红外线传感器及其应用.

1、红外线传感器及其应用 摘要：红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。 因其在 使用测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且具有灵敏度高，响应快等优点， 并根据其工作原理研究出了红外探测仪、红外测温仪、夜视仪、红外无损探伤仪等等，广泛 应用于医学、军事、空间技术和环境工程等领域。 传感器技术是探测与获取外界的重要手段， 在当代科学技术中占有十分重要 的地位。随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要 构成因素，被视为90年代的关键技术之一受到普遍重视，其应用几乎渗透到每 一个角落。由于利用某一原理可以做出检测各种不同对象的传感器，而对于同一 物

2、理量又可以用很多不同原理的传感器来检测，故而传感器种类繁杂。正是这么 众多的传感器来检测，反映出传感器在当今科学技术中活跃的程度。 深入研究传 感器的原理和应用，对于社会生产、 经济交往、科学技术和日常生活中自动测量 和自动控制的发展，以及人类观测研究自然的深度和广度都有重要的实际意义。 现在，所有以计算机为基础的测控系统，都需要传感器提供赖以做出实时决 策的数据。随着系统的自动化程度和复杂性的增加，对传感器的精度、可靠性和 响应，要求的越来越高。而许多传统的传感器，在使用上已经很难再做进一步改 善来满足对他们的高要求，特别是在缩小体积、减轻重量等方面几乎已无潜力可 挖。因此，近些年来，国际上

3、在传感器技术方面，开展了许多探索性的预研工作， 也出现了越来越多不同种类和功用的传感器，如温度传感器、生物传感器、智能 传感器等等。但是，在这些用途广泛的传感器中，红外线传感器的作用和地位不 容小觑。 红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，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。红外线传感器 是利用物体产生红外辐射的特性， 实现自动检测的传感器。红外传感系统是用红 外线为介质的测量系统，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。 在

4、物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电 磁波，它们之间的差别只是波长（或频率）的不同而已。 人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76卩m紫光的波长范围为0.380.46 卩m比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。红外线 属于不可见光波的范畴，它的波长一般在 0.76 600卩m之间（称为红外区）。而 红外区通常又可分为近红外（0.731.5卩m）、中红外（1.5 一 10卩m）和远红外（10 卩m以上），在300卩m以上的区域又称为“亚毫米波”。 最广义地来说，传感器是一种能把

5、物理量或化学量转变成便于利用的电信号 的器件，红外传感器就是其中的一种。近年来， 红外辐射技术已成为一门发展迅 速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。下面结 合几个实例，简单介绍一下红外线传感器的应用。 一、红外辐射的产生及其性质 红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。 这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16 C)时，一切物体 的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之, 在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、 飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线

6、和所有的电磁波一样，具有反 射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真 空中传播的速度c=3X108m)/ s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作 用使它产生衰减。 金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线； 大多数 的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm) 的水对红外线的透明度很小，当厚度达到Icm时，水对红外线几乎完全不透明了； 气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气 (含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、 甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为 15卩m, 814卩m之间的红外线 是比较透明的，对其他波长

7、的透明度就差了。 而介质的不均匀，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，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上 根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。 二、红外传感器的组成与分类 1、组成： 红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。 2、分类： 光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分 为热敏检测元件和光电检测元件。 热敏元件应用最多的是热敏电阻。 热敏电阻受 到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化， 通过转换电路变成电信号输出。 光电 检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、

8、砷化铟、砷化锑、碲镉汞 三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。 (1) 红外线传感器依动作可分为： 1) 将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。 2) 利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN接合之光电动势效 果的量子型。热型的现象俗称为焦热效应。 (2) 按照功能能够分成五类： 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象； 4) 红外测距和通信系统； 5) 混合系统，是指以各类系统中的两个或者多个的组合。 三、红外传感器主要物理量

9、 (1)响应率 所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比。 Uo r P 式中r 响应率(V/W) ； U0 输出电压(V) ； P 红外辐射功率(W)。 (2) 响应波长范围 图1。弓光电探测器分谱啊应I11J线 红外探测器的响应率与 入射辐射的波长有一定的关 系，如右图所示。曲线为热 敏探测器的特性。热敏红外探 测器响应率r与波长入无关。 光电探测器的分谱响应如图 中线所示。 巾对应响应峰值rp, rp /2于 对应为截止波长入。 (3) 噪声等效功率(NEP) 若投射到探测器上的红外 辐射功率所产生的输出电压 正好等于探测器本身的噪声 电压，这个辐射功率就叫做噪声等效

10、功率(NEP)。噪声等效功率是一个可测量的 量。 设入射辐射的功率为P,测得的输出电压为U0,然后除去辐射源，测得探测 器的噪声电压为UN，则按比例计算，要使U0= UN，的辐射功率为 NEP罟=山 Uor 探测率U? 经过分析，发现NEP与检测元件的面积S和放大器带宽 f乘积的平方根成 正比，比例系数的倒数称为探测率 D*。即 D* 竺 r Sf (cm.Hz/W) NEP Un D*实质上就是当探测器的敏感元件具有单位面积、放大器的带宽为lHz时的 辐射所获得的信噪比。 (5)响应时间 红外探测器的响应时间就是加入或去掉辐射源的响应速度响应时间，而且加 入或去掉辐射源的响应速度响应时间相等

11、。红外探测器的响应时间是比较短的。 四、红外传感器工作原理： (1) 待侧目标。根据待侧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

12、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 呈现出来的电学效应。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、显象管、 红外感光材料、指示仪器和记录仪等。 五、红外线传感器的成就： 1 红外探测器： 红外系统的核心是红外探测器，按照探测

13、的机理的不同，可以分为热探测器 和光子探测器两大类。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后 引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能 的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。 当元件接 收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。 红外探测器由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成，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。 （b 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 .无线红外传感器 无线红外传感器又名无线红外探测器，无

14、线智能幕帘 /广角红外探测器采用美国 军用红外传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控 制，自动温度补偿，微电流省耗，无误报，无漏报，探测距离远，工作稳定，性 能可靠，外形精巧，美观大方。机内设置电源外拨开关，外出设防可以接通电源， 达到更加省电的效果。 它是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接收范围内活动时，探测器输出 报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。 它是目前可靠性较高的产品，红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用 处理IC。高频发射部分采用最新声表面（SAW）稳频技术，配合成熟的外围电 路，使得产品具有红外探测灵敏度好、误报率低、高频发射频率稳定

15、、发射功率 大的特点。 幕帘/广角型探头工作原理：红外幕帘/广角型探头的防范区域是以其透镜始 点，向前散发120度，长12米的圆锥形的探测区域，在这区域内，只要是热能 动物在区域内活动，其散发的红外热能将被吸收。 3 热电型红外线传感器 热电型红外线传感器系接受检知对象物所发出的红外线，因此是被动型请 参照图2（a），由于不是图（b）所示的主动型，所以并不需要校对投光器、受光 器 之光轴等烦琐的作业。 f红外线 （a）被动型（b）主动型 图2人体检知的方法 4 .红外测温仪 此设备由红外传感器和显示报警系统两部分 组成，它们之间通过专用的五芯电缆连接。安装 时将红外传感器用支架固定在通道旁边或

16、大门旁 边等地方，使得被测人与红外传感器之间的距离 相距35CM。在其旁边摆放一张桌子，放置显示 报警系统。 只要被测人在指定位置站立1秒钟以上，红外 快速检测仪就可准确测量出旅客体温。一旦受测 者体温超过38 C,测温仪的红灯就会闪亮，同 时发出蜂鸣声提醒检查人员。 如图是目前最常见 的红外测温仪结构框 图。它是光、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814um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

17、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。 红外温度快速检测仪为在人流量较大的公共场所降低非典的扩散和传播提 供快速、非接触测量手段，可广泛用于机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、 写字楼、学校等人流量较大的公共场所，对体温超过38 C 的人员进行有效筛 选。 5热释红外线传器 热释红外线传器主要由高

18、热电系数的锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、 硫酸三甘 钛等配合滤光镜片窗口组成它能以非接触形式检测出物体放射出来的红外线能 量变化，并将其转换成电信号输出。 被动式热释电红外探头的工作原理及特性： 一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的 红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作 的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源 上。红外感应源通常采用热释电元件， 这种元件在接收到人体红外辐射温度发生 变化时就会失去电荷平衡， 向外释放电荷， 电后续电路经检验处理后即可产生报 警信号。 （1）这种探头是以探测人体辐

19、射为目标的。 所以热释电元件对波长为10UM左 右的红外辐射必须非常敏感。 （2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感， 在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼 尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 （3）被动红外探头， 其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。 而且制成 的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作 用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 （4）一旦人侵入探测区域内， 人体红外辐射通过部分镜面聚焦， 并被热释电元 接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号 处理而报警。 （5）菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同

20、的焦距（感应距离），从而产 生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 在电子防盗、人体探测器领域中， 被动式热释电红外探测器的应用非常广泛， 因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 6. 红外温度检测系统 自然界一切温度高于绝对零度（-273.15 C）的物体，由于分子的热运动， 都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波， 其辐射能量密度与物体 本身的温度关系符合普朗克（Plank）定律。人体主要辐射波长在 910卩m的红 外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量， 便能准确地测定人体表面温度。 由 于该波长范围内的光线不被空气所吸收， 因而可利用人体辐射的红外能量精

21、确地 测量人体表面温度。人体的红外辐射特性与它的表面温度有着十分密切的关系，因此，通过对人体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。 红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1秒钟以内可测试完毕。由于它只 接收人体对外发射的红外辐射，没有任何其它物理和化学因素作用于人体， 所以 对人体无任何害处。 7 夜视仪 红外夜视仪是利用光电转换技术的 军用夜视仪器。它分为主动式和被动式两 种：前者用红外探照灯照射目标，接收反 射的红外辐射形成图像；红外夜视仪不是 利用目标自身发射的红外辐射来获得目标 的信息，而是靠红外探照灯发射的红外辐 射去“照明”目标，并接收目标反射的红 外线来侦察和显

22、示目标，所以，又被称为 “主动式红外夜视仪”。 后者不发射红外线，依靠目标自身的 红外辐射形成“热图像”，故称为“热像仪” 热像仪又被称作“被动式红外夜视仪”，它本身不发出红外辐射，只接收目标的 红外辐射，并转换成人眼可见的红外图象，图象反映了目标各部分的红外辐射强 度。 如今，这种夜视功能也早被应用在摄影机中，并且有了快速的发展。索尼数 码摄像机首创了红外线夜视摄影功能， 能够使摄像机在全黑环境下进行拍摄， 甚 至连肉眼也不能分辨清楚的物体， 现在也可以清晰地拍摄下来。这种夜视的特点 是可以在完全没有光线的条件下进行拍摄，但由于采用的是红外摄影，无法进行 彩色的还原，所以拍摄出来的画面是单色

23、的，影像会变绿。不久之后，索尼又推 出了拥有超级红外线夜视摄功能的数码摄像机， 红外线功能的慢速快门为2段选 择，超级红外线夜摄功能的慢速快门为自动调节，可以获得更好的影像效果。譬 如说，在美国空袭伊拉克时，伊拉克首都大部分地区都处于停电状态， 这时除了 防空曳光弹和导弹爆炸引起的火光以外就只有月光或星光照明，能见度极差。我 们在电视新闻上看到的从现场传回来的录像片的画面都呈现绿色，说明电视记者 在拍摄时使用了红外线夜视仪，导致影像是绿色的，但是如果不使用红外摄像技 术，那么我们从电视画面上将只能听到声音，而看不到任何影像。 需要注意的：因为红外线夜视摄影仪的前提是数码摄像机能发出人们肉眼看

24、不到的红外光线去照亮被拍摄的物体， 所以说它的拍摄距离是有一定限制的， 如 果摄像机发出的红外线到达不了要拍摄的物体，那么当然就什么也拍不到了。 8 红外气体分析仪 外线气体分析仪，是利用红外线进行气体分析它基于待分析组分的浓度不 同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同，动片薄膜两 边所受的压力不同，从而产生一个电容检测器的电信号 这样，就可间接测量出待 分析组分的浓度根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进 行分析。例如，二氧化碳对于波长为 2.7 ym 4.33卩山和14.5卩山红外光吸收相当 强烈，并且吸收谱相当的宽，即存在吸收带。根据实验分析，只有4.

25、33 吸收 带不受大气中其他成分影响，因此可以利用这个吸收带来判别大气中的C02的 含量。 9 .红外无损探伤仪 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。 六、红外传感器的应用： 红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、 军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。 1、在医学上的应用： 采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，应用电路：人体 焦耳式体温感测 O+12V 20K 焦耳式体温传感器由于静电效应输

26、出阻抗很高，因此基板之一侧连接一FET 作为阻抗匹配的电压随耦器，工作时需加直流于D极和S极。当人体接近感知器 时，在源极（S）端感应一脉冲信号，送至运算放大器做一正向放大器。调整 VR1MD，可改变输出的放大倍数。 可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗；例：人体热释电红外 传感器和应用介绍被动式热释电红外探头的工作原理及特性：一般人体都有恒定 的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10UM 左右的红外线，被动式红外 探头就是靠探测人体发射的 10UM 左右的红外线而进行工作的。 2、在空间技术上的应用： 利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视， 可实现大范围的天气 预报；采用红外线传感器可检测飞机上