传感器技术(红外传感器).ppt

传感器技术,任课教师：刘佳Telmail：liujia,红外传感器,红外辐射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0.76-1000m之间，对应的频率大致在4104至31011Hz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。,信息与控制学院仪器系,2,红外传感器,红外辐射,信息与控制学院仪器系,3,红外传感器,红外辐射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。,信息与控制学院仪器系,4,红外传感器,红外辐射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。,信息与控制学院仪器系,5,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物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能物体的吸收系数E0常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能,红外传感器,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T物体的绝对温度(K)斯忒藩-玻耳兹曼常数，5.6710-8W/(m2k4)比辐射率，黑体的1,红外传感器,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式中为黑体对波长为的光谱辐射通量密度；为普朗克辐射常数。,红外传感器,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m与物体自身的绝对温度T成反比，即m2897/T(m),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。,红外传感器,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。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。,信息与控制学院仪器系,10,红外传感器,红外探测器（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。,信息与控制学院仪器系,11,红外传感器,红外探测器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”。,信息与控制学院仪器系,12,红外传感器,红外探测器热释电探测器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。,信息与控制学院仪器系,13,红外传感器,红外探测器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5-50m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。,信息与控制学院仪器系,14,红外传感器,红外探测器热释电探测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。,信息与控制学院仪器系,15,红外传感器,红外探测器热释电探测器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。,信息与控制学院仪器系,16,红外传感器,红外探测器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。,信息与控制学院仪器系,17,红外传感器,红外探测器光子探测器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。,信息与控制学院仪器系,18,红外传感器,红外探测器光子探测器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。,信息与控制学院仪器系,19,红外传感器,红外传感器的应用红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量。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其运动进行跟踪。热成像系统：能形成整个目标的红外辐射分布图像。红外测距系统：实现物体间距离的测量。通信系统：红外线通信作为无线通信的一种方式。,信息与控制学院仪器系,20,红外传感器,被动式人体移动检测仪,信息与控制学院仪器系,21,红外传感器,被动式人体移动检测仪在被动红外探测器中有两个关键性的元件：热释电红外传感器。它能将波长为8-12m之间的红外信号转变为电信号，并对自然界中的白光信号具有抑制作用。菲涅尔透镜。菲涅尔透镜有两个作用：一是聚焦作用，即将热释的红外信号透射或反射在热释电红外传感器上；二是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化的热释电红外信号，这样传感器就能产生变化的电信号。实验证明，传感器若不加菲涅尔透镜，其检测距离将小于2m，而加上该光学透镜后，其检测距离可大于7m。,信息与控制学院仪器系,22,红外传感器,被动式人体移动检测仪被动式人体移动检测仪的工作原理是：当有人进人传感器监测范围时，传感器监测范围内温度有T的变化，热释电效应导致在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。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。由于热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，则传感器无输出。当人体进人检测区，通过菲涅尔透镜，热释电红外传感器就能感应到人体温度与背景温度的差异信号T，则有相应的输出；若人体进人检测区后不动，则温度没有变化，传感器也就没有输出。因此，被动式人体移动检测仪的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。,信息与控制学院仪器系,23,红外传感器,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,信息与控制学院仪器系,24,红外传感器,信息与控制学院仪器系,25,红外传感器,红外线辐射温度计外形,信息与控制学院仪器系,26,红外传感器,信息与控制学院仪器系,27,红外传感器,信息与控制学院仪器系,28,红外传感器,信息与控制学院仪器系,29,红外传感器,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电元件外形,信息与控制学院仪器系,30,红外传感器,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,信息与控制学院仪器系,31,红外传感器,热释电感应灯,热释电传感器,红外夜视仪红外夜视仪是一种利用红外成像技术达到