Überblick über den Infrarotsensor

Infrarotsensoren erfassen und messen Strahlung mit einer Wellenlänge „unterhalb“ der des sichtbaren Rotlichts („infra“ ist die lateinische Bezeichnung für „unter“). Sie erfassen nicht nur Bewegung, sondern können auch den Grad an Wärme, die ein Objekt ausstrahlt, messen: Infrarotstrahlung ist Wärmestrahlung.

 

Sensoren, die nur Infrarotstrahlen empfangen, ohne selbst Wärmestrahlung zu erzeugen, werden als passive Infrarotdetektoren (PIR) bezeichnet und kommen üblicherweise an Außeneingängen von Gebäuden zum Einsatz, um die Beleuchtung von Wegen und Eingängen einzuschalten, sobald sich im Dunklen jemand nähert. Werden sie mit einem Alarmsystem verbunden, melden sie als Bestandteil der Gebäudesicherheit Eindringlinge.

 

Üblicherweise empfängt der Sensor die Infrarotstrahlung durch eine Öffnung an der Vorderseite des Geräts, der Sensor selbst, der die Strahlung auswertet und misst, befindet sich jedoch im Zentrum der Vorrichtung. Tatsächlich können sich in einem Gerät mehrere Sensoren befinden, die oft aus „pyroelektrischen“ Materialien, die als Reaktion auf veränderte oder fehlende Wärmequellen wechselnde elektrische Spannungen erzeugen, gefertigt sind.

 

Identifiziert die pyroelektrische Oberfläche eine Wärmequelle in ihrem Sichtfeld, sendet sie über eine Verbindung auf der Schaltplatte, auf der sie sich befindet, ein Signal an einen Bewegungsmelder, woraufhin dann ein Alarm aktiviert wird. Sensoren dieser Art sind in Sicherheitssystemen weit verbreitet.

 

Geschichte

 

Der in Deutschland geborene Astronom Sir William Herschel entdeckte das Vorhandensein von Strahlung außerhalb des sichtbaren Rotlichts im Jahr 1800, als er die Zusammensetzung des Sonnenlichts studierte. Frühe IR-Detektoren wurden ursprünglich als Bauteil von Thermometern verwendet, im Jahr 1831 entwickelte der italienische Physiker Macedonio Melloni jedoch eine Thermosäule, die in der Lage war, die von einer zehn Meter entfernt stehenden Person ausgehende Wärme zu erfassen. 1913, als das Trauma des Untergangs der Titanic im Jahr 1912 noch sehr präsent im öffentlichen Bewusstsein war, wurde aus einem Spiegel und einer Thermosäule ein Gerät für Seeschiffe entwickelt, das die Anwesenheit anderer Schiffe und Eisberge erfassen konnte. Ein Jahr später wurde ein IR-Eisbergdetektor ohne Thermosäule patentiert, und 1934 wurde dieselbe Technologie eingesetzt, um Waldbrände zu entdecken.

 

Im Jahr 1947 begann das US-Militär zusammen mit dem Technologieunternehmen Texas Instruments IR-Sensoren für Infrarotkameras zu entwickeln, und diese Entwicklung wurde während des Koreakrieges 1950-53 verstärkt vorangetrieben. In den 1970ern hatte diese Technologie große Fortschritte gemacht, und pyorelektrische Scanner-Kameras mit beeindruckender Leistung wurden für die breite Öffentlichkeit verfügbar.

 

Heute sind „Smart-Sensoren“ die neueste Errungenschaft der IR-Sensor-Technologie. Sie können nicht nur IR-Strahlung wahrnehmen, sondern diese durch die Integration digitaler Hochgeschwindigkeits-Computertechnologie auch verarbeiten und auswerten. Sie haben den Weg für neue Entwicklungen in der Funktionsdiagnostik in der Medizin, der Kollisionsvermeidung und bei Leitsystemen in Fahrzeugen geebnet.

 

Technische Aspekte

 

Während Infrarotstrahlung von 0,7 bis 1000 Mikrometer reicht, beschränkt der Bereich für Temperaturmessungen sich auf 0,7 bis 14 Mikrometer. Typische Infrarotsensoren enthalten fünf wesentliche Komponenten. Bei aktiven Sensoren, die eigene Wärmestrahlung erzeugen, ist dies zuerst die Infrarotquelle, definiert als ein Objekt mit einer Temperatur über 0 °Kelvin (jedes solche Objekt sendet Infrarotstrahlen aus). Üblicherweise werden als Infrarotquelle in diesen Sensoren spezifische IR-Wellenlängen, LEDs oder Infrarotlaser eingesetzt.

 

Als zweites benötigt der Infrarotsensor, ob aktiv oder passiv, ein Übertragungsmedium.  Die Infrarotübertragung findet hauptsächlich über drei Medien statt: die Atmosphäre, das Vakuum und optische Fasern. In der Atmosphäre beeinflussen Wasserdampf, CO2 und atmosphärische Spurenstoffe die Infrarotübertragung, da ihre Moleküle die Strahlung absorbieren. Die nicht absorbierten Wellenlängen werden als Infrarotfenster bezeichnet, und dies sind die Bereiche des IR-Spektrums, die hauptsächlich von Wärmesensorgeräten und Wärmebildanwendungen genutzt werden.

 

Bei Sensoren, die in ein Wärmebildgerät integriert sind, müssen die Infrarotstrahlen durch optische Linsen, die dritte Komponente, fokussiert werden. Diese werden üblicherweise aus Kalziumfluorid, Quarz, Polyethylen, Germanium oder Silikon hergestellt und in Verbindung mit aus Gold oder Aluminium gefertigten Spiegeln in den Sensor eingebaut.

 

Die vierte wesentliche Komponente des Infrarotsensors ist das die IR-Strahlung erfassende Material selbst, welches den Spezifikationen der Infrarotlichtempfindlichkeit entsprechen muss. Dies wird als IR-„Empfindlichkeit“ bezeichnet und ist der Quotient der Ausgangsspannung und des Strahlungsflusses der einfallenden Energie. Je höher der Wert, umso besser eignet sich das Material für die IR-Erfassung. „Detektivität“ oder „D*“ ist eine weitere wichtige Spezifikation des Detektormaterials und das Maß des Grades der Empfindlichkeit pro Bereichseinheit des Detektors. Infrarotdetektoren sind auch darauf ausgelegt, verschiedene Segmente des IR-Spektrums zu erfassen und müssen bei unterschiedlichen Temperaturen stabil sein und eine solide Linearität bei ihren IR-Messungen aufweisen (d. h. die Messungen müssen die Menge und Art der empfangenen IR-Strahlung akkurat und proportional widerspiegeln). Die Reaktionszeit und Kühlmechanismen des Geräts sind ebenfalls wichtige Parameter.

 

Da Sensorausgaben üblicherweise ausgesprochen gering sind, wird schließlich noch eine Signalverarbeitung oder -verstärkung benötigt: Dies wird üblicherweise durch Vorverstärker, welche die vom Detektor erhaltenen Signale verstärken, erreicht.

 

Wo Infrarotsensoren in der Fertigung eingesetzt werden

 

Neben dem Einsatz bei Militär/Überwachung/Sicherheit und in der Thermografie in der Human- und Tiermedizin, kommen Infrarotsensoren auch in Frühwarnsystemen industrieller Maschinen und elektrischer Geräte, bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen und in der Qualitätskontrolle zahlreicher Produktionsprozesse zum Einsatz.

 

Wie sich Infrarotsensoren von anderen Sensoren unterscheiden

 

Viele Sensoren messen elektromagnetische Strahlung, Thermal-Infrarotsensoren beschränken ihre Erfassung und Messung jedoch auf einen spezifischen Bereich der Strahlung außerhalb der sichtbaren Wellenlänge des Rotlichts: Strahlung mit Wellenlängen zwischen 0,7 und 14 Mikrometern.