1、1.红外线介绍及其应用2.红外线传感器概况 3.红外线传感器分类4.红外线传感器工作原理5.热释电红外红传感器6.红外传感器的应用1.红外线介绍及应用红外线介绍及应用 红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于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位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。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。可以当作传输之媒界。 红外线可分为三部分： 近红外线：波长为0.751.50m之间； 中红外线：波长为1.506.0m之
2、间； 远红外线：波长为6.0l000m之间。 太太 阳阳 光光 谱谱红外线的物理特性红外线的物理特性 热效应 穿透云雾的能力强 热效应及应用： 一切物体都在不停的辐射红外线。物体的温度越高，辐射的红外线就越多。红外线照射到物体上最明显的效果就是产生热。冬天烤火，就是因为有大量的红外线从炉子里射到人身上，才能让我们感觉到热乎乎的。 人体生病的时候，虽然外面看起来没有什么变化，但是由于局部皮肤的温度不正常，如果在照相机里装上对红外感光的胶片，给皮肤拍照再与正常人的照片对比，可以对疾病作出诊断。这种相机拍出来的照片叫热谱图。 根据红外线的热效应，人们还研究出了红外线夜视仪。红外线夜视仪在漆黑的夜晚也
3、可以发现人的存在。夜间人的体温比周围草木或建筑的温度高，人体辐射出来的红外线就比他们强。可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆等。 物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线。各种物体吸收了红外线以后温度就会升高。我们就可以利用红外线的热效应来加热物品。家庭用的红外线烤箱，浴室用的暖灯，也就是浴霸等等。物体加热可以利用红外线烘干汽车表面的喷漆，烘干稻谷等作物。 在医学上，还可以利用红外线的热效应进行理疗。在红外线照射下，组织温度升高，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。伤口就容易痊愈。 穿透能力强的应用： 穿透云雾的能力强(波长较长,易于衍射) ，由于一切物体，都在不停地
4、辐射红外线，并且不同物体辐射红外线的强度不同，利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对接到的信号进行处理，就可以察知被测物体的形状和特征，这种技术叫做红外线遥感技术，可以用在卫星上勘测地热、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收成。还有我们每天都要关注的天气预报，也是红外线遥感技术。 红外线遥感在战争中，当敌机飞进我们的阵地时，红外线望远镜早就接收到了由它的发动部分发动机辐射来的大量红外线，红外线在望远镜的光电变换器中产生了电流，再由电流产生可见光。于是黑暗中的飞机在镜中就现原形了。 红外线遥控我们每天都用到的电视遥控器也是利用了红外线。遥控器的前段有一个红外发光二极
5、管，按下不同的键时，它可以发射不同的红外线，来实现电视机的遥控。 红外线照相机红外热像仪红外报警器红外线烤箱红外透视望远镜红外水平仪红外线灯红外遥控器红外摄像头 红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它在科技，国防，和工农业生产等领域得到广泛的应用，特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如在红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。而红外辐射技术的重要工具就红外传感器，红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用。尤其是在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求，因而在产品传感器大显身手的地方。因此红外传感器的发展前景也是不
6、可估量的。 2.红外线传感器概述红外线传感器概述3.红外传感器的分类红外传感器的分类按功能分：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其 空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组 合。按探测机理分：光量子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。4.红外传感器工作原理红外传感器工作原理（1 1）待测目标）待测目标 根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。 （2 2）大气衰减）大气衰减 待测目标的红外辐射通过地球大气层时
7、，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。 （3 3）光学接收器）光学接收器 它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。 （4 4）辐射调制器。）辐射调制器。 对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，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。 （5 5）红外探测器）红外探测器 这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。 （6 6）探测器
8、制冷器）探测器制冷器 由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。 （7 7）信号处理系统）信号处理系统 将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。 （8 8）显示设备）显示设备 这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。 5.热释电红外红传感器（探测器）热释电红外红传感器（探测器） 主要是由一种高热电系数的材料的探测元件，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
9、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分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。 热释电效应热释电效应 一些陶瓷材料具有自发极化（如铁电晶体）的特征，且其自发极化的大小在温度有稍许变化时有很大的变化。在温度长时间恒定时由自发极化产生的表面极化电荷数目一定，它吸附空气中的电荷达到平衡，并与吸附的存在于空气
10、中的符号相反的电荷产生中和；若温度因吸收红外光而升高，则极化强度会减小，使单位面积上极化电荷相应减少，释放一定量的吸附电荷；若与一个电阻连成回路会形成电流I,则电阻上可以产生一定的电压降，这种因温度变化引起自发极化值变化的现象称为热释电效应。 能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。 热释电传感器结构和等效电路图热释电传感器结构和等效电路图滤光片 为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，在该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳
11、光和其它红外辐射拒之门外。 场效应晶体管 (FET) 场效应晶体管(FET)）简称场效应管.由多数载流子参与导电,也称为单极型晶体管.它属于电压控制型半导体器件。根据三极管的原理开发出的新一代放大元件，有3个极性，栅极，漏极，源极，它的特点是栅极的内阻极高，采用二氧化硅材料的可以达到几百兆欧，属于电压控制型器件, ,其作用是放大信号。 工作原理 首先射到窗口的光线会被滤光片过滤，红外光穿过会照到热释电材料上，引起热释电效应，产生电荷，结构上的场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式 ，完成形成控制输出。6.红外传感器的应用红外
12、传感器的应用 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、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，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。 红外温度传感器红外温度传感器红外温度传感器的内部构造红外温度传感器的内部构造黑体硅介质滤光片（对红外光完全无干扰）DIE环境温度传感器 黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为 1 。 应用原理框图应用原理框图镜头滤光片目标物运算放大
13、器AMPA/D环境温度传感器模数转换MCU作为补偿信号输入MCU红外温度传感器LCDLCD显示给出控制信号可实现温度的循环控制红外温度传感器的正确使用红外温度传感器的正确使用 由于该传感器是接收由透镜入射的红外光，所以范围非常重要，如果被测物体以外的红外光也被采集，就意味着非被测物体的信息也被采集，从而影响到测量的准确性。所以镜头的选择，目标物距离的计算尤为重要。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利用不同气体对红外波长的电磁波能量具有特殊吸收特性的原理而进行气体成分和含量分析的仪器。吸收现象的实质 光辐射的能量转移到物质的分子或原子中去。这样，某些频率的光能减少，而物质的分子
14、或原子则由最低能级E0（基态）跃进到较高能级E1（激发态）。 原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的能级。 因此，物质仅能吸收与两个能级之差E1-E0相同或为其整数倍的能量，即hchEE01各种原子或分子所具有的能级数目和能级间的能量差不同，各种原子或分子所具有的能级数目和能级间的能量差不同，所以它们对光辐射的吸收情况也各不相同，从而形成不同所以它们对光辐射的吸收情况也各不相同，从而形成不同的特征吸收峰。大部分的有机和无机气体在红外波段内都的特征吸收峰。大部分的有机和无机气体在红外波段内都有其特征吸收峰，有的气体还有两个或多个特征吸收峰。有其特征吸收峰，有的气体还有两个或多个特征吸收峰。 部
15、分气体的红外线特征吸收峰图红外线气体分析仪的工作原理l用人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。l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。 气体分析仪测量过程 1-光源；光源；2-切光片；切光片；3-同步电机；同步电机；4-测量气室；测量气室；5-参比气室；参比气室；6-滤光气室；滤光气室；7-检测气室；检测气室；8-前置放大器；前置放大器；9-主放大器；主放大器；10-记录器记录器优点： 选择性好，灵敏度高，测量范围广，精度较高，常量为12.5级，低浓度（ppm）为25级，响应速度快。 能吸收红外线的CO、CO2、CH4、SO2等气体、液体都可以进行分析。应用：l大气检测、大气污染、燃烧过程、石油及化工过程、热处理气体介质、煤炭及焦炭生产过程等工业生产过程中。l测定水中微量油分，医学中肺功能的测定，并可在水果、粮食的储藏和保管等农业生产中应用。
