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1、10.2 紅外傳感器 10.2.1 工作原理 紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線 ， 它是一種不可見光 ， 由于是位于可 見光中紅色光以外的光線 ， 故稱紅外線 。 它的波長范圍大致在 0.76 1000 m。 工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分 ， 即近紅外 、 中紅外 、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外 。 電磁波譜圖 1 0 9 1 0 7 1 0 5 1 0 3 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 2 1 0 3 1 0 4 / m / c m /m 宇 宙 射 線 射 線 X 射 線 紅 外 線 微 波 無 線 電 波 紫 外 線 可 見 光 近 紅 外 遠(yuǎn) 紅 外 極 遠(yuǎn) 紅 外 0

2、3 6 9 1 2 1 5 1 8 中 紅 外 / m 1 0 6 1 0 5 1 0 7 聲 波 紅外輻射 紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度 高于絕對零度（ 273 ），就會向外部空間以紅外線的方 式輻射能量，一個(gè)物體向外輻射的能量大部分是通過紅外 線輻射這種形式來實(shí)現(xiàn)的。物體的溫度越高，輻射出來的 紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。另一方面，紅外線被物 體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。 紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁 波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的 一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線 在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長的乘積 。

3、 10.2.2 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng) 、 探測器 、 信號調(diào)理電路及顯 示單元等組成 。 紅外探測器是紅外傳感器的核心 。 紅外探測器是利用紅外 輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的 。 紅 外探測器的種類很多 ， 按探測機(jī)理的不同 ， 分為熱探測器和光 子探測器兩大類 。 1. 熱探測器 熱探測器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng) ， 探測器的 敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高 ， 進(jìn)而使某些有關(guān)物理參 數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化 ， 通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸 收的紅外輻射 。 特點(diǎn)：熱探測器主要優(yōu)點(diǎn)是 響應(yīng)波段寬 ， 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展 到整個(gè)紅外區(qū)域 ， 可以在常溫下工作

4、 ， 使用方便 ， 應(yīng)用相當(dāng)廣 泛 。 但與光子探測器相比 ， 熱探測器的探測率比光子探測器的 峰值探測率低 ， 響應(yīng)時(shí)間長 。 熱探測器主要有四類：熱釋電型 、 熱敏電阻型 、 熱電阻型 和氣體型 。 其中 ， 熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高 ， 頻率響應(yīng)最寬 ， 所以這種探測器倍受重視 ， 發(fā)展很快 。 這里我 們主要介紹熱釋電型探測器 。 電 介 質(zhì) 電 極 電 介 質(zhì) 的 極 化 與 熱 釋 電 紅 外 光 黑 色 膜 （ a ） 一 般 電 介 質(zhì) （ b ） 鐵 電 體 電 介 質(zhì) 的 極 化 矢 量 與 所 加 電 場 的 關(guān) 系 sP sPE E 0 0 “ 鐵電體 ”

5、的極化強(qiáng)度（單位面積上的電 荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化 的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，使 其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋 放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。 如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù) 載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號輸出。輸出信號的 強(qiáng)弱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(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器 的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。 熱釋電傳感器工作原理 熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組 平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一 透鏡單元都只有一個(gè)不大的視場角，當(dāng)人體 在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動時(shí)，順次地進(jìn) 入第一、第二單元透鏡的

6、視場，晶片上的兩 個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈 沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱 釋電元件前面，它是 “ 視而不見 ” 的。 2021/1/27 9 菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡 熱釋電晶片 2021/1/27 10 菲涅爾透鏡外形 傳感器不加菲涅爾 透鏡時(shí)，其檢測距離 小于 2m，而加上該透 鏡后，其檢測距離可 增加 3倍以上。 2021/1/27 11 熱釋電套件 2021/1/27 12 熱釋電報(bào)警器 菲涅爾透鏡 設(shè)定按鈕 高分貝喇叭 2021/1/27 13 熱釋電報(bào)警器（續(xù)） 菲涅爾透鏡 5mm接 插件 2021/1/27 14 熱釋電報(bào)警器（續(xù)） 吸頂式 熱釋電報(bào)警器 熱

7、釋電傳感器應(yīng)用 熱釋電傳感器用 于自動亮燈，當(dāng)然 也可以用于防盜。 熱釋電傳感器的感 應(yīng)范圍 2021/1/27 16 熱釋電感應(yīng)燈 熱釋電傳 感器 2021/1/27 17 自動感應(yīng)燈 （參考施特朗公司資料） 熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用 智能空調(diào)能檢測 出屋內(nèi)是否有人，微 處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié) 空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá) 到節(jié)能的目的。 空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾 透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi) 一定空間角范圍里是否有人，以及人 是靜止著還是走動著。 上 下 范 圍 左右范圍 2. 光子探測器 光子探測器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探 測器材料中的電子互相作用 ， 從而改變電子的能量

8、狀態(tài) ， 引起 光子效應(yīng) 。 根據(jù)光子效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光子探測器 。 通過光子探測器測量材料電子性質(zhì)的變化 ， 可以確定紅外 輻射的強(qiáng)弱 。 10.2.3 1. 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(dāng)物體的溫 度低于 1000 時(shí) ， 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 。 2. 紅外線氣體分析儀 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收 的特性來對氣體成分進(jìn)行分析的 。 不同氣體其吸收波段 （ 吸收 帶 ） 不同 ， 從圖中可以看出 ， CO氣體對波長為 4.65 m附近的 紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力 ，

9、 CO2氣體則發(fā)生在 2.78 m和 4.26 m附近以及波長大于 13 m的范圍對紅外線有較強(qiáng)的吸收能力 。 如分析 CO氣體 ， 則可以利用 4.26 m附近的吸收波段進(jìn)行分析 。 幾種氣體對紅外線的透射光譜 100 80 60 40 20 0 透射率 / ( % ) 100 80 60 40 20 0 透射率 / ( % ) 100 80 60 40 20 0 透射率 / ( % ) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 / m 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 / m CO CO 2 CH 4 C 2 H 4 C 2 H

10、6 C 2 H 2 2021/1/27 23 3、熱成像 熱成像元件 在中、長波紅外探測領(lǐng)域， 現(xiàn)在多采用了碲鎘汞紅外 光子探測器。 紅外熱像傳感器的紅外攝像功能 不同的顏色和亮度 代表不同的溫度 任何物體只要溫 度高于絕對零度，內(nèi) 部原子就會作無規(guī)則 運(yùn)動，并不斷地輻射 出熱紅外能量。 紅外 探測器可將物體輻射 的紅外功率信號轉(zhuǎn)換 成電信號，在計(jì)算機(jī) 成像系統(tǒng)的顯示屏上， 將得到與物體表面熱 分布相對應(yīng)的熱像圖。 紅外熱像傳感器的紅外攝像功能 斷指 狗 手槍鉆的發(fā) 熱部位 2021/1/27 26 熱成像儀的使用 2021/1/27 27 熱成像儀的使用 2021/1/27 28 熱成像儀的

11、使用 導(dǎo)線端子過熱 熔斷器過熱 2021/1/27 29 熱成像儀的使用 強(qiáng)電線路的過熱紅外成像和人眼觀察對比 2021/1/27 30 熱成像儀的使用 2021/1/27 31 熱成像儀的使用 2021/1/27 32 熱成像儀的使用 2021/1/27 33 熱成像儀的使用 2021/1/27 34 熱成像儀的使用 2021/1/27 35 各種熱像 變電站的熱像 從熱像中可以判斷過 熱位置 2021/1/27 36 白天的圖像與熱像的對比 熱像 2021/1/27 37 各種輸電設(shè)備的熱像 輸電線接頭過熱 2021/1/27 38 人的 熱像 醫(yī)生 2021/1/27 39 熱成像傳感器

12、 熱成像儀能透 過煙塵、云霧、小 雨及樹叢等許多自 然或人為的偽裝來 看清目標(biāo)。手持式 及安裝于輕武器上 的熱成像儀可以讓 使用者看清 800m或 更遠(yuǎn)的人體大小的 目標(biāo)。 帶夜視儀的自動步槍 2021/1/27 40 配備熱成像傳感器的自動步槍 2021/1/27 41 配備熱成像傳感器的自動步槍 （續(xù)） 2021/1/27 42 帶熱成像傳感器的自動步槍（續(xù)） 2021/1/27 43 軍用熱成像傳感器的效果 白亮處有一輛坦克 2021/1/27 44 軍用熱成像傳感器的效果（續(xù)） 白亮處有一輛坦克 2021/1/27 45 用熱像儀判斷機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量 2021/1/27 46 用熱像儀判斷 電子產(chǎn)品的工作狀態(tài) 線路板上的各點(diǎn)溫度 IC的溫度 2021/1/27 47 醫(yī)療用的熱像儀 （參考廣州颯特電力紅外技術(shù)有限公司資料） 用熱像儀判斷皮膚腫瘤 的位置及范圍 2021/1/27 48 其他熱像儀 2021/1/27 49 熱像儀的使用及效果 盛有熱水的盆