最新红外测距传感器的原理与设计最终版.docx

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最新红外测距传感器的原理与设计最终版

红外测距传感器的原理与设计

摘要：

现代科学技术的发展，进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。

为了实现物体近距离、高精度的无线测量，我采用红外发射接收模块作为距离传感器，单片机作为处理器，编写A/D转换、显示以及与PC机的通信程序，开发了一套便推式的红外距离测量系统，系统可以高精度的实时显示所测的距离，并且可以将距离量通过串口发送到PC机显示处理、本系统结构简单可靠、体积小、测量精度高、方便使用，另外本系统形成了一套完善的软硬件开发平台，可以进行扩展、移植和做进一步的开发。

关键词：

红外测距；68HC11E1；A/D转换；

一、绪论

1.1设计背景

在基础学科研究中，传感器具有突出的地位。

现代科学技术的发展进入了许多新领域，而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距。

其中激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。

由于受恶劣的天气、污染等因素影响，使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右，损失很大，影响探测的精确度；微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵，现在几乎还没有开拓民用市场；超声波测距在国内外已有人做过研究，由于采用特殊专用元件使其价格高，难以推广；红外线作为一种特殊的光波，具有光波的基本物理传输特性—反射、折射、散射等，且由于其技术难度相对不太大，构成的测距系统成本低廉，性能优良，便于民用推广。

红外线测距传感器有它的几个特点，远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；有同步输入端，可多个传感器同步测量；测量范围广，响应时间短；外形设计紧凑，易于安装，便于操作；所以它的应用价值比较高。

另外红外测距的应用越来越普遍。

在很多领域都可以用到红外测距仪。

红外测距一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。

当前红外测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。

1.2红外线简介

近二十年来，红外辐射技术已成为一门迅速发展的新兴技术科学，它已广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。

红外辐射技术是发展测量技术、遥感技术和空间科学技术的重要手段。

红外辐射俗称红外线，又称红外光，它是一种人眼看不见的光线，但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质，任何物质只要它的湿度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。

它的波长介于可见光和微波之间，它的波长范围大致在0.75μM-1000μM的频谱范围之内，红外线与可见光、紫外线、x射线、y射线和微波、无线电波一起构成了整个无线连续的电磁波谱。

在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。

它已在科技、国防和工农业生产等领域获得广泛的应用。

1.3红外线传感器概述

1.3.1红外线传感器系统介绍

1.待测目标

根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

2.大气衰减

待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

3.光学接收器

它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。

相当于雷达天线，常用是物镜。

4.辐射调制器。

对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。

又称调制盘或斩波器，它具有多种结构。

5.红外探测器

这是红外系统的核心。

它是将红外辐射能转换为电能的光敏器件，利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器。

多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。

此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

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，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

7.信号处理系统。

将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。

然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

8.显示设备。

这是红外设备的终端设备。

常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

依照上面的流程，红外系统就可以成相应的物理量完的测量。

红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。

热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器有依赖于温度的变化而发生变化的性能。

检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。

多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。

当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

欧姆龙公司生产的漫反射式和对射式光电传感器，这两种传感器主要用于事件检测和物体定位。

红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。

1.3.2红外线传感器的分类

常见红外传感器可分为热传感器和光子传感器。

（1）热传感器

热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。

热探测器的主要优点是相应波段宽，可以在室温下工作，使用简单。

但是，热传感器相应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。

热传感器主要类型有：

热敏传感器型，热电偶型，高莱气动型和热释放电型四种。

（a）热敏电阻型传感器

热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧解而成的，热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减少。

测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。

（b）热电偶型传感器

热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。

当红外辐射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。

而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流。

同时回路中产生温差电势，温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。

利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，相应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10HZ以下。

（c）莱气动型传感器

高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。

它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。

薄片的背向管道一面是反射镜。

气室的前面附有吸收模，它是低热容量的薄膜。

红外辐射通过窗口入射到吸收模上，吸收模将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。

在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。

当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生变化，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。

这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定。

但响应时间性长，结构复杂，强度较差，只适合于实验室内使用。

（d）热释电型传感器

热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。

铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。

当红外线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。

输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映入射的红外辐射的强弱。

由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。

当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。

只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。

所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断的引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。

（2）光子传感器

光子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化。

通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。

利用光子效应所制成的红外传感器。

统称光子传感器。

光子传感器的主要特点灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率。

但其一般须在低温下工作，探测波段较窄。

按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。

（a）外光电传感器

当光辐射在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大时，就能使材料的电子逸出表面，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。

光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。

它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。

但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。

（b）光电导传感器

当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。

利用光电导现象制成的传感器称为光导传感器，如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导传感器。

使用光电导传感器时，需要制冷和加一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致使红外线传感器损坏。

（c）光生伏特传感器

当红外辐射照射在某些半导体材料的PN结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向N区，如果PN结开路，则在PN结两端便产生一个附加电势，称为光生电动势。

利用这个效应制成的传感器或PN结传感器。

常用的材料为砷化铟、锑化铟、碲化汞、碲锡铅等几种。

（d）光磁电传感器

当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一方，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。

利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器。

光磁电传感器不需致冷，响应波段可达7μM左右，时间常数小，响应速度快，不用加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性。

但其灵敏度低，低噪声前置放大器制作困难，因而影响了使用。

1.3.3红外线传感器的应用

红外传感器的应用主要体现在以下几个方面：

1、红外辐射计：

用于辐射和光谱辐射测量

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其运动进行跟踪。

3、热成像系统：

能形成整个目标的红外辐射分布图像。

4、红外测距系统：

实现物体间距离的测量。

（利用的是红外线传播时的不扩散原理，因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线）

5、通讯系统：

红外线通信作为无线通信的一种方式。

6、混合系统：

是指以上各类系统中的两个活多个组合。

二、红外测距的方法和原理

2.1几种红外测距原理及选择

2.1.1相位测距原理

由主控振荡器（即主振）产生的调制信号频率f，经放大后加到GaAs发光管，经电流调制出射红外调制光，从发射光学系统出射射向镜站的反光镜；经反射后，回光被接收光学系统所接收，到达硅光敏二极管；经过光电转换，得到高频的测距信号。

为了提高相位测量的精度和仪器的稳定性，机内又设置了本机振荡器（本振），其频率为

2-1

（为几个千赫的中频）。

利用差频原理将高频测距信号与本振信号同时输入到混频I，获得中频的测距信号e。

但它保留着在测线上往返所形成的相位差。

与此同时，在混频II中，本振与主振信号不经测线直接在机内会合，从而可以得到用于比相的中频基准信号（参考信号）e。

两者经过选频放大和整形后输入到检相器比相，得到相位差。

最后通过运算和显示系统直接给出所测的距离值。

由于受