Какие бывают разные типы инфракрасных датчиков?

1. Что такое инфракрасное излучение?

Инфракрасное (ИК) излучение - это тип электромагнитной волны, расположенной между видимым светом и микроволнами на электромагнитном спектре. Названо так из-за своего расположения сразу за красным светом, оно имеет диапазон от 0.8 до 1000 микрометров и классифицируется на ближний инфракрасный (БИК), средний инфракрасный (СИК), дальний инфракрасный (ДИК) и крайний инфракрасный диапазоны на основе атмосферного распространения.

Хотя ИК излучение невидимо для человеческого глаза, оно несет ценную физическую информацию. Инфракрасные датчики (детекторы) преобразуют это излучение в измеряемые электрические сигналы, что позволяет использовать их в различных областях.

2. Классификация и принцип работы инфракрасных датчиков

Инфракрасные датчики являются основными компонентами в инфракрасных системах обнаружения и визуализации. Поскольку существует большой выбор инфракрасных датчиков, их можно классифицировать по различным критериям:

· По спектральной характеристике: ближне-инфракрасные, средне-инфракрасные, дальне-инфракрасные и крайне-инфракрасные датчики

· По рабочей температуре: криогенно охлаждаемые и неохлаждаемые инфракрасные датчики

· По конструкции: одноэлементные детекторы, линейные матричные детекторы и фокально-плоскостные матричные детекторы

· По механизму детектирования: фотонные инфракрасные датчики и тепловые инфракрасные датчики

В этом разделе мы сосредоточимся на объяснении принципов работы и характеристик применения фотонных инфракрасных датчиков и тепловых инфракрасных датчиков — двух из наиболее важных типов ИК-датчиков.

2.1 Фотонные инфракрасные датчики

Фотоэлектрические инфракрасные датчики (Photon-type IR sensors) - это устройства, которые преобразуют входящие световые сигналы в электрические сигналы на основе фотоэффекта материалов. Электрические свойства материала в основном определяются движением его электронов. Когда инфракрасные фотоны попадают на поверхность материала, они возбуждают электроны, изменяя электрическое поведение материала. Это называется фотоэффектом.

1. Фотопроводящие инфракрасные датчики (Photoconductive Infrared Sensors)

Эти датчики работают на основе фотопроводящего эффекта. Некоторые полупроводниковые материалы показывают значительные изменения в электрической проводимости при воздействии инфракрасного излучения. ИК-детекторы, изготовленные из таких материалов, называются фотопроводящими ИК-датчиками.Фотопроводящие ИК-датчики имеют задержанный отклик из-за явления релаксации. Это приводит к более медленной скорости отклика по сравнению с другими методами ИК-обнаружения.

2.  Фотовольтаические инфракрасные датчики

Фотовольтаические ИК-датчики работают на основе фотовольтаического эффекта. Когда материал имеет внутреннее электрическое поле, пары электрон-дырка, образованные при поглощении фотонов, имеют тенденцию двигаться в противоположных направлениях, создавая разность потенциалов. Этот потенциал можно измерить в виде электрического сигнала, если подключить внешнюю цепь.

3. Фотоэмиссионные инфракрасные датчики

Фотоэмиссионные ИК-датчики используют фотоэмиссионный эффект. Когда фотоны с частотой vvv попадают на поверхность твердого тела, электроны могут поглотить энергию (hv) и приобрести достаточно кинетической энергии, чтобы преодолеть поверхностный потенциальный барьер и вылететь в вакуум в виде фотоэлектронов.

Хотя фотонные датчики обладают такими преимуществами, как быстрый отклик, компактность, высокая надежность и сильная адаптивность, они чувствительны к тепловому шуму. При комнатной температуре термически возбужденные электроны могут увеличить темновой ток и ухудшить характеристики. Поэтому эти датчики часто требуют криогенной охлаждения для оптимальной работы, что повышает стоимость и сложность системы.

2. 2 Тепло-инфракрасные датчики

В отличие от фотонных ИК-датчиков, которые преобразуют энергию фотонов непосредственно в фотоэлектроны с помощью фотоэлектрического эффекта, тепло-инфракрасные датчики основаны на термических эффектах инфракрасного излучения. Они обнаруживают инфракрасную энергию путем измерения изменений температуры и преобразования ее в другие физические величины.

1. Пироэлектрические инфракрасные датчики

Определенные кристаллические материалы, такие как сульфат триглицина (TGS) и титанат бария-стронция (BST), обладают пироэлектрическим эффектом. Когда эти материалы нарезаются вдоль определенных осей и заделываются между электродами для формирования конденсатора, любое изменение температуры в кристалле вызывает появление напряжения на конденсаторе. Это происходит из-за спонтанной поляризации и смещения поверхностных зарядов, вызванных изменениями температуры.

Пирэлектрические ИК-датчики обладают широким спектральным откликом, стабильной работой при комнатной температуре, быстрой скоростью отклика, низким уровнем шума и относительно простыми цепями считывания. Однако, поскольку они требуют механического переключателя для модуляции входного излучения, системы изображения на основе пирэлектрических датчиков обычно более сложны, чем системы, использующие термопарные или микроболометрические датчики.

2. Термопарные инфракрасные датчики

Термопарные ИК-датчики работают на основе эффекта Зеебека, термоэлектрического явления, при котором возникает напряжение из-за разности температур между двумя контактами, изготовленными из различных проводников или полупроводников. Когда один конец термопары нагревается инфракрасным излучением, а другой остается холодным, возникающий тепловой градиент приводит к движению носителей заряда, создавая измеряемое напряжение на открытых концах.

В то время как термопарные ИК-датчики просты и надежны, они обычно имеют нижечувствительность и более низкие скорости отклика по сравнению с другими тепловыми инфракрасными детекторами, что ограничивает их конкурентоспособность в высокопроизводительных приложениях.

· Снижение размытия и бликов на изображении

· Быстрый отклик

· Широкий динамический диапазон

· Высокая термическая чувствительность

В результате микроболометры стали предпочтительным выбором во многих термографических приложениях, которые требуют точного и эффективного инфракрасного детектирования.

3. Фотонные и термические инфракрасные датчики

При сравнении различных типов ИК-датчиков фотонные инфракрасные датчики и термические инфракрасные датчики имеют свои характерные особенности и преимущества в применении.

Основное сравнение: фотонные и термические ИК-датчики

4.Рекомендуемые продукты компании Raythink

Тихая инфракрасная панорамная камера серии W-U6

· Разработано для предотвращения лесных пожаров и мониторинга периметра

· Двухканальная система тепловой и видимой световой съемки

· AI-ISP на базе NPU для улучшения работы в условиях низкой освещенности

· Интеллектуальное обнаружение людей, транспортных средств, судов, дыма и огня

FC125T Dual-Spectrum Turret Camera

· Объединяет инфракрасную тепловую съемку и HD-видимую световую съемку

· Оснащена передовым пассивным инфракрасным тепловым детектором

· Множественные функции связки сигналов тревоги для мгновенных оповещений

· AI-ISP на базе NPU для улучшения работы в условиях низкой освещенности

Теги: Инфракрасный датчик , Фотонный против термического , Технология термического изображения