红外传感器工作原理共15页

长江工程职业技术学院自动化教研室
8）红外探测器按其敏感元件可以分成两大类即“热探 测器”和“光电探测器”。热探测器对各种波长都有 响应，光电探测器只对它的长波限以下的一段波长区 间有响应，热探测器工作时不需要冷却，光电探测器 则多数需要冷却，热探测器的响应度一般低于光电探 测器，响应时间一般比光电探测器长，热探测器的性 能与器件尺寸、形状及工艺等有关，因此需要十分讲 究工艺，产品规格常不易稳定。
红外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。
长江工程职业技术学院自动化教研室
例如，采用红外传感器远距离测量人体表面温度的热 像仪；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 器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展 而形成的一门崭新的传感技术。由于光纤传感器具有 高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、体积小等优点，使用范 围广泛。
（2）红外辐射的基本定律
① 希尔霍夫定律。希尔霍夫定律指出一个物体向周围 辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个 物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于 它的吸收本领，这就是希尔霍夫定律。可用下式表示
Er E0
（6-8）
式中 Er——物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能；
自动结
红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传 感器。红外线具有反射、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。
热释电晶体同时又是压电晶体，那么热释电晶体必 定具有压电性，但是压电晶体却未必都有热释电效 应。
长江工程职业技术学院自动化教研室
热释电效应形成原理：
由于热释电晶体内部具有自发极化，因此，在与自发 极化强度垂直的晶体的两个表面上出现符号不同的面 束缚电荷。面束缚电荷密度等于自发极化强度PS，但 平时这些面束缚电荷常常被晶体内部和外部的自由电 荷所中和，因此对外显示中性，不能在静态条件下测 量自发极化。只有当晶体经受一定频率的温度变化时， 自发极化强度PS发生变化，其体内的自由电荷和外部 的杂散电荷来不及中和变化着的面束缚电荷时才能测 出自发极化。
ε——比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值， 黑体的ε =1；
T——物体的绝对温度。
即物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次 方成正比，并与ε成正比。物体温度越高，其表面所 辐射的能量就越大。
长江工程职业技术学院自动化教研室
③ 维恩位移定律。热辐射发射的电磁波中包含着各种
波长。实验证明，物体峰值辐射波长与物体自身的绝
9）红外线：波长780—106nm
波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线
波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
长江工程职业技术学院自动化教研室
9）红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
长江工程职业技术学院自动化教研室
α ——该物体对辐射能的吸收系数；
E0——等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是常数。
长江工程职业技术学院自动化教研室
② 斯忒藩—玻尔兹曼定律。物体温度越高，它辐射出 来的能量越大。可用下面公式表示
E T 4
（6-9）
式中 E——某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能 量；
σ——斯忒藩—玻尔兹曼常数（=5.6697×10-12W/cm2K4）；
对温度成反比。即
分谱辐射出射度
m
2897 T
(m)
（6-10）
从图6-35所示曲线 可知，峰值辐射波 长随温度升高向短 波方向偏移。当温 度不很高时，峰值 辐射波长在红外区 域。
图6-35 峰值辐射波长与温度的关系曲线
长江工程职业技术学院自动化教研室
2．热释电型红外传感器
热探测器探测红外辐射的基本原理包含两个主要过程。 第一个过程是热探测器吸收红外辐射能量后温度随之 升高，随着入射辐射功率的变化，元件的温度也要发 生相应的变化；第二个过程是利用元件的某种温度敏 感特性，把辐射能引起的温度变化转换成相应的电信 号。 热释电晶体具有自发的电极化，自发电极化强度与 温度有关，晶体的这种性质被称为热释电效应。
4)气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的 红外光存在不同的吸长江收工程带职业；技术学院自动化教研室
5)自然界中任何物体，只要其温度在热力学绝对零度 之上，总是在不断地发射红外辐射； 6)红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热 能强度也不一样 ，例如，黑体、镜体、透明体和灰体 将产生不同的光热效应； 7）许多非电量能够影响和改变红外光的特性。利用红 外敏感元件测得红外光的变化，进而可以确定待测非 电量。凡是能感受红外辐射量并转变成另一种便于测 量的物理量的器件称为红外敏感元件，在红外技术领 域里习惯叫红外探测器。
一、红外传感器概述
1．红外辐射的基本知识
（1）红外辐射的基本特点
1)红外辐射就是红外光，红外光的最大特点就是具有 光热效应，能辐射热量，红外光是一种不可见光；
2)红外光与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、 干涉、吸收等性质；
3)红外光在介质中传播会产生衰减，红外光在金属中 传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一 些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大；
热释电效应形成原理示意图
长江工程职业技术学院自动化教研室
任务1 自动水龙头电路的设计 任务1分析 自动水龙头电路具有人或物体靠近时，自动产生控制 信号控制电磁阀得电吸合，自动放水的功能 。 自动水龙头电路原理如图6-42所示
图6-42 自动水龙头电路原理图
长江工程职业技术学院自动化教研室
任务1设计 自动水龙头开关电路采用发射—接收光电对管的方式。 当有人手或物体接近自动水龙头时，红外线发射头发 出的红外线光经人手或物体反射到接收头，接收头接 收到反射的光信号，转换为电信号经放大、整形，提 取出人体接近的信号，经过驱动电路控制电磁阀动作 打开水源。当人手或物体离开后，延迟几秒后可自动 关闭，使用非常方便。