浅谈红外线传感器的原理与应用第一章绪论• 1.1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，并在军事和民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、目标侦查、武器热瞄准器、舰船导航等；在民用领域，广泛应用与工业设备监控、安全监视、救灾、遥感、交通管理以及医学诊断技术等。

红外探测就是用仪器接受被探测物发出或者反射的红外线，从而掌握被测物所处位置的技术。

作为红外探测系统的核心期间，红外传感器（也称为红外探测器）的研究成为一个热点。

第二章红外传感器控制的理论依据• 2.1红外传感器概念•定义：红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件。

• 2.22红外传感系统分类•红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：•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。

• 2.23红外光简介•红外光是太阳光谱的一部分，红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。

红外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。

红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。

•不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。

红外辐射的物理本质是热辐射。

物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。

研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。

第三章红外线传感器的工作原理• 3.1红外线传感器分类及其原理•红外线传感器依动作可分为：•(1)将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。

•(2)利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN接合之光电动势效果的量子型。

热型的现象俗称为焦热效应，其中最具代表性者有测辐射热器，热电堆及热电元件。

•利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。

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。

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。

•红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。

检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。

热敏元件应用最多的是热敏电阻。

热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

• 3.2红外传感器•红外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•人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

其中红光的波长范围为0。

62～0。

76μm；紫光的波长范围为0。

38～0。

46μm。

比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。

• 3.21人体热释电红外传感器和应用介绍被动式热释电红外探头的工作原理及特性•一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。

•1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。

所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。

•2)为了仅仅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尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

•3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。

而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

•4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处3.22照相机中的红外线传感器•夜视功能红外夜视，就是在夜视状态下，数码摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，关掉红外滤光镜，不再阻挡红外线进入CCD，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。

索尼数码摄像机首创了红外线夜视摄影功能，能够在全黑环境下进行拍摄，甚至连肉眼也不能分辨清楚的物体，现在也可以清晰地拍摄下来。

这种夜视的特点是可以在完全没有光线的条件下进行拍摄，但由于采用的是红外摄影，无法进行彩色的还原，所以拍摄出来的画面是单色的，影像会变绿。

• 3.23红外线轴套扫描器•通过光机系统扫描视场，并且无需任何光学调整。

它精确测量线材、棒材等生产线的活套大小，甚至对特殊钢或有色金属以及在水汽、烟雾严重的情况下也能可靠工作。

DELTA 的红外传感器TS2006 可用于活套控制、热带材或热板材的对中控制以及在其它很广的应用中提供位置信息。

3.3红外传感器延伸实际应用—遥感技术•狭义上定义为：远远地去感觉某一定对象的技术。

•广义地讲，遥感是不直接接触地收集关于某一定对象的某种或某些特定的信息，从而了解这个对象的性质。

很早以前，人们就希望从空中来观察地球，当时人们使用的是普通的照相机，后来发展成为专门的航空照相机。

•现在，遥感技术在军事上得到很大的应用。

遥感中收集到的信息，就是物体发射或者被它反射的电磁波。

这些电磁波包括近紫外、红外线、可见光、微波等。

收集电磁波信息的装置叫做传感器。

装载传感器的地方，称为平台。

遥感就是用装在平台上的传感器来收集（测定）由对象辐射或（和）反射来的电磁波，再通过对这些数据进行分析和处理，获得对象信息的技术。

遥感技术的迅速发展，一个重要的因素是它应用于我们所生活的环境。

•遥感主要原理：传感器装载在平台上，遥感中可以使用可见光和近红外区的电磁波进行遥感，这是利用了对象的反射特性，这种方式是航空摄影发展而来的结果，也是最为广泛应用的一种，在月球上观察地球就是这样的。

•另外在雷达研究的方面主要是利用了物体的辐射特性。

主动式的微波遥感器主要是测试雷达。

它是在50年代为军事侦察目的而发展的。

它目前的重要应用主要在于快速取得大片有云地区的地面资源情报数据。

被动式微波遥感器感受的是它们视场内的自然可利用的微波能量，其工作方式和热辐射计或热扫描仪非常相似，但是能够接受到的信号也比热红外区微弱得多，同时信号所伴随的噪声也大得多。

因此这种信号的判释问题也要比其他各种遥感器困难得多。

但和侧视雷达一样也有全天候的特性。

依靠选择适合的工作波长，可以用它或者穿透大气，或者观察大气。

通常来说，微波遥感用在大气的各项数据的测量上，在海洋学、油污探测、融雪测定等方面都有应用。

遥感在军事科学上的应用是显然的，因为可以远距离地观察目标，而且可以获得相对宏观的分析数据。

第四章红外传感器的实际应用• 4.1火电厂的应用•火电厂采用红外线传感器来检测锅炉的火焰。

红外线传感器的探测器是光敏电阻(光电导)探测器。

燃烧器火焰的一次燃烧区域所产生的红外线辐射，经由光导纤维转送到探头，通过探头中的光敏电阻转换成电信号后，再由放大器放大。

该火焰信号经由屏蔽电缆送到机箱，通过频率响应开头和一个放大器后，再同一个参考电压（可调)进行比较，若火焰信号大于参考信号，则对应的触发器置位，触发器输出信号使红色火焰指示灯点亮，表明锅炉有火焰；反之表示锅炉无火焰。

锅炉有无火焰是关系到锅炉运行安全的重要参数，因此，红外线传感器也是FSSS(锅炉炉膛安全监控系统)的眼睛。

感知人体最简单的方法是红外线传感器。

因为人体比其他物体温度高，故可根据红外线的辐射能量进行检测。

人体产生的红外线波长为10μm左右，因此，用远红外线传感器最为合适。

•在日常生活中使用人体红外线传感器的实例有：人进门后门厅灯和走廊灯自动点亮；自动抽水厕所；手放在水龙头下面能自动出水的自动水龙头；此外还有防盗报警装置。

•基于光生伏特效应而工作的光电池，在有光线作用下实质上就是一个电源。

电路中有了这种光电元件就不需外加电源，将来的手机或掌上电脑如采用光电池的话，就无须充电或外加电池了，一旦无电，只要放到太阳下面晒一晒就会又有电了。

光电池属于自发电型传感器，是全世界科技人员竞相研究的有环保概念的新投术领域。

4.2在军事上的应用•在美国空袭伊拉克时，伊拉克首都大部分地区都处于停电状态，这时除了防空曳光弹和导弹爆炸引起的火光以外就只有月光或星光照明了，能见度极差。

我们在电视新闻上看到的从现场传回来的录像片的画面都呈现绿色，说明电视记者在拍摄时使用了红外线夜视仪，导致影像是绿色的，如果不使用红外摄像技术，那么我们从电视画面上将只能听到声音，而看不到任何影响了。

4.3机器人自动避障•红外传感器是一种比较有效的接近觉传感器，经常被国内外学者应用在多关节机器人避障系统中，用来构成大面积机器人“敏感皮肤”，覆盖在机器人手臂表面，可以检测机器人手臂运行过程中的各种物体。

传感器发出的光的波长大约在几百纳米范围内，是短波长的电磁波。

红外传感器具有以下特点：不受电磁波的干扰、非噪声源、可实现非接触性测量。

另外，红外线（指中、远红外线）不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。

同声纳传感器相似，红外线传感器工作处于发射/接收状态。

这种传感器由同一发射源发射红外线，并用两个光检测器测量反射回来的光量。

由于这些仪器测量光的差异，它们受环境的影响非常大，物体的颜色、方向、周围的光线都能导致测量误差。

但由于发射光线是光而不是声音，可以希望在相当短的时间内获得较多的红外线传感器测量值。