원적외선 센서 및 측정 방법

1) 원적외선 온도 센서

  :  비 접촉식 온도 측정 방식인 적외선 온도 센서는 빛이 없는 곳과 원거리 물체의 온도를 측정할 수 있는

     장점이 있다. 따라서 최근에는 야간이나 흐린 날씨에서 방법, 자동차의 시야 확보, 국방에서의 적군 탐지

     등과 같은 매우 다양한 분야로 적용되고 있다. IR 온도 센서가 사용되는 대역은 5~14um 인 원적외선

     영역대이다. 모든 물체는 절대온도(-272.15℃)이상에서 적외선을 방출하고 온도에 따라서 그 방출량은

     달라지는데, 적외선 온도 센서는 이 적외선을 검출하여 수 mV 대의 전압으로 만들고 이 신호를 증폭하고

     적절히 보상하여 온도 값으로 환산하게 된다. 따라서 IR센서로 물체의 온도를 측정할 때에는 위에서 고려

     한 조건들과 물체가 가지고 있는 고유한 방사율을 알아야 정확한 온도 측정이 가능하다.

 

2) 적외선 감지 소자의 종류

  : 적외선 감지소자는 적외선은 감지해 내는 원리에 따라 광자형 감지소자(photon detector)와 열형 감지 소자

    (thermal detector)로 나눌 수 있다.

   ①  광자형 감지소자(photon detector)

       : 광자형 감지 소자는 입사되는 적외선이 재료 내부에 있는 전자를 높은 에너지 준위로 여가 시킴으로써

         얻어지는 전기적 신호를 이용하는 감지기이다. 광자형 감지소자에 이용되는 재료는 반도체이다.   

   ②  열형 감지 소자(thermal detector)

       : 열형 감지 소자에 흡수된 적외선의 에너지는 소자의 온도를 상승시키게 된다. 온도의 상승은 적외선 감지

         소자의 전기 전도도나 열팽창과 같은 온도 의존성이 높은 물리적 성질을 변화시키게 되며, 이것을 측정함

         으로써 물체로부터 발산되는 적외선의 존재 여부를 판단하게 된다. 열형 감지 소자의 종류에는 thermopile,

         bolometer, golay cell, 초전센서(pyroelectric sensor) 등이 있다.

 

3) 열전퇴(Thermopile) 센서 기능 및 구성

       : Thermopile 센서에는 일련의 열전대와 연결된 IR 흡수기가 있다. 열전대의 콜드 접점은 알려진 기준에

         연결되며 이 열전대는 물체의 온도를 측정한다. 센서의 주변 온도는 서미스터를 사용하여 측정되고,

         일반적으로 출력은 수 마이크로 볼트 범위에 있다.

Thermopile Function  / Thermopile Sensor Component

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4) 방사율

    : 방사률은 어떤 물체가 에너지를 발산하거나 흡수하는 능력을 말한다. 완벽한 발산체는 방사률을 1을 가지고

      있는 물체이며, 100%의 입사 에너지를 발산하는 것을 말한다. 방사률 0.8을 가진 물체는 80%를 흡수하여 20%

      의 입사 에너지를 반사한다. 방사률의 정의는 주어진 온도에서 물체에 의해 방사된 에너지와, 같은 온도에서

      완벽한 발사체에 의해 방출된 에너지와의 비를 말한다. 모든 방사률 값은 0.00에서 1.0에 들어오게 된다

방사율 표

5) 적외선 센서를 이용한 비접촉 온도 측정 원리

    : 적외선 온도계의 기본적인 부품은 렌즈, 조리개, 필터, 적외선 센서, 신호처리부로 구성되어 있으며, 개념적인

      내부 구조는 아래 그림과 같다. 물체에서 복사되는 적외선은 렌즈에 의해 집중되고, 조리개는 렌즈를 통해

      입사한 적외선 중에서 불필요한 가장자리 신호들을 제거하는 역할을 한다. 적외선 필터에서 원하는 적외선

      파장 대역만 통과시켜 적외선 센서 쪽으로 들어가게 한다. 적외선 센서에서는 이러한 광학적 신호를 전기적인

      신호로 변화시키는 역할을 하며, 신호처리 회로부에서 전기적인 신호로부터 온도로 환산하는 역할을 하게 된다.

비 접촉 온도 측정

    신호처리부에서는 다음과 같은 3 종류의 알고리즘을 이용해서 온도를 계산한다.

     (1) 물체의 복사온도 측정, (2) 물체의 밝기 온도 측정, (3) 물체의 컬러 온도 또는 이색컬러(two color)

    측정 등이 있다.

    ①  복사온도 측정법

          : 대상 물체에서 나오는 적외선의 전 파장 영역의 복사량을 측정하여 흑체의 복사량과 상대 비교를 통해

            물체의 온도를 추정하는 방법인데, 이 방법은 물체의 복사량 측정범위에서 오차가 많이 발생할 수 있기

            때문에 어느 정도의 온도 정밀도를 필요로 하는 곳에는 사용하지 않는다.

    ②   물체의 밝기 온도 측정법

         : 플랑크 복사 법칙을 이용해서 측정하는 방법이다. 복사온도 측정법의 단점을 보완하기 위해 협대역 파장만

           복사량을 측정할 수 있도록 필터를 사용하고, 그 파장대의 흑체 복사량을 계산해서 물체의 온도를 추정하는

           방법이다.

    ③   컬러 온도 측정법

         : 기본적으로 밝기 온도 측정법과 유사한 방법이며, 하나의 파장 대역에서의 방사율 오차를 없애기 위해 두

           파장에서 나오는 복사량을 계산 및 측정해서 온도를 측정하는 방법으로 가장 정확하게 온도를 측정할 수

           있는 방법이다. 이때 사용하는 파장 대역은 서로 이웃하는 파장을 선택해서 방사율 ε1 = ε2로 가정하여  

           플랑크 복사 수식에서 온도를 계산하는 방법이다.

 

 6) 원적외선 열 센서 측정 방법

    ① 전압 및 온도를 사용하여 측정하는 방법

       : IR 센서가 적외선에 의해 얼마의 출력을 갖는지를 알기 위해 표준 장비(Black Body)를 통해 수광 능력을

         측정해야 한다. IR 센서의 출력은 주변 온도에 의해 매우 크게 변화한다. 따라서 IR 소자의 주변 온도에

         따른 Reference 값 도출이 필요하다.

     ② 전기 광학 테스트 소프트웨어를 사용하여 측정 하는 방법

       : 강력한 가시광선, 근적외선 및 적외선 카메라, ICCD, 고글 및 레이저 거리계 등 테스트 가능하다.

         흑체 및 가시광선, 근적외선 광원과 그 부속품(분광기, 표적 휠, 표준화 모듈 등)을 제어하여 테스트 중에

         전기 광학 장치에 전달되는 광학적 자극을 관리할 수 있다

 

 

   원적외선 열 센서 측정 방법으로는 크게 1). 전압 및 온도를 사용하여 측정하는 방법과 2). 전기 광학 테스트

소프트웨어를 사용하여 측정 하는 방법 두 가지가 있다. IR 온도 센서는 다른 접촉 식 온도 센서에 비해 고온,

구동부 및 접촉식 접촉 대상물이 상하는 경우 등 접촉으로 인한 온도 센싱이 어려운 많은 환경에 적용될 수 있는

센서이다. 또한 적외선을 이용하기 때문에 사람이 감지하기 힘든 어두운 환경에서도 사용이 가능한 장점이 있다.

하지만 그 특성상 주변 온도 변화에 따른 Offset 출력의 변화가 매우 커서 적절한 온도 보상을 하지 않으면 그

본래의 성능을 발휘할 수 없다. 적외선 온도 센서는 이 적외선을 검출하여 수 mV 대의 전압으로 만들고 이 신호를

증폭하고 적절히 보상하여 온도 값으로 환산하게 된다. 따라서 IR센서로 물체의 온도를 측정할 때에는 위에서

고려한 조건들과 물체가 가지고 있는 고유한 방사율을 알아야 정확한 온도 측정이 가능하다