紅外傳感器深度解析

宇宙中任何物體只要其溫度超過零，都可以產(chǎn)生紅外線輻射。事實上，就像可見光一樣，它的輻射是可以折射和反射的，這就催生了紅外技術(shù)。紅外探測器因其獨特的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。在軍事上，紅外探測用于制導(dǎo)、火控跟蹤、警報、目標(biāo)探測、武器熱瞄準(zhǔn)、艦船導(dǎo)航等；在民用領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、安全監(jiān)控、救災(zāi)、遙感、交通管理、醫(yī)療診斷技術(shù)等。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動控制和自動檢測在人們?nèi)粘Ｉ詈凸I(yè)控制中的比重越來越大，使人們的生活越來越舒適，工業(yè)生產(chǎn)的效率越來越高。傳感器是自動控制的重要組成部分，是信息采集系統(tǒng)的重要組成部分。

通過傳感器對感覺或反應(yīng)進行測量并轉(zhuǎn)換成適合傳輸或檢測的信號（一般為電信號），然后利用計算機或電路設(shè)備對傳感器發(fā)出的信號進行處理，達(dá)到自動控制的功能。由于傳感器的響應(yīng)時間一般較短，因此可以通過計算機系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)進行實時控制。紅外傳感器是一種常見的傳感器。

因為紅外傳感器是一種檢測紅外輻射的傳感器，自然界中任何物體只要其穩(wěn)定性高于絕對零，都會輻射紅外能量，所以紅外傳感器被稱為一種非常實用的傳感器。許多實用的傳感器模塊都可以利用紅外傳感器進行設(shè)計，如紅外測溫儀、紅外成像儀、紅外人體探測報警器、自動門控系統(tǒng)等。

紅外線傳感器是利用紅外線的物理特性進行測量的傳感器。紅外光又稱紅外線，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，是一種不可見光，其光譜位于可見光中的紅色之外，故稱為紅外線。

在工程上，紅外線在電磁波譜中的位置（波段）分為近紅外波段、中紅外波段、遠(yuǎn)紅外波段和極遠(yuǎn)紅外波段四個波段。任何物質(zhì)都可以輻射紅外線，只要它具有一定的溫度（高于絕對零）。

首先，讓我們了解一下紅外光。紅外線是太陽光譜的一部分。紅外光最大的特點是光熱效應(yīng)和輻射熱。它是光譜中最大的光熱效應(yīng)區(qū)域。一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。紅外光在真空中的傳播速度為300000公里/秒。紅外光在介質(zhì)中的傳輸會產(chǎn)生衰減，在金屬中的傳輸衰減很大，但紅外輻射可以穿過大多數(shù)半導(dǎo)體和一些塑料，而大多數(shù)液體對紅外輻射吸收非常多。

不同的氣體有不同的吸收水平，大氣對不同波長的紅外光有不同的吸收帶。結(jié)果表明，波長為1-5μm和8-14μm的紅外光具有較大的“透明度”。也就是說，這些波長的紅外光可以很好地穿透大氣。自然界中的任何物體，只要其溫度在絕對零以上，都可以產(chǎn)生紅外輻射。紅外光對不同物體的光熱效應(yīng)不同，熱能強度也不同。

例如，黑體（可以完全吸收投射到其表面的紅外輻射的物體）、鏡體（可以完全反射紅外輻射的物體）、透明體（可以完全穿透紅外輻射的物體）和灰體（可以部分反射或吸收紅外輻射的物體）會產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。

嚴(yán)格來說，自然界不存在黑體、鏡體和透明體，大部分物體都屬于灰體。這些特點是紅外輻射技術(shù)在衛(wèi)星遙感、紅外跟蹤等軍事科研項目中應(yīng)用的重要理論基礎(chǔ)。

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，它輻射的紅外線越多，紅外線輻射的能量就越強。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜中各種單色光的熱效應(yīng)從紫光到紅光逐漸增強，其中熱效應(yīng)最大出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們稱紅外輻射為熱輻射或熱射線。

①基爾霍夫定律：在一定溫度下，地面物體單位面積的輻射通量W與吸收率之比對任何物體都是一個常數(shù)，等于同一面積黑體在那個溫度。在給定溫度下，物體的****率=吸收率（同波段）；吸收率越高，****率越高。

地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，因此地物的微小溫差就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這一特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。

②玻爾茲曼定律：即黑體的總輻射通量隨著溫度的升高而迅速增加，與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化就會引起輻射通量密度的巨大變化。它是用紅外設(shè)備測量溫度的理論基礎(chǔ)。

③維恩位移定律：隨著溫度的升高，最大輻射值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動。

紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜。典型傳感器系統(tǒng)各部分的實體如下：

? 被測目標(biāo)：可根據(jù)被測目標(biāo)的紅外輻射特性設(shè)置紅外系統(tǒng)。

? 大氣衰減：被測目標(biāo)的紅外輻射穿過地球大氣層時，由于氣體分子、各種氣體和各種膠體粒子的散射和吸收，來自紅外源的紅外輻射會衰減。

? 光接收器：它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并將其傳輸?shù)郊t外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，通常是物鏡。

? 輻射調(diào)制器：可調(diào)制被測目標(biāo)變化的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，濾除大面積干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，具有多種結(jié)構(gòu)。

? 紅外探測器：這是紅外系統(tǒng)的核心。它是一種利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的傳感器。在大多數(shù)情況下，它使用相互作用的電效應(yīng)。這些探測器可分為兩類：光子探測器和熱敏探測器。

? 探測器冷卻器：由于某些探測器必須在低溫下工作，因此相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。設(shè)備冷藏后可縮短響應(yīng)時間，提高檢測靈敏度。

? 信號處理系統(tǒng)：對檢測到的信號進行放大和濾波，并從這些信號中提取信息。然后，將這類信息轉(zhuǎn)換成所需的格式，最后傳送到控制設(shè)備或顯示器。

? 顯示設(shè)備：這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外敏感材料、指示儀表和記錄儀等。

根據(jù)上述過程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器。根據(jù)探測機制的不同，可分為熱探測器和光子探測器兩大類。

熱探測器吸收各種入射波長的所有輻射能。它是一種紅外傳感器，對紅外光波沒有選擇。光子探測器常見的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)（光伏效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)）和光電磁效應(yīng)。熱探測器利用輻射熱效應(yīng)使探測器接受輻射能量后溫度升高，從而使探測器的溫度相關(guān)性能發(fā)生變化。

可以通過檢測其中一項特性的變化來檢測輻射。在大多數(shù)情況下，輻射是通過熱電變化來檢測的。當(dāng)元件受到輻射而引起非電量物理變化時，經(jīng)適當(dāng)變換即可測得相應(yīng)的電量變化。

熱探測器對紅外輻射的響應(yīng)時間比光電探測器長得多。前者的響應(yīng)時間一般大于MS，而后者的響應(yīng)時間只有ns。熱探測器不需要冷卻，大多數(shù)光子探測器需要冷卻。

常見的紅外傳感器可分為熱傳感器和光子傳感器。

熱傳感器利用入射的紅外輻射來改變傳感器的溫度，進而使相關(guān)的物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化。紅外傳感器吸收的紅外輻射是通過測量相關(guān)物理參數(shù)的變化來確定的。

熱探測器的主要優(yōu)點是帶寬較寬，可在常溫下工作，使用方便。但熱傳感器響應(yīng)時間長，靈敏度低，一般用于低頻調(diào)制。

熱傳感器的主要類型有熱傳感器型、熱電偶型、高萊氣動型和放熱電動型。

① 熱敏電阻傳感器

熱敏電阻由錳、鎳和鈷的氧化物制成。熱敏電阻通常制成薄片。當(dāng)紅外輻射照射熱敏電阻時，其溫度升高，電阻降低。通過測量熱敏電阻值的變化，我們可以知道入射紅外輻射的強度，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射的物體的溫度。

② 熱電偶傳感器

熱電偶由熱功率差異很大的兩種材料制成。當(dāng)紅外輻射到達(dá)由這兩種金屬材料組成的閉合電路的觸點時，觸點溫度升高。另一個沒有被紅外線輻射的觸點溫度較低，此時閉合電路中會產(chǎn)生溫差電流。同時在回路中產(chǎn)生熱電勢，熱電勢的大小反映了觸點吸收的紅外輻射強度。由熱電勢制成的紅外傳感器稱為熱電偶紅外傳感器。由于其時間常數(shù)大，對應(yīng)時間長，動態(tài)特性差，調(diào)制頻率應(yīng)限制在10Hz以下。

③ 萊氣動傳感器

吸收紅外輻射后，氣體的溫度和體積增加，以反映紅外輻射的強度。它有一個氣室，通過一根小管子連接到一塊柔性板。

板背管的一側(cè)是反射器。氣室前部貼有吸收模，為低熱容薄膜。紅外輻射通過窗口入射到吸收模上，吸收模將吸收的熱能傳遞給氣體，使氣體溫度和壓力升高，從而使柔性鏡移動。

在腔室的另一側(cè)，一束可見光通過光柵光條聚焦在柔性反射鏡上，柔性反射鏡反射的光柵圖像通過光柵光條投射到光電管上。當(dāng)柔性鏡因壓力變化而移動時，光柵圖像與光柵光條的相對位移會改變落在光電管上的光量，光電管的輸出信號也會發(fā)生變化，反映強度的紅外輻射。

該傳感器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定的特點。但響應(yīng)時間長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，強度差，只適合實驗室使用。

④ 熱釋電傳感器

熱釋電傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或鐵電體。鐵電體的極化強度（每單位面積的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到極化鐵電片表面時，片材溫度升高，極化強度降低，表面電荷減少，相當(dāng)于釋放部分電荷，故稱為熱釋電傳感器。

如果負(fù)載電阻連接到鐵電片上，則在負(fù)載電阻上產(chǎn)生電信號輸出。輸出信號的大小取決于芯片溫度變化的速度，它反映了入射紅外輻射的強度?？梢?，熱釋電紅外傳感器的電壓響應(yīng)率與入射輻射的變化率成正比。當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時，傳感器沒有電信號輸出。

只有當(dāng)鐵電體的溫度處于變化過程中時，才能輸出電信號。因此，需要對紅外輻射（或斬波光）進行調(diào)制，使恒定輻射變?yōu)榻蛔冚椛?，不斷引起傳感器的溫度變化，從而產(chǎn)生熱釋電并輸出交變信號。

光子傳感器利用一些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下產(chǎn)生光子效應(yīng)，從而改變材料的電學(xué)性質(zhì)。通過測量電性能的變化，我們可以知道紅外輻射的強度。利用光子效應(yīng)制成的紅外傳感器稱為光子傳感器。光子傳感器的主要特點是靈敏度高、響應(yīng)速度快、響應(yīng)頻率高，但一般必須在低溫下工作，檢測頻帶較窄。

根據(jù)光子傳感器的工作原理，可分為內(nèi)部光電傳感器和外部光電傳感器。后者分為光電傳感器、光電傳感器和磁電傳感器。

① 外置光電傳感器

當(dāng)光線照射到某些材料的表面時，如果入射光的光子能量足夠大，材料的電子就可以從表面逸出。這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)或光電子****效應(yīng)。光電二極管、光電倍增管等屬于此類電子傳感器。它的響應(yīng)速度比較快，一般只有幾納秒。然而，電子逃逸需要大量的光子能量，僅適用于近紅外輻射或可見光。

② 光電導(dǎo)傳感器

當(dāng)紅外輻射照射到某些半導(dǎo)體材料表面時，半導(dǎo)體材料中的一些電子和空穴可以從原來的非導(dǎo)電束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電自由態(tài)，從而增加了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象。由光電導(dǎo)現(xiàn)象制成的傳感器稱為光電導(dǎo)傳感器。

例如，硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲化汞等材料可用于制作光電導(dǎo)傳感器。使用光電導(dǎo)傳感器時，需要冷卻并加一定的偏置電壓，否則會降低響應(yīng)速度，噪聲大，響應(yīng)帶窄，損壞紅外傳感器。

③ 光伏傳感器

當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)上時，自由電子在結(jié)內(nèi)電場的作用下向N區(qū)移動。如果 PN 結(jié)開路，則 PN 結(jié)兩端會產(chǎn)生一個附加電位，稱為光生電動勢?；谶@種效應(yīng)的傳感器或PN結(jié)傳感器通常由砷化銦、銻化銦、碲化汞、碲化鉛錫等材料制成。

④ 磁電傳感器

當(dāng)紅外線輻射到一些半導(dǎo)體材料的表面時，半導(dǎo)體材料中的一些電子和空穴會向內(nèi)部擴散。如果擴散受到強磁場的影響，電子和空穴會各自偏向一側(cè)，從而產(chǎn)生開路電壓。這種現(xiàn)象稱為光磁電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制成的紅外傳感器稱為磁電傳感器。

響應(yīng)帶約7μm，時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快，無偏差，內(nèi)阻極低，噪聲小，穩(wěn)定性和可靠性好。但其靈敏度低，制作低噪聲前置放大器較困難，影響其使用。

(1) 紅外傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1、紅外輻射計：用于輻射和光譜輻射測量。

2、搜索跟蹤系統(tǒng)：用于搜索跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并跟蹤其運動。

3、熱成像系統(tǒng)：可形成整個目標(biāo)的紅外輻射分布圖像。

4.紅外測距系統(tǒng)：測量物體之間的距離。（它利用紅外線傳播的不擴散原理，因為紅外線透過其他物質(zhì)時的折射率很小，所以遠(yuǎn)距離測距儀會考慮紅外線。）

5、通訊系統(tǒng)：紅外通訊作為一種無線通訊方式。

6.混合系統(tǒng)：指上述系統(tǒng)的兩個或多個組合。

紅外傳感器應(yīng)用可用于非接觸式溫度測量、氣體成分分析、無損檢測、熱圖像檢測、紅外遙感和軍事目標(biāo)偵察、搜索、跟蹤和通信。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外傳感器的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來，紅外傳感器的性能和靈敏度將大大提高。

（二） 發(fā)展趨勢

1、智能化：目前紅外傳感器主要與外圍設(shè)備結(jié)合使用。智能傳感器內(nèi)置微處理器，可實現(xiàn)傳感器與控制單元的雙向通訊。具有小型化、數(shù)字通訊、維護簡單等優(yōu)點，可作為模塊獨立工作。

2、小型化：傳感器小型化的必然趨勢。現(xiàn)在在應(yīng)用中，由于紅外傳感器的體積問題，其使用程度遠(yuǎn)不如熱電轉(zhuǎn)角。因此，紅外傳感器是否小型化、便攜化也不容忽視。

3、高靈敏度、高性能：在醫(yī)學(xué)上，紅外傳感器已廣泛用于人體溫度的測量，但由于其精度低，無法替代現(xiàn)有的測溫方法。因此，紅外傳感器的高靈敏度和高性能是其未來發(fā)展的必然趨勢。

雖然目前的紅外傳感器存在諸多不足，但紅外傳感器在現(xiàn)代生產(chǎn)實踐中發(fā)揮了巨大的作用。隨著檢測設(shè)備和其他部分技術(shù)的進步，紅外傳感器可以有更多的性能和更好的靈敏度，將有更廣泛的應(yīng)用范圍。

1.紅外傳感器的工作原理是什么？

有源紅外傳感器既可以****紅外輻射，也可以檢測紅外輻射。有源紅外傳感器有兩部分：發(fā)光二極管 (LED) 和接收器。當(dāng)物體靠近傳感器時，來自 LED 的紅外光從物體反射出來并被接收器檢測到。

2. 為什么紅外傳感器很重要？

紅外傳感器是一種電子儀器，用于感知周圍環(huán)境的某些特征。它通過****或檢測紅外輻射來做到這一點。紅外傳感器還能夠測量物體發(fā)出的熱量并檢測運動。

3. 什么是兒童紅外傳感器？

比紅光波更長的光波稱為紅外光 (IR)。沒有特殊設(shè)備或攝影，我們無法看到紫外線和紅外線。在紅外傳感器的情況下，紅外光源（通常是紅外 LED）用于將光傳輸?shù)浇邮占t外傳感器。

4. 紅外傳感器可以檢測到人類嗎？

被動紅外 (PIR) 傳感器用于檢測人的存在。但這只有在人處于運動中時才能檢測到人。每個人都會輻射特定波長范圍的紅外能量。吸收的入射輻射會改變材料的溫度。

5. 紅外傳感器用在什么地方？

被動紅外傳感器（PIR 傳感器）是一種電子傳感器，用于測量從其視場中的物體輻射的紅外 (IR) 光。它們最常用于基于 PIR 的運動檢測器。PIR 傳感器通常用于安全警報和自動照明應(yīng)用。

6. 如何繞過紅外傳感器？

波特說，大多數(shù)運動探測器，甚至是較新的探測器，都使用紅外線來檢測周圍房間溫度的顯著變化。他說，通常情況下，在房間里走動會觸發(fā)這些傳感器，但使用像一塊泡沫聚苯乙烯這樣簡單的東西來保護你的身體可以欺騙它們。

7. 紅外傳感器和超聲波傳感器有什么區(qū)別？

IR 傳感器與超聲波傳感器之間的最大區(qū)別在于傳感器的工作方式。超聲波傳感器使用聲波（回聲定位）來測量您離物體的距離。另一方面，紅外傳感器使用紅外光來確定物體是否存在。

8. 紅外傳感器的范圍是多少？

紅外傳感器（IR 傳感器）是一種對輻射敏感的光電元件，其光譜靈敏度在 780 nm ...50 μm 的紅外波長范圍內(nèi)。紅外傳感器現(xiàn)在廣泛用于運動檢測器，用于樓宇服務(wù)中打開燈或警報系統(tǒng)以檢測不受歡迎的客人。

9. 紅外傳感器可以檢測溫度嗎？

紅外溫度傳感器可感應(yīng) 700 nm 至 14,000 nm 范圍內(nèi)的電磁波。... 因為任何物體****的紅外能量與其溫度成正比，所以電信號可以準(zhǔn)確讀取其指向的物體的溫度。

10.紅外傳感器如何檢測障礙物？

紅外傳感器****和/或檢測紅外輻射以感知其周圍環(huán)境。...用作障礙物探測器的紅外傳感器的基本概念是****紅外信號，該紅外信號從物體表面反彈，并在紅外接收器處接收到信號。