Termiczne czujniki podczerwieni stały się istotną częścią współczesnego życia. Znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach medycznych, inteligentnych domach, monitoringu przemysłowym, systemach bezpieczeństwa i kamerach termowizyjnych. W przeciwieństwie do czujników światła widzialnego, termiczne czujniki podczerwieni wykrywają promieniowanie podczerwone emitowane przez obiekty i przekształcają je na sygnały elektryczne w oparciu o zmiany temperatury.
Obecnie najpopularniejsze technologie termicznych czujników podczerwieni można podzielić na trzy główne kategorie: termoelektryczne czujniki podczerwieni, piroelektryczne czujniki podczerwieni i mikrobolometry. Każda technologia działa na innej zasadzie i jest przeznaczona do różnych zastosowań. Zrozumienie tych typów czujników może pomóc inżynierom, producentom i użytkownikom końcowym w wyborze odpowiedniego rozwiązania na podczerwień odpowiadającego ich potrzebom.
1.Co to jest czujnik termiczny na podczerwień?
Termiczny czujnik podczerwieni wykrywa energię podczerwieni emitowaną przez obiekty i przekształca ją w mierzalne sygnały elektryczne. Ponieważ wszystkie obiekty powyżej zera absolutnego emitują promieniowanie podczerwone, czujniki termiczne mogą mierzyć temperaturę lub wykrywać obecność ludzi i przedmiotów bez bezpośredniego kontaktu.
W przeciwieństwie do detektorów fotonów, termiczne czujniki podczerwieni reagują na wywołane ciepłem zmiany właściwości materiału. Dzięki temu nadają się do szerokiego zakresu zastosowań, często zmniejszając złożoność i koszty systemu.
2. Termopilowe czujniki podczerwieni i piroelektryczne czujniki podczerwieni
Czujniki termoelektryczne należą do najpowszechniej stosowanych czujników termicznych na podczerwień. Zasada działania jest stosunkowo prosta: gdy promieniowanie podczerwone ogrzewa obszar wykrywania, powstaje różnica temperatur, w wyniku której wytwarzany jest elektryczny sygnał wyjściowy.
Ponieważ czujniki termoelektryczne mogą bezpośrednio mierzyć temperaturę bez kontaktu fizycznego, są one powszechnie stosowane w produktach konsumenckich i medycznych. Termometry douszne, termometry na czoło, bezdotykowe urządzenia do pomiaru temperatury i urządzenia elektryczne często wykorzystują technologię stosu termoelektrycznego. Ich zalety to prosta konstrukcja, niski pobór mocy, dobra stabilność i stosunkowo niski koszt. Jednak są one zwykle używane do pomiaru temperatury, a nie do obrazowania termowizyjnego.
Piroelektryczne czujniki podczerwieni działają w oparciu o efekt piroelektryczny. Niektóre materiały generują ładunki elektryczne, gdy zmienia się ich temperatura. Ważną cechą czujników piroelektrycznych jest to, że reagują one tylko na zmieniające się sygnały podczerwieni. Są bardzo wrażliwe na ruch, ale nie mogą skutecznie wykrywać obiektów stacjonarnych o stałej temperaturze. Dzięki temu idealnie nadają się do zastosowań związanych z wykrywaniem ruchu. W czujnikach ruchu na podczerwień, automatycznych systemach oświetleniowych, inteligentnych kranach, alarmach bezpieczeństwa i systemach wykrywania obecności powszechnie stosuje się piroelektryczne czujniki podczerwieni.
3.Mikrobolometry: rdzeń kamer termowizyjnych
Mikrobolometry stanowią najbardziej zaawansowaną i powszechnie stosowaną technologię termodetekcji w podczerwieni do zastosowań obrazowych. W przeciwieństwie do czujników termoelektrycznych i piroelektrycznych, mikrobolometry mogą generować pełne obrazy termiczne, a nie proste sygnały temperatury lub ruchu.
Mikrobolometr składa się z materiałów wrażliwych na temperaturę, które pochłaniają promieniowanie podczerwone. W miarę nagrzewania się materiału zmienia się jego opór elektryczny. Detektor mierzy te zmiany rezystancji i przekształca je w dane obrazu, tworząc wizualną mapę temperatury sceny. Ta funkcja umożliwia kamerom termowizyjnym wykrywanie różnic temperatur w tysiącach pikseli jednocześnie, co sprawia, że mikrobolometry są preferowanym wyborem w systemach termowizyjnych.
Zastosowania obejmują inspekcję przemysłową, konserwację predykcyjną, gaszenie pożarów, ochronę obwodową, wizję samochodową, badania medyczne i kamery termowizyjne montowane na dronach.
4.VOx a mikrobolometry z krzemu amorficznego
Nowoczesne mikrobolometry zazwyczaj wykorzystują jeden z dwóch materiałów czujnikowych: tlenek wanadu (VOx) lub amorficzny krzem (a-Si). Krzem amorficzny zapewnia dobrą zgodność produkcyjną ze standardowymi procesami półprzewodnikowymi i został zastosowany w różnych produktach do obrazowania termowizyjnego. Jednakże technologię VOx uważa się powszechnie za bardziej dojrzałą i powszechnie stosowaną w wysokowydajnych systemach obrazowania w podczerwieni. Mikrobolometry VOx znane są z wysokiej czułości, doskonałej jakości obrazu i stabilnej pracy. Te zalety uczyniły VOx jedną z dominujących technologii na światowym rynku niechłodzonych detektorów podczerwieni. W miarę ciągłego rozwoju zastosowań termowizyjnych, detektory oparte na technologii VOx pozostają popularnym wyborem w profesjonalnych i komercyjnych kamerach termowizyjnych.
5.Wybór odpowiedniego czujnika termicznego na podczerwień
Najlepszy termiczny czujnik podczerwieni zależy od wymagań aplikacji. Czujniki termoelektryczne idealnie nadają się do bezdotykowego pomiaru temperatury. Czujniki piroelektryczne doskonale sprawdzają się w wykrywaniu ruchu i obecności. Mikrobolometry są preferowanym rozwiązaniem, gdy wymagane jest obrazowanie termowizyjne i szczegółowe mapowanie temperatury.
W nowoczesnych systemach termowizyjnych mikrobolometry VOx nadal wiodą na rynku dzięki wysokiej czułości, dojrzałej technologii i doskonałej wydajności obrazowania.
Wniosek
Termiczne czujniki podczerwieni odgrywają kluczową rolę w wielu zastosowaniach codziennych i przemysłowych. Czujniki termoelektryczne zapewniają dokładny pomiar temperatury, czujniki piroelektryczne umożliwiają niezawodne wykrywanie ruchu, a mikrobolometry umożliwiają obrazowanie termowizyjne.
W miarę ciągłego rozwoju technologii podczerwieni, niechłodzone detektory podczerwieni oparte na VOx pomagają w szerzeniu zastosowania obrazowania termowizyjnego na rynkach konsumenckich, przemysłowych, medycznych i bezpieczeństwa. Dzięki tym innowacjom czujniki termiczne są wydajniejsze, tańsze i bardziej dostępne niż kiedykolwiek wcześniej.