Sensor Infrared Mengukur Efek Fisik yang Berbeda

Sensor infrared bukan satu teknologi pengukuran tunggal. Istilah “sensor IR” dapat merujuk pada detektor proximity reflektif, sensor gerak PIR, sensor suhu non-kontak, optical encoder, atau penerima infrared. Semuanya bekerja dengan radiasi di luar spektrum cahaya tampak, tetapi besaran yang diukur berbeda.

Perbedaan ini menentukan apa yang dapat dideteksi sensor, seberapa jauh sensor dapat bekerja, serta kondisi lingkungan yang dapat menghasilkan pembacaan lemah atau keliru.

Penginderaan infrared aktif mengukur cahaya yang kembali

Sensor reflektif sederhana berisi pemancar infrared, biasanya IR LED, serta photodiode atau phototransistor sebagai penerima.

Jalur sinyalnya:

IR LED -> objek -> IR terpantul -> photodetector

Pemancar menyediakan radiasi. Detektor mengukur sebagian radiasi tersebut setelah berinteraksi dengan target. Objek di dekat sensor dapat terdeteksi ketika cukup banyak IR dari pemancar kembali ke penerima.

Prinsip ini digunakan pada obstacle detector, reflective optical switch, line-following sensor, pendeteksi kertas, dan beberapa sistem proximity jarak pendek.

Output listriknya tidak secara langsung berarti “jarak.” Daya optik yang diterima juga dipengaruhi reflektivitas target, geometri, sudut, intensitas pemancar, sensitivitas detektor, dan cahaya sekitar. Permukaan putih matte dan permukaan gelap mengilap pada jarak yang sama dapat menghasilkan pembacaan berbeda.

Rangkaian threshold dapat mengubah sinyal analog dari detektor menjadi status digital sederhana:

IR kembali < threshold -> tidak terdeteksi
IR kembali >= threshold -> terdeteksi

Cara ini berguna untuk mendeteksi keberadaan objek, tetapi bukan pengukuran jarak yang terkalibrasi.

Modulasi memisahkan sinyal pemancar dari infrared lingkungan

Sinar matahari, lampu pijar, dan sumber lain dapat menambah energi infrared yang diterima photodetector. Penerima yang hanya mengukur intensitas optik total sulit membedakan energi dari IR LED miliknya sendiri dengan energi dari lingkungan.

Salah satu solusi yang umum adalah memodulasi pemancar.

Alih-alih menyalakan LED terus-menerus, rangkaian menggerakkannya dengan pola atau carrier yang diketahui. Penerima kemudian mencari pola tersebut pada sinyal yang terdeteksi. Secara konseptual:

IR lingkungan:   ---------------------
IR dipancarkan:  _|‾|_|‾|_|‾|_|‾|_
penerima:        lingkungan + modulasi
filter sinyal:       ^ komponen dikenal

Teknik ini tidak membuat sistem sepenuhnya kebal terhadap interferensi, tetapi meningkatkan kemampuan menolak energi optik yang konstan atau tidak berkaitan. Penerima remote control infrared memakai gagasan umum yang sama dengan carrier termodulasi, meskipun tujuannya adalah komunikasi, bukan pengukuran proximity.

Sensor PIR tidak menyinari target

Passive infrared sensor bekerja dengan mekanisme berbeda. PIR berarti passive infrared: sensor tidak perlu memancarkan sinar IR ke orang yang dideteksi.

Objek dengan suhu di atas nol absolut memancarkan radiasi termal. Tubuh manusia memancarkan energi infrared, dan elemen pyroelectric dapat merespons perubahan radiasi termal yang mengenainya.

Modul PIR pada umumnya menggunakan Fresnel lens untuk membagi field of view menjadi beberapa zona. Gerakan melintasi zona tersebut mengubah energi infrared yang mencapai bagian-bagian sensing. Rangkaian elektronik kemudian memperkuat dan memproses perubahan sinyal itu.

Kata yang penting adalah perubahan.

Modul PIR konvensional jauh lebih efektif mendeteksi tubuh hangat yang bergerak melintasi field of view daripada memastikan bahwa orang yang diam terus berada di tempat yang sama. PIR juga tidak menghasilkan citra termal terperinci.

Perilakunya lebih dekat dengan:

adegan termal relatif tetap -> perubahan sinyal kecil
objek hangat melintasi zona -> perubahan sinyal -> event gerakan

Karena itu PIR banyak dipakai pada lampu dan alarm yang dipicu oleh occupancy, tetapi kurang tepat untuk sistem yang harus terus memastikan seseorang masih duduk di sebuah kursi.

Sensor suhu infrared mengukur radiasi yang dipancarkan

Termometer IR non-kontak dan sensor termal memakai mekanisme lain. Perangkat ini mengukur radiasi infrared yang dipancarkan permukaan lalu memperkirakan suhu berdasarkan daya radiasi yang terdeteksi dalam spectral band sensornya.

Thermopile umum digunakan untuk tujuan ini. Sensor juga perlu memperhitungkan suhu dirinya sendiri karena detektor dan lingkungan di sekitarnya ikut terlibat dalam pengukuran termal.

Emissivity permukaan berpengaruh. Blackbody ideal adalah abstraksi dengan emissivity 1; material nyata memancarkan energi dengan efisiensi lebih rendah, dan permukaan reflektif dapat memantulkan radiasi infrared dari objek di sekitarnya ke sensor.

Akibatnya, mengarahkan termometer IR ke logam mengilap dapat menghasilkan pembacaan yang sangat dipengaruhi radiasi termal pantulan. Sensor mengukur radiasi yang tiba pada detektornya, bukan melakukan kontak fisik langsung dengan target.

Field of view juga penting. Jika area pengukuran lebih besar daripada target yang dimaksud, pembacaan akan mencakup radiasi dari target sekaligus latar belakangnya.

IR reflektif dapat membedakan kontras tanpa mengenali warna

Sensor IR reflektif sering dipasang di bagian bawah robot line follower. IR LED menerangi lantai, kemudian detektor mengukur sinyal yang kembali.

Permukaan yang memantulkan kuat pada panjang gelombang infrared pemancar menghasilkan respons lebih besar daripada permukaan yang lebih banyak menyerap radiasi tersebut. Threshold kemudian dapat digunakan untuk mengklasifikasikan kedua area.

Ini tidak berarti sensor melihat warna dengan cara yang sama seperti mata manusia. Dua material yang terlihat berbeda pada cahaya tampak dapat memiliki reflektansi infrared yang mirip, sedangkan material yang tampak serupa dapat berperilaku berbeda terhadap IR.

Untuk line sensor, properti yang relevan adalah kontras pada panjang gelombang operasi sensor, bukan sekadar apakah permukaan cetak terlihat hitam atau putih bagi manusia.

Prinsip yang sama dipakai pada reflective optical encoder. Area reflektif dan non-reflektif yang berselang-seling pada komponen berputar menghasilkan pulsa saat melewati detektor. Menghitung transisi tersebut dapat merepresentasikan gerakan atau posisi.

Infrared pada umumnya tidak digunakan untuk sensing menembus dinding

Istilah “radiasi” dapat membuat infrared terdengar lebih mudah menembus material daripada kenyataannya. Material bangunan umum pada dasarnya opaque terhadap panjang gelombang yang digunakan IR emitter, modul PIR, dan sensor termal biasa.

Sensor proximity IR karena itu tidak dapat mendeteksi objek di balik dinding hanya dengan meningkatkan sensitivitas software. Detektor PIR juga membutuhkan radiasi termal dari area yang diamati untuk mencapai elemen sensing melalui material yang meneruskan panjang gelombang operasinya.

Material yang tampak transparan pun perlu diperiksa. Suatu material dapat transparan terhadap cahaya tampak tetapi menyerap band infrared tertentu, atau meneruskan sebagian near-infrared sambil menghalangi thermal infrared dengan panjang gelombang lebih besar.

Perilaku optik harus dinilai pada panjang gelombang yang digunakan sensor.

Jenis sensor mengikuti besaran yang perlu diukur

Beberapa kebutuhan yang terdengar mirip sebenarnya membutuhkan hardware berbeda:

Batas yang berguna untuk istilah “sensor infrared” ada di sini: infrared menjelaskan bagian spektrum elektromagnetik yang digunakan, bukan variabel fisik yang dilaporkan oleh setiap perangkat.

Pemilihan komponen IR karena itu dimulai dari besaran yang hendak diukur. Presence, gerakan, jarak, suhu, kontras, dan data terenkode adalah masalah yang berbeda. Setelah besarannya jelas, panjang gelombang pemancar, respons detektor, optik, modulasi, field of view, material target, dan interferensi lingkungan dapat diperlakukan sebagai parameter rekayasa, bukan asumsi tersembunyi.