Tabla de contenido
introducción
La tecnología infrarroja admite una variedad de aplicaciones inalámbricas. Las áreas principales son la detección y el control remoto. En el espectro electromagnético, la porción infrarroja se divide en tres regiones: infrarrojo cercano, infrarrojo medio e infrarrojo lejano.
Las longitudes de onda y las aplicaciones para estas áreas se enumeran a continuación.
- Región del infrarrojo cercano: 700 nm a 1400 nm: sensor de infrarrojos, fibra óptica
- Región del infrarrojo medio (1400 nm a 3000 nm) con detección de calor
- Región del infrarrojo lejano: 3000 nm a 1 mm: imagen térmica
El rango de frecuencia de la luz infrarroja es mayor que el de las microondas y menor que el de la luz visible.
En la detección óptica y las comunicaciones ópticas, se utilizan técnicas fotoópticas en la región del infrarrojo cercano porque la luz es menos compleja que la RF cuando se implementa como fuente de señal. La comunicación óptica inalámbrica se logra mediante la transmisión de datos por infrarrojos para aplicaciones de corto alcance.
Los sensores infrarrojos detectan su entorno emitiendo y/o detectando radiación infrarroja.
El funcionamiento de un sensor de infrarrojos está determinado por tres leyes: la ley de radiación de Planck, la ley de Steven-Boltzmann y la ley de desplazamiento de Viena.
La ley de Planck establece que “todos los objetos emiten radiación a temperaturas inferiores”. 00K”. La ley de Stephen-Boltzmann establece que “en todas las longitudes de onda, la energía total emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta”. Según la ley de desplazamiento de Wien, “la curva de radiación de un cuerpo negro para varias temperaturas alcanza su punto máximo en una longitud de onda que es inversamente proporcional a la temperatura”.
El concepto básico de un sensor de infrarrojos utilizado como detector de obstáculos es transmitir una señal de infrarrojos, esta señal de infrarrojos se refleja en la superficie de un objeto y la señal es recibida por un receptor de infrarrojos.
Un sistema típico de detección de infrarrojos utiliza cinco elementos básicos: una fuente de infrarrojos, un medio de transmisión, un componente óptico, un detector o receptor de infrarrojos y un procesamiento de señales. Como fuentes de infrarrojos se pueden utilizar láseres infrarrojos y LED infrarrojos de longitudes de onda específicas. Hay tres tipos principales de medios utilizados para la transmisión de infrarrojos: vacío, aire y fibra óptica. Los componentes ópticos se utilizan para enfocar la radiación infrarroja o limitar la respuesta espectral.
Para enfocar la radiación infrarroja se utilizan lentes ópticas de cuarzo, germanio y silicio. Los receptores de infrarrojos pueden ser fotodiodos, fototransistores, etc. Las especificaciones importantes para los receptores de infrarrojos incluyen la sensibilidad a la luz, la potencia de detección y la potencia equivalente al ruido. Dado que la salida de un detector de infrarrojos es muy pequeña, el procesamiento de la señal se realiza mediante un amplificador.
Los sensores infrarrojos pueden ser pasivos o activos. Los sensores de infrarrojos pasivos son básicamente detectores de infrarrojos. Los sensores de infrarrojos pasivos no utilizan una fuente de infrarrojos y, en cambio, detectan la energía emitida por los obstáculos dentro de su campo de visión. Son de dos tipos: cuánticos y térmicos. Los sensores infrarrojos térmicos utilizan energía infrarroja como fuente de calor y son independientes de la longitud de onda. Los termopares, los detectores piroeléctricos y los bolómetros son tipos comunes de detectores infrarrojos térmicos.
Los detectores de infrarrojos cuánticos tienen un mayor rendimiento de detección y son más rápidos que los detectores de infrarrojos térmicos. La sensibilidad a la luz de los detectores cuánticos depende de la longitud de onda. Los detectores cuánticos se dividen a su vez en dos tipos: intrínsecos y extrínsecos. Los detectores cuánticos intrínsecos son células fotoconductoras y células solares.
Un sensor de infrarrojos activo consta de dos elementos: una fuente de infrarrojos y un detector de infrarrojos. Las fuentes de infrarrojos incluyen LED o diodos láser infrarrojos. Los detectores de infrarrojos incluyen fotodiodos o fototransistores. La energía emitida por una fuente de infrarrojos es reflejada por un objeto y llega a un detector de infrarrojos.
Transmisor de infrarrojos
Un transmisor de infrarrojos es un diodo emisor de luz (LED) que emite luz infrarroja. Por eso se denominan LED IR. Los LED IR parecen LED normales, pero la radiación que emiten es invisible para el ojo humano.
A continuación se muestra una fotografía de un LED infrarrojo típico.
Existen diferentes tipos de transmisores de infrarrojos según la longitud de onda, la potencia y el tiempo de respuesta.
Se puede construir un transmisor de infrarrojos simple utilizando un LED de infrarrojos, una resistencia limitadora de corriente y una fuente de alimentación. A continuación se muestra un esquema típico de un transmisor de infrarrojos.
Cuando se opera con una fuente de alimentación de 5 V, el transmisor de infrarrojos consume aproximadamente 3-5 mA de corriente. Los transmisores de infrarrojos se pueden modular para generar radiación infrarroja en frecuencias específicas. La modulación más utilizada es la modulación OOK (ON – OFF – KEYING).
Los transmisores de infrarrojos se pueden utilizar para varios propósitos. Algunas aplicaciones requieren calor infrarrojo, por lo que la mejor fuente de infrarrojos es un transmisor de infrarrojos. Los emisores de infrarrojos se pueden utilizar con cuarzo para crear células solares.
receptor IR
Los receptores de infrarrojos también se denominan sensores de infrarrojos porque detectan la radiación de los transmisores de infrarrojos. Los receptores de infrarrojos vienen en forma de fotodiodos y fototransistores. Los fotodiodos infrarrojos se diferencian de los fotodiodos normales porque sólo detectan luz infrarroja. A continuación se muestra un diagrama de un fotodiodo o receptor de infrarrojos típico.
Existen diferentes tipos de receptores de infrarrojos según la longitud de onda, el voltaje, el embalaje, etc. Cuando se utiliza con una combinación de transmisor y receptor de infrarrojos, la longitud de onda del receptor debe coincidir con la longitud de onda del transmisor.
A continuación se muestra un circuito receptor de infrarrojos típico que utiliza un fototransistor.
Consta de un fototransistor IR, un diodo, un MOSFET, un potenciómetro y un LED. Cuando el fototransistor recibe radiación infrarroja, la corriente fluye y enciende el MOSFET. Esto enciende el LED que actúa como carga. Se utiliza un potenciómetro para controlar la sensibilidad del fototransistor.
Principios del estilo de trabajo.
El principio de funcionamiento de un sensor de infrarrojos como sensor de detección de objetos se puede explicar mediante el siguiente diagrama. El sensor de infrarrojos consta de un LED de infrarrojos y un fotodiodo de infrarrojos. En conjunto, se denominan fotoacopladores u optoacopladores.
Cuando un transmisor de infrarrojos emite radiación, la radiación llega a un objeto y parte de la radiación se refleja de regreso al receptor de infrarrojos. En función de la intensidad de la recepción del receptor de infrarrojos, se define la salida del sensor.
Circuito de detección de obstáculos o circuito de sensor de infrarrojos
A continuación se muestra un circuito típico de detección de infrarrojos.
Consiste en un LED IR, un fotodiodo, un potenciómetro, un amplificador operacional IC y un LED.
El LED IR emite radiación infrarroja. Los fotodiodos detectan la luz infrarroja. Estoy usando un amplificador operacional IC como comparador de voltaje. El potenciómetro se utiliza para calibrar la salida del sensor según sus requisitos.
Cuando la luz emitida por el LED IR incide en un objeto y entra en el fotodiodo, la resistencia del fotodiodo disminuye desde un valor enorme. Una de las entradas del opamp está en un umbral establecido por un potenciómetro. La otra entrada al amplificador operacional proviene de la resistencia en serie del fotodiodo. Mientras más radiación incidente llegue al fotodiodo, mayor será la caída de voltaje a través de la resistencia en serie. El IC compara tanto el voltaje umbral como el voltaje a través de la resistencia en serie. Si el voltaje a través de la resistencia conectada en serie con el fotodiodo es mayor que el voltaje umbral, la salida del amplificador operacional IC será alta. Se conecta un LED a la salida del IC y el LED se enciende. El voltaje umbral se puede ajustar ajustando el potenciómetro según las condiciones ambientales.
La ubicación del LED de infrarrojos y del receptor de infrarrojos es un factor importante. Si el LED de infrarrojos está directamente frente al receptor de infrarrojos, esta configuración se denomina incidencia directa. En este caso, casi toda la radiación del LED IR llega al receptor de IR. Por lo tanto, existe comunicación con línea de visión entre el transmisor y el receptor de infrarrojos. Si un objeto está dentro de esta línea, evitará que la radiación llegue al receptor, ya sea reflejando la radiación o absorbiéndola.
distinguir entre colores blanco y negro
Es universal que el color negro absorba toda la radiación entrante y el color blanco refleje toda la radiación entrante. Según este principio se puede realizar un segundo posicionamiento del par de sensores. El LED IR y el fotodiodo están colocados uno al lado del otro. Cuando un transmisor de infrarrojos emite radiación infrarroja, no existe una línea directa de contacto entre el transmisor y el receptor, por lo que la radiación emitida debe golpear un objeto y reflejarse de regreso al fotodiodo. Las superficies de los objetos se pueden dividir en dos tipos: superficies reflectantes y superficies no reflectantes. Si la superficie de un objeto es de naturaleza reflectante, es decir, blanca u otro color claro, la mayor parte de la radiación que incide sobre el objeto se reflejará de regreso al fotodiodo. La corriente fluye a través del fotodiodo dependiendo de la intensidad de la radiación reflejada.
Si la superficie de un objeto es esencialmente no reflectante, es decir, negra u otro color oscuro, entonces casi toda la radiación que incide sobre el objeto será absorbida. Como no hay radiación reflejada, no hay radiación que incide sobre el fotodiodo, la resistencia del fotodiodo permanece alta y no fluye corriente. Esta situación es la misma que si el objeto no existiera en absoluto.
A continuación se muestra una representación gráfica del escenario anterior.
La ubicación y el recinto del transmisor y receptor de IR es muy importante. Tanto el transmisor como el receptor deben colocarse en un ángulo específico para una detección adecuada del objeto. Este ángulo es la directividad del sensor y es de +/- 45 grados.
La directividad es la siguiente.
Tanto el transmisor de infrarrojos como el receptor de infrarrojos deben estar sellados adecuadamente para evitar reflejos de objetos circundantes distintos del objeto. La carcasa suele estar hecha de plástico y pintada de negro.