红外传感器及其应用.doc

1、红外传感器及其应用题 目： 红外传感器及其应用 学院名称： 指导老师： 职 称： 班 级： 学 号： 学生姓名： 2010年 5月 25日前 言 ：在 科 技 高 度 发 达 的 今 天 ， 自 动 控 制 和 自 动 检 测 在 人 们 的 日 常 生 活和 工 业 控 制 所 占 的 比 例 也 越 来 越 重 ， 使 人 们 的 生 活 越 来 越 舒 适 ， 工 业生 产 的 效 率 越 来 越 高 。 而 传 感 器 是 自 动 控 制 中 的 重 要 组 成 部 件 ， 是信 息 采 集 系 统 的 重 要 部 件 ， 通 过 传 感 器 将 感 受 或 响 应 的 被 测 量 转

2、 换 成 适合 输 送 或 检 测 的 信 号 （ 一 般 为 电 信 号 ） ， 再 利 用 计 算 机 或 者 电 路 设 备 对传 感 器 输 出 的 信 号 进 行 处 理 从 而 达 到 自 动 控 制 的 功 能 ， 由 于 传 感 器 的响 应 时 间 一 般 都 比 较 短 ， 所 以 可 以 通 过 计 算 机 系 统 对 工 业 生 产 进 行 实 时控 制 。 红 外 传 感 器 是 传 感 器 中 常 见 的 一 类 ， 由 于 红 外 传 感 器 是 检 测 红 外辐 射 的 一 类 传 感 器 ， 而 自 然 界 中 任 何 物 体 只 要 其 稳 定 高 于 绝

3、对 零 度 都 将对 外 辐 射 红 外 能 量 ， 所 以 红 外 传 感 器 称 为 非 常 实 用 的 一 类 传 感 器 ，利 用 红 外 传 感 器 可 以 设 计 出 很 多 实 用 的 传 感 器 模 块 ， 如 红 外 测 温 仪 ， 红外 成 像 仪 ， 红 外 人 体 探 测 报 警 器 ， 自 动 门 控 制 系 统 等 。关 键 词 :红 外 传 感 器 ， 自 动 控 制 ， 信 号 ， 器 件 设 备 ， 系 统红 外 辐 射 俗 称 红 外 线 ， 是 一 种 人 眼 看 不 见 的 光 线 。 自 然 界 中 任 何 物 体只 要 其 温 度 高 于 绝 对 零

4、 度 （ -273.15 ） ， 都 将 以 电 磁 波 形 式 向 外 辐 射能 量 热 辐 射 ， 物 体 温 度 越 高 ， 辐 射 出 的 能 量 越 多 ， 波 长 越 短 。 从 紫外 线 到 红 外 线 辐 射 的 热 效 应 逐 渐 增 大 ， 而 热 效 应 最 大 的 为 红 外 线 。 红 外传 感 器 主 要 应 用 波 长 0.840um 的 红 外 线 。 红 外 线 具 有 和 可 见 光 一 样 的性 质 ： 沿 直 线 传 播 ； 服 从 反 射 定 律 和 折 射 定 律 ； 有 干 涉 、 衍 射 、 偏 振 现象 ； 具 有 散 射 、 吸 收 特 性

5、。红 外 传 感 器 是 将 红 外 辐 射 能 转 换 为 电 信 号 的 器 件 ， 也 称 红 外 器 件 或 红外 探 测 器 ， 是 红 外 检 测 系 统 的 关 键 部 件 。 常 用 的 红 外 传 感 器 有 热 传 感 器和 光 子 传 感 器 。热 传 感 器 是 利 用 入 射 红 外 辐 射 引 起 传 感 器 的 温 度 变 化 ， 然 后 利 用 器 件的 某 种 温 度 敏 感 特 性 把 温 度 变 化 转 换 成 相 应 的 电 信 号 ； 或 者 利 用 器 件 的某 种 温 度 敏 感 特 性 来 调 节 电 路 种 的 电 流 强 度 的 大 小 ，

6、从 而 得 到 相 应 的 电信 号 。 由 此 达 到 探 测 红 外 辐 射 的 目 的 。热 敏 电 阻 型 红 外 传 感 器 是 由 锰 ， 镍 ， 钴 的 氧 化 物 混 合 后 烧 结 而 成 的 ，热 敏 电 阻 一 般 制 成 薄 片 状 ， 当 红 外 辐 射 照 射 在 热 敏 电 阻 上 时 ， 其 温 度 升高 ， 电 阻 值 减 小 。 测 量 热 敏 电 阻 阻 值 变 化 的 大 小 ， 即 可 得 知 入 射 红 外 辐射 的 强 弱 ， 从 而 可 以 判 断 产 生 红 外 辐 射 物 体 的 温 度 。 测 量 电 路 可 以 采用 一 般 的 桥 式

7、测 量 电 路 。热 释 电 型 红 外 传 感 器 是 利 用 热 释 电 效 应 做 成 的 红 外 传 感 器 ， 若 使 某 些强 电 介 质 物 质 的 表 面 温 度 发 生 变 化 ， 在 这 些 物 质 的 表 面 上 就 会 产 生 电荷 的 变 化 ， 这 种 现 象 称 为 热 释 效 应 。 适 用 制 作 热 释 电 红 外 传 感 器 的 光 敏元 件 的 材 料 很 多 ， 以 压 电 陶 瓷 和 陶 瓷 氧 化 物 最 多 。 钽 酸 锂 （ LiTaO3） 、硫 酸 三 甘 钛 （ LATGS） 记 锆 钛 酸 铅 (PZT)制 成 的 热 释 电 型 红 外

8、 传 感 器 目前 用 得 极 广 。 今 年 来 开 发 的 具 有 热 释 电 性 能 的 高 分 子 薄 膜 聚 偏 二 氟 乙 烯（ PVF2） ， 以 称 为 用 于 红 外 成 像 器 件 、 火 灾 报 警 传 感 器 等 。热 释 电 元 件 不 能 像 其 他 光 敏 元 件 那 样 连 续 地 接 受 光 照 ， 因 为 极 化 电 荷在 元 件 的 表 面 不 是 永 存 的 ， 只 要 一 出 现 ， 很 快 就 会 与 环 境 中 的 电 话 中 和 ，或 者 漏 泄 。 所 以 必 须 将 入 射 光 调 制 成 脉 冲 光 ， 是 热 释 电 元 件 连 续 地

9、接 受光 照 ， 使 其 表 面 电 荷 周 期 性 的 出 现 ， 根 据 取 出 的 交 变 电 信 号 的 幅 值 检 测光 强 。 热 释 电 红 外 敏 感 元 件 的 内 阻 极 高 ， 同 时 其 输 出 电 压 信 号 又 极 其 微弱 ， 因 此 ， 需 要 进 行 阻 抗 变 换 和 信 号 放 大 才 能 应 用 ， 否 则 不 能 有 效 地 工作 。 热 释 电 红 外 传 感 器 电 路 如 图 1光 子 红 外 传 感 器 是 利 用 某 些 半 导 体 材 料 在 入 射 光 的 照 射 下 ， 产 生 光 子效 应 ， 使 材 料 电 学 性 质 发 生 变

10、化 ， 通 过 测 量 其 电 学 性 质 的 变 化 ， 可 以 知道 相 应 的 红 外 辐 射 的 强 弱 。 利 用 光 子 效 应 所 制 成 的 红 外 传 感 器 统 称 为 光子 探 测 器 。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 一 般 需 要 在 低 温 下 工 作 ， 探 测 波 段 较 窄 。红 外 传 感 器 的 应 用红 外 传 感 器 的 应 用 非 常 广 泛 ， 可 以 做 成 红 外 测 温 系 统 、 红 外 成 像 系 统 、红 外 分 析 、 和 报 警 与

11、 控 制 系 统 。红 外 测 温 是 比 较 先 进 的 测 温 方 法 ， 具 有 很 多 优 点 ， 适 用 于 远 距 离 和 非接 触 测 量 ， 可 以 测 量 高 速 运 动 物 体 ， 带 点 物 体 和 高 温 、 高 压 物 体 的 温 度测 量 ； 相 应 时 间 快 ， 一 般 在 毫 秒 级 ； 灵 敏 度 高 ； 应 用 范 围 非 常 广 ， 可 以从 摄 氏 零 下 几 十 度 到 零 上 几 千 度 。 利 用 红 外 传 感 器 原 理 可 以 做 成 红 外 测温 仪 ， 红 外 测 温 仪 由 光 学 系 统 、 光 电 探 测 器 、 信 号 放 大

12、器 及 信 号 处 理 、显 示 输 出 等 部 分 组 成 。 光 学 系 统 汇 聚 其 视 场 内 的 目 标 红 外 辐 射 能 量 ， 视场 的 大 小 由 测 温 仪 的 光 学 零 件 及 其 位 置 确 定 。 红 外 能 量 聚 焦 在 光 电 探 测器 上 并 转 变 为 相 应 的 电 信 号 。 该 信 号 经 过 放 大 器 和 信 号 处 理 电 路 ， 并 按照 仪 器 内 疗 的 算 法 和 目 标 发 射 率 校 正 后 转 变 为 被 测 目 标 的 温 度 值 。在 很 多 场 合 ， 人 们 不 仅 需 要 知 道 物 体 表 面 的 平 均 温 度 ，

13、 更 想 了 解 物 体的 温 度 分 布 红 外 成 像 能 把 物 体 的 温 度 分 布 转 换 成 图 像 以 直 观 、 形 象 的 热图 显 示 出 来 ， 根 据 成 像 器 件 的 不 同 可 以 ： 红 外 变 像 管 成 像 ， 红 外 摄 像 管 ，光 子 耦 合 摄 像 器 件 等 ， 其 中 光 子 耦 合 摄 像 器 件 是 比 较 理 想 的 固 体 成 像 器 。红 外 传 感 器 在 日 常 生 活 中 最 常 见 的 应 用 是 自 动 门 控 制 系 统 和 沟 槽厕 所 节 水 器 。在 一 些 高 级 饭 店 、 宾 馆 和 公 共 场 所 都 设 有

14、 自 动 门 ， 当 人 走 到 门 前 时 ，门 会 自 动 打 开 ， 人 过 后 会 自 动 关 闭 ， 达 到 全 自 动 控 制 的 目 的 。1 开 启 动 作当 人 靠 近 自 动 门 时 ， 设 置 于 门 内 外 侧 的 检 测 装 置 （ 垫 开 关 、 红 外 线 开关 、 光 线 开 关 等 ） 将 其 检 测 出 来 ， 之 后 ， 信 号 送 到 控 制 装 置 。 控 制 装 置接 到 该 信 号 后 驱 动 马 达 向 门 的 开 启 方 向 马 达 的 旋 转 带 动 减 速 器 、 皮带 轮 、 皮 带 或 链 条 ， 使 门 向 开 启 方 向 运 动 。

15、 当 门 接 近 门 挡 通 过 开 启 制 动位 置 时 ， 制 动 力 作 用 于 马 达 ， 门 减 速 ， 其 速 度 变 为 徐 行 速 度 ， 行 至 门 挡位 置 后 停 止 。2 关 闭 动 作当 人 离 开 检 测 装 置 的 检 测 范 围 ， 开 启 定 时 器 定 时 结 束 后 （ 该 时 间 设 定可 以 调 整 ） ， 控 制 装 置 将 马 达 逆 转 ， 使 门 向 关 闭 方 向 动 作 ， 门 徐 行 后 在门 挡 位 置 停 止 。自 动 门 主 要 有 :旋 转 自 动 门 、 弧 形 自 动 门 、 平 滑 自 动 感 应 门 、 平开 自 动 感

16、应 门 、 折 叠 自 动 感 应 门 、 重 叠 自 动 门 、 医 用 自 动 门 、 卷 闸 自 动门 、 车 库 自 动 门 、 特 种 自 动 门 。自 动 门 机 组 由 以 下 部 件 组 成 ： （ 1） 主 控 制 器 ： 它 是 自 动 门 的 指 挥 中 心 ， 通 过 内 部 编 有 指 令 程 序的 大 规 模 集 成 块 ， 发 出 相 应 指 令 ， 指 挥 马 达 或 电 锁 类 系 统 工 作 ； 同 时 人们 通 过 主 控 器 调 节 门 扇 开 启 速 度 、 开 启 幅 度 等 参 数 。 （ 2） 感 应 探 测 器 ： 负 责 采 集 外 部 信

17、号 ， 如 同 人 们 的 眼 睛 ， 当 有 移动 的 物 体 进 入 它 的 工 作 范 围 时 ， 它 就 给 主 控 制 器 一 个 脉 冲 信 号 ； （ 3） 动 力 马 达 ： 提 供 开 门 与 关 门 的 主 动 力 ， 控 制 门 扇 加 速 与 减 速运 行 。（ 4） 自 动 门 ， 门 扇 行 进 轨 道 ： 就 象 火 车 的 铁 轨 ， 约 束 门 扇 的 吊 具走 轮 系 统 ， 使 其 按 特 定 方 向 行 进 。 （ 5） 自 动 门 ， 门 扇 吊 具 走 轮 系 统 :用 于 吊 挂 活 动 门 扇 ， 同 时 在 动力 牵 引 下 带 动 门 扇 运

18、 行 。 （ 6） 同 步 皮 带 （ 有 的 厂 家 使 用 三 角 皮 带 ） ： 用 于 传 输 马 达 所 产 动力 ， 牵 引 门 扇 吊 具 走 轮 系 统 。 （ 7） 下 部 导 向 系 统 ： 是 门 扇 下 部 的 导 向 与 定 位 装 置 ， 防 止 门 扇 在运 行 时 出 现 前 后 门 体 摆 动 。 当 门 扇 要 完 成 一 次 开 门 与 关 门 ， 其 工 作流 程 如 下 ： 感 应 探 测 器 探 测 到 有 人 进 入 时 ， 将 脉 冲 信 号 传 给 主 控 器 ，主 控 器 判 断 后 通 知 马 达 运 行 ， 同 时 监 控 马 达 转 数

19、 ， 以 便 通 知 马 达 在 一 定时 候 加 力 和 进 入 慢 行 运 行 。 马 达 得 到 一 定 运 行 电 流 后 做 正 向 运 行 ， 将动 力 传 给 同 步 带 ， 再 由 同 步 带 将 动 力 传 给 吊 具 系 统 使 门 扇 开 启 ； 门 扇 开启 后 由 控 制 器 作 出 判 断 ， 如 需 关 门 ， 通 知 马 达 作 反 向 运 动 ， 关 闭 门 扇 。 自 动 门 的 辅 助 配 置1 感 应 器 的 选 择 ： 在 高 档 酒 店 、 写 字 楼 ， 可 以 选 择 高 灵 敏 度 的 感 应器 ； 在 人 行 道 边 上 的 银 行 、 商

20、店 等 经 常 有 人 路 过 的 地 方 ， 选 择 窄 区 域 的感 应 器 。2 安 全 辅 助 装 置 ： 在 高 档 酒 店 等 地 方 需 要 杜 绝 自 动 门 的 夹 人 事 件 ，可 以 选 择 安 装 防 夹 人 红 外 感 应 器 。3 安 装 门 禁 系 统 及 电 锁 ： 在 自 助 银 行 安 装 自 动 门 ， 可 以 增 加 安 装 自助 银 行 门 禁 系 统 ， 加 装 电 锁 ， 以 便 实 现 对 进 出 门 的 控 制 。4 配 备 后 备 电 源 ： 为 保 证 停 电 时 自 动 门 也 能 工 作 正 常 ， 可 以 配 备 后备 电 源 。自

21、动 门 的 系 统 配 置 是 指 根 据 使 用 要 求 而 配 备 的 ， 与 自 动 门 控 制 器 相 连的 外 围 辅 助 控 制 装 置 ， 如 开 门 信 号 源 、 门 禁 系 统 、 安 全 装 置 、 集 中 控 制等 。 必 须 根 据 建 筑 物 的 使 用 特 点 。 通 过 人 员 的 组 成 ， 楼 宇 自 控 的 系 统 要求 等 合 理 配 备 辅 助 控 制 装 置 。沟 槽 厕 所 节 水 器 是 对 有 沟 槽 便 池 使 用 的 智 能 节 水 器 。 沟 槽 厕 所 是 通 过自 动 水 箱 冲 洗 ， 有 人 没 人 使 用 都 是 注 满 水 后

22、 自 动 冲 洗 。 沟 槽 厕 所 节 水 器就 在 原 自 动 水 箱 上 方 安 装 电 磁 阀 ， 通 过 红 外 探 头 来 检 测 厕 所 的 使 用 情 况， 如 果 有 人 进 入 控 测 区 ， 机 器 则 发 出 相 应 的 指 令 控 制 电 磁 阀 的 开 断 ，从 而 控 制 水 箱 的 开 关 ， 最 终 达 到 智 能 冲 洗 的 效 果 ， 从 而 避 免 厕 所 无 人 使用 时 也 冲 洗 。 沟 槽 厕 所 节 水 器 可 用 于 学 校 、 汽 车 站 、 火 车 站 等 公 共 厕 所。 在 实 际 生 产 中 ， 可 以 将 红 外 传 感 器 做

23、成 一 定 特 殊 功 能 的 模 块 ， 或 者 集成 电 路 ， 用 来 进 行 批 量 生 产 ， 也 使 其 使 用 更 加 标 准 化 。结 束 语 ：红 外 传 感 器 是 一 类 应 用 非 常 广 泛 的 传 感 器 ， 其 功 能 非 常 强 大 ， 对 红 外传 感 器 的 研 究 与 设 计 有 着 非 常 大 的 前 景 ， 红 外 传 感 器 性 能 良 好 ， 灵敏 度 高 ， 响 应 速 度 快 ， 具 有 较 高 的 响 应 频 率 ； 能 适 应 较 广 的 温 度 范 围 ，工 作 可 靠 而 且 系 统 成 本 低 ， 监 控 范 围 广 。 利 用 红

24、外 传 感 器 制 作 的 报警 设 备 使 用 非 常 方 便 。 在 自 动 控 制 方 面 ， 利 用 红 外 传 感 器 制 作 来 检 查 产品 数 量 ， 产 品 质 量 的 自 动 检 测 与 控 制 设 备 使 用 非 常 的 方 便 。由 于 红 外 温 度 传 感 器 实 现 了 无 接 触 测 温 、 远 距 离 测 量 高 温 等 功 能 ， 进而 将 大 部 分 操 作 人 员 从 较 恶 劣 的 环 境 中 解 放 出 来 了 ， 原 来 必 须 要 穿 防 高温 工 作 服 才 能 工 作 的 操 作 工 人 ， 现 在 不 用 再 穿 上 那 些 不 方 便 的

25、 工 作 装 ，而 且 可 以 在 一 个 更 加 原 来 安 全 、 舒 适 的 环 境 中 工 作 。 红 外 温 度 传 感 器 的这 些 特 点 令 广 大 用 户 对 其 大 感 兴 趣 。 红 外 温 度 传 感 器 在 餐 饮 行 业 中 的 应 用 也 在 不 断 增 长 。 利 用 红 外 传感 器 制 作 的 食 品 温 度 检 测 设 备 可 以 在 人 体 不 接 触 食 品 的 情 况 下 进 行温 度 监 督 和 记 录 ， 因 而 食 品 不 会 被 污 染 。 基 于 这 样 的 原 因 ， 红 外 传 感器 在 此 领 域 得 到 了 广 泛 应 用 。光 纤

26、 红 外 传 感 器 还 具 有 抗 电 磁 和 射 频 干 扰 的 特 点 ， 这 为 便 携 式 红 外 传感 器 在 汽 车 行 业 中 的 应 用 又 开 辟 了 新 的 市 场 。 随 着 红 外 测 温 技 术 的 普 遍 应 用 ， 一 种 新 型 的 红 外 技 术 智 能（ Smart） 数 字 红 外 传 感 技 术 正 在 悄 然 兴 起 。 这 种 智 能 传 感 器 内 置 微 处 理器 ， 能 够 实 现 传 感 器 与 控 制 单 元 的 双 向 通 信 ， 具 有 小 型 化 、 数 字 通 信 、维 护 简 单 等 优 点 。 当 前 ， 各 传 感 器 用

27、户 纷 纷 升 级 其 控 制 系 统 ， 智 能 红 外传 感 器 的 需 求 量 将 会 继 续 增 长 ， 预 计 短 期 内 市 场 还 不 会 达 到 饱 和 。 与 此 同 时 软 件 生 产 商 还 开 发 出 了 与 之 相 配 套 的 软 件 系 统 ， 其 友 好 的 图形 操 作 界 面 、 高 低 温 报 警 、 发 射 率 可 调 、 读 取 记 忆 功 能 、 响 应 时 间 短 等性 能 ， 令 红 外 温 度 传 感 器 在 业 内 更 加 受 到 欢 迎 。 另 外 ， 随 着 便 携 式 红 外 传 感 器 的 体 积 越 来 越 小 ， 价 格 逐 渐 降

28、 低 ， 在 食品 、 采 暖 空 调 和 汽 车 等 领 域 也 有 了 新 的 应 用 。 比 如 用 在 食 品 烘 烤 机 、 理发 吹 风 机 上 ， 红 外 传 感 器 检 测 温 度 是 否 过 热 ， 以 便 系 统 决 定 是 否 进 行 下一 步 操 作 ， 如 停 止 加 热 ， 或 是 将 食 品 从 烤 箱 中 自 动 取 出 ， 或 是 使 吹 风 机冷 却 等 。 随 着 更 多 的 用 户 对 便 携 式 红 外 温 度 传 感 器 的 了 解 ， 其 潜 在 用 户正 在 增 加 。 所 以 在 科 技 高 速 发 达 的 今 天 ， 红 外 传 感 器 有

29、着 非 常 大 的 发 展 前 景 。参考文献：王 化 祥 ， 张 淑 英 。 传 感 器 原 理 及 应 用 第 一 版 ， 天 津 ， 天 津 大 学 出版 社 。 1988黄 贤 武 等 ， 传 感 器 原 理 与 应 用 第 一 版 ， 成 都 ， 电 子 科 技 大 学 出 版社 。 1995王 俊 杰 检 测 技 术 与 仪 表 武 汉 理 工 大 学 出 版 社 。 2009.1张 红 润 、 张 亚 凡 传 感 器 技 术 与 应 用 教 程 清 华 大 学 出 版 社 。2005.1栾 桂 冬 .张 金 泽 金 欢 阳 编 著 传 感 器 及 其 应 用 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版社 2002.1彭 军 ， 穿 感 器 与 检 测 技 术 西 安 电 子 科 技 出 版 社 。 2003何 道 清 ， 传 感 器 与 传 感 器 技 术 科 技 出 版 社 。 2004梁 瑞 林 ， 传 感 器 实 用 电 路 实 际 与 制 作 科 技 出 版 社 。 2003