تخيل استشعار درجة حرارة جسم ما دون لمسه، أو الكشف عن مكونات غازية مخفية دون ضوء مرئي. أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء تجعل هذه القدرات التي تبدو خارقة ممكنة. تعمل هذه الأجهزة المتواضعة كمحققين صامتين، يلتقطون الأشعة تحت الحمراء غير المرئية للعين المجردة ويكشفون عن جوانب خفية من عالمنا المادي.
يشار إليها عادة باسم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء أو أجهزة الكشف الكهروحرارية، تتخصص هذه الأجهزة الكهروضوئية في اكتشاف وقياس الأشعة تحت الحمراء. وفقًا لمعيار DIN 1319-1، يتم تصنيفها على أنها محولات، بينما تسميها المصطلحات الأوروبية عادةً مستشعرات. غالبًا ما تستخدم الأدبيات الفنية هذه المصطلحات الثلاثة - كاشف الأشعة تحت الحمراء، ومحول الأشعة تحت الحمراء، ومستشعر الأشعة تحت الحمراء - بالتبادل.
تعمل هذه المكونات كعناصر حاسمة في مختلف المعدات بما في ذلك محللات الغاز، وأجهزة استشعار اللهب، والأجهزة الطيفية، وأجهزة قياس درجة الحرارة غير التلامسية.
تشكل الأشعة تحت الحمراء شكلًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي المتولد عن الحركة الحرارية داخل الأجسام. تبعث جميع المواد فوق الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) موجات كهرومغناطيسية، حيث تمثل الأشعة تحت الحمراء جزءًا من هذا الطيف. تؤثر خصائص السطح ودرجة الحرارة بشكل مباشر على كل من شدة الإشعاع والتركيب الطيفي، مما يتيح قياس درجة الحرارة غير التلامسي من خلال الكشف الدقيق عن طاقة الأشعة تحت الحمراء.
تحتل الأشعة تحت الحمراء موقعًا فريدًا في الطيف الكهرومغناطيسي، حيث تحد الضوء الأحمر المرئي (حوالي 760 نانومتر) وتمتد إلى منطقة الميكروويف، وتغطي أطوال موجية تتراوح من حوالي 760 نانومتر إلى 1 ملليمتر.
كفئة من أجهزة الكشف الحرارية، تتميز أجهزة الكشف الكهروحرارية بالأشعة تحت الحمراء بطبقة امتصاص سوداء متخصصة. توفر هذه الميزة استجابة طيفية واسعة بشكل استثنائي وحساسية موحدة عبر الأطوال الموجية. في حين أن أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات (مثل InGaAs أو PbS أو PbSe) توفر عادةً معدلات كشف فائقة أقل من 3 ميكرون في درجة حرارة الغرفة، فإن أجهزة الكشف الكهروحرارية تظهر مزايا واضحة عبر نطاقات طيفية أوسع.
بالمقارنة مع أجهزة الكشف الحرارية - وهي تقنية أخرى قادرة على الكشف عن الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة - توفر أجهزة الكشف الكهروحرارية من الشركات المصنعة مثل InfraTec أوقات استجابة أسرع وجهود إشارة أعلى. تعمل هذه الأجهزة عادةً على النحو الأمثل بين 2.5 إلى 25 ميكرون بترددات تعديل تتراوح من 0.5 إلى 400 هرتز.
والجدير بالذكر أن طبقات الامتصاص السوداء المتخصصة تمكن بعض أجهزة الكشف الكهروحرارية من العمل كمستقبلات مستقرة للأشعة فوق البنفسجية (حتى 193 نانومتر) وحتى إشعاع تيراهيرتز (100 ميكرون إلى 1 مم).
يتضمن الاستخدام الأكثر انتشارًا اكتشاف الحركة، سواء لأنظمة الأمان التي تحدد المتسللين أو عناصر التحكم في الإضاءة الآلية. تستخدم هذه التطبيقات عادةً مستشعرات سيراميك كهروحرارية اقتصادية.
تستخدم التطبيقات عالية الأداء بما في ذلك تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء غير المشتتة (NDIR) ومراقبة اللهب بشكل عام كاشفات تانتالات الليثيوم أحادي البلورة (LiTaO 3 ) الممتازة لضمان الاستقرار على المدى الطويل ونسب إشارة إلى ضوضاء فائقة. تشمل التطبيقات الإضافية قياس الطيف والقياس الإشعاعي، ودعم البحث العلمي والقياسات الصناعية.
تلعب أجهزة الكشف الكهروحرارية أدوارًا حاسمة في المراقبة البيئية (قياس ثاني أكسيد الكربون 2 ، الميثان، إلخ)، والسلامة الصناعية (الكشف عن تسرب الغازات القابلة للاشتعال)، والتطبيقات الطبية (مراقبة غاز التخدير).
يمكن لأجهزة الكشف المتخصصة تحديد التوقيعات الطيفية من احتراق المواد العضوية بشكل موثوق، مما يجعلها مثالية لأنظمة إنذار الحريق التي تتطلب استجابة سريعة لمنع الأضرار الكارثية.
تتميز أجهزة الكشف المصممة لقياس الطيف بطبقات امتصاص موحدة عبر نطاقات أطوال موجية واسعة، مما يضمن حساسية متسقة لقياسات طيفية دقيقة.
تستخدم الشركات المصنعة مثل InfraTec بلورات تانتالات الليثيوم المصقولة لإنتاج أجهزة كشف عالية الحساسية ومنخفضة الضوضاء. تسمح التقنيات المتقدمة بالإنتاج الضخم لرقائق فائقة النحافة تبلغ 25 ميكرونًا توفر سرعة استجابة وحساسية استثنائيتين.
تمثل مرشحات الأشعة تحت الحمراء مكونًا حاسمًا آخر، حيث تنقل بشكل انتقائي أطوال موجية معينة لتعزيز انتقائية الكاشف. تشمل معلمات المرشح الرئيسية نسبة الإرسال، وطول الموجة المركزية، وعرض النطاق الترددي، وعمق الحجب.
تشتمل مرافق الإنتاج الحديثة على ترسيب البخار المادي (PVD)، والترابط التلقائي للرقائق، وأنظمة القياس الدقيقة لضمان الجودة والموثوقية المتسقة.
تقدم الشركات المصنعة عادةً أجهزة كشف أحادية القناة مختلفة في حزم TO18 أو TO39، والتي تتميز بتعويض درجة الحرارة ومضخمات JFET/CMOS مدمجة. تشمل خيارات المواد LiTaO 3 أو كبريتات ثلاثي جلايسين مضافة إلى L-alanine المخصصة (DLaTGS)، مع توفر إصدارات متخصصة للأدوات التحليلية التي تتطلب استجابة طيفية مسطحة.
قد تتضمن خطوط المنتجات الكاملة ما يقرب من 50 كاشفًا قياسيًا، مع خيارات تتميز بضوضاء ميكروفون منخفضة، أو مكبرات صوت تشغيلية مدمجة، أو مخرجات رقمية.
تخيل استشعار درجة حرارة جسم ما دون لمسه، أو الكشف عن مكونات غازية مخفية دون ضوء مرئي. أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء تجعل هذه القدرات التي تبدو خارقة ممكنة. تعمل هذه الأجهزة المتواضعة كمحققين صامتين، يلتقطون الأشعة تحت الحمراء غير المرئية للعين المجردة ويكشفون عن جوانب خفية من عالمنا المادي.
يشار إليها عادة باسم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء أو أجهزة الكشف الكهروحرارية، تتخصص هذه الأجهزة الكهروضوئية في اكتشاف وقياس الأشعة تحت الحمراء. وفقًا لمعيار DIN 1319-1، يتم تصنيفها على أنها محولات، بينما تسميها المصطلحات الأوروبية عادةً مستشعرات. غالبًا ما تستخدم الأدبيات الفنية هذه المصطلحات الثلاثة - كاشف الأشعة تحت الحمراء، ومحول الأشعة تحت الحمراء، ومستشعر الأشعة تحت الحمراء - بالتبادل.
تعمل هذه المكونات كعناصر حاسمة في مختلف المعدات بما في ذلك محللات الغاز، وأجهزة استشعار اللهب، والأجهزة الطيفية، وأجهزة قياس درجة الحرارة غير التلامسية.
تشكل الأشعة تحت الحمراء شكلًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي المتولد عن الحركة الحرارية داخل الأجسام. تبعث جميع المواد فوق الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية) موجات كهرومغناطيسية، حيث تمثل الأشعة تحت الحمراء جزءًا من هذا الطيف. تؤثر خصائص السطح ودرجة الحرارة بشكل مباشر على كل من شدة الإشعاع والتركيب الطيفي، مما يتيح قياس درجة الحرارة غير التلامسي من خلال الكشف الدقيق عن طاقة الأشعة تحت الحمراء.
تحتل الأشعة تحت الحمراء موقعًا فريدًا في الطيف الكهرومغناطيسي، حيث تحد الضوء الأحمر المرئي (حوالي 760 نانومتر) وتمتد إلى منطقة الميكروويف، وتغطي أطوال موجية تتراوح من حوالي 760 نانومتر إلى 1 ملليمتر.
كفئة من أجهزة الكشف الحرارية، تتميز أجهزة الكشف الكهروحرارية بالأشعة تحت الحمراء بطبقة امتصاص سوداء متخصصة. توفر هذه الميزة استجابة طيفية واسعة بشكل استثنائي وحساسية موحدة عبر الأطوال الموجية. في حين أن أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات (مثل InGaAs أو PbS أو PbSe) توفر عادةً معدلات كشف فائقة أقل من 3 ميكرون في درجة حرارة الغرفة، فإن أجهزة الكشف الكهروحرارية تظهر مزايا واضحة عبر نطاقات طيفية أوسع.
بالمقارنة مع أجهزة الكشف الحرارية - وهي تقنية أخرى قادرة على الكشف عن الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة - توفر أجهزة الكشف الكهروحرارية من الشركات المصنعة مثل InfraTec أوقات استجابة أسرع وجهود إشارة أعلى. تعمل هذه الأجهزة عادةً على النحو الأمثل بين 2.5 إلى 25 ميكرون بترددات تعديل تتراوح من 0.5 إلى 400 هرتز.
والجدير بالذكر أن طبقات الامتصاص السوداء المتخصصة تمكن بعض أجهزة الكشف الكهروحرارية من العمل كمستقبلات مستقرة للأشعة فوق البنفسجية (حتى 193 نانومتر) وحتى إشعاع تيراهيرتز (100 ميكرون إلى 1 مم).
يتضمن الاستخدام الأكثر انتشارًا اكتشاف الحركة، سواء لأنظمة الأمان التي تحدد المتسللين أو عناصر التحكم في الإضاءة الآلية. تستخدم هذه التطبيقات عادةً مستشعرات سيراميك كهروحرارية اقتصادية.
تستخدم التطبيقات عالية الأداء بما في ذلك تحليل الغاز بالأشعة تحت الحمراء غير المشتتة (NDIR) ومراقبة اللهب بشكل عام كاشفات تانتالات الليثيوم أحادي البلورة (LiTaO 3 ) الممتازة لضمان الاستقرار على المدى الطويل ونسب إشارة إلى ضوضاء فائقة. تشمل التطبيقات الإضافية قياس الطيف والقياس الإشعاعي، ودعم البحث العلمي والقياسات الصناعية.
تلعب أجهزة الكشف الكهروحرارية أدوارًا حاسمة في المراقبة البيئية (قياس ثاني أكسيد الكربون 2 ، الميثان، إلخ)، والسلامة الصناعية (الكشف عن تسرب الغازات القابلة للاشتعال)، والتطبيقات الطبية (مراقبة غاز التخدير).
يمكن لأجهزة الكشف المتخصصة تحديد التوقيعات الطيفية من احتراق المواد العضوية بشكل موثوق، مما يجعلها مثالية لأنظمة إنذار الحريق التي تتطلب استجابة سريعة لمنع الأضرار الكارثية.
تتميز أجهزة الكشف المصممة لقياس الطيف بطبقات امتصاص موحدة عبر نطاقات أطوال موجية واسعة، مما يضمن حساسية متسقة لقياسات طيفية دقيقة.
تستخدم الشركات المصنعة مثل InfraTec بلورات تانتالات الليثيوم المصقولة لإنتاج أجهزة كشف عالية الحساسية ومنخفضة الضوضاء. تسمح التقنيات المتقدمة بالإنتاج الضخم لرقائق فائقة النحافة تبلغ 25 ميكرونًا توفر سرعة استجابة وحساسية استثنائيتين.
تمثل مرشحات الأشعة تحت الحمراء مكونًا حاسمًا آخر، حيث تنقل بشكل انتقائي أطوال موجية معينة لتعزيز انتقائية الكاشف. تشمل معلمات المرشح الرئيسية نسبة الإرسال، وطول الموجة المركزية، وعرض النطاق الترددي، وعمق الحجب.
تشتمل مرافق الإنتاج الحديثة على ترسيب البخار المادي (PVD)، والترابط التلقائي للرقائق، وأنظمة القياس الدقيقة لضمان الجودة والموثوقية المتسقة.
تقدم الشركات المصنعة عادةً أجهزة كشف أحادية القناة مختلفة في حزم TO18 أو TO39، والتي تتميز بتعويض درجة الحرارة ومضخمات JFET/CMOS مدمجة. تشمل خيارات المواد LiTaO 3 أو كبريتات ثلاثي جلايسين مضافة إلى L-alanine المخصصة (DLaTGS)، مع توفر إصدارات متخصصة للأدوات التحليلية التي تتطلب استجابة طيفية مسطحة.
قد تتضمن خطوط المنتجات الكاملة ما يقرب من 50 كاشفًا قياسيًا، مع خيارات تتميز بضوضاء ميكروفون منخفضة، أو مكبرات صوت تشغيلية مدمجة، أو مخرجات رقمية.
