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Infrarot-Sensoren: Funktion und Einsatz

Infrarot Sensoren sind in der Lage, jene Strahlung zu messen und zu erfassen, deren Wellenlänge sich unterhalb der Wellenlänge des für das menschliche Auge sichtbaren Rotlichts befindet. Das lateinische Wörtchen „infra“ bedeutet dabei ins Deutsche übersetzt so viel wie „unter“ oder „unterhalb“. Mit Infrarotsensoren können nicht nur Bewegungen erfasst werden. Sie dienen auch dazu, Daten kabellos zu übertragen sowie die Wärme, die ein Körper oder ein Objekt abstrahlt, kontaktlos zu messen. Der Grund: Infrarotstrahlung ist nichts anderes als Wärmestrahlung. Erfahren Sie mehr über die Funktionsweise und die Einsatzbereiche von Infrarot Sensoren.

Infrarotsensoren

Wie funktionieren Infrarot Sensoren?

Viele Infrarotsensoren empfangen lediglich Infrarotstrahlen, ohne selbst Wärmestrahlen zu produzieren. Man bezeichnet sie als passive Infrarotdetektoren, kurz auch PIR. Normalerweise werden sie an Außeneingängen von Häusern eingesetzt, wo sie das Licht an den Eingängen und Wegen einschalten, wann immer sich eine Person im Dunkeln nähert. Darüber hinaus können diese IR-Sensoren mit einem Alarmsystem verbunden werden. Dann sind sie ein wichtiger Bestandteil der Gebäudesicherheit und melden mögliche Einbrecher.

So funktioniert ein Infrarot Sensor:

  1. Der Sensor empfängt die Infrarotstrahlung über eine Öffnung, die sich meist an der Vorderseite des jeweiligen Geräts befindet. Dabei befindet sich der Sensor, der die IR-Strahlung erfasst und auswertet, im Zentrum des Geräts.
  2. Es ist nicht selten, dass mehrere Sensoren in einer Vorrichtung verbaut sind. Sie bestehen oft aus sogenannten pyroelektrischen Materialien. Diese reagieren auf fehlende oder veränderte Wärmequellungen, indem wechselnde elektrische Spannungen erzeugt werden.
  3. Sobald die pyroelektrische Oberfläche im Sichtfeld eine Wärmequelle erkennt, überträgt sie mittels Verbindung auf der Schaltplatte ein Signal an den Bewegungsmelder.
  4. Er kann dann den Alarm aktivieren. Derartige IR-Sensoren werden speziell für die Sicherheitsbranche gebaut und kommen in zahlreichen Sicherheitssystemen zum Einsatz.

Bestandteile eines Infrarotsensors

Infrarotstrahlung hat eine Wellenlänge von 0,7 bis 1000 Mikrometern. Der Bereich, der für Temperaturmessungen relevant ist, beschränkt sich aber auf die Wellenlänge von 0,7 bis 14 Mikrometern. Soll mit einem Infrarotsensor die Temperatur gemessen werden, so werden die meisten Modelle mit fünf wichtigen Komponenten ausgestattet.

Aktive Sensoren, die selbst Wärmestrahlung aussenden, benötigen in erster Linie eine Infrarotquelle. Sie ist als ein Objekt definiert, das eine Temperatur von mehr als 0 Kelvin aufweist, denn nur solche Objekte strahlen tatsächlich IR-Strahlung aus. Meist kommen in den IR-Sensoren als Infrarotquellen LEDs, Infrarotlaser oder spezifische IR-Wellenlängen zum Einsatz.

Zudem benötigt jeder IR-Sensor – egal ob er passiv oder aktiv ist – ein Übertragungsmedium. Atmosphärische Spurenstoffe, CO2 und Wasserstoff beeinflussen die IR-Übertragung in der Atmosphäre, weil deren Moleküle zu einer Absorption der Strahlung führen. Die Wellenlängen, die nicht absorbiert werden, bezeichnet man als Infrarotfenster. Diese Bereiche des IR-Spektrums werden insbesondere von Wärmebildanwendungen und Wärmesensorgeräten eingesetzt.Um IR-Strahlen zu übertragen, werden üblicherweise drei Medien verwendet:

  • Atmosphäre
  • Optische Fasern
  • Vakuum

  1. Sensoren, die in ein Wärmebildgerät eingebaut werden, müssen außerdem die IR-Strahlen durch optische Linsen fokussieren. Dies stellt die dritte Komponente dar. Meist werden sie aus Quarz, Polyethylen, Silikon, Germanium oder Kalziumfluorid hergestellt. Eingebaut in den Sensor werden sie dann zusammen mit Spiegeln aus Aluminium oder Gold.

Die vierte wichtige Komponente eines IR-Sensors ist das Material, das die IR-Strahlung erfassen kann. Es muss die Spezifikation der Infrarotlichtempfindlichkeit erfüllen. Die IR-Empfindlichkeit ergibt sich aus folgender Formel:

Ausgangsspannung dividiert durch Strahlungsfluss der eintreffenden Energie

  • Je höher die IR-Empfindlichkeit ist, desto besser ist das Material für den IR-Sensor geeignet. Zudem gehört auch die Detektivität zu den wichtigen Spezifikationen des Detektormaterials. Sie gibt den Grad der Empfindlichkeit je Detektor-Bereichseinheit an.
  • Infrarotdetektoren können auch mehrere unterschiedliche Segmente des IR-Spektrums messen. Sie müssen so gebaut werden, dass sie bei verschiedenen Temperaturen stabil sind und dass bei den IR-Messungen eine solide Linearität besteht. Die Messungen müssen dementsprechend die Art und die Menge der eingegangenen IR-Strahlung proportional wiedergeben.
  • Weitere wichtige Parameter des Geräts sind Kühlmechanismen und die Reaktionszeit.

Zu guter Letzt benötigt ein IR-Sensor noch eine Signalverarbeitung oder auch eine Signalverstärkung. Denn: Die Sensorausgaben sind normalerweise sehr gering. Dafür werden Vorverstärker in die Sensoren eingebaut, die die Signale verstärken, die sie vom Detektor erhalten.

Für welche Funktionen kommen IR-Sensoren zum Einsatz?

IR-Sensoren werden für zahlreiche Funktionen eingesetzt. Sie finden zum Beispiel in folgenden Bereichen Verwendung:

  • Berührungs- und kontaktlose Messung der Temperatur, zum Beispiel bei Thermometern oder
  • Wärmebildkameras
  • Kabellose Datenübermittlung, etwa bei Fernbedienungen
  • Erkennung von Bewegungen im Dunkeln

Die modernste Errungenschaft der IR-Sensor-Technologie sind sogenannte Smart-Sensoren. Sie sind nicht mehr nur in der Lage, die IR-Strahlung wahrzunehmen, sondern können sie sogar auswerten und verarbeiten. Dafür werden digitale Hochgeschwindigkeits-Computer in die Sensoren integriert. Diese Smart-Sensoren sind wichtig für allerhand neue Entwicklungen. Speziell für Leitsysteme in Fahrzeugen, für die Vermeidung von Kollisionen und für die Funktionsdiagnostik kommen derartige Sensoren zum Einsatz.

In welchen Produkten findet der Infrarot Sensor Verwendung?

Die zwei bekanntesten Anwendungsbereiche für Infrarot Sensoren sind sicher Bewegungsmelder und Fernbedienungen.

IR-Sensoren bei Bewegungsmeldern

Ein Bewegungsmelder, der mit PIR-Sensor für die Bewegungserkennung ausgestattet ist, verfügt aber meist zusätzlich über einen Dämmerungsschalter. Dieser gewährleistet, dass das Licht nur angeschaltet werden kann, wenn es auch tatsächlich dunkel ist. Sobald sich eine Wärmequelle im Bereich des Melders bewegt, so wird die Beleuchtung für eine bestimmte, vom Nutzer frei wählbare Zeitspanne angeschaltet. Wenn die Leuchtzeit abgelaufen ist, geht das Licht automatisch wieder aus. Viele Bewegungsmelder bieten dem Nutzer die Möglichkeit, drei Parameter einzustellen:

  • Einschaltdauer: Wie lange soll der Verbraucher an bleiben?
  • Umgebungshelligkeit: Ab welcher Dunkelheitsschwelle soll der Melder aktiv sein?
  • Erfassungsbereich: Wie nah muss ein Objekt sein, damit der IR-Sensor das Licht einschalten soll?

In vielen modernen Bewegungsmeldern läuft der Zähler für die Einschaltdauer los, sobald die letzte Bewegung registriert wurde. Erkennt er anschließend noch einmal eine neue Bewegung, so wird der Zähler erneut auf Null gesetzt. Dadurch wird garantiert, dass die Beleuchtung nicht ausgeht, wenn eine Person sich länger im Erfassungsbereich des Bewegungsmelders befindet.

IR-Sensoren bei Fernbedienungen

Darüber hinaus kommen IR-Sensoren standardmäßig in Fernbedienungen vor. Die IR-Fernbedienung sendet ein Signal im IR-Bereich aus, wobei als Strahlungsquelle hier oft IR-Leuchtdioden zum Einsatz kommen.

  • Mit einer Frequenz von 40 Kilohertz wird das Signal andauernd ein- und ausgeschaltet, um die Störsicherheit zu verbessern. Nur diese Frequenzen werden vom Bandpassfilter durchgelassen, um zufällige Störsignale auszusperren. Durch die Modulation des Sendesignals können die notwendigen Informationen vom IR-Sensor zum Empfänger am TV-Gerät oder Receiver übertragen werden.
  • Auch einige Smartphones sind mit Infrarotsensoren ausgestattet. Das gilt zum Beispiel für das Samsung Galaxy S4 und das HTC One M8. Dank einer solchen IR-Schnittstelle lassen sich Smartphones ebenfalls als Fernbedienung nutzen und können via Infrarot zum Beispiel mit dem TV, aber auch mit vielen anderen Geräten im Haushalt kommunizieren, sofern diese einen IR-Empfänger haben. Die Voraussetzung dafür besteht lediglich darin, dass Sie auf dem Smartphone die erforderliche App installieren, um den IR-Sensor zu nutzen. Oft sind diese Apps bereits vorinstalliert und müssen nur noch konfiguriert werden. Kostenlose Alternativen finden Sie außerdem in den App-Stores.

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