红外传感器分类工作原理及发展应用前景.doc

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一、红外传感器概述

将红外辐射能转换成电能的光敏元件称为红外传感器，也常称为红外探测器。

红外传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。

在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，其中红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。

它常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。

（一）红外辐射的产生

红外辐射是由于物体（固体、液体和气体）内部分子的转动及振动而产生的。

这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度（-273.16℃）时，一切物体的分子才会停止运动。

所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。

换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。

例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。

红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。

红外线的衰减遵循如下规律I=I0*e^（-kx）。

式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。

金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l（mm）的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气（含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等）就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5µm，8～14µm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。

而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。

我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长（或频率）的不同而已。

下面是将各种不同的电磁波按照波长（或频率）排成如图1所示的波谱图，称之为电磁波谱。

图1电磁波谱图

从图中可以看出，红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在0.76—600μm之间（称为红外区）。

而红外区通常又可分为近红外（0.73～1.5μm）、中红外（1.5一l0μm）和远红外（10μm以上），在300μm以上的区域又称为“亚毫米波”。

这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离而言。

（二）红外辐射的性质

1、辐射出射度

简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度；某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。

单色辐射出射度多用在科学理论研究中，单一频率的波由于能量很少，实际测量和应用过程中很难探测到，所以如辐射测温仪等都是测定一定范围波长内的辐射出射度。

　　辐射出射度：

单位时间内离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，即辐射出射度的单位为瓦/米2（W/㎡）。

　　如果一个光源表面上的一个发光面积A在各个方向（在半个空间内）的辐射通量为Фe，则该发光面对辐射出射度为Me=Фe/A。

物体的辐射出射度可由斯忒藩-波尔兹曼定律得到。

积分量为物体的分谱辐射通量密度。

ε为物体的比辐射度。

此处强调“出”字。

如果是指投射到物体表面的辐射，则必须用辐照度来表示。

2、辐射功率

辐射功率就是单位时间内发射（传输或接受）的辐射能。

单位为[瓦]（焦耳/秒）。

辐射功率P的定义表示为

3、红外辐射基本规律

（1）金属对红外辐射衰减非常大，一般金属基本不能透过红外线。

（2）气体对红外辐射也有不同程度的吸收。

（3）介质不均匀、晶体材料的不纯洁、有杂质或悬浮小颗粒等都会引起对红外辐射的散射。

（4）实践证明，温度越低的物体辐射的红外线波长越长。

由此在应用中根据需要有选择的接受某一定范围的波长，就可以达到测量的目的。

（三）红外传感器的分类

红外传感器的种类很多，按照不同的机制可以分成不同的类别：

1、按照功能分：

（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；

（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，可产生整个目标的红外辐射的分布图像；

（4）红外测距和通信系统；

（5）混合系统，是指以各类系统中两个或多个的组合。

2、按照工作原理分：

（1）将红外线一部分变换成热，藉热取出电阻值变化和电动势等输出信号之热型；

（2）利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN接合之光电动势效果的量子型。

二、红外传感器的工作原理

上一节我们说过红外传感器按照工作原理可以分成两类：

热释电红外线传感器和红外光电传感器，现分别进行介绍。

（一）热释电红外线传感器

1、热释电效应

若某些强介电质物质的表面发生变化,随着温度的上升或下降,在这些物质表面上就会产生电荷的变化,这种现象称为热释电效应,是热电效应的一种。

这种现象在钛酸钡之类的强介电材料上表现的特别明显。

热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。

常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。

另外,需指出的是,热释电效应产生的电荷不是永存的,只要它出现,很快会被空气中的单个离子所结合。

因此,用热释电效应制成的红外传感器,往往在它的元件前面加机械式的周期遮光装置,以使此电荷周期地出现,只有测移动物体时可不用。

2、热释电传感器的构造

热释电红外线传感器是利用材料自发极化随温度变化的特征来探测红外线辐射的传感器，采用双灵敏元设计，抑制环境温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。

图2为热释电红外传感器结构图.热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热释电元件、结型场效应管FET、电阻等组成。

其中，场效应管起到阻抗变换的作用，而窗口处的滤光片是为滤去无用的红外线，让有用的红外线进入窗口。

在防盗报警系统所采用热释电传感器的滤光片为7um的滤光片，该滤光片能很好地让人体辐射的红外线通过而阻止其它射线通过，以免引起干扰。

并且，在防盗报警系统所采用热释电传感器为双元型红外传感器，双元型传感器由两个有极性的敏感元件反向串联，这样由于环境的影响而使整个晶片发生温度变化时，极性相反的敏感元件产生的热释电信号相互抵消，可以有效的防止因太阳光等红外线及环境温度变化而引起的误差。

图2热释电红外线传感器结构和等效电路

因为探测器元件自身在使用时有探测距离短,而且后电路不容易使用的弱点,所以,目前销售一种红外组合件。

红外组合件由热释电传感器、扩大探测范围、增高灵敏度的透镜、电放大、信号处理系统用的后电路、防止因外界噪声引起的错误动作使用的密封管壳（仅多功能组合件）构成。

这种构型小型化且有多种功能。

3、热释电传感器的基本原理

实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极。

在环境温度有ΔT的变化时，由于有热释电效应，在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。

当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。

所以这种传感器也称为人体运动传感器。

由实验证明，传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜），其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可增加到10m左右。

热释电红外传感器是一种具有极化现象的热晶体或称为“铁电体”，铁电体的极化强度（单位面积的电荷）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，从而反映出入射的红外辐射的强弱。

由此可见，热释电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红外传感器上时，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交变辐射，不断地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。

（二）红外光电传感器

1、红外光电传感器的基本原理

红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：

发送器、接收器和检测电路，如图3所示：

图3红外光电传感器组成

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

2、红外光电传感器的分类和工作方式

⑴槽型光电传感器

把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。

发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。

但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。

输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。

槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。

⑵对射型光电传感器

若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。

由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。

它的检测距离可达几米乃至几十米。

使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。

⑶反光板型光电传感器

把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。

正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。

⑷扩散反射型光电传感器

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。

正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。

当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。

（5）光纤式光电传感器

光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。

按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板