红外传感器(全部的)课件.ppt
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1、10.2 红外传感器10.2.1 工作原理工作原理红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外线,它是一种不可见光,由于是位于可见光中红色光以外的光线,故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分,即近红外、中红外、远红外和极远红外。电磁波谱图 红外辐射n红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体,只要它的温度高于绝对零度(273),就会向外部空间以红外线的方式辐射能量,一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,辐射的能量就越强。另一方面,红外线被物体吸收后可以转化成热能。n 红外线作为电磁波的一种形式,红
2、外辐射和所有的电磁波一样,是以波的形式在空间直线传播的,具有电磁波的一般特性,如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积。16.1 红外探测器红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多,按探测机理的不同,分为热探测器和光子探测器两大类。主要有两大类型:主要有两大类型:热探测器热探测器和光子探测器光子探测器。1 1)热探测器(热电型)热探测器(热电型)有:热释电、热敏电阻、热电偶等;有:热释电、热敏电阻
3、、热电偶等;2 2)光子探测器(量子型),利用某些半导体材料)光子探测器(量子型),利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应,材料电在红外辐射的照射下产生光电子效应,材料电学性质发生变化;学性质发生变化;有有:光敏电阻、光电管、光电池等。光敏电阻、光电管、光电池等。q 量子型光子探测器与光电传感器原理相同,量子型光子探测器与光电传感器原理相同,本节主要介绍热电型红外探测器。本节主要介绍热电型红外探测器。1.热探测器热探测器 热探测器的工作机理是:利用红外辐射的热效应,探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高,进而使某些有关物理参数发生相应变化,通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收
4、的红外辐射。特点:热探测器主要优点是响应波段宽响应波段宽,响应范围可扩展到整个红外区域,可以在常温下工作,使可以在常温下工作,使用方便用方便,应用相当广泛。但与光子探测器相比,热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低,响应时间长峰值探测率低,响应时间长。热探测器主要有四类:热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中,热释电型探测器在热探测器中探测率最高,频率响应最宽,所以这种探测器倍受重视,发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。n“铁电体”的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高,使其极化强度降低,表面电荷减少,这相当于释放
5、一部分电荷,所以叫做热释电型传感器。n如果红外辐射继续照射,使铁电薄片的温度升高到新的平衡值,表面电荷也就达到新的平衡浓度,不再释放电荷,也就不再有输出信号。n如果将负载电阻与铁电体薄片相连,则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢,从而反映出入射的红外辐射的强弱,热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。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菲涅尔透镜,每一平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜,每一透镜单元都只有一个不大的视场角,当人体透镜单元都只有一个不大
6、的视场角,当人体在透镜的监视视野范围中运动时,顺次地进在透镜的监视视野范围中运动时,顺次地进入第一、第二单元透镜的视场,晶片上的两入第一、第二单元透镜的视场,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,如果人体静止不动地站在热冲信号。当然,如果人体静止不动地站在热释电元件前面,它是释电元件前面,它是“视而不见视而不见”的。的。2023-1-1211菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片2023-1-1212菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔传感器不加菲涅尔透镜时,其检测距离透镜时,其检测距离小于小于2m,
7、而加上该透,而加上该透镜后,其检测距离可镜后,其检测距离可增加增加3倍以上。倍以上。2023-1-1213热释电套件热释电套件2023-1-1214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2023-1-1215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接接插件插件2023-1-1216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案例案例3.热释电红外线传感器热释电红外线传感器 热释电红外线传感器是热释电红外线传感器是8080年代发展起来的一种新型高灵敏度探测年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能元
8、件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化,并将其,并将其转换成电压信号输出。同时,它还能转换成电压信号输出。同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物鉴别出运动的生物与其它非生物。将这个电压信号加以放大,便可驱动各种控制电路,如作电源开关控制、将这个电压信号加以放大,便可驱动各种控制电路,如作电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所,亦适于对人体伤害极为严重的高压电及所,亦适于对人体伤害极为严重的高压电及射线、射线、射线自动报警射线自动报警等
9、。等。热释电红外传感器的结构及内部电路热释电红外传感器的结构及内部电路用它制作的防盗报警器与目用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有如下特点:警器材相比,具有如下特点:不需要用红外线或电磁波不需要用红外线或电磁波等发射源。等发射源。灵敏度高、控制范围大。灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好,可流动安装。隐蔽性好,可流动安装。可以用于以下各种实用电路中:可以用于以下各种实用电路中:1.1.“有电,危险有电,危险”安全警示电路安全警示电路 用于有电的场合,当有人进入这些场用于有电的场合,当有人进入这些场合时,通过发出语音和声光提醒人们注意安全。合时,通过
10、发出语音和声光提醒人们注意安全。2.2.自动门自动门 主要用于银行、宾馆。当有人来到时,大门自动打开,;人主要用于银行、宾馆。当有人来到时,大门自动打开,;人离开后又自动关闭。离开后又自动关闭。3.3.红外线防盗报警器红外线防盗报警器 用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。4.4.高速公路车辆车流计数器高速公路车辆车流计数器 5.5.自动开、关的照明灯,人体接近自动开关自动开、关的照明灯,人体接近自动开关等。等。热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传感器用于自动热释电传感器用于自动亮灯,当然也可以用于防亮灯,当然也可以用于防盗。如果人体静止不动地盗
11、。如果人体静止不动地站在热释电元件前面,它站在热释电元件前面,它是是“视而不见视而不见”的。的。热释电传感器的感热释电传感器的感应范围应范围2023-1-1220热释电感应灯热释电感应灯热释电传热释电传感器感器2023-1-1221自动感应灯自动感应灯(参考施特朗公司资料)(参考施特朗公司资料)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 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人,微出屋内是否有人,微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量,以达空调的出风量,以达到节能的目的。到节能的目的。空调中,热释电传感器的菲涅尔空调中,热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状,从而能
12、感受到屋内透镜做成球形状,从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人,以及人一定空间角范围里是否有人,以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上下范围上下范围左右范围左右范围问题思考:自动门如何探测人的靠近?问题思考:自动门如何探测人的靠近?2.光子探测器光子探测器 光子探测器的工作机理是:利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用,从而改变电子的能量状态,引起光子效应。根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。通过光子探测器测量材料电子性质的变化,可以确定红外辐射的强弱。n光子探测器只要采用光电传感器,分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电伏特元件等几类。n光子探测器的主要特点
13、是灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应频率,但探测波段较窄,一般在低温下工作。飞利浦新开发的光子探测器检测技术检测技术第第1010章章 辐射与波式传感器辐射与波式传感器10.1 10.1 红外传感器红外传感器 以以红外线为测量介质红外线为测量介质的系统称为红外传感系统,按照的系统称为红外传感系统,按照功能可以分成五类:功能可以分成五类:(1)温度计和辐射计温度计和辐射计,用于温度、辐射和光谱测量;,用于温度、辐射和光谱测量;(2)搜索和跟踪系统搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定,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;其空间位置并对它的运动进行跟踪;(3)热成像系
14、统热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像;,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红外测距和通信系统;(5)混合系统混合系统,由以上各类系统中的两个或者多个组合,由以上各类系统中的两个或者多个组合而成。而成。检测技术检测技术第第1010章章 辐射与波式传感器辐射与波式传感器典型的红外传感系统典型的红外传感系统 (5)红外探测器红外探测器:它是红外传感系统的核心,利用红外辐射:它是红外传感系统的核心,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,与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射,按照工作原理分为光敏探测器和热敏探测器两类。按照工作原理分为光敏
15、探测器和热敏探测器两类。(6)探测器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,: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,探测器可所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷,探测器可以缩短响应时间,提高灵敏度。以缩短响应时间,提高灵敏度。(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,并从中:将探测的信号进行放大、滤波,并从中提取出有用的信息。然后将这些信息转化为适当的格式,提取出有用的信息。然后将这些信息转化为适当的格式,传送到控制设备或者显示器中。传送到控制设备或者显示器中。(8)显示设备显示设备:它是红外传感系统的终端设备,常用的有示:
16、它是红外传感系统的终端设备,常用的有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。红外传感器的应用1.红外测温仪红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时,它向外辐射的不再是可见光而是红外光了,可用红外探测器检测其温度。n图中的光学系统是一个固定焦距的透视系统,滤光片一般采用只允许814um的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动,将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射线。红外探测器一般为热释电探测器,透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外通过透镜聚焦在红外探测器上,红外探测器将红外
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