工学红外传感器

工学红外传感器第1页/共50页电磁波谱图第2页/共50页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。第3页/共50页

10.2.2红外探测器红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。第4页/共50页

1.热探测器热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。特点：热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。但与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。第5页/共50页

热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。第6页/共50页

“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）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。输出信号的强弱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，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。第7页/共50页热释电传感器工作原理

热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。第8页/共50页2023/4/29菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片第9页/共50页2023/4/210菲涅尔透镜外形

传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。第10页/共50页2023/4/211热释电套件第11页/共50页2023/4/212热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭第12页/共50页2023/4/213热释电报警器（续）菲涅尔透镜Φ5mm接插件第13页/共50页2023/4/214热释电报警器（续）

吸顶式热释电报警器第14页/共50页热释电传感器应用

热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗。热释电传感器的感应范围第15页/共50页2023/4/216热释电感应灯热释电传感器第16页/共50页2023/4/217自动感应灯

（参考施特朗公司资料）第17页/共50页热释电传感器在智能空调中的应用

智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。

空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。上下范围左右范围第18页/共50页

2.光子探测器光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起光子效应。根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。通过光子探测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。第19页/共50页10.2.3红外传感器的应用1.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1000℃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度。第20页/共50页2.红外线气体分析仪红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26μm附近的吸收波段进行分析。第21页/共50页几种气体对红外线的透射光谱第22页/共50页2023/4/2233、热成像

热成像元件

在中、长波红外探测领域，现在多采用了碲镉汞红外光子探测器。

第23页/共50页红外热像传感器的红外摄像功能

不同的颜色和亮度代表不同的温度

任何物体只要温度高于绝对零度，内部原子就会作无规则运动，并不断地辐射出热红外能量。红外探测器可将物体辐射的红外功率信号转换成电信号，在计算机成像系统的显示屏上，将得到与物体表面热分布相对应的热像图。

第24页/共50页红外热像传感器的红外摄像功能

断指狗手枪钻的发热部位第25页/共50页2023/4/226热成像仪的使用

第26页/共50页2023/4/227热成像仪的使用

第27页/共50页2023/4/228热成像仪的使用

导线端子过热熔断器过热第28页/共50页2023/4/229热成像仪的使用

强电线路的过热红外成像和人眼观察对比第29页/共50页2023/4/230热成像仪的使用

第30页/共50页2023/4/231热成像仪的使用

第31页/共50页2023/4/232热成像仪的使用

第32页/共50页2023/4/233热成像仪的使用

第33页/共50页2023/4/234热成像仪的使用

第34页/共50页2023/4/235各种热像变电站的热像从热像中可以判断过热位置第35页/共50页2023/4/236白天的图像与热像的对比

热像第36页/共50页2023/4/237各种输电设备的热像输电线接头过热第37页/共50页2023/4/238人的热像

医生第38页/共50页2023/4/239热成像传感器

热成像仪能透过烟尘、云雾、小雨及树丛等许多自然或人为的伪装来看清目标。手持式及安装于轻武器上的热成像仪可以让使用者看清800m或更远的人体大小的目标。带夜视仪的自动步枪

第39页/共50页2023/4/240配备热成像传感器的自动步枪第40页/共50页2023/4/241配备热成像传感器的自动步枪（续）第41页/共50页2023/4/242带热成像传感器的自动步枪（续）第42页/共50页2023/4/243军用热成像传感器的效果白亮处有一辆坦克第43页/共50页2023/4/244军用热成像传感器的效果（续）白亮处有一辆坦克第44页/共50页2023/4/245用热像仪判断机械工业产品的质量第45页/共50页2023/4/246用热像仪判断电子产品的工作状态线路板上的各点温度IC