاكتشاف العوائق وهو أحد التطبيقات الشائعة في الوقت الفعلي. تتكون هذه الدائرة من المكونات التالية

• LM358 إيك 2 زوج الارسال والاستقبال IR
• مقاومات نطاق الكيلو أوم.
• مقاومات متغيرة.
• الصمام (الصمام الثنائي الباعث للضوء).

مخطط دائرة حساس الأشعة تحت الحمراء

في هذا المشروع ، يشتمل قسم جهاز الإرسال على مستشعر IR ، والذي ينقل أشعة IR المستمرة ليتم استقبالها بواسطة وحدة مستقبل الأشعة تحت الحمراء. يختلف طرف خرج IR الخاص بالمستقبل حسب استقباله لأشعة IR. نظرًا لأنه لا يمكن تحليل هذا الاختلاف على هذا النحو ، فيمكن تغذية هذا الإخراج بدائرة مقارنة. هنا مكبر تشغيلي (المرجع أمبير) من LM 339 يستخدم كدائرة مقارنة.

عندما لا يستقبل مستقبل الأشعة تحت الحمراء إشارة ، فإن الإمكانات عند المدخل المقلوب تزداد أعلى من ذلك المدخل غير المقلوب للمقارن IC (LM339). وهكذا ينخفض ​​ناتج المقارنة ، لكن مؤشر LED لا يتوهج. عندما تستقبل وحدة استقبال الأشعة تحت الحمراء إشارة إلى احتمال انخفاض الدخل المقلوب. وهكذا يرتفع ناتج المقارنة (LM 339) ويبدأ مؤشر LED في التوهج.

يتم استخدام المقاوم R1 (100) و R2 (10k) و R3 (330) لضمان مرور تيار لا يقل عن 10 مللي أمبير عبر أجهزة IR LED مثل Photodiode ومصابيح LED العادية على التوالي. يستخدم المقاوم VR2 (الضبط المسبق = 5 كيلو) لضبط أطراف الخرج. يستخدم المقاوم VR1 (الإعداد المسبق = 10 كيلو) لضبط حساسية مخطط الدائرة. اقرأ المزيد عن مستشعرات الأشعة تحت الحمراء.

دائرة حساس الأشعة تحت الحمراء باستخدام الترانزستور

يظهر أدناه مخطط دائرة مستشعر الأشعة تحت الحمراء باستخدام الترانزستورات وهي اكتشاف العوائق باستخدام ترانزستورين. تستخدم هذه الدائرة بشكل أساسي للكشف عن العوائق باستخدام IR LED. لذلك ، يمكن بناء هذه الدائرة بترانزستورين مثل NPN و PNP. بالنسبة إلى NPN ، يتم استخدام الترانزستور BC547 بينما يستخدم الترانزستور BC557 في PNP. دبوس هذه الترانزستورات هو نفسه.

دائرة استشعار الأشعة تحت الحمراء باستخدام الترانزستورات

في الدائرة أعلاه ، يتم دائمًا تشغيل مؤشر LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء بينما يكون مؤشر LED الآخر الذي يعمل بالأشعة تحت الحمراء متحالفًا مع الطرف الأساسي للترانزستور PNP لأن LED IR يعمل ككاشف. تتضمن المكونات المطلوبة لدائرة مستشعر الأشعة تحت الحمراء مقاومات 100 أوم و 200 أوم ، ترانزستورات BC547 و BC557 ، LED ، IR LEDs-2. الإجراء خطوة بخطوة كيفية عمل دائرة استشعار الأشعة تحت الحمراء يتضمن الخطوات التالية.

• قم بتوصيل المكونات وفقًا لمخطط الدائرة باستخدام المكونات المطلوبة
• قم بتوصيل مؤشر LED يعمل بالأشعة تحت الحمراء بالمحطة الأساسية للترانزستور BC547
• قم بتوصيل مؤشر LED للأشعة تحت الحمراء بالطرف الأساسي لنفس الترانزستور.
• قم بتوصيل المقاوم 100Ω باتجاه المسامير المتبقية لمصابيح الأشعة تحت الحمراء.
• قم بتوصيل المحطة الأساسية لترانزستور PNP باتجاه طرف المجمع لترانزستور NPN.
• قم بتوصيل المقاوم LED & 220Ω حسب التوصيل في مخطط الدائرة.
• بمجرد الانتهاء من توصيل الدائرة ، يعطي مصدر الطاقة للدائرة للاختبار.

عمل الدائرة

بمجرد اكتشاف مؤشر LED للأشعة تحت الحمراء ، فإن الضوء المنعكس من الشيء سينشط تيارًا صغيرًا يزود جميع أنحاء كاشف IR LED. سيؤدي هذا إلى تنشيط ترانزستور NPN و PNP وبالتالي سيتم تشغيل LED. هذه الدائرة قابلة للتطبيق لعمل مشاريع مختلفة مثل المصابيح الأوتوماتيكية لتنشيط بمجرد اقتراب الشخص من الضوء.

دائرة الإنذار ضد السرقة باستخدام جهاز استشعار الأشعة تحت الحمراء

يتم استخدام دائرة إنذار السرقة بالأشعة تحت الحمراء هذه عند المداخل والأبواب وما إلى ذلك. تعطي هذه الدائرة صوت صفارة لتنبيه الشخص المعني عندما يعبر شخص ما الأشعة تحت الحمراء. عندما لا تكون الأشعة تحت الحمراء مرئية للبشر ، فإن هذه الدائرة تعمل كجهاز أمان مخفي.

دائرة الإنذار ضد السرقة باستخدام جهاز استشعار الأشعة تحت الحمراء

تشتمل المكونات المطلوبة لهذه الدائرة بشكل أساسي على NE555IC ، والمقاومات R1 & R2 = 10k & 560 ، و D1 (الثنائي الضوئي IR) ، و D2 (IR LED) ، و C1 Capacitor (100nF) ، و S1 (مفتاح الدفع) ، و B1 (الجرس) و 6 فولت تيار مستمر إمداد.
يمكن توصيل هذه الدائرة عن طريق ترتيب مؤشر LED للأشعة تحت الحمراء بالإضافة إلى مستشعرات الأشعة تحت الحمراء الموجودة على الباب المقابل لبعضها البعض. بحيث يمكن أن تسقط الأشعة تحت الحمراء على المستشعر بشكل صحيح. في ظل الظروف العادية ، تسقط الأشعة تحت الحمراء دائمًا فوق الصمام الثنائي للأشعة تحت الحمراء وستظل حالة الإخراج في الدبوس 3 في حالة منخفضة.

سيتم مقاطعة هذا الشعاع بمجرد أن يعبر جسم صلب الشعاع. عندما يتحطم الأشعة تحت الحمراء ، سيتم تنشيط الدائرة ويتحول الإخراج إلى حالة التشغيل. تظل حالة الإخراج حتى يتم إعادة تشغيلها عن طريق إغلاق المفتاح ، مما يعني أنه عند فصل مقاطعة الشعاع ، يظل الإنذار قيد التشغيل. لتجنب قيام الآخرين بإلغاء تنشيط الإنذار ، يجب وضع الدائرة أو مفتاح إعادة الضبط بعيدًا عن مستشعر الأشعة تحت الحمراء أو بعيدًا عن الأنظار. في هذه الدائرة ، يتم توصيل جرس 'B1' لإنتاج صوت يحمل في ثناياه عوامل ويمكن استبدال هذا الصوت الداخلي بأجراس بديلة بخلاف ذلك بصفارات الإنذار العالية بناءً على المتطلبات.

مزايا

ال مزايا مستشعر الأشعة تحت الحمراء تشمل ما يلي

• يستخدم طاقة أقل
• يمكن اكتشاف الحركة في وجود أو عدم وجود ضوء تقريبًا بنفس الموثوقية.
• لا يحتاجون إلى الاتصال مع الكائن للكشف
• لا يوجد تسرب للبيانات بسبب اتجاه الشعاع
• لا تتأثر هذه المستشعرات بالأكسدة والتآكل
• مناعة ضد الضوضاء قوية جدا

سلبيات

ال عيوب جهاز استشعار الأشعة تحت الحمراء تشمل ما يلي

• خط الرؤية مطلوب
• النطاق محدود
• يمكن أن تتأثر هذه بسبب الضباب والمطر والغبار وما إلى ذلك
• معدل نقل بيانات أقل

تطبيقات مستشعر الأشعة تحت الحمراء

يتم تصنيف مستشعرات الأشعة تحت الحمراء إلى أنواع مختلفة حسب التطبيقات. بعض التطبيقات النموذجية المختلفة أنواع أجهزة الاستشعار. يستخدم مستشعر السرعة لمزامنة سرعة محركات متعددة. ال جهاز استشعار درجة الحرارة يستخدم للتحكم في درجة الحرارة الصناعية. مستشعر PIR يستخدم لنظام فتح الباب التلقائي و أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية يستخدم لقياس المسافة.

تستخدم مجسات الأشعة تحت الحمراء في مختلف المشاريع القائمة على أجهزة الاستشعار وكذلك في مختلف الأجهزة الإلكترونية التي تقيس درجة الحرارة الموضحة أدناه.

ترمومترات الإشعاع

تستخدم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء في موازين الحرارة الإشعاعية لقياس درجة الحرارة وتعتمد على درجة الحرارة ومادة الجسم وتتميز موازين الحرارة هذه ببعض الميزات التالية

• القياس بدون اتصال مباشر بالجسم
• استجابة أسرع
• قياسات نمط سهلة

شاشات اللهب

تستخدم هذه الأنواع من الأجهزة للكشف عن الضوء المنبعث من اللهب ومراقبة كيفية اشتعال اللهب. يمتد الضوء المنبعث من اللهب من الأشعة فوق البنفسجية إلى أنواع مناطق الأشعة تحت الحمراء. PBS ، PbSe ، كاشف ثنائي اللون ، كاشف كهربي حراري هي بعض أجهزة الكشف المستخدمة بشكل شائع في شاشات اللهب.

أجهزة تحليل الرطوبة

يستخدم محللو الرطوبة أطوال موجية تمتصها الرطوبة في منطقة الأشعة تحت الحمراء. يتم تشعيع الأجسام بالضوء الذي يحتوي على هذه الأطوال الموجية (1.1 ميكرومتر ، 1.4 ميكرومتر ، 1.9 ميكرومتر ، 2.7 ميكرومتر) وأيضًا بأطوال موجية مرجعية.

تعتمد الأضواء المنعكسة عن الكائنات على محتوى الرطوبة ويتم اكتشافها بواسطة المحلل لقياس الرطوبة (نسبة الضوء المنعكس عند هذه الأطوال الموجية إلى الضوء المنعكس عند الطول الموجي المرجعي). في الثنائيات الضوئية GaAs PIN ، يتم استخدام أجهزة الكشف عن الموصلات الضوئية Pbs في دوائر محلل الرطوبة.

أجهزة تحليل الغاز

تُستخدم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء في أجهزة تحليل الغاز التي تستخدم خصائص امتصاص الغازات في منطقة الأشعة تحت الحمراء. يتم استخدام نوعين من الطرق لقياس كثافة الغاز مثل المشتت وغير المشتت.

مشتت: يتم تقسيم الضوء المنبعث طيفيًا ويتم استخدام خصائص امتصاصه لتحليل مكونات الغاز وكمية العينة.

لا تشتت: إنها الطريقة الأكثر استخدامًا وتستخدم خصائص الامتصاص دون تقسيم الضوء المنبعث. تستخدم الأنواع غير المتفرقة مرشحات ممر النطاق البصري المنفصل ، على غرار النظارات الشمسية التي تستخدم لحماية العين لتصفية الأشعة فوق البنفسجية غير المرغوب فيها.

يشار إلى هذا النوع من التكوين بشكل عام باسم تقنية الأشعة تحت الحمراء غير المشتتة (NDIR). يستخدم هذا النوع من أجهزة التحليل للمشروبات الغازية ، في حين يتم استخدام محلل لا تشتت في معظم أدوات الأشعة تحت الحمراء التجارية ، لتسرب وقود غاز عادم السيارات.

أجهزة التصوير بالأشعة تحت الحمراء

يعد جهاز صورة الأشعة تحت الحمراء أحد التطبيقات الرئيسية لموجات الأشعة تحت الحمراء ، وذلك في المقام الأول بحكم خصائصه غير المرئية. يتم استخدامه للتصوير الحراري وأجهزة الرؤية الليلية وما إلى ذلك.

على سبيل المثال ، الماء والصخور والتربة والغطاء النباتي والغلاف الجوي والأنسجة البشرية جميعها تنبعث منها الأشعة تحت الحمراء. تقوم كاشفات الأشعة تحت الحمراء الحرارية بقياس هذه الإشعاعات في نطاق الأشعة تحت الحمراء وتعيين توزيعات درجة الحرارة المكانية للكائن / المنطقة على الصورة. تتكون أجهزة التصوير الحرارية عادةً من مستشعرات Sb (أنيمونيت الإنديوم) و Gd Hg (جرمانيوم مخدر بالزئبق) و Hg Cd Te (مستشعرات الزئبق والكادميوم والتيلورايد).

يتم تبريد الكاشف الإلكتروني إلى درجات حرارة منخفضة باستخدام الهيليوم السائل أو النيتروجين السائل. ثم تضمن أجهزة التبريد Cooling أن الطاقة المشعة (الفوتونات) المسجلة بواسطة الكاشفات تأتي من التضاريس وليس من درجة الحرارة المحيطة للأجسام داخل الماسح نفسه ومن أجهزة التصوير الإلكترونية بالأشعة تحت الحمراء.

تشمل التطبيقات الرئيسية لأجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء بشكل أساسي ما يلي.

• علم الارصاد الجوية
• علم المناخ
• تعديل الصورة الحيوية
• تحليل المياه
• كاشفات الغاز
• اختبار التخدير
• استكشاف البترول
• سلامة السكك الحديدية

وهكذا ، هذا كل شيء حول مستشعر الأشعة تحت الحمراء الدائرة مع العمل والتطبيقات. تستخدم هذه المستشعرات في العديد من أجهزة الاستشعار مشاريع الإلكترونيات . نعتقد أنه ربما يكون لديك فهم أفضل لمستشعر الأشعة تحت الحمراء هذا ومبدأ عمله. علاوة على ذلك ، في حالة وجود أي شكوك بشأن هذه المقالة أو المشاريع ، يرجى تقديم ملاحظاتك من خلال التعليق في قسم التعليقات أدناه. إليك سؤال لك ، هل يمكن أن يعمل مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء في الظلام الدامس؟

اعتمادات الصورة:

• محلل الغاز imimg
• مستشعر الأشعة تحت الحمراء Shopify