一、紅外傳感器的工作原理

紅外傳感器，又稱為紅外探測器或紅外轉(zhuǎn)換器（infrared transducer），是一種能夠感應(yīng)紅外線并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器。紅外線，即紅外光，是電磁波譜中波長介于可見光和微波之間的部分，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等物理特性。紅外傳感器利用這些特性，通過非接觸的方式實(shí)現(xiàn)對物體的檢測、測量和監(jiān)控，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、安防監(jiān)控、智能家居、醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等多個(gè)領(lǐng)域。

紅外傳感器的工作原理主要基于以下幾種效應(yīng)：

1. 熱電效應(yīng)
   熱電效應(yīng)是指當(dāng)兩種不同材料之間存在溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢的現(xiàn)象。在紅外傳感器中，熱電偶被用來檢測目標(biāo)表面與參考表面之間的溫差。當(dāng)紅外輻射照射到目標(biāo)表面時(shí)，目標(biāo)表面吸收輻射并受熱，導(dǎo)致表面溫度升高。熱電偶通過測量這種溫差，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)表面的溫度。這種原理在紅外測溫儀中得到了廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸式的溫度測量。
2. 光電效應(yīng)
   光電效應(yīng)是指光子與物質(zhì)相互作用，使物質(zhì)吸收光子能量并釋放出光電子的現(xiàn)象。在紅外傳感器中，光電效應(yīng)通常用于測量目標(biāo)表面的反射率和透過率。紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外線遇到物體后，部分光線被反射回來，由紅外接收器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過測量反射光的強(qiáng)度，可以判斷物體的存在、距離和表面特性。此外，光電效應(yīng)還用于制作光電二極管、光電倍增管等光電傳感器件，它們在紅外成像、光譜分析等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
3. 熱釋電效應(yīng)
   熱釋電效應(yīng)是指某些晶體材料在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)。在紅外傳感器中，熱釋電效應(yīng)被用于測量目標(biāo)表面的發(fā)射率。當(dāng)目標(biāo)表面發(fā)射的紅外輻射通過晶體時(shí)，晶體的電極化現(xiàn)象發(fā)生變化，產(chǎn)生電壓信號(hào)。通過測量這個(gè)電壓信號(hào)，可以確定目標(biāo)表面的發(fā)射率，進(jìn)而分析目標(biāo)表面的性質(zhì)和溫度分布。熱釋電紅外傳感器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，但需要在溫度變化的過程中才能產(chǎn)生電信號(hào)輸出。

二、紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

紅外傳感器通常由光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成：

• 光學(xué)系統(tǒng) ：負(fù)責(zé)接收和聚焦紅外輻射，將其引導(dǎo)至檢測元件。光學(xué)系統(tǒng)通常由透鏡、濾光片等組成，用于提高傳感器的靈敏度和抗干擾能力。
• 檢測元件 ：是紅外傳感器的核心部分，負(fù)責(zé)將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。檢測元件的種類很多，包括熱電偶、熱敏電阻、光電二極管、光電倍增管等。不同類型的檢測元件具有不同的特性和應(yīng)用場景。
• 轉(zhuǎn)換電路 ：將檢測元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和轉(zhuǎn)換處理，最終輸出可供后續(xù)電路或系統(tǒng)使用的信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)對傳感器的性能有重要影響。

三、紅外傳感器的應(yīng)用

紅外傳感器因其非接觸、靈敏度高、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：

1. 自動(dòng)控制
   在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，紅外傳感器被用于檢測物體的位置、速度和形狀等信息，以實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的精確控制。例如，在流水線上，紅外傳感器可以檢測產(chǎn)品的存在和位置，控制機(jī)械臂的抓取和放置動(dòng)作；在自動(dòng)門系統(tǒng)中，紅外傳感器可以檢測行人的接近并自動(dòng)開啟門扉。
2. 安防監(jiān)控
   紅外傳感器在安防監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。通過檢測人體發(fā)出的紅外輻射，紅外傳感器可以實(shí)現(xiàn)對入侵者的檢測和報(bào)警。這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室、倉庫、實(shí)驗(yàn)室等場所的防盜報(bào)警系統(tǒng)中。此外，紅外傳感器還可以與視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的全方位監(jiān)控和錄像。
3. 智能家居
   隨著智能家居的興起，紅外傳感器在智能家居系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。通過檢測人體的紅外輻射和動(dòng)作信息，紅外傳感器可以實(shí)現(xiàn)智能照明、智能溫控等功能。例如，當(dāng)人體進(jìn)入房間時(shí)，紅外傳感器可以自動(dòng)開啟燈光和空調(diào)；當(dāng)人體離開房間時(shí)，則自動(dòng)關(guān)閉這些設(shè)備以節(jié)約能源。
4. 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
   在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，紅外傳感器被用于無接觸溫度測量和疾病診斷。例如，采用紅外傳感器可以遠(yuǎn)距離測量人體表面溫度的熱像圖，發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位從而輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷。此外，紅外傳感器還可以用于測量血液流速、監(jiān)測心臟功能等醫(yī)療應(yīng)用中。
5. 軍事和空間技術(shù)
   在軍事和空間技術(shù)領(lǐng)域，紅外傳感器被用于目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)和衛(wèi)星遙感等方面。通過檢測目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射并進(jìn)行分析處理，紅外傳感器可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精確跟蹤和定位。此外，在衛(wèi)星遙感領(lǐng)域中，紅外傳感器被用于監(jiān)測地球云層、海洋溫度等環(huán)境參數(shù)以支持天氣預(yù)報(bào)和氣候變化研究。
6. 無損檢測
   無損檢測是指在不破壞樣品的情況下對樣品進(jìn)行物理或化學(xué)性質(zhì)的檢測。紅外傳感器在無損檢測領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。無損檢測是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)，用于確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全。紅外傳感器在無損檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用尤為突出，主要得益于其非接觸性、高精度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。

四、紅外傳感器在無損檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)是無損檢測中紅外傳感器的重要應(yīng)用之一。該技術(shù)通過測量物體表面的紅外輻射，生成熱圖像，從而揭示物體內(nèi)部的溫度分布。由于不同材料、缺陷或結(jié)構(gòu)在受到熱激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的熱響應(yīng)，紅外熱成像技術(shù)能夠識(shí)別出物體內(nèi)部的異?；蛉毕荩缌鸭y、空洞、腐蝕等。這種技術(shù)在航空航天、電力、建筑、汽車制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，用于檢測復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的潛在問題，提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。

2、紅外光譜分析

除了熱成像技術(shù)外，紅外光譜分析也是紅外傳感器在無損檢測中的另一種重要應(yīng)用。紅外光譜分析利用物質(zhì)對不同波長紅外光的吸收、反射或透射特性，通過測量紅外光譜圖來獲取物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分信息。這種方法具有非破壞性、快速性和高精度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在無損檢測中，紅外光譜分析可以用于檢測材料表面的污染、涂層厚度、化學(xué)成分等，為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供重要依據(jù)。

3、 紅外熱波檢測

紅外熱波檢測是一種結(jié)合紅外熱成像和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)原理的無損檢測技術(shù)。該技術(shù)通過在物體表面施加短時(shí)間的熱激勵(lì)（如脈沖激光或快速加熱），觀察并記錄物體表面溫度隨時(shí)間的變化過程，從而分析物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)特性。由于缺陷或不同材料之間的熱傳導(dǎo)性能存在差異，紅外熱波檢測能夠識(shí)別出這些差異，并據(jù)此判斷物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷情況。這種方法在復(fù)合材料、金屬構(gòu)件、陶瓷制品等材料的無損檢測中表現(xiàn)出色。

4、 紅外夜視儀與熱成像儀

雖然紅外夜視儀和熱成像儀主要用于夜間觀察和熱成像拍攝，但它們同樣可以被視為紅外傳感器在特定環(huán)境下的無損檢測工具。紅外夜視儀通過接收夜間環(huán)境中微弱的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換為可見光圖像，幫助人們在夜間進(jìn)行觀察和導(dǎo)航。而熱成像儀則能夠捕捉并顯示物體表面的溫度分布圖像，在夜間或低光環(huán)境下對目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤。這些設(shè)備在軍事偵察、搜救行動(dòng)、野生動(dòng)物觀察等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，同時(shí)也為建筑檢查、消防救援等場景下的無損檢測提供了有力支持。

紅外傳感器以其獨(dú)特的工作原理和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在現(xiàn)代科技和工業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色。從自動(dòng)控制到安防監(jiān)控，從智能家居到醫(yī)學(xué)診斷，再到無損檢測等多個(gè)領(lǐng)域，紅外傳感器都展現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢和價(jià)值。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，紅外傳感器的性能將不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣泛和深入。未來，我們有理由相信紅外傳感器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用，推動(dòng)科技和工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

五、紅外傳感器電路圖

1、使用運(yùn)算放大器的紅外傳感器電路圖

紅外傳感器電路是電子設(shè)備中基本且流行的傳感器模塊之一。該傳感器類似于人類的視覺感官，可用于檢測障礙物，是實(shí)時(shí)的常見應(yīng)用之一。

在該項(xiàng)目中，發(fā)射器部分包括一個(gè)紅外傳感器，它發(fā)射連續(xù)的紅外射線，由紅外接收器模塊接收。接收器的IR輸出端子根據(jù)其接收的IR射線而變化。由于無法對這種變化進(jìn)行分析，因此可以將該輸出饋送到比較器電路。這里使用LM 339的運(yùn)算放大器(op-amp)作為比較器電路。

當(dāng)紅外接收器沒有接收到信號(hào)時(shí)，反相輸入端的電位高于比較器 IC (LM339) 的非反相輸入端。因此，比較器的輸出變低，但 LED 不發(fā)光。當(dāng)IR接收器模塊接收到信號(hào)時(shí)，反相輸入端的電位變低。因此，比較器 (LM 339) 的輸出變高，LED 開始發(fā)光。

電阻器 R1 (100Ω)、R2 (10kΩ) 和 R3 (330Ω) 用于確保至少 10mA 的電流分別通過光電二極管和普通 LED 等 IR LED 器件。電阻VR2（預(yù)設(shè)=5k）用于調(diào)節(jié)輸出端子。電阻VR1（預(yù)設(shè)=10k）用于設(shè)置電路圖的靈敏度。了解有關(guān)紅外傳感器的更多信息。

2、使用晶體管的紅外傳感器電路圖

使用晶體管的紅外傳感器的電路圖，即使用兩個(gè)晶體管進(jìn)行障礙物檢測的電路圖如下所示。該電路主要用于使用 IR LED 進(jìn)行障礙物檢測。因此，該電路可以用 NPN 和 PNP 等兩個(gè)晶體管構(gòu)建。對于 NPN，使用 BC547 晶體管，而對于 PNP，使用 BC557 晶體管。這些晶體管的引腳排列是相同的。

在上述電路中，一個(gè)紅外 LED 始終打開，而另一個(gè)紅外 LED 與 PNP 晶體管的基極端子相連，因?yàn)樵摷t外 LED 充當(dāng)檢測器。該紅外傳感器電路所需的組件包括電阻 100 歐姆和 200 歐姆、BC547 和 BC557 晶體管、LED、紅外 LED-2。

一旦檢測到紅外 LED，物體反射的光就會(huì)激活一個(gè)小電流，為整個(gè) IR LED 檢測器供電。這將激活 NPN 晶體管和 PNP；因此 LED 將亮起。該電路適用于制作不同的項(xiàng)目，例如一旦人靠近燈就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)燈。

3、基于IC NE555的紅外傳感器電路圖

作為電子專業(yè)的學(xué)生，??我們一直聽說紅外技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域來制造不同的設(shè)備和產(chǎn)品。例如，我們在家中使用的電視使用紅外傳感器來確定來自人眼看不到的遙控器的信號(hào)。但什么是紅外傳感器？檢測紅外輻射的傳感器。紅外傳感器包含紅外 LED 和紅外光電二極管。傳感器中的 LED 幾乎與標(biāo)準(zhǔn) LED 相似。

有兩種類型的紅外傳感器：有源傳感器，包括發(fā)射器和接收器；無源傳感器，僅包括接收器/檢測器，沒有發(fā)射器。為了避免環(huán)境的補(bǔ)充反射，發(fā)射器和接收器都應(yīng)該用塑料和涂成黑色的外殼適當(dāng)封閉。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將制作一個(gè)紅外電路傳感器。

紅外 LED 由 IC NE555 驅(qū)動(dòng)，該 IC 的接線頻率約為 120Hz，峰值電流為 300mA，占空比為 0.8 毫秒。二極管 D1 將 IR 輸出提供給二極管 D2。然后該信號(hào)被提供給運(yùn)算放大器 IC LM358 的反相引腳，該引腳被放大并提供給 D4 和 C4。二極管 D4 產(chǎn)生正向電壓，該電壓被 D3、R5 和 R6 抵消。向 IC2 LM358 的反相端提供直流電壓。 LED 根據(jù)比較器的結(jié)果點(diǎn)亮和熄滅。比較器的輸出由電路中的電位器設(shè)定。比較器輸出提供給 Q1，驅(qū)動(dòng)電路的繼電器或負(fù)載。