76红外线传感器

红外线传感器作者：刘思颖毛毅肖璐蒋周娜崔龙运导航综述工作原理分类发展趋势典型结构技术指标典型实例应用一、综述背景知识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。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛。二、工作原理能将红外辐射量变化转换成电量变换的装置称为红外探测器(红外传感器)，红外探测器是根据热电效应和光子效应制成的。前者为热敏探测器，后者为光子探测器。从理论上讲，热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、内光电效应(光生伏特效应、光电导效应)和光电磁效应。热敏探测器热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。热敏探测器种类利用温差电动势原理的热点堆红外探测器利用热释电效应的红外热电探测器利用电阻率随温度变化的热敏电阻等。红外光子探测器红外光子探测器的工作机理是利用了红外光子与探测器物质中的电子相互作用的原理。在这些过程中，由于不同波长的红外光子具有不同的光子能量，对于某一特定的物质，存在着一个特定的红外波长，如果红外光波长大于这一波长，光子与物质相互作用的程度较弱，因此无法探测，这一特定波长就叫做探测器的响应截止波长。因此，光子探测器一般都工作在特定的波段目前典型的各波段探测器近红外（0.7~1.1μm）：硅光电二极管（Si）短波红外（1~3μm）：铟镓砷（InGaAs）、硫化铅探测器(PbS)中波红外（3~5μm）：锑化铟（InSb）、碲镉汞探测器（HgCdTe）长波红外、热红外（8~14μm）：碲镉汞探测器（HgCdTe）远红外（16μm以上）：量子阱探测器(QWIP)优点与缺点优点：光子探测器的探测的基本原理属于所谓的“量子型”，器件对红外的敏感度优值（称为探测率）比较高，响应速度快，一般在微秒或纳秒的数量级。通常被用于需要高灵敏探测的仪器及快速测量的场合。缺点：光子探测器，尤其是中、长波红外探测器，通常要求工作于深低温，所以一般要采用制冷机或者液氮将他们的工作温度降到零下190℃左右，这给一般应用增加了一些麻烦。比较热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多。前者的响应时间一般在ms以上，而后者只有ns量级。热探测器不需要冷却，光子探测器多数要冷却。三、分类按原理按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类（如前文所述）按功能（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象（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传感器的技术指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：容许各向抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率。各项分布参数值、电压范围与稳定度等。外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等反射式与透射式反射式光学系统的红外探测器一般由四面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚焦到敏感元件上，敏感元件与透镜组一体前置放大器接收热电转换、后的电信号，并对其进行放大。透射式红外探测器的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的光学材料。例如，在测量700℃以上的高温时(多为750～3000nm范围内近红外光)，一般用光学玻璃和石英等材料作透镜材料；测量100～700℃范围的温度时(多为3～5μm的中红外光)，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料；测量100℃以下的温度(多为5～14μm的中远红外光)，多采用锗、硅、硫化锌等热做材料。比较除近红外光外，获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难。典型红外传感器系统工作原理（1）待侧目标。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。（4）辐射调制器。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。（5）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来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。（6）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。（7）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。（8）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、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。四、应用举例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。优点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。红外探测器的基本参数(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式中r—响应率(V/W)；U0—输出电压(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曲线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，的辐射功率为(一)红外分析仪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。红外气体分析仪H3860A型便携式红外气体分析仪（一氧化碳或二氧化碳）测量范围：CO：0～50～200～500～1000PPM0～2%～5%～25%～100%CO2：0～50～200～500～5000PPM0～2%～5%～25%～100%显示：LCD液晶显示屏分辩率：最低0.1ppm或0.01%采样：内置高性能隔膜泵，流量1～1.5L/分输出：4-20mA,0-5V或根据用户要求提供线性误差：≤±2%F.S重复性误差：≤±1%F.S满度响应时间：微量＜50秒常量＜15秒水气干扰误差：≤±2%跨度漂移:≤±2%F.S/24小时。使用环境：温度0℃～40℃，湿度85%RH。尺寸：220×110×160(mm)重量：约3kg红外煤气成分分析仪测量范围：CO：0－100%C02：0－50%CH4：0－10%H2：0－50%O2：0-25%精度：CO/CO2/CH4：±2%H2：±3%O2：±3%（FS）分辨力：CO/CO2：0.1%CH4：0.01%H2：0.1%O2：0.01%响应时间：不大于20s预热时间：10min输出：线性4-20mA或数字RS232电源：AC220V重量：9Kg外形尺寸：19寸4U（50mm×400mm×200mm）或19寸3U主要特点◆自主知识产权的红外多气体同时测量以及基于MEMS的热导TCD技术◆可测量高炉、转炉、热处理炉、煤气化过程等产物中的CO、CO2、CH4、H2、O2等气体浓度◆集成LCD液晶（240*128）屏幕显示、键盘输入、微型打印（选）等接口◆可内置微型采样气泵◆配备RS-232数字串行通信接口◆配套提供数据采集控制软件，构成一套自动煤气分析系统仪器介绍GARBOARD-3AS红外煤气成分分析仪采用了单光源多光束NDIR红外测量技术，同时测量煤气中的多种气体成分。是氮肥行业进行生产过程控制，高炉转炉煤气回收，基于炉气分析的炼钢终点控制的有力分析仪器。是以往煤气分析系统的更新换代产品。红外线气体分析器主要特点.线性化输出数字，显示直读浓度值。技术参数1.测量范围：0—100%（其它量程可任选）2.响应时间：≤10S重复性：0.5%F.S3.零点漂移：≤±2%F.S/72h4.量程漂移：≤±2%F.S/72h5.外型尺寸：484×430×140mm（不含凸出部分）MA30-红外水分测定仪主要技术指标：传感器精度1mg测量范围30mg测量方法：红外线加热，失重测定样品重量：max30,5-10g最佳读数精度：0.01%（水分含量）加热温度范围：℃+40-+160，℉104-320温度增量：℃5，℉41称量结果显示模式%水分%干重%比值烘干后重量值g测量精度：初始样品重量≧10g时:±0.2%初始样品重量≧5g时：±0.05%原理：红外相关滤波原理，选用红外线吸收效率最高的硒化铅探头，内置半导体致冷原件，使得探头内温度平衡，受温度变化影响小，探头使用寿命长，精度高，反应速度快。附件：携带箱、校零管、说明书、充电器、内置电池组电源：内置高性能可充电电池组工作时间长达6小时以上，并且可外接交流电源，工作状态时也可进行充电接口RS232C-S/V24-V28电压115v或230v（可选）50-60赫兹长度283mm宽度217mm高度165mm重量5.5kg标准附件电源线防护盘保险管样品碟支架80个样品铝碟（二）热释电红外线传感器热释电红外传感器主要用来检测红外线的增量,对于与背景温度高出几度的温差,将会作出迅速的响应因此,热释电红外传感器可以用来检测运动的人体当人体进入该传感器的有效视野范围时,传感器的输出端就会立即输出一个高电平,让执行器件作出反应。热释电传感器的分类热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件，现在已得到越来越广泛的应用，从原理上分析，它主要有主动式和被动式两类。热释电