紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

物聯(lián)網(wǎng)是把所有物品通過射頻識別、紅外感應器等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來的技術(shù)， 以實現(xiàn)智能化識別和管理，是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)革命。文章首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)的定義內(nèi)涵、基本特征及研究現(xiàn)狀，然后探討了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一傳感器技術(shù)；接著闡述了紅外傳感器結(jié)構(gòu)、原理及特點，最后對紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應用進行了初步探索，指出其廣闊的應用前景。

紅外傳感器的結(jié)構(gòu)原理與特點

紅外傳感器是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種光敏元件，根據(jù)具體工作原理的不同，可分為光子型和熱釋電型兩種。熱釋電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應引起元件本身的溫度變化來實現(xiàn)某些參數(shù)的檢測的，其探測率、響應速度都不如光子型傳感器。但由于其可在室溫下使用，靈敏度與波長無關(guān)，所以應用領(lǐng)域很廣［5］。利用鐵電體熱釋電效應的熱釋電型紅外傳感器靈敏度很高，獲得了廣泛應用。

熱釋電效應某些絕緣物質(zhì)受熱時，隨著溫度的上升，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應。熱釋電效應在近十年被用于熱釋電紅外傳感器中。能產(chǎn)生熱釋電效應的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。熱電元件常用的材料有單晶、壓電陶瓷及高分子薄膜等。

?熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器由以下四個主要部分構(gòu)成：①構(gòu)成電路的鋁基板、場效應晶體管（FET）；②具有熱釋電效應的陶瓷材料；③ 限制入射紅外波長的窗口材料；④ 外殼TO—5型管帽和管座。

由于熱釋電紅外傳感器中電容的電流發(fā)生器輸出阻抗高，且輸出電壓信號又極其微弱，故在管內(nèi)的敏感轉(zhuǎn)換元件FET上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。其等效電路如圖2所示，在負載電阻上并聯(lián)一個放大器及厚膜電阻，以達到阻抗變換的目的。在管殼的頂部設有濾光鏡（TO一5封裝），而樹脂封裝的則設在側(cè)面。

?紅外組合件的構(gòu)造由于探測器元件單獨使用時，存在著探測距離較短、獲得的信號后續(xù)電路不易處理的不足，所以目前多選用紅外組合件來探測。紅外組合件由熱釋電紅外傳感器、透鏡、測量轉(zhuǎn)換電路和密封管殼構(gòu)成［6］。透鏡可以擴大探測范圍，提高測量的靈敏度；測量轉(zhuǎn)換電路可以完成濾波、放大等信號處理過程；密封管殼能防止因外界噪聲引起的錯誤動作。這種組合件體積小、成本低、功能多樣，所以應用廣泛。

濾光鏡材料在熱釋電紅外傳感器的窗口上裝有不同材料的濾光鏡，阻止不需要的紅外線進入傳感器。一般熱釋電紅外傳感器在0.2～20um光譜范圍內(nèi)的靈敏度比較好，不受可見光影響。由于不同的檢測要求（如醫(yī)學或氣體成分分析等）光譜響應范圍不同，因此可選擇不同材料的濾光鏡使其滿足不同場合需求。

熱釋電紅外傳感器使用時，一般前級需要先用菲涅爾透鏡濾光，后級接帶通放大器，放大器的中心頻率一般取1.2Hz左右，放大器帶寬對靈敏度、可靠性的影響比較大。使用時要根據(jù)具體要求來合理選擇。

物聯(lián)網(wǎng)中可以大量使用紅外傳感器（也叫紅外感應器）來實現(xiàn)物體信息的獲取，盡管目前尚未研發(fā)生產(chǎn)出成熟的產(chǎn)品，但是紅外傳感器已經(jīng)有很多成熟的應用領(lǐng)域，可以借鑒。以熱釋電紅外傳感器為核心構(gòu)成的熱釋電紅外開關(guān)，在民用領(lǐng)域可作為蜂鳴器、白熾燈、烘干機、自動門、和自動洗手池等裝置的自動感應開關(guān)，特別適用于工礦企業(yè)、高檔酒店、大型商場等區(qū)域。

此外，熱釋電紅外傳感器還可用于遙感、制導、夜視、主動雷達、熱成像、氣體分析、輻射計、測溫等軍事和工業(yè)場合。比如在2008年5.12汶川特大地震救援過程中，就使用了紅外傳感器實現(xiàn)無光條件下（夜間和陰雨天）災區(qū)照片的拍攝，為救援工作提供了幫助。紅外傳感器價格經(jīng)濟、測量電路簡單、常溫下可使用、非接觸式測量、精度較高等優(yōu)點決定了其在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛的應用前景。

在物聯(lián)網(wǎng)中可以使用紅外傳感器獲取物品信息，使用電子標簽記錄、實現(xiàn)物品的精確定位。比如用紅外傳感器檢測超市貨架是否具有足夠的商品待售，當檢測到貨物不足時，通過后續(xù)信號處理、濾波、放大，驅(qū)動揚聲器提醒超市工作人員及時補貨。

特別是在物聯(lián)網(wǎng)消費電子電器產(chǎn)品中，熱釋電紅外傳感器具有極其廣泛的應用前景。目前用得最多的是檢測物品有無，實現(xiàn)自動控制。紅外傳感器已廣泛用于防盜報警系統(tǒng)中，市場上有成熟的商品。一個典型的周界入侵檢測報警系統(tǒng)本身就是一個物聯(lián)網(wǎng)在安全方面的應用，比如上海浦東機場入侵檢測系統(tǒng)，就是一個小型的物聯(lián)網(wǎng)，其中使用了大量的紅外傳感器，作為智能節(jié)點，獲取周邊信息，與其他類型傳感器采集得到的信息一起準確及時地提供給中央處理系統(tǒng)進行信息融合，作為自動控制決策的依據(jù)。國外已有把熱釋電傳感器安裝在售貨機上，當有人接近時，機器可以說話，實現(xiàn)自動銷售，我們也可以借鑒應用。再比如可以把紅外傳感器安裝在工廠危險性機械系統(tǒng)上，能夠進行非接觸測量，當超過預定的安全距離時給出警示，防止人太靠近造成危險，保護工人健康、實現(xiàn)安全生產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本。

5結(jié)語

近年來物聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展引起了人們的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外政府和企業(yè)都積極采取行動參與物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，廣大學者也對物聯(lián)網(wǎng)展開深入研究，國內(nèi)不少高校先后申報了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)方面的人才，這將對未來全球經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。與此同時，熱釋電紅外傳感器的銷量近幾年也是每年增長30％以上。國內(nèi)外廠家正在不斷開發(fā)新產(chǎn)品以滿足未來的市場需求。可以預見，紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣闊的應用前景。