LED de 1000-1750NM de giro
UM 970 nm LED é um emissor infravermelho próximo direcionado à banda fraca de absorção de água centrada perto 970 nm. Essa fraqueza é o ponto. Onde 1450 nm satura em uma fração de milímetro de água, 970 nm penetra na ordem de centímetros, portanto, mede a umidade através da maior parte de uma amostra, e não em sua superfície. É também a última banda de água útil que o silício ainda vê, que mantém o detector como um fotodiodo barato ou um gerador de imagens CMOS padrão em vez de uma matriz InGaAs. Este guia aborda a estrutura da banda de água e por que a resistência da banda decide a espessura da sua amostra, detecção de silício e InGaAs em 970 nm, emparelhamento de comprimento de onda de referência para medição raciométrica, o que especificar (comprimento de onda central, FWHM, poder radiante, coeficiente de temperatura, pacote), e como 970 nm compara com 940, 1050, 1200, e 1450 nm.
Para onde 970 nm fica na faixa mais ampla do infravermelho próximo e como a seleção do comprimento de onda funciona em toda a banda, veja nosso guia NIR LED.
As faixas de água, e por que o fraco é útil
A água líquida é absorvida através do infravermelho próximo em uma série de tons harmônicos e bandas combinadas do trecho O-H. Eles não são iguais. Cada tom sucessivo em direção a comprimentos de onda mais curtos é aproximadamente uma ordem de magnitude mais fraca do que aquele abaixo dele., e essa escada de forças é toda a base da seleção do comprimento de onda para trabalhos com umidade.
| Banda de água | Atribuição comum | Coeficiente de absorção aproximado | 1/e penetração em água pura | O que isso combina |
|---|---|---|---|---|
| 760 nm | Terceira região harmônica | ~0,03 cm⁻¹ | ~30 cm e além | Muito fraco para a maioria dos trabalhos com umidade; apenas caminhos ópticos longos |
| 970 nm | Segunda combinação de harmônicos (2ν₁+ν₃) | ~0,45 cm⁻¹ | ~2 cm | Umidade em massa e através da amostra, produto espesso ou denso |
| 1190 nm | Banda de combinação | ~1,0 cm⁻¹ | ~1cm | Umidade em massa onde é necessário mais contraste |
| 1450 nm | Primeiro tom do trecho O-H (ν₁+ν₃) | ~26 cm⁻¹ | ~0,4mm | Umidade superficial, filmes finos, medidores de teia e revestimento |
| 1940 nm | combinação ν₂+ν₃ | ~120 cm⁻¹ | ~0,08 mm | Filmes muito finos, rastrear água em sólidos secos |
Leia a coluna de penetração e a regra de projeto se escreve sozinha. A força de absorção e a espessura utilizável da amostra negociam entre si diretamente. Uma faixa forte proporciona grande contraste por unidade de água, mas satura quase imediatamente, então ele relata uma camada superficial. Uma banda fraca dá menos contraste por unidade de água, mas permanece dentro da parte linear da lei de Beer-Lambert através de uma amostra espessa., então ele informa sobre o volume.
Por isso 970 nm e 1450 nm não são concorrentes. Eles respondem a perguntas diferentes. Se a medição for “quão molhada está a superfície desta teia, filme, ou revestimento,” a resposta é 1450 nm. Se a medição for “qual é o teor de umidade deste grão, esse pedaço de madeira, esta garrafa de solvente, esse volume de tecido,” 1450 nm nunca passa da camada externa e 970 nm é o comprimento de onda de trabalho.
Uma advertência sobre os números de penetração. São profundidades apenas de absorção em águas claras. Espalhamento de amostras reais, e em um meio de dispersão como grãos, pó, ou tecido, o caminho do fóton é muito mais longo que a espessura geométrica, enquanto a profundidade útil é muito mais curta do que a tabela indica. Trate a coluna como uma classificação das bandas, não como uma especificação para sua amostra.
Por que 970 nm mantém você no silício
A segunda razão para escolher esta banda não tem nada a ver com água. É o detector.
A resposta do Silício cai aproximadamente 900 nm e desapareceu há cerca de 1100 nm, e cada faixa de água acima 1100 nm, portanto, força um detector InGaAs no projeto. 970 nm fica dentro do último trecho de resposta de silício utilizável. Esse único fato altera a lista de materiais de um instrumento de umidade.
| Detector | Resposta em 970 nm | Nota prática |
|---|---|---|
| Fotodiodo PIN de silício | Aproximadamente 0.5 A/W, além do pico próximo 900 nm, mas ainda forte | O padrão. Barato, corrente escura baixa, ampla base de fornecedores |
| Imageador CMOS de silício, padrão com iluminação frontal | Eficiência quântica normalmente abaixo 10% | Funciona com integração mais longa ou potência mais radiante; verifique na curva QE do sensor |
| Imageador CMOS de silício, Aprimorado por NIR ou esgotamento profundo | Aproximadamente 20 para 30% eficiência quântica | A escolha sensata para 970 imagem nm; muitos sensores de visão artificial oferecem uma variante NIR |
| Fotodiodo InGaAs | Aproximadamente 0.4 para 0.5 A/W na borda ascendente da resposta | Só vale a pena se o sistema já tiver InGaAs para outras bandas |
| Fotodiodo de germânio | Responde, mas com alta corrente escura | Raramente a resposta certa em 970 nm quando o silício funciona |
Para um instrumento hiperespectral ou multiespectral este é o ponto decisivo. Adicionando um canal de água em 1450 nm significa adicionar um sensor InGaAs, seu resfriamento, sua óptica, e seu custo para um sistema que de outra forma seria silício. Adicionando um canal de água em 970 nm significa adicionar mais um LED ao iluminador existente e lê-lo na câmera já instalada na máquina. O contraste é mais fraco, mas o custo de integração é quase nada.
Que 970 O LED nm é feito de
UM 970 emissor nm é construído em arsenieto de gálio, com uma região ativa de poço quântico InGaAs tensa. Esse é o mesmo sistema material por trás do 980 diodos de bomba nm usados em amplificadores de fibra, e é um maduro, alto volume, tecnologia bem comportada.
Três consequências são importantes para o design.
A eficiência é boa. Os emissores de infravermelho próximo baseados em GaAs convertem energia elétrica em energia óptica com muito mais eficiência do que os dispositivos SWIR baseados em InP acima 1100 nm. Custo por miliwatt em 970 nm é uma ordem de grandeza diferente do custo por miliwatt em 1450 nm, e a potência radiante disponível por pacote é muito maior.
É totalmente invisível. Não há brilho residual em 970 nm, ao contrário do vermelho fraco visível de um 850 emissor nm. Para instrumentos implantados perto de pessoas ou à vista de uma câmera colorida, isso é um benefício prático.
É espectralmente amplo e incoerente. Espere uma largura total na metade, no máximo, na ordem de 40 para 70 nm, confirmado na ficha técnica específica. Não há manchas e nenhum ruído modal, e o padrão de radiação é lambertiano em vez de um feixe.
Essa ampla largura de linha geralmente é tratada como uma desvantagem, e em 970 nm, na maioria das vezes não é. A faixa de água aqui é larga, por ordem de 60 para 80 nm de largura, então um LED com um 50 nm FWHM fica dentro do recurso em vez de espalhar sobre ele e a linha de base vizinha. Compare isso com estreito, recursos de absorção de pico acentuado na detecção de gás, onde a largura de linha de um LED destrói genuinamente a medição e um laser é necessário. A água no infravermelho próximo é um problema amplo, e uma solução de fonte ampla se adapta a isso.
Duas partes relacionadas são fáceis de confundir com esta. UM 980 O diodo laser da bomba nm é uma linha estreita, alto brilho, dispositivo acoplado a fibra para bombeamento de amplificador, não é um iluminador difuso. E um 940 LED nm, que o catálogo armazena com muito maior profundidade, fica logo abaixo da faixa de água em uma linha de base comparativamente plana, o que o torna um pobre emissor de umidade e um excelente emissor de referência. Esse segundo ponto é a base da próxima seção.
Medição raciométrica e emparelhamento de comprimento de onda de referência
Uma leitura de transmissão de comprimento de onda único em 970 nm não é uma medição de umidade. É uma medida de tudo que atenuou o feixe: água, mas também dispersão do tamanho das partículas e densidade de empacotamento, textura de superfície, variação da espessura da amostra, sujeira na janela, Desvio de saída de LED com temperatura e idade, e desvio de responsividade do detector.
A correção padrão é uma proporção de dois comprimentos de onda. Medir em 970 nm, onde a água absorve, e em um comprimento de onda de referência próximo, onde essencialmente não. Tudo o que é comum aos dois canais se divide, e o que resta rastreia o conteúdo de água.
| Papel | Comprimentos de onda candidatos | Por que |
|---|---|---|
| Canal de medição | 970 nm | A faixa da água; o único canal que deve responder à umidade |
| Referência, lado curto | 850 nm, 910 nm, 940 nm | Baixa absorção de água, confortavelmente dentro da resposta do silício, alta profundidade de estoque |
| Referência, lado longo | 1050 nm | Também baixa absorção; coloca a banda entre colchetes por cima para que o 970 canal nm fica entre duas referências |
| Segunda faixa de água, opcional | 1190 nm | Adiciona uma banda mais forte para amostras finas ou com baixa umidade; ainda perto da borda do silício |
O agrupamento com referências em ambos os lados é melhor do que uma única referência quando a linha de base da amostra se inclina com o tamanho ou cor da partícula, o que é comum em trabalhos agrícolas e em pó. Duas referências definem uma linha de base local sob o 970 pico nm, e a profundidade do pico abaixo dessa linha de base é o sinal de umidade.
Três detalhes de implementação decidem se a proporção realmente cancela alguma coisa:
Compartilhe o caminho óptico. Os canais devem ver o mesmo volume de amostra através da mesma janela e na mesma geometria. Caminhos ópticos separados reintroduzem exatamente os erros de modo comum que a proporção deveria remover.
Multiplexar no tempo, não apenas no espaço. Acionar os emissores em sequência e ler um detector remove as diferenças de responsividade entre detectores. Modular e usar detecção síncrona ou lock-in também rejeita a luz ambiente e o ruído 1/f, o que importa no chão de fábrica com lâmpadas quentes e luz do dia.
Calibrar em relação a um método de referência. A proporção é uma proxy. Tem que ser regredido contra a secagem no forno, Titulação Karl Fischer, ou o que quer que seu setor trate como o método principal, em seu material, acima da sua faixa de umidade. Essa calibração é específica do material e não é transferida entre produtos.
Onde 970 nm é o comprimento de onda de trabalho
| Aplicativo | Por que 970 nm | O que assistir |
|---|---|---|
| Grão, semente, e umidade agrícola em massa | Penetra grãos inteiros em vez de ler a película superficial; a detecção de silício mantém o instrumento barato o suficiente para uso em linha e portátil | A dispersão varia com o tamanho do kernel e a densidade de empacotamento; precisa de canais de referência e uma calibração por cultura |
| Madeira serrada e produtos de madeira | Lê a amostra em vez da camada superficial, que é onde os gradientes de secagem em estufa são importantes | Espécies e dispersão de mudança de direção de grãos; calibrar por espécie |
| Água no combustível, óleo, fluido hidráulico, e solvente | A absorção fraca mantém uma célula de fluxo longa dentro da faixa linear, e o comprimento extra do caminho aumenta a sensibilidade a pequenas frações de água | Água emulsionada e dissolvida se comportam de maneira diferente; partículas adicionam dispersão |
| Hidratação da pele e fração de água tecidual | Cai na janela óptica do tecido onde a penetração é mais profunda, então uma sonda de refletância difusa atinge o volume real do tecido | Hemoglobina e lipídios também absorvem aqui; um modelo de vários comprimentos de onda é necessário, nem uma única proporção |
| Canal de água multiespectral e hiperespectral | Adiciona uma faixa de umidade a um sistema de silício sem adicionar um sensor InGaAs | O contraste é menor do que em 1450 nm; orçamente mais tempo de integração ou energia radiante |
| Conteúdo de água nas folhas e detecção do estado da água nas plantas | Comprimento de onda de índice estabelecido para água do dossel, emparelhado com uma linha de base de quase 860 nm | Este é um uso de detecção, não é um uso para iluminação de crescimento; especificar saída radiométrica, não unidades fotossintéticas |
| Condensação, superfície molhada, e detecção de nível de líquido | A detecção simples de limite requer apenas que a água seja absorvida de forma mensurável, e a longa penetração tolera recipientes grossos | As paredes translúcidas do recipiente adicionam sua própria absorção; pegue uma linha de base de contêiner seco |
O fio condutor dessa lista é a espessura. Cada uma dessas amostras tem milímetros a centímetros de profundidade, e a medição é sobre o que está dentro. Empurre para amostras mais finas, revestimentos, filmes, e camadas superficiais e o comprimento de onda correto sobe na escada de banda para 1450 nm ou 1940 nm.
Segurança óptica em 970 nm
Este é o único lugar onde 970 nm é menos confortável do que os comprimentos de onda de umidade SWIR, e vale a pena afirmar claramente porque detecta equipes migrando de 1450 nm.
A margem de segurança ocular associada ao SWIR vem da absorção de água na córnea e do humor aquoso acima de aproximadamente 1400 nm, que interrompe a luz antes que ela alcance a retina. 970 nm está bem abaixo desse limite. Está dentro da região de risco da retina, é focado pelo olho na retina, e porque é completamente invisível, não desencadeia nenhum reflexo de piscar e nenhuma resposta de aversão.
UM 970 O iluminador nm precisa, portanto, do mesmo tratamento que um iluminador 850 ou 940 iluminador nm: classificação de grupo de risco sob IEC 62471, ou classificação de produto a laser sob IEC 60825-1 se a fonte for um laser, avaliado na intensidade radiante e distância de visão que o produto realmente apresenta. Matrizes de alta potência para inspeção em linha merecem atenção especial, uma vez que é fácil montar um conjunto de emissores cuja saída combinada exceda os limites do grupo isento, mesmo que cada matriz seja inofensiva.
Especificando um 970 LED nm
| Parâmetro | Por que isso importa em 970 nm | Como especificar |
|---|---|---|
| Comprimento de onda central e compartimento | A medição fica no flanco de uma banda larga, então um centro deslocado altera a absorção vista e, portanto, a calibração | Indique o centro alvo e a tolerância; caixas mais apertadas são peças classificadas e custam mais, mas eles deixaram uma calibração servir para uma execução de produção |
| Largura espectral (FWHM) | Define quanto da banda a fonte integra, e quanto ele se sobrepõe a um canal de referência próximo | Retire da folha de dados; verifique se os espectros de medição e referência não se sobrepõem significativamente |
| Poder radiante e intensidade radiante | O orçamento do sinal, antes de espalhar perdas na amostra | Potência radiante em mW a uma corrente direta declarada para trabalho de transmissão; intensidade radiante em mW/sr ao inundar um alvo |
| Coeficiente de temperatura do comprimento de onda de pico | Os emissores de GaAs flutuam na ordem de 0.25 para 0.3 nm/K, que move a fonte ao longo do flanco de absorção e parece uma mudança de umidade | Estabilize a temperatura da junção, monitore e corrija, ou confiar em um canal de referência que varia da mesma maneira |
| Padrão de radiação e área emissora | Decide a uniformidade em toda a amostra e quanta luz atinge o detector | Solicite dimensões de meio ângulo e matriz; uma parte com lente de ângulo estreito concentra o fluxo, uma parte grande angular proporciona inundação uniforme |
| Hora de subir e descer | Determina se o emissor pode ser multiplexado ou modulado para detecção lock-in | Especifique a frequência de modulação que o projeto usará; LEDs NIR padrão lidam confortavelmente com taxas de corte típicas |
| Pacote e caminho térmico | A temperatura da junção define o desvio do comprimento de onda acima e a redução de potência de saída | Escolha entre as famílias de pacotes que o catálogo oferece na faixa do infravermelho próximo: Montagem em superfície SMT e SMBB, EDC e EDCC de alta potência, Lâmpada passante da série L, e matrizes COB para iluminadores multi-die |
| Tensão direta e esquema de acionamento | Um emissor de GaAs em 970 nm funciona com uma tensão direta baixa, e drivers dimensionados para peças visíveis se comportarão mal | Projete o driver de corrente constante em torno do Vf real em toda a faixa de temperatura operacional |
O coeficiente de temperatura merece destaque porque interage com a medição de uma forma que é fácil de diagnosticar erroneamente.. O 970 banda nm tem flancos íngremes. Uma fonte cujo comprimento de onda central caminha 5 nm conforme o instrumento aquece está amostrando uma parte diferente do recurso de absorção, e a leitura varia mesmo que a amostra não tenha mudado. Se o canal de referência for um sistema de material diferente ou estiver em uma parte plana do espectro, não irá flutuar da mesma maneira e a proporção não irá salvá-lo. Estabilize o emissor, ou caracterize o desvio e corrija-o no firmware.
Como 970 nm compara com comprimentos de onda vizinhos
| Comprimento de onda | Escolhido para | Absorção de água | Detector | Região de risco retinal |
|---|---|---|---|---|
| 850 nm | Visão noturna, vigilância, iluminação NIR geral | Insignificante | Silício, perto do pico | Sim |
| 940 nm | Proximidade invisível e detecção de gestos | Baixo, útil como linha de base de referência | Silício, forte | Sim |
| 970 nm | Sensor de umidade em massa e absorção de água | Banda fraca, ~2 cm de penetração | Silício, aproximadamente 0.5 A/W | Sim |
| 1050 nm | Imagem SWIR de curto alcance, trabalho mais profundo dos tecidos | Baixo; fica entre faixas de água | Na borda do silício; InGaAs na prática | Sim |
| 1200 nm | O cruzamento NIR para SWIR, inspeção de semicondutores | Moderado, perto do 1190 banda nm | InGaAs | Sim |
| 1450 nm | Umidade superficial, inspeção de alimentos e web | Forte, Penetração de ~0,4 mm | InGaAs, perto do pico | Não |
| 1650 nm | Classificação de óleo e plástico, detecção de hidrocarbonetos | Baixo; escolhido para CH, não O-H | InGaAs | Não |
Dois limites caem dessa tabela. A fronteira do silício fica entre 970 e 1050 nm, e é um limite de custo tanto quanto técnico. O limite de segurança ocular fica próximo 1400 nm, entre 1200 e 1450 nm. 970 nm é a única banda de água genuína que está no lado barato de ambos, é exatamente por isso que existe como um comprimento de onda de detecção e não como uma curiosidade, e é também por isso que o trabalho de segurança ocular depende de você.
Perguntas frequentes
Para que é usado um LED de 970 nm?
Sensor de umidade e absorção de água, quase exclusivamente. 970 nm coincide com uma banda harmônica fraca do trecho O-H na água, fraco o suficiente para que a luz ainda penetre cerca de dois centímetros de água pura, portanto, mede a umidade através da maior parte de uma amostra, e não em sua superfície. Os usos típicos são medidores de umidade de grãos e sementes, medição de umidade da madeira serrada, detecção de água no combustível e água no óleo, fração de água tecidual em instrumentos biomédicos, detecção do estado da água da planta, e adicionar um canal de água a um sistema de imagem multiespectral baseado em silício. Não é uma parte de iluminação.
Por que usar um LED de 970nm em vez de 1450 nm para medição de umidade?
Espessura da amostra. O 1450 a banda nm é aproximadamente sessenta vezes mais forte, o que soa melhor, mas significa que satura em cerca de 0.4 mm de água. Ele relata uma camada superficial e não diz nada sobre o interior de um grão ou de um pedaço de madeira.. 970 nm permanece no utilizável, parte aproximadamente linear da lei de Beer-Lambert através de centímetros de material. A segunda razão é o custo: 1450 nm requer um detector InGaAs, enquanto 970 nm funciona com um fotodiodo de silício barato ou um gerador de imagens CMOS padrão. Escolher 1450 nm para filmes, revestimentos, e teias. Escolher 970 nm para amostras em massa.
Um fotodiodo de silício pode detectar um LED de 970 nm??
Sim, e essa é uma das principais razões para escolher este comprimento de onda. Um fotodiodo PIN de silício contém aproximadamente 0.5 A/W em 970 nm, além do seu pico perto 900 nm, mas ainda confortavelmente utilizável. As imagens CMOS de silício são mais fracas: eficiência quântica em 970 nm está normalmente abaixo 10% em um sensor padrão com iluminação frontal, subindo para aproximadamente 20 para 30% em uma variante aprimorada por NIR ou de depleção profunda. Para imagens neste comprimento de onda, especifique a versão do sensor aprimorado por NIR e verifique sua curva QE publicada em vez de assumir.
Qual comprimento de onda de referência devo emparelhar com um LED de 970 nm?
Algo próximo onde a água mal absorve, então essa dispersão, comprimento do caminho, sujeira na janela, e o envelhecimento da fonte cancela na proporção. No lado curto, 850, 910, ou 940 nm todos funcionam e estão bem abastecidos. No lado longo, 1050 nm coloca a banda entre colchetes de cima, embora já tenha ultrapassado a borda do silício e precise de seu próprio detector. Se a linha de base óptica da amostra mudar com o tamanho ou cor da partícula, o que é normal para grãos e pós, use referências em ambos os lados 970 nm, então os dois definem uma linha de base local e a profundidade do pico abaixo dela se torna o sinal de umidade.
Um LED de 970 nm é seguro para os olhos?
Não inerentemente, e deve ser tratado com mais cautela do que um emissor de umidade SWIR. Comprimentos de onda acima aproximadamente 1400 nm são absorvidos na córnea antes de chegar à retina, que é onde a reputação de segurança ocular de 1450 nm e 1550 nm vem de. 970 nm está abaixo desse limite, então ele atinge e se concentra na retina, e porque é totalmente invisível, não produz reflexo de piscar ou resposta de aversão. Classifique um 970 iluminador nm sob IEC 62471 na intensidade radiante e na distância de visualização que o produto realmente apresenta, e preste atenção especial às matrizes multi-die, cuja produção combinada pode exceder os limites do grupo isento, mesmo quando cada emissor é individualmente inofensivo.
Onde 970 nm cabe no portfólio
970 nm é um comprimento de onda de medição, não é um comprimento de onda de iluminação. É selecionado porque a água é fracamente absorvida, e fracamente é o que uma medição em massa precisa. Se a declaração do seu problema contiver as palavras teor de umidade, fração de água, núcleo, amostra em massa, água em óleo, ou hidratação dos tecidos, e a amostra tem milímetros a centímetros de espessura, esta é a banda a avaliar primeiro. Se contiver revestimento, filme, rede, ou umidade superficial, a resposta certa é 1450 nm. Se contiver iluminação oculta ou detecção de proximidade sem água, o problema, 850 e 940 nm são mais baratos e melhor abastecidos.
Para pacotes disponíveis, fichas técnicas, e solicitações de amostra na faixa do infravermelho próximo, veja a categoria de produto NIR LED.
