紅外傳感器 是利用紅外線的物理特性進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì),只要具有一定的溫度(絕對(duì)零度以上),都能輻射紅外線。#紅外傳感器#在測(cè)量時(shí)不直接接觸被測(cè)物體,因此無(wú)摩擦,具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。
紅外傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路三部分。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩種。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。應(yīng)用最廣泛的熱檢測(cè)元件是熱敏電阻。當(dāng)熱敏電阻受到紅外輻射時(shí),溫度升高,阻值發(fā)生變化(這種變化可能較大,也可能較小,因?yàn)?/span>熱敏電阻 又可分為PTC熱敏電阻和NTC熱敏電阻),經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。光電檢測(cè)元件是常用的光敏元件,通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲化汞鎘三元合金、鍺和硅摻雜等材料制成。
紅外傳感器常用于非接觸式測(cè)溫、氣體成分分析和無(wú)損檢測(cè),在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)、環(huán)境工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如,利用紅外傳感器遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度的熱像,可以發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位,及時(shí)診斷和治療疾?。ㄒ?jiàn)熱像儀)。利用人造衛(wèi)星上的紅外傳感器監(jiān)測(cè)地球云層,可以實(shí)現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報(bào)。還可以用來(lái)檢測(cè)飛機(jī)上正在運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱情況。
裝有紅外傳感器的望遠(yuǎn)鏡可以應(yīng)用于軍事行動(dòng)中,在森林戰(zhàn)中可以探測(cè)密林中的敵人,在城市戰(zhàn)中可以探測(cè)墻后的敵人,這些都是通過(guò)紅外傳感器來(lái)測(cè)量人體的表面溫度,從而知道敵人在哪里。
紅外傳感器工作原理
下面道合順傳感就給大家詳細(xì)講解一下紅外傳感器的工作原理。
根據(jù)發(fā)射方式不同,紅外傳感器可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類(lèi)。
主動(dòng)紅外傳感器
主動(dòng)紅外傳感器的發(fā)射器發(fā)射經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外光束,被紅外接收器接收,從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當(dāng)受到樹(shù)葉、雨水、小動(dòng)物、雪、沙、霧等遮擋時(shí)不應(yīng)報(bào)警,當(dāng)有人或相當(dāng)大小的物體遮擋時(shí)才會(huì)發(fā)出警報(bào)。
主動(dòng)紅外探測(cè)器技術(shù)主要采用一發(fā)一收,屬于線性防范,現(xiàn)在已經(jīng)由原來(lái)的單光束發(fā)展到多光束,還可以采用雙發(fā)雙收,最大限度降低誤報(bào)率,從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。
由于紅外線是一種對(duì)環(huán)境因素具有良好非相干性的探測(cè)媒介(對(duì)于環(huán)境中的聲音、光照、振動(dòng)、各種人造光源、電磁干擾源等都具有良好的非相干性);它同時(shí)也是一種對(duì)目標(biāo)因素具有良好相干性的產(chǎn)品(只有遮擋紅外光束的目標(biāo)才會(huì)觸發(fā)報(bào)警),所以主動(dòng)紅外傳感器將會(huì)得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。
被動(dòng)紅外傳感器
被動(dòng)式紅外傳感器的工作原理是檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線,傳感器收集外界的紅外輻射,集中到紅外傳感器上。紅外傳感器通常采用熱釋電元件,當(dāng)接收到紅外輻射溫度變化時(shí)會(huì)釋放電荷,經(jīng)檢測(cè)處理后產(chǎn)生報(bào)警。
這種傳感器是針對(duì)人體輻射進(jìn)行探測(cè)的,因此輻射敏感元件必須對(duì)波長(zhǎng)在10μm左右的紅外輻射非常敏感,為了對(duì)人體的紅外輻射敏感,其輻射表面通常覆蓋有特殊的濾光片,這樣環(huán)境的干擾就明顯受到控制。
被動(dòng)式紅外傳感器是由兩個(gè)熱釋電元件串聯(lián)或并聯(lián)組成,且兩個(gè)電極的極化方向相反,環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電元件的作用幾乎相同,使放電效應(yīng)相互抵消,因此探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。
一旦入侵者進(jìn)入探測(cè)區(qū)域,人體的紅外輻射經(jīng)部分反射鏡聚焦后被熱釋電元件接收,但兩個(gè)熱釋電元件接收到的熱量不同,熱釋電性也不同,無(wú)法抵消,經(jīng)信號(hào)處理后產(chǎn)生報(bào)警。人體紅外探測(cè)器中廣泛應(yīng)用的是被動(dòng)式紅外傳感器。
根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同,紅外傳感器可分為光子型和熱釋電型兩大類(lèi)型。
光子紅外傳感器
光子紅外傳感器是利用紅外輻射的光子效應(yīng)來(lái)工作的傳感器。所謂光子效應(yīng),是指當(dāng)紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí),紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用,改變電子的能量狀態(tài),從而引起各種電現(xiàn)象。
通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體材料中電子性質(zhì)的變化,可以得知相應(yīng)的紅外輻射強(qiáng)度。光子探測(cè)器主要類(lèi)型有內(nèi)部光電探測(cè)器、外部光電探測(cè)器、自由載流子探測(cè)器、QWIP量子阱探測(cè)器等。
光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、響應(yīng)頻率高,但缺點(diǎn)是探測(cè)波段較窄,一般工作在低溫下(為保持較高的靈敏度,常采用液氮或熱電制冷等方式將光子探測(cè)器冷卻到較低的工作溫度)。
熱釋電紅外傳感器
熱釋電紅外傳感器 是利用紅外輻射的熱效應(yīng)引起元件本身的溫度變化來(lái)檢測(cè)某些參數(shù)的,其檢測(cè)率和響應(yīng)速度不如光子傳感器。
但由于其可在室溫下使用,且靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān),因此應(yīng)用范圍十分廣泛,利用鐵電體熱釋電效應(yīng)的熱釋電紅外傳感器靈敏度較高,應(yīng)用十分廣泛。
熱釋電效應(yīng)
一些絕緣材料受熱時(shí),隨著溫度升高,晶體兩端會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等、符號(hào)相反的電荷。這種因熱變化而產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)在熱釋電紅外傳感器中的應(yīng)用已有十幾年的歷史。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱(chēng)為熱釋電體,又稱(chēng)熱釋電元件。熱電元件常用的材料有單晶、壓電陶瓷、聚合物薄膜等。
熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)
熱釋電紅外傳感器由以下四個(gè)主要部分組成:
①鋁基板與場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)組成電路;
②具有熱釋電效應(yīng)的陶瓷材料;
③限制入射紅外波長(zhǎng)的窗口材料;
④ 外殼TO-5型帽及插座。
單獨(dú)使用探測(cè)元件時(shí),探測(cè)距離較短,且所得到的信號(hào)不易被后續(xù)電路處理,所以目前多采用紅外組件進(jìn)行探測(cè)。紅外組件由熱釋電紅外傳感器、透鏡、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路、密封管殼等組成。透鏡可以擴(kuò)大探測(cè)范圍,提高測(cè)量靈敏度;測(cè)量轉(zhuǎn)換電路可以完成濾波、放大等信號(hào)處理過(guò)程;密封管殼可以防止外界噪聲引起的誤動(dòng)作。該組件體積小,成本低,功能多樣,因此被廣泛應(yīng)用。
紅外溫度傳感器
自然界中,當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí),由于其內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在,就會(huì)不斷向周?chē)椛潆姶挪?,其中就包括波長(zhǎng)范圍為0.75~100μm的紅外線,紅外溫度傳感器就是利用該原理產(chǎn)生的。
紅外線
紅外線是人眼看不見(jiàn)的一種光,但其實(shí)它跟其他光一樣,是一種客觀物質(zhì)。任何物體只要溫度高于熱力學(xué)零度,都會(huì)向周?chē)屑t外輻射。紅外線是可見(jiàn)光中紅光以外的光,所以叫紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.75~100μm的光譜范圍內(nèi)。
紅外線輻射
紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射,物體的溫度越高,輻射出的紅外輻射就越多,紅外輻射的能量也越強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)光譜中各種單色光的熱效應(yīng)從紫光到紅光逐漸增強(qiáng),而最大的熱效應(yīng)發(fā)生在紅外輻射的頻率范圍內(nèi),因此人們把紅外輻射稱(chēng)為熱輻射。
紅外運(yùn)動(dòng)傳感器
自然界中,一切物體都會(huì)輻射紅外線,因此利用探測(cè)器測(cè)量目標(biāo)本身與背景的紅外差異,可以得到不同的紅外圖像。運(yùn)動(dòng)傳感器可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線,并輸出開(kāi)關(guān)信號(hào),可應(yīng)用于各種需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)人體的場(chǎng)合。
人體的體溫是恒定的,一般為37度,因此會(huì)發(fā)射特定波長(zhǎng)在10UM左右的紅外線。運(yùn)動(dòng)傳感器內(nèi)置的紅外探頭剛好能探測(cè)到人體發(fā)射的10UM左右的紅外線。人體發(fā)射的10UM左右的紅外光經(jīng)菲涅爾濾光片增強(qiáng)后集中到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件,當(dāng)人體接收到的紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí),熱釋電元件會(huì)失去電荷平衡,向外釋放電荷,從而產(chǎn)生電信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)人體輻射的紅外線,達(dá)到檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的目的。
紅外線接近傳感器
接近感應(yīng)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)傳感器探測(cè)器IRLED發(fā)射的紅外能量和受到外界遮擋反射回來(lái)的紅外能量大小來(lái)判斷接近或者離開(kāi)。上圖是一般手機(jī)接近傳感器的結(jié)構(gòu)。
紅外距離傳感器
紅外距離傳感器是一種以紅外線為介質(zhì)的傳感器,具有測(cè)量范圍廣、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn),在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。紅外距離傳感器有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射和接收二極管,紅外距離傳感器LDM301用于發(fā)射紅外光,照射到物體上后形成反射過(guò)程,該反射光被傳感器接收,再用CCD對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過(guò)信號(hào)處理器計(jì)算出距離。
紅外傳感器應(yīng)用
火焰探測(cè)器
火焰?zhèn)鞲衅骼眉t外線對(duì)火焰非常敏感的特點(diǎn),采用特制的紅外接收管來(lái)檢測(cè)火焰,并將火焰的亮度轉(zhuǎn)換成高低變化的電平信號(hào),輸入到中央處理器,CPU根據(jù)信號(hào)的變化進(jìn)行相應(yīng)的處理。
火焰?zhèn)鞲衅骺蓹z測(cè)波長(zhǎng)在700納米至1000納米范圍內(nèi)的紅外光,檢測(cè)角度為60°,對(duì)紅外波長(zhǎng)的靈敏度在880納米左右可達(dá)最大值。
遠(yuǎn)紅外火焰探頭將外界紅外光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電流的變化,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器體現(xiàn)為0~255范圍內(nèi)數(shù)值的變化,外界紅外光越強(qiáng),該數(shù)值越?。患t外光越弱,該數(shù)值越大。
紅外距離傳感器是利用距離障礙物不同距離時(shí)紅外信號(hào)反射的強(qiáng)度不同的原理來(lái)檢測(cè)障礙物的距離。紅外距離傳感器有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射和接收二極管,發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào),接收管接收此頻率的紅外信號(hào)。當(dāng)紅外探測(cè)方向遇到障礙物時(shí),紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收,經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到中央處理器,中央處理器可以利用紅外返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周?chē)h(huán)境的變化。
紅外線體溫計(jì)
紅外線測(cè)溫儀的組成主要由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外傳感器放大器、指示器等部分組成。紅外傳感器是接收目標(biāo)輻射并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。
紅外成像
很多時(shí)候人們不僅需要知道物體表面的平均溫度,還需要知道物體的溫度分布情況,以便分析、研究物體的結(jié)構(gòu),檢測(cè)內(nèi)部缺陷。紅外成像可以直觀地將物體的溫度分布以圖像的形式顯示出來(lái)。