关于红外传感器的报告.docx

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关于红外传感器的报告

关于红外传感器的报告

摘要：

本文主要介绍一些关于红外传感器的一些基本知识和工作原理，从而让我们能够从一定程度上了解红外传感器这一传感器的种类。

对于红外传感器的认识，能够帮助我们更好的利用红外传感器，让我们的生活或者工作更加方便和愉快。

关键字：

红外辐射、传感器、原理、用途

红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。

因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。

而作为红外传感器的重要组成部分，红外辐射是不得忽略的重中之重。

下面我们先介绍红外辐射的相关知识和原理。

一、红外辐射的工作原理简介：

红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。

红外线的波长范围大致在0.76-1000µm之间，对应的频率大致在4×104至3×1011Hz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外4个部分。

下图是红外线的电磁波谱图：

红外分区：

在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域

（1）近红外区:

770nm~1.5μm

（2）中红外区:

1.5μm~6μm

（3）远红外区:

6μm~40μm

（4）极远红外区:

40μm~1000μm

注意：

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。

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，即c=λf。

红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰体。

自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体都属于灰体。

二、红外线的物理特性：

①热效应

②穿透云雾的能力强

①热效应及应用：

一切物体都在不停的辐射红外线。

物体的温度越高，辐射的红外线就越多。

红外线照射到物体上最明显的效果就是产生热。

冬天烤火，就是因为有大量的红外线从炉子里射到人身上，才能让我们感觉到热乎乎的。

人体生病的时候，虽然外面看起来没有什么变化，但是由于局部皮肤的温度不正常，如果在照相机里装上对红外感光的胶片，给皮肤拍照再与正常人的照片对比，可以对疾病作出诊断。

这种相机拍出来的照片叫热谱图。

根据红外线的热效应，人们还研究出了红外线夜视仪。

红外线夜视仪在漆黑的夜晚也可以发现人的存在。

夜间人的体温比周围草木或建筑的温度高，人体辐射出来的红外线就比他们强。

可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆等。

物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线。

各种物体吸收了红外线以后温度就会升高。

我们就可以利用红外线的热效应来加热物品。

家庭用的红外线烤箱，浴室用的暖灯，也就是浴霸等等。

物体加热可以利用红外线烘干汽车表面的喷漆，烘干稻谷等作物。

在医学上，还可以利用红外线的热效应进行理疗。

在红外线照射下，组织温度升高，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。

伤口就容易痊愈。

②穿透能力强的应用：

穿透云雾的能力强（波长较长,易于衍射），由于一切物体，都在不停地辐射红外线，并且不同物体辐射红外线的强度不同，利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对接到的信号进行处理，就可以察知被测物体的形状和特征，这种技术叫做红外线遥感技术，可以用在卫星上勘测地热、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收成。

还有我们每天都要关注的天气预报，也是红外线遥感技术。

红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。

空气中对称的双原于分子，如N2、H2、O2不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减。

红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即2~2.6μm，3~5μm和8~14μm，统称为“大气窗口”。

这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因为一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。

下图为通过一海里长度的大气透过率曲线：

红外线遥感在战争中，当敌机飞进我们的阵地时，红外线望远镜早就接收到了由它的发动部分—发动机辐射来的大量红外线，红外线在望远镜的光电变换器中产生了电流，再由电流产生可见光。

于是黑暗中的飞机在镜中就现原形了。

红外线遥控我们每天都用到的电视遥控器也是利用了红外线。

遥控器的前段有一个红外发光二极管，按下不同的键时，它可以发射不同的红外线，来实现电视机的遥控。

三、下面是红外传感器涉及到的几种定理，大概介绍如下：

1、基尔霍夫定律

1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：

在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都是常数。

用一句精练的话表达，即：

“好的吸收体也是好的辐射体”。

ER=αE0

ER——物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能

α——物体的吸收系数

E0——常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能

2、斯忒藩-玻尔兹曼定律

物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为

E=σεT4

T——物体的绝对温度（K）

σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ＝5.67×10-8W/（m2·k）

ε——比辐射率，黑体的ε＝1

3、普朗克定律

绝对温度为T时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐射的能量称为光谱辐射通量密度。

不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为

Mλ=C1λ−5（ec2/λT−1）−1

式中Mλ为黑体对波长为λ的光谱辐射通量密度；

C1、C2为普朗克辐射常数。

4、维恩位移定律

红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即

λm＝2897/T（μm）

图中虚线表示了峰值辐射波长与温度的关系，可以看出，随着温度的升高其峰值波长向短

波方向移动，在温度不太高时，峰值辐射波长位于红外区域。

四、红外探测器：

红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。

红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。

其中，红外探测器是红外传感器的核心器件。

（一）、红外探测器的种类：

红外探测器种类很多，按探测机理的不同，通常可分为两大类：

热探测器和光子探测器。

（1）热探测器

红外线被物体吸收后将转变为热能。

热探测器正是利用了红外辐射的这一热效应。

当热探侧器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升高，使敏感元件的相关物理参数发生变化，通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定探测器所吸收的红外辐射。

热探测器的主要优点是：

响应波段宽，响应范围为整个红外区域，室温下工作，使用方便。

热探测器主要有4种类型：

热敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型。

在这4种类型的探测器中，热释电探测器探测效率最高，频率响应最宽，所以这种传感器发展得比较快，应用范围也最广。

热释电探测器：

在外加电场作用下，电介质中的带电粒子（电子、原子核等）将受到电场力的作用，总体上讲，正电荷趋向于阴极、负电荷趋向于阳极，其结果使电介质的一个表面带正电、相对的表面带负电，把这种现象称为电介质的“电极化”。

对于大多数电介质来说，在电压去除后，极化状态随即消失，但是有一类称为“铁电体”的电介质，在外加电压去除后仍保持着极化状态。

一般，铁电体的极化强度Ps（单位面积上的电荷）与温度有关，温度升高，极化强度降低。

温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度被称为居里点，在居里点以下，极化强度Ps是温度的函数，利用这一关系制成的热敏类探测器称为热释电探测器。

热释电探测器的构造是把敏感元件切成薄片，在研磨成5-50µm的极薄片后，把元件的两个表面做成电极，类似于电容器的构造。

为了保证晶体对红外线的吸收，有时也用黑化以的晶体或在透明电极表面涂上黑色膜。

当红外光照射到已经极化了的铁电薄片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强度（单位面积上的电荷）降低，表面的电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫热释电型传感器。

释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。

如果红外光继续照射，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。

这区别于其他光电类或热敏类探测器，这些探测器在受辐射后都将经过一定的响应时间到达另一个稳定状态，这时输出信号最大。

而热释电探测器则与此相反，在稳定状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度的升降过程中才有输出信号。

热释电型传感器常用于根据人体红外感应实现自动电灯开关、自动水龙头开关、自动门开关等领域。

热释电红外探测模块（HN911）：

如图所示热释电红外探测模块（HN911）：

热点释放传感器，放大器。

信号处理电路，延时电路，高低电平输出电路

平时HN911的输出端1为低电平，2为高电平。

有移动发热体进入监视区时，接收到红外能量、并输出检测信号，经放大、比较等最终使1断高电平，2端为低电平。

此模块的放大器有温度补偿功能，保障整个电路工作的稳定性。

（2）光子探测器

光子探侧器型红外传感器是利用光子效应进行工作的传感器。

所谓光子效应，是当有红外线入射到某些半导体材料上，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状态，引起各种电学现象。

通过测量半导体材料中电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。

光子探测器主要有内光电探测器和外光电探测器两种，外光电探测器分为光电导、光生伏特和光磁电探测器三种类型。

半导体红外传感器广泛的应用于军事领域，如红外制导、响尾蛇空对空及空对地导弹、夜视镜等设备。

光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般工作于低温。

光子探测器和热探测器的主要区别是：

光子探测器在吸收红外能量后，直接产生电效应；热探测器在吸收红外能量后，产生温度变化，从而产生电效应，温度变化引起的电效应与材料特性有关。

光子探测器非常灵敏，其灵敏度依赖于本身温度。

要保持高灵敏度，就必须将光子探测器冷却至较低的温度。

通常采用的冷却剂为液氮。

热探测器一般没有光子探测器那么高的灵敏度，但在室温下也有足够好的性能，因此不需要低温冷却，而且热探测器的响应频段宽，响应范围可扩展到整个红外区域。

5、红外传感器的应用：

1、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4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm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4.26μm附近的吸收波段进行分析。

光源由镍铬丝通电加热发出3～10μm的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。

测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。

红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。

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，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65μm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，这样射入红外探测器的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，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。

如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。

为了消除干扰气体对测量结果的影响。

所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在4～5μm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。

2、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光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。

下图为红外测温仪的结构：

3、量子型红外传感器

（1）PbS红外光敏原件其结构如图所示。

它仙子啊玻璃板受伤制成金电极，然后蒸镀PbS薄膜在引出电极即可。

（2）ZnSb红外光敏元件

其结构如图所示，其结构和具有PN结的光敏二极管相似。

它把杂质Zn等用扩散结渗入N型半导体中形成P层结构的PN结在引出引线即成。

3、高莱气动型传感器：

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膜,它是低热容量的薄膜。

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。

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。

红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜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改变。

这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。

这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。

但响应时间长，结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。

下面是几种红外传感器的应用实物图片：

六、红外传感器使用中应注意的问题：

（1）使用红外传感器时，必须首先注意了解它的性能指标和应用范围，掌握它的使用条件；

（2）选择传感器时要注意它的工作温度。

一般要选择能在室温工作的红外传感器，设备简单，使用方便，成本低廉，便于维护；

（3）适当调整红外传感器的工作点。

一般情况下，传感器有一个最佳工作点。

只有工作在最佳偏流工作点时，红外传感器的信噪比最大。

实际工作点最好稍低于最佳工作点；

（4）选用适当的前置放大器与红外传感器相配合，以获得最佳的探测效果；

（5）调制频率与红外传感器的频率响应相匹配；

（6）传感器的光学部分不能用手去摸、擦，防止损伤与沾污；

（7）传感器存放时注意防潮、防振和防腐蚀。

七、总结

红外传感器在我们的生活中，尤其在社会生产中，有着非常重要的位置。

正因为红外传感器的广泛应用，我们的生活才能够得到巨大的丰富和改善。

然而目前，我们对于在红外传感器上的研究开发还是远远不够的，未来的对于技术的要求是越来越严格，越来越高精度的，所以今后我们让需要投入很大的精力和财力，去研究开发红外传感器这一拥有重要地位的技术产品。

附：

1、传感器技术（红外传感器）———————刘佳，南京信息工程大学

2、红外传感器————————————————传感技术课程组，电子科技大学

3、红外技术的创造性开发———————————英国Dynament公司

4、热释电人体红外线传感器的原理和应用———tdlforever，XX文库

5、一种电控可变波长的多气体红外传感器————韩志刚、尚中锋，电子测量技术-2012年7期

6、基于热释电红外传感器探测距离影响因素的研究————张晔、杨卫，红外与毫米波学报-2010年6期

7、热释电红外传感器原理及其应用———————————孙华、李扬，内江科技-2010年12期

8、红外传感器在速度测量中的应用———————————靳斯佳、李丽宏，电子设计工程-2010年10期