Capteur infrarouge

Présentation des capteurs infrarouges

Les capteurs infrarouges détectent et mesurent un rayonnement à des longueurs d'onde « en-deçà » de celle de la lumière rouge visible (« infra » signifie en latin « en dessous »). Ils sont non seulement capables de détecter des mouvements, mais peuvent aussi mesurer la quantité de chaleur émise par un objet : le rayonnement infrarouge correspond à un rayonnement thermique.

Les capteurs qui se contentent de recevoir des rayons infrarouges sans produire de rayonnement thermique par eux-mêmes sont qualifiés de détecteurs infrarouges passifs (PIR, Passive Infra-Red), et sont couramment utilisés aux entrées extérieures de bâtiments pour déclencher des lumières et éclairer des allées ou les entrées de portes lorsque quelqu'un s'approche dans le noir. S'ils sont reliés à un dispositif d'alarme, ils servent d'alarme anti-intrusion pour assurer la sécurité de bâtiments.

Le capteur reçoit typiquement le rayonnement infrarouge par une ouverture sur l'avant du composant ; mais le capteur lui-même, qui interprète et mesure ce rayonnement, est situé au centre de l'appareil. En fait, plusieurs capteurs peuvent être présents dans un même périphérique, souvent fabriqués à partir de matériaux « pyroélectriques » qui produisent des tensions variables en réponse à des changements de chaleur ou à une absence de chaleur.

Souvent, lorsque la surface pyroélectrique identifie une source de chaleur dans une zone de son champ de vision, elle peut envoyer un signal par le câblage sur la carte de son circuit imprimé, dans lequel se trouve un détecteur de mouvement, et ainsi déclencher une alarme. Les capteurs de ce type sont largement utilisés dans les systèmes de sécurité.

 

Historique

L'astronome allemand William Herschel a découvert l'existence d'un rayonnement au-delà de la lumière rouge visible en 1800 alors qu'il étudiait la composition de la lumière solaire. Les premiers détecteurs IR étaient initialement utilisés comme composants de thermomètres. Mais en 1831, le physicien italien Macedonio Melloni a conçu une thermopile multi-éléments capable de détecter la chaleur émise par une personne se tenant à dix mètres de l'instrument. En 1913, alors que le traumatisme du naufrage du Titanic de 1912 était encore vif dans l'opinion publique, un appareil conçu à partir d'un miroir et d'une thermopile a été développé pour les navires océaniques afin de détecter la présence d'autres bateaux et d'icebergs. Un détecteur d'icebergs à infrarouges sans thermopile a été breveté un an plus tard. Et en 1934, la même technologie a été utilisée pour détecter la présence de feux de forêt.

Les capteurs infrarouges ont commencé à être développés pour les caméras infrarouges par l'armée américaine en collaboration avec la société de technologie Texas Instruments en 1947, un processus qui s'est accéléré pendant la guerre de Corée de 1950-1953. Dans les années 1970, la technologie avait considérablement progressé et des caméras capables d'effectuer des balayages pyro-électriques avec des performances impressionnantes ont été commercialisées à grande échelle.

Aujourd'hui, les « capteurs intelligents » représentent la technologie de capteur infrarouge la plus avancée. Ils sont non seulement capables de détecter le rayonnement IR, mais grâce à l'intégration du capteur avec la technologie informatique numérique à haute vitesse, ils peuvent aussi traiter et interpréter ce signal. Ces avancées ont ouvert la voie à de nouveaux développements dans les domaines du diagnostic fonctionnel en médecine, de l'évitement des collisions et des systèmes de guidage de véhicules.

 

Aspects techniques

Bien que le rayonnement infrarouge existe dans l'intervalle de 0,7 à 1000 microns, la gamme des mesures de température est confinée à l'intervalle 0,7 - 14 microns. Les capteurs infrarouges typiques incorporent cinq composants essentiels. Premièrement, dans les capteurs actifs qui produisent leur propre rayonnement thermique, la source infrarouge qui est définie comme tout objet à une température supérieure à 0 °K (tous les objets émettent un rayonnement infrarouge). En général, des LED ou des lasers à des longueurs d'onde IR spécifiques sont utilisés comme source infrarouge dans ces capteurs.

Ensuite, le capteur infrarouge, qu'il soit actif ou passif, nécessite un milieu de transmission.  La transmission infrarouge se produit principalement dans trois milieux : l'atmosphère, le vide et les fibres optiques. Dans l'atmosphère, la vapeur d'eau, le CO2 et les éléments traces atmosphériques influencent tous la transmission infrarouge, car toutes les molécules associées absorbent le rayonnement. Les longueurs d'onde infrarouges qui ne sont pas absorbées sont nommées fenêtres infrarouges, et constituent les parties du spectre IR principalement utilisées par les capteurs thermiques à distance et les applications d'imagerie thermique.

Pour les capteurs intégrés aux composants d'imagerie thermique, les rayons IR doivent être focalisés par des lentilles optiques, qui constituent le troisième composant. Elles sont généralement fabriquées en fluorure de calcium, en quartz, en polyéthylène (conception de type Fresnel), en germanium ou en silicium, et sont incorporées dans le capteur conjointement avec des miroirs en or ou en aluminium.

Le quatrième composant essentiel des capteurs infrarouges est le matériau de détection lui-même, qui doit respecter les spécifications relatives à la photosensibilité infrarouge. Ceci est nommé « sensibilité » (responsivity), une quantité calculée en calculant le rapport entre la tension de sortie et le courant par watt d'énergie incidente. Plus la valeur est élevée, plus le matériau convient à la détection d'infrarouges. La « détectivité » (detectivity) ou « D* » (D-étoile), une autre spécification importante pour le matériau détecteur, est une mesure du degré de photosensibilité par unité de surface du détecteur. Les détecteurs infrarouges sont aussi conçus pour capturer différents segments du spectre infrarouge, et doivent être stables dans différents environnements thermiques ainsi que présenter une linéarité correcte dans la mesure des infrarouges (c'est-à-dire que les mesures doivent correspondre de manière exacte et proportionnelle à la quantité de rayonnement IR reçu). Le temps de réponse des composants et les mécanismes de refroidissement sont aussi des paramètres importants.

Enfin, le signal en sortie du capteur étant généralement très faible, il est nécessaire de traiter ou d'améliorer le signal : ceci est généralement réalisé par des préamplificateurs, qui renforcent les signaux reçus du photodétecteur.

 

Domaines d'utilisation des capteurs infrarouges en fabrication industrielle

En plus des utilisations dans les domaines militaires, de la surveillance et de la sécurité ainsi qu'en thermographie médicale et vétérinaire, les capteurs infrarouges sont utilisés dans les systèmes d'avertissement des défaillances prématurées pour les machines industrielles et l'équipement électrique, dans la fabrication de véhicules automobiles et le contrôle qualité de nombreux procédés de fabrication.

 

Différence entre le capteur infrarouge et les autres capteurs

De nombreux capteurs mesurent un rayonnement électromagnétique, mais les capteurs thermiques infrarouges limitent la détection et la mesure à une gamme spécifique de rayonnement au-delà des longueurs d'onde rouges visibles de la lumière : le rayonnement entre 0,7 et 14 microns.