红外传感器工作原理、种类、特点以及应用详解

传感器技术 发表于 2017-12-21 14:52:12 收藏 已收藏
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红外传感器工作原理、种类、特点以及应用详解

传感器技术 发表于 2017-12-21 14:52:12

先看一条两年前的资讯:“据悉,今年秋天,罹患渐冻症逾半个世纪的著名物理学家史蒂芬-霍金将出版一部回忆录,坦诚地透露71年来的生活细节。据称,这是第一部霍金未借助他人帮助、完全依靠自己写成的书籍。那么,一直以来,霍金是如何与他人进行交谈和发表演讲的呢?

红外传感器工作原理、种类、特点以及应用详解

原来,霍金轮椅下方和后方安装的电脑包含一个音频放大器和声音合成器,它们受到霍金眼镜上的红外传感器控制,能够对因面部运动而产生的光线变化作出反应……”

从上面我们可以看出,现如今,红外传感器技术已经非常成熟,已经融入到人们的日常生活,并且发挥着巨大的作用。

在了解红外传感器之前,首先,我们应该了解一下,什么是红外线,或者叫红外光。

我们知道,光线也是一种辐射电磁波,以人类的经验而言,通常指的是肉眼可见的光波域是从400nm(紫光)到700nm(红光)可以被人类眼睛感觉得到的范围。

红外传感器工作原理、种类、特点以及应用详解

如图所示我们把红光之外、波长760nm到1mm之间辐射叫做红外光,红外光是肉眼看不到的,但通过一些特殊光学设备,我们依然可以感受到。

红外线是一种人类肉眼看不见的光,所以,它具有光的一切光线的所有特性。但同时,红外线还有一种还具有非常显著的热效应。所有高于绝对零度即-273℃的物质都可以产生红外线。

因此,简单地说,红外线传感器是利用红外线为介质来进行数据处理的一种传感器。

红外传感器的种类

红外线是一种人类肉眼看不见的光,所以,它具有光的一切光线的所有特性。但同时,红外线还有一种还具有非常显著的热效应。所有高于绝对零度即-273℃的物质都可以产生红外线。

根据发出方式不同,红外传感器可分为主动式和被动式两种。

 

主动红外传感器的工作原理及特性

主动红外传感器的发射机发出一束经调制的红外光束,被红外接收机接收,从而形成一条红外光束组成的警戒线。当遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警,人或相当体积的物品遮挡将发生报警。

主动红外探测器技术主要采用一发一收,属于线形防范,现在已经从最初的但光束发展到多光束,而且还可以双发双受,最大限度的降低误报率,从而增强该产品的稳定性,可靠性。

由于红外线属于环境因素不相干性良好(对于环境中的声响、雷电、振动、各类人工光源及电磁干扰源,具有良好的不相干性)的探测介质;同时也是目标因素相干性好的产品(只有阻断红外射束的目标,才会触发报警),所以主动式红外传感器器将会得到进一步的推广和应用。

 

被动红外传感器器的工作原理及特性

被动红外传感器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。传感器器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件,这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷,检测处理后产生报警。

这种传感器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。为了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滤光片,使环境的干扰受到明显的控制作用。

被动红外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电元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。

一旦入侵人进入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜而聚焦,从而被热释电元接收,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,经信号处理而报警。

根据能量转换方式的不同,红外线传感器又可分为光子式和热释电式两种。

 

光子式红外传感器

光子式红外传感器是利用红外辐射的光子效应而进行工作的传感器。所谓光子效应,是指当有红外线入射到某些半导体材料上时,红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用,改变了电子的能量状态,从而引起各种电学现象。

通过测量半导体材料中电子性质的变化,就可以知道相应红外辐射的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。

光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快,具有较高的响应频率,但缺点是探测波段较窄,一般工作于低温(为保持高灵敏度,常采用液氮或温差电制冷等方式,将光子探测器冷却至较低的工作温度)。

 

热释电式红外传感器

热释电式红外传感器是利用红外辐射的热效应引起元件本身的温度变化来实现某些参数的检测的,其探测率、响应速度都不如光子型传感器。

但由于其可在室温下使用,灵敏度与波长无关,所以应用领域很广。利用铁电体热释电效应的热释电型红外传感器灵敏度很高,获得了广泛应用。

热释电效应某些绝缘物质受热时,随着温度的上升,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。热释电效应在近十年被用于热释电红外传感器中。能产生热释电效应的晶体称为热释电体,又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶、压电陶瓷及高分子薄膜等。

热释电红外传感器的结构热释电红外传感器由以下四个主要部分构成:

①构成电路的铝基板、场效应晶体管(FET);

②具有热释电效应的陶瓷材料;

③ 限制入射红外波长的窗口材料;

④ 外壳TO—5型管帽和管座。

由于探测器元件单独使用时,存在着探测距离较短、获得的信号后续电路不易处理的不足,所以目前多选用红外组合件来探测。红外组合件由热释电红外传感器、透镜、测量转换电路和密封管壳构成]。透镜可以扩大探测范围,提高测量的灵敏度;测量转换电路可以完成滤波、放大等信号处理过程;密封管壳能防止因外界噪声引起的错误动作。这种组合件体积小、成本低、功能多样,所以应用广泛。

红外传感器的应用

从目前应用的情况来看,红外传感器有如下几个优点:

1、环境适应性优于可见光,尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力;

2、隐蔽性好,一般都是被动接收目标的信号,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;

3、由于目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测,因而识别伪装目标的能力优于可见光;

4、与雷达系统相比,红外系统的体积小,重量轻,功耗低;

根据红外传感器上述的性能特点,我们可以发展出多种不种的红外探测器。

 

利用其光效应:

1、光电导探测器:又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后,体内一些载流子从束缚态转变为自由态,从而使半导体电导率增大,这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。

2、光伏探测器:主要利用p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区,电子进入n区,两部分出现电位差,外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器比较,光伏探测器背景限探测率大40%,不需要外加偏置电场和负载电阻,不消耗功率,有高的阻抗。

3、光发射-Schottky势垒探测器:金属和半导体接触,形成Schottky势垒,红外光子透过Si层被PtSi吸收,使电子获得能量跃迁至费米能级,留下空穴越过势垒进入Si衬底,PtSi层的电子被收集,完成红外探测。

4、量子阱探测器(QWIP):将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格,在其界面有能带突变,使得电子和空穴被限制在低势能阱内,从而能量量子化形成量子阱。

利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用,光子利用率低;量子阱中基态电子浓度受掺杂限制,量子效率不高;响应光谱区窄;低温要求苛刻。

 

利用其热效应:

1、液态的水银温度计及气动的高莱池(Golay cell):利用了材料的热胀冷缩效应。

2、 热电偶和热电堆:利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。

3、 石英共振器非制冷红外成像列阵:利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

4、测辐射热计:利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多,测温辐射热计常称“热敏电阻”。

另外,由于高温超导材料出现,利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实,将是21世纪最引人注目的一类探测器;

5、 热释电探测器:有些晶体,如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等,当受到红外辐射照射温度升高时,引起自发极化强度变化,结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压,由此能测量红外辐射的功率。

按照应用功能、场所的不同,红外传感器应用大体上可分成以下几类:

 

辐射量、光谱测量

该类测量仪器用途广泛,如基于中红外辐射测量的地面辐射强度计,可用于如全球变暖等的气候变化观察;基于远红外辐射测量的红外空间望远镜,可用于宇宙天体天文观察;配带红外光谱扫描辐射仪的气象卫星,可实现对云层等的气象观察分析。在工矿企业中,应用较多的是基于辐射量测量的红外温度计和基于红外光谱测量的红外分析仪。

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搜索和跟踪系统

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我们熟知战斗机携带的近距格斗空空导弹就是使用了红外跟踪系统,它是基于目标所发出的处于红外光谱范围内的电磁辐射波,来搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置,并对其运动轨迹进行跟踪的系统。

红外搜索跟踪器的图像品质取决于与像素大小和像素数量相关的空间分辨率。也就是说,若仪器像素数越高,像素尺寸越小,则其显示的图像越清晰,可搜索的距离则越远。

擅长基于MCT(碲镉汞)冷却红外检测器技术的法国Sofradir公司,近期推出了高性能的基于10μm像距MWIR中红外的IRST红外搜索和跟踪系统,可用于飞行员或士兵不论白天还是夜晚,即使是在烟或雾环境下,仍能有效识别、分辨、定位远达10km以外的小目标。

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热成像系统

热成像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

任何有温度的物体都会发出红外线,热像仪就是接收物体发出的红外线,通过有颜色的图片来显示被测量物表面的温度分布,根据温度的微小差异来找出温度的异常点,从而起到与维护的作用。一般也称作红外热像仪。

热像仪在最早是因为军事目的而得以开发,近年来迅速向民用工业领域扩展。热像仪的应用非常广泛,只要有温度差异的地方都有应用。

比如:在建筑领域,检查空鼓、缺陷、瓷砖脱落、受潮、热桥等;在消防领域可以查找火源,判定事故的起因,查找烟雾中的受伤者;公安系统可以找夜间藏匿的人;汽车生产领域可以检测轮胎的行走性能、空调发热丝、发动机、排气喉等性能;医学可以检测针灸效果、早期发现鼻咽癌、乳腺癌等疾病;电力检查电线、连接处、快关闸、变电柜等。

 

红外通信系统

是采用调制后的红外辐射光束传输编码后的数据,再由硅光电二极管将收到的红外辐射信号转换成电信号,实现近距离通信的一种系统。具有不干扰其它邻近设备的正常工作,特别适用于人口高密度区域的户内通信的优点。此外,该通信系统还具有低功耗、低成本、安全可靠的特点。

 

其它

红外传感技术还广泛用于门禁报警与控制、照明控制、火灾检测、有毒有害气体泄漏检测、红外测距、采暖通风等其它综合应用场合。在德国纽伦堡举办的“SENSOR+TEST”展览会上,法国ULIS公司展出了其最新研制的、采用了最新的片上(on-chip)创新技术(如采用I2C标准接口、低功耗管理等)的红外热式传感器阵列Micro80P产品。

该传感器阵列基于有着较高可靠性的非晶硅技术,灵敏度高达80×80像距,其性能远远超越了在目前运动检测器中所用的单元件或四元件热式传感器,大大提升了工业级红外热检测传感器的能力。

该产品不仅可以用于检测温度点或温度面和探测运动,也可以实现对目标或人体活动的计数、定位和分类等功能。如在HVAC场合,可用于对房间内的人员进行计数,对房间墙壁温度进行测量,从而对室内采暖和空调系统进行自动精细调节,实现建筑物最大程度的节能降耗。

红外传感器工作原理、种类、特点以及应用详解

红外传感器的发展

随着科学技术水平的提高、计算机微处理器技术的发展、现代数字信号处理技术的提升、新型半导体等材料的推出和加工制造工艺的进步,红外传感器近年发展迅猛。据国外某研究机构预测,红外传感器全球销售额将会从2010年的$1.52亿美元增长到2016年的2.86亿美元。

近年来,红外传感器的发展趋势主要体现在以下四个方面:

一是采用新型材料和处理技术,使得传感器的红外探测率提高,响应波长增大,响应时间缩短,像素灵敏度和像素密度更高,抗干扰性能提高,生产成本降低。如Pyreos和Irisys公司已推出薄膜和陶瓷混合的新型热释电敏感技术,使得敏感元件可以实现阵列化。

二是传感器的大型化和多功能化。随着微电子技术的发展和传感器的应用领域的不断扩大,红外传感器正从小型、单一功能,向大型化、多功能化方向发展。

如国外所研制的大型红外传感器(16×16到64×64像素)除可进行温度场测量外,还可获得先进的、小型红外传感器所不具有的人体探测功能(即可精确定位个人在空间中的位置,即使人不活动,也可识别出)或大型区域的安全监视等功能,十分适宜于家庭自动化、医疗保健、安全防护等场合的应用。

此外,新型多光谱传感器的研制,也大大改善了红外成像阵列的功能性。

三是传感器的智能化。新型的智能红外传感器通常内置多个微处理器,具备傅里叶变换、小波变换等先进数字信号处理或补偿功能,自诊断功能,双向数字通信等功能,使得传感器的稳定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提高。

四是传感器的进一步微型化、集成化。采用片上集成技术(包括盲元替代、非均匀性校正、部分图像处理功能等)和其它新的器件结构及新的制造工艺技术,在MEMS(微机电系统),甚至基于纳米科技的NEMS(纳机电系统)推动下,红外传感器尺寸大为缩小,功耗大大降低,集成度显著提高。

由于红外传感器的优越性能,许多主流仪表研究单位和生产制造商对它的研发投入也越来越高。


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