Infraraudonųjų spindulių (IR) jutikliai naudoja nematomą šviesą, kad aptiktų judesį, šilumą, atstumą ir netoliese esančius objektus net esant silpnam apšvietimui ar visiškoje tamsoje. Jie veikia per emiterį, detektorių ir vidines grandines, kurios interpretuoja infraraudonųjų spindulių energijos pokyčius. Šiame straipsnyje išsamiuose skyriuose paaiškinama, kaip veikia IR jutikliai, jų dalys, tipai, sąrankos, naudojimas ir dažniausiai pasitaikančios problemos.
IR jutiklisview
Infraraudonųjų spindulių (IR) jutiklis yra įrenginys, kuris aptinka judesį, šilumą, atstumą ar netoliese esančius objektus, naudodamas nematomą infraraudonąją šviesą. Jis veikia bangos ilgio diapazone, viršijančiame tai, ką mato žmogaus akis, nuo 700 nm iki 1 mm. Dėl šios priežasties jis gali stabiliai veikti tamsiose vietose, visiškoje tamsoje ir vietose, kur dažnai keičiasi apšvietimas.
Šis elgesys labai priklauso nuo jutiklio viduje esančių dalių, kurios leidžia aptikti IR.
Pagrindinės IR jutiklio dalys
• IR spindulys – infraraudonųjų spindulių šviesos diodas arba diodas, siunčiantis pastovų IR šviesos spindulį į tikslinę sritį.
• IR detektorius – fotodiodas, fototranzistorius arba piroelektrinė medžiaga, kuri priima atspindėtą IR šviesą ir paverčia ją prietaisui suprantamu elektriniu signalu.
Šios dalys veikia kartu paprastame procese, kuris sudaro pagrindą, kaip IR jutiklis iš tikrųjų veikia.
Kaip veikia IR jutiklis?
Spindulys išskiria infraraudonąją šviesą į jutimo sritį. Kai objektas patenka į šią zoną, šviesa gali atsispindėti, būti sugerta arba užblokuota. Detektorius nuskaito šiuos pokyčius ir sukuria mažus elektrinius signalus. Vidinės grandinės sustiprina signalą ir paverčia jį švaria skaitmenine arba analogine išvestimi.
Pagrindiniai IR jutimo žingsniai
• IR šviesos diodas skleidžia infraraudonąją šviesą
• Šviesa sąveikauja su objektu (atspindys, absorbcija ar blokavimas)
• Detektorius šviesos pokyčius paverčia elektriniais signalais
• Grandinės sustiprina ir stabilizuoja išvestį
• Komparatorius arba mikrovaldiklis nuskaito galutinį signalą
IR jutiklių tipai
Aktyvūs IR jutikliai
Aktyvūs IR jutikliai naudoja ir emiterį, ir detektorių. Spindulys siunčia infraraudonąją šviesą, o detektorius matuoja, kaip šviesa keičiasi, kai kažkas yra priešais jį. Jų jautrumas yra vidutinis ir greitai reaguoja, todėl yra naudingi aptinkant kliūtis ir trumpo nuotolio judėjimą.
Pasyvūs IR (PIR) jutikliai
Pasyvūs IR jutikliai nesiunčia jokios IR šviesos. Jie jaučia natūralią infraraudonąją spinduliuotę iš šiltų kūnų. Jie pasižymi dideliu jautrumu ir reaguoja vidutiniu greičiu, o tai leidžia aptikti judėjimą tose vietose, kur vyksta šilumos pokyčiai.
Šiluminiai IR jutikliai
Šiluminiai IR jutikliai matuoja šilumos energiją tiesiogiai, nereikalaujant emiterio. Jų jautrumas yra vidutinis, o signalus jie apdoroja lėčiau, nes šilumos pokyčiams reikia laiko. Šie jutikliai yra susieti su termopilais ir bolometru pagrįstu aptikimu.
Kvantiniai IR jutikliai
Kvantiniai IR jutikliai aptinka mažyčius infraraudonųjų spindulių fotonus smulkia raiška. Jie turi labai didelį jautrumą ir reaguoja labai greitai. Jie naudojami, kai kontroliuojamoje aplinkoje reikia tiksliai išmatuoti IR.
Kiekvienas tipas yra pagamintas naudojant skirtingus vidinius komponentus, kurie susijungia į pilnus IR jutiklių modulius.
Pagrindinės IR jutiklio modulio dalys
• IR šviesos diodas – siunčia infraraudonųjų spindulių šviesą aptikimui
• Fotodiodas / fototranzistorius - priima atspindėtą infraraudonąją šviesą
• Operacinis stiprintuvas - sustiprina silpnus detektoriaus signalus
• LM393 komparatorius – sukuria švarius AUKŠTUS arba ŽEMUS išėjimus
• Potenciometras – reguliuoja modulio jautrumą
• Būsenos šviesos diodas – užsidega, kai įvyksta aptikimas
• Įtampos reguliatorius – palaiko modulio veikimą pastovia įtampa
IR jutiklio modulio išdėstymas
| Smeigtukas | Aprašymas |
|---|---|
| VCC | Jungiamas prie 3,3–5 V maitinimo šaltinio |
| GND | Įžeminimo jungtis |
| IŠ | Siunčia skaitmeninę arba analoginę išvestį |
| EN / AO (neprivaloma) | Įjungti valdymą arba analoginę išvestį |
IR jutiklio specifikacijos
| Specifikacija | Reikšmė |
|---|---|
| Bangos ilgis | IR šviesos diodo emisijos diapazonas |
| Asortimentas | Mažiausias ir didžiausias aptikimo atstumas |
| Jautrumas | Kaip stipriai jutiklis reaguoja į infraraudonąją šviesą |
| Matymo laukas | Kampas, kurį jutiklis gali aptikti |
| Išvesties režimas | Jutiklio siunčiamo signalo tipas (skaitmeninis arba analoginis) |
| Reakcijos laikas | Kaip greitai jutiklis reaguoja į pokyčius |
| Aplinkos šviesos atsparumas | Kaip gerai jutiklis veikia saulės šviesoje ar stiprioje šviesoje |
| Energijos suvartojimas | Jutiklio naudojamos srovės kiekis |
IR jutiklio aptikimo sąrankos
Atspindinti IR sąranka
Emiteris ir detektorius dedami vienas šalia kito. Aptinka netoliese esančius objektus gaudydamas atspindėtą šviesą.
Perdavimo / lizdo IR sąranka
Objektas praeina tarp emiterio ir detektoriaus. Aptikimas įvyksta, kai spindulys yra užblokuotas.
Break-Beam IR sąranka
Emiteris ir detektorius nukreipti vienas į kitą. Kai kažkas kerta spindulį, jutiklis suveikia.
Šios sąrankos nustato, kaip jutiklis jungiasi ir bendrauja su mikrovaldikliais.
IR jutiklių naudojimas su Arduino ir mikrovaldikliais
IR jutikliai lengvai prijungiami prie Arduino, ESP32, STM32, Raspberry Pi ir panašių plokščių. Skaitmeniniai moduliai siunčia paprastą HIGH arba LOW išvestį, o analoginiams tipams reikia ADC kaiščio. PIR jutikliams reikalingas trumpas įšilimo laikotarpis. IR nuotoliniai imtuvai nuskaito 38 kHz moduliuotus signalus.
Pagrindiniai prijungimo veiksmai
(1) Prijunkite VCC, GND ir OUT prie GPIO kaiščio
(2) Norėdami greitai reaguoti, naudokite pertraukimo kaiščius
(3) Analoginiams jutikliams naudokite ADC kanalus
(4) Pridėkite traukiamuosius rezistorius atviro kolektoriaus išėjimams
(5) Laikykite visus įžeminimus prijungtus, kad veiktų stabiliai
IR jutiklio tikslumo gerinimas
• Naudokite moduliuotus IR signalus, kad sumažintumėte trukdžius
• Pridėkite optinį ekraną, kad užblokuotumėte pasklidusią šviesą
• Įstatykite barjerą tarp šviesos diodo ir detektoriaus, kad išvengtumėte vidinių atspindžių
• Naudokite juostos pralaidumo filtrus, kad praleistumėte tik reikiamą dažnį
• Pridėkite histerezę komparatoriuje, kad gautumėte stabilią išvestį
• Kalibruokite jutiklį realiomis darbo sąlygomis
Įprastos IR jutiklių programos
Judesio aptikimas
IR jutikliai aptinka judėjimą, kai objektas keičia infraraudonųjų spindulių modelį priešais jutiklį. Jie naudojami pagrindinėse judesio suaktyvintose sistemose.
Automatinės durys
Daugelis stumdomų durų naudoja IR jutiklius, kad pajustų, kada kas nors stovi netoliese, todėl durys gali atsidaryti automatiškai.
Artumo jutimas
IR jutikliai padeda aptikti, kai objektas yra arti. Jie naudojami įrenginiuose, kuriems reikalingas paprastas atstumo ar buvimo aptikimas.
Linijų sekimo robotai
Robotai naudoja IR jutiklius, kad nuskaitytų tamsius ir šviesius paviršius ant žemės, padėdami jiems išlikti pažymėtame kelyje.
Temperatūros matavimas
IR termometrai ir šilumos stebėjimo prietaisai naudoja infraraudonųjų spindulių rodmenis, kad matuotų temperatūrą be tiesioginio kontakto.
Kliūčių aptikimas
Daugelis mažų robotų, žaislų ir automatikos sistemų naudoja IR jutiklius, kad aptiktų kliūtis ir išvengtų susidūrimų.
Nuotolinio valdymo sistemos
Televizoriaus nuotolinio valdymo pultai naudoja infraraudonųjų spindulių šviesą, kad siųstų signalus į imtuvą, todėl IR jutikliai yra pagrindiniai pramogų įrenginiuose.
Saugos ir apsaugos signalizacija
Infraraudonųjų spindulių spinduliai naudojami signalizacijos sistemose. Kai spindulys nutrūksta, jutiklis suaktyvina įspėjimą.
Šviesos barjerai
Gamyklos ir skaitikliai naudoja IR spindulius, kad aptiktų pravažiuojančius produktus, padedančius skaičiuoti ar padėti.
Bekontakčio perjungimo
Automatinės lemputės, bekontakčiai maišytuvai ir muilo dozatoriai naudoja IR jutiklį, kad aptiktų rankų judesius ar buvimą.
Dažniausios IR jutiklio problemos ir pataisymai
| Problema | Priežastis | Sprendimas |
|---|---|---|
| Nėra produkcijos | IR šviesos diodas neskleidžia arba laidų klaida | Patikrinkite IR šviesos diodą telefono kamera ir pataisykite laidus |
| Atsitiktiniai trigeriai | Saulės šviesa ar blizgantys paviršiai | Pridėkite ekranavimą ir sumažinkite jautrumą |
| Trumpas nuotolis | Tamsūs arba kampuoti paviršiai | Sureguliuokite jutiklio kampą ir iš naujo sukalibruokite |
| Nestabilus signalas | Elektros triukšmas elektros linijoje | Pridėkite kondensatorių arba filtrų prie maitinimo šaltinio |
| Kryžminis pokalbis | Trukdo keli IR jutikliai | Moduliacijos naudojimas ir tarpų tarp modulių didinimas |
Išvada
IR jutikliai naudojami, nes jie gali jausti šilumą, šviesos pokyčius ir objektų judėjimą be fizinio kontakto. Jų veikimas priklauso nuo viduje esančių dalių, aptikimo sąrankos, tinkamo laidų ir jų kalibravimo. Ši informacija padeda paaiškinti, kaip veikia IR jutikliai, kur jie veikia geriausiai ir kaip skirtingi dizainai veikia tikslumą ir patikimumą.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Ar IR jutikliai gali aptikti skaidrius objektus?
Tik kartais. Skaidrios medžiagos, tokios kaip stiklas ar plastikas, gali praleisti infraraudonųjų spindulių šviesą, o ne ją atspindėti, todėl aptikti sunku.
Ar IR jutikliai gali veikti per sienas?
Ne. Kietos medžiagos, tokios kaip medis, metalas ir storas plastikas, blokuoja infraraudonųjų spindulių šviesą.
Kas gali sutrumpinti IR jutiklio tarnavimo laiką?
Karštis, drėgmė, dulkės ir ilgas saulės spindulių poveikis gali sugadinti šviesos diodą arba susilpninti detektorių.
Ar paviršiaus spalva turi įtakos IR aptikimui?
Taip. Šviesūs paviršiai atspindi daugiau IR šviesos ir yra lengviau aptinkami, o tamsūs ar kampuoti paviršiai sumažina aptikimą.
Ar IR jutikliai gali aptikti greitai judančius objektus?
Taip, jei jutiklis turi greitą reakcijos laiką ir sistema greitai nuskaito signalus.
Ar IR jutikliai gali trukdyti kameroms?
Taip. Kai kuriose kamerose, ypač apsaugos kamerose, IR šviesos diodai gali pasirodyti kaip ryškios dėmės arba akinimas.