而红外辐射技术的重要工具就红外传感器.ppt

传感器与检测技术 项目七 项目七光电传感器的应用 光电传感器在转速检测中的应用 热释电红外传感器在报警电路中应用 任务一光电传感器在转速检测中的应用 任务书 某机床上的转轴需要实时检测转速 采用由光电传感器构成的光电转速计检测 通过在被测物体上安装反光带 当被测物体旋转时 当反光带转至光电转速计前方时 光电转速计发出的光线经过反光带发射回光电转速计 得到相应的脉冲输出 通过对脉冲频率进行计算得到对应的转速显示输出 请参考光电转速计的工作原理 构建一个简单的光电转速计用于测量旋转物体的转速 所谓光电效应就是指物体吸收光能后产生的电效应 可分为3类 1 外光电效应 它是指物质在光的照射下发生电子逸出的现象 如光电管 光电倍增管等 2 内光电效应 它是指材料在光的照射下发生电阻率变化的现象 如光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管等 3 光生伏特效应 它是指物体在光的照射下 其内部产生一定电势的现象 如光电池等 一 光电效应 1 光敏电阻光敏电阻 又称为光导管 是一种特殊的电阻 采用半导体材料制作 当受到光照时 光生电子 空穴对增加 阻值减小 电流增大 二 光电元件 光敏电阻的外形 光敏电阻的外形 优点 灵敏度高 工作电流大 光谱响应范围与所测光强范围宽 无极性使用方便 缺点 响应时间长 频率特性差 强光线性差 受温度影响大等 光敏电阻的特点 根据光敏电阻的光谱特性 可分为三种光敏电阻器 1 紫外光敏电阻器 对紫外线较灵敏 用于探测紫外线 2 红外光敏电阻器 广泛用于导弹制导 天文探测 非接触测量 人体病变探测 红外光谱 红外通信等国防 科学研究和工农业生产中 3 可见光光敏电阻器 主要用于各种光电控制系统 如光电自动开关门户 航标灯 路灯和其他照明系统的自动亮灭 自动给水和自动停水装置 机械上的自动保护装置和 位置检测器 极薄零件的厚度检测器 照相机自动曝光装置 光电计数器 烟雾报警器 光电跟踪系统等方面 光敏电阻的分类与用途 2 光敏晶体管光敏晶体管有光敏二极管和光敏三极光两种 与光敏电阻器相比 光敏晶体管具有灵敏度高 高频性能好 可靠性好 体积小 使用方便等优 1 光敏二极管 将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方 光照射到光敏二极管的PN结时 电子 空穴对数量增加 光电流与照度成正比 光敏二极管把光信号转换为电信号 在没有光照时 由于二极管反向偏置 所以反向电流很小 这时的电流称为暗电流 相当于普通二极管的反向饱和漏电流 当光照射在二极管的PN结 上时 在PN结附近产生的电子 空穴对数量也随之增加 光电流也相应增大 光电流与照度成正比 光敏二极管的反向偏置接法 2 光敏三极管光敏三极管有两个PN结 与普通三极管相似 有电流增益 灵敏度比光敏二极管高 多数光敏三极管的基极没有引出线 只有正负 c e 两个引脚 所以其外型与光敏二极管相似 从外观上很难区别 光敏三极管的外形 光敏晶体管的应用1 光敏二极管的光照特性线性较好 适合做检测元件 2 光敏三极管在照度小时 光电流随照度增加而较小 且在大电流时有饱和现象 因此 光敏三极管不适于弱光或者强光的检测 应用于光纤通信 红外线遥控器 光电耦合器 控制伺服电机转速的检测 光电读出装置等场合 3 光耦合器光耦合器是以光为媒介传输电信号的一种转换器件 能够实现 电 光 电 的转换 它由发光源和受光器组成 常见的发光源为发光二极管 受光器为光敏二极管或者光敏三极管 光耦合器的应用光耦合器种类繁多 应用广泛 主要应用于逻辑电路 固体开关 触发电路 脉冲放大电路 线性电路及特殊场合 4 光电池光电池是根据光生伏特效应工作的 是一种自发式的光电元件 它受到光照射时能产生一定方向的电动势 只要接通外电路 便有电流通过 应用最广泛的是硅光电池 光电池的外形 光电池既可以作为电源 又可以作为光电检测器件 作为电源使用的光电池 主要是直接把太阳的辐射能转换为电能 成为太阳电池 太阳电池不需要燃料 没有运动部件 也不排放气体 具有重量轻 性能稳定 光电转换率高 使用寿命长 不产生污染等优点 在航天技术 气象观测 工农业生产乃至人们的日常生活等方面都得到广泛的应用 太阳能发电 光电池在航天上的应用 1 认识本任务中的传感器 gk1013 三 光电传感器测量直流电机转速 2 光电传感器测速原理 转动源上的直流电机带动转动盘旋转 转动盘边缘均匀12个小孔 其中6个孔是空的 6个孔是塞入磁钢的 并且空孔和磁钢间隔分布 当空孔经过光电传感器下方时 光电传感器的发光元件发出的光线经过空孔 被光电接受元件接收 输出电压较高 高电平 当磁钢经过光电传感器时 光电传感器的发光元件发出的光线被磁钢挡住 光电接受元件没有接收光线 输出电压较低 低电平 这样形成一个脉冲信号 转动盘转动一圈 共输出六个脉冲信号 将脉冲信号送入频率 转速计计数显示 转速与脉冲信号频率之间的关系 n 60f Z 1 根据下图所示 光电元件已经安装在转动源实验模块的的传感器支架上 2 将 5V电源接到转动源实验模块上 光电 输入的电源端 光电 输出接到频率 转速表 将频率 转速表选择测量转速 3 打开实验台电源 选择不同电源 4V 6V 8V 10V 12V 6V 16V 8V 20V 10V 24V驱动转动源实验模块上的直流电机 可以观察到转动源转速的变化 待转速稳定后在表中记录相应驱动电压下得到的转速值 也可用示波器观测光耦输出的脉冲波形 声光双控LED系统 拓展与训练 传感器与检测技术 项目七 项目七光电传感器的应用 光电传感器在转速检测中的应用 热释电红外传感器在报警电路中应用 任务二热释电红外传感器在报警电路中的应用 任务书 在现代的住宅 企业的安保体系中 必不可缺的一部分就是一旦布防区域内有入侵行为 马上产生报警信号 通常具有这类功能的报警器采用的是红外报警器 红外报警器分为主动红外报警器和被动红外报警器 如图7 19所示为被动红外报警器 主要是根据外界红外辐射的变化来判断是否有人在移动 利用红外热释电传感器构成一个被动红外报警电路 达到一旦有人入侵时 立即报警的效果 红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种 由德国科学家霍胥尔于1800年发现 又称为红外热辐射 他将太阳光用三棱镜分解开 在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计 试图测量各种颜色的光的加热效应 结果发现 位于红光外侧的那支温度计升温最快 因此得到结论 太阳光谱中 红光的外侧必定存在看不见的光线 这就是红外线 可以当作传输之媒界 红外线可分为三部分 近红外线 波长为0 75 1 50 m之间 中红外线 波长为1 50 6 0 m之间 远红外线 波长为6 0 l000 m之间 一 红外线及其应用 太阳光谱 红外线的物理特性 热效应 穿透云雾的能力强热效应及应用 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 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 红外线照相机 红外热像仪 红外报警器 红外线烤箱 红外透视望远镜 红外水平仪 红外线灯 红外遥控器 红外摄像头 红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术 它在科技 国防 和工农业生产等领域得到广泛的应用 特别是在科学研究 军事工程和医学方面起着极其重要的作用 例如在红外制导火箭 红外成像 红外遥感等 而红外辐射技术的重要工具就红外传感器 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 尤其是在实现远距离温度监测与控制方面 红外温度传感器以其优异的性能 满足了多方面的要求 因而在产品传感器大显身手的地方 因此红外传感器的发展前景也是不可估量的 二 红外传感器概述 1 红外传感器的分类 按功能分 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 是指以上各类系统中的两个或者多个的组合 按探测机理分 光量子探测器 基于光电效应 和热探测器 基于热效应 2 红外传感器工作原理 1 待测目标根据待测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 又称调制盘和斩波器 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 主要是由一种高热电系数的材料的探测元件 在每个探测器内装入一个或两个探测元件 并将两个探测元件以反极性串联 以抑制由于自身温度升高而产生的干扰 由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号 经装在探头内的场效应管放大后向外输出 为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离 一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜 该透镜用透明塑料制成 将透镜的上 下两部分各分成若干等份 制成一种具有特殊光学系统的透镜 它和放大电路相配合 可将信号放大70分贝以上 这样就可以测出10 20米范围内人的行动 三 热释电红外红传感器 探测器 热释电效应 一些陶瓷材料具有自发极化 如铁电晶体 的特征 且其自发极化的大小在温度有稍许变化时有很大的变化 在温度长时间恒定时由自发极化产生的表面极化电荷数目一定 它吸附空气中的电荷达到平衡 并与吸附的存在于空气中的符号相反的电荷产生中和 若温度因吸收红外光而升高 则极化强度会减小 使单位面积上极化电荷相应减少 释放一定量的吸附电荷 若与一个电阻连成回路会形成电流I 则电阻上可以产生一定的电压降 这种因温度变化引起自发极化值变化的现象称为热释电效应 能产生热释电效应的晶体称为热释电体 又称为热电元件 热电元件常用的材料有单晶 LiTaO3等 压电陶瓷 PZT等 及高分子薄膜 PVF2等 热释电传感器结构 滤光片为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度 在该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片 这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外 还能将灯光 阳光和其它红外辐射拒之门外 场效应晶体管 FET 场效应晶体管 FET 简称场效应管 由多数载流子参与导电 也称为单极型晶体管 它属于电压控制型半导体器件 根据三极管的原理开发出的新一代放大元件 有3个极性 栅极 漏极 源极 它的特点是栅极的内阻极高 采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧 属于电压控制型器件 其作用是放大信号 工作原理首先射到窗口的光线会被滤光片过滤 红外光穿过会照到热释电材料上 引起热释电效应 产生电荷 结构上的场效应管的目的在于完成阻抗变换 由于热电元输出的是电荷信号 并不能直接使用 因而需要用电阻将其转换为电压形式 完成形成控制输出 1 本任务所需设备 技能训练 热释电红外传感器在报警电路中的应用 2 热释电红外线报警电路的工作原理 当人体在热释电红外传感器检测区域中移动时通过菲涅尔透镜将人体辐射出的10 m红外线不断的进入 盲区 和 可见区 使传感器的敏感元件输出一个又一个断续