سنسور دمای مادون قرمز

سنسور دمای مادون قرمز گاهی اوقات به صورت ترموپیل تعریف می شود . در واقعیت ماژول سنسور حاوی یک ترموپیل است . در این دانشنامه ، ترموپیل قطعه ای جداگانه در نظر گرفته شده است ، که در مدخل مربوط به ترموکوپل ها جای گرفته است .

گاهی اوقات از سایر عبارت ها نیز برای سنسور دمای مادون قرمز استفاده می شود ، از جمله گرما سنج بدون اتصال یا گرماسنج مادون قرمز . این گرما سنج را به صورت یک محصول تجاری طبقه بندی می کند ، نه یک قطعه .

قطعاتی مانند آدرسنج تشعشع ، آذرسنج IR ، آذرسنج لوری ، یا تصویر بردار گرمایی روش هایی برای اندازه گیری تشعشع مادون قرمز هستند ، اما خارج از بازهی این دانشنامه قرار گرفته اند . سنسور حرکتی مادون قرمز پسیو ( PIR ) می تواند تشعشع مادون قرمز را تشخیص دهد ، اما تنها به نوسانات شدت واکنش نشان می دهد . سنسور دمای مادون قرمز مقدار ثابت یک تشعشع تابشی را اندازه گیری می کند

کاربرد

بررسی اکثر سنسور های دمایی که سایر مدخل های این دانشنامه  شده اند سنسور های لمسی و اتصالی هستند ، یعنی اینکه برای اندازه گیری دمای یک شیء ، مایع و یا گاز باید با آن اتصال داشته باشند . در شرایطی که اتصال امکان پذیر نیست و یا مطلوب نیست ، سنسور دمای مادون قرمز را می توان به کار برد . واکنش آن به تشعشعات بدنه ی سیاه ( یا تابش مشخص ) که توسط تمام مواد بالاتر از صفر درجه ی کلوین ساطع می شود می باشد . این مقدار بر اساس دما در نتیجه ی حرکت مولکول ها تغییر می کند .

شرایطی که از سنسور های بدون اتصال نسبت به سنسور های اتصالی مطلوب تر هستند عبارتست از :

– موقعیت شئ مناسب نیست و یا در مکان بسیار دوری قرار گرفته است .

– دمای منطقه ی وسیعی باید اندازه گیری شود . 

– اتصال با شی کوچک باعث تغییر دمای شی می شود . اندازه گیری باعث تغییر مقداری می شود که باید اندازه گیری شود

– شی فرسایش زا ، ساینده و به سنسور آسیب رسان است .

– شی در حال حرکت یا لرزش باشد .

– سطح شئ نباید آلوده شود ( برای مثال ، غذای بدون محافظ ) .

– دمای شئ کمتر از منفی ۵۰ درجه سلسیوس یا بیشتر از ۱۳۰۰ درجه سلسیوس است .

با این همه ، سنسور های بدون اتصال دارای محدودیت هایی نیز هستند :

– معمولا تنها دمای سطح هدف را می توان اندازه گیری کرد 

– لنز سنسور باید از هر نوع گرد و خاک و مایع محافظت شود .

– هدف باید کاملا در دید و خط دید قرار داشته باشد .

– آلودگی هوا باعث تغییر مقدار اندازه گیری شده می شود . برخی از گازها ، مانند کربن دیا معمولا تشعشعات مادون قرمز را جذب می کنند .

– سنسور تحت تأثیر سایر منابع قرار می گیرد ، از جمله گرمای انتقالی ، منعکس شده و کنتراست .

– با اینکه سنسور مادون قرمز از نظر تئوری به بازی وسیعی از دماها واکنش نشان میدهد ، در عمل سنسور های مختلفی با حساسیت های مختلف برای پوشش دهی بازهی کاملی مورد نیاز هستند .

– انواع مختلف مواد شدت های متفاوتی از تشعشعات بدنه ی سیاه تولید می کنند ، حتی اگر در دمای یکسانی قرار داشته باشند . کمی جبران مورد نیاز است و یا سطح شئ باید رنگ شود .

موارد استفاده

گرماسنج های بدون اتصال دستی از کاربردهای اولیه ی سنسور های بدون اتصال هستند .

در فضانوردی ، تشعشعات گرمایی خورشید و سایر ستاره ها مد نظر فضانوردان قرار دارد .

اخيرا ، کاهش هزینه ی سنسور دمای مادون قرمز و آسانی پیاده سازی آن ، باعث شده است که در محصولات مصرف کننده ها نیز به آانی جای بگیرند . یک حوزه ی وسیع برای به کارگیری آن لپ تاپ ها و دستگاه های دستی هستند که در آن عملکرد پردازند باید نسبت به دمای بررسی شود تا از گرم شدن بیش از حد آن جلوگیری به عمل آید .

در این نوع کاربرد ، چسباندن سنسور به فضای داخلی کیس یک کار دستی به هنگام فرایند تولید خواهد بود و نیازمند یک اتصال سیمی است . سنسور دمای مادون قرمز که بر روی برد مدار نصب شده است ، که قسمت زیرین کیس را می بیند ، می تواند سریع تر به این نوع هدف برسد .

سنسور بدون اتصال همچنین برای اندازه گیري اشیای چرخان نیز مناسب است ، مانند رولهای گرم کننده در پرینتر های لیزری 

نماد شماتیک

نماد شماتیک خاصی برای سنسور دمای مادون قرمز وجود ندارد .

عملكرد

با اینکه نانومتر ها ( با علامت اختصاری nm ) عموما برای اندازه گیری طول موج های مرئی استفاده می شوند ، طول موج های بلند مادون قرمز از راه دور بر حسب میکرومتر ( m ) اندازه گیری می شوند .

مقادیر مادون قرمز قابل اندازه گیری به صورت بازهای از ۰.۷um تا ۱۴ium تعریف می شوند ، که مطابق با تشعشع حداکثر بازه ی بدنه ی سیاه در دمایی بین ۲۰۰ تا ۶۰۰۰ درجه ی کلوین است ( حدود منفی ۷۰ الی ۵۷۰۰ سلسیوس )

متاسفانه یک شئ تنها یک طول موج در تشعشع بدنه ی سیاه برای هر مقدار دما ساطع نمی کند . بلکه طول موج های متفاوتی ایجاد می کند که با افزایش دما وسیع تر می شود . با این همه ، وقتی که تشعشعات طیفی آن نشان داده می شود ، حداکثر شدت نیز با توجه به دما افزایش پیدا می کند ، که بر حسب وات بر استرادیان ، به ازای هر میکرومتر طول موج تعریف می شود . ( استرادیان زاویه ی رأس مخروط است ، که در این حالت این مخروط همان تشعشعات ساطع شده می باشد ) . چون شدت افزایش پیدا می کند ، می تواند برای اندازه گیری دما مورد استفاده قرار بگیرد .

تمام منحنی ها برای یک شین هستند . هر منحنی به یک دما بر حسب درجه ی کلوین مختص است ، که نشان می دهد چطور شدت تشعشع ساطع شده بر حسب طول موج تغییر می کند . توجه داشته باشید که تشعشع در طول موج های کوتاه تر از ۰ ٫ ۷ m در داخل طیف مرئی می باشد  بنابر این ، شن در ۱۰۰۰ درجه ی کلوین یا بیشتر ممکن است به صورت درخشنده به نظر برسد .

چون انواع شدت های مختلف و دما های مختلف وجود دارد ، یک سنسور مادون قرمز که برای اندازه گیری ۱۰۰۰ درجه ی کلوین ایده آل است ، نتیجهی دقیقی برای ۲۰۰ درجه ی کلوین نشان نمی دهد . تشعشع طیفی اوج ۱۰۰۰ درجه بیشتر از ۱۰ هزار برابر حداکثر ۲۰۰ درجه خواهد بود .

سنسور ها جلد دوم همچنین ، منحنی های این شکل برای یک شیء ایده آل هستند که تشعشعات بدنه ی سیاه خالص ساطع می کنند . در واقعیت ، شیشه ، پلاستیک و مواد بسیار دیگری دارای قابلیت تشعشع بسیار کرم تری هستند ، که یعنی تشعشعات کمتری ساطع می کند و به صورت بلندی خاکستری طبقه بندی می شوند . یک شی فلزی که دارای سطح صیقلی است ممکن است یک دهم تشعشعات بدنه ی سیاه سنسور های معمول را ساطع کند

این مسائل را نمی تواند نادیده گرفت ، اما استراتژی های ساده می توان با آن ها کنار آمد مادون قرمز با توجه به تناسبی که برای بازه های دمایی مختلف دارند مشخص می شوند و قابلیت تشعشع شی ای که دمای آن در حال اندازه گیری است را می توان با توجه به جدول های استاندارد مشخص کرد .

همچنین ، یک شی می تواند با رنگ سیاه و با اسپری رنگ شده باشد ( مانند Senotherm یا سیاه ۳ – M ) که تشعشع آن حدود ۹۵ تشعشع بدنه ی سیاه خالص است . همچنین از استیکر مخصوص سیاه می توان به شی ای که دمای آن در حال اندازه گیری است چسباند ، البته تا زمانی که دمای آن در حد مشخصی قرار داشته باشد .

با این همه ، اگر سنسور به صورت تصادفی بر روی اشیای مختلف و با دما های بسیار متفاوت نشانه گیری شود ، سنسور دمای مادون قرمز عملکرد قابل اتکایی نخواهد داشت . قطعات صنعتی گران قیمت ویژه برای کار با این مسائل جبران کننده هایی دارند ، اما این قطعات خارج از بازوی این دانشنامه هستند

ترموپیل

یک سنسور دمای مادون قرمز معمول مبتنی بر چیپ حاوی یک ترموپیل و چندین ترموکوپل است که در داخل یک سیلیکون حک شده و به صورت سری به هم متصل هستند ،

پیکربندی ترموپیل طوری انجام شده است که جانکشن های گرم ترموکوپل ها در یک منطقه ی مرکزی خوشه بندی شوند ، که در آن تشعشعات ورودی از طریق یک پنجره وارد میشود ( که اغلب از سیلیکون ساخته میشود ) و نسبت به طول موج های مادون قرمز شفاف است . جانکشن های سرد نیز در کنار و حاشیه قرار می گیرند ، که از تشعشعات ورودی شیلد می شوند .

به جای استفاده از سیم هایی با نوع های مختلف ، مانند ترموکوپل ، ترموپیل مبتنی بر چیپ اغلب از قسمت های متفاوتی از سیلیکون نوع p و n استفاده می کند . جانکشن های داغ بر روی فیلم نازکی که ظرفیت گرمایی بسیار کمی دارد سوار می شوند ، جانکشن های سرد نیز بر روی مادهی ضخیمتری که به عنوان گرما گیر عمل می کند نصب می شوند .

اندازه گیری دما

ولتاژ ایجاد شده توسط ترموپیل به تفاوت دمای بین جانکشن های ترموکوپل سرد و گرم وایسته است . بنابراین سه نوع مرتبط به هم وجود خواهد داشت . دمای گرم . دمای سرد و ولتاژ ، برای محاسبه ی یک متغیر ، باید دو متغیر دیگر را بدانیم

دمای گرم چیزی است که می خواهیم بدانیم . بنابراین باید ولتاژ ( که به سادگی قابل اندازه گیری است ) و دمای سرد را مشخص کنیم . دمای سرد را می توان با اضافه کردن ترمیستر در داخل چیپ مشخص کرد .

معمولا سنسور دمای مادون قرمز با خروجی آنالوگ دارای دو پین برای ارائه ی دسترسی به ترمیستر داخلی است ، به صوری که دمای آن را می توان از مقاومت آن محاسبه کرد . دو پین دیگر ولتاژ بین دو انتهای ترموپیل را ارائه می کند .

تفسیر و مطابقت این مقادیر زیاد آسان نیست ، به ویژه با توجه به اینکه ترمیستر دارای ضریب دمایی منفی و خروجی غیر خطی است

برای ساده سازی این قضیه ، برخی از سنسورهای دمای مادون قرمز دارای مداری برای انجام محاسبات مورد نیاز و ارائه ی خروجی دیجیتال وجود دارند . این خروجی را می توان به درجه ی از دما با عملیات های ریاضی ساده در یک ریز پردازنده ی خارجی تبدیل کرد .

منبع: