I sensori a infrarossi non sono solo termometri

Fonte: Ulink Media

Nell'era post-pandemia, riteniamo che i sensori a infrarossi siano indispensabili nella vita di tutti i giorni. Durante gli spostamenti, è necessario misurare la temperatura corporea più volte prima di poter raggiungere la propria destinazione. La misurazione della temperatura tramite un gran numero di sensori a infrarossi svolge infatti molteplici funzioni importanti. Vediamo ora nel dettaglio come funziona un sensore a infrarossi.

Introduzione ai sensori a infrarossi

Qualsiasi temperatura superiore allo zero assoluto (-273 °C) emette costantemente energia infrarossa nell'ambiente circostante. Un sensore a infrarossi è in grado di rilevare l'energia infrarossa dell'oggetto e di convertirla in energia elettrica. Il sensore a infrarossi è costituito da un sistema ottico, un elemento di rilevamento e un circuito di conversione.

I sistemi ottici possono essere suddivisi in sistemi a trasmissione e a riflessione in base alla loro struttura. La trasmissione richiede due componenti: uno che trasmette infrarossi e uno che li riceve. Il riflettore, invece, necessita di un solo sensore per raccogliere le informazioni desiderate.

In base al principio di funzionamento, gli elementi di rilevamento possono essere suddivisi in elementi di rilevamento termico ed elementi di rilevamento fotoelettrico. I termistori sono i più diffusi. Quando un termistore viene esposto a radiazioni infrarosse, la sua temperatura aumenta e la sua resistenza varia (questa variazione può essere maggiore o minore, poiché i termistori possono essere suddivisi in termistori a coefficiente di temperatura positivo e termistori a coefficiente di temperatura negativo), e tale variazione può essere convertita in un segnale elettrico tramite un circuito di conversione. Gli elementi di rilevamento fotoelettrico sono comunemente utilizzati come elementi fotosensibili, solitamente realizzati in solfuro di piombo, seleniuro di piombo, arseniuro di indio, arseniuro di antimonio, lega ternaria di tellururo di mercurio e cadmio, germanio e materiali drogati con silicio.

In base ai diversi circuiti di elaborazione e conversione del segnale, i sensori a infrarossi possono essere suddivisi in analogici e digitali. Il circuito di elaborazione del segnale di un sensore a infrarossi piroelettrico analogico è un tubo a effetto di campo, mentre quello di un sensore a infrarossi piroelettrico digitale è un chip digitale.

Molte funzioni dei sensori a infrarossi si realizzano attraverso diverse permutazioni e combinazioni di tre componenti sensibili: sistema ottico, elemento di rilevamento e circuito di conversione. Esaminiamo alcuni altri ambiti in cui i sensori a infrarossi hanno fatto la differenza.

Applicazione del sensore a infrarossi

1. Rilevamento di gas

Il principio ottico a infrarossi del sensore di gas si basa sulle caratteristiche di assorbimento selettivo spettrale nel vicino infrarosso di diverse molecole di gas, utilizzando la relazione tra concentrazione del gas e forza di assorbimento (legge di Lambert-Beer) per identificare e determinare la concentrazione dei componenti del gas nel dispositivo di rilevamento del gas.

I sensori a infrarossi possono essere utilizzati per ottenere la mappa di analisi a infrarossi, come mostrato nella figura sopra. Le molecole composte da atomi diversi subiscono assorbimento di luce infrarossa sotto irradiazione di luce infrarossa alla stessa frequenza, con conseguenti variazioni nell'intensità della luce infrarossa. In base ai diversi picchi d'onda, è possibile determinare i tipi di gas contenuti nella miscela.

In base alla posizione di un singolo picco di assorbimento infrarosso, è possibile determinare solo quali gruppi sono presenti nella molecola del gas. Per determinare con precisione il tipo di gas, è necessario esaminare la posizione di tutti i picchi di assorbimento nella regione del medio infrarosso, ovvero l'impronta digitale di assorbimento infrarosso del gas. Con lo spettro infrarosso, è possibile analizzare rapidamente il contenuto di ciascun gas nella miscela.

I sensori di gas a infrarossi sono ampiamente utilizzati nell'industria petrolchimica, metallurgica, nel monitoraggio delle condizioni operative nelle miniere, nel controllo dell'inquinamento atmosferico e nelle attività di neutralizzazione del carbonio, in agricoltura e in altri settori. Attualmente, i laser a infrarossi medi sono costosi. Credo che in futuro, con un numero sempre maggiore di settori che utilizzano sensori a infrarossi per il rilevamento dei gas, questi sensori diventeranno più efficienti ed economici.

2. Misurazione della distanza a infrarossi

Il sensore di distanza a infrarossi è un tipo di dispositivo di rilevamento che utilizza gli infrarossi come mezzo di misurazione, con un ampio intervallo di misurazione e un breve tempo di risposta, ed è utilizzato principalmente in ambito scientifico e tecnologico moderno, nella difesa nazionale e nei settori industriale e agricolo.

Il sensore di distanza a infrarossi è dotato di una coppia di diodi di trasmissione e ricezione del segnale a infrarossi. Il sensore emette un fascio di luce infrarossa che, dopo aver irradiato l'oggetto, viene riflesso e ricevuto dal sensore. Successivamente, il segnale viene elaborato da un sensore CCD che, dopo aver ricevuto e trasmesso i dati, calcola la distanza dell'oggetto. Questo sensore può essere utilizzato non solo su superfici naturali, ma anche su pannelli riflettenti. Offre un'elevata risposta in frequenza e si presta bene alla misurazione della distanza in ambienti industriali difficili.

3. La trasmissione a infrarossi

Anche la trasmissione dati tramite sensori a infrarossi è ampiamente utilizzata. I telecomandi dei televisori utilizzano segnali a infrarossi per controllare il televisore a distanza; i telefoni cellulari possono trasmettere dati tramite infrarossi. Si tratta di applicazioni che esistono fin dagli albori della tecnologia a infrarossi.

4. Immagine termica a infrarossi

La termocamera è un sensore passivo in grado di catturare la radiazione infrarossa emessa da tutti gli oggetti la cui temperatura è superiore allo zero assoluto. Originariamente sviluppata come strumento di sorveglianza militare e visione notturna, la termocamera si è diffusa con la conseguente riduzione dei costi e un'ampia espansione del suo campo di applicazione. Le applicazioni della termocamera includono il monitoraggio di animali, l'agricoltura, la ristrutturazione di edifici, il rilevamento di gas, il settore industriale e militare, nonché il rilevamento, il tracciamento e l'identificazione di persone. Negli ultimi anni, la termografia a infrarossi è stata utilizzata in molti luoghi pubblici per misurare rapidamente la temperatura di oggetti.

5. Induzione a infrarossi

L'interruttore a induzione a infrarossi è un interruttore di controllo automatico basato sulla tecnologia a induzione a infrarossi. Svolge la sua funzione di controllo automatico rilevando il calore infrarosso emesso dall'ambiente esterno. Può accendere rapidamente lampade, porte automatiche, allarmi antifurto e altre apparecchiature elettriche.

Grazie alla lente di Fresnel del sensore a infrarossi, la luce infrarossa diffusa emessa dal corpo umano può essere rilevata dall'interruttore, consentendo così di realizzare diverse funzioni di controllo automatico, come l'accensione della luce. Negli ultimi anni, con la crescente popolarità della domotica, la tecnologia a infrarossi è stata impiegata anche in cestini intelligenti, WC intelligenti, interruttori a comando gestuale, porte a induzione e altri prodotti smart. La tecnologia a infrarossi non si limita al rilevamento della presenza umana, ma è in continua evoluzione per offrire sempre più funzionalità.

Conclusione

Negli ultimi anni, il settore dell'Internet delle cose (IoT) si è sviluppato rapidamente e gode di ampie prospettive di mercato. In questo contesto, anche il mercato dei sensori a infrarossi ha registrato un'ulteriore crescita. Di conseguenza, il mercato cinese dei rilevatori a infrarossi continua ad espandersi. Secondo i dati, nel 2019 il mercato cinese dei rilevatori a infrarossi valeva quasi 400 milioni di yuan, e si prevede che raggiungerà quasi 500 milioni di yuan entro il 2020. Considerando anche la crescente domanda di sensori a infrarossi per la misurazione della temperatura durante le epidemie e per la neutralizzazione del carbonio, il mercato dei sensori a infrarossi raggiungerà dimensioni enormi in futuro.