光電傳感及檢測第四章1

1、常用紅外傳感器常用紅外傳感器（1）光子探測器光子探測器 利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下，產(chǎn)生光電效應，使材料的電學性質發(fā)生變化，通過測量電學性質的變化，可以確定紅外輻射的強弱。利用光電效應所制成的紅外探測器統(tǒng)稱光子探測器。光子探測器的主要特點：靈敏度高，響應速度快，響應頻率高。但其一般需在低溫下工作，探測波段較窄。（2）熱探測器熱探測器 利用探測元件吸收紅外輻射能量而引起溫升，在此基礎上借助各種物理效應把溫升轉變成電量的一種探測器。熱探測器光電轉換的過程分為兩步：第一步是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升；第二步利用熱探測器某些溫度效應把溫升轉變成電量的變化。根據(jù)熱效應的不同，熱探測器可分為：

2、測輻射熱計、測輻射熱電偶和熱電堆、熱釋電探測器和高萊管（氣動型）。熱探測器有四個基本特性：響應率與波長無關，屬于無選擇性探測器；受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應速度比較慢；熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低；可在室溫下工作。紅外傳感技術紅外傳感技術（1）主動紅外方式主動紅外方式 主動紅外方式需要紅外發(fā)射源和相應的接收、檢測設備，紅外線的發(fā)、收光路，或對準，或依靠反射方式進行。為了加大監(jiān)控距離，要求發(fā)射功率較大，接收靈敏度較高。 （2）被動式被動式 紅外線傳感技術是利用紅外光敏器件將活動生物體發(fā)出的微量紅外線轉換成相應的電信號，并進行放大、處理，對被監(jiān)控的對象實施控制。利用探測元件吸收

3、紅外輻射能量而引起溫升，在此基礎上借助各種物理效應把溫升轉變成電量的一種探測器。熱探測器光電轉換的過程分為兩步：第一步是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升；第二步利用熱探測器某些溫度效應把溫升轉變成電量的變化。根據(jù)熱效應的不同，熱探測器可分為：測輻射熱計、測輻射熱電偶和熱電堆、熱釋電探測器和高萊管（氣動型）。熱探測器有四個熱探測器有四個基本特性基本特性：響應率與波長無關，屬于無選擇性探測器；響應率與波長無關，屬于無選擇性探測器；受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應速度比較慢；受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應速度比較慢；熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低；熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測

4、率低；可在室溫下工作?？稍谑覝叵鹿ぷ?。熱釋電紅外傳感原理熱釋電紅外傳感原理熱釋電紅線傳感器可按照外形結構和內(nèi)部組成的不同和性能進行分類。按照封裝、外形可分為：塑封式、金屬封裝（立式和臥式）等；按照內(nèi)部結構可分為單探測元、雙元件、四元件等。按照工作紅外波長范圍可分為三種。（1）適用于溫度遙測，例如：LN-206等。（2）適用于火焰檢測，例如：MS-1型等。（3）適合一般日常生活采用，自動門、防盜報警、節(jié)能自動燈等，如： P228等。 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡的工作原理 移動的物體輻射的紅外線進入透鏡，會產(chǎn)生一個交替的移動的物體輻射的紅外線進入透鏡，會產(chǎn)生一個交替的“盲區(qū)盲區(qū)”和和“高靈敏區(qū)高靈敏區(qū)”

5、，因此，會產(chǎn)生光脈沖。透鏡由很多盲區(qū)和高靈敏區(qū)組，因此，會產(chǎn)生光脈沖。透鏡由很多盲區(qū)和高靈敏區(qū)組成，則移動的紅外輻射物體就會在探測區(qū)域產(chǎn)生一系列的光脈沖引入成，則移動的紅外輻射物體就會在探測區(qū)域產(chǎn)生一系列的光脈沖引入傳感器，提高了接受靈敏度，物體移動越快，靈敏度越高。菲涅爾透傳感器，提高了接受靈敏度，物體移動越快，靈敏度越高。菲涅爾透鏡的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個單元透鏡的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個單元透鏡的視場既不連續(xù)也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。菲涅爾透鏡的主要作鏡的視場既不連續(xù)也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。菲涅爾透鏡的主要作用：一是聚焦作用，即將熱

6、釋紅外信號折射（反射）到傳感器；二是用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）到傳感器；二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在傳感器上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。當紅外輻射物以溫度變化的形式在傳感器上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。當紅外輻射物體進入感應范圍，物體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離體進入感應范圍，物體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離A區(qū)或區(qū)或中距離中距離B區(qū)或近距離區(qū)或近距離C區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當?shù)慕咕?，紅外光正好被

7、探頭接收，探頭將光信號變成電信有一個適當?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路號送入電子電路 .工業(yè)中通常采用的分析氣體的方式根據(jù)是否提取氣體1.在線方式: 光學技術,反射鏡 2.抽取方式 a. 熱導 b. 紅外 c. 紫外 根據(jù)氣體的測量方式1. 人工采樣2. 連續(xù)采樣 a. 熱導式 b. 紅外式 c. 紫外式 紅外測量氣體濃度的原理紅外氣體紅外氣體測量系統(tǒng)系統(tǒng)的工作過程工作過程蜂鳴器修正參數(shù)修正參數(shù)輸出濃度值單片機數(shù)據(jù)處理LCD顯示前置放大紅外光源光電三極管電信號調制電壓后級放大濾波電源模塊PC機通信PC機界面程序15VACKBP3015 5 5電路限 流RInf

8、raredLighter外接RAT89S52DS1822(Thermometer)電容PIS放大Butterworth Lowpass filter(OPA4241)Adjusting amplifierMAX125DS1225ADDSC12C88774LS138P89V51CH451Keyboard(5 keys)EDM12864(LCD)74LS24474LS244BuzzerRS232780578127912 電路功能分為兩個部分：上面的部分電路功能分為兩個部分：上面的部分以以AT89S52控制器對紅外光源的調制電控制器對紅外光源的調制電壓進行控制，并將光電三極管的輸出信壓進行控制，并將

9、光電三極管的輸出信號經(jīng)進行放大和低通濾波，然后由號經(jīng)進行放大和低通濾波，然后由MAX125將將A/D轉換的結果送轉換的結果送AT89S52，該控制器還采樣該控制器還采樣DS1822溫度轉換結果，溫度轉換結果，最后將這兩組數(shù)據(jù)傳送給下面的部分進最后將這兩組數(shù)據(jù)傳送給下面的部分進行處理和顯示；下面的部分通過行處理和顯示；下面的部分通過Keyboard輸入設定值并存入非易失存儲輸入設定值并存入非易失存儲器器DS1225AD中，中，P89V51控制器處理向控制器處理向AT89S52發(fā)送開始發(fā)送開始/停止測量的信息，并停止測量的信息，并將送來的數(shù)據(jù)進行處理后顯示在將送來的數(shù)據(jù)進行處理后顯示在EDM128

10、64(LCD)上，同時通過上，同時通過RS232向向上位計算機的接收模塊發(fā)送該顯示數(shù)據(jù)，上位計算機的接收模塊發(fā)送該顯示數(shù)據(jù)，也可將該結果存入也可將該結果存入DS1225AD中，此外，中，此外，P89V51控制器通過控制器通過DSC12C887可以得可以得到當前的日期和時間到當前的日期和時間。 紅外發(fā)光二極管HG413,發(fā)出紅外光。管壓降約1.4V ，工作電流一般小于20mA。紅外發(fā)光二極管的光譜特性采用振蕩電路產(chǎn)生的方波信號對紅外發(fā)光管進行調制，使之輸出采用振蕩電路產(chǎn)生的方波信號對紅外發(fā)光管進行調制，使之輸出光脈沖信號，然后由光電三極管接收，放大還原為電信號。光脈沖信號，然后由光電三極管接收，

11、放大還原為電信號。方波脈沖發(fā)生器使用方波脈沖發(fā)生器使用555時基集成電路；光電接收電路采用光電時基集成電路；光電接收電路采用光電三極管三極管(3DU11型型)組成的放大電路。組成的放大電路。時基集成塊時基集成塊NE555輸出震蕩頻率由外接電阻輸出震蕩頻率由外接電阻R1、R2及電容及電容C1決決定。定。 3端為輸出端，端為輸出端，R3是限流電阻，避免由于電流過大而燒壞是限流電阻，避免由于電流過大而燒壞紅外發(fā)光管，其輸出信號為方波紅外發(fā)光管，其輸出信號為方波發(fā)光電路148237651 R1 2.2K R2 51K C1 0.2F C2 0.01FR3 39 DVCC(+5V) HG413CRRT1

12、21)(7 . 02Tf1接收電路T13DU11D(BT201)T23DG6R151K R2 6.2K VCC （+5V）光電接收電路采用光電三極管(3DU11型)組成的放大電路。DLAS(激光吸收光譜激光吸收光譜): 氣體分子形成吸收光譜的原理氣體分子形成吸收光譜的原理氣體分析的三大問題氣體分析的三大問題: 1.單線光譜技術單線光譜技術 a.背景氣體的吸收譜線交叉干擾背景氣體的吸收譜線交叉干擾 b. 紅外光源的譜寬紅外光源的譜寬 c. 激光光源的譜寬為激光光源的譜寬為b 的的10(-6)2.激光頻率掃描技術激光頻率掃描技術 使激光頻率周期性掃描過被測氣體的吸收譜線使激光頻率周期性掃描過被測氣

13、體的吸收譜線3. 譜線展寬修正技術譜線展寬修正技術 環(huán)境環(huán)境(溫度和壓力溫度和壓力)變化變化, 則氣體譜線展寬和高度變則氣體譜線展寬和高度變DLAS的特點的特點:1.能適應惡劣環(huán)境能適應惡劣環(huán)境,可快速在線連續(xù)測量可快速在線連續(xù)測量 2.能克服背景氣體的干擾能克服背景氣體的干擾3.能分析多種氣體能分析多種氣體 TDLAS技術的檢測原理 )()(exp)()(00PNLTSII 分別代表頻率為的入射光和透射光的強度，分別代表頻率為的入射光和透射光的強度，S(T)代表被測氣體吸收譜線代表被測氣體吸收譜線的吸收強度，線形函數(shù)反映了吸收譜線的形狀，的吸收強度，線形函數(shù)反映了吸收譜線的形狀，P為被測氣體

14、的壓力為被測氣體的壓力, N為為被測氣體的濃度，被測氣體的濃度，L為激光束通過被測氣體的距離為激光束通過被測氣體的距離 )(I)(0I激光的激光的“單線光譜單線光譜”測量原理圖測量原理圖 氣體環(huán)境參數(shù)變化對譜線展寬的影響示意圖氣體環(huán)境參數(shù)變化對譜線展寬的影響示意圖 紅外熱成像儀由光學系統(tǒng)、掃描機構、紅外探測器、前置放大器、視頻信號紅外熱成像儀由光學系統(tǒng)、掃描機構、紅外探測器、前置放大器、視頻信號預處理電路、顯示記錄系統(tǒng)和外圍輔助裝置等構成。是紅外探測器，可分為預處理電路、顯示記錄系統(tǒng)和外圍輔助裝置等構成。是紅外探測器，可分為單元探測器、多元探測器和帶有內(nèi)處理功能的探測器。紅外熱成像儀的核心單元

15、探測器、多元探測器和帶有內(nèi)處理功能的探測器。紅外熱成像儀的核心器件是紅外探測器。常用熱成像儀的工作波長為器件是紅外探測器。常用熱成像儀的工作波長為35m和和814m。紅外。紅外熱成像儀的工作過程是把熱成像儀的工作過程是把待測物體表面溫度分布以紅外輻射信號的形式，經(jīng)待測物體表面溫度分布以紅外輻射信號的形式，經(jīng)接收光學系統(tǒng)和掃描機構成像在紅外探測器上，再由紅外探測器將其轉換成接收光學系統(tǒng)和掃描機構成像在紅外探測器上，再由紅外探測器將其轉換成視頻電信號。視頻電信號。這個微弱的視頻頻信號經(jīng)前置放大器，再進一步放大處理后，這個微弱的視頻頻信號經(jīng)前置放大器，再進一步放大處理后，送至顯示器終端，顯示出待測物

16、體表面溫度分布的熱圖像。紅外熱像儀能夠送至顯示器終端，顯示出待測物體表面溫度分布的熱圖像。紅外熱像儀能夠顯示熱圖像的原因關鍵在于首先把物體按一定規(guī)律進行分割，即把觀測的景顯示熱圖像的原因關鍵在于首先把物體按一定規(guī)律進行分割，即把觀測的景物空間按水平和垂直兩個方向分割成若干個小的空間單元，接受系統(tǒng)依次掃物空間按水平和垂直兩個方向分割成若干個小的空間單元，接受系統(tǒng)依次掃描各個空間單元，并將各個空間單元的信號再組合成整個景物空間的圖像。描各個空間單元，并將各個空間單元的信號再組合成整個景物空間的圖像。因此，紅外探測器在任一瞬間實際上只接收某一個景物空間單元的輻射。掃因此，紅外探測器在任一瞬間實際上只

17、接收某一個景物空間單元的輻射。掃描機構依次使接收系統(tǒng)對景物空間做二維掃描。于是，接收系統(tǒng)按時間先后描機構依次使接收系統(tǒng)對景物空間做二維掃描。于是，接收系統(tǒng)按時間先后依次接收二維空間中各景物單元信息，該信號經(jīng)放大處理后變成一維時序信依次接收二維空間中各景物單元信息，該信號經(jīng)放大處理后變成一維時序信號，該信號再與同步信號合成后送至顯示器，顯示出完整的景物熱圖像。號，該信號再與同步信號合成后送至顯示器，顯示出完整的景物熱圖像。 紅外熱成像儀是利用紅外探測器、紅外熱成像儀是利用紅外探測器、 光學成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)（或焦平面光學成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)（或焦平面技術）接收待測物體的紅外輻射（熱量分布），并反映