Detektory podczerwieni: Zasady, zastosowania i przewodnik po wyborze

Wyobraź sobie możliwość odczuwania temperatury obiektu bez dotykania go lub wykrywania ukrytych składników gazu bez widzialnego światła. Detektory podczerwieni umożliwiają te pozornie nadludzkie zdolności. Te niepozorne urządzenia działają jako cisi śledczy, wychwytując promieniowanie podczerwone niewidoczne dla ludzkiego oka i ujawniając ukryte aspekty naszego materialnego świata.

Powszechnie określane jako czujniki podczerwieni lub detektory piroelektryczne, te fotoelektryczne urządzenia specjalizują się w wykrywaniu i pomiarze promieniowania podczerwonego. Zgodnie z normą DIN 1319-1, są one klasyfikowane jako przetworniki, podczas gdy terminologia europejska zwykle określa je jako czujniki. Literatura techniczna często używa tych trzech terminów – detektor podczerwieni, przetwornik podczerwieni i czujnik podczerwieni – zamiennie.

Elementy te stanowią kluczowe elementy w różnych urządzeniach, w tym w analizatorach gazu, czujnikach płomienia, instrumentach spektroskopowych i urządzeniach do bezkontaktowego pomiaru temperatury.

Promieniowanie podczerwone stanowi formę promieniowania elektromagnetycznego generowanego przez ruch termiczny wewnątrz obiektów. Wszystka materia powyżej zera bezwzględnego (-273,15°C) emituje fale elektromagnetyczne, a podczerwień reprezentuje część tego spektrum. Charakterystyki powierzchni i temperatura bezpośrednio wpływają zarówno na intensywność promieniowania, jak i na skład widmowy, umożliwiając bezkontaktowy pomiar temperatury poprzez precyzyjne wykrywanie energii podczerwonej.

Zajmując wyjątkową pozycję w widmie elektromagnetycznym, promieniowanie podczerwone graniczy z widzialnym światłem czerwonym (około 760 nanometrów) i rozciąga się w region mikrofalowy, obejmując długości fal od około 760 nanometrów do 1 milimetra.

Jako kategoria detektorów termicznych, piroelektryczne detektory podczerwieni wyróżniają się dzięki specjalnej warstwie absorpcji czarnej. Ta cecha zapewnia wyjątkowo szeroką odpowiedź spektralną i równomierną czułość w całym zakresie długości fal. Podczas gdy detektory półprzewodnikowe (takie jak InGaAs, PbS lub PbSe) zazwyczaj oferują lepsze wskaźniki detekcji poniżej 3 mikronów w temperaturze pokojowej, detektory piroelektryczne wykazują wyraźne zalety w szerszych zakresach spektralnych.

W porównaniu z detektorami termopilowymi – inną technologią zdolną do detekcji podczerwieni długofalowej – detektory piroelektryczne od producentów takich jak InfraTec zapewniają krótsze czasy reakcji i wyższe napięcia sygnału. Urządzenia te zwykle działają optymalnie w zakresie od 2,5 do 25 mikronów z częstotliwościami modulacji od 0,5 do 400 Hz.

Warto zauważyć, że specjalne warstwy absorpcji czarnej umożliwiają niektórym detektorom piroelektrycznym funkcjonowanie jako stabilne odbiorniki promieniowania ultrafioletowego (do 193 nm), a nawet promieniowania terahercowego (100 mikronów do 1 mm).

• Wszechstronność: Odpowiednie do różnych zastosowań pomiarowych, w tym analizy wieloskładnikowej
• Zaawansowana analiza: Zdolność do badania złożonych mieszanin z nakładającymi się pasmami widmowymi za pomocą metod chemometrycznych
• Identyfikacja materiału: Skuteczna w rozpoznawaniu nieznanych substancji
• Praktyczne zalety: Ekonomiczne, trwałe i łatwe do miniaturyzacji

Najbardziej rozpowszechnione zastosowanie obejmuje wykrywanie ruchu, niezależnie od tego, czy chodzi o systemy bezpieczeństwa identyfikujące intruzów, czy o automatyczne sterowanie oświetleniem. W tych zastosowaniach zazwyczaj stosuje się ekonomiczne czujniki ceramiczne piroelektryczne.

Bardziej zaawansowane zastosowania, w tym nienadyspersyjna analiza gazu w podczerwieni (NDIR) i monitorowanie płomienia, zazwyczaj wykorzystują wysokiej jakości detektory z pojedynczego kryształu tantalanu litu (LiTaO ₃ ), aby zapewnić długoterminową stabilność i doskonały stosunek sygnału do szumu. Dodatkowe zastosowania obejmują spektroskopię i radiometrię, wspierając badania naukowe i pomiary przemysłowe.

Detektory piroelektryczne odgrywają kluczową rolę w monitoringu środowiska (pomiar CO ₂ , metanu itp.), bezpieczeństwie przemysłowym (wykrywanie wycieków gazów palnych) i zastosowaniach medycznych (monitorowanie gazów znieczulających).

Specjalistyczne detektory mogą niezawodnie identyfikować sygnatury widmowe ze spalania materiałów organicznych, co czyni je idealnymi dla systemów alarmów pożarowych wymagających szybkiej reakcji w celu zapobiegania katastrofalnym uszkodzeniom.

Detektory przeznaczone do spektroskopii charakteryzują się równomiernie absorbującymi warstwami w szerokim zakresie długości fal, zapewniając spójną czułość dla dokładnych pomiarów widmowych.

Producenci tacy jak InfraTec stosują polerowane pojedyncze kryształy tantalanu litu do produkcji detektorów o wysokiej czułości i niskim poziomie szumów. Zaawansowane techniki umożliwiają masową produkcję ultracienkich 25-mikronowych chipów oferujących wyjątkową szybkość reakcji i czułość.

Filtry podczerwieni stanowią kolejny krytyczny element, selektywnie transmitując określone długości fal w celu zwiększenia selektywności detektora. Kluczowe parametry filtra obejmują procent transmisji, centralną długość fali, szerokość pasma i głębokość blokowania.

Nowoczesne zakłady produkcyjne wykorzystują fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD), zautomatyzowane łączenie chipów i precyzyjne systemy pomiarowe, aby zapewnić stałą jakość i niezawodność.

Producenci zazwyczaj oferują różne detektory jednokanałowe w obudowach TO18 lub TO39, charakteryzujące się kompensacją temperatury i zintegrowanymi wzmacniaczami JFET/CMOS. Opcje materiałowe obejmują LiTaO ₃ lub deuterowany siarczan triglicyny domieszkowany L-alaniną (DLaTGS), z wyspecjalizowanymi wersjami dostępnymi dla instrumentów analitycznych wymagających płaskiej odpowiedzi widmowej.

Kompletne linie produktów mogą obejmować około 50 standardowych detektorów, z opcjami obniżonego szumu mikrofonowego, zintegrowanymi wzmacniaczami operacyjnymi lub wyjściami cyfrowymi.