1、第五章第五章 紅外傳感器紅外傳感器2u熱釋電型紅外傳感器熱釋電型紅外傳感器u熱電堆紅外傳感器熱電堆紅外傳感器31.紅外線的基本知識u紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。u紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅色輻射的特性實現(xiàn)自動檢測的傳感器u紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優(yōu)點。4u將各種不同的電磁波按照波長（或頻率）排成如圖所示的波譜圖，稱之為電磁波譜u從圖中可以看出紅外線屬于不可見光波的范疇，波長一般在0.76600um之間稱為紅外區(qū)5u紅外區(qū)通常分為近紅外0.

2、731.5um、中紅外1.510um和遠紅外10um以上，300um以上的區(qū)域又稱為“亞毫米波” 6u（1）紅外輻射的產(chǎn)生u紅外輻射是由物體的內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類振動過程中是物體受熱而引起的，只有在絕對零度時，一切物體的分子才會停滯運動。換言之，在常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。u紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。u他的特點是熱效應最大7u紅外線在真空中的傳播速度為30萬公里/秒，而在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使他產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵循如下規(guī)律：u式中，I為通過介質(zhì)時的通量；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)；x為介質(zhì)的厚度8u（2）紅

3、外輻射的性質(zhì)u金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬基本不能透過紅外線。u氣體對紅外輻射也有不同程度的吸收。u介質(zhì)不均勻、晶體材料的不純潔、有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等都會引起對紅外輻射的散射。u實踐證明，溫度越低的物體輻射的紅外線波長越長。由此在應用中根據(jù)需要有選擇的接受某一定范圍的波長，就可以達到測量的目的。9u紅外傳感器：它是一種能探測紅外線的器件。從近代測量技術(shù)角度來看，能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱之為紅外探測器。u紅外探測器的分類u按其工作原理可分為兩類：熱敏探測器和光子探測器10u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。u熱敏探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低，響

4、應時間長。u熱敏探測器的主要優(yōu)點是響應波段寬，響應 范圍可擴展到整個紅外區(qū)域，可以在室溫下工作，使用方便，應用仍相當廣泛。熱敏探測器的主要類型有熱釋電型、熱電堆探測器。11u光子探測器是利用紅外輻射的光電效應制成的，它采用光電元件。因此它的響應時間一般比熱敏探測器的響應時間短得多。u能引起光電效應的輻射存在一個最長的波長限度。u由于這類探測器是以光子為單元起作用的，只要光子的能量足夠，相同數(shù)目的光子基本上具有相同的效果，因此這類探測器常被稱為“光子探測器”。12u光子探測器只要采用光電傳感器，分為光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光電伏特元件等幾類。u光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具

5、有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般在低溫下工作。飛利浦新開發(fā)的光子探測器135.1.1熱釋電型紅外傳感器的工作原理u熱釋電效應：在某些絕緣物質(zhì)中，由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象。14u熱釋電紅外傳感器的工作原理5.1.2熱釋電型傳感器的結(jié)構(gòu)特點u1、窗口材料 熱釋電型傳感器不受光波長的影響，被測對象被限定時，需要濾波片，這種濾波片稱為窗口材料15u熱釋電人體紅外傳感器只有配合菲涅爾透熱釋電人體紅外傳感器只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。不加菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。不加菲涅爾透鏡時，該傳感器的探測半徑可能不足鏡時，該傳感器的探測半徑可能不足2m，配上菲涅爾透鏡則可達，配上

6、菲涅爾透鏡則可達10m。16u菲涅爾透鏡是用普遍的聚乙烯制成的，安菲涅爾透鏡是用普遍的聚乙烯制成的，安裝在傳感器的前面。透鏡的水平方向上分裝在傳感器的前面。透鏡的水平方向上分成三部分，每一部分在豎直方向上又分成成三部分，每一部分在豎直方向上又分成若干不同的區(qū)域，所以菲涅爾透鏡實際是若干不同的區(qū)域，所以菲涅爾透鏡實際是一個透鏡組一個透鏡組.175.1.3熱釋電型紅外傳感器電路特點u 場效應管和高阻值電阻場效應管和高阻值電阻Rgu 通常敏感元件材料阻值通常敏感元件材料阻值高達。因此，要用場高達。因此，要用場效應管進行阻抗變換，場效效應管進行阻抗變換，場效應管常用來構(gòu)成源極跟隨器應管常用來構(gòu)成源極跟

7、隨器，高阻值電阻，高阻值電阻Rg的作用是釋的作用是釋放柵極電荷，使場效應管正放柵極電荷，使場效應管正常工作。常工作。185.2熱電堆紅外傳感器19u1.熱電偶的工作原理 熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動勢的效應探測入射熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動勢的效應探測入射輻射的輻射的。如圖所示為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種材料的如圖所示為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種材料的金屬金屬A和和B組成的一個回路時，若兩金屬連接點的溫度組成的一個回路時，若兩金屬連接點的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則在回路中會有存在著差異（一端高而另一端低），則在回路中會有如圖所示的電流產(chǎn)生。即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差如圖所

8、示的電流產(chǎn)生。即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差E。回路電流。回路電流I=E/R。其中。其中R稱為回路電阻。這一現(xiàn)稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應（也稱為塞貝克熱電效應）象稱為溫差熱電效應（也稱為塞貝克熱電效應）( Seebeck Effect)。 u輻射熱電偶的熱端接收入射輻射，因此在熱端裝有一塊涂黑的金箔，當入射輻射通量e被金箔吸收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢，在回路中將有電流流過。用檢流計G可檢測出電流為I。顯然，圖中結(jié)J1為熱端，J2為冷端。20 由于入射輻射引起的溫升T很小，因此對熱電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴格和復雜。成本昂貴。 21熱電堆探測器 為了減小熱電偶的響應時間，提高靈敏度，常把輻射接收面分為若干塊，每塊都接一個熱電偶，并把它們串聯(lián)起來構(gòu)成熱電堆。 熱電堆的靈敏度St為 nSS tu熱電堆紅外測溫傳感器直接感應熱輻射，為非接觸溫度測量提供完美的解決方案u另外，被測對象的溫度與熱電堆所處的環(huán)境溫度之間，存在著下面的關(guān)系。 Vout=A(Tb4-Ts4) V out為熱電堆的輸出電壓(V)，A為比例系數(shù)，Tb為被測物體的溫度(K)，Ts為熱電堆所處的環(huán)境溫度(K)，因此，被測對象的溫度，可以通過測量熱電堆輸出電壓和熱電堆所處環(huán)境的絕對溫度，并通過運算后獲得。225.2.2熱電堆非接觸式溫度計電路u熱電堆的輸出電壓與熱力