Cảm biến hồng ngoại

Cảm Biến Hồng Ngoại là gì? Nguyên lý hoạt động, Các câu hỏi thường gặp

Cảm biến hồng ngoại là một công cụ điện tử được sử dụng để cảm nhận một số đặc điểm của môi trường xung quanh nó. Nó thực hiện điều này bằng cách phát ra hoặc nhận bức xạ hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại cũng có khả năng đo nhiệt phát ra từ một vật thể và phát hiện chuyển động.

Công nghệ hồng ngoại không chỉ được tìm thấy trong ngành công nghiệp mà còn trong cuộc sống hàng ngày. Ví dụ: Ti vi sử dụng đầu dò hồng ngoại để giải mã các tín hiệu được gửi từ điều khiển từ xa. Cảm biến hồng ngoại thụ động được sử dụng cho hệ thống phát hiện chuyển động và cảm biến LDR được sử dụng cho hệ thống chiếu sáng ngoài trời. Các lợi ích chính của cảm biến hồng ngoại bao gồm yêu cầu năng lượng thấp, mạch điện đơn giản và các tính năng di động của chúng.

Lý thuyết bức xạ hồng ngoại

Mắt người không nhìn thấy được sóng hồng ngoại. Trong phổ điện từ, bức xạ hồng ngoại có thể được tìm thấy giữa vùng nhìn thấy và vùng vi sóng. Các sóng hồng ngoại thường có bước sóng từ 0,75 đến 1000µm.

Phổ hồng ngoại có thể được chia thành IR gần, IR giữa và IR xa. Vùng bước sóng từ 0,75 đến 3µm được gọi là vùng hồng ngoại gần. Vùng từ 3 đến 6µm được gọi là vùng hồng ngoại giữa, và bức xạ hồng ngoại có bước sóng lớn hơn 6µm được gọi là vùng hồng ngoại xa.

Nền móng của Khoa học Hồng ngoại

Lý thuyết về quang phổ hồng ngoại đã có từ khi FW Herschel phát hiện ra ánh sáng hồng ngoại vào năm 1800. Herschel đã tiến hành một thí nghiệm sử dụng lăng kính để khúc xạ ánh sáng từ mặt trời và có thể phát hiện sự hiện diện của bức xạ hồng ngoại ngoài phần đỏ của quang phổ khả kiến ​​bằng cách sử dụng nhiệt kế để đo sự tăng nhiệt độ.

Các loại cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại có thể hoạt chủ động hoặc thụ động và chúng có thể được chia thành hai loại chính:

  • Cảm biến nhiệt hồng ngoại – sử dụng năng lượng hồng ngoại làm nhiệt. Độ nhạy quang của chúng không phụ thuộc vào bước sóng được phát hiện. Máy dò nhiệt không yêu cầu làm mát nhưng có thời gian phản hồi chậm và khả năng phát hiện thấp. 
  • Cảm biến hồng ngoại lượng tử – cung cấp hiệu suất phát hiện cao hơn và tốc độ phản hồi nhanh hơn. Độ nhạy quang của chúng phụ thuộc vào bước sóng. Máy dò lượng tử phải được làm mát để có được các phép đo chính xác.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Vật lý đằng sau cảm biến hồng ngoại được điều chỉnh bởi ba định luật:

  1. Định luật bức xạ Planck: Mọi vật ở nhiệt độ T không bằng 0 độ K đều phát ra bức xạ
     
  2. Định luật Stephan Boltzmann: Tổng năng lượng do vật đen phát ra ở tất cả các bước sóng có liên quan đến nhiệt độ tuyệt đối
     
  3. Định luật dịch chuyển của Wein: Các vật thể có nhiệt độ khác nhau phát ra quang phổ đạt cực đại ở các bước sóng khác nhau

Tất cả các vật thể có nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt đối (0 Kelvin) đều sở hữu nhiệt năng và do đó là nguồn bức xạ hồng ngoại.

Các nguồn bức xạ hồng ngoại bao gồm bộ tản nhiệt thân đen, đèn vonfram và cacbua silic. Cảm biến hồng ngoại thường sử dụng tia laser hồng ngoại và đèn LED với các bước sóng hồng ngoại cụ thể làm nguồn.

Cần có phương tiện truyền dẫn để truyền tia hồng ngoại, có thể bao gồm chân không, khí quyển hoặc sợi quang.

Các thành phần quang học như thấu kính quang học làm từ thạch anh, CaF 2 , Ge và Si, thấu kính polyethylene Fresnel, và gương Al hoặc Au được sử dụng để hội tụ hoặc hội tụ bức xạ hồng ngoại. Để hạn chế phản ứng phổ, có thể sử dụng các bộ lọc thông dải.

Tiếp theo, máy dò hồng ngoại được sử dụng để phát hiện bức xạ đã được hội tụ. Đầu ra từ bộ tách sóng thường rất nhỏ và do đó các bộ tiền khuếch đại kết hợp với mạch điện được yêu cầu để xử lý thêm các tín hiệu nhận được.

Các ứng dụng chính của công nghệ hồng ngoại

Thiết bị nhìn ban đêm

Công nghệ hồng ngoại được thực hiện trong thiết bị nhìn ban đêm nếu không có đủ ánh sáng khả kiến ​​để có thể nhìn thấy mà không cần sự trợ giúp. Các thiết bị nhìn ban đêm chuyển đổi các photon ánh sáng xung quanh thành các điện tử và sau đó khuếch đại chúng bằng một quá trình hóa học và điện trước khi cuối cùng chuyển đổi chúng trở lại thành ánh sáng nhìn thấy. Đọc thêm về công nghệ hồng ngoại trong thiết bị nhìn ban đêm tại đây .

Thiên văn học hồng ngoại

Thiên văn học hồng ngoại là một lĩnh vực thiên văn học nghiên cứu các vật thể thiên văn có thể nhìn thấy trong bức xạ hồng ngoại. Bằng cách sử dụng kính thiên văn và máy dò trạng thái rắn, các nhà thiên văn có thể quan sát các vật thể trong vũ trụ không thể phát hiện bằng cách sử dụng ánh sáng trong phạm vi nhìn thấy của phổ điện từ.

Các đài quan sát hồng ngoại đã được thiết lập trong không gian như Kính viễn vọng Không gian Spitzer và Đài quan sát Không gian Herschel đã được thiết lập trong không gian. Các đài quan sát không bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ ánh sáng hồng ngoại của hơi nước trong khí quyển Trái đất.

Theo dõi hồng ngoại

Theo dõi hồng ngoại, còn được gọi là di chuyển hồng ngoại, là một hệ thống dẫn đường tên lửa hoạt động bằng cách sử dụng bức xạ điện từ hồng ngoại phát ra từ mục tiêu để theo dõi mục tiêu. Các hệ thống tên lửa này thường được gọi là ‘thiết bị tìm nhiệt’ vì tia hồng ngoại được bức xạ mạnh bởi các vật thể nóng như người, phương tiện và máy bay.

Lịch sử nghệ thuật và sự phục hồi

Phản xạ tia hồng ngoại được các nhà sử học nghệ thuật sử dụng để khám phá các lớp ẩn trong tranh. Kỹ thuật phản chiếu này rất hữu ích trong việc giúp quyết định xem bức tranh là phiên bản gốc hay bản sao và liệu nó có bị thay đổi bởi công việc phục chế hay không.

Hình ảnh siêu quang phổ (Hyperspectral Imaging)

Hình ảnh siêu quang phổ tích lũy và xử lý thông tin từ khắp phổ điện từ và có thể được sử dụng để theo dõi các hạt nano bên trong các cơ thể sống lớn.

Các lĩnh vực ứng dụng chính khác

Các lĩnh vực ứng dụng chính khác sử dụng cảm biến hồng ngoại bao gồm:

  • Khí hậu học
  • Khí tượng học
  • Điều chế sinh học ảnh (Photobiomodulation)
  • Máy dò khí
  • Phân tích nước
  • Thử nghiệm gây mê
  • Thăm dò dầu khí
  • An toàn đường sắt

Cảm ơn Bạn đã đọc bài chia sẻ

Chúc Bạn thành công!

Tâm Mr. – Admin

Bài viết cùng chuyên mục:

  1. Các loại Cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
  2. Bộ điều khiển nhiệt độ, Cẩm nang toàn tập
  3. Cách đấu dây PT100 3 dây vào đồng hồ hiển thị nhiệt độ
  4. Hướng dẫn xác định màu dây dẫn cảm biến nhiệt độ Pt100, can nhiệt theo tiêu chuẩn

Thư viện bài viết:

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *