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紅外技術已經眾所周知,這項技術在現代科技、國防科技和工農業科技等領域得到了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統,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,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,可產生整個目標紅外輻射的分布圖像;(4)紅外測距和通信系統;(5)混合系統,是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。

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

根據待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。

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,將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。

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。

輻射調制器

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

紅外探測器

這是紅外系統的核心。它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器,多數情況下是利用這種相互作用所呈現出的電學效應。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,所以相應的系統必須有制冷設備。經過制冷,設備可以縮短響應時間,提高探測靈敏度。

信號處理系統

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

顯示設備

這是紅外設備的終端設備。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,紅外系統就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統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生變化。檢測其中某一性能的變化,便可探測出輻射。多數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,可以通過適當的變換后測量相應的電量變化。

圖上所示為歐姆龍公司生產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。

紅外傳感器已經在現代化的生產實踐中發揮著它的巨大作用,隨著探測設備和其他部分的技術的提高,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)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新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出,傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高,各國將競相加速新一代傳感器的開發和產業化,競爭也將日益激烈。新技術的發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:二是將探測區內分為若干個明區和暗區,使進入探測區的移動物體(人)能以溫度變化的形式在PIR上產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,經由它對增益進行補償,增加其靈敏度。輸出信號可用來驅動電子開關,實現LED照明電路的開關控制。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秒內自動開啟與關閉。適用于任何一種室內應用,如走廊、儲藏室、樓梯和大廳入口處。

紅外輻射的本質

紅外輻射的本質是熱輻射。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,進而使某些有關物理參數發生變化,通過測量物理參數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,引起各種電學現象。