1、課題項目：光電式傳感器 任務二：紅外傳感器課程名稱傳感器基礎知識授課類型新授班級11級電子太陽能技術（青海班）日期2012、5、22、23課時4教學目標知識目標：掌握紅外線演示器的安裝與調試，了解紅外傳感器應用電路能力目標：紅外線演示器的安裝與調試情感目標：認識紅外感器分類和安裝特性教學重點紅外線演示器的安裝與調試教學難點紅外線演示器的安裝與調試教學方法講述法，實踐操作法；練習法課前準備電阻器，發光二極管，電烙鐵，導線，萬用表，萬能電路板，教學后記及改進措施、紅外傳感器紅外線傳感器是利用物體產生紅外輻射的特性，實現自動檢測的傳感器。在物理學中，我們已經知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是

2、電磁波，它們之間的差別只是波長(或頻率)的不同而已。近年來，紅外輻射技術已成為一門發展迅速的新興學科。它已經廣泛應用于生產、科研、軍事、醫學等各個領域。一、.紅外輻射的產生及性質1、紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光， 由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。但實際上它和其它任何光線一樣，也是一種客觀存在的物質。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度，就有紅外線向周圍空間輻射2、它的波長范圍大致在0.761000 m， 工程上又把紅外線所占據的波段分為四部分， 即近紅外、中紅外、 遠紅外和極遠紅外。 相對應的頻率大致在4×1014-

3、3×1011Hz之間紅外線與可見光、紫外線、X射線、射線和微波、無線電波一起構成了整個無限連續的電磁波譜。紅外分區：在紅外技術中，一般將紅 外輻射分為4個區域近紅外區: 770nm 1.5 m 中紅外區: 1.5 m 6m 遠紅外區: 6m 40m 極遠紅外區: 40m 1000m 3、紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內部分子的轉動及振動而產生的。這類振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度(-273.16)時，一切物體的分子才會停止運動。所以在絕對零度時，沒有一種物體會發射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機、動植物甚至

4、人體等都是紅外輻射源。紅外光的本質與可見光或電磁波性質一樣，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。但它的特點是熱效應非常大，紅外線在真空中傳播的速度c=3×108ms，而在介質中傳播時，由于介質的吸收和散射作用使它產生衰減。紅外線的衰減遵循如下規律 I為通過厚度為x的介質后的通量；I0為射到介質時的通量；e為自然對數的底；K為與介質性質有關的常數。金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過紅外線；大多數的半導體材料及一些塑料能透過紅外線；液體對紅外線的吸收較大，例如厚l(mm)的水對紅外線的透明度很小，當厚度達到lcm時

5、，水對紅外線幾乎完全不透明了；氣體對紅外輻射也有不同程度的吸收，例如大氣(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它對波長為15m，814m之間的紅外線是比較透明的，對其他波長的透明度就差了。而介質的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質或懸浮小顆粒等，都會引起對紅外輻射的散射。實踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長。由此在工業上和軍事上根據需要有選擇地接收某一范圍的波長，就可以達到測量的目的。 4、紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對稱的雙原子氣體，如

6、N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，它們是22.6m、35 m和814 m，統稱它們為“大氣窗口”。這三個波段對紅外探測技術特別重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個波段（大氣窗口）之內紅外輻射的物理本質是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。研究發現，太陽光譜各種單色光的熱效應從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的熱效應出現在紅外輻射的頻率范圍內，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。波長在0.11000m之間的電磁波被物體吸收時，可以顯著地轉變為熱能。可見，載能電磁波是熱輻射傳播的主要媒介物。紅外輻射在大氣中傳播時，

7、由于大氣中的氣體分子、水蒸汽以及固體微粒、塵埃等物質的吸收和散射作用，使輻能在傳輸過程中逐漸衰減。空氣中對稱的雙原于分子，如N2，H2，O2不吸收紅外輻射，因而不會造成紅外輻射在傳輸過程中衰減。5、紅外幅射源當物體溫度高于絕對零度時，都有紅外線向周圍空間輻射出來根據輻射源幾何尺寸的大小，距探測器的遠近，又分為點源和面源點源(沒有充滿紅外光學系統瞬時視場的大面源叫做點源)面源(一般情況下，把充滿紅外光學系統瞬時視場的大面輻射源叫做面源)二、紅外傳感器紅外線探測器即為紅外線傳感器，它是一種能探測紅外線的器件。從近代測量技術角度來看，能把紅外輻射轉換成電量變化的裝置，稱之為紅外探測器。紅外傳感器一般

8、由光學系統、 探測器、信號調理電路及顯示單元等組成。 紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。 1紅外探測器的分類按其工作原理可分為兩類：熱敏探測器和光子探測器紅外探測器紅外線 電信號熱傳感器 熱效應光子傳感器 光電效應2、光電探測器A、光電探測器是指由輻射引起被照射材料電導率改變的一種物理現象。光電探測器在軍事和國民經濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等

9、方面。光電導體的另一應用是用它做攝像管靶面。為了避免光生載流子擴散引起圖像模糊，連續薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法，整個靶面由約10萬個單獨探測器組成。、B、工作原理光電探測器的工作原理是基于光電效應，熱探測器基于材料吸收了光輻射能量后溫度升高，從而改變了它的電學性能，它區別于光子探測器的最大特點是對光輻射的波長無選擇性。 光電子發射器件：光電管與光電倍增管是典型的光電子發射型（外光電效應）探測器件。其主要特點是靈敏度高，穩定性好，響應速度快和噪聲小，是一種電流放大器件。尤其是光電倍增管具有很高的電流增益，特別適于探測微弱光信號；但它結構

10、復雜，工作電壓高，體積較大。 光電倍增管一般用于測弱輻射而且響應速度要求較高的場合，如人造衛星的激光測距儀、光雷達等。 光電導器件：利用具有光電導效應的半導體材料做成的光電探測器稱為光電導器件，通常叫做光敏電阻。在可見光波段和大氣透過的幾個窗口，即近紅外、中紅外和遠紅外波段，都有適用的光敏電阻。光敏電阻被廣泛地用于光電自動探測系統、光電跟蹤系統、導彈制導、紅外光譜系統等。 3、熱敏探測器熱敏探測器是利用紅外輻射的熱效應制成的，它采用熱敏元件。熱敏探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低，相應時間長。熱敏探測器的主要優點是響應波段寬，響應范圍可擴展到整個紅外區域，可以在室溫下工作，使用方便，應用

11、仍相當廣泛。熱敏探測器的主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測器。熱敏電阻紅外探測器（a）結構； （b）橋式測量電路熱敏電阻型紅外傳感器是由錳、鎳、鈷的氧化物混臺后燒結而制成。熱敏電阻一般制成薄片狀，當紅外輻射照射在熱敏電阻片上，其溫度升高，電阻值減小。測量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射紅外輻射的強弱，從而可以判斷產生紅外輻射物體的溫度。電阻隨溫度變化的規律熱敏電阻的溫度系數 正溫度系數 負溫度系數 4、熱敏探測器的主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測器熱釋電效應：若使某些強電介質的表面溫度發生變化，在這些物質表面上就會產生電荷的變化，這種現象稱為熱釋電效應。

12、熱釋電傳感器： 紅外輻射 熱（溫度） 電荷熱釋電型紅外探測器是根據熱釋電效應制成的，即電石、 水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產生溫度變化時，其原子排列將發生變化，晶體自然極化， 在其兩表面產生電荷的現象稱為熱釋電效應。用此效應制成的“鐵電體”， 其極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關。當紅外輻射照射到已經極化的鐵電體薄片表面上時引起薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產生一個電信號輸出。輸出信號的強弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應

13、率正比于入射光輻射率變化的速率。 5、熱釋電型傳感器是一種具有極化現象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強度(單位面積上的電荷)與溫度有關。幾點注意當恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時，傳感器沒有電信號輸出。只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號輸出。必須對紅外輻射進行調制（或稱斬光），使恒定的輻射變成交變輻射，不斷引起傳感器的溫度變化，才能導致熱釋電產生，并輸出交變的信號6、紅外探測和遙控發射，接收系統的組成紅外探測器是由光學系統、敏感元件、前置放大器和調制器等組成。按光學系統的結構，紅外探測器可分為透射式和反射式兩類。 紅外傳感器按其應用可分為以下幾個方面： 紅外輻射計，用于輻射和光

14、譜輻射測量； 搜索和跟蹤系統，可用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對其運動進行跟蹤 熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等； 紅外測距和通信系統 混合系統，是指以上各類系統中的兩個或多個的組合應用一、紅外測溫儀1、紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。 當物體的溫度低于1000時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。 他是光、機、電一體化的紅外測溫系統。圖中的光學系統是一個固定焦距的透視系統，濾光片一般采用只允許814um的紅外輻射能通過的材料。步進電機帶動