光電傳感與檢測(cè)第四章1

紅外檢測(cè)基本原理常用紅外傳感器（1）光子探測(cè)器

利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下，產(chǎn)生光電效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。利用光電效應(yīng)所制成的紅外探測(cè)器統(tǒng)稱光子探測(cè)器。光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)：靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高。但其一般需在低溫下工作，探測(cè)波段較窄。（2）熱探測(cè)器

利用探測(cè)元件吸收紅外輻射能量而引起溫升，在此基礎(chǔ)上借助各種物理效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)變成電量的一種探測(cè)器。熱探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程分為兩步：第一步是熱探測(cè)器吸收紅外輻射引起溫升；第二步利用熱探測(cè)器某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)變成電量的變化。根據(jù)熱效應(yīng)的不同，熱探測(cè)器可分為：測(cè)輻射熱計(jì)、測(cè)輻射熱電偶和熱電堆、熱釋電探測(cè)器和高萊管（氣動(dòng)型）。熱探測(cè)器有四個(gè)基本特性：①響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，屬于無(wú)選擇性探測(cè)器；②受熱時(shí)間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應(yīng)速度比較慢；③熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低；④可在室溫下工作。紅外傳感技術(shù)（1）主動(dòng)紅外方式

主動(dòng)紅外方式需要紅外發(fā)射源和相應(yīng)的接收、檢測(cè)設(shè)備，紅外線的發(fā)、收光路，或?qū)?zhǔn)，或依靠反射方式進(jìn)行。為了加大監(jiān)控距離，要求發(fā)射功率較大，接收靈敏度較高。（2）被動(dòng)式

紅外線傳感技術(shù)是利用紅外光敏器件將活動(dòng)生物體發(fā)出的微量紅外線轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，并進(jìn)行放大、處理，對(duì)被監(jiān)控的對(duì)象實(shí)施控制。利用探測(cè)元件吸收紅外輻射能量而引起溫升，在此基礎(chǔ)上借助各種物理效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)變成電量的一種探測(cè)器。熱探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程分為兩步：第一步是熱探測(cè)器吸收紅外輻射引起溫升；第二步利用熱探測(cè)器某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)變成電量的變化。根據(jù)熱效應(yīng)的不同，熱探測(cè)器可分為：測(cè)輻射熱計(jì)、測(cè)輻射熱電偶和熱電堆、熱釋電探測(cè)器和高萊管（氣動(dòng)型）。熱探測(cè)器有四個(gè)基本特性：①響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，屬于無(wú)選擇性探測(cè)器；②受熱時(shí)間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應(yīng)速度比較慢；③熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低；④可在室溫下工作。熱釋電紅外傳感原理熱釋電紅線傳感器可按照外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部組成的不同和性能進(jìn)行分類。按照封裝、外形可分為：塑封式、金屬封裝（立式和臥式）等；按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為單探測(cè)元、雙元件、四元件等。按照工作紅外波長(zhǎng)范圍可分為三種。（1）適用于溫度遙測(cè)，例如：LN-206等。（2）適用于火焰檢測(cè)，例如：MS-1型等。（3）適合一般日常生活采用，自動(dòng)門、防盜報(bào)警、節(jié)能自動(dòng)燈等，如：P228等。菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡的工作原理移動(dòng)的物體輻射的紅外線進(jìn)入透鏡，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交替的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，因此，會(huì)產(chǎn)生光脈沖。透鏡由很多盲區(qū)和高靈敏區(qū)組成，則移動(dòng)的紅外輻射物體就會(huì)在探測(cè)區(qū)域產(chǎn)生一系列的光脈沖引入傳感器，提高了接受靈敏度，物體移動(dòng)越快，靈敏度越高。菲涅爾透鏡的每個(gè)單元透鏡一般都只有一個(gè)不大的視場(chǎng)，而相鄰的兩個(gè)單元透鏡的視場(chǎng)既不連續(xù)也不重疊，都相隔一個(gè)盲區(qū)。菲涅爾透鏡的主要作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）到傳感器；二是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在傳感器上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。當(dāng)紅外輻射物體進(jìn)入感應(yīng)范圍，物體釋放的紅外光透過(guò)鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個(gè)段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號(hào)變成電信號(hào)送入電子電路.紅外氣體分析技術(shù)

工業(yè)中通常采用的分析氣體的方式根據(jù)是否提取氣體1.在線方式:光學(xué)技術(shù),反射鏡2.抽取方式

a.熱導(dǎo)

b.紅外

c.紫外根據(jù)氣體的測(cè)量方式1.人工采樣2.連續(xù)采樣

a.熱導(dǎo)式

b.紅外式

c.紫外式

紅外線氣體分析器一般由紅外輻射源、測(cè)量氣樣室、紅外探測(cè)裝置等組成。從紅外光源發(fā)出強(qiáng)度為I0的平行紅外線，被測(cè)組分選擇吸收其特征波長(zhǎng)的輻射能，紅外線強(qiáng)度將減弱為I，紅外線通過(guò)吸收物質(zhì)前后強(qiáng)度的變化與被測(cè)組分濃度的關(guān)系服從朗伯—貝爾定律：式中K為被測(cè)組分吸收系數(shù)；C為被測(cè)組分濃度；L為光線通過(guò)被測(cè)組分的吸收層厚度。紅外測(cè)量氣體濃度的原理紅外氣體測(cè)量系統(tǒng)的工作過(guò)程蜂鳴器修正參數(shù)輸出濃度值單片機(jī)數(shù)據(jù)處理LCD顯示前置放大紅外光源光電三極管電信號(hào)調(diào)制電壓后級(jí)放大濾波電源模塊PC機(jī)通信PC機(jī)界面程序電路原理15VACKBP301555電路限流RInfraredLighter外接RAT89S52DS1822(Thermometer)電容PIS放大ButterworthLowpassfilter(OPA4241)AdjustingamplifierMAX125DS1225ADDSC12C88774LS138P89V51CH451Keyboard(5keys)EDM12864(LCD)74LS24474LS244BuzzerRS232780578127912

電路功能分為兩個(gè)部分：上面的部分以AT89S52控制器對(duì)紅外光源的調(diào)制電壓進(jìn)行控制，并將光電三極管的輸出信號(hào)經(jīng)進(jìn)行放大和低通濾波，然后由MAX125將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果送AT89S52，該控制器還采樣DS1822溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果，最后將這兩組數(shù)據(jù)傳送給下面的部分進(jìn)行處理和顯示；下面的部分通過(guò)Keyboard輸入設(shè)定值并存入非易失存儲(chǔ)器DS1225AD中，P89V51控制器處理向AT89S52發(fā)送開始/停止測(cè)量的信息，并將送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后顯示在EDM12864(LCD)上，同時(shí)通過(guò)RS232向上位計(jì)算機(jī)的接收模塊發(fā)送該顯示數(shù)據(jù)，也可將該結(jié)果存入DS1225AD中，此外，P89V51控制器通過(guò)DSC12C887可以得到當(dāng)前的日期和時(shí)間。紅外發(fā)光二極管HG413,發(fā)出紅外光。管壓降約1.4V，工作電流一般小于20mA。紅外發(fā)光二極管的光譜特性采用振蕩電路產(chǎn)生的方波信號(hào)對(duì)紅外發(fā)光管進(jìn)行調(diào)制，使之輸出光脈沖信號(hào)，然后由光電三極管接收，放大還原為電信號(hào)。方波脈沖發(fā)生器使用555時(shí)基集成電路；光電接收電路采用光電三極管(3DU11型)組成的放大電路。時(shí)基集成塊NE555輸出震蕩頻率由外接電阻R1、R2及電容C1決定。3端為輸出端，R3是限流電阻，避免由于電流過(guò)大而燒壞紅外發(fā)光管，其輸出信號(hào)為方波發(fā)光電路148237651

R12.2KR2

51KC1

0.2μFC2

0.01μFR339ΩDVCC(+5V)·····HG413接收電路T13DU11D(BT201)T23DG6R151KR26.2K

VCC

（+5V）光電接收電路采用光電三極管(3DU11型)組成的放大電路。激光采樣在線氣體分析技術(shù)

DLAS(激光吸收光譜):氣體分子形成吸收光譜的原理氣體分析的三大問(wèn)題:1.單線光譜技術(shù)

a.背景氣體的吸收譜線交叉干擾

b.紅外光源的譜寬

c.激光光源的譜寬為b的10(-6)2.激光頻率掃描技術(shù)使激光頻率周期性掃描過(guò)被測(cè)氣體的吸收譜線3.譜線展寬修正技術(shù)環(huán)境(溫度和壓力)變化,則氣體譜線展寬和高度變DLAS的特點(diǎn):1.能適應(yīng)惡劣環(huán)境,可快速在線連續(xù)測(cè)量

2.能克服背景氣體的干擾3.能分析多種氣體

TDLAS技術(shù)的檢測(cè)原理分別代表頻率為的入射光和透射光的強(qiáng)度，S(T)代表被測(cè)氣體吸收譜線的吸收強(qiáng)度，線形函數(shù)反映了吸收譜線的形狀，P為被測(cè)氣體的壓力,N為被測(cè)氣體的濃度，L為激光束通過(guò)被測(cè)氣體的距離激光的“單線光譜”測(cè)量原理圖氣體環(huán)境參數(shù)變化對(duì)譜線展寬的影響示意圖

紅外熱成像分析檢測(cè)技術(shù)

紅外熱成像儀由光學(xué)系統(tǒng)、掃描機(jī)構(gòu)、紅外探測(cè)器、前置放大器、視頻信號(hào)預(yù)處理電路、顯示記錄系統(tǒng)和外圍輔助裝置等構(gòu)成。是紅外探測(cè)器，可分為單元探測(cè)器、多元探測(cè)器和帶有內(nèi)處理功能的探測(cè)器。紅外熱成像儀的核心器件是紅外探測(cè)器。常用熱成像儀的工作波長(zhǎng)為3～5μm和8～14μm。紅外熱成像儀的工作過(guò)程是把待測(cè)物體表面溫度分布以紅外輻射信號(hào)的形式，經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)和掃描機(jī)構(gòu)成像在紅外探測(cè)器上，再由紅外探測(cè)器將其轉(zhuǎn)換成視頻電信號(hào)。這個(gè)微弱的視頻頻信號(hào)經(jīng)前置放大器，再進(jìn)一步放大處理后，送至顯示器終端，顯示出待測(cè)物體表面溫度分布的熱圖像。紅外熱像儀能夠顯示熱圖像的原因關(guān)鍵在于首先把物體按一定規(guī)律進(jìn)行分割，即把觀測(cè)的景物空間按水平和垂直兩個(gè)方向分割成若干個(gè)小的空間單元，接受系統(tǒng)依次掃描各個(gè)空間單元，并將各個(gè)空間單元的信號(hào)再組合成整個(gè)景物空間的圖像。因此，紅外探測(cè)器在任一瞬間實(shí)際上只接收某一個(gè)景物空間單元的輻射。掃描機(jī)構(gòu)依次使接收系統(tǒng)對(duì)景物空間做二維掃描。于是，接收系統(tǒng)按時(shí)間先后依次接收二維空間中各景物單元信息，該信號(hào)經(jīng)放大處理后變成一維時(shí)序信