1、10.2 红外传感器,10.2.1 工作原理 红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。红外区通常分为近红外0.731.5um、中红外1.510um和远红外10um以上，300um以上的区域又称为“亚毫米波”,电磁波谱图,红外辐射,红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（273），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐
2、射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积 。,16.1 红外探测器红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。,按应用可分为： 红外辐射测量 热成像遥感技术 红外搜索、跟
3、踪目标、确定位置 通讯、测距等。 两部分组成： 1）红外辐射源有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源 2）红外探测器能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。,16.1 红外传感器,16.1.2 红外辐射探测器,主要有两大类型：热探测器和光子探测器。 1）热探测器（热电型） 有：热释电、热敏电阻、热电偶等； 2）光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化； 有:光敏电阻、光电管、光电池等。 量子型光子探测器与光电传感器原理相同， 本节主要介绍热电型红外探测器。,1. 热探测器热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能
4、后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 特点：热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广泛。但与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。,热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。,“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使
5、其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。 如果红外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。,热释电传感器工作原理,热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片
6、上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。,2019/9/9,11,菲涅尔透镜,菲涅尔透镜,热释电晶片,2019/9/9,12,菲涅尔透镜外形,传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。,2019/9/9,13,热释电套件,2019/9/9,14,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,2019/9/9,15,热释电报警器（续）,菲涅尔透镜, 5mm接插件,2019/9/9,16,热释电报警器（续）,吸顶式 热释电报警器,案例3.热释电红外线传感器,热释电红外线传感器是
7、80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及射线、 射线自动报警等。,热释电红外传感器的结构及内部电路,用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点： 不需要用红外线或电磁波等发射源。 灵敏度高、控制范围大。 隐蔽性好，可流动安装。,可以用于以下各种实用电路中： 1.“有电，危险”安全警示
8、电路 用于有电的场合，当有人进入这些场合时，通过发出语音和声光提醒人们注意安全。 2.自动门 主要用于银行、宾馆。当有人来到时，大门自动打开，；人离开后又自动关闭。 3.红外线防盗报警器 用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。 4.高速公路车辆车流计数器 5.自动开、关的照明灯，人体接近自动开关等。,热释电传感器应用,热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗。如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。,热释电传感器的感应范围,2019/9/9,20,热释电感应灯,热释电传感器,2019/9/9,21,自动感应灯 （参考施特朗公司资料）,热释电传感器在智能空调中的应用,智能
9、空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。,空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。,问题思考：自动门如何探测人的靠近？,2. 光子探测器光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起光子效应。根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。通过光子探测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。,光子探测器只要采用光电传感器，分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电伏特元件等几类。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有
10、较高的响应频率，但探测波段较窄，一般在低温下工作。,飞利浦新开发的光子探测器,检测技术,第10章 辐射与波式传感器,10.1 红外传感器,以红外线为测量介质的系统称为红外传感系统，按照功能可以分成五类： （1）温度计和辐射计，用于温度、辐射和光谱测量； （2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪； （3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像； （4）红外测距和通信系统； （5）混合系统，由以上各类系统中的两个或者多个组合而成。,检测技术,第10章 辐射与波式传感器,典型的红外传感系统,（5）红外探测器：它是红外传感系统的核心，利用红外辐射与物质相互
11、作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射，按照工作原理分为光敏探测器和热敏探测器两类。 （6）探测器制冷器：由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，探测器可以缩短响应时间，提高灵敏度。 （7）信号处理系统：将探测的信号进行放大、滤波，并从中提取出有用的信息。然后将这些信息转化为适当的格式，传送到控制设备或者显示器中。 （8）显示设备：它是红外传感系统的终端设备，常用的有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。,红外传感器的应用,1. 红外测温仪,红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。 当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见
12、光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。,图中的光学系统是一个固定焦距的透视系统，滤光片一般采用只允许814um的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射线。红外探测器一般为热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。 红外测温仪电路比较复杂，包括前置放大器、选频放大、温度补偿、线性化、发射率调节等。目前已经有一种带单片机的智能红外测温仪，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。,红外线辐射温度计,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可
13、用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,红外传感器的应用,1. 红外测温仪,红外测温是目前较先进的测温方法，特点有： 1. 远距离、非接触测量，适应于高速、带电、高温、高压； 2. 反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在s量级； 3. 灵敏度高，辐射能与温度T成正比； 4. 准确度高，可达0.1内； 5. 应用范围广泛，0下上千度。,红外线辐射温度计外形,激光仅 用于瞄准,红外线辐射温度计外形,红外线辐射温度计用于食品温度测量,红外线辐射温度计 在非接触体温测量中的应用,
14、耳温仪,红外线辐射温度计用于人体额温测量,悬挂式自动扫描红外人体温度检测仪,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,集成IC 温度测量,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）,利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,温度采集系统,2. 红外线气体分析仪红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 m和4.26 m附
15、近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26 m附近的吸收波段进行分析。,几种气体对红外线的透射光谱,传感器原理及应用,第12章 辐射式传感器,12.1 红外线传感器,如CO气体和CO2在45 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。,光源由镍铬丝通电加热发出310um的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红
16、外探测器检测。测量气室中通入被分析气体，参与气室中封入不吸收红外线的气体。 测量时（如分析CO气体的含量）, 两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室。 测量气室中含有一定量的CO气体, 该气体对4.65m的红外线有较强的吸收能力, 而参比气室中气体不吸收红外线, 红外探测器是薄膜电容型，气室气体，吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。射入两个吸收气室的红外线光造成能量差异, 使两吸收室压力不同.,被测气体的浓度愈大, 两束光强的差值也愈大, 电容的变化也愈大. 电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。 滤波气室:为了消除干扰气体对测量结果的影响。 该结构中还设置了滤
17、波气室。他是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，就是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体。,2019/9/9,45,3、热成像,热成像元件 在中、长波红外探测领域，现在多采用了碲镉汞红外光子探测器。,红外传感器的应用,例2：红外热成像,红外热像仪将红外辐射转换成可见光进行显示，利用物体自身的红外辐射来摄取物体热辐射图像。它能通过快速扫描，精确的摄取反映被测物体温差信息的热图像。,红外传感器的应用,热像技术应用：温度分布检测、飞行器表面温度检测、 无损探测、安全生产监控、夜间机场状况检测、海岸线检测、临床医学、军事等。,防爆型红外热像仪,用于探测地面和井下煤堆自燃温度。,矿用本
18、质安全型红外成像生命探测仪,用于井下人员搜救、探测隐性火区分布、探测瞎炮位置分布、采煤机组与液压支架实时工作状态、探测井下各种开关、接头、变压器的事故隐患、各种电器及传动设备的发热状态等。,检测技术,第10章 辐射与波式传感器,红外热像仪应用,总线节点发热检测,耐火材料设备检测,电脑主板发热量分布,沥青铺路温度分布,红外热像传感器的红外摄像功能,不同的颜色和亮度代表不同的温度,任何物体只要温度高于绝对零度，内部原子就会作无规则运动，并不断地辐射出热红外能量。红外探测器可将物体辐射的红外功率信号转换成电信号，在计算机成像系统的显示屏上，将得到与物体表面热分布相对应的热像图。,红外热像传感器的红外
19、摄像功能,断指,狗,手枪钻的发热部位,传感器原理及应用,第12章 辐射式传感器,12.1 红外线传感器 12.1.3 红外传感器应用,12.1.3 红外传感器应用,热释电红外可用于自动门、干手机、自动水龙头等。 下图中自动门由热释电红外传感器检测是否有人出入，由单稳态控制电机正转或反转。,12.1.3 红外传感器应用,热释电红外报警控制电路,12.1.3 红外传感器应用,红外光束报警电路,传感器原理及应用,红外报警电路,12.1.3 红外传感器应用,传感器原理及应用,第12章 辐射式传感器,12.1 红外线传感器 12.1.3 红外传感器应用,传感器原理及应用,第12章 辐射式传感器,12.1
20、 红外线传感器 12.1.3 红外传感器应用,红外遥控发射、接收电路,2019/9/9,59,热成像仪的使用,2019/9/9,60,热成像仪的使用,2019/9/9,61,热成像仪的使用,导线端子过热,熔断器过热,2019/9/9,62,热成像仪的使用,强电线路的过热红外成像和人眼观察对比,2019/9/9,63,热成像仪的使用,2019/9/9,64,热成像仪的使用,2019/9/9,65,热成像仪的使用,2019/9/9,66,热成像仪的使用,2019/9/9,67,热成像仪的使用,2019/9/9,68,各种热像,变电站的热像,从热像中可以判断过热位置,2019/9/9,69,白天的图
21、像与热像的对比,热像,2019/9/9,70,各种输电设备的热像,输电线接头过热,2019/9/9,71,人的热像,医生,2019/9/9,72,热成像传感器,热成像仪能透过烟尘、云雾、小雨及树丛等许多自然或人为的伪装来看清目标。手持式及安装于轻武器上的热成像仪可以让使用者看清800m或更远的人体大小的目标。,带夜视仪的自动步枪,2019/9/9,73,配备热成像传感器的自动步枪,2019/9/9,74,配备热成像传感器的自动步枪（续）,2019/9/9,75,带热成像传感器的自动步枪（续）,2019/9/9,76,军用热成像传感器的效果,白亮处有一辆坦克,2019/9/9,77,军用热成像传
22、感器的效果（续）,白亮处有一辆坦克,通过红外传感系统达到遥感的无人驾驶飞机,军事上的应用,红外遥感反卫星系统核心-红外传感器,对目标国家和地区的资源状况的监视 监视对方军事部署和大规模的军事移动 可以帮助分析局部的地形、资源状况，从而帮助己方进行战术行动的方案判断,军事上的应用,第三代双波段红外传感坦克,军事上的应用,生活中的应用,宝马夜视红外热成像系统,作为司机辅助系统的一项创新 红外传感夜视仪给夜晚驾驶带来方便,照相机中的红外线传感器夜视功能,索尼数码摄像机首创了红外线夜视摄影功能，能够在全黑环境下进行拍摄，甚至连肉眼也不能分辨清楚的物体，现在也可以清晰地拍摄下来。,生活中的应用,条形码扫
23、描器,打印机红外线轴套扫描器,生活中的应用,2019/9/9,85,用热像仪判断机械工业产品的质量,2019/9/9,86,用热像仪判断 电子产品的工作状态,线路板上的各点温度,IC的温度,2019/9/9,87,医疗用的热像仪（参考广州飒特电力红外技术有限公司资料）,用热像仪判断皮肤肿瘤的位置及范围,2019/9/9,88,其他热像仪,2019/9/9,89,热像仪的使用及效果,盛有热水的盆,利用红外探测器检查工件内部的缺陷，也是红外测温的一种应用。而且是一种很巧妙的应用。例如A、B两块金属板焊接在一起，其交界是否焊接良好，有没有漏焊的部位呢？如何在不使部件受任何损伤的情况下进行检测呢？红外
24、测温技术就能完成这样的任务，这就是“红外无损探伤技术”。红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷，对部件结构无任何损伤。例如，检查两块金属板的焊接质量，利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺焊；为了检测金属材料的内部裂缝，也可利用红外探伤仪。,这些是现在无损探伤技术的仪器、电脑软件及在电脑中的红外无损探伤的显示。,红外无损探伤的特点是加热和探伤设备都比较简单，能针对各种特殊的需要设计出合适的监测方案。因此他的应用范围比较广 泛，例如金 属、陶瓷、塑料、橡胶、等材料中的裂缝、孔洞、异物、气泡、截面变形等各种缺陷的 探伤，结构的检查，焊接质量的鉴定以及电子器件和线路的可靠性的检测等，都可以用红外无损探伤来解决。,
