紅外傳感器(全部的)課件

1、10.2 紅外傳感器10.2.1 工作原理紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光， 由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.761000 m。 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。紅外區(qū)通常分為近紅外0.731.5um、中紅外1.510um和遠(yuǎn)紅外10um以上，300um以上的區(qū)域又稱為“亞毫米波”電磁波譜圖 紅外輻射紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度（273），就會向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實(shí)現(xiàn)的。物體的溫度越高，輻射出來

2、的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。 紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長的乘積 。16.1 紅外探測器 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、 探測器、信號調(diào)理電路及顯示單元等組成。 紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機(jī)理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。 按應(yīng)用可分為： 紅外輻射測量 熱成像遙感技術(shù) 紅外搜索、跟蹤目

3、標(biāo)、確定位置 通訊、測距等。 兩部分組成： 1）紅外輻射源 有紅外輻射的物體就可以視為紅外輻射源 2）紅外探測器 能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的熱敏和光敏器件。16.1 紅外傳感器16.1.2 紅外輻射探測器主要有兩大類型： 熱探測器和光子探測器。 1）熱探測器（熱電型） 有：熱釋電、熱敏電阻、熱電偶等； 2）光子探測器（量子型），利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng)，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化； 有:光敏電阻、光電管、光電池等。 量子型光子探測器與光電傳感器原理相同， 本節(jié)主要介紹熱電型紅外探測器。 1. 熱探測器 熱探測器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器的敏感元件吸收輻射能后

4、引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。 特點(diǎn)：熱探測器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬， 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便， 應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但與光子探測器相比，熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低，響應(yīng)時間長。 熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高， 頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。這里我們主要介紹熱釋電型探測器。 “鐵電體”的極化強(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引起薄片溫度升高，使其

5、極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果紅外輻射繼續(xù)照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值，表面電荷也就達(dá)到新的平衡濃度，不再釋放電荷，也就不再有輸出信號。如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出。輸出信號的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映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。 熱釋電傳感器工作原理 熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動時，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的

6、兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。 7/28/202211菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡熱釋電晶片7/28/202212菲涅爾透鏡外形 傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測距離可增加3倍以上。7/28/202213熱釋電套件7/28/202214熱釋電報(bào)警器菲涅爾透鏡設(shè)定按鈕高分貝喇叭7/28/202215熱釋電報(bào)警器（續(xù)）菲涅爾透鏡 5mm接插件7/28/202216熱釋電報(bào)警器（續(xù)） 吸頂式 熱釋電報(bào)警器案例3.熱釋電紅外線傳感器 熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來的一種新型高靈敏度探測元件

7、。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。同時，它還能鑒別出運(yùn)動的生物與其它非生物。將這個電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報(bào)警、自動監(jiān)測等。熱釋電紅外傳感器不僅適用于防盜報(bào)警場所，亦適于對人體傷害極為嚴(yán)重的高壓電及射線、 射線自動報(bào)警等。 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場上銷售的許多防盜報(bào)警器材相比，具有如下特點(diǎn)：不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源。靈敏度高、控制范圍大。隱蔽性好，可流動安裝?？梢杂糜谝韵赂鞣N實(shí)用電路中：1.“有電，危險(xiǎn)”安全警示電路 用于有電的場合，當(dāng)有人進(jìn)入這些場合時，通過發(fā)出語

8、音和聲光提醒人們注意安全。2.自動門 主要用于銀行、賓館。當(dāng)有人來到時，大門自動打開，；人離開后又自動關(guān)閉。3.紅外線防盜報(bào)警器 用于銀行、辦公樓、家庭等場合的防盜報(bào)警。4.高速公路車輛車流計(jì)數(shù)器 5.自動開、關(guān)的照明燈，人體接近自動開關(guān)等。 熱釋電傳感器應(yīng)用 熱釋電傳感器用于自動亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜。如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍7/28/202220熱釋電感應(yīng)燈熱釋電傳感器7/28/202221自動感應(yīng)燈（參考施特朗公司資料）熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用 智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的

9、。 空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍問題思考：自動門如何探測人的靠近？ 2. 光子探測器 光子探測器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起光子效應(yīng)。根據(jù)光子效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光子探測器。通過光子探測器測量材料電子性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。 光子探測器只要采用光電傳感器，分為光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光電伏特元件等幾類。光子探測器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般在低溫下工作。飛利浦新開

10、發(fā)的光子探測器檢測技術(shù)第10章 輻射與波式傳感器10.1 紅外傳感器 以紅外線為測量介質(zhì)的系統(tǒng)稱為紅外傳感系統(tǒng)，按照功能可以分成五類：（1）溫度計(jì)和輻射計(jì)，用于溫度、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標(biāo)，確定其空間位置并對它的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)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)，由以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個組合而成。 檢測技術(shù)第10章 輻射與波式傳感器典型的紅外傳感系統(tǒng) （5）紅外探測器：它是紅外傳感系統(tǒng)的核心，利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射，按照工作原理分為光敏探測器和熱敏探測器兩類。

11、 （6）探測器制冷器：由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，探測器可以縮短響應(yīng)時間，提高靈敏度。 （7）信號處理系統(tǒng)：將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從中提取出有用的信息。然后將這些信息轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)母袷?，傳送到控制設(shè)備或者顯示器中。 （8）顯示設(shè)備：它是紅外傳感系統(tǒng)的終端設(shè)備，常用的有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。 紅外傳感器的應(yīng)用1. 紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。 當(dāng)物體的溫度低于1000時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個固定焦距的透視系統(tǒng)，濾光

12、片一般采用只允許814um的紅外輻射能通過的材料。步進(jìn)電機(jī)帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動，將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射射線。紅外探測器一般為熱釋電探測器，透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上。被測目標(biāo)的紅外通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。紅外測溫儀電路比較復(fù)雜，包括前置放大器、選頻放大、溫度補(bǔ)償、線性化、發(fā)射率調(diào)節(jié)等。目前已經(jīng)有一種帶單片機(jī)的智能紅外測溫儀，利用單片機(jī)與軟件的功能，大大簡化了硬件電路，提高了儀表的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。紅外線輻射溫度計(jì) 紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從-3

13、03000，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。紅外傳感器的應(yīng)用1. 紅外測溫儀 紅外測溫是目前較先進(jìn)的測溫方法，特點(diǎn)有：1.遠(yuǎn)距離、非接觸測量，適應(yīng)于高速、帶電、高溫、高壓；2.反映速度快，不需要達(dá)到熱平衡過程，反映時間在s量級；3.靈敏度高，輻射能與溫度T成正比；4.準(zhǔn)確度高，可達(dá)0.1內(nèi)；5.應(yīng)用范圍廣泛，0下上千度。紅外線輻射溫度計(jì)外形 激光僅 用于瞄準(zhǔn)紅外線輻射溫度計(jì)外形 紅外線輻射溫度計(jì)用于食品溫度測量紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸體溫測量中的應(yīng)用耳溫儀紅外線輻射溫度計(jì)用于人體額溫測量懸掛式自動掃描紅外人體溫度檢測儀 紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用集成IC 溫度

14、測量 紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（冷藏牛奶和面食）紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）溫度采集系統(tǒng)2. 紅外線氣體分析儀 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收的特性來對氣體成分進(jìn)行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，從圖中可以看出，CO氣體對波長為4.65 m附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78 m和4.26 m附近以及波長大于13 m的范圍對紅外線有較強(qiáng)的吸收能力。如分析CO氣體，則可以利用4.26 m附近的吸收波段進(jìn)行分析。 幾種氣體對紅外線的透射

15、光譜 傳感器原理及應(yīng)用第12章 輻射式傳感器12.1 紅外線傳感器如CO氣體和CO2在45 m波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對分析CO氣體帶來影響，這種影響稱為干擾。為此在測量邊和參比邊各設(shè)置了一個封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2氣體對應(yīng)的紅外線吸收波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外能量之差只與被測氣體（如CO）的濃度有關(guān)。 光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出310um的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外探測器檢測。測量氣室中通入被分析氣體，參與氣室中封入不吸收紅外線的氣體。測量時（如分析CO氣體的含量）, 兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測量氣室和

16、參比氣室。 測量氣室中含有一定量的CO氣體, 該氣體對4.65m的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力, 而參比氣室中氣體不吸收紅外線, 紅外探測器是薄膜電容型，氣室氣體，吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。射入兩個吸收氣室的紅外線光造成能量差異, 使兩吸收室壓力不同.被測氣體的濃度愈大, 兩束光強(qiáng)的差值也愈大, 電容的變化也愈大.電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。 濾波氣室:為了消除干擾氣體對測量結(jié)果的影響。該結(jié)構(gòu)中還設(shè)置了濾波氣室。他是為了消除干擾氣體對測量結(jié)果的影響。所謂干擾氣體，就是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體。7/28/2022453、熱成像 熱成像元件

17、在中、長波紅外探測領(lǐng)域，現(xiàn)在多采用了碲鎘汞紅外光子探測器。 紅外傳感器的應(yīng)用例2：紅外熱成像 紅外熱像儀將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示，利用物體自身的紅外輻射來攝取物體熱輻射圖像。它能通過快速掃描，精確的攝取反映被測物體溫差信息的熱圖像。紅外傳感器的應(yīng)用熱像技術(shù)應(yīng)用：溫度分布檢測、飛行器表面溫度檢測、無損探測、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場狀況檢測、海岸線檢測、臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。防爆型紅外熱像儀 用于探測地面和井下煤堆自燃溫度。 礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測儀 用于井下人員搜救、探測隱性火區(qū)分布、探測瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支架實(shí)時工作狀態(tài)、探測井下各種開關(guān)、接頭、變壓器的事故隱患、各種電器及傳

18、動設(shè)備的發(fā)熱狀態(tài)等。 檢測技術(shù)第10章 輻射與波式傳感器紅外熱像儀應(yīng)用 總線節(jié)點(diǎn)發(fā)熱檢測 耐火材料設(shè)備檢測 電腦主板發(fā)熱量分布 瀝青鋪路溫度分布 紅外熱像傳感器的紅外攝像功能 不同的顏色和亮度代表不同的溫度 任何物體只要溫度高于絕對零度，內(nèi)部原子就會作無規(guī)則運(yùn)動，并不斷地輻射出熱紅外能量。紅外探測器可將物體輻射的紅外功率信號轉(zhuǎn)換成電信號，在計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)的顯示屏上，將得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的熱像圖。 紅外熱像傳感器的紅外攝像功能 斷指狗手槍鉆的發(fā)熱部位傳感器原理及應(yīng)用第12章 輻射式傳感器12.1 紅外線傳感器12.1.3 紅外傳感器應(yīng)用紅外探測制導(dǎo) 空空導(dǎo)彈紅外攝像12.1.3 紅外傳感

19、器應(yīng)用熱釋電紅外可用于自動門、干手機(jī)、自動水龍頭等。 下圖中自動門由熱釋電紅外傳感器檢測是否有人出入，由單穩(wěn)態(tài)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。12.1.3 紅外傳感器應(yīng)用熱釋電紅外報(bào)警控制電路12.1.3 紅外傳感器應(yīng)用 紅外光束報(bào)警電路傳感器原理及應(yīng)用紅外報(bào)警電路12.1.3 紅外傳感器應(yīng)用紅 外 測 溫紅外報(bào)警傳感器原理及應(yīng)用第12章 輻射式傳感器12.1 紅外線傳感器12.1.3 紅外傳感器應(yīng)用實(shí)際尋跡小車傳感器安裝位置自動尋跡避障小車傳感器原理及應(yīng)用第12章 輻射式傳感器12.1 紅外線傳感器12.1.3 紅外傳感器應(yīng)用紅外遙控發(fā)射、接收電路7/28/202259熱成像儀的使用 7/28/2022

20、60熱成像儀的使用 7/28/202261熱成像儀的使用 導(dǎo)線端子過熱熔斷器過熱7/28/202262熱成像儀的使用 強(qiáng)電線路的過熱紅外成像和人眼觀察對比7/28/202263熱成像儀的使用 7/28/202264熱成像儀的使用 7/28/202265熱成像儀的使用 7/28/202266熱成像儀的使用 7/28/202267熱成像儀的使用 7/28/202268各種熱像變電站的熱像從熱像中可以判斷過熱位置7/28/202269白天的圖像與熱像的對比 熱像7/28/202270各種輸電設(shè)備的熱像輸電線接頭過熱7/28/202271人的熱像 醫(yī)生7/28/202272熱成像傳感器 熱成像儀能透過

21、煙塵、云霧、小雨及樹叢等許多自然或人為的偽裝來看清目標(biāo)。手持式及安裝于輕武器上的熱成像儀可以讓使用者看清800m或更遠(yuǎn)的人體大小的目標(biāo)。帶夜視儀的自動步槍 7/28/202273配備熱成像傳感器的自動步槍7/28/202274配備熱成像傳感器的自動步槍（續(xù)）7/28/202275帶熱成像傳感器的自動步槍（續(xù)）7/28/202276軍用熱成像傳感器的效果白亮處有一輛坦克7/28/202277軍用熱成像傳感器的效果（續(xù)）白亮處有一輛坦克通過紅外傳感系統(tǒng)達(dá)到遙感的無人駕駛飛機(jī)軍事上的應(yīng)用紅外遙感反衛(wèi)星系統(tǒng)核心-紅外傳感器對目標(biāo)國家和地區(qū)的資源狀況的監(jiān)視 監(jiān)視對方軍事部署和大規(guī)模的軍事移動 可以幫助分析局部的地形、資源狀況，從而幫助己方進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)行動的方案判斷 軍事上的應(yīng)用第三代雙波段紅外傳感坦克軍事上的應(yīng)用生活中的應(yīng)用寶馬夜視紅外熱成像系統(tǒng) 作為