Microsenzori pentru detectarea radiaiei IR

Ochiul uman este capabil s detecteze doar o mic poriune din ceea ce se

numete Spectrul electromagnetic (Fig.1). Spectrul electromagnetic cuprinde

toate tipurile de radiaii, de la radiaiile X, utilizate n spitale, la undele radio i

chiar i microundele utilizate n domeniul alimentar.

Fig. 1 Spectrul radiatiei electromagnetice

Radiaiile din spectrul electromagnetic sunt adesea clasificate n funcie de

lungimea de und. Radiaiile ce apar la valori mici ale lungimilor de und sunt

adesea considerate periculoase (raze gamma, raze X, UV).

Undele radio, radiaiile din domeniul IR i microundele sunt radiaii ce apar

la valori mari ale lungimilor de und, fiind considerate mai puin periculoase.

Radiaia IR poate fi definit ca acea radiaie electromagnetic situat n

vecintatea radiaiei din domeniul vizibil.

Domeniul IR al radiaiilor electromagnetice se gsete situat la lungimi de

und cuprinse ntre 0,8 200 m (1 m = 10-6 m).n domeniul IR se pot distinge

trei regiuni i anume:

- IR apropiat (0,8 -2,5 m)

- IR (2,5 25 m)

- IR deprtat (25- 200) m

Domeniul IR uzual este situat ntre 2,5 si 25 m.

Senzorii n infrarou (IR) constituie cu siguran categoria cea mai simpl de

senzori de distan. Metoda lor de funcionare este foarte simpl, fiecare senzor

fiind echipat cu un emitor i un detector. Emitorul transmite un fascicol de

lumin n spectrul infrarou (de regul sunt folosite lungimi de und n intevalul

880-990nm ), fascicol care se propag n mediu, iar apoi se reflect de obiectele

aflate n acesta. Fascicolul reflectat este captat de componenta detectoare, urmnd

apoi ca printr-un calcul matematic simplu, s se estimeze o distan ntre senzorul

infrarou i obiectul detectat din mediu. Principiul de funcionare al unui senzor IR

este prezentat n figura 7.

Att emitorul ct i detectorul au o raz de aciune (en. field of view). n funcie

de poziia obiectului n mediu, acesta poate fi detectat sau nu de ctre senzor. Dac

obiectul este prezent la intersecia razelor de aciune a emitorului i a

detectorului, radiaia reflectat de obiect va fi observat de detector, n caz contrar,

obiectul nefiind detectat

Detectoarele infrarou sunt clasificate n tipuri termice i tipuri cuantice.

Detectoare termice folosesc energia infrarou sub form de cldur i de

sensibilitate fotografic si sunt independente de lungimea de und. Detectoarele

termice nu necesit rcire, dar au dezavantajele c raspunsul de timp este lent i

capacitatea de detecie este sczut.

n schimb, detectoarele cuantice ofer performane de detectare mai mare i

o vitez de rspuns mai rapid, dei sensibilitatea lor fotografic este dependent

de lungimea de und. n general, detectoarele cuantice trebuie s fie rcite pentru

msurarea precis, cu excepia detectoarelor utilizate n regiunea infrarou

apropiat. Tipuri de detectoare n infrarou si caracteristicile lor tipice de rspuns

spectrale sunt prezentate n tabelul urmtor.

Termometrele n infrarou (IR) msoar temperaturi fr contact cu

obiectul de msurat, cu un timp de rspuns de ordinul ms. n cazul termometrului

n IR, nu intereseaz conductivitatea termic a obiectului msurat, factorii

importani fiind urmtorii:

- vederea direct ntre termometrul n IR i obiectul de msurat,

- elementele optice trebuie s fie protejate mpotriva prafului i condensului,

- n general, termometrele n IR msoar doar temperatura suprafeelor,

radiaia termic depinznd de materialul obiectului msurat i de gradul de finisare

a suprafeei.

Teoria radiaiei IR se bazeaz pe principiul c toate corpurile cu temperatur

mai mare ca zero absolut (0K = -273,16C) radiaz energie. Cldura din aceste

corpuri determin vibraii moleculare care induc vibraii electronice, deci emisie

electromagnetic.

Amplitudinea radiaiei depinde de emisivitatea corpului, ce se definete ca

raportul ntre energia radiat de un obiect la o anumit temperatur i energia

emis de un radiator perfect (corp negru) la aceeai temperatur. Un corp negru

este un corp ideal care emite toat radiaia termic primit. Alte proprieti ale

corpului care influeneaz radiaia emis sunt transparena i reflectivitatea. Cele

mai multe obiecte nemetalice au reflectivitate sczut, nu sunt transmisive i au

emisivitate > 0,9. Metalele cu suprafa strlucitoare sau lustruite au reflectivitate

mare i emisivitate sczut.

Distribuia radiaiei emise se deplaseaz spre lungimi de und mai mici cu

creterea temperaturii. Astfel, termometrele n IR sunt realizate cu diverse scri de

lungimi de und, pentru a oferi performane bune pe diverse game. Din punct de

vedere constructiv, termometrele n IR sunt instrumente portabile, cu afiaj

numeric, dotate cu microcontroler pentru compensare i calibrare i senzori

sensibili n infrarou. Realizeaz msurtori rapide i fr contact cu obiectul de

msurat pentru temperaturi de 40 +1700C. Obiectul msurat poate avea

dimeniuni foarte mici.

Termometrele moderne n infrarou au ca parte analogic fotodetectoarele i

preamplificatoarele, n rest toate celelalte circuite sunt numerice (convertoare

analog-numerice, circuite-numerice programabile, memorii ROM i EEPROM i

procesoare numerice de semnale), ieirile fiind analogice i /sau numerice. Cele

mai folosite sunt termometrele n infrarou cu dou lungimi de und. Legturile de

date permit transferul datelor ntre termometre n infrarou, calculatoare i alte

instrumente i dispozitive de control. Interfeele standard cele mai folosite sunt

cele serie, RS-232 sau RS-485.

Pirometrele se folosesc la msurarea temperaturilor mari, tipic peste

I000C, pe baza radiaiilor totale, pariale sau monocromatice emise de corpurile

msurate.

Pirometre de radiaie total se compun dintr-un sistem optic i un sistem

electric de msurare, nchise ntr-o carcas metalic denumit lunet. Sistemul

optic este format din lentile obiectiv i ocular i diafragme. Sistemul electric de

msurare este alctuit din termopile, montate cu jonciunile de msurare pe plcue

receptoare de radiaii din platin nnegrit, centrate pe axul lunetei. Constantele de

timp ale msurtorilor sunt 2...3 s.

Pirometre de radiaie parial.

- Pirometrul optic cu filament funcioneaz pe baza comparrii, prin

intermediul ochiului, a densitii spectrale a luminanei energetice a corpului

msurat, cu luminana spectral variabil a unei lmpi cu incandescen. Curentul

prin filament d informaia de temperatur a corpului.

- Pirometrul fotoelectric msoar densitatea spectral a emitanei energetice

a corpurilor, utiliznd fotodetectoare n benzi de civa m n jurul unei anumite

lungimi de und. Tipic, se folosesc dou fotodetectoare identice pentru msurare

(de exmplu, fotodiode duale), pentru eliminarea inconvenientului recalibrrilor

periodice.

- Pirometrele de culoare funcioneaz pe baza raportului densitilor spectral ale

emitanelor energetice, pentru dou lungimi de und ale radiaiilor corpului a crui

temperatur se msoar.

Radiaiile sunt trecute printr-un disc rotitor prevzut cu filtre de culoare

pentru cele dou lungimi de und, de exemplu rou i verde. Semnalul electric de

la fotodetector, cu faza variabil n funcie de lungimea de und la care emitana

energetic este maxim, este amplificat i aplicat unui servomotor care deplaseaz

un filtru colorat n calea radiaiilor pn la obinerea egalitii emitanelor

energetice spectrale pentru cele dou lungimi de und.

Termografia n infrarou descrie echipamentele de preluare a imaginilor

termice n IR, utilizate n urmtoarele aplicaii:

- inspecia sistemelor electrice, n scopul depistrii conexiunilor sau

echipamentelor calde sau anormal de reci;

- inspecia sistemelor mecanice, pentru frecri excesive i curgeri anormale

ale fluidelor;

- inspecia acoperiurilor, pentru detectarea izolrilor umede: detectarea

pierderilor de energie prin pereii exteriori ai cldirilor;

- monitorizarea proceselor,

- analize medicale, cantitative i ale plcilor de circuit electronice, etc.

Un sistem de termografie n IR conine un captator termic de imagini n

infrarou (scaner IR sau IR imager), o plac de achiziie de imagini, soft pentru

procesarea de imagini i un monitor video.

Msurtorile sunt fcute n dou benzi spectrale: 3...5 m sau 8...12 m,

datorit transmisiei bune a radiaiei infraroii prin atmosfer, n aceste dou benzi

de lungimi de und. Informaia obinut trebuie corectat, astfel nct temperatura

msurat s fie funcie numai de temperatura obiectului.

Trebuie s se in seama de asemenea de mrimea obiectului. Pentru un

obiect a crui imagine spectral pe fotodetector este mai mic dect fotodetectorul,

scanerul va msura o temperatur care este o medie a temperaturii obiectului i

mediului nconjurtor. Pentru mrirea rezoluiei, se folosete un sistem optic de

mrire a imaginii obiectului i nu o amplificare electronic a semnalului. Se

elimin astfel efectele difraciilor optice, aberaii sau umbriri. Rezultatele

msurtorilor nu sunt identice n cele dou benzi de lungimi de und. Acestea

difer datorit condiiilor atmosferice, distanei pn la obiect, tipul obiectului a

crui temperatur se msoar, radiaia obiectelor nconjurtoare, etc.

Toate aceste condiii specifice aplicaiei se compenseaz prin programul

software din sistemul de procesare de imagini.

Scanerele n infrarou sunt, n general, de dou tipuri:

- cu suprafee de fotodiode care necesit rcire la temperaturi criogenice, au

diferene de temperaturi echivalente de zgomot de 0,01C, sunt scumpe, se

folosesc n aborator i lucreaz n banda 3. ..5 m;

- cu suprafee de fotodiode la temperatura camerei, n banda 0,9 2,5 m,

cu diferene de temperaturi echivalente de zgomot de 1C.

Emisometrele cu transformat Fourier n infrarou (FT-IR) sunt

instrumente folosite n procesul de msurare simultan a emitanei spectrale a

suprafeelor i temperaturii n gama 100...2000 C, prin determinarea unor

parametri ca radiana, reflexia direcional i transmisia direcional ntr-o gam

spectral mare, n infrarou apropiat i mijlociu, folosind tehnici interferometrice

cu laser. Emisometrele cu transformat Fourier n IR au aplicaii n:

- controlul calitii proprietilor radiative ale materialelor n industrie,

- cercetarea i producerea de noi materiale,

- msurri de temperatur prin tehnici optice n infrarou apropiat i

mijlociu,

- determinarea proprietilor de transfer de cldur ale unor materiale.

Sisteme de iluminat cu senzori infrarou Senzorul de micare infrarou (PIR)

detecteaz cldura emis de un organism din cmpul su de aciune. Senzorii sunt

adesea montai la corpurile de iluminat pentru sigurana casei.

Senzorul PIR se activeaz atunci cnd o persoan n micare trece prin raza

de aciune a senzorului i ntrerupe starea pe care senzorul o consider normal

pn n acel moment.

Corpurile de iluminat cu tehnologia senzorilor de micare infrarou (PIR) se

aprinde atunci cnd o persoan trece prin cmpul de aciune al senzorului, iar

senzorul nu va activa lumina dac o persoan rmne nemicat n raza de aciune

a senzorului.

Senzorii de micare cu infrarou sunt mai sensibili n zilele rcoroase dect

n zilele calde. Acest lucru se datoreaz faptului c diferena de temperatur dintre

aerul nconjurtor i corpul uman este mai mare n zilele reci, senzorul sesiznd

uor diferena de temperatura. Acest lucru are dezavantaje, n cazul n care

senzorul este prea sensibil, senzorul va detecta i micarea animalelor mici crend

alarme false, aprinderea inutil a luminii. Temperatura optim de funcionare a

senzorului de micare pentru corpurile de iluminat este cuprins ntre 150-200 C. La

temperaturi mai mari de 300 C, sensibilitatea senzorului va scdea i emisiile n

infrarou vor fi detectate mai greu.

Niciun sistem de detectare a micrii nu este perfect, dar senzorii PIR sunt

ideali pentru sistemul de securitate al casei.