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10.2红外传感器10.2.1工作原理红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外区通常分为近红外0.73~1.5um、中红外1.5~10um和远红外10um以上，300um以上的区域又称为“亚毫米波”电磁波谱图红外辐射红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（－273℃），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积。16.1红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。按应用可分为：•红外辐射测量•热成像遥感技术•红外搜索、跟踪目标、确定位置•通讯、测距等。两部分组成：1）红外辐射源有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源2）红外探测器能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。16.1红外传感器16.1.2红外辐射探测器主要有两大类型：热探测器和光子探测器。1）热探测器（热电型）有：热释电、热敏电阻、热电偶等；2）光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化；有:光敏电阻、光电管、光电池等。量子型光子探测器与光电传感器原理相同，本节主要介绍热电型红外探测器。1.热探测器热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。特点：热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。但与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。＋ ＋ ＋－ － －＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋－ － － － － － －＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋－ － － － － － －＋－电介质电极电介质的极化与热释电红外光黑色膜（a）一般电介质（b）铁电体电介质的极化矢量与所加电场的关系sPsPEE00“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果红外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。热释电传感器工作原理热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。2019/10/1411菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片2019/10/1412菲涅尔透镜外形传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。2019/10/1413热释电套件2019/10/1414热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭2019/10/1415热释电报警器（续）菲涅尔透镜Φ5mm接插件2019/10/1416热释电报警器（续）吸顶式热释电报警器案例3.热释电红外线传感器热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及×射线、射线自动报警等。热释电红外传感器的结构及内部电路用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：●不需要用红外线或电磁波等发射源。●灵敏度高、控制范围大。●隐蔽性好，可流动安装。可以用于以下各种实用电路中：1.“有电，危险”安全警示电路用于有电的场合，当有人进入这些场合时，通过发出语音和声光提醒人们注意安全。2.自动门主要用于银行、宾馆。当有人来到时，大门自动打开，；人离开后又自动关闭。3.红外线防盗报警器用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。4.高速公路车辆车流计数器5.自动开、关的照明灯，人体接近自动开关等。热释电传感器应用热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗。如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。热释电传感器的感应范围2019/10/1420热释电感应灯热释电传感器2019/10/1421自动感应灯（参考施特朗公司资料）热释电传感器在智能空调中的应用智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围左右范围问题思考：自动门如何探测人的靠近？2.光子探测器光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起光子效应。根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。通过光子探测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。光子探测器只要采用光电传感器，分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电伏特元件等几类。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般在低温下工作。飞利浦新开发的光子探测器检测技术第10章辐射与波式传感器10.1红外传感器以红外线为测量介质的系统称为红外传感系统，按照功能可以分成五类：（1）温度计和辐射计，用于温度、辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，由以上各类系统中的两个或者多个组合而成。检测技术第10章辐射与波式传感器典型的红外传感系统（5）红外探测器：它是红外传感系统的核心，利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射，按照工作原理分为光敏探测器和热敏探测器两类。（6）探测器制冷器：由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，探测器可以缩短响应时间，提高灵敏度。（7）信号处理系统：将探测的信号进行放大、滤波，并从中提取出有用的信息。然后将这些信息转化为适当的格式，传送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备：它是红外传感系统的终端设备，常用的有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。1.红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。图中的光学系统是一个固定焦距的透视系统，滤光片一般采用只允许8~14um的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射线。红外探测器一般为热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。红外测温仪电路比较复杂，包括前置放大器、选频放大、温度补偿、线性化、发射率调节等。目前已经有一种带单片机的智能红外测温仪，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外线辐射温度计红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-30℃~3000℃，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。红外传感器的应用1.红外测温仪红外测温是目前较先进的测温方法，特点有：1.远距离、非接触测量，适应于高速、带电、高温、高压；2.反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在μs量级；3.灵敏度高，辐射能与温度T成正比；4.准确度高，可达0.1℃内；5.应用范围广泛，0下～上千度。红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计用于食品温度测量红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温测量悬挂式自动扫描红外人体温度检测仪红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成IC温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）温度采集系统2.红外线气体分析仪红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26μm附近的吸收波段进行分析。几种气体对红外线的透射光谱100806040200透射率/(%)100806040200透射率/(%)100806040200透射率/(%)23456789101112131415/m23456789101112131415/mCOCO2CH4C2H4C2H6C2H2传感器原理及应用第12章辐射式传感器12.1红外线传感器如CO气体和CO2在4～5μm波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。放大器切光片光源抛物体反射镜同步机红外探测器滤波气室测量室滤波气室参比室薄膜定片被分析的气体•光源由镍铬丝通电加热发出3~10um的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外探测器检测。测量气室中通入被分析气体，参与气室中封入不吸收红外线的气体。•测量时（如分析CO气体的含量）,两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室。测量气室中含有一定量的CO气体,该气体对4.65μm的红外线有较强的吸收能力,而参比气室中气体不吸收红外线,•红外探测器是薄膜电容型，气室气体，吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。射入两个吸收气室的红外线光造成能量差异,使两吸收室压力不同.被测气体的浓度愈大,两束光强的差值也愈大,电容的变化也愈大.电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。滤波气室:为了消除干扰气体对测量结果的影响。该结构中还设置了滤波气室。他是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，就是指与被测气体吸收红外线波段有部