《紅外傳感器》word版

1、.紅外傳感器紅外線紅外光是太陽光譜的一部分，其波長范圍及在電磁波譜中的位置如以下圖。紅外光的最大特點就是具有光熱效應(yīng)，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干預(yù)、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。不同的氣體對其吸收程度各不一樣，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析說明，對于波長為15m、814m區(qū)域的紅外光具有比較大的"透明度"。即這些波長的紅外光能

2、較好地穿透大氣層。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對不同的物體是各不一樣的，熱能強度也不一樣。例如，黑體能全部吸收投射到其外表的紅外輻射的物體、鏡體能全部反射紅外輻射的物體、透明體能全部穿透紅外輻射的物體和灰體能部分反射或吸收紅外輻射的物體將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。嚴格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究工程的重要理論根據(jù)。紅外輻射的根本定律1基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度

3、下同面積黑體輻射通量W黑。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率同一波段；吸收率越大，發(fā)射率也越大。地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論根底。2玻耳茲曼定律Stefan-Boltzmann's law即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論根底。3維恩位移定律：Wien's displacement law隨著溫度的升高，輻射最大值對應(yīng)的峰值波長向短波方向挪動。紅外傳感器工作原理紅外技術(shù)開展到如

4、今，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能可以分成五類：1輻射計，用于輻射和光譜測量；2搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目的，確定其空間位置并對它的運動進展跟蹤；3熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目的紅外輻射的分布圖像；4紅外測距和通信系統(tǒng)；5混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。一個典型的傳感器系統(tǒng)各部分的工作原理如以下圖；圖中的實體分別是：紅外傳感器工作原理1待側(cè)目的。根據(jù)待側(cè)目的的紅外輻射特性可進展紅外系統(tǒng)的設(shè)定。2大氣衰減。待測目的的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒

5、的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。3光學(xué)接收器。它接收目的的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達天線，常用是物鏡。4輻射調(diào)制器。對來自待測目的的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目的方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種構(gòu)造。5紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)互相作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種互相作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。6探測器制冷器。由于某些探測器必需要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，進步探測靈敏度

6、。7信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進展放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。8顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。按照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。紅外探測器傳感器能將紅外輻射量變化轉(zhuǎn)換成電量變換的裝置稱為紅外探測器紅外傳感器，紅外探測器是根據(jù)熱電效應(yīng)和光子效應(yīng)制成的。前者為熱敏探測器，后者為光子探測器。從理論上講，熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收，它是一

7、種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)和光電磁效應(yīng)。圖為紅外線光電傳感器熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。熱敏探測器對紅外輻射的響應(yīng)時間比光電探測器的響應(yīng)時間要長得多。前者的響應(yīng)時間一般在ms以上，而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)要冷卻。1.紅外探測器的根本參數(shù)為了便于設(shè)計和選用紅外

8、探測器主要技術(shù)參數(shù)有以下幾項：1響應(yīng)率所謂紅外探測器的響應(yīng)率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比式中r-響應(yīng)率V/W；U0-輸出電壓V；P-紅外輻射功率W。2響應(yīng)波長范圍紅外探測器的響應(yīng)率與入射輻射的波長有一定的關(guān)系，如右圖所示。曲線為熱敏探測器的特性。熱敏紅外探測器響應(yīng)率r與波長無關(guān)。光電探測器的分譜響應(yīng)如圖中曲線所示。P對應(yīng)響應(yīng)峰值rP，rP/2于對應(yīng)為截止波長c。3噪聲等效功率NEP假設(shè)投射到探測器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓，這個輻射功率就叫做噪聲等效功率NEP。噪聲等效功率是一個可測量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0，然后除去輻射源，

9、測得探測器的噪聲電壓為UN，那么按比例計算，要使U0=UN，的輻射功率為反射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測器一般由四面玻璃反射鏡組成，其外表鍍金、鋁和鎳鉻等紅外波段反射率很高的材料構(gòu)成反射式光學(xué)系統(tǒng)。為了減小像差或使用上的方便，常另加一片次鏡，使目的輻射經(jīng)兩次反射聚焦到敏感元件上，敏感元件與透鏡組一體前置放大器接收熱電轉(zhuǎn)換、后的電信號，并對其進展放大。透射式紅外探測器的部件用紅外光學(xué)材料做成，不同的紅外光波長應(yīng)選用不同的光學(xué)材料。例如，在測量700以上的高溫時波長多為7503000nm范圍內(nèi)近紅外光，一般用光學(xué)玻璃和石英等材料作透鏡材料；測量100700范圍的溫度時多為35m的中紅外光，多用氟化鎂、氧化

10、鎂等熱敏材料；測量100以下的溫度波長為514m的中遠紅外光，多采用鍺、硅、硫化鋅等熱做材料。除近紅外光外，獲取透射紅外光的光學(xué)材料一般比較困難，反射式光學(xué)系統(tǒng)可防止這一困難。紅外光的最大特點就是具有光熱效應(yīng)，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干預(yù)、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。不同的氣體對其吸收程度各不一樣，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析說明，對于波長為

11、15m、814m區(qū)域的紅外光具有比較大的"透明度"。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對不同的物體是各不一樣的，熱能強度也不一樣。例如，黑體能全部吸收投射到其外表的紅外輻射的物體、鏡體能全部反射紅外輻射的物體、透明體能全部穿透紅外輻射的物體和灰體能部分反射或吸收紅外輻射的物體將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。嚴格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究工程的重要理論根據(jù)。紅外探測器的應(yīng)用舉例紅外探測器應(yīng)用

12、可以用于非接觸式的溫度測量，氣體成分分析，無損探傷，熱像檢測，紅外遙感以及軍事目的的偵察、搜索、跟蹤和通信等。紅外傳感器的應(yīng)用前景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的開展，將會更加廣闊。1.紅外氣體分析儀紅外線氣體分析儀,是利用紅外線進展氣體分析"它基于待分析組分的濃度不同,吸收的輻射能不同,剩下的輻射能使得檢測器里的溫度升高不同,動片薄膜兩邊所受的壓力不同,從而產(chǎn)生一個電容檢測器的電信號"這樣,就可間接測量出待分析組分的濃度"根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對氣體成分進展分析。例如，二氧化碳對于波長為2.7m、4.33m和14.5m紅外光吸收相當(dāng)強烈，并且吸收譜相當(dāng)?shù)膶挘?/p>

13、即存在吸收帶。根據(jù)實驗分析，只有4.33m吸收帶不受大氣中其他成分影響，因此可以利用這個吸收帶來判別大氣中的CO2的含量。二氧化碳對紅外光的透射光譜如右圖所示。二氧化碳紅外氣體分析儀由氣體含CO2的樣品室、參比室無CO2、斬光調(diào)制器、反射鏡系統(tǒng)、濾光片、紅外檢測器和選頻放大器等組成。測量時，使待測氣體連續(xù)流過樣品室，參比室里充滿不含CO2的氣體或CO2含量的氣體。紅外光源發(fā)射的紅外光分成兩束光經(jīng)反射鏡反射到樣品室和參比室，經(jīng)反射鏡系統(tǒng)，這兩束光可以通過中心波長為4.33m的紅外光濾色片投射到紅外敏感元件上。由于斬光調(diào)制器的作用，敏感元件交替地接收通過樣品室和參比室的輻射。假設(shè)樣品室和參比室均無

14、CO2氣體，只要兩束輻射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一個通量恒定不變的輻射，因此，敏感元件只有直流響應(yīng)，交流選頻放大器輸出為零。假設(shè)進入樣品室的氣體中含有CO2氣體，對4.33m的輻射就有吸收，那么兩束輻射的通量不等，那么敏感元件所接收到的就是交變輻射，這時選頻放大器輸出不為零。經(jīng)過標定后，就可以從輸出信號的大小來推測CO2的含量。圖為操作簡便，手握式二氧化碳及溫度檢測儀，由于采用了專利"雙光束紅外傳感器技術(shù)"，該檢測儀能保證穩(wěn)定而準確的測量，該儀器具有0-4伏的電壓輸出，適宜于長時間的檢測和記錄環(huán)境檢測，可以和電腦聯(lián)機，便于數(shù)據(jù)分析。2.紅外無損探傷儀紅外無損探傷儀

15、可以用來檢查部件內(nèi)部缺陷，對部件構(gòu)造無任何損傷。例如，檢查兩塊金屆板的焊接質(zhì)量，利用紅外輻射探傷儀能非常方便地檢查漏焊或缺焊；為了檢測金屬材料的內(nèi)部裂縫，也可利用紅外探傷儀。紅外無損探傷儀的工作原理如以以下圖所示。將紅外輻射對金屬板進展均勻照射，利用金屬對紅外輻射的吸收與縫隙含有某種氣體或真空對紅外輻射的吸收所存在的差異，可以探測出金屬斷裂空隙。當(dāng)紅外輻射掃描器連續(xù)發(fā)射一定波長的紅外光通過金屬板時，在金屬板另一側(cè)的紅外接收器也同時連續(xù)接收到經(jīng)過金屬板衰減的紅外光；假設(shè)金屬板內(nèi)部無斷裂，輻射掃描器在掃描過程中，紅外接收器收到的是等量的紅外輻射；假設(shè)金屬板內(nèi)部存在斷裂，紅外接收器在輻射掃描器在掃描

16、到斷裂處時所接收到的紅外輻射值與其他地方不一致，利用圖像處形技術(shù)，就可以顯示出金屬板內(nèi)部缺陷的形狀。3.輻射溫度計根據(jù)維恩位移定律，物體峰值輻射波長m與物體的自身的絕對溫度T成反比。只要測量出輻射體源的峰值輻射波長m，即可推測出輻射體的溫度。這種測溫手段的測溫范圍可達-1703200；響應(yīng)速度可達幾個微秒；可以實現(xiàn)非接觸測量，不會破壞溫度場，還可以測量幾百到上千Km之外物體的溫度。圖為一紅外測溫儀4.熱釋電紅外線傳感器熱釋電紅外傳感器主要用來檢測紅外線的增量,對于與背景溫度高出幾度的溫差,將會作出迅速的響應(yīng)"因此,熱釋電紅外傳感器可以用來檢測運動的人體"當(dāng)人體進入該傳感器的

17、有效視野范圍時,傳感器的輸出端就會立即輸出一個高電平,讓執(zhí)行器件作出反響。"新型的熱釋電紅外傳感器AMN1"它的最主要特征是：體積變得非常小,大約只有同類傳感器的1/10,其中多棱透鏡為原來的1/5"因此,適宜安裝于極小的裝置中；它的內(nèi)部除了有一個高靈敏度四元件熱釋電紅外敏感元件外,還將信號放大器！運放比較器！穩(wěn)壓電路和輸出電路集成在一塊芯片IC1上"AMN1只有三個管腳,分別是+Vcc！GND和OUT見圖1"這使得外接電路極其簡單,而且使用非常方便；加上特別的封裝技術(shù),使AMN1的抗干擾才能非常強"如圖2所示,IC2為74LS04芯

18、片,T為光控晶閘管,RL1為聲光報警系統(tǒng),RL2為錄像監(jiān)視系統(tǒng)"當(dāng)有運動人體進入AMN1的有效視野范圍時,運動傳感器MotionSensorAMN1的OUT端將輸出高電平5V；經(jīng)過電阻R1！R2的分壓,在IC2a門的輸入端產(chǎn)生在一個3.2V的高電平,b門的輸出端電平也為3.2V,這樣就使得光控晶閘管T導(dǎo)通"導(dǎo)通時T的壓降可以忽略,此時,串聯(lián)在線路中的聲光報警系統(tǒng)RL1開場工作,同時負載RL2錄像監(jiān)視系統(tǒng)也過行工作狀態(tài),將進入視野的人以電磁信號的形式記錄下來"等人分開視野一定時間后,OUT端輸出低電平,報警監(jiān)視裝置恢復(fù)到關(guān)停狀態(tài)"熱釋電人體紅外線傳感器是上

19、世紀80年代末期出現(xiàn)的一種新型傳感器件，如今已得到越來越廣泛的應(yīng)用，從原理上分析，它主要有主動式和被動式兩類。1熱釋電人體紅外線傳感器的根本構(gòu)造和原理目前，市場上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海產(chǎn)的SD02、PH5324，德國產(chǎn)的LH1954、LH1958，美國HAMAMATSU公司產(chǎn)P2288，日本NIPPONCERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號不一樣，但其構(gòu)造、外型和電參數(shù)大致一樣，大部分可以彼此互換使用。熱釋電人體紅外線傳感器以下簡稱：傳感器由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。圖9.2.3為P2288、SD02、SCA02-1的外形圖。圖9.2

20、.3a為它們的頂視圖，其中較大的矩形部分為濾光窗，兩個虛線框矩形為敏感單元，面積約2×1mm2，間距1mm?？梢杂糜谝韵赂鞣N實用電路中。1."有電，危險"平安警示電路用于有電的場合，當(dāng)有人進入這些場合時，通過發(fā)出語音和聲光提醒人們注意平安。2.自動門主要用于銀行、賓館。當(dāng)有人來到時，大門自動翻開，；人分開后又自動關(guān)閉。3.紅外線防盜報警器用于銀行、辦公樓、家庭等場合的防盜報警。4.高速公路車輛車流計數(shù)器5.自動開、關(guān)的照明燈，人體接近自動開關(guān)等。5.紅外溫度檢測系統(tǒng)自然界一切溫度高于絕對零度-273.15°C的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間

21、輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克Plank定律。人體主要輻射波長在910m的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準確地測定人體外表溫度。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因此可利用人體輻射的紅外能量準確地測量人體外表溫度。人體的紅外輻射特性與它的外表溫度有著非常親密的關(guān)系，因此，通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定人體外表溫度。紅外溫度測量技術(shù)的最大優(yōu)點是測試速度快，1秒鐘以內(nèi)可測試完畢。由于它只接收人體對外發(fā)射的紅外輻射，沒有任何其它物理和化學(xué)因素作用于人體，所以對人體無任何害處。TH-IR101F紅外測溫儀此設(shè)備由紅外傳

22、感器和顯示報警系統(tǒng)兩部分組成，它們之間通過專用的五芯電纜連接。安裝時將紅外傳感器用支架固定在通道旁邊或大門旁邊等地方，使得被測人與紅外傳感器之間的間隔 相距35CM。在其旁邊擺放一張桌子，放置顯示報警系統(tǒng)。只要被測人在指定位置站立1秒鐘以上，紅外快速檢測儀就可準確測量出旅客體溫。一旦受測者體溫超過38°C，測溫儀的紅燈就會閃亮，同時發(fā)出蜂鳴聲提醒檢查人員。紅外溫度快速檢測儀為在人流量較大的公共場所降低非典的擴散和傳播提供快速、非接觸測量手段，可廣泛用于機場、海關(guān)、車站、賓館、商場、影院、寫字樓、學(xué)校等人流量較大的公共場所，對體溫超過38°C的人員進展有效挑選。具有環(huán)境溫度補

23、償功能：紅外溫度快速檢測儀測量的是額頭外表的溫度，體表溫度不僅跟人體溫度相關(guān)，而且受環(huán)境溫度、濕度、氣流、體表下血液循環(huán)和導(dǎo)熱狀況、以及外表換熱條件的影響，致使現(xiàn)有的各種紅外測溫儀在測量人體溫度時出現(xiàn)較大的測量誤差。使用特點：非接觸測量，不接觸人體，防止穿插感染，無需衛(wèi)生消毒。檢測速度快，一般短于1秒鐘。體溫超過38°C自動報警，檢測儀的紅燈就會閃亮，同時發(fā)出蜂鳴聲提醒檢查人員。報警溫度自行設(shè)置，如37.5°C。環(huán)境溫度自動補償。無機械運動部件，使用壽命長。6.夜視儀紅外夜視儀是利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的軍用夜視儀器。它分為主動式和被動式兩種：前者用紅外探照燈照射目的，接收反射的紅外輻射形成圖像；紅外夜視儀不是利用目的自身發(fā)射的紅外輻射來獲得目的的信息，而是靠紅外探照燈發(fā)射的紅外輻射去"照明"目的，并接收目的反射的紅外線來偵察和顯示目的，所以，又被稱為"主動式紅外夜視儀"。后者不發(fā)射紅外線，依靠目的自身的紅外輻射形成"熱圖像"，故稱為"熱像儀"。熱像儀又被稱作"被動式紅外夜視儀"，它本身不發(fā)出紅外輻射，只接收目的的紅外輻射，并轉(zhuǎn)換成人眼可見的紅外圖象，圖象反映了目的各部分的紅外輻射強度圖一種便攜主動式紅外夜視儀夜間可見光很