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1、传感器与检测技术传感器与检测技术项目教程项目教程学习单元一光电效应和光电器件学习单元二CCD图像传感器学习单元三红外传感器 学习单元四光纤传感器学习单元五光敏传感器的其他应用模块五模块五 光敏传感器光敏传感器模块五模块五 光敏传感器光敏传感器模块导读模块导读光敏传感器的种类繁多，主要有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。模块五模块五 光敏传感器光敏传感器模块导读模块导读光敏传感器不局限于对光的探测，还可以作为探测元件组成其他传感器，
2、对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光敏传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量检测技术中占有非常重要的地位。本模块针对常见的光敏传感器进行教学，使学生掌握光敏传感器的工作原理和测量方法。模块五模块五 光敏传感器光敏传感器光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器。光敏传感器主要应用于太阳能草坪灯、光控小夜灯、照相机、监控器、光控玩具、声光控开关、摄像头、防盗钱包、光控音乐盒、生日音乐蜡烛、音乐杯、人体感应灯、人体感应开关等电子产品光自动控制领域。光敏传感器中最简单的电子器件是光敏电阻，它能感应光线的明暗变化，输出微弱的电信号，通过简
3、单电子线路放大处理，可以控制LED灯具的自动开关。对于远程的照明灯具，如街灯、庭院灯、草坪灯等，都可经济而简单地实现节能自动控制。模块五模块五 光敏传感器光敏传感器太阳能路灯本身就是利用太阳光发电、储能的LED照明灯具，它不需要电网供电，也就无须架设成本不菲的输电线路，因此使用光敏传感器可以实现极低成本、自动开启关闭的节能管理。常见的光敏传感器如图51所示。图51 常见的光敏传感器学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件 光电效应一、一、光可以被看成是由具有一定能量的光子所组成的，而每个光子所具有的能量E与其频率成正比。光射到物体上就可以看成是一连串具有能量E的光子轰击到物体
4、。所谓光电效应，就是指由于物体吸收了能量为E的光子后所产生的电效应。光电式传感器是将光信号转换成电量的一种变换器，其工作的理论基础就是光电效应。从传感器本身来看，光电效应可以分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件外光电效应外光电效应1.在光线作用下，使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，或称光电发射效应。下面简要介绍外光电效应产生的物理过程。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件根据爱因斯坦的假说，一个光子的能量只能给一个电子。所以，如果一个电子要从物体表面逸出，必须使传递给电子能量的光子本身的能量E大于电
5、子从物体表面的逸出功A，这时，逸出表面的电子可称为光电子。光电子逸出物体表面时，具有的初始动能与光的频率有关，频率越高则动能越大。而不同材料具有不同的逸出功，因此对某种特定的材料而言将有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论它有多强，也不能激发电子。当入射光的频率高于此频率限时，不论它有多弱，也会使被照射的物质激发出电子。当入射光的频谱成分不变时，发射的光电子数正比于光强，即光强越大，入射光子数目越多，逸出的电子数也越多。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件内光电效应内光电效应2.在光的照射下材料的电阻率发生改变的现象称为内光电效应，或称光电导效应。内光电效应的物
6、理过程是：光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带进入导带，使材料中导带的电子和价带的空穴浓度增大，从而使电导率增大。显然，材料的光电导性能决定于禁带宽度，光子能量hv应大于禁带宽度。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光生伏特效应光生伏特效应3.光射到半导体PN结后，能使PN结产生一定方向的电动势，或使PN结的光电流增加的现象称为光生伏特效应，或称PN结的光电效应。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电管光电管1.光电器件二、二、光电管是一种具有悠久历史的光传感器。它是一个装有光电阴极和阳极的真
7、空玻璃管，其种类有很多种，如图5-2所示。图5-2（a）中，光电阴极是在玻璃管内壁涂上阴极涂料构成的；图5-2（b）中，光电阴极是在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成的。图5-2 光电管的结构学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电管的光照特性是指光电管两端所加电压不变时，光能量与光电流之间的关系。如图5-3所示，对于氧铯阴极的光电管，I与成线性关系；但对于锑铯阴极的光电管，当光通量较大时，I与成非线性关系。图5-3 光电管的光照特性学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电管的光谱特性主要取决于光电阴极的材料。不同的阴极材料对同一种波长的光有不
8、同的灵敏度；同一种阴极材料对不同波长的光也具有不同的灵敏度。这可用光谱特性来描述。光谱特性又称频谱特性，图5-4所示为光电管的光谱特性。图5-4 光电管的光谱特性学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，光电流与光电管两端的电压关系。如图5-5所示，在不同的光通量照射下，伏安特性是几条相似的曲线。当极间电压高于50 V时，光电流开始饱和，所有的光电子都达到了阳极。真空光电管一般工作于饱和部分，内阻高达几百兆欧。图5-5 光电管的伏安特性学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电倍增管光电倍增管2.在光照很弱时，光电管
9、所产生的光电流很小，为了提高灵敏度，常应用光电倍增管，其积分灵敏度可达每流明几安培。光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，光电倍增管的结构如图5-6所示。图5-6 光电倍增管的结构学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料，光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极，在每个倍增极间均依次增大加速电压。光电倍增管的主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪声小；缺点是结构复杂，工作电压高，体积大。它是电流放大元件，具有
10、较高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。其倍增率为n，其中为单极倍增率，大小一般为36；n为倍增极数，一般为414。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光敏电阻光敏电阻3.光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应
11、和光电器件在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照越强，阻值越低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带
12、内载流子数目的多少。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光敏电阻根据其光谱特性，可分为以下三种：（1）紫外光敏电阻。紫外光敏电阻对紫外线较灵敏，包括硫化镉光敏电阻、硒化镉光敏电阻等，用于探测紫外线。（2）红外光敏电阻。红外光敏电阻主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。（3）可见光光敏电阻。可见光光敏电阻包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌等光敏电阻，如图5-7所示为硫化镉光敏电阻的结构和符号。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和
13、光电器件光敏电阻主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门窗，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和位置检测器，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。图5-7 硫化镉光敏电阻的结构和符号1光导层；2玻璃窗口；3金属外壳；4电极；5陶瓷绝缘玻璃；6绝缘玻璃；7电极引线 学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电池光电池4.光电池是一种利用光生伏特效应把光直接转换成电能的半导体光电器件，如图5-8所示。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，那么P型区每吸收一个光子就产
14、生一对自由电子和空穴，电子和空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图5-8 硅光电池原理图学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。由于光电池广泛用于把太阳能直接变成电能，因此又称为太阳能电池。通常，把光电池的半导体材料的名称放在光电池（或太阳能电池）名称之前以示区别，如硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、锗光电池等。光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8 m附近，硒光电池波长在0.5 m附近。硅光电池
15、的光谱响应波长为0.41.2 m，而硒光电池的光谱响应波长仅为0.380.75 m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系，开路电压（即负载电阻RL为无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2 000 lx时就趋于饱和了。因此，用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随
16、温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。光电池是形式最简单的光电器件，它能在几伏的偏置电压下工作，具有稳定性好、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、耐高温辐射等优点。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电式烟雾报警器光电式烟雾报警器1.光电传感器应用实例三、三、光电式烟雾报警器由光源、光电元件和电子开关组成。利用
17、光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，光电式烟雾报警器可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件（1）一般光电式烟雾报警器根据其结构特点可分为遮光型和散射型两种。遮光型光电式烟雾报警器由一个光源（灯泡或发光二极管）和一个光电元件对应装在小暗室内构成。在无烟情况下，光源发出的光通过透镜聚成光束，照射到光电元件上，并将其转换成电信号，使整个电路维持在正常状态，不发出报警。光电元件设置在多孔的小暗室里。无烟雾时，光不能射到光电元件上，电路维持正常状态；而发生火灾时，有烟雾进入探测器，光通过烟
18、雾粒子的反射或散射到达光电元件上，则光信号转换成电信号，经放大电路放大后，驱动自动报警装置发出报警信号。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件（2）激光式烟雾报警器。激光式烟雾报警器由激光发射机（包括脉冲电源和激光发生器）和激光接收器（包括光电接收器、脉冲放大器及报警器）组成，它利用了激光方向性强、亮度高及单色性和相干性好的特点。在无烟情况下，脉冲激光束射到光电接收器上，转换成电信号，报警器不发出报警。一旦激光束在发射过程中有烟雾遮挡而减弱到一定程度，使光电接收器信号显著减弱，报警器发出报警信号。在种类繁多的激光光源中，半导体激光器由于具有所需激发电压低、效率高、脉冲功率大
19、、器件体积小、耐震、寿命长和价格低廉等优点而受到重视。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件（3）紫外光烟雾报警器。性能稳定等优点。（4）红外光烟雾报警器。它具有灵敏度高、探测方位准确等优点，因而得到普遍重视，并成为目前火灾探测器的重要设备和发展方向。光电烟雾报警器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电式边缘位置传感器光电式边缘位置传感器2.光电式边缘位置传感器由白炽灯光源、光学系统和光
20、电器件（硅光电晶体管）组成，其结构原理如图5-9所示。图5-9 光电式边缘位置传感器的结构原理1白炽灯；2、7双凸透镜；3半透反射镜；4平凸透镜；5平面镜；6角矩阵反射镜；8光电晶体管 学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件白炽灯所发出的光线经过双凸透镜会聚，然后由半透反射镜所反射使光路折转90，经平凸透镜会聚后成为平行光束。该光束由带材遮挡一部分，另一部分射到角矩阵反射镜后被反射，又经过透镜、半透反射镜和双凸透镜会聚于光电晶体管上。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件光电晶体管接在输入桥路的一臂上，电桥的参数如图5-10所示。图中，10 k电位器为放
21、大倍数调整电位器，22 k和220 电位器分别为零点平衡位置粗调和细调电位器。图5-10 测量电桥学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件当带材处于平行光束的中间位置时，电桥处于平衡状态，其输出信号为0；当带材向左偏移时，遮光面积减少，角矩阵反射回去的光通量增加，输出电流信号增加；当带材向右偏移时，光通量减小，输出电流信号减小，这个电流变化信号由晶体放大器放大后，作为控制电流信号，通过执行机构纠正带材的偏移。学习单元一学习单元一 光电效应和光电器件光电效应和光电器件思考与练习问题1 常用的光电器件有哪些？简述其工作原理。思考：问题2 光电式边缘位置传感器的结构原理是什么？有哪
22、些应用？思考：学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器图像传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的具有自扫描功能的摄像器件。它与传统的电子束扫描真空摄像管相比，具有体积小、质量轻、可靠性高和不需要强光照明等优点。因此，图像传感器在军用、工业控制和民用电器中均有广泛使用。图像传感器的核心是电荷转移器件，其中最常用的是电荷耦合器件（chargecoupled device，CCD），它是一种半导体器件，能够把光学影像转换为数字信号。CCD上面有很多相同的感光元件，每个感光元件为一个像素。CCD在摄像机里是一个极其重要的部件，它起到将光线转换成电信号的作用，类似于人的眼睛，因此
23、其性能的好坏将直接影响到摄像机的性能。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器CCDCCD原理原理1.电荷耦合工作原理一、一、MOS电容器CCD是一种固态检测器，由多个光敏像元组成，其中每个光敏像元就是一个MOS（金属氧化物半导体）电容器。CCD的基本结构如图5-11所示，但其工作原理与MOS晶体管不同。图5-11 CCD的基本结构 学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器CCD中的MOS电容器的形成方法是：在P型或N型单晶硅的衬底上用氧化的办法生成一层厚度为100150 nm的SiO2绝缘层，再在SiO2表面按一定层次蒸镀一金属电极或多晶硅电极，在衬底和电极间加上
24、一个偏置电压（栅极电压），即形成了一个MOS电容器，具有光生电荷、电荷存储和电荷传移的功能。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器以P型硅的阵元为例。在金属电极未加电压时，载流子均匀分布于半导体内部；当金属电极上加一个大于半导体阈值势能的电势时，电极下面的多数载流子空穴会被排尽形成耗尽层，并且耗尽层随着所加电势的增加而深度增大。若此时有光线入射到硅片上，硅就会产生光生电子空穴对，其中空穴被排斥到硅基体，而光生电子被收集于电极下面形成电子聚集的反型层。对一定的受光面积，光注入引起的电荷积累和入射光强与照射时间的积成正比，这一结果与照相底片的特性非常相似。由此可见，MOS 电容具有
25、存储电荷的能力。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器通过调节不同金属电极的电压，积累的电荷可在MOS结构之间转移。正是这种光生电荷的积累与转移功能，构成了用于成像的CCD基础。这样一个感受光的MOS电容光敏像元称为CCD的一个像素，当成百上千的MOS光敏元排列成规则的阵列时，就构成了CCD。当照射到CCD上的是一幅明暗起伏的图像时，这些MOS光敏像元就产生一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，这就是CCD的基本工作原理。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器CCDCCD传感器的种类传感器的种类2.根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可分为线型和面型两
26、种。（1）线型CCD图像传感器。线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移栅，基本结构如图5-12（a）所示。图5-12 线型CCD图像传感器 学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器转移栅控制光电荷向移位寄存器转移，一般使信号转移时间远小于光积分时间。在光积分周期里，各个光敏像元中所积累的光电荷与该光敏像元上所接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移栅开启时，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到CCD移位寄存器的相应单元。当转移栅关闭时，MOS光敏像元阵列又开始下一行的光电荷积累。同时
27、，在移位寄存器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器图5-12(b)所示为CCD的双行结构图。光敏像元中的信号电荷分别转移到上下方的移位寄存器中，然后在时钟脉冲的作用下向终端移动，在输出端交替合并输出。这种结构与长度相同的单行结构相比较，可以获得高出两倍的分辨力；同时由于转移次数减少一半，使CCD电荷转移损失大为减少。双行结构在获得相同效果情况下，又可缩短器件尺寸。线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出。为了得到整个二维图像的视频信号，
28、就必须用扫描的方法。线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器（2）面型CCD图像传感器。按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成面型CCD图像传感器，它主要用于摄像机及测试技术。如图5-13所示，面型CCD图像传感器有三种基本类型：线转移型、帧转移型和隔离转移型。图5-13 面型CCD图像传感器的结构 学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器图5-13(a)所示为线转移面型CCD的结构图。它由行扫描发生器、感光区和输出寄存器等组成。图5-13(b)所示为帧转移面型CCD的结构图
29、。它由光敏元面阵（感光区）、存储器面阵和输出移位寄存器三部分构成。图5-13(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。它将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器 CCD图像传感技术应用二、二、CCD固体图像传感器作为一种能有效实现动态非接触测量的传感器，被广泛应用于物体尺寸、位移、表面形状、温度测量，以及图形文字识别、图像检测等领域。图5-14所示为角度测量结构图，光源经过透镜聚焦成像在固定于待测轴轴心的平面镜1 上，反射到平面镜2，最终在CCD上形成光点。当待测转轴发生偏转时，光点成像在CCD上的另一位置。由此，可以将角度的变化转化成空间距离d
30、的变化，利用单片机对其输出信号进行处理也就是对光点之间变化的相对距离d的测量。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器CCD输出信号经过滤波、放大和二值化处理，输出DO脉冲信号和转移脉冲SH。采用外置的CCD 驱动装置自带滤波、放大和二值化电路，阈值电平可调，DO输出脉冲的幅度直接反映了每个像敏单元上的光照度。测量前首先需要对系统进行定标，记录光点在CCD上的初始位置，即（t1+t2）/2。当光点在CCD上发生移动时，得到的SH下降沿到DO脉冲宽度中心值距离与初始位置相减的宽度值，它与光点移动的距离值成正比。利用单片机对这几组脉冲进行测量、处理，结果送至上位机对其进行几何公式的转
31、换，即可实时显示待测件的偏转角度。学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器图5-14 角度测量结构图学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器投影法适合小尺寸物体或者对物体边缘进行测量的情形，如图5-15所示。小尺寸的检测是指待测物体尺寸可以与CCD的尺寸相比拟。当一束平行光照射到被测物体后再投射到CCD时，物体的阴影也同时投射到CCD上，只要利用CCD计算出阴影部分尺寸，就可获得待测物体的尺寸。此种测试方法的精度取决于平行光的准直度和 CCD 像素的大小。图5-15 小尺寸物体宽度的检测系统示意图学习单元二学习单元二 CCDCCD图像传感器图像传感器思考与练习问题1
32、 面型CCD和线型CCD的原理有哪些异同点？思考：问题2 CCD固体图像传感器作为一种测量尺寸的传感器有什么优点？思考：学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长为760 nm1 mm，是波长比红光长的非可见光。红外线透过云雾能力比可见光强，在通信、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。本学习单元主要是让学生掌握红外传感器的基本工作原理和应用方法。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器 红外辐射知识一、一、红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家赫歇尔于1800年发现，又称为红外热辐射。他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带
33、位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。它也可以当作传输的媒介。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器如图5-16所示，太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为 0.751 000 m。红外线可分为三部分：近红外线，波长为(0.751)(2.53)m；中红外线，波长为(2.53)(2540)m；远红外线，波长为（2540）1 000 m。图5-16 太阳光谱电磁波的波长学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器在红外线内，对人体有帮助的414 m的远红外线，能渗透
34、人体内部15 cm，从内部发热，从体内作用促进微血管的扩张，使血液循环顺畅，达到新陈代谢的目的，进而增加身体的免疫力及治愈率。根据黑体辐射理论，一般的材料要产生足够强度的远红外线并不容易，通常必须借助特殊物质进行能量的转换，将它所吸收的热量经由内部分子的振动后发射出较长波长的远红外线。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器图5-17所示为红外线夜视仪，真正的红外线夜视仪是光电倍增管成像，与望远镜原理完全不同，白天不能使用，价格昂贵且需电源才能工作。图5-17 红外线夜视仪学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器常用大气窗口常用大气窗口1.由于大气对电磁波散射和吸收等因素的影响，使部分波段
35、的太阳辐射在大气层中的透过率很小或根本无法通过。电磁波辐射在大气传输中透过率较高的波段称为大气窗口。为了利用地面目标反射或辐射的电磁波信息成像，遥感中对地物特性进行探测的电磁波“通道”应选择在大气窗口内。在遥感中使用的大气窗口包括如下几种：（1）0.31.155 m，包括部分紫外光、全部可见光和部分近红外光，即紫外、可见光、近红外波段。也是许多卫星遥感器扫描成像的常用波段，如Landsat卫星的TM的14波段，SPOT卫星的HRV波段等。其中，0.30.4 m，透过率约为70%，0.40.7 m，透过率大于95%；0.71.1 m，透过率约为80%。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器（
36、2）1.41.9 m，近红外窗口，透过率为60%95%，其中，1.551.75 m，透过率较高。在白天日照条件好的时候扫描成像常用这些波段。（3）2.02.5 m，近红外窗口，透过率约为80%。（4）3.55.0 m，中红外窗口，透过率为60%70%。该波段物体的热辐射较强。这一区间除了地面物体反射太阳辐射外，地面物体自身也有长波辐射。例如，NOVV卫星的AVHRR遥感器用3.553.93 m波段探测海面温度，获得昼夜云图。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器（5）8.014.0 m，热红外窗口，透过率约为80%。它主要来自物体热辐射的能量，适于夜间成像，测量探测目标的地物温度。（6）1
37、.01.8 mm，微波窗口，透过率为35%40%。（7）2.05.0 mm，微波窗口，透过率为50%70%。（8）8.01 000.0 mm，微波窗口，透过率约为100%。因为微波具有穿云透雾的特性，所以其具有全天候、全天时的工作特点。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器一般意义上的分类一般意义上的分类2.（1）近红外线（NIR，IRA DIN），波长为0.751.4 m，以水的吸收来定义，由于其在二氧化硅玻璃中的低衰减率，通常使用在光纤通信中。这个区域的波长对影像的增强非常敏锐。（2）短波长红外线（SWIR，IRB DIN），波长为1.43 m，水的吸收在1 450 nm显著地增加。1
38、 5301 560 nm是主导远距离通信的主要光谱区域。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器（3）中波长红外线（MWIR，IRC DIN），也称为中红外线，波长为38 m。被动式的红外线追热导向导弹技术在设计上就是使用35 m波段的大气窗口来工作的，对飞机红外线标识的归航，通常是针对飞机引擎排放的羽流。（4）长波长红外线（LWIR，IRC DIN），波长为815 m。这是“热成像”的区域，在这个波段的传感器不需要其他光或外部热源，如太阳、月球或红外灯，就可以获得完整的热排放量的被动影像。前视红外线（FLIR）系统使用这个区域的频谱，有时也会被归类为“远红外线”。学习单元三学习单元三 红外
39、传感器红外传感器（5）远红外线（FIR），波长为151 000 m。红外线波长较长，产生热效应，那么红外线在穿透的过程中所达到的范围是一个什么样的层次呢？如果红外线能穿透到原子、分子内部，那么会引起原子、分子的膨大而导致原子、分子的解体。而事实上，红外线频率较低，能量不够，远远达不到原子、分子解体的效果。因此，红外线只能穿透到原子、分子的间隙中，而不能穿透到原子、分子的内部，会使原子、分子的振动加快、间距拉大即增加热运动能量。从宏观上看，物质在熔化、沸腾、汽化，但物质的本质（原子、分子本身）并没有发生改变，这就是红外线的热效应。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器因此，可以利用红外线的这
40、种激发机制来烧烤食物，使有机高分子发生变性，但不能利用红外线产生光电效应，更不能使原子核内部发生改变。同理，不能用无线电波来烧烤食物，无线电波的波长太长，无法穿透到有机高分子间隙，更不能达到食物烤熟的目的。综上所述，波长越短，频率越高、能量越大的波穿透达到的范围越大；波长越长，频率越低、能量越小的波穿透达到的范围越小。自然界中的任何物体都在向外辐射红外线。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器工作原理工作原理1.热释电红外传感器二、二、热释电红外传感器如图5-18所示，它是由高热电系数的材料（如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等）制成的尺寸为2 mm长、1 mm宽的探测元件。图5-18
41、热释电红外传感器 学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜。它和放大电路相配合，可将信号放大70 dB以上，这样就可以测出1020 m内人的行动。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器热释电红外传感器是一种红外光传感器，属于热电
42、型器件，其结构图如5-19所示。当PZT热电元件受到光照时能将光能转换为热能，受热的晶体两端产生数量相等、符号相反的电荷，如果带上负载就会有电流流过，输出电压信号。图5-19 热释电红外传感器的结构和电路 学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器热释电红外传感器主要由滤光片、PZT热电元件、结型场效应管及电阻、二极管组成。其中，滤光片的光谱特性决定了热释电传感器的工作范围。其所用的滤光片对波长5 m以下的光具有高反射率，而对于从人体发出的红外热源则有高穿透性，传感器接收到红外能量信号后就有电压信号输出。热释电传感器是利用热电效应的热电型红外传感器，所谓热电效应是随温度变化产生电荷的现象。热释
43、电传感器在温度没有变化时不产生信号，称为积分型传感器，多用于人体温度检测电路。它的输出是电荷信号，这并不能被直接使用，要附加电阻Rg，以电压形式输出。但因电阻值非常大，要用场效应晶体管进行阻抗变换。在实际应用场合中，会在传感器探头前加装菲涅尔透镜，试验传感器的探测视场和距离。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理。如图5-20所示，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。图
44、5-20 菲涅尔透镜原理图 学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器人体辐射的红外线中心波长为910 m，而探测元件的波长灵敏度在0.220 m内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光片的窗口，这个滤光片可通过的光的波长为710 m，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器工作特性工作特性2.人体都有恒定的体温，一般为37，所以会发出特定波长（10 m左右）的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线进行工作的。人体发射的10 m左右的红外线通过菲涅尔滤光片增
45、强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。（1）这种探头是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10 m左右的红外辐射必须非常敏感。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。（3）被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且其电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输
46、出。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器（4）一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦并被热释电元件接收，但是两片热释电元件接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。（5）菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器优点与缺点优点与缺点3.被动式热释电红外探头的优缺点如下：（1）优点：本身不发出任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。（2）缺点：容易受各种热源、光源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；易受射频辐射的干扰，
47、同时，环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时会短时失效。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器抗干扰性能抗干扰性能4.（1）抗小动物干扰。探测器安装在推荐的使用高度，对探测范围内地面上的小动物一般不产生报警。（2）抗电磁干扰。探测器的抗电磁波干扰性能符合GB 10408.52000中的要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。（3）抗灯光干扰。探测器在正常灵敏度的范围内，受3 m外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器检测器应避开日光、汽车头灯、白炽灯的直接照射，也不能对着热源(如暖气片、加热器)或空调，以避免环境温度较大的变化而造成误报；检
48、测器必须牢固安装，避免因风吹晃动而造成误报；不允许用手触摸传感器表面；光学透镜外表面要定期用湿软布或棉花擦净，避免尘土影响灵敏度；安装高度为2 m。热释电红外传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器图5-21 热释电红外传感器不同方向的不同敏感度如图5-21所示。热释电红外传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器医疗上的应用医疗上的应用1.红外传感器应用实例三、三、在红外线区域中，对
49、人体最有益的波段是414 m，这在医术界里统称为“生命光线”。因为这个红外线波段可促进生命体的生长，对活化细胞组织和促进血液循环有很好的作用，能够提高人的免疫力，增强人体的新陈代谢。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器遥控设备上的应用遥控设备上的应用2.越来越多的家用电器都配备了遥控器，而遥控器上必定会配备一个红外线发射管，当与电器的红外线接收端形成对射的状态时，就会达到遥控的作用。学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器开关上的应用开关上的应用3.几乎涉及感应力的开关都会应用到红外线，此类开关统称为红外线开关。它分为主动式开关与被动式开关，主动式红外线开关如图5-22所示。主动式红外
50、线开关由红外线发射管和红外线接收管组成。当红外线接收管接收到发射管发出的信号时，电器就会关闭；当物体阻挡到两者之间的连接，电器就会启动。图5-22 主动式红外线开关学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器红外线接口的应用红外线接口的应用4.现在很多电子设备都配备了一个红外线接口，如图5-23所示。其作用是进行无线传输，从而减少用线路传输所带来的空间上的占用，这可从无线上网或者手机通过红外线上网体现出来。图5-23 红外线接口学习单元三学习单元三 红外传感器红外传感器安防上的应用安防上的应用5.红外线报警器是在安防上经常使用到的一种安防器材，如图5-24所示。它是由红外线发射机和红外线接收机所