¿Qué tan rápido podemos medir usando sensores IR?

Desde un punto de vista fundamental, prácticamente no hay límite de velocidad para la detección IR (es decir, convertir la intensidad de la luz en una señal eléctrica). La frecuencia de la luz es tan alta (en el rango de 100 THz) que prácticamente no hay límite, dadas las frecuencias de modulación de luz típicas que pueden manejarse eléctricamente.

Los fotodetectores más rápidos para el IR que conozco tienen frecuencias de corte en el rango de 100 GHz . Esto corresponde a tiempos de subida del orden de picosegundos.

Bueno, este es un ejemplo extremo. En la práctica, debe tener en cuenta otras limitaciones, por ejemplo, el tamaño del detector (más pequeño es más rápido) que tiene un impacto en el campo de visión con la óptica aplicada, la longitud de onda de corte (los diferentes materiales del detector tienen diferentes "velocidades"), la el nivel de ruido del detector (hay tipos de detectores que son muy rápidos pero no de bajo nivel de ruido), la ganancia de amplificación deseada (el producto del ancho de banda de ganancia suele estar limitado de alguna manera) o el precio del detector.

A menudo, el amplificador impone la limitación del ancho de banda y, para las altas velocidades, se requiere un módulo integrado (es decir, detector y amplificador).

Además de la otra respuesta, las limitaciones prácticas incluyen niveles de corriente, capacitancia de unión de diodos y resistencia de carga como punto de ruptura. Por lo tanto, algunos tienen un tiempo de subida> 10 veces el tiempo de caída.

Un PD típico de 5 mm como el LTR-323DB tiene una capacitancia de unión de 50 pF y se puede utilizar hasta 3 MHz.

Al convertir la corriente de PD en voltaje del amplificador de impedancia trans (TIA), que es un OpAmp Vin-/Rf y hacer que Rf sea bajo (xxx ohmios), puede conectar en cascada más ganancia para obtener un voltaje más utilizable para detectar.

Si tiene un haz óptico angosto restringido por una apertura de PD de 5 mm y un PD empotrado y un ancho de haz de emisor angosto de <10 grados. , es posible definir una pequeña ruta en el medio, ahora puede calcular la velocidad. Pero dado que la potencia del emisor es la variable más importante, necesita AGC. Esto plantea un problema con la detección, pero se resuelve fácilmente al tener 2 emisores iguales, pulsados ​​alternativamente, uno bloqueado y el otro no, de modo que el AGC siempre tenga una entrada estable para comparar la caída. Luego, necesita un patrón de sincronización simple para distinguir una fuente de la otra, como la duración del tiempo.

Ahora "puede" detectar la pérdida de transmisión relativa del objeto no solo en pulsos cortos ~1us, sino también a alta velocidad en una apertura muy pequeña, como 1 mm en el camino entre el uso de un PD empotrado de 5 mm y 10 grados y la detección de una caída del 50 % en la pérdida de transmisión. . 1 mm/us es 1 km/s, que es bastante rápido si se asume una SNR alta con lentes que bloquean la luz del día en PD.

Anecdótico

Ahora eso me parece demasiado rápido, pero solo lo hice con una ruta de 1 m y detecté un cable de 1 mm que pasaba rápido por el medio usando pulsos de 100us para verificar el diseño óptico. Funcionó. Con múltiples detectores detecté la dirección.

Aquí hay algunos datos sobre el silicio.

La constante de tiempo térmica de un metro cúbico de silicio es de 11.400 segundos.

La constante de tiempo térmica de un centímetro cúbico de silicio es 100*100 más rápida, o 11 400/10 000 = 1,14 segundos

La constante de tiempo térmica de un milímetro cúbico de silicio es aún 10*10 más rápida, o 1,14 segundos/100 = 11,4 milisegundos.

La constante de tiempo térmica de una micra cúbica de silicio (quizás la profundidad de unión de algún detector) es de 11,4 nanosegundos.