Uso de la radiación infrarroja

La radiación infrarroja, comúnmente conocida como infrarrojo, aunque se encuentra en el rango del espectro de la luz, no es visible para el ojo humano. Y quizás precisamente por esta razón tiene muchas aplicaciones fascinantes no solo en la ciencia y la industria, sino también en los dispositivos que usamos a diario. Observaremos algunas, más o menos conocidas.

El método más simple para verificar el funcionamiento de un control remoto para equipos de audio es usar un teléfono inteligente. Debe abrirse la aplicación de cámara o video en el dispositivo. Luego, observando a través del teléfono inteligente el extremo del control remoto con el diodo emisor (a menudo oculto detrás de una cubierta semitransparente de vidrio o plástico), se deben presionar los botones del control remoto. Si el control remoto está funcionando, se podrá ver el diodo emisor brillando en blanco, e incluso notar su pulsación al ritmo de los códigos transmitidos. A simple vista no se puede ver que este diodo emite infrarrojos, pero se puede comprobar fácilmente de la manera descrita. Con el mismo diodo del control remoto también se puede "iluminar" un objeto y observar a través de la cámara la mancha de luz normalmente invisible para nosotros que aparece en él. Y dado que es así, ciertas aplicaciones se sugieren por sí solas. Las describiremos pronto, una vez que nos familiaricemos con las fuentes de infrarrojos.

• Fuentes naturales y artificiales de radiación infrarroja
• Sensores que utilizan infrarrojos
• Infrarrojo en pirómetros
• Cámaras termográficas
• Transmisión de datos usando infrarrojos
• Control de calidad con infrarrojos
• Aplicaciones futuras del infrarrojo

Fuentes de radiación infrarroja

La radiación infrarroja, aunque invisible al ojo humano, es un fenómeno común que nos rodea por todas partes. Tiene diversas fuentes y su emisión es el resultado de muchos fenómenos naturales y procesos tecnológicos.

Principalmente, las fuentes de radiación infrarroja son todos los cuerpos cuya temperatura es mayor a 0K. Por lo tanto, es fácil deducir que las fuentes artificiales fuertes de infrarrojos serán todos los procesos durante los cuales se libera calor: flujo de corriente, reacciones químicas endotérmicas, fricción, compresión de gas, impacto mecánico y otros. Las fuentes naturales incluyen: cuerpos de animales, el sol, el interior de la Tierra (volcanes y géiseres) y muchos más. También hemos aprendido a generar radiación infrarroja de manera mucho más eficiente, construyendo diodos emisores utilizados en una serie de dispositivos de control y telecomunicaciones.

El diodo emisor de infrarrojos no se diferencia en apariencia de un "diodo LED" común. Al igual que otros diodos LED, tienen lentes, lo que permite ajustar el enfoque del haz (lo cual es importante en aplicaciones de iluminación, por ejemplo, en cámaras de vigilancia o en transmisión de datos), por lo que tenemos diodos con un ángulo de 3 a 160 grados de ángulo de emisión. Los diodos LED de infrarrojos también difieren en el color de la lente: se encuentran transparentes, pero son característicos los diodos con lente azul por ejemplo (L-53F3BT), lo que tiene como objetivo filtrar la luz emitida y eliminar longitudes de onda innecesarias. Encontraremos muchas de estas diodos diferenciadas en términos de carcasa, método de montaje, potencia y propósito en la oferta de TME. La única diferencia es que la luz del diodo LED infrarrojo no se puede ver a simple vista.

Diodos IR en el catálogo de TME

Infrarrojo en sensores

Los transmisores y receptores de infrarrojos son hoy en día baratos y fáciles de aplicar. Gracias a esto, existen muchas formas listas, bien documentadas y accesibles para ponerlos a trabajar de manera útil. En la oferta de muchos fabricantes de componentes electrónicos están disponibles circuitos integrados transmisores y decodificadores listos para usar, también en forma de circuitos híbridos, en los cuales el transmisor y el detector de infrarrojos están ubicados en una carcasa común con un circuito de codificación y control. También vale la pena mencionar aquí los transoptadores de ranura y de reflexión.

Uno de los sensores más extendidos y visibles en nuestro entorno son los sensores de alarma. Entre ellos se encuentran sensores activos, que iluminan objetos y analizan la luz reflejada, y sensores pasivos, que reaccionan a la radiación infrarroja natural. Esto les permite monitorear discretamente el área (incluso en completa oscuridad). Otro tipo de sensor que se usa con frecuencia son las barreras. Por lo general, se pueden encontrar en puertas y portones automáticos: evitan que se cierren si hay un vehículo en el portón. La barrera consta de un transmisor y un receptor de infrarrojos. El receptor reacciona a la interrupción del haz mediante una salida de dos estados, conmutando un transistor o relé en su salida. El alcance de operación de tal barrera es de unos pocos a varios metros. Otro tipo de barreras son las cortinas de seguridad, que protegen indirectamente contra el acceso a herramientas giratorias y otras áreas donde hay peligro para el ser humano.

Pirómetro – medición de temperatura sin contacto

El pirómetro utiliza el fenómeno de la emisión de radiación infrarroja por la superficie de un objeto. Gracias a esto, puede usarse para medir la temperatura sin contacto a distancia.

Para la medición de temperatura sin contacto, es importante una propiedad llamada emisividad del objeto, que en este caso es la capacidad del cuerpo para emitir infrarrojos. Los contaminantes, como polvo, niebla, aceite y otros que pueden atenuar los infrarrojos, así como la superficie pulida y brillante del objeto, son obstáculos para obtener un resultado de medición correcto.

El cuerpo negro perfecto tiene la mayor capacidad emisiva a cualquier temperatura (el coeficiente de emisividad es igual a 1), mientras que el cuerpo blanco perfecto tiene la más baja (valor 0). Para otros cuerpos, se puede determinar su capacidad emisiva como el cociente de la capacidad emisiva del cuerpo estudiado y el cuerpo negro perfecto. Por lo tanto, cuanto mayor es el coeficiente de emisividad, mejor emite infrarrojos el objeto. Como incluso intuitivamente sentimos, la emisividad de diferentes materiales o sustancias puede variar. Por ejemplo, la emisividad de la madera difiere significativamente de la emisividad del cobre o el aluminio. Además, la temperatura del objeto y el acabado de su superficie afectan la emisividad. Los valores de emisividad para diferentes materiales se dan en la tabla 1.

Un elemento importante del pirómetro, que tiene un impacto decisivo en la medición, es la calidad de su sistema óptico. De él depende el tamaño del punto de medición y la distancia máxima del objeto medido. Un diámetro pequeño del punto de medición permite una medición más precisa, mientras que la distancia del objeto medido es especialmente importante para objetos o procesos muy calientes que, por seguridad, se estudian manteniendo la distancia adecuada.

En el pirómetro, la radiación infrarroja emitida por el objeto se enfoca mediante el sistema óptico y se proyecta sobre el detector de infrarrojos. Este elemento la convierte en una señal eléctrica proporcional. En los pirómetros modernos, generalmente la temperatura se presenta en forma digital, por lo que la señal del detector se envía a la entrada de un convertidor A/D, se calcula y se presenta en la pantalla o se transmite a través de una interfaz digital al dispositivo asociado.

Los pirómetros son especialmente útiles en el caso de mediciones de procesos que ocurren a altas temperaturas, por lo que a menudo se utilizan en plantas industriales. También se encuentran en la industria automotriz, de maquinaria y alimentaria. Una variante del pirómetro con un uso bastante limitado son los termómetros de infrarrojos utilizados en medicina. Permiten una medición de temperatura corporal muy rápida, cómoda para el paciente, higiénica y sin contacto: basta con acercar el termómetro al lugar en el cuerpo y se puede leer el resultado de inmediato.

Tabla 1. Emisividad de materiales seleccionados

Termografía – observación de objetos en infrarrojo

La popularización de la termografía se ha visto favorecida por la caída de los precios de los sensores y, por lo tanto, de los dispositivos que los utilizan, conocidos como cámaras termográficas. Para el usuario promedio, son suficientes cámaras de menor resolución y, por lo tanto, con sensores relativamente económicos. Porque es precisamente la resolución del sensor la que tiene un impacto decisivo en el precio final de la cámara terminada y su propósito.

La imagen térmica lleva consigo una gran cantidad de información invisible al ojo humano. Gracias a la cámara termográfica, se puede observar sin mayor dificultad la distribución de temperatura en el objeto y su entorno. En la imagen térmica se pueden ver áreas más frías y más cálidas presentadas de manera fácil de interpretar por el ser humano. Gracias a los fenómenos físicos que acompañan al calentamiento de objetos, como la fricción o el flujo de corriente eléctrica, la imagen térmica permite el diagnóstico de las máquinas, dispositivos y objetos observados. Usemos algunos ejemplos.

Cámaras termográficas en el catálogo de TME

En las máquinas, un elemento que se desgasta después de un cierto período de uso son los rodamientos. Comienzan a ofrecer cada vez más resistencia, por lo que se calientan hasta que finalmente se dañan. Un rodamiento con una temperatura que se desvía de la norma es fácil de detectar en la imagen térmica, lo que permite reparar o reemplazar el elemento antes de que se bloquee, se desintegre o se incendie. Otro campo es el diagnóstico de dispositivos eléctricos, en los cuales los puntos de contacto, donde la resistencia de conexión es mayor, suelen ser los puntos críticos que se calientan a la temperatura más alta. La potencia disipada en la resistencia depende de la intensidad de la corriente que fluye a través de ella y del valor de la resistencia. Como resultado de la corrosión, sobrecarga, falla o errores en el diseño, los valores límite pueden ser superados y el punto de contacto se calentará a una temperatura significativa. En consecuencia, esto puede llevar al daño del aislamiento, su ignición, etc. La cámara termográfica permite un diagnóstico rápido y sin contacto y una reacción antes de que esto conduzca a un incendio o una falla grave en la red de alimentación. La imagen de la cámara termográfica también es un excelente material para personas que trabajan con instalaciones de calefacción, aire acondicionado y aislamiento de edificios. Gracias a ella, se pueden localizar rápidamente fugas, pérdidas de energía, lugares de entrada de aire frío, etc.

Otra aplicación de la termografía es el diagnóstico médico. Gracias a los infrarrojos, no solo se puede medir la temperatura, como mencionamos en el caso del pirómetro, sino también detectar focos de enfermedad o mirar debajo de la piel del paciente. Estas técnicas de diagnóstico, además de la imagen en infrarrojo, requieren un análisis avanzado de la imagen asistido por algoritmos de IA.

Infrarrojo en la transmisión de datos y señales

El infrarrojo en la comunicación se utiliza principalmente para crear conexiones locales destinadas a la transmisión de datos a distancias cortas. Se podría afirmar que la interfaz IrDA, que alguna vez fue popular, sentó las bases para Bluetooth e Internet móvil, al permitir la transmisión de datos inalámbrica entre un teléfono y una computadora personal. Otra aplicación que alguna vez fue popular, pero que ya ha desaparecido por completo, fue la creación de conexiones entre edificios residenciales para formar redes informáticas. Una ventaja obvia de esta solución es la separación galvánica, pero además tiene numerosos inconvenientes, por lo que fue rápidamente reemplazada por enlaces de radio.

Grandes emisores de infrarrojos, compuestos por matrices de diodos emisores, se pueden encontrar a veces en seminarios y conferencias. Con su uso se distribuye la señal de audio a numerosos usuarios. Por supuesto, esto requiere equiparlos con auriculares con un receptor especial, pero por otro lado no requiere trabajar en ninguna de las bandas de radio ni obtener una licencia para operar el transmisor.

Un componente ampliamente utilizado en dispositivos electrónicos son los transoptadores. A diferencia de los transoptadores de ranura y de reflexión mencionados anteriormente, estos están construidos utilizando carcasas estándar de circuitos integrados THT y SMD, y pueden tener de uno a varios canales de transmisión de señal. Consisten en uno o varios pares transmisor-receptor, que están separados galvánicamente entre sí. Generalmente tenemos un lado de bajo voltaje (controlador/transmisor) y un lado de alto voltaje (ejecutor/receptor). La señal se transmite de la entrada a la salida mediante infrarrojos, lo que permite la separación eléctrica de ambos circuitos. De esta manera, se eliminan fácilmente las diferencias de nivel de tierra, se elimina la posibilidad de falla en caso de sobretensión en cualquiera de los lados, se ajustan las impedancias de los circuitos, se realiza la conversión (desplazamiento de voltaje) de niveles lógicos y niveles de señales analógicas.

Las interfaces infrarrojas son populares en dispositivos de medición, ya que permiten obtener fácilmente una separación galvánica entre el instrumento de medición y la computadora con la que trabaja. Esta interfaz no tiene una velocidad de transmisión impresionante, ya que generalmente no se requiere, pero proporciona una comunicación segura y confiable en ambas direcciones. Aunque está siendo gradualmente reemplazada por interfaces de radio, todavía se equipa con ella a muchos multímetros y otros instrumentos.

Infrarrojo en el control de calidad

La radiación infrarroja se utiliza ampliamente en el control de calidad mediante cámaras de sistemas de visión. La razón principal es la luz invisible, que no es molesta para las personas en el entorno y, al mismo tiempo, es excelente para evaluar la forma, orientación y control de presencia. Como sensores se pueden utilizar cámaras monocromáticas relativamente económicas, cuya imagen se analiza y evalúa mediante una computadora o un circuito ASIC. Aún más posibilidades ofrece la espectrografía en infrarrojo, con la cual se pueden detectar contaminantes en la superficie de un objeto (incluidos aquellos invisibles a simple vista), irregularidades en el recubrimiento galvánico o en el lacado. La cámara es capaz de abarcar un área grande, por lo que la evaluación de calidad se realiza muy rápidamente.

Una industria en la que el infrarrojo y la espectrografía en infrarrojo se utilizan para evaluar la calidad de productos y cosechas es la industria alimentaria. Aquí, el análisis de imagen permite detectar rápidamente moho o contaminantes.

Futuro de la tecnología infrarroja

La radiación infrarroja tiene numerosas aplicaciones en la ciencia, la tecnología y el ámbito militar. Muchas de ellas se crean para aplicaciones únicas con las que el ciudadano promedio no tiene la oportunidad de encontrarse. Es imposible enumerarlas todas, especialmente porque se siguen creando nuevas, que antes eran inalcanzables y ahora están disponibles gracias al desarrollo de técnicas avanzadas de análisis de imagen asistidas por IA. A menudo, los emisores y detectores de infrarrojos se combinan con otros tipos de dispositivos para crear sensores híbridos, apoyando así su funcionamiento. Robótica, análisis de movimiento, seguridad de objetos: no faltan aplicaciones, y la única limitación para ellas es la imaginación.

Transfer Multisort Elektronik (TME) es uno de los mayores distribuidores mundiales de componentes electrónicos, partes electrotécnicas, equipos de taller y automatización industrial. El catálogo incluye más de 1.500.000 de productos de 1.300 fabricantes líderes. Los modernos centros logísticos de TME en Łódź y Rzgów (Polonia), con una superficie total de más de 40.000 m², envían casi 6.000 paquetes diarios a clientes en más de 150 países.

TME también invierte en el desarrollo de los conocimientos y habilidades de jóvenes ingenieros y entusiastas de la electrónica a través del proyecto TME Education, y apoya a la comunidad tecnológica organizando la serie de eventos TechMasterEvent, que promueve la innovación y el intercambio de experiencias.