مستشعر درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء: المبدأ والخصائص والتطبيق

مقدمة عن مستشعر درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء
مستشعر درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء هو مستشعر لا تلامسي يستخدم طاقة الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الجسم لقياس درجة حرارة سطحه. يعتمد مبدأ عمله الأساسي على قانون ستيفان-بولتزمان: جميع الأجسام التي تزيد درجة حرارتها عن الصفر المطلق تشع أشعة تحت حمراء، وتتناسب شدة الإشعاع طرديًا مع القوة الرابعة لدرجة حرارة سطح الجسم. يقوم المستشعر بتحويل الأشعة تحت الحمراء المستقبلة إلى إشارة كهربائية عبر مُزدوج حراري أو كاشف كهروحراري مُدمج، ثم يحسب قيمة درجة الحرارة باستخدام خوارزمية مُحددة.

المواصفات الفنية:
القياس بدون تلامس: لا حاجة لتلامس الجسم المراد قياسه، مما يجنب التلوث أو التداخل مع درجات الحرارة العالية والأهداف المتحركة.

سرعة استجابة عالية: استجابة بالمللي ثانية، مناسبة لمراقبة درجة الحرارة الديناميكية.

نطاق واسع: تغطية نموذجية من -50 درجة مئوية إلى 3000 درجة مئوية (تختلف الطرازات المختلفة اختلافًا كبيرًا).

قدرة عالية على التكيف: يمكن استخدامه في الفراغ، أو البيئات المسببة للتآكل، أو سيناريوهات التداخل الكهرومغناطيسي.

المؤشرات الفنية الأساسية
دقة القياس: ±1% أو ±1.5 درجة مئوية (يمكن أن تصل الدرجة الصناعية عالية الجودة إلى ±0.3 درجة مئوية)

تعديل الانبعاثية: يدعم نطاقًا قابلًا للتعديل من 0.1 إلى 1.0 (معاير لأسطح المواد المختلفة)

الدقة البصرية: على سبيل المثال، تعني نسبة 30:1 أنه يمكن قياس مساحة قطرها 1 سم على مسافة 30 سم.

طول موجة الاستجابة: 8-14 ميكرومتر (مناسب للأجسام في درجة الحرارة العادية)، ويُستخدم النوع ذو الموجة القصيرة للكشف عن درجات الحرارة العالية.

حالات التطبيق النموذجية
1. الصيانة التنبؤية للمعدات الصناعية
قامت إحدى شركات تصنيع السيارات بتركيب مستشعرات الأشعة تحت الحمراء MLX90614 على محامل المحرك، وتنبأت بالأعطال من خلال المراقبة المستمرة لتغيرات درجة حرارة المحامل واستخدام خوارزميات الذكاء الاصطناعي. وتشير البيانات العملية إلى أن التحذير من أعطال ارتفاع درجة حرارة المحامل قبل 72 ساعة يمكن أن يقلل من خسائر توقف الإنتاج بمقدار 230 ألف دولار أمريكي سنويًا.

2. نظام فحص درجة الحرارة الطبية
خلال جائحة كوفيد-19 لعام 2020، تم نشر كاميرات التصوير الحراري من سلسلة FLIR T عند مدخل الطوارئ في المستشفيات، مما أدى إلى فحص درجة الحرارة غير الطبيعية لـ 20 شخصًا في الثانية، مع خطأ في قياس درجة الحرارة ≤0.3 درجة مئوية، وتم دمجها مع تقنية التعرف على الوجه لتحقيق تتبع مسار الأفراد ذوي درجة الحرارة غير الطبيعية.

3. التحكم الذكي في درجة حرارة الأجهزة المنزلية
يشتمل موقد الحث عالي الجودة على مستشعر الأشعة تحت الحمراء Melexis MLX90621 لمراقبة توزيع درجة الحرارة في قاع الإناء لحظيًا. عند اكتشاف ارتفاع درجة الحرارة الموضعي (مثل احتراق الإناء)، يتم خفض الطاقة تلقائيًا. وبالمقارنة مع حلول المزدوجات الحرارية التقليدية، تزداد سرعة استجابة التحكم في درجة الحرارة بمقدار خمسة أضعاف.

4. نظام الري الدقيق الزراعي
تستخدم مزرعة في إسرائيل كاميرا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء من نوع Heimann HTPA32x32 لمراقبة درجة حرارة غطاء المحاصيل وبناء نموذج للنتح بناءً على المعايير البيئية. يقوم النظام تلقائيًا بضبط كمية الري بالتنقيط، مما يوفر 38% من المياه في الكرم مع زيادة الإنتاج بنسبة 15%.

5. المراقبة الإلكترونية لأنظمة الطاقة
تستخدم شبكة الكهرباء الحكومية أجهزة قياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء من سلسلة Optris PI في محطات التحويل ذات الجهد العالي لمراقبة درجة حرارة الأجزاء الرئيسية، مثل وصلات قضبان التوزيع والعوازل، على مدار الساعة. وفي عام 2022، نجحت إحدى محطات التحويل في التنبيه إلى ضعف توصيل فواصل الجهد العالي (110 كيلوفولت)، مما حال دون انقطاع التيار الكهربائي على مستوى المنطقة.

اتجاهات التنمية المبتكرة
تقنية الدمج متعدد الأطياف: دمج قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء مع صور الضوء المرئي لتحسين قدرات التعرف على الأهداف في السيناريوهات المعقدة

تحليل مجال درجة الحرارة باستخدام الذكاء الاصطناعي: تحليل خصائص توزيع درجة الحرارة بالاعتماد على التعلم العميق، مثل التصنيف التلقائي للمناطق الملتهبة في المجال الطبي.

تصغير حجم مستشعر MEMS: يبلغ حجم مستشعر AS6221 الذي أطلقته شركة AMS 1.5 × 1.5 مم فقط، ويمكن تضمينه في الساعات الذكية لمراقبة درجة حرارة الجلد.

تكامل إنترنت الأشياء اللاسلكي: تتيح عقد قياس درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء عبر بروتوكول LoRaWAN مراقبة عن بُعد على مستوى الكيلومتر، وهي مناسبة لمراقبة خطوط أنابيب النفط.

اقتراحات الاختيار
خط إنتاج الأغذية: أعطِ الأولوية للطرازات ذات مستوى الحماية IP67 ووقت الاستجابة أقل من 100 مللي ثانية

البحث المختبري: انتبه إلى دقة درجة الحرارة 0.01 درجة مئوية وواجهة إخراج البيانات (مثل USB/I2C)

تطبيقات الحماية من الحرائق: اختر أجهزة استشعار مقاومة للانفجار بنطاق يزيد عن 600 درجة مئوية، ومجهزة بمرشحات لاختراق الدخان

مع انتشار تقنيات الجيل الخامس والحوسبة الطرفية، تتطور أجهزة استشعار درجة الحرارة بالأشعة تحت الحمراء من أدوات قياس فردية إلى عقد استشعار ذكية، مما يُظهر إمكانات تطبيق أكبر في مجالات مثل الصناعة 4.0 والمدن الذكية.