红外传感器论文

苏 州 科 技 学 院

科 目：传感器技术与应用

课程论文：红外传感器

专 业：电子信息科学与技术

班 级：电科1012

组 员：杨力 1020108220

高翔 1020108204

日 期： 2013 / 5 / 13

摘要 .................................................................................................................................................. 1

一：引言 .......................................................................................................................................... 1

二：红外传感器的综述................................................................................................................... 1

2.1 红外传感器定义............................................................................................................... 1

2.2 红外传感器分类............................................................................................................... 1

2.3 红外传感器的行业前景................................................................................................... 2

三：红外传感器原理及其特性介绍 . .............................................................................................. 2

3.1 红外传感器原理 ............................................................................................................... 2

3.2 红外传感器系统............................................................................................................... 3

3.3 红外传感器的主要物理量............................................................................................... 3

3.4 红外传感器特点 ............................................................................................................... 4

3.5 可测量的物理量............................................................................................................... 4

四：红外辐射原理 .......................................................................................................................... 4

4.1 红外辐射 .......................................................................................................................... 5

4.2 红外辐射源....................................................................................................................... 5

五：红外传感器的应用................................................................................................................... 5

5.1 红外避障技术................................................................................................................... 5

5.1.1 红外避障原理....................................................................................................... 5

5.1.2 以E18-D80NK-N 为例 .......................................................................................... 6

5.2 夜视技术 .......................................................................................................................... 6

5.3 红外测距 .......................................................................................................................... 8

5.3.1 红外测距传感器概述........................................................................................... 8

5.3.2 红外测距传感器工作原理 . .................................................................................. 8

5.3.3 红外测距传感器的特点 . ...................................................................................... 8

5.3.4 红外测距传感器应用 . .......................................................................................... 8

5.3.5 Sharp测距传感器介绍........................................................................................ 9

5.4 红外探测器..................................................................................................................... 11

5.4.1 热探测器............................................................................................................. 11

5.4.1.1 热释电 . .................................................................................................... 11

5.4.1.2 热释电效应 . ............................................................................................ 12

5.4.1.3 建议改进措施 . ........................................................................................ 14

5.4.2 光子探测器......................................................................................................... 16

5.5红外无损探伤.................................................................................................................. 16

5.6 红外测温仪..................................................................................................................... 16

5.7 红外气体分析仪............................................................................................................. 17

5.7.1 红外气体分析仪简介 . ........................................................................................ 17

5.7.2 以英国DYNAMENT 公司生产的气体红外传感器为例 . ...................................... 19

六：结语 ........................................................................................................................................ 22

摘要

在科技高度发达的今天，自动控制和自动检测在人们的日常生活和工业控制所占的比例也越来越重，使人们的生活越来越舒适，工业生产的效率越来越高。而传感器是自动控制中的重要组成部件，是信息采集系统的重要部件，通过传感器将感受或响应的被测量转换成适合输送或检测的信号（一般为电信号），再利用计算机或者电路设备对传感器输出的信号进行处理从而达到自动控制的功能，由于传感器的响应时间一般都比较短，所以可以通过计算机系统对工业生产进行实时控制。红外传感器是传感器中常见的一类，由于红外传感器是检测红外辐射的一类传感器，而自然界中任何物体只要其稳定高于绝对零度都将对外辐射红外能量，所以红外传感器称为非常实用的一类传感器，利用红外传感器可以设计出很多实用的传感器模块，如红外测温仪，红外成像仪，红外人体探测报警器，自动门控制系统等。

关键词：红外传感器、原理、应用

一：引言

宇宙间的任何物体只要其温度超过零度就能产生红外辐射，事实上同可见光一样，其辐射能够进行折射和反射，这样便产生了红外技术, 利用红外光探测器因其独有的优越性而得到广泛的重视，并在军事和名用领域得到了广泛的应用。军事上，红外探测用于制导、火控跟踪、警戒、目标侦察、武器热瞄准器、舰船导航等；在名用领域，广泛应用于工业设备监控、安全监视、救灾、遥感、交通管理以及医学诊断技术等。

二：红外传感器的综述

2.1 红外传感器定义

红外线传感器(infrared transducer)是用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。它是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线。工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为：近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

2.2 红外传感器分类

⑴按功能分：

①辐射计，用于辐射和光谱的测量

②搜索和跟踪系统，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

③热成像系统，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

⑤混合系统，是指以上各类系统两个或两个以上的组合

⑵按探测机理分

①光量子探测器（基于光电效应）

②热探测器（基于热效应）

2.3 红外传感器的行业前景 红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量, 气体成分分析, 无损探伤, 热像检测, 红外遥感以及军事目标的侦察, 搜索, 跟踪和通信等. 红外传感器的

应用前景随着现代科学技术的发展, 将会更加广阔. 在将来的发展中, 主要在红 外传感器的性能和灵敏度将会二较大的提高. 发展趋势主要有:

(1)智能化. 目 前的红外传感器主要结合外围设备来使用, 而智能传感器内置微处理器, 能够实现传感器与控制单元的双向通信, 具有小型化, 数字通信, 维护简单等优点, 能 够单独作为一个模块独立工作.

(2)微型化. 传感器微型化一个必然趋势. 现在 应用中, 由于红外传感器的体积问题, 导致其使用程度远不如热电隅来的好. 所 以红外传感器微型化便携与否对其发展前途的影响是不可忽略的.

(3)高灵敏度 及高性能. 在医学上, 人体体温测试方面, 红外传感器因测量的快速性而得到了 相当的应用, 但局限于其准确度不高而没办法取代现有的体温测量方法. 因此, 红外传感器高灵敏度及高性是其未来发展的必然趋势.

虽然现阶段的红外传感器还有很多的不足, 但红外传感器已经在现代化的生 产实践中发挥着它的巨大作用, 随着探测设备和其他部分的技术的提高, 红外传 感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度, 也将有更广阔的应用范围.

三：红外传感器原理及其特性介绍

3.1 红外传感器原理

红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长(或频率) 的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率) 排成如下图所示的波谱图，称之为电磁波谱。

电磁波波谱图

从图中可以看出，红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在0.76—600μ

m 之间(称为红外区) 。而红外区通常又可分为近红外(0.73～1.5μm) 、中红外(1.5一l0μm) 和远红外(10μm 以上) ，在300μm 以上的区域又称为“亚毫米波”。近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。 3.2 红外传感器系统

①待测目标

根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

②大气衰减

待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

③光学接收器

它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。 对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

④红外探测器

这是红外系统的核心。它是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的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

⑤探测器制冷器

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，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

⑥信号处理系统。

将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

⑦显示设备。

这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

3.3 红外传感器的主要物理量

(1)响应率

所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比

U 0

P 式中 r — 响应率(V/W)；U0 — 输 r

出电压(V)；P — 红外辐射功率

(W)。

(2) 响应波长范围

红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系，如右图所示。曲线①为热敏探测器的特性。热敏红外探测器响应率r 与波长λ无关。光电探测器的分谱响应如图中线②所示。

λP 对应响应峰值rP ，rP /2于对应为截止波长λc 。

(3) 噪声等效功率(NEP)

若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率(NEP)。噪声等效功率是一个可测量的量。

设入射辐射的功率为P ，测得的输出电压为U0，然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN ，则按比例计算，要使U0＝UN ，的辐射功率

U P =N

U 0r (4) 探测率 U N

经过分析，发现NEP 与检测元件的面积S 和放大器带宽Δf 乘积的平方根成正比， NEP =比例系数的倒数称为探测率D*。即

S ∆f r =S ∆f (Hz /W ) NEP U N

D*实质上就是当探测器的敏感元件具有单位面积、放大器的带宽为lHz 时的辐射D *=所获得的信噪比。

(5)响应时间

红外探测器的响应时间就是加入或去掉辐射源的响应速度响应时间，而且加入或去掉辐射源的响应速度响应时间相等。红外探测器的响应时间是比较短的。

3.4 红外传感器特点

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点

3.5 可测量的物理量

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。 四：红外辐射原理

4.1 红外辐射

红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围大致在0.76-1000 μm 之间，对应的频率大致在4×104 至3×1011Hz 之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外4 个部分。

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。红外线作为电磁波的一种形式，红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，即C=λ*f。

物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单

位面积辐射的总能量E 为

E =σεT 4

T ——物体的绝对温度(K )

σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·k4)

ε——比辐射率，黑体的ε＝1

4.2 红外辐射源

发射红外电磁波的物体和器件，皆称为红外辐射源。它通常分为以下几类

①标准辐射源，包括绝对黑体模型、能斯脱灯和硅碳棒等，常用于实验室中红外仪器和系统标定；

②工业用辐射源，包括碳弧灯、钨灯、发电光辐射器、电加热的杆状和面妆辐射器、气体加热辐射器；

③自然红外源，包括太阳、月球、行星等

④发光二极管和半导体激光器、固体和气体激光器

⑤红外装置或系统需要探测的辐射源，包括飞机发动机。机壳或尾喷管的辐射源等

五：红外传感器的应用

红外传感器的应用非常广泛，可以做成红外测温系统、红外成像系统、红外分析、和报警与控制系统。

5.1 红外避障技术

5.1.1 红外避障原理

红外避障传感器（以下简称红外）。红外具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之

后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。

5.1.2 以E18-D80NK-N 为例

E18-D80NK-N 是E18-D80NK 的升级版。改动部分主要是内部电路板和外部连线。传感器外部接线，

在末端增加了杜邦头，方便用户使用。

E18-D80NK-N 这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射

光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测80 厘米距

离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同；白色物体最远，黑色物

体最近）。

检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。

该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。

电气特性：

红色：VCC ；黑色：GND ；黄色：OUT 。

工作电压：5VDC

工作电流：10-15mA

驱动电流：100mA

感应距离：3-80CM

机械特性：

颜色：橙黄色

直径:18mm

长度:45mm 引线长度:20cm，带杜邦头 5.2

夜视技术

红外夜视技术分为主动红外夜视技术和被动红外夜视技术。主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外源的红外光来实施观察的夜视技术，对应装备为主动红外夜视仪。被动红外夜视技术是借助于目标自身发射的红外辐射来实现观察的红外技术，它根据目标与背景或目标各部分之间的温差或热辐射差来发现目标。其装备为热像仪。热成像仪具有不同于其它夜视仪的独特优点，如可在雾、

雨、雪的天气下工作，作用距离远，能识别伪装和抗干扰等，已成国外夜视装备的发展重点，并将在一定成度上取代微光夜视仪。

①主动红外像转换技术（近红外区）

这种技术是利用光电图像转换原理来实现夜间观察的。这类仪器包括红外光源和含有变像管的夜视镜两大部分。红外光源照射目标，夜视镜将不可见光红外像转换成可见像。这类技术于三十代末期开始研究，二战中得到发展与应用。装有主动红外夜视仪的步枪瞄准镜广泛地用于太平洋战场上。六十代前后，该技术趋于成熟，观察距离可达3000米，后广泛装备部队，但因其具有灵敏度低、热发射大、耗电多、体大、量重、观察距离有限以及易于暴露的致命弱点，因此，逐渐被以后发展的夜视技术所取代，现在只有少数国家有小数量的装备。② 被动红外夜视技术（中、远红外区）

红外热像仪是一种最有发展前途的红外探测器，代表着夜视器材的发展方向。它采用一种内光电效应半导体器件作探测器，将景物的辐射图像转换成电荷图像，经信息处理后，由显示器件转换成可见图像。一些典型型号包括：

美国Raytheon 系统公司为美陆军研制的ANS/PAS-13 型" 热力武器瞄准器（TWS ）" 是乞今为止最为先进的被动红外夜视设备 ，这是一种使用第二代前视红外技术的热成像瞄准系统。这种系统使用的技术包括：用于小型望远镜远距离目标获取的高灵敏度碲化镉焦平面技术；以高级塑料作外壳的轻质、高传输率二元光学部件；小体积、低功耗的超大规模集成电路（VLSI ）电子部件；无声操作、高可靠性、拇指大小的热电致冷器；

目前，微光夜视仪在国外正广泛装备部队。它分为像增强微光夜视技术（直接观察）和微光电视（间接观察）两种。

①像增强技术

像增强微光夜视技术是通过带增强管的夜视镜，对夜天光照亮的微弱目标像进行增强，以供观察的光电成像技术。其工作原理为：首先将进行光电转换，然后用微通道版（MCP ）增强电子信号，最后进行电光转换。

在50-60年代，由于多碱光电阴极、光纤面板、微通道板（MCP ）和负电子亲和力（NEA ）光电阴极的诞生，该技术迅速发展起来。由于它克服了主动红外夜视的致命弱点，所以，它一出现，便成为夜视领域的发展重点。它逐渐代替了较早应用的主动红外夜视技术，占据着统治地位。迄今为止，已发展到第三代。第一代产品于60年代初期开始发展，它采用光电阴极、光纤面板耦合的级联式像增强管，1966年美军在侵越战场使用，于70年进行批量生产，装备部队。第二代产品于七十年代初期开始发展，采用多碱光电阴极和微通道板（MCP ）的像增强管，目前，美、英、法、德、荷兰、以色列等许多技术先进国家都能生产第二代产品，自80年代以后，这些国家基本上用第二代取代了第一代产品。第三代产品于70年代初期开始研究，自80年代末美军开始装备，美国研制的第三代产品目前只限于向北约、韩国、日本、以色列和澳大利亚出售。

②微光电视

微光电视是像增强管和电视摄像管相结合的微光夜视系统。它诞生于四十年代，七十年才迅速发展起来。它具有成像面积大、直观性强、连续性、远距离多点多人观察等优点，目益广泛地用于监视、侦察、探测、制导、跟踪等方面， 国外已装备30余 种。典型产品有法国的坦克用的 "卡纳斯特 "微光电视系统 、美国的直机用UVR-700 型昼夜两用电视跟踪系统、英国的海军用 V0084型微光电视系统 、瑞士的2704型远距离 ( 观察距离为10公里 ) 微光电视摄像机等 。

目前的微光夜视装置仅能提供单色的图像，而利用彩色图像会有助于目标 识别，使识别速度提高30 %，识别错误减少60%， 因此彩色微光夜视技术已受到关注。 美国Delft 传感器系统公司采用光谱响应不同的两只像增强器管观察同一场景，利用它们间的差别，通过滤光和特殊的电子处理技术，来产生彩色图像。

麻省理工学院林肯实验室则将微光图像和红外热像相结合，产生彩色图像。林肯实验室设计的小型彩色夜视系统采用与三代像增强器耦合的电荷耦合器件（CCD ）获得微光图像，又用非致冷热成像阵列获得红外热像，然后用二向色分光镜进行匹配和图像处理器处理，在液晶显示器上显示出逼真的彩色图像。

美国伍德监视技术公司研制出全彩色夜视摄像机。该摄像机的每一个原色有一个增强型CCD 芯片，并采用了视频增强技术，从而获得了类似于广播级摄像机的彩色图像。

俄罗斯的喀山光学和机械厂正在研制的彩色夜视系统，可将接收的不 同的红外频率转换彩色图像，估计几年后可推入市场。

5.3 红外测距

5.3.1 红外测距传感器概述

红外测距传感是用红外线为介质的测量系统，按照功能可分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，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；（3）热成像系统，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；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 按探测机理可分成为光子探测器和热探测器。红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。

5.3.2 红外测距传感器工作原理

红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用的红外测距传感器LDM301发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用CCD 图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。测量距离远，很高的频率响应，适合于恶劣的工业环境中。 [1]

5.3.3 红外测距传感器的特点

（1）远距离测量，在无反光板和反射率低的情况下能测量较远的距离；

（2）有同步输入端，可多个传感器同步测量；

（3) 测量范围广，响应时间短；

（4) 外形设计紧凑，易于安装，便于操作；

5.3.4 红外测距传感器应用

近期来全球自然灾害频发，像近期的四川、智利的大地震、日本海啸，严重影响人类生命安全，而二次灾难又对营救者带来了极大的风险，这时搜救机器人就可以很好的代替营救者来搜救被困人群。传感器是搜救机器人不可缺少的器件，机

[2]器人上有很多种传感器，其中就有红外测距传感器。

运动能力、感知能力、通讯能力和作业能力等几个方面能力是搜救机器人必须具备的。搜救机器人的通讯作业能力需要依靠机器人良好的运动能力和感知能力，而机器人的运动能力和感知能力是建立在传感器的有效发挥上的。红外传感器在搜救机器人上的应用相当于人眼的功能，利用的红外测距传感器发射出一束红外光，在照射到物体后形成一个反射的过程，反射到传感器后接收信号，然后利用图像处理接收发射与接收的时间差的数据。经信号处理器处理后计算出物体的距离。这不仅可以使用于自然表面，也可用于加反射板。测量距离远，很高的频率

响应，适合于恶劣的工业环境中。

机器人一只是近年来的热点，机器人能做许多人所不能的事，尤其是在面临大灾难后的搜救工作时，机器人就发挥出巨大的作用，机器人的功能是在传感器的基础上发展出来的，所以只有先进的传感器技术才能制作出高性能的机器人。

5.3.5 Sharp测距传感器介绍

Sharp 开发了很多种红外距离传感器。这些传感器不但体积小，功耗也很低。 ⒈工作原理：

Sharp 的红外传感器都是基于一个原理，三角测量原理。红外发射器按照一定的 角度发射红外光束，当遇到物体以后，光束会反射回来，如图1 所示。反射回 来的红外光线被CCD 检测器检测到以后，会获得一个偏移值L ，利用三角关系，

在知道了发射角度a ，偏移距L ，中心矩X ，以及滤镜的焦距f 以后，传感器到 物体的距离D 就可以通过几何关系计算出来了。

图1：三角测量原理

可以看到，当D 的距离足够近的时候，L 值会相当大，超过CCD 的探测范围，这 时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到了。当物体距离D 很大时，L 值就 会很小。这时CCD 检测器能否分辨得出这个很小的L 值成为关键，也就是说CCD 的分辨率决定能不能获得足够精确的L 值。要检测越是远的物体，CCD 的分辨 率要求就越高。

⒉非线性输出：

Sharp GS2XX 系列的传感器的输出是非线性的。每个型号的输出曲线都不同。所 以，在实际使用前，最好能对所使用的传感器进行一下校正。对每个型号的传感 器创建一张曲线图，以便在实际使用中获得真实有效的测量数据。下图是典型 的Sharp GP2D12 的输出曲线图。

Sharp GP2D12 输出曲线

上图中，可以看到，当被探测物体的距离小于10cm 的时候，输出电压急剧下 降，也就是说从电压读数来看，物体的距离应该是越来越远了。但是实际上并 不是这样的，想象一下，你的机器人本来正在慢慢的靠近障碍物，突然发现障碍 物消失了，一般来说，你的控制程序会让你的机器人以全速移动，结果就是，" 砰" 的一声。当然了，解决这个方法也不是没有，这里有个小技巧。只需要改变

一下传感器的安装位置，使它到机器人的外围的距离大于最小探测距离就可以 了。

图3：可以避免探测误差的安装图示

⒊型号对比：

目前Sharp 的红外线传感器有如下几种类型：

GP2D02 （串口输出）探测范围10cm-80cm

GP2D05 （数字输出）探测范围固定的24cm

GP2D12 （模拟输出）探测范围10cm-80cm

GP2D15 （数字输出）探测范围24cm

GP2D120 （模拟输出）探测范围4cm-30cm

GP2YOAO2YK （模拟输出）探测范围20cm-150cm

GP2Y0D02YK （数字输出）探测范围80cm

所有的模拟输出，其输出电压和距离成反比，数字输出只能检测在范围内物体是

存在还是不存在，而不能提供距离的检测。

⑷芯片接法

5.4 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。

5.4.1 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的红外辐射。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。但热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广泛。

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

5.4.1.1 热释电

热释电红外传感器简称热释电传感

器，通常用字母“PIR ”表示。热释

电红外传感器是一种非常有应用潜

力的传感器。它能检测人或某些动物

发射的红外线并转换成电信号输出。

早在1938 年，有人就提出利用热释

电效应探测红外辐射，但并未受到重

视。直到六十年代，随着激光、红外

技术的迅速发展，才又推动了对热释

电效应的研究和对热释电晶体的应

用开发。近年来，伴随着集成电路技

术的飞速发展，以及对该传感器的特

性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。

5.4.1.2 热释电效应

当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1 表示了热释电效应形成的原理。

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 等) 、压电陶瓷（PZT 等）及高分子薄膜（PVFZ 等）。下图为热释电内部电路图

热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物

或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV 。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ 会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT ，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。 热释电红外传感器的结构及内部电路见图2 所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT 、场效应管FET 等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm 多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm 以下）可很好滤除。热释电元件PZT 将波长在8mm~12mm 之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用

菲涅耳透镜（图3）根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR 上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR 上产生变化热释红外信号，这样PIR 就能产生变化电信号。如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。

5.4.1.3 建议改进措施

1 从安装上消除误报率

红外线热释电传感器只能安装也有限定，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：

（1）红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。

（2）红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。

（3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

（4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。

⒉ 利用菲涅耳原理提高热释电红外传感器的敏感度

菲涅耳透镜（图3）根据菲涅耳原理制成，利用透镜的特殊光学原理，把红外光线分成可见区和盲区，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。由此可知，热释电红外传感器应与非涅尔透镜配合使用，才能提高其灵敏度。

⒊消除干扰

红外线本身发出的是几乎恒频的电磁波，除此之外为了抗干扰或避免互相干扰，要对其进行调制，一次调制是恒频的载波，若要是分辨出具体指令，还需要用指令信号对载波进行调制，其实是二次调制了。此处可以具体问题，具体调制。 ⒋ 增加光谱选择性

热释电红外传感器的工作原理为热电晶体的热释电效应。（由于热释电探测器的性能随着热量的下降而降低，所以良好的热绝缘结构是制作高性能热释电探测器的关键，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，）就热释电传感器器来说，响应时间较长，，但相应来说响应速度慢。为毫秒级，峰值探测率低，由于响应波段较宽，且没有光谱

选择性，所以需加滤光片，用来解决既定问题。

虽然被动式热释电红外探头有些缺点，但是利用特殊信号处理方法后，仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景因此，有很多生产商根据PIR 传感器的特性设计了专用信号处理器，比如HOLTEK HT761X 、PTI PT8A26XXP 、WELTREND WT8072,BISS0001。本文此处对PTI （百利通电子有限公司）专用芯片PT8A26XXP 作一个应用实例的介绍，用以对其信号缺陷方面的改进措施作具体阐述。

图4阴影部分是PIR 信号处理部分，有两个运算放大器、一个窗口比较器、一个稳压器、一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖处理结果的控制部分，这里重点介绍PIR 信号处理部分，控制部分就简单略过。由于PIR 信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步处理，具体处理步骤如下： ①滤波放大

普通PIR 传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益72.5dB ，通带0.3Hz~7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、放大器和比较器供电。

②窗口比较器

经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数字脉冲信号。

③噪声抑制数字信号处理

根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研究，用固定时间内计脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源

（16kHz ）。具体判别方法如下[5]：判别操作限制在2s 内；脉冲宽度低于24ms 的都算作噪声，不予处理；单个有效脉冲：宽度必须大于340 ms ；双脉冲，其中宽的必须大于160ms ，窄的大于24ms ；三个脉冲有效，每个都必须大于24ms 。经过上述三步处理后就能准确、可靠地判断人体信号。根据具体应用场合实现既定控制，例如报警器自动告警，自动开启某个设备。 PT8A26XX 系列主要是用于自动延时开关，其中延时可调，还可设定白天不工作。另外其它几个公司处理器功

能都基本类似，在节能领域应用较广。

5.4.2 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，引起各种电学现象——这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。

5.5红外无损探伤

红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷, 对部件结构无任何损伤. 例如, 检查两块金属板的焊接质量, 利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺 焊; 为了检测金属材料的内部裂缝, 也可利用红外探伤仪.

将红外辐射对金属板进行均匀照射, 利用金属对红外辐射的吸收与缝隙(含 有某种气体或真空) 对红外辐射的吸收所存在的差异, 可以探测出金属断裂空 隙. 当红外辐射扫描器连续发射一定波长的红外光通过金属板时, 在金属板另一 侧的红外接收器也同时连续接收到经过金属板衰减的红外光; 如果金属板内部无 断裂, 辐射扫描器在扫描过程中, 红外接收器收到的是等量的红外辐射; 如果金 属板内部存在断裂, 红外接收器在辐射扫描器在扫描到断裂处时所接收到的红外 辐射值与其他地方不一致, 利用图像处形技术, 就可以显示出金属板内部缺陷的 形状.

5.6 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。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。

图12 - 2是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、 机、电一体化的红外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许8～14 μm 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线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。 被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。

红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、 温度补偿、线性化、发射率（ε）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器， 利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路， 提高了仪表的稳定性、 可靠性和准确性。 红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。 反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、 铝、 镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料

5.7 红外气体分析仪

5.7.1 红外气体分析仪简介

红外线气体分析仪, 是利用红外线进行气体分析" 它基于待分析组分的浓度不 同, 吸收的辐射能不同, 剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同, 动片薄膜两 边所受的压力不同, 从而产生一个电容检测器的电信号" 这样, 就可间接测量出待 分析组分的浓度" 根据红外辐射在气体中的吸收带的不同, 可以对气体成分 进行分析. 例如, 二氧化碳对于波长为 2.7μm,4.33μm 和 14.5μm 红外光吸 收相当强烈, 并且吸收谱相当的宽, 即存在吸收带. 根据实验分析, 只有 4.33 μm 吸收带不受大气中其他成分影响, 因此可以利用这个吸收带来判别大气中 CO2 的含量.

二氧化碳红外气体分析仪由气体(含 CO2 )的样品室, 参比室(无 CO2 ),斩光 调制器, 反射镜系统, 滤光片, 红外检测器和选频放大器等组成. 测量时, 使待测气体连续流过样品室, 参比室里充满不含 CO2 的气体(或 CO2 含量已知 的气体) .红外光源发射的红外光分成两束光经反射镜反射到样品室和参比室, 经反射镜系统, 这两束光可以通过中心波长为 4.33μm 的红外光滤色片投射到 红外敏感元件上. 由于斩光调制器的作用, 敏感元件交替地接收通过样品室和参 比室的辐射. 若样品室和参比室均无 CO2 气体, 只要两束辐射完全相等, 那么 敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射, 因此, 敏感元件只有直流响应, 交流选频放大器输出为零. 若进入样品室的气体中含有 CO2 气体, 对 4.33μm 的辐射就有吸收, 那么两束辐射的通量不等, 则敏感元件所接收到的就是交变辐 射,

这时选频放大器输出不为零. 经过标定后

, 就可以从输出信号的大小来推测

CO2 的含量

上图所示结构中还设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影

响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO 气体和CO2在4～5 μm 波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO 气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO ）的浓度有关。 现在气体红外测量比较有名的器件是英国Dynament 公司生产的PREMIER 传感器 红外吸收原理检测器是利用比耳-朗格红外吸收定律，即不同气体对特定波长的光有吸收，吸收的强度和气体的浓度成正比。

红外原理检测器包括红外光源发射和红外光线的接受两部分以及外围处理电路组成，各个生产厂家设计的不同思路，有对射式（一个发射和一个接收两个部分）和反射式（通过光学反射镜将发射出去的光线反射回来在同一部件中）

5.7.2 以英国DYNAMENT 公司生产的气体红外传感器为例

①工作过程简介

从图中可以看出随着浓度的增加在一段波长范围内红外输出不断减低，这样可以根据红外输出测出气体浓度

②红外光谱的获得

1． 光学棱镜分光

2. 晶体滤光片分光（非色散分光原理）

③非色散红外原理NDIR(non dispersive infrared)传感器

最近几年才面世的一种新的技术。它大大减低了利用红外原理检测可燃性气体和CO2气体的成本，也使得红外原理检测器在检测可燃性气体领域的推广成为以后实际应用的一种方向

非色散红外原理是利用滤光片把红外光分成需要的一个很小波段的光线，被检测的气体是对这个很小波段的光谱线的吸收。这样的传感器一般包括：一个红外发射光源。光通路（吸收区）、两个滤光分片（1个检测被测气体需要的光波段、1个作为不被被测气体吸收的参比光谱波段）、接受转换器

④红外传感器的插脚定义

⑤催化燃烧原理，与红外原理检测仪的对比

六：结语

可见，传感器在科学技术领域、工农业成产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出越来越高的要求发展的强大动力。而现代科学技术突飞猛进则提供了将强的后盾。二十一世纪，人们一方面通过提高与改善传感器技术性能，另一方面通过寻找新原理，新材料，新工艺及新功能来改善传感器。而红外传感器作为其中的一部分也必将得到快速的发展。