光電傳感與檢測第四章1

紅外檢測基本原理常用紅外傳感器（1）光子探測器

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，通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強弱。利用光電效應(yīng)所制成的紅外探測器統(tǒng)稱光子探測器。光子探測器的主要特點：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，探測波段較窄。（2）熱探測器

利用探測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器。熱探測器光電轉(zhuǎn)換的過程分為兩步：第一步是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升；第二步利用熱探測器某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)變成電量的變化。根據(jù)熱效應(yīng)的不同，熱探測器可分為：測輻射熱計、測輻射熱電偶和熱電堆、熱釋電探測器和高萊管（氣動型）。熱探測器有四個基本特性：①響應(yīng)率與波長無關(guān)，屬于無選擇性探測器；②受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應(yīng)速度比較慢；③熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低；④可在室溫下工作。紅外傳感技術(shù)（1）主動紅外方式

主動紅外方式需要紅外發(fā)射源和相應(yīng)的接收、檢測設(shè)備，紅外線的發(fā)、收光路，或?qū)?zhǔn)，或依靠反射方式進行。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）被動式

紅外線傳感技術(shù)是利用紅外光敏器件將活動生物體發(fā)出的微量紅外線轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，并進行放大、處理，對被監(jiān)控的對象實施控制。利用探測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器。熱探測器光電轉(zhuǎn)換的過程分為兩步：第一步是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升；第二步利用熱探測器某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)變成電量的變化。根據(jù)熱效應(yīng)的不同，熱探測器可分為：測輻射熱計、測輻射熱電偶和熱電堆、熱釋電探測器和高萊管（氣動型）。熱探測器有四個基本特性：①響應(yīng)率與波長無關(guān)，屬于無選擇性探測器；②受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應(yīng)速度比較慢；③熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低；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)可分為單探測元、雙元件、四元件等。按照工作紅外波長范圍可分為三種。（1）適用于溫度遙測，例如：LN-206等。（2）適用于火焰檢測，例如：MS-1型等。（3）適合一般日常生活采用，自動門、防盜報警、節(jié)能自動燈等，如：P228等。菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡的工作原理移動的物體輻射的紅外線進入透鏡，會產(chǎn)生一個交替的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，因此，會產(chǎn)生光脈沖。透鏡由很多盲區(qū)和高靈敏區(qū)組成，則移動的紅外輻射物體就會在探測區(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，物體移動越快，靈敏度越高。菲涅爾透鏡的每個單元透鏡一般都只有一個不大的視場，而相鄰的兩個單元透鏡的視場既不連續(xù)也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。菲涅爾透鏡的主要作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）到傳感器；二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動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。當(dāng)紅外輻射物體進入感應(yīng)范圍，物體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當(dāng)?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路.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、測量氣樣室、紅外探測裝置等組成。從紅外光源發(fā)出強度為I0的平行紅外線，被測組分選擇吸收其特征波長的輻射能，紅外線強度將減弱為I，紅外線通過吸收物質(zhì)前后強度的變化與被測組分濃度的關(guān)系服從朗伯—貝爾定律：式中K為被測組分吸收系數(shù)；C為被測組分濃度；L為光線通過被測組分的吸收層厚度。紅外測量氣體濃度的原理紅外氣體測量系統(tǒng)的工作過程蜂鳴器修正參數(shù)輸出濃度值單片機數(shù)據(jù)處理LCD顯示前置放大紅外光源光電三極管電信號調(diào)制電壓后級放大濾波電源模塊PC機通信PC機界面程序電路原理15VACKBP301555電路限流RInfraredLighter外接RAT89S52DS1822(Thermometer)電容PIS放大ButterworthLowpassfilter(OPA4241)AdjustingamplifierMAX125DS1225ADDSC12C88774LS138P89V51CH451Keyboard(5keys)EDM12864(LCD)74LS24474LS244BuzzerRS232780578127912

電路功能分為兩個部分：上面的部分以AT89S52控制器對紅外光源的調(diào)制電壓進行控制，并將光電三極管的輸出信號經(jīng)進行放大和低通濾波，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行處理和顯示；下面的部分通過Keyboard輸入設(shè)定值并存入非易失存儲器DS1225AD中，P89V51控制器處理向AT89S52發(fā)送開始/停止測量的信息，并將送來的數(shù)據(jù)進行處理后顯示在EDM12864(LCD)上，同時通過RS232向上位計算機的接收模塊發(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DSC12C887可以得到當(dāng)前的日期和時間。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)生的方波信號對紅外發(fā)光管進行調(diào)制，使之輸出光脈沖信號，然后由光電三極管接收，放大還原為電信號。方波脈沖發(fā)生器使用555時基集成電路；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，避免由于電流過大而燒壞紅外發(fā)光管，其輸出信號為方波發(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被測氣體的吸收譜線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:1.能適應(yīng)惡劣環(huán)境,可快速在線連續(xù)測量

2.能克服背景氣體的干擾3.能分析多種氣體

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

紅外熱成像分析檢測技術(shù)

紅外熱成像儀由光學(xué)系統(tǒng)、掃描機構(gòu)、紅外探測器、前置放大器、視頻信號預(yù)處理電路、顯示記錄系統(tǒng)和外圍輔助裝置等構(gòu)成。是紅外探測器，可分為單元探測器、多元探測器和帶有內(nèi)處理功能的探測器。紅外熱成像儀的核心器件是紅外探測器。常用熱成像儀的工作波長為3～5μm和8～14μm。紅外熱成像儀的工作過程是把待測物體表面溫度分布以紅外輻射信號的形式，經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)和掃描機構(gòu)成像在紅外探測器上，再由紅外探測器將其轉(zhuǎn)換成視頻電信號。這個微弱的視頻頻信號經(jīng)前置放大器，再進一步放大處理后，送至顯示器終端，顯示出待測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)律進行分割，即把觀測的景物空間按水平和垂直兩個方向分割成若干個小的空間單元，接受系統(tǒng)依次掃描各個空間單元，并將各個空間單元的信號再組合成整個景物空間的圖像。因此，紅外探測器在任一瞬間實際上只接收某一個景物空間單元的輻射。掃描機構(gòu)依次使接收系統(tǒng)對景物空間做二維掃描。于是，接收系統(tǒng)按時間先后依次接收二維空間中各景物單元信息，該信號經(jīng)放大處理后變成一維時序信