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1、傳感器技術(shù),,任課教師：劉 佳 Tel：13951754608 Email：,紅外傳感器,紅外輻射 紅外輻射是一種人眼不可見的光線，俗稱紅外線，因為它是介于可見光中紅色光和微波之間的光線。紅外線的波長范圍大致在0.76-1000m之間，對應(yīng)的頻率大致在4104 至31011Hz之間，工程上通常把紅外線所占據(jù)的波段分成近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外4 個部分。,信息與控制學(xué)院儀器系,2,紅外傳感器,紅外輻射,信息與控制學(xué)院儀器系,3,紅外傳感器,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，一個物體向外輻射的

2、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，即 。,信息與控制學(xué)院儀器系,4,,紅外傳感器,紅外輻射 紅外輻射的強(qiáng)度及波長與物體的溫度和輻射率有關(guān)，能在任何溫度下全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體稱為黑體，能全部反射紅外輻射的物體稱為鏡體，能全部透過紅外輻射的物體稱為透明體，能部分反射或吸收

3、紅外輻射的物體稱為灰體。自然界并不存在理想的黑體、鏡體和透明體，絕大部分物體都屬于灰體 。,信息與控制學(xué)院儀器系,5,,基爾霍夫定律 1860年，基爾霍夫在研究輻射傳輸?shù)倪^程中發(fā)現(xiàn)：在任一給定的溫度下，輻射通量密度和吸收系數(shù)之比，對任何材料都是常數(shù)。用一句精練的話表達(dá)，即：“好的吸收體也是好的輻射體”。 ER物體在單位面積和單位時間內(nèi)發(fā)射出的輻射能 物體的吸收系數(shù) E0常數(shù)，其值等于黑體在相同條件下發(fā)射出的輻射能,,紅外傳感器,斯忒藩-玻爾茲曼定律 物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多，在單位時間內(nèi)其單位面積輻射的總能量E為 T物體的絕對溫度(K) 斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，5.6710

4、-8W/(m2k4) 比輻射率，黑體的1,,,紅外傳感器,普朗克定律 絕對溫度為T時，在單位波長內(nèi)其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量密度。不同溫度時黑體光譜輻射通量密度與波長的關(guān)系為 式中 為黑體對波長為的光譜輻射通量密度； 為普朗克輻射常數(shù)。,,,,紅外傳感器,維恩位移定律 紅外輻射的電磁波中，包含著各種波長，其峰值輻射波長m與物體自身的絕對溫度T成反比，即 m2897/T (m),,圖中虛線表示了峰值輻射波長與溫度的關(guān)系，可以看出，隨著溫度的升高其峰值波長向短波方向移動，在溫度不太高時，峰值輻射波長位于紅外區(qū)域。,紅外傳感器,紅外探測器 紅外傳感器是利用紅外輻射

5、實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理量測量的一種傳感器。紅外傳感器的構(gòu)成比較簡單，它一般是由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)節(jié)電路和顯示單元等幾部分組成。其中，紅外探測器是紅外傳感器的核心器件。 紅外探測器種類很多，按探測機(jī)理的不同，通?？煞譃閮纱箢悾簾崽綔y器和光子探測器。,信息與控制學(xué)院儀器系,10,紅外傳感器,紅外探測器 （1）熱探測器 紅外線被物體吸收后將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。熱探測器正是利用了紅外輻射的這一熱效應(yīng)。當(dāng)熱探側(cè)器的敏感元件吸收紅外輻射后將引起溫度升高，使敏感元件的相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生變化，通過對這些物理參數(shù)及其變化的測量就可確定探測器所吸收的紅外輻射。 熱探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是：響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍為整個紅外區(qū)域，室

6、溫下工作，使用方便。熱探測器主要有 4 種類型：熱敏電阻型、熱電阻型、高萊氣動型和熱釋電型。在這4 種類型的探測器中，熱釋電探測器探測效率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種傳感器發(fā)展得比較快，應(yīng)用范圍也最廣。,信息與控制學(xué)院儀器系,11,紅外傳感器,紅外探測器 熱釋電探測器 在外加電場作用下，電介質(zhì)中的帶電粒子( 電子、原子核等) 將受到電場力的作用，總體上講，正電荷趨向于陰極、負(fù)電荷趨向于陽極，其結(jié)果使電介質(zhì)的一個表面帶正電、相對的表面帶負(fù)電，把這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的“電極化”。,信息與控制學(xué)院儀器系,12,紅外傳感器,紅外探測器 熱釋電探測器 對于大多數(shù)電介質(zhì)來說，在電壓去除后，極化狀態(tài)隨即消

7、失，但是有一類稱為“鐵電體”的電介質(zhì)，在外加電壓去除后仍保持著極化狀態(tài)。 一般，鐵電體的極化強(qiáng)度Ps(單位面積上的電荷) 與溫度有關(guān)，溫度升高，極化強(qiáng)度降低。溫度升高到一定程度，極化將突然消失，這個溫度被稱為居里點(diǎn)，在居里點(diǎn)以下，極化強(qiáng)度Ps是溫度的函數(shù)，利用這一關(guān)系制成的熱敏類探測器稱為熱釋電探測器。,信息與控制學(xué)院儀器系,13,紅外傳感器,紅外探測器 熱釋電探測器 熱釋電探測器的構(gòu)造是把敏感元件切成薄片，在研磨成5-50m 的極薄片后，把元件的兩個表面做成電極，類似于電容器的構(gòu)造。為了保證晶體對紅外線的吸收，有時也用黑化以的晶體或在透明電極表面涂上黑色膜。當(dāng)紅外光照射到已經(jīng)極化了的鐵電

8、薄片上時，引起薄片溫度的升高，使其極化強(qiáng)度(單位面積上的電荷) 降低，表面的電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫熱釋電型傳感器。,信息與控制學(xué)院儀器系,14,紅外傳感器,紅外探測器 熱釋電探測器 釋放的電荷可以用放大器轉(zhuǎn)變成輸出電壓。如果紅外光繼續(xù)照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值，表面電荷也就達(dá)到新的平衡濃度，不再釋放電荷，也就不再有輸出信號。 這區(qū)別于其他光電類或熱敏類探測器，這些探測器在受輻射后都將經(jīng)過一定的響應(yīng)時間到達(dá)另一個穩(wěn)定狀態(tài)，這時輸出信號最大。而熱釋電探測器則與此相反，在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號下降到零，只有在薄片溫度的升降過程中才有輸出信號。,信息與控制學(xué)院儀器系,15

9、,紅外傳感器,紅外探測器 熱釋電探測器 熱釋電型傳感器常用于根據(jù)人體紅外感應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動電燈開關(guān)、自動水龍頭開關(guān)、自動門開關(guān)等領(lǐng)域。,信息與控制學(xué)院儀器系,16,紅外傳感器,紅外探測器 光子探測器 光子探側(cè)器型紅外傳感器是利用光子效應(yīng)進(jìn)行工作的傳感器。所謂光子效應(yīng)，是當(dāng)有紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上，紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。通過測量半導(dǎo)體材料中電子性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。 光子探測器主要有內(nèi)光電探測器和外光電探測器兩種，外光電探測器分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測器三種類型。半導(dǎo)體紅外傳感器廣泛的應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，

10、如紅外制導(dǎo)、響尾蛇空對空及空對地導(dǎo)彈、夜視鏡等設(shè)備。,信息與控制學(xué)院儀器系,17,紅外傳感器,紅外探測器 光子探測器 光子探測器的主要特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般工作于低溫。 光子探測器和熱探測器的主要區(qū)別是：光子探測器在吸收紅外能量后，直接產(chǎn)生電效應(yīng)；熱探測器在吸收紅外能量后，產(chǎn)生溫度變化，從而產(chǎn)生電效應(yīng)，溫度變化引起的電效應(yīng)與材料特性有關(guān)。,信息與控制學(xué)院儀器系,18,紅外傳感器,紅外探測器 光子探測器 光子探測器非常靈敏，其靈敏度依賴于本身溫度。要保持高靈敏度，就必須將光子探測器冷卻至較低的溫度。通常采用的冷卻劑為液氮。熱探測器一般沒有光子探

11、測器那么高的靈敏度，但在室溫下也有足夠好的性能，因此不需要低溫冷卻，而且熱探測器的響應(yīng)頻段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個紅外區(qū)域。,信息與控制學(xué)院儀器系,19,紅外傳感器,紅外傳感器的應(yīng)用 紅外輻射計：用于輻射和光譜輻射測量。 搜索和跟蹤系統(tǒng)：用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置 并對其運(yùn)動進(jìn)行跟蹤。 熱成像系統(tǒng)：能形成整個目標(biāo)的紅外輻射分布圖像。 紅外測距系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)物體間距離的測量。 通信系統(tǒng)：紅外線通信作為無線通信的一種方式。,信息與控制學(xué)院儀器系,20,紅外傳感器,被動式人體移動檢測儀,信息與控制學(xué)院儀器系,21,紅外傳感器,被動式人體移動檢測儀 在被動紅外探測器中有兩個關(guān)鍵性的

12、元件： 熱釋電紅外傳感器。它能將波長為8-12m之間的紅外信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并對自然界中的白光信號具有抑制作用。菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡有兩個作用：一是聚焦作用，即將熱釋的紅外信號透射或反射在熱釋電紅外傳感器上；二是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生變化的熱釋電紅外信號，這樣傳感器就能產(chǎn)生變化的電信號。實(shí)驗證明，傳感器若不加菲涅爾透鏡，其檢測距離將小于2 m，而加上該光學(xué)透鏡后 ，其檢測距離可大于7 m。,信息與控制學(xué)院儀器系,22,紅外傳感器,被動式人體移動檢測儀 被動式人體移動檢測儀的工作原理是：當(dāng)有人進(jìn)人傳感器監(jiān)測范圍時，傳感

13、器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有T的變化，熱釋電效應(yīng)導(dǎo)致在兩個電極上產(chǎn)生電荷Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓 V。 由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。由于熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷Q會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，T =0，則傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)人檢測區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器就能感應(yīng)到人體溫度與背景溫度的差異信號 T，則有相應(yīng)的輸出；若人體進(jìn)人檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也就沒有輸出。因此，被動式人體移動檢測儀的紅外探測的基本概念就是感應(yīng)移動物體與背景物體的溫度的差異。,信息與控制學(xué)院儀器系,23,紅外傳感器,紅外輻射溫度計 既可用于高溫測

14、量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-303000，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。,信息與控制學(xué)院儀器系,24,紅外傳感器,信息與控制學(xué)院儀器系,25,紅外傳感器,,,紅外線輻射溫度計外形,,,信息與控制學(xué)院儀器系,26,紅外傳感器,信息與控制學(xué)院儀器系,27,紅外傳感器,信息與控制學(xué)院儀器系,28,紅外傳感器,信息與控制學(xué)院儀器系,29,紅外傳感器,熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。,熱釋電元件外形,信息與控制學(xué)院儀器系,30,

15、紅外傳感器,熱釋電報警器,菲涅爾透鏡,,設(shè)定按鈕,,高分貝喇叭,,信息與控制學(xué)院儀器系,31,紅外傳感器,熱釋電感應(yīng)燈,熱釋電傳感器,,紅外夜視儀 紅外夜視儀是一種利用紅外成像技術(shù)達(dá)到偵察目的的設(shè)備。夜晚，由于各種物體溫度不同，輻射紅外線的強(qiáng)度不同，在夜視儀中就會有不的圖像。紅外夜視儀可以清楚地顯示黑暗中發(fā)生的行為。它可用于在夜間追捕罪犯。,信息與控制學(xué)院儀器系,32,紅外傳感器,紅外遙感 可見光不易通過水霧和浮塵，而紅外線卻容易繞過它們，應(yīng)用這一特點(diǎn)發(fā)展起來的紅外遙感和遙測技術(shù)有廣泛的應(yīng)用。例如，氣象衛(wèi)星收集氣象信息，以及應(yīng)用紅外監(jiān)控航天飛機(jī)的返航等。,信息與控制學(xué)院儀器系,33,紅外傳感器,Thank You !,