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1、红外传感器的应用2022/11/291第1页，本讲稿共28页 红外辐射的产生及其性质红外辐射的产生及其性质 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。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。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=3108ms，而在介质中传播时，由于介质的吸收和
2、散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律 （9-2-1）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。金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为15m，814m之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂
3、质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。2022/11/292第2页，本讲稿共28页红外线传感器的类型红外线传感器的类型 能能把把红红外外辐辐射射转转换换成成电电量量变变化化的的装装置置，称称为为红红外外传传感感器器，主主要要有有热热敏敏型型和和光光电电型型两大类。两大类。热热敏敏型型是是利利用用红红外外辐辐射射的的热热效效应应制制成成的的，其其核核心心是是热热敏敏元元件件。由于热敏元件的响应时间长，一般在毫秒数量级以上。另外，在加热过程中，不管什么波长的红外线，只要
4、功率相同，其加热效果也是相同的，假如热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话，那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应，所以称其为“无选择性红外传感器”。这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类。光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件。光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件。因此它的响应时间一般比热敏型短得多，最短的可达到毫微秒数量级。此外，要使物体内部的电子改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足够大，它的频率必须大于某一值，也就是必须高于截止频率。由于这类传感器以光子为单元起作用，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，
5、因此常常称其为“光子探测器”。这类传感器主要有红外二极管、三极管等。红外线传感器的应用红外线传感器的应用-红外温度计红外温度计 2022/11/293第3页，本讲稿共28页1.1.红外线辐射温度计：红外线辐射温度计：红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303030003000，中间分成若干个不同的规格，可根据，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。需要选择适合的型号。红
6、外测温仪工作原理-红外测温仪由光学系统，光电探测器，信号大器及信号处理.显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。2022/11/294第4页，本讲稿共28页红外测温仪光路系统1次镜；2主镜；3目镜系统；4锗单晶滤光片；5机械调制片；6光电元件（热电阻、热电堆、光电池等）红外测温仪光路系统2022/11/295第5页，本讲稿共28页在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900C，其误差不得超过50C，否则会影响锻件的质量，所以控制锻件的温度是一关键问题。以往的办法是由工人目测温度，看
7、到差不多了，把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，可以测量出工件的温度，如图所示。当锻件加热到900C时，红外探测器便输出电信号，启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工。这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生产自动化。市售红外测温仪是非接触式数字显示仪表，它利用被测物的热辐射来确定物体温度，测温范围600以上。测量距离是根据被测物目标大小来确定的，被测物目标越大，测量距离越远。测量误差小于量程上限的1%。测温仪由传感器（探头）和仪器箱两部分组成，中间由五芯屏蔽电缆线连接。红外感温器(探头)是一个典型的红外测温
8、传感器，它的探测元件是硅光电池，工作波段为0.651.1m，感温器之间具有互换性。仪器箱(电子信号处理器)具有十分完备的功能，除了辐射系数修正、线性化处理两种必备的功能外，它尚有平均值、峰值、轧钢测温、超量程报警等八种功能可供用户选择采用。HBW-B型仪表广泛用于冶金、机械等各种场合和陶瓷、玻璃等各种材料。对响应速度快、运动物体、高温、高压等不能应用接触式(如热电偶)测温仪表的场合尤其有效。2022/11/296第6页，本讲稿共28页红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准2022/11/297第7页，本讲稿共28页红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 红外
9、线辐射温度计红外线辐射温度计用于食品温度测量用于食品温度测量2022/11/298第8页，本讲稿共28页红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪2022/11/299第9页，本讲稿共28页红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量2022/11/2910第10页，本讲稿共28页 红外线辐射温度计在红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用非接触温度测量中的应用集成集成IC 温度测量温度测量2022/11/2911第11页，本讲稿共28页 红外线辐射温度计在非接触温度红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）测量中的应用
10、（续）利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）2022/11/2912第12页，本讲稿共28页红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）用（续）利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内物（电控柜、天花板内的布线层）的布线层）温度温度 采集系统采集系统2022/11/2913第13页，本讲稿共28页2.2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如
11、防盗它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。热释电元件外形热释电元件外形 2022/11/2914第14页，本讲稿共28页热释电传感器简介热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体
12、已广泛用于释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等用；摄影机或数码照相机自动记录动物
13、或人的活动等等 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。新产品。或自动化控制装置。2022/11/2915第15页，本讲稿共28页热释电传感器工作原理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棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜菲涅尔透镜，每一透镜单元都，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、第二单视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，
14、晶片上的两个反向串联的热释元透镜的视场，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，它是人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。2022/11/2916第16页，本讲稿共28页热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理n菲涅耳菲涅耳(Fresnel)透镜系统透镜系统n菲涅尔透镜菲涅尔透镜(Fresnel lens)是由有机玻璃注压而成的薄是由有机玻璃注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用
15、光的干涉根据相对灵敏度和接收心圆，它的纹理是利用光的干涉根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度一般在必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度一般在 1mm 左右，左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远 n菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释电红菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释电红外信号折射（反射）在外信号折射（反射）在PIR（被动红外线探测器）上，（被动红外线探测器）上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使第二个作用是将探测区
16、域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上上产生变化热释电红外信号。产生变化热释电红外信号。2022/11/2917第17页，本讲稿共28页热释电传感器的内部电路热释电传感器的内部电路热释电晶片热释电晶片场效应管场效应管2022/11/2918第18页，本讲稿共28页菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔透传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，而加上该透镜后，其检测距离可增加其检测距离可增加3倍倍以上。以上。2022/11/2919第19页，本讲稿共28页菲涅尔透镜菲
17、涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片2022/11/2920第20页，本讲稿共28页热释电套件热释电套件2022/11/2921第21页，本讲稿共28页热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭2022/11/2922第22页，本讲稿共28页热释电报警器（续）热释电报警器（续）菲涅尔透镜菲涅尔透镜 5mm接插件接插件2022/11/2923第23页，本讲稿共28页热释电报警器（续）热释电报警器（续）吸顶式吸顶式 热释电报警器热释电报警器2022/11/2924第24页，本讲稿共28页热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传感热释电传感器用于自
18、动亮灯，器用于自动亮灯，当然也可以用于当然也可以用于防盗防盗热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围2022/11/2925第25页，本讲稿共28页热释电感应灯热释电感应灯热释电热释电传感器传感器2022/11/2926第26页，本讲稿共28页自动感应灯自动感应灯2022/11/2927第27页，本讲稿共28页热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在智能空调中的应用 智能空调能检测出屋智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。以达到节能的目的。空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做空调中，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范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。动着。上上下下范范围围左右范围左右范围2022/11/2928第28页，本讲稿共28页