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紅外技術(shù)已經(jīng)眾所周知,這項技術(shù)在現(xiàn)代科技、國防科技和工農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng),按照功能能夠分成五類:(1)輻射計,用于輻射和光譜測量;(2)搜索和跟蹤系統(tǒng),用于搜索和跟蹤紅外目標,確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤;(3)熱成像系統(tǒng),可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像;(4)紅外測距和通信系統(tǒng);(5)混合系統(tǒng),是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。

紅外傳感器根據(jù)探測機理可分成為:光子探測器(基于光電效應)和熱探測器(基于熱效應)。

根據(jù)待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。

大氣衰減

待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時,由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收,將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。

光學接收器

它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線,常用是物鏡。

輻射調(diào)制器

對來自待測目標的輻射調(diào)制成交變的輻射光,提供目標方位信息,并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器,它具有多種結(jié)構(gòu)。

紅外探測器

這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器,多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

探測器制冷器

由于某些探測器必須要在高溫下工作,所以相應的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷,設(shè)備可以縮短響應時間,提高探測靈敏度。

信號處理系統(tǒng)

將探測的信號進行放大、濾波,并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式,最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

顯示設(shè)備

這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。

依照上面的流程,紅外系統(tǒng)就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器,按照探測的機理的不同,可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。

熱探測器是利用輻射熱效應,使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高,進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化,便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射,引起非電量的物理變化時,可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應的電量變化。

圖上所示為歐姆龍公司生產(chǎn)的漫反射式和對射式光電傳感器,這兩種傳感器主要用于事件檢測和物體定位。圖中的紅燈和綠燈表示傳感器的狀態(tài)。

紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著它的巨大作用,隨著探測設(shè)備和其他部分的技術(shù)的提高,紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。

一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大,分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(MICRO-ELECTRO-MECHANICALSYSTEMS,微機電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中,無線傳感器在2007-2010年復合年增長率預計會超過25%。

全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出,傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高,各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,競爭也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場,比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場份額的擴大。

1、將紅外線一部份變換為熱,藉熱取出電阻值變化及電動勢等輸出信號之熱型。

2、利用半導體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因PN 接合之光電動勢效果的量子型。

熱型的現(xiàn)象俗稱為焦熱效應,其中最具代表性者有測輻射熱器 (THERMAL BOLOMETER),熱電堆(THERMOPILE)及熱電(PYROELECTRIC)元件。

熱型的優(yōu)點有:可常溫動作下操作,波長依存性(波長不同感度有很大之變化者)并不存在,造價便宜;

缺點:感度低、響應慢(MS之譜)。

量子型 的優(yōu)點:感度高、響應快速(ΜS 之譜);

缺點:必須冷卻(液體氮氣) 、有波長依存性、價格偏高;

紅外線傳感器特別是利用遠紅外線范圍的感度做為人體檢出用,紅外線的波長比可見光長而比電波短。紅外線讓人覺得只由熱的物體放射出來,可是事實上不是如此,凡是存在于自然界的物體,如人類、火、冰等等全部都會射出紅外線,只是其波長因其物體的溫度而有差異而已。人體的體溫約為36~37°C,所放射出峰值為9~10微米的遠紅外線,另外加熱至400~700°C的物體,可放射出峰值為3~5微米(不是MM)的中間紅外線。

菲涅爾透鏡有兩個作用:一是聚焦作用,即將熱釋紅外信號折射在PIR上:二是將探測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū),使進入探測區(qū)的移動物體(人)能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號。一般還會匹配低噪放大器,當探測器上的環(huán)境溫度上升,尤其是接近人體正常體溫(37℃)時,傳感器的靈敏度下降,經(jīng)由它對增益進行補償,增加其靈敏度。輸出信號可用來驅(qū)動電子開關(guān),實現(xiàn)LED照明電路的開關(guān)控制。這是一款E27標準螺口燈頭的燈具,它的電源適用范圍是 AC180V-250V (50/60HZ), 紅外傳感器檢測范圍大約在3M-15M,它的標準產(chǎn)品 IFS-BULB 3W燈具達80 LM ,5W燈具達140 LM 。在LED光源模塊的中央部分嵌入紅外線傳感器。一旦紅外傳感器檢測到人的體溫,LED電燈泡將會在50秒內(nèi)自動開啟與關(guān)閉。適用于任何一種室內(nèi)應用,如走廊、儲藏室、樓梯和大廳入口處。

紅外輻射的本質(zhì)

紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射。以波的形式在空間直線傳播,真空中以光速傳播當物體溫度低于1000℃時,向外輻射的不再是可見光,而是紅外光紅外線在通過大氣層時, 有三個波段透過率高, 它們是2~2.6 ΜM、3~5 ΜM和8~14 ΜM。其波段如圖所示:

紅外探測器

紅外探測器分為熱探測器和光子探測器兩種。

1、熱探測器

利用紅外輻射的熱效應,探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高,進而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生變化,通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。

2、光子探測器

利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用,從而改變電子的能量狀態(tài),引起各種電學現(xiàn)象。