IR 센서

적외선 기술은 다양한 무선 응용 분야를 처리합니다. 주요 영역은 감지 및 원격 제어입니다. 전자기 스펙트럼에서 적외선 부분은 근적외선 영역, 중적외선 영역 및 원적외선 영역의 세 영역으로 나뉩니다.

이 영역의 파장과 그 응용은 다음과 같습니다.

• 근적외선 영역 — 700 nm - 1400 nm — IR 센서, 광섬유
• 중간 적외선 영역 — 1400 nm - 3000 nm — 열 감지
• 원적외선 영역 - 3000 nm - 1 mm - 열 이미징

적외선의 주파수 범위는 마이크로파보다 높고 가시광선보다 작습니다.

 

광학 감지 및 광통신의 경우 신호 소스로 구현될 때 빛이 RF보다 덜 복잡하기 때문에 근적외선 영역에서 광 광학 기술이 사용됩니다. 광 무선 통신은 근거리 애플리케이션을 위한 IR 데이터 전송으로 수행됩니다.

적외선 센서는 적외선을 방출 및/또는 감지하여 주변을 감지합니다.

 

적외선 센서의 작동은 플랑크의 방사선 법칙, 스티븐 – 볼츠만 법칙 및 빈의 변위 법칙의 세 가지 법칙에 의해 규율됩니다.

 

플랑크의 법칙은 "모든 물체는 0K와 동일하지 않은 온도에서 복사를 방출한다"고 말합니다. 스테판 볼츠만 법칙은 "모든 파장에서 흑체가 방출하는 총 에너지는 절대 온도의 4제곱에 비례한다"고 말합니다. 빈의 변위 법칙에 따르면, "다른 온도에 대한 흑체의 복사 곡선은 온도에 반비례하는 파장에서 정점에 도달한다.

장애물 감지기로 사용되는 적외선 센서의 기본 개념은 적외선 신호를 전송하는 것인데, 이 적외선 신호는 물체의 표면에서 튕겨져 나와 적외선 수신기에서 수신됩니다.

일반적인 적외선 검출 시스템에 사용되는 5가지 기본 요소는 적외선 소스, 전송 매체, 광학 구성 요소, 적외선 검출기 또는 수신기 및 신호 처리입니다. 특정 파장의 적외선 레이저 및 적외선 LED를 적외선 소스로 사용할 수 있습니다. 적외선 전송에 사용되는 세 가지 주요 유형의 매체는 진공, 대기 및 광섬유입니다. 광학 구성 요소는 적외선 방사를 집중시키거나 스펙트럼 응답을 제한하는 데 사용됩니다.

쿼츠, 게르마늄 및 실리콘으로 만들어진 광학 렌즈는 적외선 방사를 집중시키는 데 사용됩니다. 적외선 수신기는 포토다이오드, 포토트랜지스터 등이 될 수 있습니다. 적외선 수신기의 일부 중요한 사양은 감광성, 검출성 및 노이즈 등가 전력입니다. 신호 처리는 적외선 검출기의 출력이 매우 작기 때문에 증폭기에 의해 수행됩니다.

 

IR 센서의 종류

적외선 센서는 수동 또는 능동일 수 있습니다. 수동 적외선 센서는 기본적으로 적외선 감지기입니다. 수동 적외선 센서는 적외선 소스를 사용하지 않으며 시야의 장애물에서 방출되는 에너지를 감지합니다. 양자와 열의 두 가지 유형이 있습니다. 열 적외선 센서는 적외선 에너지를 열원으로 사용하며 파장과 무관합니다. 열전대, 초전기 감지기 및 볼로미터는 일반적인 유형의 열 적외선 감지기입니다.

 

양자형 적외선 감지기는 더 높은 감지 성능을 제공하며 열열형 적외선 감지기보다 빠릅니다. 양자형 검출기의 감광도는 파장에 따라 다릅니다. 양자 유형 검출기는 내재적 유형과 외적 유형의 두 가지 유형으로 더 분류됩니다. 진성 유형 양자 검출기는 광전도성 전지와 광전지입니다.

능동 적외선 센서는 적외선 소스와 적외선 감지기의 두 가지 요소로 구성됩니다. 적외선 소스에는 LED 또는 적외선 레이저 다이오드가 포함됩니다. 적외선 감지기에는 광 다이오드 또는 광 트랜지스터가 포함됩니다. 적외선 소스에서 방출되는 에너지는 물체에 반사되어 적외선 감지기에 떨어집니다.

IR 송신기

적외선 송신기는 적외선을 방출하는 발광 다이오드(LED)입니다. 따라서 IR LED라고 합니다. IR LED는 일반 LED처럼 보이지만 IR LED에서 방출되는 방사선은 사람의 눈에는 보이지 않습니다.

일반적인 적외선 LED의 그림은 다음과 같습니다.

 

 

적외선 송신기에는 파장, 출력 전력 및 응답 시간에 따라 다양한 유형이 있습니다.

간단한 적외선 송신기는 적외선 LED, 전류 제한 저항 및 전원 공급 장치를 사용하여 구성 할 수 있습니다.

 

일반적인 IR 송신기의 개략도는 다음과 같습니다.

5V의 공급에서 작동할 때 IR 송신기는 약 3-5mA의 전류를 소비합니다. 적외선 송신기는 특정 주파수의 적외선을 생성하도록 변조 될 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 변조는 OOK(ON – OFF – KEYING) 변조입니다.

IR 송신기는 여러 응용 분야에서 찾을 수 있습니다. 일부 응용 분야에는 적외선 열이 필요하며 최고의 적외선 소스는 적외선 송신기입니다. 적외선 방출기를 석영과 함께 사용하면 태양 전지를 만들 수 있습니다.

 

IR 수신기

적외선 수신기는 IR 송신기의 복사를 감지하기 때문에 적외선 센서라고도 합니다. IR 수신기는 포토다이오드와 포토트랜지스터의 형태로 제공됩니다. 적외선 포토다이오드는 적외선만 감지한다는 점에서 일반 포토다이오드와 다릅니다.

 

일반적인 IR 수신기 또는 광 다이오드의 그림은 아래와 같습니다.

 

다양한 유형의 IR 수신기는 파장, 전압, 패키지 등에 따라 존재합니다. 적외선 송신기 – 수신기 조합에 사용할 때 수신기의 파장은 송신기의 파장과 일치해야 합니다.

 

포토트랜지스터를 이용한 대표적인 적외선 수신기 회로는 아래와 같다.

IR 광 트랜지스터, 다이오드, MOSFET, 전위차계 및 LED로 구성됩니다. 포토트랜지스터가 적외선을 수신하면 전류가 트랜지스터를 통해 흐르고 MOSFET이 켜집니다. 그러면 부하 역할을 하는 LED가 켜집니다. 전위차계는 광 트랜지스터의 감도를 제어하는 데 사용됩니다.

 

동작 원리

IR 센서가 물체 감지 센서로 작동하는 원리는 다음 그림을 사용하여 설명할 수 있습니다. IR 센서는 IR LED와 IR 포토다이오드로 구성되며, 이들을 합쳐 포토 커플러 또는 옵토 커플러라고 합니다.

IR 송신기가 방사선을 방출하면 물체에 도달하고 일부 방사선은 IR 수신기로 다시 반사됩니다. IR 수신기에 의한 수신 강도에 따라 센서의 출력이 정의됩니다.

 

장애물 감지 회로 또는 IR 센서 회로

일반적인 IR 감지 회로는 다음과 같습니다.

IR LED, 광 다이오드, 전위차계, IC 연산 증폭기 및 LED로 구성됩니다.

IR LED는 적외선을 방출합니다. 포토다이오드는 적외선을 감지합니다. IC Op – Amp는 전압 비교기로 사용됩니다. 전위차계는 요구 사항에 따라 센서의 출력을 보정하는 데 사용됩니다.

 

IR LED에서 방출된 빛이 물체에 부딪힌 후 포토 다이오드에 입사되면 포토 다이오드의 저항이 큰 값에서 떨어집니다. op – amp의 입력 중 하나는 전위차계에 의해 설정된 임계값에 있습니다. 연산 증폭기에 대한 다른 입력은 광 다이오드의 직렬 저항기에서 발생합니다. 입사 방사선이 광 다이오드에 더 많으면 직렬 저항의 전압 강하가 높아집니다. IC에서는 임계 전압과 직렬 저항기의 전압이 모두 비교됩니다.

 

포토 다이오드에 대한 저항기 직렬의 전압이 임계 전압의 전압보다 크면 IC Op-Amp의 출력이 높습니다. IC의 출력이 LED에 연결되면 밝아집니다. 임계 전압은 환경 조건에 따라 전위차계를 조정하여 조정할 수 있습니다.

IR LED와 IR 수신기의 위치는 중요한 요소입니다. IR LED가 IR 수신기 바로 앞에 있는 경우 이 설정을 직접 입사(Direct Incidence)라고 합니다. 이 경우 IR LED의 거의 모든 방사가 IR 수신기에 떨어집니다. 따라서 적외선 송신기와 수신기 사이에는 가시선 통신이 있습니다. 물체가 이 선에 떨어지면 방사선을 반사하거나 흡수하여 방사선이 수신기에 도달하는 것을 방해합니다.

 

흑백 색상 구별

검은 색은 입사 된 전체 방사선을 흡수하고 흰색은 입사 된 전체 방사선을 반사하는 것이 보편적입니다. 이 원리에 기초하여, 센서 커플의 제2 포지셔닝이 이루어질 수 있다. IR LED와 광 다이오드가 나란히 배치됩니다. IR 송신기가 적외선을 방출할 때 송신기와 수신기 사이에 직접적인 접촉선이 없기 때문에 방출된 방사선은 물체에 부딪힌 후 포토다이오드로 다시 반사되어야 합니다. 물체의 표면은 반사 표면과 비 반사 표면의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

 

물체의 표면이 본질적으로 반사되는 경우, 즉 흰색 또는 기타 밝은 색상인 경우 물체에 입사되는 대부분의 방사선이 다시 반사되어 포토다이오드에 도달합니다. 반사된 방사선의 강도에 따라 광 다이오드에 전류가 흐릅니다.

 

물체의 표면이 본질적으로 반사되지 않는 경우, 즉 검은색 또는 기타 어두운 색상인 경우 물체에 입사되는 거의 모든 방사선을 흡수합니다. 반사된 방사선이 없기 때문에 포토 다이오드에 입사되는 방사선이 없고 포토 다이오드의 저항이 더 높게 유지되어 전류가 흐르지 않습니다. 이 상황은 물체가 전혀 없는 것과 비슷합니다.

 

위 시나리오의 그림 표현은 다음과 같습니다.

 

IR 송신기와 수신기의 위치 및 둘러싸는 것은 매우 중요합니다. 송신기와 수신기는 모두 특정 각도에 배치해야 물체가 제대로 감지됩니다. 이 각도는 +/- 45도인 센서의 지향성입니다.

 

지향성은 아래와 같습니다.

물체 이외의 주변 물체의 반사를 방지하려면 IR 송신기와 IR 수신기를 모두 적절하게 밀폐해야 합니다. 일반적으로 인클로저는 플라스틱으로 만들어지며 검은 색으로 칠해져 있습니다.