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1、红外线传感器主讲 孙召成 学号 2012031002红外线传感器是利用物体产生红色辐射的特性实现自动检测的传感器红外线又称红外光，它具有反射、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。红外线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。1.1 红外线的基本知识一、红外辐射的基本特点一、红外辐射的基本特点1、是一种不可见光不可见光。波长范围大致在0.751000，相对应频率大致在 HZ之间。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。将各种不同的电磁波按照波长（或频率）排成将
2、各种不同的电磁波按照波长（或频率）排成如图所示的波谱图，称之为如图所示的波谱图，称之为电磁波谱电磁波谱从图中可以看出红外线属于不可见光波的范畴，从图中可以看出红外线属于不可见光波的范畴，波长一般在波长一般在0.76600um0.76600um之间称为红外区之间称为红外区红外区通常分为近红外0.731.5um、中红外1.510um和远红外10um以上，300um以上的区域又称为“亚毫米波”（1）红外辐射的产生红外辐射是有物体的内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程中是物体受热而引起的，只有在绝对零度时，一切物体的分子才会停滞运动。换言之，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
3、电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。他的特点是热效应最大红外线在真空中的传播速度为30万公里/秒，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使他产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律：式中，I为通过介质时的通量；K为与介质性质有关的常数；x为介质的厚度（2）红外辐射的性质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。气体对红外辐射也有不同程度的吸收。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。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。2.2 红外线探测器红外线探测器即
4、为红外线传感器，它是一种能探测红外线的器件。从近代测量技术角度来看，能把红外辐射转换成电量变化的装置，称之为红外探测器。1红外探测器的分类按其工作原理可分为两类：热敏探测器和光子探测器 热敏探测器是利用红外辐射的热效应制成的，它采用热敏元件。热敏探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，相应时间长。热敏探测器的主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相当广泛。热敏探测器的主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器。在外加电场作用下，电介质中的带电粒子在外加电场作用下，电介质中的带电粒子(电子、原子核等电子、原子核等)将受到电场力的作用，
5、总体上讲，正电荷将受到电场力的作用，总体上讲，正电荷趋向于阴极、负电趋向于阴极、负电荷趋向于阳极，其结果使电介质的一个表面荷趋向于阳极，其结果使电介质的一个表面带正电、相对的表带正电、相对的表面带负电，把这种现象称为电介质的面带负电，把这种现象称为电介质的“电极电极化化”。对于大多数电介质来说，在电压去除后对于大多数电介质来说，在电压去除后，极化状态随即消失，但是有一类称为，极化状态随即消失，但是有一类称为“铁铁电体电体”的电介质，在外加电压去除后仍保持的电介质，在外加电压去除后仍保持着极化状态。着极化状态。一般，铁电体的极化强度度一般，铁电体的极化强度度Ps(Ps(单位面单位面积上的电荷积上
6、的电荷)与温度有关，温度升高，极化与温度有关，温度升高，极化强度降低。温度升高到一定程度，极化将突强度降低。温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度被称为居里点，在居里点然消失，这个温度被称为居里点，在居里点以下，极化强度以下，极化强度PsPs是温度的函数，利用这一是温度的函数，利用这一关系制成的热敏类探测器称为热释电探测器。关系制成的热敏类探测器称为热释电探测器。热释电探测器的构造是把敏感元件切成热释电探测器的构造是把敏感元件切成薄片，在研磨成成薄片，在研磨成成5-505-50 m m 的极薄片后，把的极薄片后，把元件的两个表面做成电极，类似于电容器的元件的两个表面做成电极，类似于电容器
7、的构造。为了保证晶体对红外线的吸收，有时构造。为了保证晶体对红外线的吸收，有时也用黑化以的晶体或在透明电极表面涂上黑也用黑化以的晶体或在透明电极表面涂上黑色膜。当红外光照射到已经极化了的铁电薄色膜。当红外光照射到已经极化了的铁电薄片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强度度(单位面积上的电荷单位面积上的电荷)降低，表面的电荷降低，表面的电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫热减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫热释电型传感器。释电型传感器。光子探测器是利用红外辐射的光电效应制成的，它采用光电元件。因此它的响应时间一般比热敏探测器的响应时间短得多。能引起光电
8、效应的辐射存在一个最长的波长限度。由于这类探测器是以光子为单元起作用的，只要光子的能量足够，相同数目的光子基本上具有相同的效果，因此这类探测器常被称为“光子探测器”。光子探测器只要采用光电传感器，分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电伏特元件等几类。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般在低温下工作。飞利浦新开发的光子探测器红外探测器是由光学系统、敏感元件、前置放大器和调制器等组成。按光学系统的结构，红外探测器可分为透射式和反射式两类。透射式光学系统的部件是红外光学材料制成的，根据所用的红外波长选择光学材料。一般测700以上高温用波段在0.763u
9、m的近红外区，可用一般的光学玻璃和石英的材料；测量100700的中温材料时，用波段在35um的中红外区，多数采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料；测100以下低温度时，用波段在514um的中、远红外区，多数采 用锗、硅、热压硫化锌等材料此外还常常需要在镜片表面蒸镀外增投层，一方此外还常常需要在镜片表面蒸镀外增投层，一方面滤去不需要的波段另一方面增大有波段的透过面滤去不需要的波段另一方面增大有波段的透过率。由于红外辐射的透射损失，一般透射系统中率。由于红外辐射的透射损失，一般透射系统中包含的透射在两片以上者极少见的。包含的透射在两片以上者极少见的。（2 2）反射式红外探测器）反射式红外探测器采用反射
10、是光学系统主要是因为获得透射红外波采用反射是光学系统主要是因为获得透射红外波段的光学玻璃材料比较困难，因此反射系统还可段的光学玻璃材料比较困难，因此反射系统还可以做成大口径的镜子。但是在加工方面，反射式以做成大口径的镜子。但是在加工方面，反射式比投射式要困难得多。比投射式要困难得多。反射式光学系统是多凹面玻璃反射镜，其表面镀反射式光学系统是多凹面玻璃反射镜，其表面镀金、铝或镍等对红外波段反射率很高的材料。为金、铝或镍等对红外波段反射率很高的材料。为了减小光学像差或为了使用上的方便，通常再加了减小光学像差或为了使用上的方便，通常再加一次反射镜，使用目标辐射经两次反射聚焦到接一次反射镜，使用目标辐
11、射经两次反射聚焦到接收原件上。收原件上。3.3红外传感器 应用分类红外传感器按其应用可分为以下几个方面：红外传感器按其应用可分为以下几个方面：红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；搜索和跟踪系统，可用于搜索和跟踪红外目标，搜索和跟踪系统，可用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪确定其空间位置并对其运动进行跟踪热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；红外测距和通信系统红外测距和通信系统混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个混合系统，
12、是指以上各类系统中的两个或多个的组合的组合（3）光学接收器光学接收器：接收部分红外辐射并传输给红外传感器。相当：接收部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用的是物镜。于雷达天线，常用的是物镜。（4）辐射调制器辐射调制器：将来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，：将来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并且可以滤除大面积的干扰信号。又称提供目标方位信息，并且可以滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器。调制盘和斩波器。（1）待侧目标待侧目标：具有红外：具有红外辐射特性。辐射特性。（2）大气衰减大气衰减：由于各种：由于各种气体分子以及溶胶粒气体分子以及溶胶粒的散射和吸
13、收，使待的散射和吸收，使待测目标发出的红外辐测目标发出的红外辐射发生衰减。射发生衰减。典型的红外传感系统典型的红外传感系统 问题思考：自动门如何探测人的靠近？问题思考：自动门如何探测人的靠近？热电型红外线传感器由于系检知从物体放射出出来的红外线，所以不必直接接触就能够感知物体表面的温度，故人体检知以及移动中物体的温度当然均能以非接触之方式测得。热电型红外线传感器系接受检知对象物所发出的红外线，因此是被动型请参照图2(a)，由于不是图(b)所示的主动型，所以并不需要校对投光器、受光器 之光轴等烦琐的作业。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。当物体温度低于1000时，他向外辐射
14、的不再是可见光而是红外光，可用红外探测器检测其温度。红外测温仪红外测温仪红外测温仪红外测温仪3.1.13.1.1、红外线测温仪、红外线测温仪、红外线测温仪、红外线测温仪红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形红外测温仪电路比较复杂，包括前置放大器、选频放大、温度补偿、线性化、发射率调节等。目前已经有一种带单片机的智能红外测温仪，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。如图，是目前最常见的红外测温仪结构框图。他是光、机、电一体化的红外测温系统。图中的光学系统是一个固定焦距的透视系统，滤光片一般采用只允许81
15、4um的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射线。红外探测器一般为热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。例例3 3：红外热成像：红外热成像 红外热像仪红外热像仪将红外辐射转换成可见光进行显示，利用物体自将红外辐射转换成可见光进行显示，利用物体自身的红外辐射来摄取物体热辐射图像。它能通过快速扫描，精确身的红外辐射来摄取物体热辐射图像。它能通过快速扫描，精确的摄取反映被测物体温差信息的热图像。的摄取反映被测物体温差信息的热图像。红外辐射传感器红外辐射传感器 热像技术应用热
16、像技术应用：温度分布检测、飞行器表面温度检测、：温度分布检测、飞行器表面温度检测、无损探测、安全生产监控、夜间机场状况检测、海岸线检测、无损探测、安全生产监控、夜间机场状况检测、海岸线检测、临床医学、军事等。临床医学、军事等。红外辐射传感器红外辐射传感器 防爆型红外热像仪防爆型红外热像仪 用于探测地面和井下煤堆自燃温度。用于探测地面和井下煤堆自燃温度。矿用本质安全型红外成像生命探测仪矿用本质安全型红外成像生命探测仪 用于井下人员搜救、探测隐性火区分布、探用于井下人员搜救、探测隐性火区分布、探测瞎炮位置分布、采煤机组与液压支架实时测瞎炮位置分布、采煤机组与液压支架实时工作状态、探测井下各种开关、
17、接头、变压工作状态、探测井下各种开关、接头、变压器的事故隐患、各种电器及传动设备的发热器的事故隐患、各种电器及传动设备的发热状态等。状态等。红外热像仪应用红外热像仪应用 贮存罐液位检测贮存罐液位检测内部屋顶检查内部屋顶检查 微观电路检测微观电路检测 塑料挤压过程塑料挤压过程 温度检测温度检测 红外热像仪应用红外热像仪应用 v1武器热瞄具能直接安装在士兵的各种武器上，能在不利气候环境及各种战场情况：稀疏的树叶、烟、雾及伪装下工作。军事应用军事应用v红外制导是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身辐射的能量来实现寻地制导的技术。红外制导技术是精确制导武器一个十分重要的技术手段。现广泛应用于空空、空地、地
18、空等多方向制导型武器中。3.3.1、红外线气体分析仪红外线气体分析仪 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，图16-3给出了几种气体对红外线的透射光谱，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，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。红外线气体分析仪红外线气体分析仪由红外线辐射光源、气室、红外检测器及电路等部分组成。1-红外线源（可调）红外线源（可调）2-光学过滤器
19、；光学过滤器；3-光束分离器（气体过滤器）光束分离器（气体过滤器）4-旋转电流驱动器旋转电流驱动器 5-斩光器斩光器 6-样气入口样气入口 7-样气室样气室 8-参比气室参比气室 9-样气出口样气出口 10-检测器（左）检测器（左）11-检测器（右）检测器（右）12-微流量传感器微流量传感器 13-光耦合器光耦合器 14-滑动触头（可调）滑动触头（可调）红外气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析。不同的气体的吸收波段不同。给出了几种气体对红外线的透射光谱。红外线气体分析仪的工作原理红外线气体分析仪的工作原理红外线气体分析仪的工作原理红外线气体分析仪的工作原理 用人
20、工的方法制造一个包括被测气体特征吸收峰波长在内的连续光谱辐射源，让这个光谱通过固定长度的含有被测气体的混合组分，在混合组分的气体层中，被测气体的浓度不同，吸收固定波长红外线的能量也不相同，继而转换成的热量也不同。在一个特制的红外检测器中，再将热量转换成温度或压力，测量这个温度和压力，就可以准确地测量被分析气体的浓度。气室包括测量气室、参比气室和滤光气室包括测量气室、参比气室和滤光气室。结构圆筒形，除测量气室有气样进出口之外，参比气室和过滤气室都是密封的，所有气室内壁非常光洁，要求不吸收红外线，不能吸附气体，对气体不起任何化学作用。测量气室长度与浓度成反比。滤光气室封入一定浓度的干扰组分，它的长
21、度由封入干扰组分的浓度决定，有的分析仪不采用滤光气室，而用滤光片将干扰组分特征吸收波长全部滤去，这种结构较简单。工业用气体分析仪由红外辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。光源由镍铬丝通电加热发出310um的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外探测器检测。测量气室中通入被分析气体，参与气室中封入不吸收红外线的气体。红外探测器是薄膜电容型，他有两个吸收气室，冲入被测气体，当他吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。测量时，两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室。被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化也愈大，因此电容变化量反映了被
22、分析气体中被测气体的浓度。该结构中还设置了滤波气室。他是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，就是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体。利用红外探测器检查工件内部的缺陷，也是红外测温的一种应用。而且是一种很巧妙的应用。例如A、B两块金属板焊接在一起，其交界是否焊接良好，有没有漏焊的部位呢？如何在不使部件受任何损伤的情况下进行检测呢？红外测温技术就能完成这样的任务，这就是“红外无损探伤技术”。红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷，对部件结构无任何损伤。例如，检查两块金属板的焊接质量，利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺焊；为了检测金属材料的内部裂缝，也可利用红外探伤仪红外
23、无损探伤仪这些是现在无损探伤技术的仪器、电脑软件及在电脑中的红外无损探伤的显示。红外无损探伤的特点红外无损探伤的特点是加热和探伤设备都比较简是加热和探伤设备都比较简单，能针对各种特殊的需要设计出合适的监测方单，能针对各种特殊的需要设计出合适的监测方案。因案。因 此他的应用此他的应用 范围比较广范围比较广 泛，例如金泛，例如金 属、陶瓷、属、陶瓷、塑料、橡胶、塑料、橡胶、等材料中的等材料中的 裂缝、孔洞、裂缝、孔洞、异物、气泡、异物、气泡、截面变形等截面变形等 各种缺陷的各种缺陷的 探伤，结构的检查，焊接质量的鉴定以及电子器探伤，结构的检查，焊接质量的鉴定以及电子器件和线路的可靠性的检测等，都可以用红外无损件和线路的可靠性的检测等，都可以用红外无损探伤来解决。探伤来解决。