红外传感器分类工作原理及发展应用前景

1、一、红外传感器概述将红外辐射能转换成电能的光敏元件称为红外传感器，也常称为红外探测器。 红外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。 在物理学中， 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，其中红外线又称 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。红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它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

2、。（一）红外辐射的产生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（-273.16C ）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3X 108m/ 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。红 外线的衰减遵循如下规律0*e（）。式中

3、，I为通过厚度为x的介质后的通量；10为射到 介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。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 1（）的水对 红外线的透明度很小，当厚度达到时，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叩，814pm之间的红外线是比较透明的，对其 他波长的透明度就差了。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。我们已经知

4、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。下面是将各种不同的电磁波按照波长（或频率）1 mio_s io'1 io io-1 io io2 itr idIII排成如图1所示的波谱图，称之为电磁波谱。厂了旳TIIIIII 宇當肘執甘鋼X肘釦州见红外绞I勰ft II Ii餌珂丨 I远红外极远垃外1£21图1电磁波谱图从图中可以看出，红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在0.76600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（1.510 卩m）和远红外（10卩m以上），在300卩m以上的

5、区域又称为“亚毫米波”。这里所说的 远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离而言。（二）红外辐射的性质1、辐射出射度简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通量，其中单位波长间隔内 的辐射出射度称光谱辐出度；某一特定波长的辐射出射度称为单色辐射出射度。单 色辐射出射度多用在科学理论研究中，单一频率的波由于能量很少，实际测量和应 用过程中很难探测到，所以如辐射测温仪等都是测定一定范围波长内的辐射出射度。辐射出射度：单位时间内离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射出射度，即辐射出射度的单位为瓦咪2（ m2） o如果一个光源表面上的一个发光面积 A在各个方向（在

6、半个空间内）的辐射通 量为 e，则该发光面对辐射出射度为=e / A。物体的辐射出射度可由斯忒藩-波尔兹曼定律得到。积分量为物体的分谱辐射通 量密度。&为物体的比辐射度。此处强调 出”字。如果是指投射到物体表面的辐射， 则必须用辐照度来表示。2、辐射功率辐射功率就是单位时间内发射(传输或接受)的辐射能。单位为瓦(焦耳/秒)。辐射功率P的定义表示为3、红外辐射基本规律(1) 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。(2) 气体对红外辐射也有不同程度的吸收。(3) 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。(4) 实践证明，温度越低的物体辐射

7、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) 红外传感器的分类红外传感器的种类很多，按照不同的机制可以分成不同的类别：1、按照功能分：(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，可产生整个目标的红外辐射的分布图像；(4) 红外测距和通信系统；(5) 混合系统，是指以各类系统中两个或多个的组合。2、按照工作原理分：(1)将红外线一部分变换成热，藉热取出电阻值变化和电动势等输出信号之热型；利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因接合之光电动势

8、效果的量子型。二、红外传感器的工作原理上一节我们说过红外传感器按照工作原理可以分成两类：热释电红外线传感器和红外光电传感器，现分别进行介绍。（一） 热释电红外线传感器1、热释电效应若某些强介电质物质的表面发生变化 , 随着温度的上升或下降 , 在这些物质表 面上就会产生电荷的变化 , 这种现象称为热释电效应 , 是热电效应的一种。这种现 象在钛酸钡之类的强介电材料上表现的特别明显。热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释 电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有 红外线间歇地照射，其表面温度上升厶T,其晶体内部的原子排列将产生变化，引

9、起 自发极化电荷，在上下电极之间产生电压 U。常用的热释电红外线光敏元件的材料 有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。另外, 需指出的是 , 热释电效应产生的电荷不是永存的 ,只要它出现 , 很快会 被空气中的单个离子所结合。因此 , 用热释电效应制成的红外传感器 , 往往在它的 元件前面加机械式的周期遮光装置 , 以使此电荷周期地出现 , 只有测移动物体时可 不用。2、热释电传感器的构造热释电红外线传感器是利用材料自发极化随温度变化的特征来探测红外线辐射的传感器，采用双灵敏元设计，抑制环境温度变化产生的干扰，提高了传感器的工 作稳定性。图 2 为热释电红外传感器结

10、构图 . 热释电红外传感器主要由外壳、 滤光片、热释 电元件、结型场效应管、电阻等组成。其中，场效应管起到阻抗变换的作用，而窗 口处的滤光片是为滤去无用的红外线，让有用的红外线进入窗口。在防盗报警系统 所采用热释电传感器的滤光片为 7 的滤光片，该滤光片能很好地让人体辐射的红外 线通过而阻止其它射线通过，以免引起干扰。并且，在防盗报警系统所采用热释电 传感器为双元型红外传感器，双元型传感器由两个有极性的敏感元件反向串联，这样由于环境的影响而使整个晶片发生温度变化时，极性相反的敏感元件产生的热释 电信号相互抵消，可以有效的防止因太阳光等红外线及环境温度变化而引起的误差。图2 热释电红外线传感器结

11、构和等效电路因为探测器元件自身在使用时有探测距离短，而且后电路不容易使用的弱点， 所以，目前销售一种红外组合件。红外组合件由热释电传感器、扩大探测范围、增 高灵敏度的透镜、电放大、信号处理系统用的后电路、防止因外界噪声引起的错误 动作使用的密封管壳（仅多功能组合件）构成。这种构型小型化且有多种功能。3、热释电传感器的基本原理实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件 组成，在元件两个表面做成电极。在环境温度有厶 T的变化时，由于有热释电效应， 在两个电极上会产生电荷 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。

12、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，即当环境温度稳定不变时，0,则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生 T,则有 T输出; 若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感 器也称为人体运动传感器。由实验证明，传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜），其检测距离小于2m而加上光学透镜后，其检测距离可增加到 10m左右。热释电红外传感器是一种具有极化现象的热晶体或称为“铁电体”，铁电体的极化强度（单位面积的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片 表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于

13、释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负 载电阻上便产生一个电信号输出，输出信号的大小取决于薄片温度变化的快慢，从 而反映出入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电红外传感器的电压响应率正比 于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电红外传感器上时，传感器 没有电信号输出，只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须 对红外辐射进行交变辐射，不断地引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生， 并输出交变的信号。（二）红外光电传感器1、红外光电传感器的基本原理红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变 化转换成光信号的

14、变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传 感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路，如图 3所示：图3红外光电传感器组成发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源， 发光二极管（）、 激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有 光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和 光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够 使光束准确地从反射板中返回，具有实用意

15、义。它可以在与光轴0到25的范围改变 发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。2、红外光电传感器的分类和工作方式槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光 器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽 中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载 电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只 有几厘米。对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光 器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开

16、关。它的检测距 离可达几米乃至几十米。 使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧， 检测物通过时阻挡光路，收光器就动作输出一个开关控制信号。反光板型光电传感器把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原 理完成光电控制作用的称为反光板反射式 ( 或反射镜反射式 ) 光电开关。正常情况下， 发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器 收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。扩散反射型光电传感器它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况 下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把

17、光部分反射 回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。(5) 光纤式光电传感器 光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光 纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也 可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。红外光电传感器除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉 等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要 敏感器件。光电测量时不与被测对象直接接触 ,光束的质量又近似为零 ,在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，红外光电传感器比其 他传感器有明显的优越性

18、。三、红外传感器的应用及发展前景（一）红外传感器的应用由于红外温度传感器实现了无接触测温、远距离测量高温等功能，而且具有较 高的灵敏度，因些在现在各行业中得到了广泛的应用。1、红外气体分析仪红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卩m 4.33卩m和14.5卩m红外光吸收相当强烈，并 且吸收谱相当的宽，即存在吸收

19、带。根据实验分析，只有4.33卩m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2的含量。从图4中可以看出，气体对波长为4.65卩m附近的红外线具有很强的吸收能力，2气体则发生在2.78 卩m和4.26卩m附近以及波长大于13卩m的范围对红外线有较强的吸收能力。如 分析气体，则可以利用4.26卩m附近的吸收波段进行分析。1一|_1戶L 一X-11co,4 11V*r*r”4 ir、一11/1*J1CJ%如图5所示，光源由镍铬丝通电加热发出 310卩m的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通 入被分析气体，参比气室中封入不

20、吸收红外线的气体（如N2等）。红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体 温度升高，导致室内压力增大。tlk泞JI:,:图5红外线气体分析以结构原理图测量时（如分析气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比 气室，由于测量气室中含有一定量的气体，该气体对4.65卩m的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的 红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向 定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容c。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的

21、变化量也愈大，因此电容变化量反映了 被分析气体中被测气体的浓度。为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红 外线波段有部分重叠的气体，如气体和2在45卩m波段内红外吸收光谱有部分重 叠，则2的存在对分析气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边 各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与 2气体对应的红外线吸收波段的 能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如）的浓度 有关。2、红外测温仪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的。当物体的温度低于1000C时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温

22、度。如图6为非接触激光红外测温仪的原理框图起世AWWi-zWfrjM/W'光业门則昇ma糧处攪机片左唏山AI|/kZ图6非接触激光红外测温仪的原理框图红外测温仪一般用于探测目标的红外辐射和测定其辐射强度，确定目标的温度。采用分理出所需波段的滤光片，可使仪器工作在任意红外波段。常见的红外测温仪 的组成如图7所示。它的光学系统是一个固定焦距的透射系统，物镜一般为锗透镜， 有效通光口径即作为系统的孔径光栏。滤光片一般采用只允许814卩m的红外辐射能通过的材料。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，安装时保证其光敏面 落在透镜的焦点上。步进电机带动调制盘转动对入射的红外辐射进行斩光，将恒定

23、或缓变的红外辐射变换为交变辐射。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测 器上，变换为电信号输出，经过前置放大器进行阻抗转换及信号放大，最后送入信 号处理器进行处理。除了采用这种透射式结构外，还可以采用反射式的光学系统。 透射式光学系统的透镜式用红外光学材料制造的，根据红外波长选择光学材料。3、红外探测器红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。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

24、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。4、红外成像许多场合下， 不仅需要知道物体表面的平均温度， 还需要了解物体的温度分布情 况，以便分析、研究物体结构，探测物体内部情况，因此需要采用红外成像技术， 将物体的温度分布以图像形式直观的表示出来。 常用的红外成像器件有红外变像管、 红外摄像管及红外电荷耦合器件，可以组成各种形式的红外摄像仪，图 2 所示是一 种热成像的工作原理。热成像的光学系统为全折射式。 物镜材料为单晶硅， 通过更换物镜可对不同距离 和大小的物体扫描成像。光学系统中垂直扫描和水平扫描均采用具有高折射串的多 面平行棱镜

25、，扫描棱镜由电动机带动旋转，扫描速度和相位由扫描触发器、脉冲发 生器和有关控制电路控制。前置放大器的红外探测器输出的微弱信号送入前置放大器，以抵消目标温度随 环境温度变化引起的测量值的误差。前置放大器的增益可通过调整反馈电路进行控 制。前置放大器的输出信号， 经视频放大器放大， 再去控制显像管屏上射线的强弱。 由于红外探测器输出的信号大小与其所接收的辐照度成比例，因而显像荧屏上射线 的强弱也随探测器所接受的辐照度成比例变化。（二）红外传感器的发展前景近年来，红外传感器正向着微型化、高精度、高可靠性、低功耗、智能化、数 字化发展。 这不仅促进了传统产业的改造， 而且可导致建立新型工业， 是 21

26、世纪新 的经济增长点。红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量，气体成分分析，无 损探伤，热像检测，红外遥测以及军事目标的侦察，搜索，跟踪和通信等。红外传 感器的应用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔，其发展趋势如下：1、向高可靠性发展： 红外传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能， 研 制高可靠性的红外传感器将是永久性的方向。在医学上，人体体温测试方面，红外 传感器因测量的快速性而得到了相当的应用，但局限于其准确度不高而没办法取代 现有的体温测量方法。 因此，红外传感器高灵敏度及高性是其未来发展的必然趋势。2、向微功耗及无源化发展： 红外传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离 不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电， 开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既