970 Guida al rilevamento dell'umidità a LED da nm

UN 970 Il LED nm è un emettitore nel vicino infrarosso mirato alla banda debole di assorbimento dell'acqua centrata vicino 970 nm. Questa debolezza è il punto. Dove 1450 nm satura in una frazione di millimetro d'acqua, 970 nm penetra nell'ordine dei centimetri, quindi misura l'umidità attraverso la maggior parte del campione anziché sulla sua superficie. È anche l’ultima banda d’acqua utile che il silicio vede ancora, che mantiene il rilevatore un fotodiodo economico o un imager CMOS standard invece di un array InGaAs. Questa guida illustra la struttura della banda d'acqua e il motivo per cui la forza della banda determina lo spessore del campione, rilevamento di silicio e InGaAs a 970 nm, accoppiamento lunghezza d'onda di riferimento per misure raziometriche, cosa specificare (lunghezza d'onda centrale, FWHM, potenza radiante, coefficiente di temperatura, pacchetto), e come 970 nm confronta con 940, 1050, 1200, E 1450 nm.

Per dove 970 nm si trova nella gamma più ampia del vicino infrarosso e come funziona la selezione della lunghezza d'onda attraverso la banda, vedere la nostra guida sui LED NIR.

Le fasce d'acqua, e perché quello debole è utile

L'acqua liquida viene assorbita attraverso il vicino infrarosso in una serie di bande armoniche e combinate del tratto OH. Non sono uguali. Ogni armonico successivo verso lunghezze d'onda più corte è all'incirca un ordine di grandezza più debole di quello sottostante, e quella scala di punti di forza è l'intera base della selezione della lunghezza d'onda per il lavoro sull'umidità.

Leggi la colonna di penetrazione e la regola di progettazione si scrive da sola. La forza di assorbimento e lo spessore utilizzabile del campione si confrontano direttamente. Una banda forte dà un contrasto elevato per unità d'acqua ma si satura quasi immediatamente, quindi riporta su uno strato superficiale. Una banda debole dà meno contrasto per unità d'acqua ma rimane all'interno della parte lineare della legge di Beer-Lambert attraverso un campione spesso, quindi riporta la maggior parte.

È per questo 970 nm e 1450 nm non sono concorrenti. Rispondono a domande diverse. Se la misurazione è “quanto è bagnata la superficie di questa rete, film, o rivestimento,” la risposta è 1450 nm. Se la misurazione è “qual è il contenuto di umidità di questo chicco di grano, questo pezzo di legno, questa bottiglia di solvente, questo volume di tessuto," 1450 nm non supera mai lo strato esterno e 970 nm è la lunghezza d'onda di lavoro.

Un avvertimento sui numeri di penetrazione. Sono profondità di solo assorbimento in acque limpide. I campioni reali si disperdono, e in un mezzo di dispersione come il grano, polvere, o nel tessuto il percorso del fotone è molto più lungo dello spessore geometrico mentre la profondità utile è molto più breve di quanto indicato dalla tabella. Tratta la colonna come una classifica delle bande, non come specifica per il tuo campione.

Perché 970 nm ti mantiene sul silicio

Il secondo motivo per scegliere questa fascia non ha nulla a che fare con l'acqua. È il rilevatore.

La risposta del silicio svanisce all’incirca 900 nm ed è passato circa 1100 nm, e ogni fascia d'acqua sopra 1100 nm impone quindi un rivelatore InGaAs nel progetto. 970 nm si trova all'interno dell'ultimo tratto di risposta del silicio utilizzabile. Questo singolo fatto cambia la distinta base di uno strumento per l'umidità.

Per uno strumento iperspettrale o multispettrale questo è il punto decisivo. Aggiunta di un canale d'acqua a 1450 nm significa aggiungere un sensore InGaAs, il suo raffreddamento, la sua ottica, e il suo costo per un sistema che altrimenti sarebbe stato di silicio. Aggiunta di un canale d'acqua a 970 nm significa aggiungere un ulteriore LED all'illuminatore esistente e leggerlo sulla telecamera già presente in macchina. Il contrasto è più debole, ma il costo di integrazione è vicino a zero.

Che 970 nm di cui è composto il LED

UN 970 L'emettitore nm è costruito su arseniuro di gallio, con una regione attiva del pozzo quantico InGaAs tesa. Questo è lo stesso sistema materiale dietro il 980 diodi pompa nm utilizzati negli amplificatori in fibra, ed è maturo, volume elevato, tecnologia ben educata.

Tre conseguenze sono importanti per la progettazione.

L'efficienza è buona. Gli emettitori nel vicino infrarosso basati su GaAs convertono l'energia elettrica in energia ottica in modo molto più efficace rispetto ai dispositivi SWIR basati su InP di cui sopra 1100 nm. Costo per milliwatt a 970 nm è un ordine di grandezza diverso dal costo per milliwatt a 1450 nm, e la potenza radiante disponibile per pacco è molto più elevata.

È completamente invisibile. Non c'è bagliore residuo 970 nm, a differenza del debole rosso visibile da un 850 emettitore nm. Per strumenti posizionati vicino alle persone o in vista di una telecamera a colori, questo è un vantaggio pratico.

È spettralmente ampio e incoerente. Aspettatevi una larghezza intera a metà massimo dell'ordine di 40 A 70 nm, confermato sulla scheda tecnica specifica. Non c'è macchiolina e nessun rumore modale, e il diagramma di radiazione è lambertiano piuttosto che un raggio.

Quella larghezza di linea ampia viene solitamente considerata uno svantaggio, e a 970 nm per lo più non lo è. La fascia d'acqua qui è di per sé ampia, sull'ordine di 60 A 80 nm di larghezza, quindi un LED con a 50 nm FWHM si trova all'interno dell'elemento anziché estendersi su di esso e sulla linea di base vicina. Confrontalo con stretto, caratteristiche di assorbimento con picchi netti nel rilevamento del gas, dove la larghezza di linea di un LED distrugge effettivamente la misurazione ed è necessario un laser. L’acqua nel vicino infrarosso è un problema di ampia portata, e una soluzione ad ampio spettro è adatta a questo scopo.

Due parti correlate sono facili da confondere con questa. UN 980 il diodo laser a pompa nm è una linea stretta, alta luminosità, dispositivo accoppiato in fibra per il pompaggio dell'amplificatore, non un illuminatore diffuso. E un 940 LED nm, che il catalogo offre in modo molto più approfondito, si trova appena sotto la fascia d'acqua su una linea di base relativamente piatta, il che lo rende un cattivo emettitore di umidità e un eccellente emettitore di riferimento. Questo secondo punto costituisce la base della sezione successiva.

Misura raziometrica e accoppiamento lunghezza d'onda di riferimento

Una lettura di trasmissione a lunghezza d'onda singola a 970 nm non è una misurazione dell'umidità. È una misura di tutto ciò che ha attenuato il raggio: acqua, ma anche diffusione dovuta alla dimensione delle particelle e alla densità di impaccamento, tessitura superficiale, variazione dello spessore del campione, incrostazione delle finestre, Deriva dell'uscita LED in base alla temperatura e all'età, e deriva della reattività del rivelatore.

La soluzione standard è un rapporto a due lunghezze d'onda. Misura a 970 nm, dove l'acqua assorbe, e ad una lunghezza d'onda di riferimento vicina dove essenzialmente non è così. Tutto ciò che è comune ad entrambi i canali si divide, e ciò che rimane tiene traccia del contenuto di acqua.

Il parentesi con riferimenti su entrambi i lati è migliore di un singolo riferimento quando la linea di base del campione è inclinata in base alla dimensione o al colore delle particelle, che è comune nei lavori agricoli e in polvere. Due riferimenti definiscono una linea di base locale sotto il 970 picco nm, e la profondità del picco al di sotto della linea di base è il segnale di umidità.

Tre dettagli di implementazione decidono se il rapporto effettivamente annulla qualcosa:

Condividere il percorso ottico. I canali devono vedere lo stesso volume di campione attraverso la stessa finestra con la stessa geometria. Percorsi ottici separati reintroducono esattamente gli errori di modo comune che il rapporto avrebbe dovuto rimuovere.

Multiplex nel tempo, non solo nello spazio. Guidando gli emettitori in sequenza e leggendo un rilevatore si eliminano le differenze di reattività tra rilevatore. La modulazione e l'utilizzo del rilevamento sincrono o bloccato rifiutano anche la luce ambientale e il rumore 1/f, che conta in una fabbrica con lampade calde e luce del giorno.

Calibrare rispetto a un metodo di riferimento. Il rapporto è un proxy. Deve essere regredito contro l'essiccazione in forno, Titolazione Karl Fischer, o qualunque cosa il tuo settore consideri come metodo principale, sul tuo materiale, nel range di umidità. Tale calibrazione è specifica del materiale e non viene trasferita tra i prodotti.

Dove 970 nm è la lunghezza d'onda di lavoro

Il filo conduttore di quell'elenco è lo spessore. Ognuno di questi campioni è profondo da millimetri a centimetri, e la misurazione riguarda ciò che c'è dentro. Spingere verso i campioni più sottili, rivestimenti, film, e gli strati superficiali e la lunghezza d'onda corretta si sposta lungo la scala di banda 1450 nm o 1940 nm.

Sicurezza ottica a 970 nm

Questo è l'unico posto dove 970 nm è meno confortevole delle lunghezze d'onda dell'umidità SWIR, e vale la pena dirlo chiaramente perché cattura le squadre che migrano verso il basso 1450 nm.

Il margine di sicurezza per gli occhi che gli ingegneri associano allo SWIR deriva dall'assorbimento di acqua nella cornea e nell'umor acqueo più o meno 1400 nm, che ferma la luce prima che raggiunga la retina. 970 nm è ben al di sotto di tale soglia. Si trova all'interno della regione di rischio per la retina, è focalizzato dall'occhio sulla retina, e poiché è completamente invisibile non innesca alcun riflesso di ammiccamento e nessuna risposta di avversione.

UN 970 L'illuminatore nm necessita quindi dello stesso trattamento di un illuminatore 850 O 940 illuminatore nm: classificazione dei gruppi di rischio secondo la CEI 62471, o classificazione dei prodotti laser secondo IEC 60825-1 se la sorgente è un laser, valutato all'intensità radiante e alla distanza di visione che il prodotto effettivamente presenta. Gli array ad alta potenza per l'ispezione in linea meritano un'attenzione particolare, poiché è facile assemblare una serie di emettitori la cui produzione combinata supera i limiti del gruppo esente anche se ciascun die è innocuo.

Specificando a 970 LED nm

Il coefficiente di temperatura merita enfasi perché interagisce con la misurazione in un modo facile da diagnosticare erroneamente. IL 970 la banda nm ha fianchi ripidi. Una sorgente la cui lunghezza d'onda centrale cammina 5 nm mentre lo strumento si riscalda sta campionando una parte diversa della caratteristica di assorbimento, e la lettura si sposta anche se il campione non è cambiato. Se il canale di riferimento è un sistema materiale diverso o si trova su una parte piatta dello spettro, non andrà alla deriva allo stesso modo e il rapporto non ti salverà. Stabilizzare l'emettitore, oppure caratterizzare la deriva e correggerla nel firmware.

Come 970 nm si confronta con le lunghezze d'onda vicine

Due confini cadono da quella tabella. Il confine del silicio si trova in mezzo 970 E 1050 nm, ed è un limite di costo oltre che tecnico. Il confine di sicurezza per gli occhi è vicino 1400 nm, fra 1200 E 1450 nm. 970 nm è l'unica vera fascia d'acqua che rientra nella parte economica di entrambi, ed è esattamente il motivo per cui esiste come lunghezza d'onda di rilevamento piuttosto che come curiosità, ed è anche il motivo per cui il lavoro sulla sicurezza degli occhi spetta a te.

Domande frequenti

A cosa serve un LED da 970 nm?

Rilevamento dell'umidità e dell'assorbimento d'acqua, quasi esclusivamente. 970 nm coincide con una debole banda armonica del tratto OH in acqua, abbastanza debole da consentire alla luce di penetrare ancora per circa due centimetri di acqua pura, quindi misura l'umidità attraverso la maggior parte del campione anziché sulla sua superficie. Gli usi tipici sono i misuratori di umidità per cereali e semi, misurazione dell'umidità del legname, rilevamento dell'acqua nel carburante e dell'acqua nell'olio, frazione di acqua tissutale in strumenti biomedici, rilevamento dello stato dell'acqua delle piante, e l'aggiunta di un canale d'acqua a un sistema di imaging multispettrale basato su silicio. Non è una parte di illuminazione.

Perché utilizzare un LED da 970 nm invece di 1450 nm per la misurazione dell'umidità?

Spessore del campione. IL 1450 la banda nm è circa sessanta volte più forte, che suona meglio ma significa che si satura all'incirca 0.4 mm di acqua. Riferisce su uno strato superficiale e non ti dice nulla sull'interno di un chicco di grano o di un pezzo di legno. 970 nm rimane nell'utilizzabile, parte approssimativamente lineare della legge di Beer-Lambert attraverso centimetri di materiale. Il secondo motivo è il costo: 1450 nm richiede un rilevatore InGaAs, Mentre 970 nm funziona con un fotodiodo al silicio economico o un imager CMOS standard. Scegliere 1450 nm per i film, rivestimenti, e reti. Scegliere 970 nm per campioni sfusi.

Un fotodiodo al silicio può rilevare un LED da 970 nm?

SÌ, e questo è uno dei motivi principali per scegliere questa lunghezza d'onda. Un fotodiodo PIN al silicio regge all'incirca 0.5 A/W alle 970 nm, passato il suo picco vicino 900 nm ma comunque comodamente utilizzabile. Gli imager CMOS al silicio sono più deboli: efficienza quantistica a 970 nm è in genere inferiore 10% su un sensore standard illuminato frontalmente, salendo a circa 20 A 30% su una variante NIR potenziata o a deplezione profonda. Per l'imaging a questa lunghezza d'onda, specificare la versione del sensore NIR potenziato e verificare la curva QE pubblicata anziché dare per scontato.

Quale lunghezza d'onda di riferimento dovrei accoppiare con un LED da 970 nm?

Qualcosa di vicino dove l'acqua assorbe a malapena, quindi quella dispersione, lunghezza del percorso, incrostazione delle finestre, e l'invecchiamento della fonte si annullano nel rapporto. Sul lato corto, 850, 910, O 940 nm tutti funzionano e sono ben forniti. Sul lato lungo, 1050 nm racchiude la fascia dall'alto, sebbene abbia oltrepassato il bordo del silicio e necessiti di un proprio rilevatore. Se la linea di base ottica del campione cambia con la dimensione o il colore delle particelle, che è normale per cereali e polveri, utilizzare riferimenti su entrambi i lati di 970 nm, quindi entrambi definiscono una linea di base locale e la profondità del picco sottostante diventa il segnale di umidità.

È un LED da 970 nm sicuro per gli occhi?

Non intrinsecamente, e dovrebbe essere trattato con maggiore cautela rispetto a un emettitore di umidità SWIR. Lunghezze d'onda superiori approssimativamente 1400 nm vengono assorbiti nella cornea prima di raggiungere la retina, da qui la reputazione di sicurezza degli occhi 1450 nm e 1550 nm viene da. 970 nm è al di sotto di tale soglia, quindi raggiunge e si concentra sulla retina, e poiché è completamente invisibile non produce alcun riflesso di ammiccamento o risposta di avversione. Classificare a 970 illuminatore nm secondo IEC 62471 all'intensità radiante e alla distanza di visione che il prodotto effettivamente presenta, e prestare particolare attenzione agli array multi-die, la cui produzione combinata può superare i limiti del gruppo esente anche quando ciascun emettitore è individualmente innocuo.

Dove 970 nm si inserisce nel portafoglio

970 nm è una lunghezza d'onda di misurazione, non una lunghezza d'onda di illuminazione. È selezionato perché l'acqua viene assorbita debolmente, e debolmente è ciò di cui ha bisogno una misurazione di massa. Se la dichiarazione del problema contiene le parole contenuto di umidità, frazione dell'acqua, nocciolo, campione sfuso, acqua nell'olio, o idratazione dei tessuti, e il campione ha uno spessore da millimetri a centimetri, questa è la fascia da valutare per prima. Se contiene rivestimento, film, web, o umidità superficiale, la risposta giusta è 1450 nm. Se contiene illuminazione nascosta o rilevamento di prossimità senza acqua all'interno, il problema è affatto, 850 E 940 nm sono più economici e meglio forniti.

Per i pacchetti disponibili, schede tecniche, e campionare le richieste nella gamma del vicino infrarosso, vedere la categoria prodotti LED NIR.