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红外线传感器 机械115班张全成2011071261 问题思考 自动门如何探测人的靠近 红外线的基本知识 红外线传感器是利用物体产生红色辐射的特性实现自动检测的传感器红外线又称红外光 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 红外线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 一 红外辐射的基本特点 1 是一种不可见光 波长范围大致在0 75 1000 相对应频率大致在HZ之间 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分 即近红外 中红外 远红外和极远红外 2 红外辐射的物理本质是热辐射 一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的 物体的温度越高 辐射出来的红外线越多 辐射能量就越强 自然界中的任何物体 只要温度在绝对零度以上 都有红外线向周围空间辐射 光谱中最大光热效应区 3 具有反射 折射 散射 干涉 吸收等特性 它在真空中也以光速传播 具有明显的波粒二相性 4 大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带 红外线在通过大气层时 有三个波段透过率高 它们是2 2 6 m 3 5 m和8 14 m 统称它们为 大气窗口 这三个波段对红外探测技术特别重要 因此红外探测器 如遥感探测 一般都工作在这三个波段 大气窗口 之内 二 红外辐射的性质 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 气体对红外辐射也有不同程度的吸收 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 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 红外辐射的基本定律 1 希尔霍夫定律一个物体向周围辐射能量的同时 也吸收周围物体的辐射能 希尔霍夫定律指物体的辐射发射量Er和吸收率 之比与物体的性质无关 总等于同一温度下绝对黑体的辐射能量 Er 物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能 物体对辐射能的吸收系数 E0 等价于黑体在相同温度时辐射的能量 为常数 黑体 能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体 是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体 吸收本领与波长和温度无关 即 1 加热后 发射热辐射与比任何物体都大 镜体 能全部反射红外辐射的物体 透明体 能全部透过红外辐射的物体 灰体 能部分反射或吸收红外辐射的物体 四 红外传感器 用红外线作为检测媒介 来测量某些非电量 这样的传感器叫做红外传感器 与用可见光作为媒介的检测方法相比 红外传感器具有以下几方面的优点 1 可昼夜测量 2 不必设光源 3 适用于遥感技术 四 1热释电型红外传感器 由于热释电型红外传感器的输入阻抗极高 非常容易引入噪声 因此最好能够对它进行电学屏蔽 在采用金属封装的情况下 因为外壳接地 所以本身就可以作为屏蔽使用 而在塑料封装的情况下 则需要有另外的屏蔽方法 热释电型红外传感器使用注意事项 由于热释电型红外传感器的输入阻抗极高 非常容易引入噪声 因此最好能够对它进行电学屏蔽 在采用金属封装的情况下 因为外壳接地 所以本身就可以作为屏蔽使用 而在塑料封装的情况下 则需要有另外的屏蔽方法 1 内接线 2 氧化膜 3 FZT组件 4 铝件 5 接脚 6 场效应晶体管EFT 7 空洞图7 12热释电型红外传感组件的基本结构 图为 热释电型红外传感组件的等效电路 4 2 红外探测器的组成 红外探测器由光学系统 敏感元件 前置放大器 信号调制器组成 光学系统是其重要组成部分 根据光学系统的结构分为反射式和透射式两种 1 反射式红外探测器 1 浸没透镜2 敏感元件3 前置放大器4 聚乙烯薄膜5 次反射镜6 主反射镜 2 透射式红外探测器 1 光谱2 保护窗口3 光栅4 透镜5 浸没透镜6 敏感元件7 前置放大器 五 红外传感器应用 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 当物体温度低于1000 时 他向外辐射的不再是可见光而是红外光 可用红外探测器检测其温度 如图 是目前最常见的红外测温仪结构框图 他是光 机 电一体化的红外测温系统 图中的光学系统是一个固定焦距的透视系统 滤光片一般采用只允许8 14um的红外辐射能通过的材料 步进电机带动调制盘转动 将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射线 红外探测器一般为热释电探测器 透镜的焦点落在其光敏面上 被测目标的红外通过透镜聚焦在红外探测器上 红外探测器将红外辐射变换为电信号输出 红外测温仪电路比较复杂 包括前置放大器 选频放大 温度补偿 线性化 发射率调节等 目前已经有一种带单片机的智能红外测温仪 利用单片机与软件的功能 大大简化了硬件电路 提高了仪表的稳定性 可靠性和准确性 红外测温仪的光学系统可以是透射式 也可以是反射式 红外线气体分析仪 红外气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析 不同的气体的吸收波段不同 3 红外无损探伤仪 4 工业用红外线气体分析仪 1 光源2 抛物体反射镜3 同步电动机4 切光片5 滤波气室6 参比室7 测量室8 红外探测器9 放大器 利用红外探测器检查工件内部的缺陷 也是红外测温的一种应用 而且是一种很巧妙的应用 例如A B两块金属板焊接在一起 其交界是否焊接良好 有没有漏焊的部位呢 如何在不使部件受任何损伤的情况下进行检测呢 红外测温技术就能完成这样的任务 这就是 红外无损探伤技术 红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷 对部件结构无任何损伤 例如 检查两块金属板的焊接质量 利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺焊 为了检测金属材料的内部裂缝 也可利用红外探伤仪 红外无损探伤 这些是现在无损探伤技术的仪器 电脑软件及在电脑中的红外无损探伤的显示 红外无损探伤的特点是加热和探伤设备都比较简单