فناوری مادون قرمز: تاریخچه، اصول و کاربردها

فناوری مادون قرمز (IR) یکی از جنبه های اساسی الکترونیک مدرن است که کاربردهایی در زمینه های مختلف مانند ارتباطات، سنجش و تصویربرداری پیدا می کند. این مقاله به تاریخچه فناوری مادون قرمز، اصول آن می پردازد و ماژول مادون قرمز TCRT5000 را به عنوان نمونه ای عملی از کاربرد آن بررسی می کند.

تاریخچه فناوری مادون قرمز

کشف اشعه مادون قرمز به اوایل قرن نوزدهم باز می گردد. در سال 1800، ستاره شناس آلمانی-بریتانیایی سر ویلیام هرشل آزمایش هایی را برای اندازه گیری دمای رنگ های مختلف نور مرئی انجام داد. او کشف کرد که دما از قسمت آبی به قرمز طیف افزایش یافته است. سپس هرشل دما را درست فراتر از قسمت قرمز طیف، جایی که هیچ نور مرئی وجود نداشت، اندازه‌گیری کرد و دریافت که حتی دما در آنجا نیز وجود دارد و حتی بالاتر است. این منجر به کشف تابش مادون قرمز شد.

پس از کشف هرشل، دانشمندان شروع به بررسی خواص و کاربردهای بالقوه فناوری مادون قرمز کردند. در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20، فناوری مادون قرمز با توسعه آشکارسازها و دماسنج‌های حساس، پیشرفت‌های چشمگیری را شاهد بود. در طول جنگ جهانی دوم، فناوری مادون قرمز برای کاربردهای نظامی، به ویژه در دید در شب و تصویربرداری حرارتی اهمیت پیدا کرد.

در دوره پس از جنگ، توسعه فناوری نیمه هادی راه را برای دستگاه های مادون قرمز فشرده تر و کارآمدتر هموار کرد. این امر منجر به استفاده گسترده در برنامه های مختلف از جمله کنترل از راه دور، سنسورهای مادون قرمز و سیستم های ارتباطی گردید.

اصول تشعشعات مادون قرمز

تابش مادون قرمز نوعی تابش الکترومغناطیسی با طول موج بیشتر از نور مرئی اما کوتاهتر از امواج مایکروویو است که معمولاً از 700 نانومتر (nm) تا 1 میلی متر (mm) متغیر است. تشعشعات مادون قرمز به سه ناحیه اصلی تقسیم می شوند:

مادون قرمز نزدیک (NIR): 0.7 تا 1.5 میکرومتر (μm)
مادون قرمز میانی (MIR): 1.5 تا 4 میکرومتر
مادون قرمز دور (FIR): 4 تا 1000 میکرومتر

تشعشعات مادون قرمز از همه اجسام بر اساس دمای آنها ساطع می شود که به عنوان تابش حرارتی شناخته می شود. اجسام داغتر تشعشعات مادون قرمز بیشتری ساطع می کنند که توسط حسگرهای مادون قرمز قابل تشخیص است.

کاربردهای فناوری مادون قرمز

ارتباط:

فناوری مادون قرمز به طور گسترده ای در کنترل از راه دور برای تلویزیون ها، دستگاه های تهویه مطبوع و سایر لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می شود. امکان انتقال بی سیم سیگنال ها در فواصل کوتاه را فراهم می کند.

حس کردن:

سنسورهای مادون قرمز در کاربردهای مختلفی از جمله آشکارسازهای حرکت، سنسورهای دما و حسگرهای مجاورت استفاده می‌شوند. این حسگرها تشعشعات مادون قرمز ساطع شده یا منعکس شده توسط اجسام را تشخیص می دهند.

تصویربرداری:

فناوری مادون قرمز جهت تصویربرداری در دستگاه های دید در شب، دوربین های حرارتی و تشخیص پزشکی استفاده می شود. این امکان تجسم الگوهای گرما و تشخیص اجسام در شرایط کم نور را فراهم می کند.

کاربردهای صنعتی:

فناوری مادون قرمز در فرآیندهای صنعتی برای اندازه گیری دما، تجزیه و تحلیل مواد و کنترل کیفیت استفاده می شود.

مثال کاربردی:

*** در ادامه و به عنوان نمونه ماژول مادون قرمز TCRT5000 را بررسی و توضیحات لازم را ارایه مینماییم :

 

TCRT5000 نمونه ای از یک ماژول مادون قرمز است که برای تشخیص نزدیکی و انعکاس اشیا استفاده می شود. این شامل یک فرستنده مادون قرمز (LED) و یک گیرنده نوری است که در یک بسته قرار گرفته است. این ماژول معمولا در رباتیک، ربات های دنبال کننده خط و سایر برنامه هایی که نیاز به تشخیص دقیق اشیا دارند استفاده می شود.

اجزای ماژول TCRT5000

فرستنده مادون قرمز (LED):

ساطع کننده مادون قرمز تابش مادون قرمز ساطع می کند. هنگامی که انرژی می گیرد، پرتوی از نور مادون قرمز تولید می کند که می تواند از اجسام منعکس شود.

گیرنده مادون قرمز:

گیرنده مادون قرمز ، نور مادون قرمز منعکس شده را تشخیص می دهد. هنگامی که نور مادون قرمز به گیرنده منعکس می شود، رسانایی آن را تغییر می دهد، که می تواند برای تشخیص وجود یک جسم استفاده شود.

ساختار فیزیکی:

گیرنده و فرستنده نوری در یک بسته پلاستیکی مشکی قرار گرفته اند که به فیلتر کردن نور محیط کمک می کند و دقت تشخیص را بهبود می بخشد.

اصل کار ماژول TCRT5000

ماژول TCRT5000 بر اساس اصل تشخیص بازتابش نور اشیاء عمل می کند. در اینجا نحوه عملکرد آن آمده است:

انتشار:

LED مادون قرمز یک پرتو نور مادون قرمز ساطع می کند.

انعکاس:

هنگامی که یک شی در مقابل ماژول قرار می گیرد، نور مادون قرمز از سطح جسم منعکس می شود.

تشخیص:

نور مادون قرمز منعکس شده توسط فوتوترانزیستور و یا گیرنده نوری تشخیص داده می شود. مقدار نور منعکس شده ای که به فوتوترانزیستور می رسد رسانایی آن را تغییر می دهد.

خروجی:

تغییر در رسانایی فوتو ترانزیستور و گیرنده نوری ، خروجی ماژول را تغییر می دهد که نشان دهنده وجود یک جسم است.

کاربردهای ماژول TCRT5000

ربات های دنبال کننده خط:

ماژول TCRT5000 در روبات های دنبال کننده خط برای تشخیص خطوط روی زمین استفاده می شود. این ماژول تفاوت بازتابی بین خط و پس‌زمینه را تشخیص می‌دهد و به ربات اجازه می‌دهد مسیر را دنبال کند.

حسگرهای مجاورتی:

این ماژول در کاربردهای مختلف حسگر مجاورت، مانند تشخیص اشیاء در سیستم‌های خودکار، روباتیک و فرآیندهای تولید استفاده می‌شود.

سیستم های رمزگذار:

TCRT5000 می تواند در رمزگذارهای چرخشی برای تشخیص موقعیت اشیاء در حال چرخش استفاده شود. نشانگرهای بازتابنده را بر روی جسم در حال چرخش تشخیص می دهد و بازخورد موقعیت را ارائه می دهد.

مزایا و محدودیت های ماژول TCRT5000

مزایا:

اندازه کوچک:

اندازه کوچک ماژول TCRT5000 ادغام آن را در پروژه های مختلف آسان می کند.

کم هزینه:

راه حلی مقرون به صرفه برای تشخیص نزدیکی و انعکاس اشیا است.

سهولت استفاده:

استفاده از ماژول ساده است و به حداقل اجزای خارجی نیاز دارد.

محدودیت ها:

محدوده محدود:

برد تشخیص TCRT5000 نسبتا کوتاه است، معمولاً چند سانتی متر است.

حساسیت به نور محیط:

اگرچه محفظه به فیلتر کردن نور محیط کمک می کند، نور شدید محیط همچنان می تواند بر عملکرد ماژول تأثیر بگذارد.

وابستگی انعکاس:

دقت تشخیص بستگی به بازتابی سطح جسم دارد. سطوح بسیار صیقلی ممکن است باعث تشخیص نادرست شوند.

مثال عملی:

استفاده از TCRT5000 در ربات دنبال کننده خط

 

اجزای مورد نیاز:

ماژول مادون قرمز TCRT5000
میکروکنترلر (به عنوان مثال، آردوینو)
موتور و درایور یا راه انداز موتور
شاسی ربات
منبع تغذیه
مقاومت (برای اتصالات LED و فوتو ترانزیستور)

اتصالات:

منبع تغذیه:

پایه VCC TCRT5000 را به منبع تغذیه 5 ولت میکروکنترلر وصل کنید.
پایه GND TCRT5000 را به زمین میکروکنترلر وصل کنید.

سیگنال خروجی:

پایه خروجی TCRT5000 را بسته به روش تشخیص مورد نظر به پایه ورودی آنالوگ یا دیجیتال میکروکنترلر متصل کنید.

کنترل:

از میکروکنترلر برای خواندن سیگنال خروجی از TCRT5000 استفاده کنید و موتورها را بر این اساس کنترل کنید تا ربات بتواندخط را دنبال کند.

دوستان گرامی مثال بالا تنها جهت آشنایی با نحوه اتصالات ذکر شده است و نحوه ساخت و طراحی و کد نویسی آن مراحل دیگری است ، که نیاز به آموزش های بعدی و جامع تری دارد .

همانطور که در بالا اشاره شد ، فناوری مادون قرمز از زمان کشف آن در اوایل قرن نوزدهم به طور قابل توجهی تکامل یافته است و کاربردهایی در ارتباطات، سنجش و تصویربرداری پیدا کرده است.به نحوی که آنرا به یک جزء جدانشدنی از زندگی امروزه ما قرار داده است .

ماژول مادون قرمز TCRT5000 نمونه ای از استفاده عملی از فناوری مادون قرمز در تشخیص نزدیکی و انعکاس اشیا است. اندازه جمع و جور، مقرون به صرفه بودن و سهولت استفاده، آن را به گزینه ای محبوب برای پروژه های مختلف، از جمله روبات های دنبال کننده خط و حسگرهای مجاورت تبدیل کرده است. با درک اصول و یاد گیری کاربردهای فناوری مادون قرمز، می توان از قابلیت های آن برای ایجاد راه حل های نوآورانه و کارآمد در مدارات الکترونیک استفاده کرد.