传感器作业

红外传感器应用及发展趋势班级：姓名：________________学号：________________红外传感器应用及发展趋势摘要任何物体只要其温度超过绝对零度就会产生红外辐射，同可见光一样，其辐射能够进行折射和反射，这样便产生了红外技术，利用红外光探测器因其独有的优越性而得到广泛的重视，在最近几十年中发展起来的形成一门新兴技术。

它常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤，在工农业生产、医学、遥感、天文、地质、气象、以及科学研究领域早已广泛应用。

在军事方面，它的应用更为重要，特别在夜视、瞄准、预警、目标探测与武器制导方面，已成为现代战争中不可或缺的技术。

关键字：红外、辐射、传感器、探测正文（一）红外辐射产生及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℃)时，一切物体的分子才会停止运动。

所以在常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。

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c=3×108m／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I=I0*e^(-kx)。

式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0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。

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。

下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率)排成如图1所示的波谱图，称之为电磁波谱。

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0.76—600μm 之间(称为红外区)。

而红外区通常又可分为近红外(0.73～1.5μm)、中红外(1.5一l0μm)和远红外(10μm 以上)，在300μm 以上的区域又称为“亚毫米波”。

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/米(W/㎡)。

如果一个光源表面上的一个发光面积A 在各个方向（在半个空间内）的辐射通量为 Фe ，则该发光面对辐射出射度为 Me = Фe / A 。

辐射功率：单位时间内发射(传输或接受)的辐射能。

单位为(焦耳/秒)。

辐射功率P 的定义表示为0lim t Q Q p t t ∆→∆∂⎛⎫== ⎪∆∂⎝⎭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。

（二）红外传感器的分类及工作原理按照工作原理分：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PN 接合之光电动势效果的量子型。

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。

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△T ，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U 。

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。

图2为热释电红外传感器结构图，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7um 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。

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(LED)、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。

利用此原理设计的红外传感器有槽型光电传感器、对射型光电传感器、反光板型光电传感、扩散反射型光电传感器和光纤式光电传感器，受篇幅限制就不一一介绍了。

（二）红外传感器的应用及发展前景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。

图（4）即为红外线气体分析仪结构原理图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。

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。

如图5为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。

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。

（三）红外传感器的发展前景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，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。

目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5µA，而工作电压只需2～5V。

3、向智能化、数字化发展：随着现代化的发展，红外传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。

目前的红外传感器主要结合外围设备来使用，而内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化,数字通信。

维护简单等各种优点，使其能够单独作为一个模块独立工作。

4、向微型化发展：传感器微型化一个必然趋势。

现在应用中，由于红外传感器的体积问题，导致其使用程度远不如热电隅来的好。

所以红外传感器微型化便携与否对其发展前途的影响是不可忽略的。

总结虽然现阶段的红外传感器还有很多的不足, 但红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用,随着探测设备和其他部分的技术的提高,红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度,也将有更广阔的应用范围。

根据上述要求，红外传感器会随着微电子技术的发展和传感器的应用领域的不断扩大，从单一元件、单一功能向集成化、多功能化方向发展。

另外，由于双色及多色探测器具有较好的抗干扰能力，能获得精确可靠的目标信息，今后这种探测器可能会更加引起人们的关注。

此外红外传感器还趋向于对原有探测器的改进、制作材料的开发、以及向红外焦平面阵列的高密度方面的发展。

我们相信，红外传感器的发展前景会更加广阔，越来越多类型的红外传感器将在科学发展中大展身手。

参考文献何勇，王生泽. 光电传感器设计及其应用.吕慧志，孙晶华. 红外技术.王雪文，张志勇. 传感嚣原理与应用.刘笃仁，韩保军，刘靳.传感器原理及应用技术.。