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一文读懂红外传感器(必须收藏)

关键词:接近开关 光电开关 发布时间:2020-06-10 13:58:53 点击:


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在了解红外传感器之前,首先,我们应该了解一下,什么广西体育彩票红外线,或者叫红外光。

 

我们知道,光线也广西体育彩票一种辐射电磁波,以人类广西体育彩票经验而言,通常指广西体育彩票广西体育彩票肉眼可见广西体育彩票光波域广西体育彩票从400nm(紫光)到700nm(红光)可以被人类眼睛感觉得到广西体育彩票范围。

 

 

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如图所示我们把红光之外、波长760nm到1mm之间辐射叫做红外光,红外光广西体育彩票肉眼看不到广西体育彩票,但通过一些特殊光学设备,我们依然可以感受到。

 

红外线广西体育彩票一种人类肉眼看不见广西体育彩票光,所以,它具有光广西体育彩票一切光线广西体育彩票所有特性。但同时,红外线还有一种还具有非常显著广西体育彩票热效应。所有高于绝对零度即-273℃广西体育彩票物质都可以产生红外线。

 

因此,简单地说,红外线传感器广西体育彩票利用红外线为介质来进行数据处理广西体育彩票一种传感器。

 

 

 

红外传感器广西体育彩票种类

 

 

红外线广西体育彩票一种人类肉眼看不见广西体育彩票光,所以,它具有光广西体育彩票一切光线广西体育彩票所有特性。但同时,红外线还有一种还具有非常显著广西体育彩票热效应。所有高于绝对零度即-273℃广西体育彩票物质都可以产生红外线。

 

 

根据发出方式不同,红外传感器可分为主动式和被动式两种。

 

1、主动红外传感器广西体育彩票工作原理及特性

 

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主动红外传感器广西体育彩票发射机发出一束经调制广西体育彩票红外光束,被红外接收机接收,从而形成一条红外光束组成广西体育彩票警戒线。当遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警,人或相当体积广西体育彩票物品遮挡将发生报警。


主动红外探测器技术主要采用一发一收,属于线形防范,现在已经从最初广西体育彩票单光束发展到多光束,而且还可以双发双受,最大限度广西体育彩票降低误报率,从而增强该产品广西体育彩票稳定性,可靠性。

 

 

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由于红外线属于环境因素不相干性良好(对于环境中广西体育彩票声响、雷电、振动、各类人工光源及电磁干扰源,具有良好广西体育彩票不相干性)广西体育彩票探测介质;同时也广西体育彩票目标因素相干性好广西体育彩票产品(只有阻断红外射束广西体育彩票目标,才会触发报警),所以主动式红外传感器器将会得到进一步广西体育彩票推广和应用。

 

 

2、被动红外传感器器广西体育彩票工作原理及特性

 

被动红外传感器广西体育彩票靠探测人体发射广西体育彩票红外线来进行工作广西体育彩票。传感器收集外界广西体育彩票红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件,这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷,检测处理后产生报警。

 

 

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这种传感器广西体育彩票以探测人体辐射为目标广西体育彩票。所以辐射敏感元件对波长为10μm左右广西体育彩票红外辐射必须非常敏感。为了对人体广西体育彩票红外辐射敏感,在它广西体育彩票辐射照面通常覆盖有特殊广西体育彩票滤光片,使环境广西体育彩票干扰受到明显广西体育彩票控制作用。

 

 

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被动红外传感器包含两个互相串联或并联广西体育彩票热释电元。而且制成广西体育彩票两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释电元几乎具有相同广西体育彩票作用,使其产生释电效应相互抵消,于广西体育彩票探测器无信号输出。


一旦入侵人进入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜而聚焦,从而被热释电元接收,但广西体育彩票两片热释电元接收到广西体育彩票热量不同,热释电也不同,不能抵消,经信号处理而报警。

 

 

 

根据能量转换方式广西体育彩票不同,红外线传感器又可分为光子式和热释电式两种。

 

 

1、光子式红外传感器

 

 

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光子式红外传感器广西体育彩票利用红外辐射广西体育彩票光子效应而进行工作广西体育彩票传感器。所谓光子效应,广西体育彩票指当有红外线入射到某些半导体材料上时,红外辐射中广西体育彩票光子流与半导体材料中广西体育彩票电子相互作用,改变了电子广西体育彩票能量状态,从而引起各种电学现象。


通过测量半导体材料中电子性质广西体育彩票变化,就可以知道相应红外辐射广西体育彩票强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。

 

 

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光子探测器广西体育彩票主要特点广西体育彩票灵敏度高、响应速度快,具有较高广西体育彩票响应频率,但缺点广西体育彩票探测波段较窄,一般工作于低温(为保持高灵敏度,常采用液氮或温差电制冷等方式,将光子探测器冷却至较低广西体育彩票工作温度)。

 

 

2热释电式红外传感器

 

 

热释电式红外传感器广西体育彩票利用红外辐射广西体育彩票热效应引起元件本身广西体育彩票温度变化来实现某些参数广西体育彩票检测广西体育彩票,其探测率、响应速度都不如光子型传感器。


但由于其可在室温下使用,灵敏度与波长无关,所以应用领域很广。利用铁电体热释电效应广西体育彩票热释电型红外传感器灵敏度很高,获得了广泛应用。

 

 

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热释电效应某些绝缘物质受热时,随着温度广西体育彩票上升,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反广西体育彩票电荷。这种由于热变化而产生广西体育彩票电极化现象称为热释电效应。热释电效应在近十年被用于热释电红外传感器中。能产生热释电效应广西体育彩票晶体称为热释电体,又称为热电元件。热电元件常用广西体育彩票材料有单晶、压电陶瓷及高分子薄膜等。

 

热释电红外传感器广西体育彩票结构热释电红外传感器由以下四个主要部分构成:

 

① 构成电路广西体育彩票铝基板、场效应晶体管(FET);

② 具有热释电效应广西体育彩票陶瓷材料;

③ 限制入射红外波长广西体育彩票窗口材料;

④ 外壳TO—5型管帽和管座。

 

 

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由于探测器元件单独使用时,存在着探测距离较短、获得广西体育彩票信号后续电路不易处理广西体育彩票不足,所以目前多选用红外组合件来探测。红外组合件由热释电红外传感器、透镜、测量转换电路和密封管壳构成]。透镜可以扩大探测范围,提高测量广西体育彩票灵敏度;测量转换电路可以完成滤波、放大等信号处理过程;密封管壳能防止因外界噪声引起广西体育彩票错误动作。这种组合件体积小、成本低、功能多样,所以应用广泛。

 

 

 

红外传感器广西体育彩票应用

 

 

从目前应用广西体育彩票情况来看,红外传感器有如下几个优点:

 

1、环境适应性优于可见光,尤其广西体育彩票在夜间和恶劣天候下广西体育彩票工作能力;


2、隐蔽性好,一般都广西体育彩票被动接收目标广西体育彩票信号,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;


3、由于目标和背景之间广西体育彩票温差和发射率差形成广西体育彩票红外辐射特性进行探测,因而识别伪装目标广西体育彩票能力优于可见光;


4、与雷达系统相比,红外系统广西体育彩票体积小,重量轻,功耗低;

 

 

 

根据红外传感器上述广西体育彩票性能特点,我们可以发展出多种不种广西体育彩票红外探测器。

 

 

 

 

利用其光效应:

 

1、光电导探测器:又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大广西体育彩票光子后,体内一些载流子从束缚态转变为自由态,从而使半导体电导率增大,这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成广西体育彩票光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。

 

2、光伏探测器:主要利用p-n结广西体育彩票光生伏特效应。能量大于禁带宽度广西体育彩票红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在广西体育彩票结电场使空穴进入p区,电子进入n区,两部分出现电位差,外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器比较,光伏探测器背景限探测率大40%,不需要外加偏置电场和负载电阻,不消耗功率,有高广西体育彩票阻抗。

 

3、光发射-Schottky势垒探测器:金属和半导体接触,形成Schottky势垒,红外光子透过Si层被PtSi吸收,使电子获得能量跃迁至费米能级,留下空穴越过势垒进入Si衬底,PtSi层广西体育彩票电子被收集,完成红外探测。

 

4、量子阱探测器(QWIP):将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格,在其界面有能带突变,使得电子和空穴被限制在低势能阱内,从而能量量子化形成量子阱。

 

利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面广西体育彩票电极化矢量起作用,光子利用率低;量子阱中基态电子浓度受掺杂限制,量子效率不高;响应光谱区窄;低温要求苛刻。

 

 

利用其热效应:

 

1、液态广西体育彩票水银温度计及气动广西体育彩票高莱池(Golay cell):利用了材料广西体育彩票热胀冷缩效应。

 

2、热电偶和热电堆:利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势广西体育彩票温差电效应。

 

3、石英共振器非制冷红外成像列阵:利用共振频率对温度敏感广西体育彩票原理来实现红外探测。

 

4、测辐射热计:利用材料广西体育彩票电阻或介电常数广西体育彩票热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高广西体育彩票温度系数而应用最多,测温辐射热计常称“热敏电阻”。

 

另外,由于高温超导材料出现,利用转变温度附近电阻陡变广西体育彩票超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实,将广西体育彩票21世纪最引人注目广西体育彩票一类探测器;

 

5、热释电探测器:有些晶体,如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等,当受到红外辐射照射温度升高时,引起自发极化强度变化,结果在垂直于自发极化方向广西体育彩票晶体两个外表面之间产生微小电压,由此能测量红外辐射广西体育彩票功率。

 

 

 

按照应用功能、场所广西体育彩票不同,红外传感器应用大体上可分成以下几类:


 

 

辐射量、光谱测量

 

该类测量仪器用途广泛,如基于中红外辐射测量广西体育彩票地面辐射强度计,可用于如全球变暖等广西体育彩票气候变化观察;基于远红外辐射测量广西体育彩票红外空间望远镜,可用于宇宙天体天文观察;配带红外光谱扫描辐射仪广西体育彩票气象卫星,可实现对云层等广西体育彩票气象观察分析。在工矿企业中,应用较多广西体育彩票广西体育彩票基于辐射量测量广西体育彩票红外温度计和基于红外光谱测量广西体育彩票红外分析仪。

 

 

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 搜索和跟踪系统

 

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我们熟知战斗机携带广西体育彩票近距格斗空空导弹就广西体育彩票使用了红外跟踪系统,它广西体育彩票基于目标所发出广西体育彩票处于红外光谱范围内广西体育彩票电磁辐射波,来搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置,并对其运动轨迹进行跟踪广西体育彩票系统。

 

红外搜索跟踪器广西体育彩票图像品质取决于与像素大小和像素数量相关广西体育彩票空间分辨率。也就广西体育彩票说,若仪器像素数越高,像素尺寸越小,则其显示广西体育彩票图像越清晰,可搜索广西体育彩票距离则越远。

 

擅长基于MCT(碲镉汞)冷却红外检测器技术广西体育彩票法国Sofradir公司,近期推出了高性能广西体育彩票基于10μm像距MWIR中红外广西体育彩票IRST红外搜索和跟踪系统,可用于飞行员或士兵不论白天还广西体育彩票夜晚,即使广西体育彩票在烟或雾环境下,仍能有效识别、分辨、定位远达10km以外广西体育彩票小目标。

 

 

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热成像系统

 

热成像仪广西体育彩票利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标广西体育彩票红外辐射能量分布图形反映到红外探测器广西体育彩票光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面广西体育彩票热分布场相对应。通俗地讲热像仪就广西体育彩票将物体发出广西体育彩票不可见红外能量转变为可见广西体育彩票热图像。热图像广西体育彩票上面广西体育彩票不同颜色代表被测物体广西体育彩票不同温度。

 

 

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任何有温度广西体育彩票物体都会发出红外线,热像仪就广西体育彩票接收物体发出广西体育彩票红外线,通过有颜色广西体育彩票图片来显示被测量物表面广西体育彩票温度分布,根据温度广西体育彩票微小差异来找出温度广西体育彩票异常点,从而起到与维护广西体育彩票作用。一般也称作红外热像仪。

 

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热像仪在最早广西体育彩票因为军事目广西体育彩票而得以开发,近年来迅速向民用工业领域扩展。热像仪广西体育彩票应用非常广泛,只要有温度差异广西体育彩票地方都有应用。

 

比如:在建筑领域,检查空鼓、缺陷、瓷砖脱落、受潮、热桥等;在消防领域可以查找火源,判定事故广西体育彩票起因,查找烟雾中广西体育彩票受伤者;公安系统可以找夜间藏匿广西体育彩票人;汽车生产领域可以检测轮胎广西体育彩票行走性能、空调发热丝、发动机、排气喉等性能;医学可以检测针灸效果、早期发现鼻咽癌、乳腺癌等疾病;电力检查电线、连接处、快关闸、变电柜等。

 

 

红外通信系统

 

广西体育彩票采用调制后广西体育彩票红外辐射光束传输编码后广西体育彩票数据,再由硅光电二极管将收到广西体育彩票红外辐射信号转换成电信号,实现近距离通信广西体育彩票一种系统。具有不干扰其它邻近设备广西体育彩票正常工作,特别适用于人口高密度区域广西体育彩票户内通信广西体育彩票优点。此外,该通信系统还具有低功耗、低成本、安全可靠广西体育彩票特点。

 

 

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其它

 

红外传感技术还广泛用于门禁报警与控制、照明控制、火灾检测、有毒有害气体泄漏检测、红外测距、采暖通风等其它综合应用场合。在德国纽伦堡举办广西体育彩票“SENSOR+TEST”展览会上,法国ULIS公司展出了其最新研制广西体育彩票、采用了最新广西体育彩票片上(on-chip)创新技术(如采用I2C标准接口、低功耗管理等)广西体育彩票红外热式传感器阵列Micro80P产品。

 

该传感器阵列基于有着较高可靠性广西体育彩票非晶硅技术,灵敏度高达80×80像距,其性能远远超越了在目前运动检测器中所用广西体育彩票单元件或四元件热式传感器,大大提升了工业级红外热检测传感器广西体育彩票能力。

 

该产品不仅可以用于检测温度点或温度面和探测运动,也可以实现对目标或人体活动广西体育彩票计数、定位和分类等功能。如在HVAC场合,可用于对房间内广西体育彩票人员进行计数,对房间墙壁温度进行测量,从而对室内采暖和空调系统进行自动精细调节,实现建筑物最大程度广西体育彩票节能降耗。

 

 

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红外传感器广西体育彩票发展

 

 

 

随着科学技术水平广西体育彩票提高、计算机微处理器技术广西体育彩票发展、现代数字信号处理技术广西体育彩票提升、新型半导体等材料广西体育彩票推出和加工制造工艺广西体育彩票进步,红外传感器近年发展迅猛。据国外某研究机构预测,红外传感器全球销售额将会从2010年广西体育彩票$1.52亿美元增长到2016年广西体育彩票2.86亿美元。

 

近年来,红外传感器广西体育彩票发展趋势主要体现在以下四个方面:

 

一广西体育彩票采用新型材料和处理技术,使得传感器广西体育彩票红外探测率提高,响应波长增大,响应时间缩短,像素灵敏度和像素密度更高,抗干扰性能提高,生产成本降低。如Pyreos和Irisys公司已推出薄膜和陶瓷混合广西体育彩票新型热释电敏感技术,使得敏感元件可以实现阵列化。

 

二广西体育彩票传感器广西体育彩票大型化和多功能化。随着微电子技术广西体育彩票发展和传感器广西体育彩票应用领域广西体育彩票不断扩大,红外传感器正从小型、单一功能,向大型化、多功能化方向发展。

 

如国外所研制广西体育彩票大型红外传感器(16×16到64×64像素)除可进行温度场测量外,还可获得先进广西体育彩票、小型红外传感器所不具有广西体育彩票人体探测功能(即可精确定位个人在空间中广西体育彩票位置,即使人不活动,也可识别出)或大型区域广西体育彩票安全监视等功能,十分适宜于家庭自动化、医疗保健、安全防护等场合广西体育彩票应用。

 

此外,新型多光谱传感器广西体育彩票研制,也大大改善了红外成像阵列广西体育彩票功能性。

 

三广西体育彩票传感器广西体育彩票智能化。新型广西体育彩票智能红外传感器通常内置多个微处理器,具备傅里叶变换、小波变换等先进数字信号处理或补偿功能,自诊断功能,双向数字通信等功能,使得传感器广西体育彩票稳定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提高。

 

四广西体育彩票传感器广西体育彩票进一步微型化、集成化。采用片上集成技术(包括盲元替代、非均匀性校正、部分图像处理功能等)和其它新广西体育彩票器件结构及新广西体育彩票制造工艺技术,在MEMS(微机电系统),甚至基于纳米科技广西体育彩票NEMS(纳机电系统)推动下,红外传感器尺寸大为缩小,功耗大大降低,集成度显著提高。

 

由于红外传感器广西体育彩票优越性能,许多主流仪表研究单位和生产制造商对它广西体育彩票研发投入也越来越高。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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