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紅外線傳感器的原理 ?紅外線傳感器有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?

時(shí)間:2022-08-23 18:30:32來(lái)源:21ic電子網(wǎng)

導(dǎo)語(yǔ):?紅外線傳感器是利用紅外線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的一種傳感器,有靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),紅外線傳感器可以控制驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行。紅外線傳感器常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量,氣體成分分析和無(wú)損探傷,在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

  利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱紅外光,它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì),只要它本身具有一定的溫度(高于絕對(duì)零度),都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸,因而不存在摩擦,并且有靈敏度高,反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。

  光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高,電阻發(fā)生變化(這種變化可能是變大也可能是變小,因?yàn)闊崦綦娮杩煞譃檎郎囟认禂?shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻),通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。

  光電檢測(cè)元件常用的是光敏元件,通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。紅外線傳感器常用于對(duì)疾病進(jìn)行診斷治療(見熱像儀);利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對(duì)地球云層進(jìn)行監(jiān)視,可實(shí)現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報(bào);采用紅外線傳感器可檢測(cè)飛機(jī)上正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī) 的過(guò)熱情況等。

  具有紅外傳感器的望遠(yuǎn)鏡可用于軍事行動(dòng),林地戰(zhàn)探測(cè)密林中的敵人,城市戰(zhàn)中探測(cè)墻后面的敵人,以上均利用了紅外線傳感器測(cè)量人體表面溫度從而得知敵人所在地。

  主動(dòng)紅外傳感器的發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束,被紅外接收機(jī)接收,從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當(dāng)遇到樹葉、雨、小動(dòng)物、雪、沙塵、霧遮擋則不應(yīng)報(bào)警,人或相當(dāng)體積的物品遮擋將發(fā)生報(bào)警。主動(dòng)紅外探測(cè)器技術(shù)主要采用一發(fā)一收,屬于線形防范,現(xiàn)在已經(jīng)從最初的單光束發(fā)展到多光束,而且還可以雙發(fā)雙受,最大限度的降低誤報(bào)率,從而增強(qiáng)該產(chǎn)品的穩(wěn)定性,可靠性。

  由于紅外線屬于環(huán)境因素不相干性良好(對(duì)于環(huán)境中的聲響、雷電、振動(dòng)、各類人工光源及電磁干擾源,具有良好的不相干性)的探測(cè)介質(zhì);同時(shí)也是目標(biāo)因素相干性好的產(chǎn)品(只有阻斷紅外射束的目標(biāo),才會(huì)觸發(fā)報(bào)警),所以主動(dòng)式紅外傳感器將會(huì)得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

  首先明確一個(gè)概念,什么是紅外線:在光譜中波長(zhǎng)自0.76至400微米的一段稱為紅外線,紅外線是不可見光線,所有高于絕對(duì)零度(-273.15℃)的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。紅外線感應(yīng)器是通過(guò)紅外線反射原理,當(dāng)人體的某一部分在紅外線區(qū)域內(nèi),紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線由于人體摭擋反射到紅外線接收管,通過(guò)集成線路將信號(hào)發(fā)送給脈沖電磁閥,電磁閥接受信號(hào)后按指定的指令控制閥芯。

  紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路三大部分。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。熱敏檢測(cè)元件中最常見的就是熱敏電阻,熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高,電阻發(fā)生變化,通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。

  此傳感器特別是利用遠(yuǎn)紅外線范圍的感度做為人體檢出用,如圖1所示紅外線的波長(zhǎng)比可見光長(zhǎng)而比電波短。紅外線讓人覺(jué)得只由熱的物體放射出來(lái),可是事實(shí)上不是如此,凡是存在于自然界的物體,如人類、火、冰等等全部都會(huì)射出紅外線,只是其波長(zhǎng)因其物體的溫度而有差異而已。例如圖1 中,人體的體溫約為36~37℃,所放射出峰值為9~10μm的遠(yuǎn)紅外線,另外加熱至400~700℃的物體,可放射出峰值為3~5μm 的中間紅外線。熱電型紅外線傳感器系利用熱電效果,其材料則使用強(qiáng)介質(zhì)陶瓷體 (Dielectric Ceramic),鉭酸鋰(LiTaO3)等單結(jié)晶及PVDF 等有機(jī)材料,

  熱電型紅外線傳感器具有下列幾項(xiàng)特征:

  (1) 由于系檢知從物體放射出出來(lái)的紅外線,所以不必直接接觸就能夠感知物體表面的溫度,故人體檢知以及移動(dòng)中物體的溫度當(dāng)然均能以非接觸之方式測(cè)得。

  (2) 熱電型紅外線傳感器系接受檢知對(duì)象物所發(fā)出的紅外線,因此是被動(dòng)型[請(qǐng)參照?qǐng)D2(a)],由于不是圖(b)所示的主動(dòng)型,所以并不需要校對(duì)投光器、受光器之光軸等煩瑣的作業(yè)。

  熱電型紅外線傳感器系利用熱電效果,其材料則使用強(qiáng)介質(zhì)陶瓷體、鉭酸鋰等單結(jié)晶及PVDF 等有機(jī)材料,熱電型紅外線傳感器具有下列幾項(xiàng)特征:

  (1) 系檢知從物體放射出出來(lái)的紅外線,不必直接接觸就能夠感知物體表面的溫度,所以能以非接觸之方式測(cè)得溫度。

  (2) 熱電型紅外線傳感器系接受檢知對(duì)象物所發(fā)出的紅外線,屬于被動(dòng)型,不需要校對(duì)投光器、受光器之光軸等煩瑣的作業(yè)。

  (3) 熱電效果是溫度變化而產(chǎn)生的,只能接受因溫度變化之能量,而熱電型紅外線傳感器將電壓微分而輸出之。

  感知組件系使用PZT強(qiáng)介質(zhì)陶瓷體,在感知組件施加高壓電而分極之,組件表面顯現(xiàn)的正負(fù)電荷會(huì)和空氣中相反之電荷結(jié)合而呈電氣中和狀。當(dāng)組件的表面溫度變化時(shí),感知組件分極的大小會(huì)隨著溫度變化而變化,因此穩(wěn)定時(shí)之電荷中和狀態(tài)就崩潰,而感知組件表面電荷與吸著雜散電荷的緩和時(shí)間不同,所以會(huì)形成電氣上的不平衡,而產(chǎn)生沒(méi)有配對(duì)的電荷,如圖(b)所示。

  紅外線傳感器常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量,氣體成分分析和無(wú)損探傷,在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如采用紅外線傳感器遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度的熱像圖,利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對(duì)地球云層進(jìn)行監(jiān)視,采用紅外線傳感器可檢測(cè)飛機(jī)上正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)熱情況等。

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