紅外傳感器 教案

課題項(xiàng)目：光電式傳感器任務(wù)二：紅外傳感器課程名稱傳感器基礎(chǔ)知識(shí)講課類型新授班級(jí)11級(jí)電子太陽(yáng)能技術(shù)（青海班）日期、5、22、23課時(shí)4教學(xué)目的知識(shí)目的：掌握紅外線演示器的安裝與調(diào)試，理解紅外傳感器應(yīng)用電路能力目的：紅外線演示器的安裝與調(diào)試情感目的：認(rèn)識(shí)紅外感器分類和安裝特性教學(xué)重點(diǎn)紅外線演示器的安裝與調(diào)試教學(xué)難點(diǎn)紅外線演示器的安裝與調(diào)試教學(xué)措施講述法，實(shí)踐操作法；練習(xí)法課前準(zhǔn)備電阻器，發(fā)光二極管，電烙鐵，導(dǎo)線，萬(wàn)用表，萬(wàn)能電路板，教學(xué)后記及改善措施、紅外傳感器紅外線傳感器是運(yùn)用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的傳感器。在物理學(xué)中，我們已經(jīng)懂得可見(jiàn)光、不可見(jiàn)光、紅外光及無(wú)線電等都是電磁波，它們之間的差異只是波長(zhǎng)(或頻率)的不一樣而已。近年來(lái)，紅外輻射技術(shù)已成為一門發(fā)展迅速的新興學(xué)科。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。一、.紅外輻射的產(chǎn)生及性質(zhì)1、紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見(jiàn)光，由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見(jiàn)的光線。但實(shí)際上它和其他任何光線同樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。任何物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度，就有紅外線向周圍空間輻射2、它的波長(zhǎng)范圍大體在0.76～1000μm，工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。相對(duì)應(yīng)的頻率大體在4×1014-3×1011Hz之間紅外線與可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線和微波、無(wú)線電波一起構(gòu)成了整個(gè)無(wú)限持續(xù)的電磁波譜。紅外分區(qū)：在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為4個(gè)區(qū)域近紅外區(qū):770nm~1.5μm中紅外區(qū):1.5μm~6μm遠(yuǎn)紅外區(qū):6μm~40μm極遠(yuǎn)紅外區(qū):40μm~1000μm3、紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的。此類振動(dòng)過(guò)程是物體受熱而引起的，只有在絕對(duì)零度(-273.16℃)時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。因此在絕對(duì)零度時(shí)，沒(méi)有一種物體會(huì)發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機(jī)、動(dòng)植物甚至人體等都是紅外輻射源。紅外光的本質(zhì)與可見(jiàn)光或電磁波性質(zhì)同樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸取等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。但它的特點(diǎn)是熱效應(yīng)非常大，紅外線在真空中傳播的速度c=3×108mI為通過(guò)厚度為x的介質(zhì)后的通量；I0為射到介質(zhì)時(shí)的通量；e為自然對(duì)數(shù)的底；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。金屬對(duì)紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過(guò)紅外線；大多數(shù)的半導(dǎo)體材料及某些塑料能透過(guò)紅外線；液體對(duì)紅外線的吸取較大，例如厚l(mm)的水對(duì)紅外線的透明度很小，當(dāng)厚度到達(dá)lcm時(shí)，水對(duì)紅外線幾乎完全不透明了；氣體對(duì)紅外輻射也有不一樣程度的吸取，例如大氣(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不一樣程度的吸取，它對(duì)波長(zhǎng)為1～5μm，8～14μm之間的紅外線是比較透明的，對(duì)其他波長(zhǎng)的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會(huì)引起對(duì)紅外輻射的散射。實(shí)踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長(zhǎng)愈長(zhǎng)。由此在工業(yè)上和軍事上根據(jù)需要有選擇地接受某一范圍的波長(zhǎng)，就可以到達(dá)測(cè)量的目的。4、紅外輻射和所有電磁波同樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不一樣波長(zhǎng)的紅外線存在不一樣的吸取帶，紅外線氣體分析器就是運(yùn)用該特性工作的，空氣中對(duì)稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸取紅外線。而紅外線在通過(guò)大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過(guò)率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇薄＿@三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)尤其重要，因此紅外探測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光譜多種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的，并且最大的熱效應(yīng)出目前紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。波長(zhǎng)在0.1—1000μm之間的電磁波被物體吸取時(shí)，可以明顯地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。可?jiàn)，載能電磁波是熱輻射傳播的重要媒介物。紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，由于大氣中的氣體分子、水蒸汽以及固體微粒、塵埃等物質(zhì)的吸取和散射作用，使輻能在傳播過(guò)程中逐漸衰減?？諝庵袑?duì)稱的雙原于分子，如N2，H2，O2不吸取紅外輻射，因而不會(huì)導(dǎo)致紅外輻射在傳播過(guò)程中衰減。5、紅外幅射源當(dāng)物體溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，均有紅外線向周圍空間輻射出來(lái)根據(jù)輻射源幾何尺寸的大小，距探測(cè)器的遠(yuǎn)近，又分為點(diǎn)源和面源點(diǎn)源(沒(méi)有充斥紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)的大面源叫做點(diǎn)源)面源(一般狀況下，把充斥紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)的大面輻射源叫做面源)二、紅外傳感器紅外線探測(cè)器即為紅外線傳感器，它是一種能探測(cè)紅外線的器件。從近代測(cè)量技術(shù)角度來(lái)看，能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱之為紅外探測(cè)器。紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等構(gòu)成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的關(guān)鍵。紅外探測(cè)器是運(yùn)用紅外輻射與物質(zhì)互相作用所展現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類諸多，按探測(cè)機(jī)理的不一樣，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。1紅外探測(cè)器的分類按其工作原理可分為兩類：熱敏探測(cè)器和光子探測(cè)器紅外探測(cè)器紅外線電信號(hào)熱傳感器熱效應(yīng)光子傳感器光電效應(yīng)2、光電探測(cè)器A、光電探測(cè)器是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率變化的一種物理現(xiàn)象。光電探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見(jiàn)光或近紅外波段重要用于射線測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等；在紅外波段重要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導(dǎo)體的另一應(yīng)用是用它做攝像管靶面。為了防止光生載流子擴(kuò)散引起圖像模糊，持續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采用鑲嵌靶面的措施，整個(gè)靶面由約10萬(wàn)個(gè)單獨(dú)探測(cè)器構(gòu)成。、B、工作原理光電探測(cè)器的工作原理是基于光電效應(yīng)，熱探測(cè)器基于材料吸取了光輻射能量后溫度升高，從而變化了它的電學(xué)性能，它區(qū)別于光子探測(cè)器的最大特點(diǎn)是對(duì)光輻射的波長(zhǎng)無(wú)選擇性。光電子發(fā)射器件：光電管與光電倍增管是經(jīng)典的光電子發(fā)射型（外光電效應(yīng)）探測(cè)器件。其重要特點(diǎn)是敏捷度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快和噪聲小，是一種電流放大器件。尤其是光電倍增管具有很高的電流增益，尤其適于探測(cè)微弱光信號(hào)；但它構(gòu)造復(fù)雜，工作電壓高，體積較大。光電倍增管一般用于測(cè)弱輻射并且響應(yīng)速度規(guī)定較高的場(chǎng)所，如人造衛(wèi)星的激光測(cè)距儀、光雷達(dá)等。光電導(dǎo)器件：運(yùn)用品有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料做成的光電探測(cè)器稱為光電導(dǎo)器件，一般叫做光敏電阻。在可見(jiàn)光波段和大氣透過(guò)的幾種窗口，即近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外波段，均有合用的光敏電阻。光敏電阻被廣泛地用于光電自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外光譜系統(tǒng)等。3、熱敏探測(cè)器熱敏探測(cè)器是運(yùn)用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，它采用熱敏元件。熱敏探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，對(duì)應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。熱敏探測(cè)器的重要長(zhǎng)處是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在室溫下工作，使用以便，應(yīng)用仍相稱廣泛。熱敏探測(cè)器的重要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測(cè)器。熱敏電阻紅外探測(cè)器（a）構(gòu)造；（b）橋式測(cè)量電路熱敏電阻型紅外傳感器是由錳、鎳、鈷的氧化物混臺(tái)后燒結(jié)而制成。熱敏電阻一般制成薄片狀，當(dāng)紅外輻射照射在熱敏電阻片上，其溫度升高，電阻值減小。測(cè)量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射紅外輻射的強(qiáng)弱，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射物體的溫度。電阻隨溫度變化的規(guī)律 熱敏電阻的溫度系數(shù)正溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)4、熱敏探測(cè)器的重要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測(cè)器熱釋電效應(yīng)：若使某些強(qiáng)電介質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，在這些物質(zhì)表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電傳感器：紅外輻射熱（溫度）電荷熱釋電型紅外探測(cè)器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的，即電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。用此效應(yīng)制成的“鐵電體”，其極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度減少，表面電荷減少，這相稱于釋放一部分電荷，因此叫做熱釋電型傳感器。假如將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一種電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反應(yīng)出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。5、熱釋電型傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強(qiáng)度(單位面積上的電荷)與溫度有關(guān)。幾點(diǎn)注意當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時(shí)，傳感器沒(méi)有電信號(hào)輸出。只有鐵電體溫度處在變化過(guò)程中，才有電信號(hào)輸出。必須對(duì)紅外輻射進(jìn)行調(diào)制（或稱斬光），使恒定的輻射變成交變輻射，不停引起傳感器的溫度變化，才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號(hào)6、紅外探測(cè)和遙控發(fā)射，接受系統(tǒng)的構(gòu)成紅外探測(cè)器是由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調(diào)制器等構(gòu)成。按光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造，紅外探測(cè)器可分為透射式和反射式兩類。紅外傳感器按其應(yīng)用可分為如下幾種方面：①紅外輻射計(jì)，用于輻射和光譜輻射測(cè)量；②搜索和跟蹤系統(tǒng)，可用于搜索和跟蹤紅外目的，確定其空間位置并對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤③熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目的紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；④紅外測(cè)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(gè)或多種的組合應(yīng)用一、紅外測(cè)溫儀1、紅外測(cè)溫儀是運(yùn)用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來(lái)測(cè)量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃他是光、機(jī)、電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng)。圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一種固定焦距的透視系統(tǒng)，濾光片一般采用只容許8~14um的紅外輻射能通過(guò)的材料。步進(jìn)電機(jī)