IR-Sensor funktioniert

Zusammenfassung

Möchten Sie die Welt der IR-Sensoren, ihre Funktionsprinzipien und ihre Anwendungen erkunden?

Wenn die Antwort „Ja“ lautet, sehen Sie sich diesen Blogbeitrag an, der ausführlich auf die Funktionsweise von IR-Sensoren und die verschiedenen auf dem Markt erhältlichen IR-Sensortypen eingeht.

In diesem Blogbeitrag wird auch auf die Funktionsweise von IR-Näherungssensoren sowie deren Vor- und Nachteile eingegangen.

Mit diesem umfassenden Leitfaden erhalten Sie ein besseres Verständnis von IR-Sensoren und ihrer Bedeutung in der heutigen technologieorientierten Welt.

Einführung

Willkommen zu unserer umfassenden Erkundung des Funktionsprinzips von Infrarotsensoren. Wir werden uns mit der Komplexität ihrer Funktionalität und ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten befassen.

Infrarotsensoren (IR) sind elektrische Komponenten, die bestimmte Strahlungswellen, darunter auch Wärme, erkennen. Infrarotsensoren ermöglichen es Systemen, ihre Umgebung zu erkennen und entsprechend zu reagieren.

Die Funktionsweise von IR-Sensoren besteht in der Erkennung von Infrarotwellen, die von einer Person oder einem Objekt ausgesendet werden, das in den Erfassungsbereich eines Geräts mit einem Infrarot-Sensor (IR) eindringt.

Diese Informationen werden dann verarbeitet und für verschiedene Funktionen verwendet, beispielsweise zum Erkennen von Objekten in der Nähe, zum Feststellen, ob sich etwas in der Umgebung bewegt, oder sogar zum Lenken von Robotern zu einem Zielort mithilfe von Daten zur Messung der Erkennungsdistanz, die durch das Infrarotsignal bereitgestellt werden, das an jedem Punkt entlang der Flugbahn innerhalb der Sichtweite erkannt wird.

Zu den modernen Anwendungen gehören Sicherheitssysteme für Privathaushalte, die Bewegungsmelder in Kombination mit Kameras verwenden, die beim Empfang bestimmter Signale dieser kleinen, aber wichtigen Technikteile ausgelöst werden, was sie zu einem wesentlichen Bestandteil heutiger Robotikprojekte macht!

Was ist ein IR-Sensor?

Das Funktionsprinzip von IR-Sensoren zu verstehen, ist vergleichbar mit dem Verständnis von Objekterkennungssensoren. Lassen Sie uns die Magie hinter diesen Sensoren entmystifizieren.

In unserem täglichen Leben spielt die Infrarottechnologie eine entscheidende Rolle. Fernseher verwenden beispielsweise einen IR-Sensor, um Signale von Fernbedienungen zu dekodieren. Lassen Sie uns tiefer in das Funktionsprinzip von IR-Sensoren und ihre Bedeutung eintauchen.

Infrarot-Technologie wird im Alltag und in der Industrie für vielfältige Zwecke eingesetzt. Fernseher beispielsweise nutzen Infrarot-Sensoren, um die von der Fernbedienung übermittelten Signale zu dekodieren.

Die Hauptvorteile von IR-Sensoren sind ihr geringer Stromverbrauch, ihr einfaches Design und ihre nützlichen Funktionen. IR-Signale sind für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar. Im elektromagnetischen Spektrum findet sich IR-Strahlung im sichtbaren und Mikrowellenbereich.

IR-Sensor-Spezifikationen

Die Wellenlängen dieser Wellen liegen typischerweise zwischen 0,7 µm und 5 bis 1000 µm. Nahinfrarot, Mittelinfrarot und Ferninfrarot sind die drei Bereiche des IR-Spektrums. Die Wellenlängen reichen von 0,75 bis 3 µm im Nahinfrarotbereich, von 3 bis 6 µm im Mittelinfrarotbereich und von mehr als 6 µm im Ferninfrarotbereich.

Ein Infrarotsensor ist ein Gerät, das Infrarotstrahlung in seiner Umgebung erkennt und ein elektrisches Signal ausgibt. Dieser Sensor kann Bewegungen erkennen und die Wärme eines Objekts messen.

Dieser Sensor kann Infrarotstrahlung erkennen, die für unsere Augen unsichtbar ist. Dieser Sensor ist eine Fotodiode, die für Infrarotlicht empfindlich ist. Wenn Infrarotlicht auf die Fotodiode trifft, ändern sich die Widerstände und Ausgangsspannungen proportional zur Stärke des IR-Lichts.

Infrarotsensoren (IR) werden verwendet, um die Anwesenheit eines Objekts in einem bestimmten Bereich zu erkennen und zu messen. Sie sind in vielen Anwendungen zu finden, von Industrierobotern bis hin zu Haussicherheitssystemen. Diese Sensoren funktionieren, indem sie Unterschiede in der von Objekten abgegebenen oder reflektierten Infrarotstrahlung im Verhältnis zu ihrer Umgebung messen.

Der Sensor analysiert dann diese Änderungen, um festzustellen, ob sich ein bestimmtes Objekt in seinem Sichtfeld befindet. Diese Informationen können wertvolle Daten für die erforderlichen automatisierten Entscheidungen auf der Grundlage vorgegebener Bedingungen liefern.

Aus diesem Grund erfreuen sie sich immer größerer Beliebtheit bei Automatisierungsprojekten mit sehr unterschiedlichen Ausgabeanforderungen, die weit über die bloße Erkennung von Bewegungen und Hindernissen entlang von Produktionslinien hinausgehen, wie zum Beispiel bei der Temperaturregulierung in großen Gebäuden oder Lagerhallen.

Da uns heute immer bessere Technologien zur Verfügung stehen, ist davon auszugehen, dass es bei der Integration von IR-Sensoren in verschiedenste kommerzielle Produkte branchenübergreifend nur noch weitere Entwicklungen geben wird.

Funktionsweise des Infrarotsensors

Der IR-Sensor funktioniert ähnlich wie der Objekterkennungssensor. Die Funktionsweise von IR-Sensoren hängt ganz davon ab, ob der Sensor aktiv oder passiv (PIR) ist.

Aktive Infrarotsensoren senden und empfangen Infrarotstrahlung und erkennen Bewegung und Entfernung.

Passive Infrarotsensoren empfangen wie PIR-Sensoren nur die Strahlung von Objekten in der Nähe. PIR-Sensoren werden hauptsächlich in der physischen Sicherheit eingesetzt.

Erwägen Sie die Installation eines Heimsicherheitssystems. Sie können sowohl aktive als auch passive Infrarotsensoren verwenden, um sicherzustellen, dass alle Ecken abgedeckt sind. Sie installieren also aktive Infrarotsensoren entlang des Umfangs Ihres Grundstücks.

Diese Sensoren senden unsichtbare Infrarotlichtstrahlen aus. Wenn etwas den Weg dieser Strahlen kreuzt, erkennt der Sensor eine Unterbrechung und löst einen Alarm aus. Dies ist gut geeignet, um Bewegungen zu erkennen und Sie vor potenziellen Angreifern zu warnen.

Platzieren Sie die passiven Infrarotsensoren an strategischen Stellen in der Nähe von Eingangspunkten wie Türen und Fenstern. PIR-Sensoren geben im Gegensatz zu aktiven Sensoren keine Strahlung ab. Sie können Infrarotlicht von erhitzten Objekten aus ihrer Perspektive erkennen.

Wenn also eine Person durch einen PIR-Sensor geht, wird durch ihre Körperwärme Infrarotstrahlung freigesetzt, die der Sensor erkennt und den Alarm aktiviert.

Dieses Beispiel hilft Ihnen zu verstehen, wie IR-Sensoren in Sicherheitssystemen funktionieren. Später werden wir noch ausführlicher auf die verschiedenen Arten von Infrarotsensoren eingehen.

Dieser Sensor nutzt physikalische Gesetze wie die Planck-Strahlung, die Stefan-Boltzmann-Strahlung und die Wien-Verschiebung.

• Plancksches Strahlungsgesetz: Nach diesem Gesetz sendet alles, was eine Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin) hat, Strahlung aus.
• Stefan-Boltzmann-Gesetz: Gemäß diesem Gesetz ist die Gesamtenergie, die eine schwarze Substanz über alle Wellenlängen hinweg abgibt, proportional zu ihrer absoluten Temperatur.
• Wiens Verschiebungsgesetz: Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen senden Spektren aus, deren Spitzen bei unterschiedlichen Wellenlängen liegen, die umgekehrt proportional zur Temperatur sind.

Wie funktioniert ein IR-Sensor?

Dieser Sensor enthält eine IR-LED und eine IR-Fotodiode. Durch die Kombination dieser beiden kann ein Fotokoppler oder Optokoppler gebildet werden.

IR-Sender oder IR-LED

Eine IR-LED ist ein Sendertyp, der IR-Strahlung aussendet. Diese LED sieht aus wie eine Standard-LED, und die von ihr abgegebene Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar.

Zur Detektion der Strahlung durch Infrarot-Empfänger dient ein Infrarot-Sender.

IR-Empfänger oder Fotodiode

Infrarotempfänger sind in Form von Fotodioden erhältlich. IR-Fotodioden unterscheiden sich von normalen Fotodioden dadurch, dass sie nur IR-Strahlung erfassen.

Es gibt unterschiedliche Arten von Infrarotempfängern, die sich durch Spannung, Wellenlänge, Gehäuse und andere Faktoren unterscheiden.

Bei der Verwendung als IR-Sender und -Empfänger muss die Wellenlänge des Empfängers mit der des Senders übereinstimmen. Der Sender ist eine Infrarot-LED und der Empfänger eine Infrarot-Fotodiode.

Die Infrarot-Fotodiode wird durch das von einer Infrarot-LED erzeugte Infrarotlicht aktiviert. Der Widerstand der Fotodiode und die Änderung der Ausgangsspannung sind proportional zur Menge des empfangenen Infrarotlichts.

Dies ist das grundlegende Funktionsprinzip eines IR-Sensors.

Sobald der Infrarotsender Strahlung erzeugt und diese das Objekt erreicht, wird ein Teil dieser Strahlung zum Infrarotempfänger reflektiert.

Über die Sensorausgabe kann je nach Intensität der Reaktion durch den IR-Empfänger entschieden werden.

Funktionsprinzip des IR-Näherungssensors

Das Funktionsprinzip des IR-Näherungssensors ist das gleiche wie das Funktionsprinzip des oben erläuterten IR-Sensors. Infrarotlicht (IR) basiert auf den Prinzipien der Optik.

Ein IR-Näherungssensor funktioniert, indem er eine Spannung an ein Paar IR-Leuchtdioden (LEDs) anlegt, die wiederum Infrarotlicht aussenden.

Dieses Licht breitet sich durch die Luft aus und wird, sobald es auf ein Objekt trifft, zum Sensor reflektiert. Wenn das Objekt nah ist, ist das reflektierte Licht stärker, als wenn das Objekt weiter weg ist.

Arten von IR-Sensoren

1. Aktiver IR-Sensor

Zu diesem Sensortyp gehören sowohl der Sender als auch der Empfänger, auch Sender und Empfänger genannt. Als Lichtquelle kommt in den meisten Fällen eine Laserdiode oder LED zum Einsatz.

Für nicht bildgebende Infrarotsensoren werden LEDs verwendet, für bildgebende Infrarotsensoren kommen Laserdioden zum Einsatz.

Dieser Sensor funktioniert, indem er Energie aussendet, die vom Detektor erkannt und empfangen wird.

Um die erforderlichen Daten zu erhalten, werden diese durch einen Signalprozessor weiterverarbeitet. Reflexions- und Unterbrechungsstrahlsensoren sind die besten Beispiele für aktive Infrarotsensoren.

2. Passiver IR-Sensor

Der passive Infrarotsensor enthält nur Detektoren, aber keinen Sender. Diese Sensoren verwenden einen Sender oder eine Infrarotquelle.

Dieses Objekt strahlt Energie aus, die von Infrarotempfängern erfasst wird. Anschließend wird das Signal mithilfe eines Signalprozessors dekodiert und die erforderlichen Daten extrahiert.

Die besten Beispiele für diesen Sensor sind der pyroelektrische Detektor, das Bolometer, die Thermoelement-Thermosäule usw. Diese Sensoren werden in zwei Typen eingeteilt: thermische IR-Sensoren und Quanten-IR-Sensoren.

Thermischer Infrarotsensor

Diese Sensortypen sind wellenlängenunabhängig und nutzen wärmeähnliche Energiequellen. Ihre Reaktions- und Erkennungszeit ist langsam.

Quanten-Infrarotsensor

Diese Art von Sensoren sind wellenlängenabhängig und haben eine hohe Detektionsrate. Für eine exakte Messung müssen diese Sensoren wiederholt gekühlt werden.

Vorteile von IR-Sensoren

• Diese Sensoren sind kostengünstig und lassen sich einfach in bestehende Systeme integrieren, weshalb sie eine ausgezeichnete Wahl für Unternehmen jeder Größe sind.
• Diese Sensoren bieten ein breites Anwendungsspektrum, von der industriellen Automatisierung bis zur Sicherheit zu Hause. Sie können sowohl für die Erfassung im Nah- als auch im Fernbereich verwendet werden.
• Bei der Verwendung von Infrarot sind die Reaktionen in der Regel sehr schnell, da die Hochfrequenzwellen große Entfernungen durch die Luft zurücklegen, ohne dass es auf dem Weg zu Hindernissen oder Brechungsstörungen kommt.
• Sie sind unabhängig von Winddruckschwankungen und eignen sich daher – im Gegensatz zu anderen derzeit auf dem Markt erhältlichen Sensortechnologien – für die Bewegungserkennung im Innen- und Außenbereich unter unterschiedlichen Bedingungen wie Regen und Schneefall.
• Im Vergleich zu Ultraschalltechnologien ist der Stromverbrauch bei Infrarot erheblich geringer, was die Akkulaufzeit bei mobilen Plattformen wie autonomen Robotern und Drohnen, die ausschließlich mit Batterien betrieben werden, verlängert.
• Aufgrund ihres kleinen Formfaktors und ihres flachen Designs benötigen sie nur wenig Platz, sodass selbst enge Räume wie Aufzugsschächte in Gebäuden mit IR-Sensoren ausgestattet werden können. Dies hat Infrarot zur idealen Wahl für viele Unternehmen der Unterhaltungselektronik gemacht, die während der Produktentwicklungszyklen strenge Maßanforderungen einhalten müssen.

  Da diese Geräte außerdem Lichtsignale anstelle von Ton verwenden, verursachen sie keine Lärmbelästigung. Dadurch werden mögliche Interferenzen zwischen verschiedenen elektronischen Komponenten/Geräten in der Nähe vermieden, die Datengenauigkeit sichergestellt und gleichzeitig Energie gespart.

  Nachteile von IR-Sensoren

  Trotz ihrer zahlreichen Vorteile weisen IR-Sensoren auch einige Einschränkungen auf, die berücksichtigt werden müssen:

  • Störungen durch Wärmequellen: Infrarotsensoren sind anfällig für Störungen durch Wärmequellen wie direktes Sonnenlicht oder Hochleistungslampen, was zu ungenauen oder unzuverlässigen Messwerten führen kann.
  • Begrenzte Signalreichweite: Der IR-Sensor verfügt über eine begrenzte Signalreichweite und kann über große Entfernungen oder durch Wände oder andere Hindernisse, die den Signalweg zwischen den Sender- und Empfängerelementen des Systems blockieren könnten, möglicherweise keine genauen Messwerte liefern.
  • Auswirkungen hoher Luftfeuchtigkeit: Eine hohe Luftfeuchtigkeit in der Umgebung dieser Sensoren kann ebenfalls zu Funktionsstörungen führen und zu falsch positiven Messwerten führen, selbst wenn innerhalb der sichtbaren Entfernungsgrenzen dieser Art von Geräten keine tatsächliche Bewegung stattfindet.
  • Zuverlässigkeitsprobleme aufgrund schneller Alterung: Wenn IR-Sensoren ständig wechselnden Temperaturen ausgesetzt sind, kann es zu schneller Alterung kommen, was sich auf die Qualität ihrer Bewegungsverfolgung im Laufe der Zeit auswirkt. Dies kann bei der Verwendung im Außenbereich, wo extreme Temperaturschwankungen direkt auftreten, wie z. B. in Meeresnähe, zu unbefriedigenden Ergebnissen führen.

  Trotz dieser Einschränkungen werden diese Herausforderungen durch Fortschritte in der IR-Sensortechnologie weiterhin bewältigt, wodurch die Sensorik in verschiedenen Anwendungen immer zuverlässiger und effektiver wird.

  Anwendungen von IR-Sensoren

  IR-Sensoren werden in den meisten heutigen Geräten eingesetzt. Nachfolgend finden Sie eine Liste von Sensoren, die nach ihrer Verwendung benannt sind. Sie hilft Ihnen zu verstehen, wofür IR-Sensoren verwendet werden.

  1. Näherungssensor

  Diese werden in Mobiltelefonen verwendet, um die Entfernung zwischen Objekten zu messen. Sie verwenden ein Prinzip namens „Reflektierende indirekte Einstrahlung“.

  2. Artikelzähler

  Dabei wird der direkte Einfall zum Zählen der Objekte verwendet. Sobald das Objekt die Strahlung durchschneidet, wird das Objekt erkannt und die Zählung erhöht. Die gleiche Zählung wird auf einem Anzeigesystem angezeigt.

  3. Einbruchalarm

  Dies ist eine der weit verbreiteten und am häufigsten eingesetzten Sensoranwendungen. Sie funktioniert ähnlich wie der Warenzähler, bei dem Sender und Empfänger auf beiden Seiten eines Türrahmens angebracht sind. Zwischen Sender und Empfänger wird eine konstante Strahlung aufrechterhalten; immer wenn ein Objekt den Weg kreuzt, wird der Alarm ausgelöst.

  4. Strahlungsthermometer

  Es ist eine der wichtigsten Anwendungen für Infrarotsensoren. Die Funktionsweise eines Strahlungsthermometers hängt von der Temperatur und der Art des Objekts ab. Diese reagieren schneller und ermöglichen einfache Mustermessungen. Sie können Messungen ohne direkten Kontakt mit einem Objekt durchführen.

  5. Erkennung des menschlichen Körpers

  Diese Methode wird bei Einbruchserkennung, automatischen Lichtschaltern usw. verwendet. Ein Einbruchmeldesystem erfasst die Temperatur des menschlichen Körpers. Wenn die Temperatur den Schwellenwert überschreitet, wird der Alarm ausgelöst. Es verwendet ein für den menschlichen Körper geeignetes elektromagnetisches System, um ihn vor unerwünschter schädlicher Strahlung zu schützen.

  6. Gasanalysatoren

  Gasanalysatoren nutzen die Absorptionseigenschaften von Infrarot, um die Gasdichte zu bestimmen. Es gibt dispersive und nichtdispersive Gasanalysatoren.

  7. Andere Anwendungen

  Diese Sensoren werden außerdem in der Infrarotbildgebung, in optischen Leistungsmessern, Sortiermaschinen, zur Raketenlenkung, Fernerkundung, Flammenwächtern, Feuchtigkeitsanalysatoren und Nachtsichtgeräten eingesetzt.

  Schlussfolgerung

  Abschließend haben wir die faszinierende Welt der Funktionsprinzipien von Infrarotsensoren und ihre Anwendungen in zahlreichen technischen Studienbereichen erkundet.

  Diese Sensoren nutzen Infrarotlicht, um Objekte zu erkennen, Entfernungen zu berechnen und sogar Materialien zu identifizieren. Sie werden in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Automatisierung, Robotik, Medizin und Luft- und Raumfahrt. Das Spektrum reicht von einfachen Näherungssensoren bis hin zu komplexen Wärmebildsystemen.

  Wenn Sie also nach einer zuverlässigen, anpassungsfähigen und effektiven Möglichkeit suchen, Ihre Umgebung wahrzunehmen, sollten Sie bei Ihrem nächsten Projekt die Implementierung eines IR-Sensors in Betracht ziehen.

  Wenn Sie wissen, was ein IR-Sensor ist und wie er funktioniert, und unsere Arbeit schätzen, vergessen Sie nicht, diesen Beitrag zu teilen. Ihr Feedback hilft uns, unsere Inhalte zu verbessern. Vielen Dank fürs Lesen!