سنسور مادون قرمز (InfraRed) یا IR

در این آموزش قصد داریم تا به معرفی سنسورهای مادون قرمز (IR) بپردازیم. چگونگی عملکرد، انواع آن ها و کاربردهایشان را مورد بحث و بررسی قرار خواهیم داد.

سنسور مادون قرمز چیست؟

سنسور مادون قرمز، قطعه ­ای الکترونیکی است که شامل فرستنده و گیرنده به صورت مجزا است. در ساده ­ترین شکل، سنسور فرستنده، به صورت یک ال ­ای­ دی است و گیرنده نیز یک فتو دیود است که قادر به جذب امواج مادون قرمز بوده و سبب ایجاد یک جریان الکتریکی به دلیل برخورد فتون­ها به الکترون­ها خواهد شد. چشم انسان قادر به تشخیص چنین امواجی نمی­ باشد.

انواع سنسورهای مادون قرمز

دو نوع سنسور مادون قرمز وجود دارد: اکتیو و پسیو. سنسورهای اکتیو مادون قرمز هم تشعشعات مادون قرمز را ساطع و هم تشخیص می دهند. سنسورهای مادون قرمز اکتیو دو بخش دارند: یک دیود ساطع کننده نور (LED) و یک گیرنده. هنگامی که یک جسم به سنسور نزدیک می شود، نور مادون قرمز از LED از جسم منعکس شده و توسط گیرنده شناسایی می شود. سنسورهای IR اکتیو به عنوان حسگرهای مجاورت (Approximity) عمل می کنند و معمولاً در سیستم های تشخیص موانع (مانند روبات ها) استفاده می شوند.

سنسورهای مادون قرمز پسیو (PIR) فقط تشعشعات مادون قرمز را تشخیص می دهند و آن را از LED ساطع نمی کنند. حسگرهای مادون قرمز پسیو شامل موارد زیر هستند:

دو نوار از مواد پیروالکتریک (یک سنسور پیروالکتریک)

یک فیلتر مادون قرمز (که تمام طول موج های دیگر نور را مسدود می کند)

عدسی فرنل (که نور را از زوایای مختلف در یک نقطه جمع می کند)

یک قاب (برای محافظت از سنسور در برابر سایر متغیرهای محیطی مانند رطوبت)

سنسورهای PIR معمولاً در تشخیص مبتنی بر حرکت، مانند سیستم‌های امنیتی خانگی استفاده می‌شوند. هنگامی که یک جسم متحرک که تابش مادون قرمز تولید می کند وارد محدوده حسگر آشکارساز می شود، تفاوت در سطوح IR بین دو عنصر پیروالکتریک اندازه گیری می شود. سپس سنسور یک سیگنال الکترونیکی را به یک کامپیوتر تعبیه شده ارسال می کند که به نوبه خود یک زنگ هشدار را ایجاد می کند.

انواع مختلفی از سنسورهای IR وجود دارد که هر کدام ویژگی ها و کاربردهای متفاوتی دارند. برخی از انواع رایج عبارتند از:

سنسور مادون قرمز پسیو (PIR): سنسورهای PIR برای تشخیص حرکت با سنجش تغییرات در اشعه مادون قرمز استفاده می شود. آنها معمولا در سیستم های امنیتی، کنترل روشنایی و درب های اتوماتیک استفاده می شوند.

سنسور انعکاسی IR: حسگرهای IR بازتابنده از LED مادون قرمز برای انتشار نور مادون قرمز و یک ترانزیستور نوری برای تشخیص نور منعکس شده از یک جسم استفاده می کنند. آنها برای اندازه گیری فاصله و تشخیص نزدیکی استفاده می شوند.

سنسور IR انتقالی: حسگرهای IR انتقالی از LED مادون قرمز برای انتشار نور مادون قرمز و یک ترانزیستور نوری برای تشخیص نوری که از یک جسم عبور می کند استفاده می کنند. آنها برای اندازه گیری فاصله و تشخیص نزدیکی استفاده می شوند.

سنسور مجاورت IR: سنسورهای مجاورت IR برای تشخیص وجود یک شی بدون تماس فیزیکی استفاده می شوند. آنها معمولاً در دستگاه های تلفن همراه، روباتیک و سیستم های اتوماسیون استفاده می شوند.

سنسور دمای IR: این سنسورها می توانند دمای یک جسم را با تشخیص اشعه مادون قرمز ساطع شده از آن اندازه گیری کنند. آنها در کاربردهای صنعتی، HVAC و پزشکی استفاده می شوند.

سنسور طیف سنجی IR: این سنسورها می توانند از تابش مادون قرمز برای تجزیه و تحلیل خواص یک ماده استفاده کنند. آنها در تجزیه و تحلیل شیمیایی، تشخیص پزشکی، و نظارت بر محیط زیست استفاده می شود.

سنسور تصویربرداری IR: این سنسورها از اشعه مادون قرمز برای ایجاد تصاویر استفاده می کنند، آنها در تصویربرداری حرارتی، دید در شب و دوربین های نظارتی استفاده می شوند.

نحوه عملکرد سنسور مادون قرمز

 در طیف الکترومغناطیسی، این امواج در حد واسط امواج نور مرئی و امواج مایکروویو بوده و دارای طول موجی بین 0.75 تا 1000 میکرومتر می ­باشد. این امواج، خود به سه ناحیه مادون قرمز نزدیک (75/0 تا 3 میکرومتر)، متوسط(3 تا 6 میکرومتر) و دور (بیشتر از 6میکرومتر) دسته­ بندی می­ شود. حداکثر فاصله قابل پشتیبانی این سنسورها، 2.5 متر است که با به­ کارگیری برخی تقویت­ کننده ­ها، این فاصله قابل افزایش است. از ویژگی­های شاخص این سنسورها می­توان به مصرف توان بسیار پایین، پیاده­ سازی مدارات فرستنده-گیرنده، سادگی و قابل حمل بودن آن­ها اشاره کرد. البته این نوع امواج، دارای محدودیت­هایی نیز هستند. بطور مثال، این امواج از در و دیوار نمی­توانند عبور کنند و همچنین مسافت طی شده توسط آن­ها محدود است.

ساطع کننده موج مادون قرمز یک ال ای دی IR و آشکارساز آن یک فتودیود IR است. فتودیود IR به نور مادون قرمز ساطع شده توسط یک LED IR حساس است. مقاومت فوتودیود و ولتاژ خروجی متناسب با نور مادون قرمز دریافتی تغییر می کند. این اصل اساسی کار سنسور IR است.

نوع تابش می تواند تابش مستقیم یا تابش غیر مستقیم باشد. در تابش مستقیم، LED IR در مقابل یک فتودیود بدون هیچ مانعی قرار می گیرد.

در تابش غیرمستقیم، هر دو دیود در کنار یک جسم مات در جلوی سنسور قرار می گیرند. نور LED IR به سطح مات برخورد می کند و به فتودیود منعکس می شود.

کاربردهای سنسورهای مادون قرمز

 این امواج در بسیاری از زمینه­های کاربردی قابل استفاده است. از جمله می­توان به کنترل بسیاری از وسایل برقی خانگی مثل تلویزیون، کولر، پنکه و... اشاره کرد. همچنین این سنسورها حساس به تغییرات دمایی محیط بوده و می­توان از آن­ها در تشخیص اشیا متحرکی که از خود گرما ساطع می­کنند، استفاده نمود. دلیل چنین تشخیصی این است که هر شیء که از خود حرارت دفع کند در واقع امواج مادون قرمز نیز ساطع می­کند. البته قابل ذکر است که در چنین حالتی سنسور فقط در حالت گیرندگی است و نیازی به فرستنده ندارد. به چنین ساختاری، مادون قرمز پسیو می­گویند. همچنین از این سنسورها می­توان در دوربین­های دید در شب نیز استفاده کرد. در چنین حالتی به دلیل کمبود نور، این سنسورها نور محیط کم را دریافت کرده و سپس با استفاده از پردازش­های شیمیایی و الکتریکی، فوتون­های نوری را تقویت نموده و به نور مرئی تبدیل می­کند. یکی دیگر از کاربردها می­تواند در ربات­های مسیریاب باشد؛ بطوریکه از سنسورهایی که در مجاورت هم قرار گرفته­اند، استفاده می­کنیم. بسته به رنگ مسیر و یا سیاه و سفید بودن مسیر، میزان تشعشع امواج، متغیر خواهد بود که همین امر منجر به تشخیص مسیر می­شود. در مسیرهای تیره، امواج مادون قرمز بیشتری جذب شده و در مسیرهایی با پس­زمینه سفید امواج بیشتری انعکاس خواهد یافت. 

نحوه تشعشع امواج مادون قرمز و همچنین برخی از انواع این سنسور، در شکل زیر نمایش داده شده است.






نکته قابل توجه دیگر اینکه معمولاً قبل از ارسال امواج مادون قرمز، نیاز به پردازش بر روی آن­ها داریم، بطوریکه بهتر است آن­ها را با پروتکل­های استاندارد، تبدیل به کدهای مشخص کرده و در گیرنده نیز چنین کدهایی را آشکارسازی کنیم. با چنین کاری می­توان با فقط یک سنسور  فرستنده-گیرنده، چندین دستگاه یا هدف خاص را کنترل نمود و یا دستگاه را چند وظیفه ­ای تعریف کرد. معمولاً، فرکانس قطع و وصل امواج مادون قرمز در چنین حالتی بین 36 تا 40 کیلوهرتز است. به الگو دادن سیگنال مادون قرمز در چنین فرکانسی، اصطلاحاً مدولاسیون گفته می­شود. نمونه­ ای از چنین مدولاسیونی در شکل زیر نمایش داده شده است. مثال مشخص چنین توضیحی، در کنترل تلویزیون نمود خواهد داشت. در این مثال خاص، فرستنده یا همان وسیله کنترل از راه دور، قادر به تولید کدهای خاصی برای کارهای مختلف بوده و گیرنده نیز این کدها را در یک حافظه ذخیره دارد و با دریافت هر یک از این کدها، پس از تفسیر کد دریافت شده، وظیفه مشخص شده را اجرا خواهد نمود. 


البته برای خواندن چنین سیگنالی در گیرنده، معمولاً عملیات آشکارسازی به این صورت است که پالس­های کد شده به سیگنال باینری تبدیل می­شود. در واقع سیگنال باینری حاصل، از فاصله بین کدها ایجاد می­شود. شکل زیر سیگنال باینری حاصل از کد شکل بالا را نشان می­دهد.


همانطور که اشاره شد، اکثر ریموت کنترل­های مبتنی بر مادون قرمز، از پالس­های کد شده مدوله شده در فرکانس 38 کیلوهرتز استفاده می­کنند.

ماژول سنسور مادون قرمز

IR Sensor Module with Circuit

ماژول حسگر IR تجهیزی است که حاوی یک LED گیرنده IR و سایر اجزای است که برای شناسایی و پردازش سیگنال های IR استفاده می شود. معمولاً شامل یک LED گیرنده IR، یک تقویت کننده سیگنال و یک مدار دمدولاتور است.

ال ای دی گیرنده IR برای تشخیص سیگنال های IR استفاده می شود، در حالی که از تقویت کننده سیگنال و مدار دمودولاتور به ترتیب برای تقویت و پردازش سیگنال دریافتی استفاده می شود.

ماژول‌های حسگر IR به طور گسترده در کاربردهای الکترونیکی مختلف مانند کنترل از راه دور، تشخیص حرکت، حسگر مجاورت و غیره استفاده می‌شوند. آنها معمولا در لوازم الکترونیکی مصرفی، روباتیک و سیستم های اتوماسیون استفاده می شوند.

ماژول های حسگر IR در اشکال مختلف مانند ماژول های گیرنده IR ساده و ماژول های حسگر IR پیچیده با ویژگی های اضافی مانند پردازش سیگنال و فیلتر سیگنال وجود دارند. برخی از ماژول های حسگر IR نیز خروجی را در قالب دیجیتال ارائه می دهند که می تواند توسط یک میکروکنترلر یا ریزپردازنده خوانده شود.