第10章輻射式傳感器

1、1 傳感技術(shù)與信號處理傳感技術(shù)與信號處理 第第1010章章10.1 紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器10.2 熱釋電傳感器工作原理熱釋電傳感器工作原理10.3 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用第第10章章 輻射式傳感器輻射式傳感器2 10.1 紅外輻射傳感器紅外輻射傳感器 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱

2、釋電晶體的應(yīng)用。才又興起了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。探測器。特別是在科學(xué)研究、軍事工程和醫(yī)學(xué)方面起著極特別是在科學(xué)研究、軍事工程和醫(yī)學(xué)方面起著極其重要的作用。例如紅外制導(dǎo)火箭、紅外成像、紅外遙感其重要的作用。例如紅外制導(dǎo)火箭、紅外成像、紅外遙感等。紅外輻射技術(shù)的重要工具就是紅外輻射傳感器，它是等。紅外輻射技術(shù)的重要工具就是紅外輻射傳感器，它是遙感技術(shù)、空間科學(xué)的敏感部件。遙感技術(shù)、空間科學(xué)的敏感部件。 3 1. 紅外檢測的物理基礎(chǔ)紅外檢測的物理基礎(chǔ) 紅外輻射又稱紅外光，紅外

3、光是太陽光譜的一部分，在電磁波中紅外輻射又稱紅外光，紅外光是太陽光譜的一部分，在電磁波中其波長從其波長從1.01000um。紅外光的最大特點(diǎn)就是具有光熱效應(yīng)，。紅外光的最大特點(diǎn)就是具有光熱效應(yīng)，能輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光處在光譜中可能輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光處在光譜中可見光之外，它是一種不可見光。見光之外，它是一種不可見光。電磁波譜中的位置如圖電磁波譜中的位置如圖 所示。所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分， 即近紅外、中紅即近紅外、中紅外、外、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。 10 910 710 51

4、0 310 11010 110102103104 / m / c m / m宇 宙 射 線射 線X 射 線紫外線可見光紅 外 線微 波無 線 電 波極 遠(yuǎn) 紅 外211815129630遠(yuǎn) 紅 外中 紅 外近 紅 外 / m4 在自然界中只要物體本身具有一定溫度在自然界中只要物體本身具有一定溫度(高于絕對零高于絕對零度度)，都能輻射紅外光。例如電機(jī)、電器、爐火、甚至，都能輻射紅外光。例如電機(jī)、電器、爐火、甚至冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射。冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射。 紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的紅外干涉

5、、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。嚴(yán)格地講，在自然界中，不存在收的物體稱為灰體。嚴(yán)格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。黑體、鏡體與透明體。 上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項(xiàng)目的重要理論依據(jù)。測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項(xiàng)目的重要理論依據(jù)。5 2. 紅外輻射的基本定律紅外輻射的基本定律1).

6、基爾霍夫定律基爾霍夫定律 物體向周圍發(fā)射紅外輻射能時(shí)，同時(shí)也吸收周圍物體發(fā)射的紅物體向周圍發(fā)射紅外輻射能時(shí)，同時(shí)也吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射能，即外輻射能，即 式中式中 ER物體在單位面積和單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的輻射能物體在單位面積和單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的輻射能 物體的吸收系數(shù)；物體的吸收系數(shù)； E0常數(shù)，其值等于黑體在相同條件下發(fā)射出的輻射能。常數(shù)，其值等于黑體在相同條件下發(fā)射出的輻射能。2).斯忒藩斯忒藩-玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律 物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多，在單位時(shí)間內(nèi)其單位物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多，在單位時(shí)間內(nèi)其單位面積輻射的總能量面積輻射的總能量E為為 式中式中 T物體的絕

7、對溫度物體的絕對溫度(K)； 斯忒藩斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，玻耳茲曼常數(shù)，5.6710-8W/(m2k4)； 比輻射率，黑體的比輻射率，黑體的1。0EER4TE6 3).維恩位移定律維恩位移定律 紅外輻射的電磁波中，包含著各種波長，其峰值輻射波長紅外輻射的電磁波中，包含著各種波長，其峰值輻射波長m與與物體自身的絕對溫度物體自身的絕對溫度T成反比，即成反比，即 m2897/T （m) 7 3.紅外探測器紅外探測器 紅外探測器是紅外檢測系統(tǒng)中最重要的器件之一，按工作原理紅外探測器是紅外檢測系統(tǒng)中最重要的器件之一，按工作原理可分為可分為“熱探測器熱探測器”和和“光子探測器光子探測器”兩類。兩類。1).

8、熱探測器熱探測器 熱探測器在吸收紅外輻射能后溫度升高，引起某種物理性質(zhì)的熱探測器在吸收紅外輻射能后溫度升高，引起某種物理性質(zhì)的變化，這種變化與吸收的紅外輻射能成一定的關(guān)系。常用的物變化，這種變化與吸收的紅外輻射能成一定的關(guān)系。常用的物理現(xiàn)象有溫差熱電現(xiàn)象、金屬或半導(dǎo)體電阻阻值變化現(xiàn)象、熱理現(xiàn)象有溫差熱電現(xiàn)象、金屬或半導(dǎo)體電阻阻值變化現(xiàn)象、熱釋電現(xiàn)象、氣體壓強(qiáng)變化現(xiàn)象、金屬熱膨脹現(xiàn)象、液體薄膜蒸釋電現(xiàn)象、氣體壓強(qiáng)變化現(xiàn)象、金屬熱膨脹現(xiàn)象、液體薄膜蒸發(fā)現(xiàn)象等。因此，只要檢測出上述變化，即可確定被吸收的紅發(fā)現(xiàn)象等。因此，只要檢測出上述變化，即可確定被吸收的紅外輻射能大小，從而得到被測非電量值。外輻射

9、能大小，從而得到被測非電量值。 用這些物理現(xiàn)象制成的熱電探測器，在理論上對一切波長的紅用這些物理現(xiàn)象制成的熱電探測器，在理論上對一切波長的紅外輻射具有相同的響應(yīng)。但實(shí)際上仍存在差異。其響應(yīng)速度取外輻射具有相同的響應(yīng)。但實(shí)際上仍存在差異。其響應(yīng)速度取決于熱探測器的熱容量和熱擴(kuò)散率的大小。決于熱探測器的熱容量和熱擴(kuò)散率的大小。8 熱釋電傳感器是一種檢測物體輻射的紅外能量的傳感熱釋電傳感器是一種檢測物體輻射的紅外能量的傳感器，它是利用器，它是利用PZT等晶體結(jié)構(gòu)的表面電荷極化隨其溫等晶體結(jié)構(gòu)的表面電荷極化隨其溫度變化而改變這種特性的傳感器。度變化而改變這種特性的傳感器。9 圖為熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

10、圖為熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由窗口、具有熱釋其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由窗口、具有熱釋 電效應(yīng)的電效應(yīng)的PZT板以及高阻抗低噪板以及高阻抗低噪 聲的聲的FET組合而成，將其封入殼組合而成，將其封入殼 內(nèi)，保持密封性并防止外來噪聲內(nèi)，保持密封性并防止外來噪聲 的混入。的混入。PZT板表面吸收紅外線，板表面吸收紅外線， 并在受光面的里外各自安裝取出電并在受光面的里外各自安裝取出電 荷的一對電極，通過改變電極對數(shù)荷的一對電極，通過改變電極對數(shù) 與接線方式，就可進(jìn)行各種量的檢與接線方式，就可進(jìn)行各種量的檢 測。測。10 圖圖a是采用是采用1個(gè)熱釋電元件的結(jié)構(gòu)及其等效電路個(gè)熱釋電元件的結(jié)構(gòu)及其等效電路(P

11、2613)，這個(gè)，這個(gè)熱釋電元件熱釋電元件(一對電極一對電極)敏感地捕捉到被測物體或光源，具有很敏感地捕捉到被測物體或光源，具有很高的靈敏度，但對于背景的高的靈敏度，但對于背景的 波動也比較敏感。主要波動也比較敏感。主要 用于氣體分析或輻射式用于氣體分析或輻射式 溫度計(jì)。溫度計(jì)。 圖圖b是常用的帶有溫度是常用的帶有溫度 補(bǔ)償型補(bǔ)償型P3782。11 圖圖c是采用兩個(gè)熱釋電元件，而受光電極反相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)及其等是采用兩個(gè)熱釋電元件，而受光電極反相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)及其等效電路效電路(P7187)，這種方式可有效防止背景波動的影響，以及干，這種方式可有效防止背景波動的影響，以及干擾光照射時(shí)的誤動作。擾光照射

12、時(shí)的誤動作。 當(dāng)兩個(gè)受光電極同時(shí)受到紅外線照射時(shí)，信號相互抵消而無輸當(dāng)兩個(gè)受光電極同時(shí)受到紅外線照射時(shí)，信號相互抵消而無輸出。為此，只有當(dāng)人體移動時(shí)才有信號輸出，主要用于人體移出。為此，只有當(dāng)人體移動時(shí)才有信號輸出，主要用于人體移動的檢測。動的檢測。兩塊反向兩塊反向串聯(lián)的熱串聯(lián)的熱釋電晶片釋電晶片場效應(yīng)管場效應(yīng)管12 10.2熱釋電傳感器工作原理熱釋電傳感器工作原理 熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個(gè)型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個(gè)不大的視場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動不大的視

13、場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是它是“視而不見視而不見”的。的。 13 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片熱釋電晶片14 菲涅爾透鏡外形菲涅爾透鏡外形 傳感器不加菲涅爾傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)，其檢測距離透鏡時(shí)，其檢測距離小于小于2m，而加上該透，而加上該透鏡后，其檢測距離可鏡后，其檢測距離可增

14、加增加3倍以上。倍以上。15 熱釋電套件熱釋電套件16 熱釋電報(bào)警器熱釋電報(bào)警器菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕17 熱釋電報(bào)警器（續(xù)）熱釋電報(bào)警器（續(xù)）菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡 5mm接插件接插件18 熱釋電報(bào)警器（續(xù)）熱釋電報(bào)警器（續(xù)） 吸頂式吸頂式 熱釋電報(bào)警器熱釋電報(bào)警器19熱釋電傳感器應(yīng)用熱釋電傳感器應(yīng)用 熱釋電傳熱釋電傳感器用于自動感器用于自動亮燈，當(dāng)然也亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜可以用于防盜熱釋電傳感器熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍的感應(yīng)范圍20熱釋電感應(yīng)燈熱釋電感應(yīng)燈熱釋電熱釋電傳感器傳感器21自動感應(yīng)燈自動感應(yīng)燈（參考施特朗公司資料）（參考施特朗公司資料）22熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的

15、應(yīng)用熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用 智能空調(diào)能檢測智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。到節(jié)能的目的。 空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。是靜止著還是走動著。上下范圍上下范圍左右范圍左右范圍23 2).光子探測器光子探測器 利用光子效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光子探測器。常利用光子效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光子探測器。常用的光子效應(yīng)有光

16、電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電磁效用的光子效應(yīng)有光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光電磁效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)。應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)。 熱探測器與光子探測器比較：熱探測器與光子探測器比較：熱探測器對各種波長都能響應(yīng)，光子探測器只對一段熱探測器對各種波長都能響應(yīng)，光子探測器只對一段波長區(qū)間有響應(yīng)；波長區(qū)間有響應(yīng)；熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)需要冷卻；熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)需要冷卻；熱探測器響應(yīng)時(shí)間比光子探測器長；熱探測器響應(yīng)時(shí)間比光子探測器長；熱探測器性能與器件尺寸、形狀、工藝等有關(guān)，光子熱探測器性能與器件尺寸、形狀、工藝等有關(guān)，光子探測器容易實(shí)現(xiàn)規(guī)格化。探測器容易實(shí)現(xiàn)規(guī)格化。24 紅外發(fā)光紅外發(fā)光LE

17、D和和PIN光敏二極管光敏二極管 目前目前,大部分遙控設(shè)備都采用紅外發(fā)光大部分遙控設(shè)備都采用紅外發(fā)光LED和和PIN光敏二極管的組合方式。光敏二極管的組合方式。圖為圖為GaAs發(fā)光二極管的特性，由此可見，峰值發(fā)光波長位于發(fā)光二極管的特性，由此可見，峰值發(fā)光波長位于940nm的紅外的紅外范圍，在室內(nèi)使用也不會受到熒光燈的影響。范圍，在室內(nèi)使用也不會受到熒光燈的影響。25 圖示出圖示出PIN光敏二極管的特性，由特性曲線可見，在紅外范圍光敏二極管的特性，由特性曲線可見，在紅外范圍具有峰值波長，可原樣使用，但對可見光也很敏感，為了避免具有峰值波長，可原樣使用，但對可見光也很敏感，為了避免熒光燈等的干擾

18、光的影響，要選用帶有可見光截止濾光器的傳熒光燈等的干擾光的影響，要選用帶有可見光截止濾光器的傳感器。感器。26 10.3 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用 1.基本電路基本電路 紅外發(fā)光二極管和光敏晶紅外發(fā)光二極管和光敏晶 體管應(yīng)用非常廣泛，例如，體管應(yīng)用非常廣泛，例如， 物體有無的檢測，位置、物體有無的檢測，位置、 方向的檢測，厚度、方向的檢測，厚度、 濃度的檢測，光通信與光濃度的檢測，光通信與光 隔離等。應(yīng)用時(shí)，一般是隔離等。應(yīng)用時(shí)，一般是 由由LED發(fā)光，光敏晶體管發(fā)光，光敏晶體管 接收接收LED發(fā)射的光，其發(fā)發(fā)射的光，其發(fā) 光與受光的基本方式如圖光與受光的基本方式如圖 示。示。27 圖

19、是光調(diào)制的脈沖驅(qū)動電路，其中，圖圖是光調(diào)制的脈沖驅(qū)動電路，其中，圖a采用晶體管多諧振蕩器采用晶體管多諧振蕩器來通斷來通斷LED的正向電流，占空比為的正向電流，占空比為15，流過約，流過約300mA的脈沖的脈沖電流。電流。LED的導(dǎo)通時(shí)間由的導(dǎo)通時(shí)間由R2C2時(shí)間常數(shù)決定，占空比為時(shí)間常數(shù)決定，占空比為R2C2(RlCl+R2C2)。圖。圖b采用單結(jié)晶體管振蕩器，改變采用單結(jié)晶體管振蕩器，改變RC時(shí)間常數(shù)可時(shí)間常數(shù)可使重復(fù)頻率變化。圖使重復(fù)頻率變化。圖c是采用是采用CMOS振蕩器的方法，振蕩器的方法，LED的導(dǎo)通的導(dǎo)通時(shí)間由時(shí)間由R1C決定，截止時(shí)間由決定，截止時(shí)間由R2C決定。決定。28 圖圖

20、d是采用反相器是采用反相器D1和和D2構(gòu)成振蕩電路，如果反相器構(gòu)成振蕩電路，如果反相器D1、D2的門限電平為的門限電平為(12)Vcc，則電路的振蕩頻率，則電路的振蕩頻率f由電容由電容C1和電位器和電位器PR1的值決定，即的值決定，即f=1(2.2 RP1 C1) 。29 受光基本電路受光基本電路圖圖a中光敏晶體管用電阻中光敏晶體管用電阻RL作為負(fù)載，輸出經(jīng)作為負(fù)載，輸出經(jīng) 阻容耦合與后級放大器阻容耦合與后級放大器連接。該電路的缺點(diǎn)是當(dāng)恒定光中有強(qiáng)干擾光進(jìn)入時(shí)，會使光敏晶體連接。該電路的缺點(diǎn)是當(dāng)恒定光中有強(qiáng)干擾光進(jìn)入時(shí)，會使光敏晶體管達(dá)到飽和，使得對恒定光管達(dá)到飽和，使得對恒定光+調(diào)制光的響應(yīng)

21、變得很弱。調(diào)制光的響應(yīng)變得很弱。圖圖b是消除這類恒定光干擾影響的電路，使用電感作為負(fù)載，它僅對是消除這類恒定光干擾影響的電路，使用電感作為負(fù)載，它僅對交流信號具有較高的阻抗。該電路接收到很強(qiáng)的恒定光時(shí)，為防止在交流信號具有較高的阻抗。該電路接收到很強(qiáng)的恒定光時(shí)，為防止在光敏晶體管中出現(xiàn)過電流，需要接人發(fā)射極電阻光敏晶體管中出現(xiàn)過電流，需要接人發(fā)射極電阻RE。30 圖圖c的電路用晶體管代替電感，對恒定光構(gòu)成穩(wěn)壓電源，具有與的電路用晶體管代替電感，對恒定光構(gòu)成穩(wěn)壓電源，具有與圖圖b相同的功能。相同的功能。 圖圖d是使用帶基極的光敏晶體管的接收電路，在偏置電路中加是使用帶基極的光敏晶體管的接收電路，在偏置電路中加有直流負(fù)反饋，以減少溫度或非穩(wěn)定光的干擾影響，同時(shí)，又有直流負(fù)反饋，以減少溫度或非穩(wěn)定光的干擾影響，同時(shí)，又因組成了放大電路，可得到較高的靈敏度因組成了放大電路，可得到較高的靈敏度，因而對微弱光的檢，因而對微弱光的檢測非常有效測非常有效。31 圖為紅外線發(fā)光與受光電路