紅外傳感器原理

待測(cè)目標(biāo)

根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。

大氣衰減

待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過(guò)地球大氣層時(shí)，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。

光學(xué)接收器

它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。

輻射調(diào)制器

對(duì)來(lái)自待測(cè)目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤(pán)和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。

紅外探測(cè)器

這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來(lái)的物理效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學(xué)效應(yīng)。此類探測(cè)器可分為光子探測(cè)器和熱敏感探測(cè)器兩大類型。

探測(cè)器制冷器

由于某些探測(cè)器必須要在高溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過(guò)制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高探測(cè)靈敏度。

信號(hào)處理系統(tǒng)

將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號(hào)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。

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。

依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測(cè)量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測(cè)器，按照探測(cè)的機(jī)理的不同，可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。下面以熱探測(cè)器為例子來(lái)分析探測(cè)器的原理。

熱探測(cè)器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測(cè)元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測(cè)器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測(cè)其中某一性能的變化，便可探測(cè)出輻射。多數(shù)情況下是通過(guò)熱電變化來(lái)探測(cè)輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時(shí)，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q后測(cè)量相應(yīng)的電量變化。

圖上所示為歐姆龍公司生產(chǎn)的漫反射式和對(duì)射式光電傳感器，這兩種傳感器主要用于事件檢測(cè)和物體定位。圖中的紅燈和綠燈表示傳感器的狀態(tài)。

紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮著它的巨大作用，隨著探測(cè)設(shè)備和其他部分的技術(shù)的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。

紅外傳感器概述

紅外線技術(shù)在測(cè)速系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，許多產(chǎn)品已運(yùn)用紅外線技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛測(cè)速、探測(cè)等研究。紅外線應(yīng)用速度測(cè)量領(lǐng)域時(shí)，最難克服的是受強(qiáng)太陽(yáng)光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線應(yīng)用于野外的瓶頸。針對(duì)此問(wèn)題，這里提出一種紅外線測(cè)速傳感器設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)方案能夠?yàn)槎帱c(diǎn)測(cè)量即時(shí)速度和階段加速度提供技術(shù)支持，可應(yīng)用于公路測(cè)速和生產(chǎn)線下料的速度稱量等工業(yè)生產(chǎn)中需要測(cè)量速度的環(huán)節(jié)。

紅外技術(shù)已經(jīng)眾所周知，這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代科技、國(guó)防科技和工農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：(1)輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量;(2)搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤;(3)熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像;(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)或者多個(gè)的組合。

紅外傳感器根據(jù)探測(cè)機(jī)理可分成為：光子探測(cè)器(基于光電效應(yīng))和熱探測(cè)器(基于熱效應(yīng))。

紅外傳感器發(fā)展前景

咨詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國(guó)、德國(guó)、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的依舊是汽車(chē)市場(chǎng)，占第二位的是過(guò)程控制市場(chǎng)，看好通訊市場(chǎng)前景。

一些傳感器市場(chǎng)比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、19%和14%。傳感器市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)來(lái)自于無(wú)線傳感器、MEMS(MICRO-ELECTRO-MECHANICALSYSTEMS，微機(jī)電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無(wú)線傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)25%。

全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國(guó)將競(jìng)相加速新一代傳感器的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來(lái)的傳感器市場(chǎng)，比如無(wú)線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場(chǎng)份額的擴(kuò)大。

紅外傳感器類型

紅外線傳感器依動(dòng)作可分為：

(1) 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化及電動(dòng)勢(shì)等輸出信號(hào)之熱型。

(2) 利用半導(dǎo)體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因PN 接合之光電動(dòng)勢(shì)效果的量子型。

熱型的現(xiàn)象俗稱為焦熱效應(yīng)，其中最具代表性者有測(cè)輻射熱器 (THERMAL BOLOMETER)，熱電堆(THERMOPILE)及熱電(PYROELECTRIC)元件。

熱型的優(yōu)點(diǎn)有：可常溫動(dòng)作下操作，波長(zhǎng)依存性(波長(zhǎng)不同感度有很大之變化者)并不存在，造價(jià)便宜;

缺點(diǎn)：感度低、響應(yīng)慢(MS之譜)。

量子型 的優(yōu)點(diǎn)：感度高、響應(yīng)快速(ΜS 之譜);

缺點(diǎn)：必須冷卻(液體氮?dú)? 、有波長(zhǎng)依存性、價(jià)格偏高;

紅外線傳感器特別是利用遠(yuǎn)紅外線范圍的感度做為人體檢出用，紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)而比電波短。紅外線讓人覺(jué)得只由熱的物體放射出來(lái)，可是事實(shí)上不是如此，凡是存在于自然界的物體，如人類、火、冰等等全部都會(huì)射出紅外線，只是其波長(zhǎng)因其物體的溫度而有差異而已。人體的體溫約為36～37°C，所放射出峰值為9～10微米的遠(yuǎn)紅外線，另外加熱至400～700°C的物體，可放射出峰值為3～5微米(不是MM)的中間紅外線。

紅外傳感器關(guān)鍵性元件

菲涅爾濾光透鏡，熱釋電紅外傳感器(PIR)和匹配低噪放大器。

菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射在PIR上：二是將探測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體(人)能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)。一般還會(huì)匹配低噪放大器，當(dāng)探測(cè)器上的環(huán)境溫度上升，尤其是接近人體正常體溫(37℃)時(shí)，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對(duì)增益進(jìn)行補(bǔ)償，增加其靈敏度。輸出信號(hào)可用來(lái)驅(qū)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)LED照明電路的開(kāi)關(guān)控制。這是一款E27標(biāo)準(zhǔn)螺口燈頭的燈具，它的電源適用范圍是 AC180V-250V (50/60HZ)， 紅外傳感器檢測(cè)范圍大約在3M—15M，它的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 IFS-BULB 3W燈具達(dá)80 LM ，5W燈具達(dá)140 LM 。在LED光源模塊的中央部分嵌入紅外線傳感器。一旦紅外傳感器檢測(cè)到人的體溫，LED電燈泡將會(huì)在50秒內(nèi)自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉。適用于任何一種室內(nèi)應(yīng)用，如走廊、儲(chǔ)藏室、樓梯和大廳入口處。

紅外傳感器應(yīng)用

輻射本質(zhì)

紅外輻射的本質(zhì)

紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射。以波的形式在空間直線傳播，真空中以光速傳播當(dāng)物體溫度低于1000℃時(shí)，向外輻射的不再是可見(jiàn)光，而是紅外光紅外線在通過(guò)大氣層時(shí), 有三個(gè)波段透過(guò)率高, 它們是2~2.6 ΜM、3~5 ΜM和8~14 ΜM。其波段如圖所示：

紅外探測(cè)器

紅外探測(cè)器分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩種。

(1)熱探測(cè)器

利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。

(2)光子探測(cè)器

利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。

舉例

(1)紅外測(cè)溫儀：如圖所示

(2)紅外線氣體分析儀：如圖所示[2]

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