أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء ليست مجرد موازين حرارة

المصدر: Ulink Media

في عصر ما بعد الجائحة، نؤمن بأن أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء لا غنى عنها يوميًا. أثناء التنقل، نحتاج إلى قياس درجة الحرارة مرارًا وتكرارًا قبل الوصول إلى وجهتنا. في الواقع، لقياس درجة الحرارة باستخدام عدد كبير من أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء، هناك العديد من الأدوار المهمة. لنلقِ نظرة فاحصة على جهاز استشعار الأشعة تحت الحمراء.

مقدمة عن أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء

أي درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) تُصدر طاقة الأشعة تحت الحمراء باستمرار إلى الفضاء المحيط. ويستطيع مستشعر الأشعة تحت الحمراء استشعار طاقة الأشعة تحت الحمراء للجسم وتحويلها إلى مكونات كهربائية. يتكون مستشعر الأشعة تحت الحمراء من نظام بصري، وعنصر كشف، ودائرة تحويل.

يمكن تقسيم النظام البصري إلى نوعي نقل وانعكاس وفقًا لاختلاف بنيته. يتطلب النقل مكونين، أحدهما يرسل الأشعة تحت الحمراء والآخر يستقبلها. أما العاكس، فيحتاج إلى مستشعر واحد فقط لجمع المعلومات المطلوبة.

يمكن تقسيم عناصر الكشف إلى عنصر كشف حراري وعنصر كشف كهروضوئي وفقًا لمبدأ العمل. تُعد الثرمستورات أكثر أنواع الثرمستورات استخدامًا. عند تعرض الثرمستور للأشعة تحت الحمراء، ترتفع درجة حرارته وتتغير مقاومته (قد يكون هذا التغير أكبر أو أصغر، إذ يمكن تقسيم الثرمستور إلى ثرمستور ذي معامل حرارة موجب وثرمستور ذي معامل حرارة سالب)، والذي يمكن تحويله إلى إشارة كهربائية من خلال دائرة التحويل. تُستخدم عناصر الكشف الكهروضوئية عادةً كعناصر حساسة للضوء، وعادةً ما تُصنع من كبريتيد الرصاص، وسيلينيد الرصاص، وزرنيخيد الإنديوم، وزرنيخيد الأنتيمون، وسبائك الزئبق والكادميوم التيلورايد الثلاثية، والمواد المُضاف إليها الجرمانيوم والسيليكون.

وفقًا لدوائر معالجة وتحويل الإشارات المختلفة، يمكن تقسيم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء إلى نوعين: تناظري ورقمي. دائرة معالجة إشارات مستشعر الأشعة تحت الحمراء الكهروضوئي التناظري هي أنبوب تأثير المجال، بينما دائرة معالجة إشارات مستشعر الأشعة تحت الحمراء الكهروضوئي الرقمي هي شريحة رقمية.

تُنفَّذ العديد من وظائف مستشعر الأشعة تحت الحمراء من خلال تباديل وتركيبات 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.

تطبيق مستشعر الأشعة تحت الحمراء

1. الكشف عن الغاز

يعتمد مبدأ البصريات تحت الحمراء لمستشعر الغاز على خصائص الامتصاص الانتقائية الطيفية للأشعة تحت الحمراء القريبة لجزيئات الغاز المختلفة، واستخدام تركيز الغاز وعلاقة قوة الامتصاص (قانون لامبرت - بيل لامبرت بير) لتحديد وتحديد تركيز مكون الغاز في جهاز استشعار الغاز.

يمكن استخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء للحصول على خريطة تحليل الأشعة تحت الحمراء كما هو موضح في الشكل أعلاه. تخضع الجزيئات المكونة من ذرات مختلفة لامتصاص الأشعة تحت الحمراء عند تعريضها لنفس التردد، مما يؤدي إلى تغيرات في شدة الأشعة تحت الحمراء. ويمكن تحديد أنواع الغازات الموجودة في الخليط بناءً على اختلاف قمم الموجات.

بناءً على موضع ذروة امتصاص واحدة للأشعة تحت الحمراء، يُمكن تحديد المجموعات الموجودة في جزيء الغاز فقط. لتحديد نوع الغاز بدقة، نحتاج إلى دراسة مواضع جميع قمم الامتصاص في منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء للغاز، أي بصمة امتصاصه. باستخدام طيف الأشعة تحت الحمراء، يُمكن تحليل محتوى كل غاز في الخليط بسرعة.

تُستخدم مستشعرات الغاز بالأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع في صناعات البتروكيماويات والمعادن، وتجهيزات التعدين، ومراقبة تلوث الهواء، والكشف عن انبعاثات الكربون، والزراعة، وغيرها من الصناعات. في الوقت الحالي، تُعتبر ليزرات الأشعة تحت الحمراء المتوسطة باهظة الثمن. أعتقد أنه في المستقبل، ومع ازدياد عدد الصناعات التي تستخدم مستشعرات الأشعة تحت الحمراء للكشف عن الغاز، ستصبح مستشعرات الغاز بالأشعة تحت الحمراء أكثر جودة وأقل تكلفة.

2. قياس المسافة بالأشعة تحت الحمراء

مستشعر تحديد المدى بالأشعة تحت الحمراء هو نوع من أجهزة الاستشعار، ويستخدم الأشعة تحت الحمراء كوسيلة لنظام القياس، ونطاق القياس واسع، ووقت الاستجابة قصير، ويستخدم بشكل رئيسي في العلوم والتكنولوجيا الحديثة والدفاع الوطني والمجالات الصناعية والزراعية.

يحتوي مستشعر تحديد المدى بالأشعة تحت الحمراء على زوج من ثنائيات إرسال واستقبال إشارة الأشعة تحت الحمراء، حيث يُصدر شعاعًا من الأشعة تحت الحمراء بعد تعريضه للجسم، وينعكس إلى المستشعر بعد استقبال الإشارة، ثم يستقبل بيانات فرق التوقيت باستخدام معالج الصور CCD. تُحسب مسافة الجسم بعد معالجتها بواسطة معالج الإشارة. يمكن استخدام هذا ليس فقط على الأسطح الطبيعية، بل أيضًا على الألواح العاكسة. يتميز هذا الجهاز بمسافة قياس عالية الاستجابة، وهو مناسب للبيئات الصناعية القاسية.

3. نقل الأشعة تحت الحمراء

يُستخدم نقل البيانات باستخدام مستشعرات الأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع. يستخدم جهاز التحكم عن بُعد في التلفزيون إشارات الأشعة تحت الحمراء للتحكم بالتلفزيون عن بُعد؛ ويمكن للهواتف المحمولة نقل البيانات عبر الأشعة تحت الحمراء. هذه التطبيقات موجودة منذ تطوير تقنية الأشعة تحت الحمراء.

4. صورة حرارية بالأشعة تحت الحمراء

جهاز التصوير الحراري هو مستشعر سلبي يلتقط الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من جميع الأجسام التي تكون درجة حرارتها أعلى من الصفر المطلق. طُوّر جهاز التصوير الحراري في الأصل كأداة للمراقبة العسكرية والرؤية الليلية، ولكن مع انتشار استخدامه، انخفض سعره، مما أدى إلى اتساع نطاق تطبيقاته بشكل كبير. تشمل تطبيقات جهاز التصوير الحراري التطبيقات الحيوانية والزراعية والبناءية، وكشف الغازات، والتطبيقات الصناعية والعسكرية، بالإضافة إلى الكشف عن الأشخاص وتتبعهم وتحديد هويتهم. في السنوات الأخيرة، استُخدمت الصورة الحرارية 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. يحقق وظيفة التحكم الآلي من خلال استشعار حرارة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من العالم الخارجي. يمكنه فتح المصابيح والأبواب الأوتوماتيكية وأجهزة الإنذار ضد السرقة وغيرها من المعدات الكهربائية بسرعة.

من خلال عدسة فرينل لمستشعر الأشعة تحت الحمراء، يستشعر المفتاح الضوء المتناثر المنبعث من جسم الإنسان، مما يتيح تنفيذ وظائف تحكم تلقائية متنوعة، مثل تشغيل الإضاءة. في السنوات الأخيرة، ومع شيوع استخدام المنازل الذكية، استُخدم استشعار الأشعة تحت الحمراء أيضًا في صناديق القمامة الذكية، والمراحيض الذكية، ومفاتيح الإيماءات الذكية، والأبواب الحثية، وغيرها من المنتجات الذكية. لا يقتصر استشعار الأشعة تحت الحمراء على استشعار الأشخاص فحسب، بل يُحدّث باستمرار لتحقيق المزيد من الوظائف.

خاتمة

في السنوات الأخيرة، شهدت صناعة إنترنت الأشياء تطورًا سريعًا، ولديها آفاق سوقية واسعة. وفي هذا السياق، شهد سوق أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء نموًا متزايدًا. ولذلك، يواصل سوق أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء في الصين نموه. ووفقًا للبيانات، بلغ حجم سوق أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء في الصين ما يقرب من 400 مليون يوان في عام 2019، وسيصل إلى ما يقرب من 500 مليون يوان بحلول عام 2020. ومع ازدياد الطلب على قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء للكشف عن الأوبئة وتحييد الكربون للكشف عن غازات الأشعة تحت الحمراء، سيشهد سوق أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء نموًا هائلاً في المستقبل.