أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء ليست مجرد موازين حرارة

المصدر: يولينك ميديا

في عصر ما بعد الجائحة، باتت أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء ضرورية في حياتنا اليومية. ففي رحلاتنا اليومية، نحتاج إلى قياس درجة الحرارة مرارًا وتكرارًا قبل الوصول إلى وجهتنا. وباعتبارها أجهزة قياس حرارة تعتمد على عدد كبير من أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء، فإنها تؤدي أدوارًا بالغة الأهمية. دعونا الآن نلقي نظرة فاحصة على هذه الأجهزة.

مقدمة عن أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء

أي شيء فوق الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) يُصدر باستمرار طاقة الأشعة تحت الحمراء إلى الفضاء المحيط. ويستطيع مستشعر الأشعة تحت الحمراء استشعار هذه الطاقة وتحويلها إلى مكونات كهربائية. ويتكون هذا المستشعر من نظام بصري، وعنصر كشف، ودائرة تحويل.

يمكن تقسيم النظام البصري إلى نوعين: نظام الإرسال ونظام الانعكاس، وذلك بحسب بنيته. يتطلب نظام الإرسال مكونين، أحدهما يرسل الأشعة تحت الحمراء والآخر يستقبلها. أما نظام الانعكاس، فيحتاج إلى مستشعر واحد فقط لجمع المعلومات المطلوبة.

يمكن تقسيم عنصر الكشف إلى عنصر كشف حراري وعنصر كشف كهروضوئي وفقًا لمبدأ عمله. تُعدّ الثرمستورات أكثر أنواع الثرمستورات استخدامًا. فعند تعريض الثرمستور للأشعة تحت الحمراء، ترتفع درجة حرارته، ويتغير مقاومته (قد يكون هذا التغير كبيرًا أو صغيرًا، نظرًا لتصنيف الثرمستور إلى نوعين: ثرمستور ذو معامل حراري موجب وثرمستور ذو معامل حراري سالب)، ويمكن تحويل هذه الإشارة إلى إشارة كهربائية عبر دائرة التحويل. أما عناصر الكشف الكهروضوئية، فتُستخدم عادةً كعناصر حساسة للضوء، وتُصنع عادةً من كبريتيد الرصاص، أو سيلينيد الرصاص، أو زرنيخيد الإنديوم، أو زرنيخيد الأنتيمون، أو سبيكة ثلاثية من تيلوريد الزئبق والكادميوم، أو مواد مُطعّمة بالجرمانيوم والسيليكون.

بحسب دوائر معالجة الإشارات وتحويلها المختلفة، يمكن تقسيم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء إلى نوعين: تناظري ورقمي. تعتمد دائرة معالجة الإشارات في مستشعر الأشعة تحت الحمراء الكهروحراري التناظري على أنبوب تأثير المجال، بينما تعتمد دائرة معالجة الإشارات في مستشعر الأشعة تحت الحمراء الكهروحراري الرقمي على شريحة رقمية.

تُحقق العديد من وظائف مستشعر الأشعة تحت الحمراء من خلال تركيبات وتوليفات مختلفة لثلاثة مكونات حساسة: النظام البصري، وعنصر الكشف، ودائرة التحويل. دعونا نلقي نظرة على بعض المجالات الأخرى التي أحدثت فيها مستشعرات الأشعة تحت الحمراء فرقًا ملموسًا.

تطبيق مستشعر الأشعة تحت الحمراء

1. الكشف عن الغاز

يعتمد مبدأ الاستشعار البصري بالأشعة تحت الحمراء على خصائص الامتصاص الانتقائي الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة لجزيئات الغاز المختلفة، واستخدام العلاقة بين تركيز الغاز وقوة الامتصاص (قانون لامبرت - بيل لامبرت بير) لتحديد وتحديد تركيز مكونات الغاز في جهاز استشعار الغاز.

يمكن استخدام أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء للحصول على خريطة تحليل الأشعة تحت الحمراء كما هو موضح في الشكل أعلاه. تمتص الجزيئات المكونة من ذرات مختلفة الأشعة تحت الحمراء عند تعرضها لإشعاع الأشعة تحت الحمراء بنفس التردد، مما يؤدي إلى تغيرات في شدة الأشعة تحت الحمراء. وبناءً على قمم الموجات المختلفة، يمكن تحديد أنواع الغازات الموجودة في الخليط.

لا يمكن تحديد المجموعات الموجودة في جزيء الغاز إلا من خلال موقع قمة امتصاص الأشعة تحت الحمراء الواحدة. ولتحديد نوع الغاز بدقة، نحتاج إلى دراسة مواقع جميع قمم الامتصاص في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة للغاز، أي ما يُعرف ببصمة امتصاص الأشعة تحت الحمراء. وباستخدام طيف الأشعة تحت الحمراء، يمكن تحليل محتوى كل غاز في الخليط بسرعة.

تُستخدم مستشعرات الغاز بالأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع في صناعات البتروكيماويات والمعادن، ومواقع التعدين، ومراقبة تلوث الهواء، والكشف عن الانبعاثات الكربونية، والزراعة، وغيرها من الصناعات. في الوقت الحالي، تُعدّ ليزرات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة باهظة الثمن. أعتقد أنه في المستقبل، ومع ازدياد استخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء في العديد من الصناعات للكشف عن الغازات، ستصبح هذه المستشعرات أكثر كفاءة وأقل تكلفة.

2. قياس المسافة بالأشعة تحت الحمراء

مستشعر تحديد المدى بالأشعة تحت الحمراء هو نوع من أجهزة الاستشعار، ويستخدم الأشعة تحت الحمراء كوسيط لنظام القياس، ويتميز بنطاق قياس واسع ووقت استجابة قصير، ويستخدم بشكل أساسي في العلوم والتكنولوجيا الحديثة والدفاع الوطني والمجالات الصناعية والزراعية.

يحتوي مستشعر قياس المسافة بالأشعة تحت الحمراء على زوج من الثنائيات الباعثة والمستقبلة لإشارات الأشعة تحت الحمراء. يقوم المستشعر بإصدار شعاع من الأشعة تحت الحمراء، ثم ينعكس هذا الشعاع عند اصطدامه بالجسم المراد قياسه، ليعود إلى المستشعر بعد استقبال الإشارة. بعد ذلك، يقوم معالج الصور CCD بمعالجة بيانات فرق التوقيت بين الإرسال والاستقبال. تُحسب المسافة إلى الجسم بعد معالجة الإشارة. يمكن استخدام هذا المستشعر ليس فقط على الأسطح الطبيعية، بل أيضًا على الألواح العاكسة. يتميز المستشعر بدقة قياس المسافة واستجابة عالية التردد، مما يجعله مناسبًا للبيئات الصناعية القاسية.

3. نقل الأشعة تحت الحمراء

يُستخدم نقل البيانات باستخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع. يستخدم جهاز التحكم عن بُعد للتلفزيون إشارات الأشعة تحت الحمراء للتحكم فيه عن بُعد؛ كما يمكن للهواتف المحمولة نقل البيانات عبر الأشعة تحت الحمراء. هذه تطبيقات موجودة منذ تطوير تقنية الأشعة تحت الحمراء.

4. صورة حرارية بالأشعة تحت الحمراء

الكاميرا الحرارية هي مستشعر سلبي قادر على التقاط الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من جميع الأجسام التي تزيد درجة حرارتها عن الصفر المطلق. طُوّرت الكاميرا الحرارية في الأصل كأداة للمراقبة العسكرية والرؤية الليلية، ولكن مع ازدياد استخدامها، انخفض سعرها، مما وسّع نطاق تطبيقاتها بشكل كبير. تشمل تطبيقات الكاميرا الحرارية مجالاتٍ مثل الحيوانات والزراعة والمباني والكشف عن الغازات والتطبيقات الصناعية والعسكرية، بالإضافة إلى الكشف عن الأشخاص وتتبعهم وتحديد هويتهم. في السنوات الأخيرة، شاع استخدام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء في العديد من الأماكن العامة لقياس درجة حرارة المنتجات بسرعة.

5. الحث بالأشعة تحت الحمراء

مفتاح الحث بالأشعة تحت الحمراء هو مفتاح تحكم آلي يعتمد على تقنية الحث بالأشعة تحت الحمراء. يُفعّل هذا المفتاح وظيفة التحكم الآلي عن طريق استشعار الحرارة بالأشعة تحت الحمراء المنبعثة من البيئة الخارجية. ويمكنه فتح المصابيح والأبواب الأوتوماتيكية وأجهزة الإنذار ضد السرقة وغيرها من الأجهزة الكهربائية بسرعة.

من خلال عدسة فريسنل في مستشعر الأشعة تحت الحمراء، يمكن للمفتاح استشعار الأشعة تحت الحمراء المتناثرة المنبعثة من جسم الإنسان، مما يتيح تنفيذ وظائف تحكم تلقائية متنوعة، مثل تشغيل الإضاءة. في السنوات الأخيرة، ومع انتشار مفهوم المنزل الذكي، شاع استخدام تقنية استشعار الأشعة تحت الحمراء في صناديق القمامة الذكية، والمراحيض الذكية، ومفاتيح الإيماءات الذكية، والأبواب التي تعمل بالاستشعار، وغيرها من المنتجات الذكية. لم يعد استشعار الأشعة تحت الحمراء مقتصراً على استشعار الأشخاص فحسب، بل يتم تطويره باستمرار لإضافة المزيد من الوظائف.

خاتمة

شهدت صناعة إنترنت الأشياء نموًا سريعًا في السنوات الأخيرة، ما أكسبها آفاقًا سوقية واسعة. وفي هذا السياق، شهد سوق أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء نموًا ملحوظًا. ونتيجة لذلك، يستمر حجم سوق أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء في الصين بالتوسع. وتشير البيانات إلى أن حجم هذا السوق بلغ حوالي 400 مليون يوان في عام 2019، ومن المتوقع أن يصل إلى حوالي 500 مليون يوان بحلول عام 2020. ومع تزايد الطلب على قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء في ظل تفشي الأوبئة، فضلًا عن استخدامها في الكشف عن الغازات بالأشعة تحت الحمراء لمعادلة انبعاثات الكربون، يُتوقع أن يشهد سوق أجهزة الاستشعار بالأشعة تحت الحمراء نموًا هائلًا في المستقبل.