Zastosowanie promieniowania podczerwonego
Zastosowanie promieniowania podczerwonegoData publikacji: 18-04-2025 Data aktualizacji: 10-04-2026 🕒 8 min czytania
Promieniowanie podczerwone potocznie zwane podczerwienią, mimo iż znajduje się w zakresie widma światła, to nie jest widziane przez oko ludzkie. I może właśnie z tego powodu ma wiele fascynujących zastosowań nie tylko w nauce i przemyśle, ale również w urządzeniach używanych przez nas na co dzień. Przyjrzymy się niektórym, mniej lub bardziej znanym.
Najprostsza metoda sprawdzenia działania pilota do sprzętu audio to użycie smartfona. Należy na nim uruchomić aplikację aparatu fotograficznego lub kamery. Następnie, obserwując przez smartfon koniec z pilota z diodą nadawczą (często jest ona schowana za półprzeźroczystą osłoną ze szkła lub tworzywa sztucznego) naciskać przyciski na pilocie. Jeśli pilot jest sprawny, to będzie można dostrzec świecącą na biało diodę nadawczą, a nawet zauważyć jej pulsowanie w rytm przesyłanych kodów. Nieuzbrojonym okiem nie można dostrzec, że ta dioda emituje podczerwień, ale bez trudu można to stwierdzić w opisywany sposób. Za pomocą tej samej diody z pilota można też „oświetlić” obiekt i obserwować poprzez kamerę pojawiającą się na nim plamę normalnie niewidzialnego dla nas światła. A skoro tak, to pewne zastosowania nasuwają się niejako same. Opiszemy je wkrótce po tym, gdy tylko zapoznamy się ze źródłami podczerwieni.
- Naturalne i sztuczne źródła promieniowania podczerwonego
- Czujniki wykorzystujące podczerwień
- Podczerwień w pirometrach
- Kamery termowizyjne
- Transmisja danych z użyczeń podczerwieni
- Kontrola jakości z podczerwienią
- Dalsze zastosowania podczerwieni
Źródła promieniowania podczerwonego
Promieniowanie podczerwone, mimo iż niewidoczne nieuzbrojonym okiem jest zjawiskiem powszechnym i otacza nas z każdej strony. Ma ono różne źródła, a jego emisja jest skutkiem wielu zjawisk naturalnych i procesów technologicznych.
Przede wszystkim źródłami promieniowania podczerwonego są wszystkie ciała, których temperatura jest większa od 0K. A skoro tak, to łatwo domyślić się, że silnymi, sztucznymi źródłami podczerwieni będą wszystkie procesy, w trakcie których jest wydzielane ciepło: przepływ prądu, egzotermiczne reakcje chemiczne, tarcie, sprężanie gazu, udar mechaniczny i inne. Źródłami naturalnymi są: ciała zwierząt, słońce, wnętrze Ziemi (wulkany i gejzery) i wiele innych. Nauczyliśmy się również wytwarzać promieniowanie podczerwone w znacznie bardziej efektywny sposób, budując diody świecące wykorzystywane w szeregu urządzeń sterujących i telekomunikacyjnych.
Dioda nadawcza podczerwieni nie różni się wyglądem od „zwykłej” diody LED. Podobnie, jak inne diody LED posiadają soczewki, co pozwala na regulację skupienia wiązki (co jest ważne w aplikacji oświetlenia np. w kamerach monitoringu lub w transmisji danych) – mamy więc diody o kącie od 3 do 160 stopni kąta świecenia. Diody LED na podczerwieni różnią się też kolorem soczewki – spotyka się bezbarwne, ale charakterystyczne są diody z soczewka niebieską np. (L-53F3BT), co ma na celu filtrację emitowanego światła i eliminację zbędnych długości fal. Wiele takich diod zróżnicowanych pod względem obudowy, sposobu montażu, mocy i przeznaczenia znajdziemy w ofercie TME. Jedyna różnica jest taka, że światła podczerwonej diody LED nie da się zobaczyć nieuzbrojonym okiem.
Podczerwień w czujnikach
Nadajniki i odbiorniki podczerwieni są dziś tanie i łatwe w aplikacji. Dzięki temu istnieje wiele gotowych, dobrze udokumentowanych i dostępnych sposobów zaprzęgnięcia ich do użytecznej pracy. W ofercie wielu producentów podzespołów elektronicznych są dostępne gotowe do użycia układy scalone nadajniki i dekodery, również w postaci układów hybrydowych, w których nadajnik oraz detektor podczerwieni są umieszczone we wspólnej obudowie z układem kodującym i sterującym. Warto też wspomnieć tutaj o transoptorach szczelinowych i odbiciowych.
Do jednych z najbardziej rozpowszechnionych i widocznych w naszym otoczeniu należą czujniki alarmowe. Wśród nich są czujniki aktywne, oświetlające obiekty oraz analizujące światło odbite oraz czujniki bierne, reagujące na naturalne promieniowanie podczerwone. Umożliwia im ono dyskretne, niezauważalne monitorowanie terenu (również w kompletnej ciemności). Innym często stosowanym rodzajem czujnika są bariery. Zwykle można je znaleźć w bramach i drzwiach automatycznych – zapobiegają one ich zamknięciu, jeśli w bramie znajduje się pojazd. Bariera składa się z nadajnika i odbiornika podczerwieni. Odbiornik reaguje na przerwanie wiązki za pomocą wyjścia dwustanowego, przełączając tranzystor lub przekaźnik na swoim wyjściu. Zasięg działania takiej bariery wynosi od kilku do kilkunastu metrów. Innym rodzajem barier są kurtyny bezpieczeństwa, pośrednio chroniące przed dostępem do wirujących narzędzi i innych obszarów, w których występuje zagrożenie dla człowieka.
Pirometr – bezdotykowy pomiar temperatury
Pirometr wykorzystuje zjawisko emisji promieniowania podczerwonego przez powierzchnię obiektu. Dzięki temu może być używany do bezkontaktowego pomiaru temperatury na odległość.
Dla bezdotykowego pomiaru temperatury duże znaczenie ma właściwość zwana emisyjnością obiektu, która w tym wypadku jest zdolnością ciała do emisji podczerwieni. Przeszkodą w uzyskaniu poprawnego wyniku pomiaru są zanieczyszczenia, takie jak pył, mgła, olej i inne mogące tłumić podczerwień oraz wypolerowana, błyszcząca powierzchnia przedmiotu.
Największą zdolność emisyjną w dowolnej temperaturze ma ciało doskonale czarne (współczynnik emisyjności jest równy 1), zaś najniższą – ciało doskonale białe (wartość 0). Dla innych ciał można określić ich zdolność emisyjną jako iloraz zdolności emisyjnej badanego ciała i ciała doskonale czarnego. A więc, im wyższy jest współczynnik emisyjności, tym lepiej wypromieniowuje podczerwień dany obiekt. Jak nawet intuicyjnie czujemy, emisyjność poszczególnych materiałów czy substancji może różnić się. Na przykład, emisyjność drewna silnie odbiega od emisyjności miedzi czy aluminium. Oprócz tego na emisyjność mają wpływ temperatura obiektu i wykończenie jego powierzchni. Przykładowe wartości emisyjności dla różnych materiałów podano w tabeli 1.
Ważnym elementem pirometru, mającym decydujący wpływ na pomiar, jest jakość jego układu optycznego. To od niego zależy wielkość punktu pomiarowego oraz maksymalna odległość od mierzonego obiektu. Mała średnica punktu pomiarowego pozwala na bardziej precyzyjny pomiar, natomiast odległość od mierzonego obiektu ma szczególne znaczenie dla bardzo gorących przedmiotów lub procesów, które dla bezpieczeństwa bada się przy zachowaniu właściwej odległości.
W pirometrze promieniowanie podczerwone emitowane przez obiekt jest skupiane przez układ optyczny i rzutowane na detektor podczerwieni. Ten element przekształca je na proporcjonalny sygnał elektryczny. We współczesnych pirometrach zwykle temperatura jest prezentowana w postaci cyfrowej, więc sygnał z detektora jest podawany na wejście przetwornika A/C, przeliczany i prezentowany na wyświetlaczu lub przesyłany interfejsem cyfrowym do współpracującego urządzenia.
Pirometry są szczególnie przydatne w przypadku pomiarów procesów zachodzących w wysokiej temperaturze, dlatego często używane są w zakładach przemysłowych. Spotyka się je również w motoryzacji, przemyśle maszynowym i spożywczym.Odmianą pirometru o dosyć wąskim zastosowaniu są termometry na podczerwień wykorzystywane w medycynie. Pozwalają one na bardzo szybki, komfortowy dla pacjenta, higieniczny, bezdotykowy pomiar temperatury ciała – taki termometr wystarczy zbliżyć do miejsca na ciele i można natychmiast odczytać wynik.
Tabela 1. Emisyjność wybranych materiałów
| Materiał (temperatura materiału) | Emisyjność |
|---|---|
| Aluminium, bardzo utlenione (93°C) | 0,20 |
| Aluminium, polerowane (100°C) | 0,09 |
| Aluminium, nieutlenione (100°C) | 0,03 |
| Aluminium, platerowane(170°C) | 0,04 |
| Mosiądz, utleniony (200°C) | 0,61 |
| Odlewne żelazo utlenione (200°C) | 0,64 |
| Chrom (40°C) | 0,08 |
| Chrom, polerowany (150°C) | 0,06 |
| Miedź, utleniona (130°C) | 0,76 |
| Miedź, polerowana (40°C) | 0,03 |
| Miedź, platerowana (40°C) | 0,64 |
| Miedź z lekkim nalotem (20°C) | 0,04 |
| Żelazo (20°C) | 0,24 |
| Żelazo z odlewną powierzchnią (100°C) | 0,8 |
| Żelazo z platerowaną powierzchnią (20°C) | 0,77 |
| Ołów (40°C) | 0,43 |
| Ołów, szary utlenione (40°C) | 0,28 |
| Ołów, utleniony (40°C) | 0,43 |
| Farby olejne (wszystkie kolory) (90°C) | 0,92 … 0,96 |
| Farby, czarna, matowa (80°C) | 0,97 |
| Farby, niebieska na folii aluminiowej (40°C) | 0,78 |
| Farby, biały (90°C) | 0,95 |
| Farby, żółta, 2 warstwy na folii aluminiowel 40°C) | 0,79 |
| Papier (20°C) | 0,97 |
| Plastik: PE, PP, PVC (20°C) | 0,94 |
| Guma, twarda(23°C) | 0,94 |
| Guma, miękka, szara (23°C) | 0,89 |
| Stal platerowana na zimno (93°C) | 0,75 … 0,85 |
| Stal, powierzchnia hartowana (200°C) | 0,52 |
| Stal, utleniona (200°C) | 0,79 |
| Drewno (70°C) | 0,94 |
Termowizja – obserwacja obiektu w podczerwieni
Do upowszechnienia się termowizji przyczynił się spadek cen sensorów, a tym samym wykorzystujących je urządzeń zwanych kamerami termowizyjnymi. Dla przeciętnego użytkownika wystarczające są kamery o mniejszej rozdzielczości i dzięki temu – o stosunkowo niedrogich sensorach. Bo to właśnie rozdzielczość sensora ma decydujący wpływ na ostateczną cenę gotowej kamery i jej przeznaczenie.
Obraz termiczny niesie ze sobą mnóstwo informacji niewidocznych dla nieuzbrojonego oka. Dzięki kamerze termowizyjnej bez większego trudu można zaobserwować rozkład temperatury na obiekcie i w jego otoczeniu. Na obrazie termicznym widać obszary zimniejsze i cieplejsze prezentowane w sposób łatwy do interpretacji przez człowieka. Dzięki zjawiskom fizycznym towarzyszącym rozgrzewaniu się obiektów, takim jak tarcie lub przepływ prądu elektrycznego, obraz termiczny pozwala na diagnostykę obserwowanych maszyn, urządzeń i obiektów. Posłużmy się pewnymi przykładami.
Kamery termowizyjne w katalogu TME
W maszynach elementem zużywającym się po pewnym okresie eksploatacji są łożyska toczne. Zaczynają one stawiać coraz większy opór, przez co rozgrzewają się, aby ostatecznie ulec uszkodzeniu. Takie łożysko o temperaturze odbiegającej od normy łatwo jest wykryć na obrazie termicznym, co pozwala na naprawę lub wymianę elementu jeszcze zanim ulegnie on blokadzie, rozpadnie się lub zapali. Innym obszarem jest diagnostyka urządzeń elektrycznych, w których miejscami newralgicznymi, rozgrzewającymi się do najwyższej temperatury, zwykle są punkty styku, gdzie rezystancja połączenia jest największa. Moc wydzielana na rezystancji zależy od natężenia płynącego przez nią prądu oraz wartości rezystancji. Na skutek korozji, przeciążenia, awarii lub błędów w projekcie, wartości graniczne mogą być przekraczane i miejsce styku będzie rozgrzewało się do znacznej temperatury. W konsekwencji może to doprowadzić do uszkodzenia izolacji, jej zapłonu itp. Kamera termowizyjna pozwala na szybką, bezdotykową diagnostykę oraz reakcję, zanim doprowadzi to do pożaru lub poważnej awarii sieci zasilającej. Obraz z kamery termowizyjnej to również doskonały materiał dla osób zajmujących się instalacjami grzewczymi, klimatyzacją oraz ociepleniami budynków. Dzięki niemu szybko można zlokalizować nieszczelność, straty energii, miejsca napływu zimnego powietrza itp.
Innym zastosowaniem termowizji jest diagnostyka medyczna. Dzięki podczerwieni można nie tylko zmierzyć temperaturę, o czym pisaliśmy przy okazji pirometru, ale wykryć ogniska choroby lub zajrzeć pod skórę pacjenta. Te techniki diagnostyczne oprócz obrazowania w podczerwieni wymagają zaawansowanej analizy obrazu wspomaganej przez algorytmy AI.
Podczerwień w transmisji danych i sygnałów
Podczerwień w komunikacji znajduje zastosowanie głównie do tworzenia lokalnych połączeń służących do przesyłania danych na nieduże odległości. Można zaryzykować twierdzenie, że niegdyś popularny interfejs IrDA stworzył podwaliny pod Bluetooth i mobilny Internet, dając możliwość bezprzewodowej transmisji danych pomiędzy telefonem a komputerem osobistym. Innym z zastosowań, które niegdyś było popularne, a które już zupełnie zanikło, było tworzenie połączeń między budynkami mieszkalnymi w celu tworzenia sieci komputerowych. Oczywistą zaletą takiego rozwiązania jest separacja galwaniczna, ale poza tym ma ono liczne wady, więc zostało szybko wyparte przez łącza radiowe.
Duże emitery podczerwieni, złożone z matryc diod nadawczych, można niekiedy spotkać na seminariach i konferencjach. Z ich użyciem jest dystrybuowany sygnał audio do licznych użytkowników. Oczywiście wymaga to wyposażenia ich w słuchawki ze specjalnym odbiornikiem, ale z drugiej strony nie wymaga pracy w żadnym z pasm radiowych i uzyskania koncesji na pracę nadajnika.
Komponentem powszechnie wykorzystywanym w urządzeniach elektronicznych są transoptory. W przeciwieństwie do wcześniej wymienianych transoptorów szczelinowych i odbiciowych, te zbudowane są z wykorzystaniem standardowych obudów układów scalonych THT i SMD, mogą posiadać od jednego od kilku kanałów transmisji sygnału. Składają się z jednej lub kilku par nadajnik – odbiornik, które są od siebie odseparowane galwanicznie. Najczęściej mamy stronę niskonapięciową (sterującą/nadawczą) i wysokonapięciową (wykonawczą/odbiorczą). Sygnał jest przekazywany z wejścia na wyjście za pomocą podczerwieni, co pozwala na elektryczne rozdzielenie obu obwodów. W ten sposób łatwo niweluje się różnice poziomów masy, eliminuje możliwość awarii przy wystąpieniu przepięcia po którejś ze strony, dopasowuje impedancje obwodów, dokonuje konwersji (przesunięcia napięcia) poziomów logicznych oraz poziomów sygnałów analogowych.
Interfejsy podczerwone są chętnie stosowane w urządzeniach pomiarowych, ponieważ łatwo za ich pomocą uzyskać separację galwaniczną pomiędzy przyrządem pomiarowym a współpracującym z nim komputerem. Taki interfejs nie ma oszałamiającej prędkości transmisji, bo zwykle nie jest to wymagane, ale zapewnia pewną, bezpieczną komunikację w dwóch kierunkach. Co prawda, jest stopniowo wypierany przez interfejsy radiowe, ale nadal jest w niego wyposażane wiele multimetrów i innych przyrządów.
Podczerwień w kontroli jakości
Promieniowanie podczerwone jest szeroko stosowane w kontroli jakości za pomocą kamer systemów wizyjnych. Głównym powodem jest niewidzialne światło, które nie jest uciążliwe dla ludzi w otoczeniu, a przy tym świetnie sprawdza się przy ocenie kształtu, orientacji oraz kontroli obecności. Jako czujniki mogą być stosowane względnie niedrogie kamery monochromatyczne, których obraz jest analizowany i oceniany za pomocą komputera lub układu ASIC. Jeszcze inne możliwości tworzy spektrografia w podczerwieni, za pomocą której można wykrywać zanieczyszczenia na powierzchni obiektu (w tym również niewidoczne gołym okiem), nierównomierność pokrycia galwanicznego lub lakierowania. Kamera jest w stanie objąć duży obszar, dzięki czemu sama ocena jakości jest wykonywana bardzo szybko.
Branżą, w której podczerwień i spektrografia w podczerwieni są używane do oceny jakości produktów oraz zbiorów jest przemysł spożywczy. Tu analiza obrazu pozwala na szybkie wykrycie pleśni lub zanieczyszczeń.
Przyszłość technologii podczerwieni
Promieniowanie podczerwone znajduje mnóstwo aplikacji w nauce, technice i w wojskowości. Wiele z nich jest tworzonych dla unikatowych zastosowań, z którymi przeciętny człowiek nie ma okazji się spotkać. Nie sposób ich wszystkich wymienić tym bardziej, że nadal są tworzone nowe, nieosiągalne kiedyś, a dostępne teraz dzięki rozwojowi zaawansowanych technik analizy obrazu wspomaganych przez AI. Często nadajniki i detektory podczerwieni są sprzęgane z innymi rodzajami urządzeń tworząc czujniki hybrydowe i tym samym wspomagając ich działanie. Robotyka, analiza ruchu, zabezpieczenia obiektów – zastosowań nie brakuje, a jedynym dla nich ograniczeniem jest wyobraźnia.
Transfer Multisort Elektronik (TME) to jeden z największych globalnych dystrybutorów komponentów elektronicznych, elektrotechnicznych, wyposażenia warsztatowego, jak również automatyki przemysłowej. W katalogu dostępnych jest ponad 1 500 000 produktów od 1300 wiodących producentów. Nowoczesne centra logistyczne TME, mieszczące się w Łodzi oraz w Rzgowie, o łącznej powierzchni ponad 40 000m2, każdego dnia wysyłają blisko 6000 paczek z komponentami elektronicznymi do klientów w ponad 150 krajach.
TME angażuje się również w rozwój wiedzy i umiejętności młodych inżynierów i pasjonatów elektroniki poprzez projekt TME Edukacja, a także wspiera społeczność technologiczną, organizując cykl wydarzeń TechMasterEvent, promujących innowacje i wymianę doświadczeń.
