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¿Cuáles son los distintos tipos de sensores de infrarrojos?

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Introducción a los diferentes tipos de sensores IR, incluidos los principios de funcionamiento, la composición de los materiales y el rendimiento en diversas aplicaciones.

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A medida que la tecnología de infrarrojos sigue evolucionando, los sensores de infrarrojos -componentes básicos de los sistemas de infrarrojos- se han ido aplicando ampliamente en la vigilancia de la seguridad, la inspección industrial y el diagnóstico médico. Estos sensores pueden convertir la radiación infrarroja invisible en señales eléctricas medibles, lo que básicamente proporciona a los humanos un par de ojos para ver la temperatura.
Sin embargo, existen diferentes tipos de sensores IR, cada uno con características distintas en cuanto a principios de funcionamiento, composición del material y rendimiento en diversas aplicaciones. Para ayudar a los lectores a comprender mejor el campo de los sensores infrarrojos, este artículo explicará los tipos de sensores infrarrojos, centrándose en los sensores infrarrojos de fotones y los sensores infrarrojos térmicos. Exploraremos sus principios básicos, materiales clave y ventajas de aplicación para proporcionar una guía completa de los tipos de tecnología de imagen térmica.

1.¿Qué es la radiación infrarroja?
Antes de profundizar en los distintos tipos de sensores infrarrojos, es esencial entender qué es la radiación infrarroja. La radiación infrarroja es un tipo de onda electromagnética situada entre la luz visible y las microondas en el espectro electromagnético. Al igual que las ondas de radio, la luz visible y los rayos X, pertenece a la categoría más amplia de ondas electromagnéticas. Como su longitud de onda se sitúa justo por encima del extremo rojo del espectro de luz visible, se denomina "infrarroja" (IR).
La radiación infrarroja abarca una amplia gama de longitudes de onda -de aproximadamente 0,8 a 1.000 micrómetros- y es un portador vital de información. En la tecnología de detección por infrarrojos, el espectro IR suele dividirse en infrarrojo cercano (NIR), infrarrojo medio (MIR), infrarrojo lejano (FIR) e infrarrojo extremo, en función de cómo se propaga a través de la atmósfera terrestre.
La radiación infrarroja contiene una gran cantidad de información física que nos ayuda a comprender mejor el mundo que nos rodea. Sin embargo, como el ojo humano no puede percibir directamente la radiación IR, dependemos de dispositivos especializados -llamados sensores infrarrojos o detectores IR- para convertir esta radiación invisible en señales eléctricas medibles. Esto permite observar y aplicar la tecnología de detección de infrarrojos en diversos campos.

2.Clasificación y principios de funcionamiento de los sensores de infrarrojos
Los sensores de infrarrojos son los componentes principales de los sistemas de detección e imagen por infrarrojos. Con una amplia variedad de sensores de infrarrojos disponibles, hay varias formas de clasificarlos en función de diferentes criterios:
-Por longitud de onda: infrarrojo cercano, infrarrojo medio, infrarrojo lejano e infrarrojo extremo
-Por temperatura de funcionamiento: sensores infrarrojos refrigerados criogénicamente y no refrigerados
-Por estructura: detectores de elemento único, detectores de matriz lineal y detectores de matriz de plano focal
-Por mecanismo de detección: sensores infrarrojos de tipo fotónico y sensores infrarrojos de tipo térmico
En esta sección, nos centraremos en explicar los principios de funcionamiento y las características de aplicación de los sensores infrarrojos de fotones y los sensores infrarrojos térmicos, dos de los tipos más importantes de sensores IR.

2.1 Sensores infrarrojos de fotones
Los sensores IR de tipo fotónico son dispositivos que convierten las señales luminosas entrantes en señales eléctricas basándose en el efecto fotoeléctrico de los materiales. Las propiedades eléctricas de un material vienen determinadas principalmente por el movimiento de sus electrones. Cuando los fotones infrarrojos inciden en la superficie del material, excitan los electrones, alterando el comportamiento eléctrico del material. Esto se conoce como efecto fotoeléctrico.

1. Sensores infrarrojos fotoconductores
Estos sensores funcionan basándose en el efecto fotoconductor. Ciertos materiales semiconductores presentan cambios significativos en su conductividad eléctrica cuando se exponen a la radiación infrarroja. Los detectores de infrarrojos fabricados con estos materiales se denominan sensores IR fotoconductores.

Los materiales más comunes son:
-Sulfuro de plomo (PbS)
-Seleniuro de plomo (PbSe)
-Antimonuro de indio (InSb)
-Telururo de mercurio y cadmio (Hg₁₋ₓCdₓTe)
-Germanio dopado (Ge)

Los sensores IR fotoconductores tienen una respuesta retardada debido al fenómeno de relajación, en el que la conductividad tarda en estabilizarse tras el inicio de la radiación y en recuperarse una vez que ésta cesa. Esto conlleva una velocidad de respuesta más lenta en comparación con otros métodos de detección IR.

2. Sensores de infrarrojos fotovoltaicos
Los sensores IR fotovoltaicos funcionan basándose en el efecto fotovoltaico. Cuando un material tiene un campo eléctrico interno, los pares electrón-hueco generados por la absorción de fotones tienden a moverse en direcciones opuestas, creando una diferencia de tensión. Esta tensión puede medirse como señal eléctrica si se conecta un circuito externo.

Materiales más utilizados:
-Arseniuro de indio (InAs)
-Telururo de mercurio y cadmio (Hg₁₋ₓCdₓTe)
-Antimonuro de indio (InSb)

En comparación con los tipos fotoconductores, los sensores IR fotovoltaicos suelen ofrecer velocidades de respuesta más rápidas y son más adecuados para aplicaciones de detección de alta velocidad, ya que el efecto fotovoltaico es un proceso de portador minoritario.

3. Sensores infrarrojos fotoemisivos
Los sensores IR fotoemisivos utilizan el efecto de fotoemisión. Cuando los fotones con frecuencia vvv inciden sobre la superficie de un sólido, los electrones pueden absorber la energía (hv) y ganar suficiente energía cinética para superar la barrera de potencial superficial, escapando al vacío en forma de fotoelectrones.
Aunque los sensores de tipo fotónico ofrecen ventajas como respuesta rápida, tamaño compacto, alta fiabilidad y gran adaptabilidad, son sensibles al ruido térmico. A temperatura ambiente, los electrones excitados térmicamente pueden aumentar la corriente oscura y degradar el rendimiento. Por ello, estos sensores suelen requerir refrigeración criogénica para funcionar a su máximo rendimiento, lo que aumenta el coste y la complejidad del sistema.
A pesar de ello, los sensores infrarrojos fotoemisivos siguen siendo muy utilizados en aplicaciones de gama alta debido a su excepcional sensibilidad y velocidad de respuesta, lo que los hace ideales para tecnologías avanzadas de imagen térmica.

2. 2 Sensores infrarrojos térmicos
A diferencia de los sensores IR de tipo fotónico, que convierten la energía de los fotones directamente en fotoelectrones mediante el efecto fotoeléctrico, los sensores infrarrojos térmicos se basan en los efectos térmicos de la radiación infrarroja. Detectan la energía infrarroja mediante cambios de temperatura y su conversión en otras magnitudes físicas. Existen tres tipos principales de sensores infrarrojos térmicos: sensores infrarrojos piroeléctricos, sensores infrarrojos de termopila y sensores infrarrojos de microbolómetro. Entre ellos, los microbolómetros son el tipo más prometedor y de más rápido desarrollo, ya que ofrecen un excelente rendimiento en las modernas tecnologías de imagen térmica.

1. Sensores infrarrojos piroeléctricos
Algunos materiales cristalinos, como el sulfato de triglicina (TGS) y el titanato de bario y estroncio (BST), presentan el efecto piroeléctrico. Cuando estos materiales se cortan a lo largo de ejes específicos y se intercalan entre electrodos para formar un condensador, cualquier cambio de temperatura en el cristal hace que aparezca un voltaje a través del condensador. Esto se debe a la polarización espontánea y al desplazamiento de la carga superficial provocados por las variaciones de temperatura.
Los materiales piroeléctricos se dividen en tres categorías: monocristales, cerámicos y piroeléctricos de película fina. Entre ellos, los materiales cerámicos BST se utilizan ampliamente gracias a su maduro proceso de fabricación y su excelente rendimiento.
Los sensores IR piroeléctricos ofrecen una amplia respuesta espectral, un funcionamiento estable a temperatura ambiente, una rápida velocidad de respuesta, un bajo nivel de ruido y circuitos de lectura relativamente sencillos. Sin embargo, dado que requieren un chopper mecánico para modular la radiación entrante, los sistemas de formación de imágenes basados en sensores piroeléctricos suelen ser más complejos que los que utilizan termopilas o microbolómetros.

2. Sensores infrarrojos de termopila
Los sensores infrarrojos de termopila funcionan basándose en el efecto Seebeck, un fenómeno termoeléctrico en el que se genera una tensión debido a una diferencia de temperatura entre dos uniones formadas por conductores o semiconductores distintos. Cuando un extremo del termopar se calienta por radiación infrarroja y el otro permanece frío, el gradiente térmico resultante impulsa portadores de carga, creando una tensión medible a través de los extremos abiertos.
Aunque los sensores IR de termopila son sencillos y fiables, suelen tener menor sensibilidad y velocidades de respuesta más lentas que otros detectores infrarrojos térmicos, lo que limita su competitividad en aplicaciones de alto rendimiento.

3. Sensores infrarrojos de microbolómetro
Los microbolómetros (también llamados detectores térmicos resistivos) detectan la radiación infrarroja basándose en los cambios de resistencia dependientes de la temperatura de los materiales termosensibles. Estos materiales suelen fabricarse en forma de láminas delgadas. Mientras que las películas metálicas tienen coeficientes de resistencia a la temperatura (TCR) bajos y se utilizan sobre todo en los primeros prototipos, las películas semiconductoras como el óxido de vanadio (VOx) y el silicio amorfo (a-Si) ofrecen TCR más altos y se han convertido en la corriente principal en la fabricación de microbolómetros.
Los conjuntos de planos focales infrarrojos no refrigerados (IR FPA) de alto rendimiento se basan principalmente en tecnologías piroeléctricas y de microbolómetros. En comparación con los sensores piroeléctricos, los microbolómetros ofrecen varias ventajas:
-Más fáciles de producir en serie y de integrar
-Menores costes de fabricación
-Mayor vida útil
-Reducción de la borrosidad y las imágenes fantasma
-Tiempo de respuesta más rápido
-Mayor rango dinámico
-Mayor sensibilidad térmica
Como resultado, los microbolómetros se han convertido en la opción preferida en muchas aplicaciones de imagen térmica que requieren una detección infrarroja precisa y eficaz.

3. Sensores infrarrojos fotónicos frente a térmicos
Al comparar los distintos tipos de sensores IR, los sensores infrarrojos de fotones y los sensores infrarrojos térmicos tienen cada uno características y ventajas de aplicación distintas.

**Sensores infrarrojos de fotones
Los detectores de fotones son muy sensibles tanto a la temperatura de funcionamiento como a la longitud de onda. Sus principales características son:
1.El rendimiento de la detección depende en gran medida de la temperatura de funcionamiento: reducir la temperatura del sensor mejora significativamente su capacidad de detección.
2.La tasa de detección aumenta a medida que disminuye la longitud de onda: a la misma temperatura, las longitudes de onda más cortas dan lugar a una mayor sensibilidad del detector.
En consecuencia, los sensores infrarrojos de tipo fotónico se utilizan ampliamente en sistemas infrarrojos refrigerados de alto rendimiento, especialmente en los rangos infrarrojo de onda media (MWIR) e infrarrojo de onda larga (LWIR), así como en algunas aplicaciones infrarrojas de onda corta (SWIR) de alto rendimiento, tanto refrigeradas como no refrigeradas.

**Sensores infrarrojos térmicos
Por el contrario, los sensores infrarrojos térmicos presentan una capacidad de detección relativamente plana en diferentes longitudes de onda y responden lentamente a los cambios de temperatura. Sus principales características son:
1.La detectividad es estable en una amplia gama de longitudes de onda, lo que significa que el rendimiento no fluctúa significativamente con la longitud de onda.
2.Baja sensibilidad a las variaciones de temperatura, lo que indica que la refrigeración tiene un impacto mínimo en el rendimiento.
Estas características hacen que los detectores térmicos sean especialmente ventajosos en aplicaciones infrarrojas de onda larga no refrigeradas, en las que se da prioridad a la estabilidad, la sencillez y la rentabilidad.

En resumen, los sensores infrarrojos de fotones destacan en aplicaciones de precisión de gama alta por su rápida respuesta y alta sensibilidad, pero suelen requerir refrigeración y son más caros. Por su parte, los sensores infrarrojos térmicos son ideales para implantaciones rentables a gran escala, ya que ofrecen una larga vida útil, no necesitan refrigeración y ofrecen un rendimiento estable, por lo que son idóneos para los mercados civil, industrial y de consumo.

4.Productos recomendados por Raythink
Para los usuarios que buscan soluciones de vigilancia por infrarrojos fiables, rentables y que no requieran mantenimiento, recomendamos encarecidamente nuestra gama de dispositivos de imagen térmica no refrigerados. Estos productos utilizan tecnología avanzada de sensores infrarrojos térmicos y son ideales para diversas aplicaciones industriales, de seguridad y vigilancia.

**Cámara panorámica infrarroja silenciosa serie W-U6
-Diseñada para la prevención de incendios forestales y la vigilancia perimetral
-Sistema dual de imágenes térmicas y de luz visible
-AI-ISP con NPU para mejorar el rendimiento con poca luz
-Detección inteligente de personas, vehículos, embarcaciones, humo e incendios

**FC125T Cámara de torreta de doble espectro
-Combina imágenes térmicas por infrarrojos y luz visible HD
-Incorpora un avanzado detector térmico infrarrojo pasivo
-Múltiples funciones de enlace de alarmas para alertas en tiempo real
-AI-ISP con NPU para mejorar el rendimiento con poca luz
-Detección inteligente de personas, vehículos, embarcaciones, humo e incendios
-Algoritmos de detección de humo e incendios integrados
-Capacidad de análisis de comportamiento biespectral

**Cámara Speed Dome de doble espectro PD464T
-Resolución térmica 640×512 con objetivo motorizado de 50 mm
-Cámara de luz visible con zoom óptico de 37× integrado
-Diseño PTZ de alta velocidad para una supervisión rápida y de largo alcance
-Algoritmos inteligentes integrados para clasificación y reconocimiento de objetos

** Cámara PTZ multiespectro de la serie PC5
-Diseñada para la prevención de incendios forestales y la vigilancia perimetral
-Sistema dual de imágenes térmicas y de luz visible (lente térmica de hasta 150 mm)
-Dispositivo opcional de telémetro láser e iluminación láser
-Reconocimiento inteligente de personas, vehículos, embarcaciones, humo y puntos de incendio

5.Conclusión
Raythink está profundamente dedicado al avance de la visión nocturna por infrarrojos, la medición de la temperatura por infrarrojos, las imágenes de gas y las tecnologías de detección láser. Comprometidos con la innovación, ofrecemos a nuestros clientes de todo el mundo componentes profesionales de detección por infrarrojos y láser, sistemas completos, plataformas de software y soluciones industriales inteligentes.
Nuestra completa cartera de productos se aplica ampliamente en diversos sectores, como la industria inteligente, la robótica inteligente, la detección de gases por imágenes, la seguridad contra incendios, las energías renovables, la neutralidad del carbono, la protección del medio ambiente y la salud médica.
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