Was sind die verschiedenen Arten von Infrarotsensoren?

1. Was ist Infrarotstrahlung?

Infrarot (IR) Strahlung ist eine Art elektromagnetische Welle zwischen sichtbarem Licht und Mikrowellen im elektromagnetischen Spektrum. Namensgebend für seine Position direkt hinter rotem Licht reicht es von 0,8 bis 1000 Mikrometern und wird basierend auf der atmosphärischen Ausbreitung in Nahinfrarot (NIR), Mittelinfrarot (MIR), Ferninfrarot (FIR) und Extrem-Infrarot kategorisiert.

Obwohl für das menschliche Auge unsichtbar, trägt IR wertvolle physikalische Daten. Infrarotsensoren (Detektoren) wandeln diese Strahlung in messbare elektrische Signale um, was Anwendungen in mehreren Bereichen ermöglicht.

2. Klassifizierung und Arbeitsweisen von Infrarotsensoren

Infrarotsensoren sind die Kernkomponenten in Infrarotdetektions- und Bildgebungssystemen. Mit einer großen Vielfalt an Infrarotsensoren gibt es mehrere Möglichkeiten, sie anhand verschiedener Kriterien zu klassifizieren:

2. 2 Thermische Infrarotsensoren

Im Gegensatz zu Photonentyp-IR-Sensoren, die Photonenenergie über den photoelektrischen Effekt direkt in Photoelektronen umwandeln, beruhen thermische Infrarotsensoren auf den thermischen Effekten der Infrarotstrahlung. Sie erfassen Infrarotenergie durch Temperaturänderungen und deren Umwandlung in andere physikalische Größen.

1. Pyroelektrische Infrarotsensoren

Bestimmte kristalline Materialien, wie Triglyzinsulfat (TGS) und Bariumstrontiumtitanat (BST), zeigen den pyroelektrischen Effekt. Wenn diese Materialien entlang bestimmter Achsen geschnitten und zwischen Elektroden sandwichartig angeordnet werden, um einen Kondensator zu bilden, führt jede Temperaturänderung im Kristall dazu, dass eine Spannung am Kondensator auftritt. Dies ist auf die spontane Polarisation und die Verschiebung der Oberflächenladung zurückzuführen, die durch Temperaturänderungen ausgelöst werden.

Pyroelektrische Infrarotsensoren bieten ein breites Spektralempfindlichkeitsband, einen stabilen Betrieb bei Raumtemperatur, eine schnelle Ansprechgeschwindigkeit, ein geringes Rauschen und relativ einfache Ausleseschaltungen. Allerdings tendieren Abbildungssysteme auf der Grundlage von pyroelektrischen Sensoren, da sie einen mechanischen Chopper zur Modulation der einfallenden Strahlung benötigen, dazu, komplexer zu sein als solche, die Thermoelemente oder Mikrobolometer verwenden.

2. Thermoelement-Infrarotsensoren

Thermoelement-Infrarotsensoren arbeiten auf der Grundlage des Seebeck-Effekts, eines thermoelektrischen Phänomens, bei dem eine Spannung aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Knoten aus verschiedenen Leitern oder Halbleitern erzeugt wird. Wenn ein Ende des Thermoelementes durch Infrarotstrahlung erwärmt wird und das andere kalt bleibt, treibt der resultierende Temperaturgradient Ladungsträger an und erzeugt eine messbare Spannung an den offenen Enden.

Während Thermoelement-Infrarotsensoren einfach und zuverlässig sind, haben sie im Vergleich zu anderen thermischen Infrarotdetektoren typischerweise eine geringere Empfindlichkeit und langsamere Ansprechgeschwindigkeiten, was ihre Wettbewerbsfähigkeit in Hochleistungsanwendungen einschränkt.

Photon IR Sensors

Thermal IR Sensors

Ansprechgeschwindigkeit

Sehr schnell

Mäßig bis langsam

Empfindlichkeit

Sehr hoch

Niedriger, aber für viele Anwendungen ausreichend

Temperatursensitivität

Hoch – Leistung verbessert sich durch Kühlung

Niedrig – Leistung stabil ohne Kühlung

Wellenlängensensitivität

Stark – variiert mit der Wellenlänge

Flach – gleichmäßig über das Spektrum hinweg

Kosten

Hoch (insbesondere bei gekühlten Systemen)

Niedriger – insbesondere für ungekühlte Geräte

Anwendungen

Luft- und Raumfahrt, Militär, Wissenschaft

Zivile, industrielle und Konsumelektronik

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