紅外傳感器分類工作原理及發(fā)展應(yīng)用前景

紅外傳感器概述紅外傳感器概述、將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏元件稱為紅外傳感器，也常稱為紅外探測器。紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。在物理學中，我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，其中紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點。紅外技術(shù)是在最近幾十年中發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它常用于無接觸溫度測量、氣體成分分析和無損探傷，在醫(yī)學、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。（一）紅外輻射的產(chǎn)生紅外輻射是由于物體（固體、液體和氣體）內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度（-273.16°C）時，一切物體的分子才會停止運動。所以在絕對零度時，沒有一種物體會發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機、動植物甚至人體等都是紅外輻射源。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質(zhì)，但它的特點是熱效應(yīng)非常大，紅外線在真空中傳播的速度3X108m/s，而在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵循如下規(guī)律0*#（）。式中，I為通過厚度為x的介質(zhì)后的通量；I0為射到介質(zhì)時的通量；。為自然對數(shù)的底；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過紅外線；大多數(shù)的半導(dǎo)體材料及一些塑料能透過紅外線；液體對紅外線的吸收較大，例如厚1（）的水對紅外線的透明度很小，當厚度達到時，水對紅外線幾乎完全不透明了；氣體對紅外輻射也有不同程度的吸收，例如大氣（含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等）就存在不同程度的吸收，它對波長為1?5pm，8?14pm之間的紅外線是比較透明的，對其他波長的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會引起對紅外輻射的散射。我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波長（或頻率）的不同而已。下面是將各種不同的電磁波按照波長（或頻率）排成如圖1所示的波譜圖，稱之為電磁波譜。圖1電磁波譜圖從圖中可以看出，紅外線屬于不可見光波的范疇，它的波長一般在0.76—600Um之間（稱為紅外區(qū)）。而紅外區(qū)通常又可分為近紅外（0.73?1.5um）、中紅外（1.5—10Um）和遠紅外（10um以上），在300um以上的區(qū)域又稱為“亞毫米波”。這里所說的遠近是指紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離而言。（二）紅外輻射的性質(zhì)1、輻射出射度簡稱輻出度，從輻射源表面單位面積發(fā)射出的輻射通量，其中單位波長間隔內(nèi)的輻射出射度稱光譜輻出度；某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。單色輻射出射度多用在科學理論研究中，單一頻率的波由于能量很少，實際測量和應(yīng)用過程中很難探測到，所以如輻射測溫儀等都是測定一定范圍波長內(nèi)的輻射出射度。輻射出射度：單位時間內(nèi)離開輻射源表面一點處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱為該點的輻射出射度，即輻射出射度的單位為瓦/米2（皿）。如果一個光源表面上的一個發(fā)光面積A在各個方向（在半個空間內(nèi)）的輻射通量為0e，則該發(fā)光面對輻射出射度為=0e/A。物體的輻射出射度可由斯忒藩-波爾茲曼定律得到。積分量為物體的分譜輻射通量密度?！隇槲矬w的比輻射度。此處強調(diào)“出”字。如果是指投射到物體表面的輻射，則必須用輻照度來表示。2、輻射功率輻射功率就是單位時間內(nèi)發(fā)射(傳輸或接受)的輻射能。單位為［瓦］(焦耳/秒)。輻射功率P的定義表示為二箜二箜3/3、紅外輻射基本規(guī)律(1)金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬基本不能透過紅外線。⑵氣體對紅外輻射也有不同程度的吸收。⑶介質(zhì)不均勻、晶體材料的不純潔、有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等都會引起對紅外輻射的散射。(4)實踐證明，溫度越低的物體輻射的紅外線波長越長。由此在應(yīng)用中根據(jù)需要有選擇的接受某一定范圍的波長，就可以達到測量的目的。紅外傳感器的分類紅外傳感器的種類很多，按照不同的機制可以分成不同的類別：1、按照功能分：(1)輻射計，用于輻射和光譜測量；⑵搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤;熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標的紅外輻射的分布圖像；紅外測距和通信系統(tǒng)；⑸混合系統(tǒng)，是指以各類系統(tǒng)中兩個或多個的組合。2、按照工作原理分：⑴將紅外線一部分變換成熱，藉熱取出電阻值變化和電動勢等輸出信號之熱型；⑵利用半導(dǎo)體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因接合之光電動勢效果的量子型。二、紅外傳感器的工作原理上一節(jié)我們說過紅外傳感器按照工作原理可以分成兩類：熱釋電紅外線傳感器和紅外光電傳感器，現(xiàn)分別進行介紹。（一）熱釋電紅外線傳感器1、 熱釋電效應(yīng)若某些強介電質(zhì)物質(zhì)的表面發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。這種現(xiàn)象在鈦酸鋇之類的強介電材料上表現(xiàn)的特別明顯。熱釋電紅外傳感器通過目標與背景的溫差來探測目標，其工作原理是利用熱釋電效應(yīng)，即在鈦酸鋇一類晶體的上、下表面設(shè)置電極，在上表面覆以黑色膜，若有紅外線間歇地照射，其表面溫度上升△「其晶體內(nèi)部的原子排列將產(chǎn)生變化，引起自發(fā)極化電荷，在上下電極之間產(chǎn)生電壓△"常用的熱釋電紅外線光敏元件的材料有陶瓷氧化物和壓電晶體，如鈦酸鋇、鉭酸鋰、硫酸三甘肽及鈦鉛酸鉛等。另外，需指出的是，熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不是永存的，只要它出現(xiàn)，很快會被空氣中的單個離子所結(jié)合。因此，用熱釋電效應(yīng)制成的紅外傳感器，往往在它的元件前面加機械式的周期遮光裝置，以使此電荷周期地出現(xiàn)，只有測移動物體時可不用。2、 熱釋電傳感器的構(gòu)造熱釋電紅外線傳感器是利用材料自發(fā)極化隨溫度變化的特征來探測紅外線輻射的傳感器，采用雙靈敏元設(shè)計，抑制環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。圖2為熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖.熱釋電紅外傳感器主要由外殼、濾光片、熱釋電元件、結(jié)型場效應(yīng)管、電阻等組成。其中，場效應(yīng)管起到阻抗變換的作用，而窗口處的濾光片是為濾去無用的紅外線，讓有用的紅外線進入窗口。在防盜報警系統(tǒng)所采用熱釋電傳感器的濾光片為7的濾光片，該濾光片能很好地讓人體輻射的紅外線通過而阻止其它射線通過，以免引起干擾。并且，在防盜報警系統(tǒng)所采用熱釋電傳感器為雙元型紅外傳感器，雙元型傳感器由兩個有極性的敏感元件反向串聯(lián)，這樣由于環(huán)境的影響而使整個晶片發(fā)生溫度變化時，極性相反的敏感元件產(chǎn)生的熱釋電信號相互抵消，可以有效的防止因太陽光等紅外線及環(huán)境溫度變化而引起的誤差。r~7瑜出呼口慫再電「蜩i呼口慫再電「蜩i電元陪 /箝as器絡(luò)枸 善7*圖2熱釋電紅外線傳感器結(jié)構(gòu)和等效電路因為探測器元件自身在使用時有探測距離短，而且后電路不容易使用的弱點，所以，目前銷售一種紅外組合件。紅外組合件由熱釋電傳感器、擴大探測范圍、增高靈敏度的透鏡、電放大、信號處理系統(tǒng)用的后電路、防止因外界噪聲引起的錯誤動作使用的密封管殼（僅多功能組合件）構(gòu)成。這種構(gòu)型小型化且有多種功能。3、熱釋電傳感器的基本原理實質(zhì)上熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極。在環(huán)境溫度有AT的變化時，由于有熱釋電效應(yīng)，在兩個電極上會產(chǎn)生電荷△Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓AV。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應(yīng)管進行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷AQ會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，A0,則傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生AT，則有AT輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器也稱為人體運動傳感器。由實驗證明，傳感器不加光學透鏡（也稱菲涅爾透鏡），其檢測距離小于2m，而加上光學透鏡后，其檢測距離可增加到10m左右。熱釋電紅外傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱為“鐵電體”，鐵電體的極化強度（單位面積的電荷）與溫度有關(guān)。當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，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出，輸出信號的大小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弱。由此可見，熱釋電紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變化的速率。當恒定的紅外輻射照射在熱釋電紅外傳感器上時，傳感器沒有電信號輸出，只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號輸出。所以，必須對紅外輻射進行交變輻射，不斷地引起傳感器的溫度變化，才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號。(二)紅外光電傳感器1、紅外光電傳感器的基本原理紅外光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路，如圖3所示：圖3紅外光電傳感器組成發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管()、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。2、紅外光電傳感器的分類和工作方式⑴槽型光電傳感器把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關(guān)便動作。輸出一個開關(guān)控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關(guān)的檢測距離因為受整體結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。⑵對射型光電傳感器若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關(guān)就稱為對射分離式光電開關(guān)，簡稱對射式光電開關(guān)。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。⑶反光板型光電傳感器把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內(nèi)，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關(guān)。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控制信號。⑷擴散反射型光電傳感器它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關(guān)信號。(5)光纖式光電傳感器光纖式光電開關(guān)把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導(dǎo)到檢測點，再把檢測到的光信號用光纖引導(dǎo)到光接收器就組成光纖式光電開關(guān)。按動作方式的不同，光纖式光電開關(guān)也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。紅外光電傳感器除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。光電測量時不與被測對象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零,在測量中不存

在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場合，紅外光電傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。三、紅外傳感器的應(yīng)用及發(fā)展前景（一）紅外傳感器的應(yīng)用由于紅外溫度傳感器實現(xiàn)了無接觸測溫、遠距離測量高溫等功能，而且具有較高的靈敏度，因些在現(xiàn)在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。1、紅外氣體分析儀紅外線氣體分析儀是利用紅外線進行氣體分析，它基于待分析組分的濃度不同，吸收的輻射能不同，剩下的輻射能使得檢測器里的溫度升高不同，動片薄膜兩邊所受的壓力不同，從而產(chǎn)生一個電容檢測器的電信號。這樣，就可間接測量出待分析組分的濃度，根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對氣體成分進行分析。例如，二氧化碳對于波長為2.7um，4.33um和14.5um紅外光吸收相當強烈，并且吸收譜相當?shù)膶?，即存在吸收帶。根?jù)實驗分析，只有4.33um吸收帶不受大氣中其他成分影響，因此可以利用這個吸收帶來判別大氣中2的含量。從圖4中可以看出，氣體對波長為4.65um附近的紅外線具有很強的吸收能力，2氣體則發(fā)生在2.78um和4.26um附近以及波長大于13um的范圍對紅外線有較強的吸收能力。如分析氣體，則可以利用4.26um附近的吸收波段進行分析。2/Um2/Um圖4不同氣體對紅外線的透射光譜如圖5所示，光源由鎳格絲通電加熱發(fā)出3?10um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，以便于紅外線檢測器信號的檢測。測量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。紅外檢測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測氣體，當它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。圖5紅外線氣體分析以結(jié)構(gòu)原理圖測量時（如分析氣體的含量），兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測量氣室和參比氣室，由于測量氣室中含有一定量的氣體，該氣體對4.65um的紅外線有較強的吸收能力，而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器的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，測量邊的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向，改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。如被測氣體的濃度愈大，兩束光強的差值也愈大，則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。為了消除干擾氣體對測量結(jié)果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如氣體和2在4?5um波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊，則2的存在對分析氣體帶來影響，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2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）的濃度有關(guān)。2、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。當物體的溫度低于1000°C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。如圖6為非接觸激光紅外測溫儀的原理框圖。透蔬沌那圖6非接觸激光紅外測溫儀的原理框圖紅外測溫儀一般用于探測目標的紅外輻射和測定其輻射強度，確定目標的溫度。采用分理出所需波段的濾光片，可使儀器工作在任意紅外波段。常見的紅外測溫儀的組成如圖7所示。它的光學系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng)，物鏡一般為錯透鏡，有效通光口徑即作為系統(tǒng)的孔徑光欄。濾光片一般采用只允許8?14um的紅外輻射能通過的材料。紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，安裝時保證其光敏面落在透鏡的焦點上。步進電機帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動對入射的紅外輻射進行斬光，將恒定或緩變的紅外輻射變換為交變輻射。被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，變換為電信號輸出，經(jīng)過前置放大器進行阻抗轉(zhuǎn)換及信號放大，最后送入信號處理器進行處理。除了采用這種透射式結(jié)構(gòu)外，還可以采用反射式的光學系統(tǒng)。透射式光學系統(tǒng)的透鏡式用紅外光學材料制造的，根據(jù)紅外波長選擇光學材料。3、紅外探測器紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。4、紅外成像許多場合下，不僅需要知道物體表面的平均溫度，還需要了解物體的溫度分布情況，以便分析、研究物體結(jié)構(gòu)，探測物體內(nèi)部情況，因此需要采用紅外成像技術(shù)，將物體的溫度分布以圖像形式直觀的表示出來。常用的紅外成像器件有紅外變像管、紅外攝像管及紅外電荷耦合器件，可以組成各種形式的紅外攝像儀，圖2所示是一種熱成像的工作原理。熱成像的光學系統(tǒng)為全折射式。物鏡材料為單晶硅，通過更換物鏡可對不同距離和大小的物體掃描成像。光學系統(tǒng)中垂直掃描和水平掃描均采用具有高折射串的多面平行棱鏡，掃描棱鏡由電動機帶動旋轉(zhuǎn)，掃描速度和相位由掃描觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器和有關(guān)控制電路控制。前置放大器的紅外探測器輸出的微弱信號送入前置放大器，以抵消目標溫度隨環(huán)境溫度變化引起的測量值的誤差。前置放大器的增益可通過調(diào)整反饋電路進行控制。前置放大器的輸出信號，經(jīng)視頻放大器放大，再去控制顯像管屏上射線的強弱。由于紅外探測器輸出的信號大小與其所接收的輻照度成比例，因而顯像熒屏上射線的強弱也隨探測器所接受的輻照度成比例變化。（二）紅外傳感器的發(fā)展前景近年來，紅外傳感器正向著微型化、高精度、高可靠性、低功耗、智能化、數(shù)字化發(fā)展。這不僅促進了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造，而且可導(dǎo)致建立新型工業(yè)，是21世紀新的經(jīng)濟增長點。紅外探測器應(yīng)用可以用于非接觸式的溫度測量，氣體成分分析，無損探傷，熱像檢測，紅外遙測以及軍事目標的偵察，搜索，跟蹤和通信等。紅外傳感器的應(yīng)用前景隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，將會更加廣闊，其發(fā)展趨勢如下：1、向高可靠性發(fā)展：紅外傳感器的可靠性直接影響到電子設(shè)備的抗干擾等性能，研制高可靠性的紅外傳感器將是永久性的方向。在醫(yī)學上，人體體溫測試方面，紅外傳感器因測量的快速性而得到了相當?shù)膽?yīng)用，但局限于其準確度不高而沒辦法取代現(xiàn)有的體溫測量方法。因此，紅外傳感器高靈敏度及高性是其未來發(fā)展的必然趨勢。2、向微功耗及無源化發(fā)展：紅外傳感器一般都是非電量向電量的轉(zhuǎn)化，工作時離不開電源，在野外現(xiàn)場或遠離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發(fā)微功耗的傳感