《红外传感器》PPT课件.ppt

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1、10.2 红外传感器 10.2.1 工作原理 红外辐射 红外辐射俗称红外线 ， 它是一种不可见光 ， 由于是位于可 见光中红色光以外的光线 ， 故称红外线 。 它的波长范围大致在 0.76 1000 m。 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 。 电磁波谱图 1 0 9 1 0 7 1 0 5 1 0 3 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 2 1 0 3 1 0 4 / m / c m /m 宇 宙 射 线 射 线 X 射 线 红 外 线 微 波 无 线 电 波 紫 外 线 可 见 光 近 红 外 远 红 外 极 远 红 外 0

2、3 6 9 1 2 1 5 1 8 中 红 外 / m 1 0 6 1 0 5 1 0 7 声 波 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 。

3、 10.2.2 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 。 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

4、 ， 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 。 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 。 电 介 质 电 极 电 介 质 的 极 化 与 热 释 电 红 外 光 黑 色 膜 （ a ） 一 般 电 介 质 （ b ） 铁 电 体 电 介 质 的 极 化 矢 量 与 所 加 电 场 的 关 系 sP sPE E 0 0 “ 铁电体 ”

5、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。 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

6、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。 2021/2/22 9 菲涅尔透镜 菲涅尔透镜 热释电晶片 2021/2/22 10 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。 2021/2/22 11 热释电套件 2021/2/22 12 热释电报警器 菲涅尔透镜 设定按钮 高分贝喇叭 2021/2/22 13 热释电报警器（续） 菲涅尔透镜 5mm接 插件 2021/2/22 14 热释电报警器（续） 吸顶式 热释电报警器 热

7、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 2021/2/22 16 热释电感应灯 热释电传 感器 2021/2/22 17 自动感应灯 （参考施特朗公司资料） 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 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

8、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 。 10.2.3 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 。 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 4.65 m附近的 红外线具有很强的吸收能力 ，

9、 CO2气体则发生在 2.78 m和 4.26 m附近以及波长大于 13 m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 4.26 m附近的吸收波段进行分析 。 几种气体对红外线的透射光谱 100 80 60 40 20 0 透射率 / ( % ) 100 80 60 40 20 0 透射率 / ( % ) 100 80 60 40 20 0 透射率 / ( % ) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 / m 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 / m CO CO 2 CH 4 C 2 H 4 C 2 H

10、6 C 2 H 2 2021/2/22 23 3、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。 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。 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 2021/2/22 26 热成像仪的使用 2021/2/22 27 热成像仪的使用 2021/2/22 28 热成像仪的

11、使用 导线端子过热 熔断器过热 2021/2/22 29 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 2021/2/22 30 热成像仪的使用 2021/2/22 31 热成像仪的使用 2021/2/22 32 热成像仪的使用 2021/2/22 33 热成像仪的使用 2021/2/22 34 热成像仪的使用 2021/2/22 35 各种热像 变电站的热像 从热像中可以判断过 热位置 2021/2/22 36 白天的图像与热像的对比 热像 2021/2/22 37 各种输电设备的热像 输电线接头过热 2021/2/22 38 人的 热像 医生 2021/2/22 39 热成像传感器

12、 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 2021/2/22 40 配备热成像传感器的自动步枪 2021/2/22 41 配备热成像传感器的自动步枪 （续） 2021/2/22 42 带热成像传感器的自动步枪（续） 2021/2/22 43 军用热成像传感器的效果 白亮处有一辆坦克 2021/2/22 44 军用热成像传感器的效果（续） 白亮处有一辆坦克 2021/2/22 45 用热像仪判断机械工业产品的质量 2021/2/22 46 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的温度 2021/2/22 47 医疗用的热像仪 （参考广州飒特电力红外技术有限公司资料） 用热像仪判断皮肤肿瘤 的位置及范围 2021/2/22 48 其他热像仪 2021/2/22 49 热像仪的使用及效果 盛有热水的盆