紅外傳感器深度解析

宇宙中任何物體只要其溫度超過(guò)零，都可以產(chǎn)生紅外線(xiàn)輻射。事實(shí)上，就像可見(jiàn)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)勢而被廣泛應用于軍事和民用領(lǐng)域。在軍事上，紅外探測用于制導、火控跟蹤、警報、目標探測、武器熱瞄準、艦船導航等；在民用領(lǐng)域，廣泛應用于工業(yè)設備監控、安全監控、救災、遙感、交通管理、醫療診斷技術(shù)等。

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測在人們日常生活和工業(yè)控制中的比重越來(lái)越大，使人們的生活越來(lái)越舒適，工業(yè)生產(chǎn)的效率越來(lái)越高。傳感器是自動(dòng)控制的重要組成部分，是信息采集系統的重要組成部分。

通過(guò)傳感器對感覺(jué)或反應進(jìn)行測量并轉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備對傳感器發(fā)出的信號進(jìn)行處理，達到自動(dòng)控制的功能。由于傳感器的響應時(shí)間一般較短，因此可以通過(guò)計算機系統對工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。紅外傳感器是一種常見(jiàn)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定性高于絕對零，都會(huì )輻射紅外能量，所以紅外傳感器被稱(chēng)為一種非常實(shí)用的傳感器。許多實(shí)用的傳感器模塊都可以利用紅外傳感器進(jìn)行設計，如紅外測溫儀、紅外成像儀、紅外人體探測報警器、自動(dòng)門(mén)控系統等。

紅外線(xiàn)傳感器是利用紅外線(xiàn)的物理特性進(jìn)行測量的傳感器。紅外光又稱(chēng)紅外線(xiàn)，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，是一種不可見(jiàn)光，其光譜位于可見(jiàn)光中的紅色之外，故稱(chēng)為紅外線(xiàn)。

在工程上，紅外線(xiàn)在電磁波譜中的位置（波段）分為近紅外波段、中紅外波段、遠紅外波段和極遠紅外波段四個(gè)波段。任何物質(zhì)都可以輻射紅外線(xiàn)，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(xiàn)是太陽(yáng)光譜的一部分。紅外光最大的特點(diǎn)是光熱效應和輻射熱。它是光譜中最大的光熱效應區域。一種不可見(jiàn)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(huì )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(guò)大多數半導體和一些塑料，而大多數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(cháng)的紅外光有不同的吸收帶。結果表明，波長(cháng)為1-5μm和8-14μm的紅外光具有較大的“透明度”。也就是說(shuō)，這些波長(cháng)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(huì )產(chǎn)生不同的光熱效應。

嚴格來(lái)說(shuō)，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(diǎn)是紅外輻射技術(shù)在衛星遙感、紅外跟蹤等軍事科研項目中應用的重要理論基礎。

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(xiàn)越多，紅外線(xiàn)輻射的能量就越強。研究發(fā)現，太陽(yáng)光譜中各種單色光的熱效應從紫光到紅光逐漸增強，其中熱效應最大出現在紅外輻射的頻率范圍內，因此人們稱(chēng)紅外輻射為熱輻射或熱射線(xiàn)。

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(gè)常數，等于同一面積黑體在那個(gè)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(huì )引起紅外輻射能量的明顯變化。這一特征構成了紅外遙感的理論基礎。

②玻爾茲曼定律：即黑體的總輻射通量隨著(zhù)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(huì )引起輻射通量密度的巨大變化。它是用紅外設備測量溫度的理論基礎。

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

紅外傳感器的工作原理并不復雜。典型傳感器系統各部分的實(shí)體如下：

? 被測目標：可根據被測目標的紅外輻射特性設置紅外系統。

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

? 光接收器：它接收目標的部分紅外輻射并將其傳輸到紅外傳感器。相當于雷達天線(xiàn)，通常是物鏡。

? 輻射調制器：可調制被測目標變化的輻射光，提供目標方位信息，濾除大面積干擾信號。又稱(chēng)調制盤(pán)和斬波器，具有多種結構。

? 紅外探測器：這是紅外系統的核心。它是一種利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用的物理效應來(lái)探測紅外輻射的傳感器。在大多數情況下，它使用相互作用的電效應。這些探測器可分為兩類(lèi)：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，因此相應的系統必須有制冷設備。設備冷藏后可縮短響應時(shí)間，提高檢測靈敏度。

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

? 顯示設備：這是紅外設備的終端設備。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。

根據上述過(guò)程，紅外系統就可以完成相應的物理量測量。紅外系統的核心是紅外探測器。根據探測機制的不同，可分為熱探測器和光子探測器兩大類(lèi)。

熱探測器吸收各種入射波長(cháng)的所有輻射能。它是一種紅外傳感器，對紅外光波沒(méi)有選擇。光子探測器常見(jiàn)的光子效應有外光電效應、內光電效應（光伏效應、光電導效應）和光電磁效應。熱探測器利用輻射熱效應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(guò)檢測其中一項特性的變化來(lái)檢測輻射。在大多數情況下，輻射是通過(guò)熱電變化來(lái)檢測的。當元件受到輻射而引起非電量物理變化時(shí)，經(jīng)適當變換即可測得相應的電量變化。

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

常見(jiàn)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(lái)改變傳感器的溫度，進(jìn)而使相關(guān)的物理參數發(fā)生相應的變化。紅外傳感器吸收的紅外輻射是通過(guò)測量相關(guān)物理參數的變化來(lái)確定的。

熱探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是帶寬較寬，可在常溫下工作，使用方便。但熱傳感器響應時(shí)間長(cháng)，靈敏度低，一般用于低頻調制。

熱傳感器的主要類(lèi)型有熱傳感器型、熱電偶型、高萊氣動(dòng)型和放熱電動(dòng)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。當紅外輻射照射熱敏電阻時(shí)，其溫度升高，電阻降低。通過(guò)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。當紅外輻射到達由這兩種金屬材料組成的閉合電路的觸點(diǎn)時(shí)，觸點(diǎn)溫度升高。另一個(gè)沒(méi)有被紅外線(xiàn)輻射的觸點(diǎn)溫度較低，此時(shí)閉合電路中會(huì )產(chǎn)生溫差電流。同時(shí)在回路中產(chǎn)生熱電勢，熱電勢的大小反映了觸點(diǎn)吸收的紅外輻射強度。由熱電勢制成的紅外傳感器稱(chēng)為熱電偶紅外傳感器。由于其時(shí)間常數大，對應時(shí)間長(cháng)，動(dòng)態(tài)特性差，調制頻率應限制在10Hz以下。

③ 萊氣動(dòng)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(gè)氣室，通過(guò)一根小管子連接到一塊柔性板。

板背管的一側是反射器。氣室前部貼有吸收模，為低熱容薄膜。紅外輻射通過(guò)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(dòng)。

在腔室的另一側，一束可見(jiàn)光通過(guò)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(guò)光柵光條投射到光電管上。當柔性鏡因壓力變化而移動(dòng)時(shí)，光柵圖像與光柵光條的相對位移會(huì )改變落在光電管上的光量，光電管的輸出信號也會(huì )發(fā)生變化，反映強度的紅外輻射。

該傳感器具有靈敏度高、性能穩定的特點(diǎn)。但響應時(shí)間長(cháng)，結構復雜，強度差，只適合實(shí)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)。當紅外輻射照射到極化鐵電片表面時(shí)，片材溫度升高，極化強度降低，表面電荷減少，相當于釋放部分電荷，故稱(chēng)為熱釋電傳感器。

如果負載電阻連接到鐵電片上，則在負載電阻上產(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?jiàn)，熱釋電紅外傳感器的電壓響應率與入射輻射的變化率成正比。當恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時(shí)，傳感器沒(méi)有電信號輸出。

只有當鐵電體的溫度處于變化過(guò)程中時(shí)，才能輸出電信號。因此，需要對紅外輻射（或斬波光）進(jìn)行調制，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體材料在入射光的照射下產(chǎn)生光子效應，從而改變材料的電學(xué)性質(zhì)。通過(guò)測量電性能的變化，我們可以知道紅外輻射的強度。利用光子效應制成的紅外傳感器稱(chēng)為光子傳感器。光子傳感器的主要特點(diǎn)是靈敏度高、響應速度快、響應頻率高，但一般必須在低溫下工作，檢測頻帶較窄。

根據光子傳感器的工作原理，可分為內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

當光線(xiàn)照射到某些材料的表面時(shí)，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。這種現象稱(chēng)為外光電效應或光電子****效應。光電二極管、光電倍增管等屬于此類(lèi)電子傳感器。它的響應速度比較快，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(jiàn)光。

② 光電導傳感器

當紅外輻射照射到某些半導體材料表面時(shí)，半導體材料中的一些電子和空穴可以從原來(lái)的非導電束縛態(tài)轉變?yōu)閷щ娮杂蓱B(tài)，從而增加了半導體的導電性。這種現象稱(chēng)為光電導現象。由光電導現象制成的傳感器稱(chēng)為光電導傳感器。

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傳感器。使用光電導傳感器時(shí)，需要冷卻并加一定的偏置電壓，否則會(huì )降低響應速度，噪聲大，響應帶窄，損壞紅外傳感器。

③ 光伏傳感器

當紅外輻射照射在某些半導體材料的PN結上時(shí)，自由電子在結內電場(chǎng)的作用下向N區移動(dòng)。如果 PN 結開(kāi)路，則 PN 結兩端會(huì )產(chǎn)生一個(gè)附加電位，稱(chēng)為光生電動(dòng)勢?；谶@種效應的傳感器或PN結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

當紅外線(xiàn)輻射到一些半導體材料的表面時(shí)，半導體材料中的一些電子和空穴會(huì )向內部擴散。如果擴散受到強磁場(chǎng)的影響，電子和空穴會(huì )各自偏向一側，從而產(chǎn)生開(kāi)路電壓。這種現象稱(chēng)為光磁電效應。利用這種效應制成的紅外傳感器稱(chēng)為磁電傳感器。

響應帶約7μm，時(shí)間常數小，響應速度快，無(wú)偏差，內阻極低，噪聲小，穩定性和可靠性好。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) 紅外傳感器的應用主要體現在以下幾個(gè)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：用于搜索跟蹤紅外目標，確定其空間位置并跟蹤其運動(dòng)。

3、熱成像系統：可形成整個(gè)目標的紅外輻射分布圖像。

4.紅外測距系統：測量物體之間的距離。（它利用紅外線(xiàn)傳播的不擴散原理，因為紅外線(xiàn)透過(guò)其他物質(zhì)時(shí)的折射率很小，所以遠距離測距儀會(huì )考慮紅外線(xiàn)。）

5、通訊系統：紅外通訊作為一種無(wú)線(xiàn)通訊方式。

6.混合系統：指上述系統的兩個(gè)或多個(gè)組合。

紅外傳感器應用可用于非接觸式溫度測量、氣體成分分析、無(wú)損檢測、熱圖像檢測、紅外遙感和軍事目標偵察、搜索、跟蹤和通信。隨著(zhù)現代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外傳感器的應用前景將更加廣闊。未來(lái)，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備結合使用。智能傳感器內置微處理器，可實(shí)現傳感器與控制單元的雙向通訊。具有小型化、數字通訊、維護簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可作為模塊獨立工作。

2、小型化：傳感器小型化的必然趨勢?，F在在應用中，由于紅外傳感器的體積問(wèn)題，其使用程度遠不如熱電轉角。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(wú)法替代現有的測溫方法。因此，紅外傳感器的高靈敏度和高性能是其未來(lái)發(fā)展的必然趨勢。

雖然目前的紅外傳感器存在諸多不足，但紅外傳感器在現代生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了巨大的作用。隨著(zhù)檢測設備和其他部分技術(shù)的進(jìn)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。當物體靠近傳感器時(shí)，來(lái)自 LED 的紅外光從物體反射出來(lái)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?chē)h(huán)境的某些特征。它通過(guò)****或檢測紅外輻射來(lái)做到這一點(diǎn)。紅外傳感器還能夠測量物體發(fā)出的熱量并檢測運動(dòng)。

3. 什么是兒童紅外傳感器？

比紅光波更長(cháng)的光波稱(chēng)為紅外光 (IR)。沒(méi)有特殊設備或攝影，我們無(wú)法看到紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)。在紅外傳感器的情況下，紅外光源（通常是紅外 LED）用于將光傳輸到接收紅外傳感器。

4. 紅外傳感器可以檢測到人類(lèi)嗎？

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

5. 紅外傳感器用在什么地方？

被動(dòng)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(chǎng)中的物體輻射的紅外 (IR) 光。它們最常用于基于 PIR 的運動(dòng)檢測器。PIR 傳感器通常用于安全警報和自動(dòng)照明應用。

6. 如何繞過(guò)紅外傳感器？

波特說(shuō)，大多數運動(dòng)探測器，甚至是較新的探測器，都使用紅外線(xiàn)來(lái)檢測周?chē)块g溫度的顯著(zhù)變化。他說(shuō)，通常情況下，在房間里走動(dòng)會(huì )觸發(fā)這些傳感器，但使用像一塊泡沫聚苯乙烯這樣簡(jiǎn)單的東西來(lái)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別？

IR 傳感器與超聲波傳感器之間的最大區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(lái)測量您離物體的距離。另一方面，紅外傳感器使用紅外光來(lái)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(cháng)范圍內。紅外傳感器現在廣泛用于運動(dòng)檢測器，用于樓宇服務(wù)中打開(kāi)燈或警報系統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 700 nm 至 14,000 nm 范圍內的電磁波。... 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?chē)h(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。