红外传感器ppt

红外传感器指导老师：田斌主讲人：马小龙目录★红外辐射基本知识★红外探测器★红外技术应用★红外辐射的基本知识红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要温度高于热力学最低温度(-273℃)，就会向外以红外线的方式辐射能量。一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。红外辐射和其他电磁辐射一样，都是以电磁波的形式在空间传播。它们在真空传播的速度为光速。红外辐射在大气中传播时，由于大气的成分会导致辐射能量在传播过程中衰减，N2、H2、O2不吸收红外辐射。右图为红外辐射通过1海里长度的大气后的透过率，透过率最高的有三个波段，称为红外辐射的大气窗口。红外探测器一般都是工作在这三个波段内。红外辐射源根据辐射源的几何尺寸和辐射源距探测器或被辐射物体的远近，辐射源可以分为点源和面源。同一辐射源在不同的情况下，既可以是点源也可以是面源。通常将充满红外光学视场的大面积辐射源称为面源，而将没有充满红外光学视场的小面积辐射源称为点源。★红外探测器红外探测器(InfraredDetector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外传感器的构成比较简单，他一般有光学系统、探测器、信号处理电路和显示单元组成。红外探测器的种类繁多，按其原理可以分为热探测器和光子探测器。红外探测器热探测器热敏电阻型探测器热电偶型探测器热释电红外探测器高莱气动型探测器光子探测器外光电探测器光电导探测器光生伏特探测器光磁电探测器热探测器热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。优点：响应波段宽、室温下工作、使用方便。缺点：响应时间长、灵敏度低。应用场合：红外辐射变化比较缓慢的场合。热释电红外探测器PIRsensor的结构热电元件热电元件的接受到红外线，温度变化，热释电元件的表面产生电荷密度变化。为了抑制自身温度变化而产生的干扰，PIR将两个热电元件反向串联或接成差动平衡电路。而且，环境背景对这两个热电元件的影响几乎相同，其产生的释电效应相互抵消，因而无信号输出。人体经过时，人体外红辐射透过部分镜面聚焦，两片热电元件接收的辐射不同，产生的热电释不同，不能相互抵消。在Vcc电源端利用C1和R1来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R2的稳压,再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。热释电红外传感器原理图RSYIY2FETQ1C1R1R2C2RSRSQ2NPNVCC12V9VOUT直流负载线路图PIR应用电路图交流负载线路图光子探测器光子探测器利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。按其工作原理可以分为内光电探测器和外光电探测器。内光电探测器分为光电导、光生伏和光磁电探测器三大类。优点：灵敏度高、响应速度快、响应频率高。缺点：波段窄、工作温度低。硫化铅探测器硫化铅探测器是1um~3um波段应用很广的器件。硫化铅探测器一般为多晶薄膜结构。是光电导型器件，有单元和多元线列器件，镶嵌结构可多达2000元。硫化铅探测器的阻值适中，响应率高，可以在常温工作，使用方便；在低温工作时，性能有所提高。硫化铅探测器的主要缺点是响应时间常数较大，电阻温度系数大。目前，硫化铅探测器在红外探测、制导、引信、跟踪、预警、测温等领域大量使用。由于硫化铅探测器工作在短波红外（1um~3um），所以适合对高温目标（如导弹和喷气式飞机的喷口尾焰）探测。Pbs探测器光谱响应曲线红外探测器的性能参数红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。下面介绍一些其主要参数。1.电压响应率Rv当（经过调制的）红外辐射照射到探测器的敏感元件上时，探测器的输出电压与输入红外辐射功率之比称为探测器的电压响应率，记作Rv，单位为V/W。式中，US为红外探测器的输出电压；P0为投射到红外敏感元件单位面积上的功率；A0为红外探测器敏感元件的面积。S00VURPA2.响应波长范围响应波长范围(或称光谱响应)是表示传感器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系，一般用曲线表示如图。一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长(λm)。把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长(λc)，它们表示着红外传感器使用的波长范围。0Rv/(V/W)光子探测器热探测器λ/μm12λcλmλc3.噪声等效功率如果投射到红外传感器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压，正好等于传感器本身的噪声电压，则这个辐射功率就叫做“噪声等效功率”。通常用符号“NEP”表示。00/NVSNNEPUPAUUR其中：Us为红外探测器的输出电压；P0为投射到红外敏感元件单位面积上的功率；A0为红外敏感元面积；UN为红外探测器的综合噪声电压；RV为红外探测器的电压响应率。4.探测率探测率是噪声等效功率的倒数，即：1VNDNEPRU红外传感器的探测率越高，表明传感器所能探测到的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。4.时间常数时间常数表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率。输出信号滞后于红外辐射的时间，称为传感器的时间常数，在数值上为：12cf式中fc为响应率下降到最大值的0.707（3dB）时的调制频率。热传感器的热惯性和RC参数较大，其时间常数大于光子传感器，一般为毫秒级或更长；而光子传感器的时间常数一般为微秒级。6.比探测率比探测率又叫归一化探测率，或者叫探测灵敏度。实质上就是当传感器的敏感元件面积为单位面积，放大器的带宽△f为1Hz时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比。通常用符号D*表示：0001*VNDfDffNEPRAAAU由上式可知，比探测率与探测器的敏感元件面积和放大器的带宽无关。当要对不同探测器的性能进行比较时就比较方便。在一般情况下，D*越高，探测器的灵敏度就越高，性能就越好★红外技术的应用红外探测器具有环境适应性好，隐蔽性好，抗干扰能力强，能在一定程度上识别伪装的目标，且设备体积小，重量轻，功耗少等特点。随着红外探测器的发展，其广泛应用到军事和民用领域中。军用领域：红外制导、红外侦察、红外夜视。民用领域：车辆驾驶、安防报警。红外制导红外制导是利用红外探测器捕获和跟踪目标自身辐射的能量来实现寻的制导的技术。红外制导技术是精确制导武器中一个十分重要的技术手段，分为红外成像制导技术和红外点源（非成像）制导技术两大类。在各种精确制导体系中，红外制导因其制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费比高等优点，在现代武器装配发展中占据着重要的地位。红外点源制导红外点源制导系统通常由光学系统、调制器、红外探测器、制冷器、伺服机构以及电子线路等组成。优点：结构简单、成本低、动态范围宽、响应快。缺点：抗干扰性差、制导不精确。应用：近距空空格斗弹、反坦克导弹，及其他低成本、小型化导弹。红外成像制导红外成像制导系统一般由红外摄像头、图像处理电路、图像识别电路、跟踪处理器和稳定系统等组成。优点：抗干扰能力强、探测灵敏度高、空间分辨率高、探测远程小目标和鉴别多目标、实现对目标的自动识别和命中点的选择。缺点：结构复杂、成本高。应用：巡航导弹、反舰导弹、空地导弹等。响尾蛇空空导弹红旗—15空空导弹红外无损检测红外无损检测技术是一门跨学科、跨应用领域的通用型实用技术，是一种创新性的无损检测技术。国际上积极发展的新型数字化无损检测技术，可实现对金属、非金属及复合材料中存在的裂纹、脱粘等缺陷进行检测，具有非接触、检测面积大、速度快、在线检测等优点。1965年，现代意义上的红外成像技术逐步完善，由瑞典开发研制的红外热像仪，在二战中被用于军事用途，随后，红外热成像技术发展成为新型的无损检测技术。红外无损检测分主动式和被动式两类。主动式是人为地在被测物体上注入固定热量，探测物体表面热量或热流的变化规律，并以此判断物体的质量。被动式是用物体自身的热辐射作为辐射源，探测其辐射的强弱或分布情况，判断物体内部有无缺陷。红外无损检测的优点1)非接触、非破坏2)速度快3)面积大5)操作简单6)适用面广，金属、非金属、复合材料7)测量结果图像显示，直观易懂8)定量测量红外无损检测的应用进入21世纪，红外无损检测技术的应用范围变得更加广泛，遍布工业发展的各个领域，在航空航天、机械、太阳能、风电、工业控制、交通运输、汽车制造等行业普遍采用，成为不可或缺的质量保证手段。1)测航空/航天器铝蒙皮加强筋开裂与锈蚀,机身蜂窝结构材料、碳纤维和玻璃纤维增强多层复合材料缺陷的检测、损伤判别与评估。2)火箭液体燃料发动机和固体燃料发动机的喷口绝热层附着检测。涡轮发动机和喷气发动机叶片的检测。3)新材料(特别是新型复合结构材料)的研究。对其从原材料到工艺制造、在役使用的整个过程中进行无损检测和评估。4)多层结构和复合材料结构中,脱粘、分层、开裂等损伤的检测与评估。5)各种压力容器、承载装置表面及表面下疲劳裂纹的检测。6)各种粘接、焊接质量检测,涂层检测,各种镀膜、夹层的探伤。7)测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度。8)表面下材料和结构特征识别。9)运转设备的在线、在役监测。