紅外傳感器工作原理、種類(lèi)、特點(diǎn)以及應(yīng)用詳解

先看一條兩年前的資訊：“據(jù)悉，今年秋天，罹患漸凍癥逾半個(gè)世紀(jì)的著名物理學(xué)家史蒂芬-霍金將出版一部回憶錄，坦誠(chéng)地透露71年來(lái)的生活細(xì)節(jié)。據(jù)稱，這是第一部霍金未借助他人幫助、完全依靠自己寫(xiě)成的書(shū)籍。那么，一直以來(lái)，霍金是如何與他人進(jìn)行交談和發(fā)表演講的呢？

原來(lái)，霍金輪椅下方和后方安裝的電腦包含一個(gè)音頻放大器和聲音合成器，它們受到霍金眼鏡上的紅外傳感器控制，能夠?qū)σ蛎娌窟\(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的光線變化作出反應(yīng)……”

從上面我們可以看出，現(xiàn)如今，紅外傳感器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，已經(jīng)融入到人們的日常生活，并且發(fā)揮著巨大的作用。

在了解紅外傳感器之前，首先，我們應(yīng)該了解一下，什么是紅外線，或者叫紅外光。

我們知道，光線也是一種輻射電磁波，以人類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)而言，通常指的是肉眼可見(jiàn)的光波域是從400nm（紫光）到700nm（紅光）可以被人類(lèi)眼睛感覺(jué)得到的范圍。

如圖所示我們把紅光之外、波長(zhǎng)760nm到1mm之間輻射叫做紅外光，紅外光是肉眼看不到的，但通過(guò)一些特殊光學(xué)設(shè)備，我們依然可以感受到。

紅外線是一種人類(lèi)肉眼看不見(jiàn)的光，所以，它具有光的一切光線的所有特性。但同時(shí)，紅外線還有一種還具有非常顯著的熱效應(yīng)。所有高于絕對(duì)零度即－273℃的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。

因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，紅外線傳感器是利用紅外線為介質(zhì)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的一種傳感器。

紅外傳感器的種類(lèi)

紅外線是一種人類(lèi)肉眼看不見(jiàn)的光，所以，它具有光的一切光線的所有特性。但同時(shí)，紅外線還有一種還具有非常顯著的熱效應(yīng)。所有高于絕對(duì)零度即－273℃的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。

根據(jù)發(fā)出方式不同，紅外傳感器可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。

主動(dòng)紅外傳感器的工作原理及特性

主動(dòng)紅外傳感器的發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束，被紅外接收機(jī)接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當(dāng)遇到樹(shù)葉、雨、小動(dòng)物、雪、沙塵、霧遮擋則不應(yīng)報(bào)警，人或相當(dāng)體積的物品遮擋將發(fā)生報(bào)警。

主動(dòng)紅外探測(cè)器技術(shù)主要采用一發(fā)一收，屬于線形防范，現(xiàn)在已經(jīng)從最初的但光束發(fā)展到多光束，而且還可以雙發(fā)雙受，最大限度的降低誤報(bào)率，從而增強(qiáng)該產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可靠性。

由于紅外線屬于環(huán)境因素不相干性良好（對(duì)于環(huán)境中的聲響、雷電、振動(dòng)、各類(lèi)人工光源及電磁干擾源，具有良好的不相干性）的探測(cè)介質(zhì)；同時(shí)也是目標(biāo)因素相干性好的產(chǎn)品（只有阻斷紅外射束的目標(biāo)，才會(huì)觸發(fā)報(bào)警），所以主動(dòng)式紅外傳感器器將會(huì)得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

被動(dòng)紅外傳感器器的工作原理及特性

被動(dòng)紅外傳感器是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線來(lái)進(jìn)行工作的。傳感器器收集外界的紅外輻射進(jìn)而聚集到紅外傳感器上。紅外傳感器通常采用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發(fā)出變化時(shí)就會(huì)向外釋放電荷，檢測(cè)處理后產(chǎn)生報(bào)警。

這種傳感器是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以輻射敏感元件對(duì)波長(zhǎng)為10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。為了對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

被動(dòng)紅外傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電元幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。

一旦入侵人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡而聚焦，從而被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同，紅外線傳感器又可分為光子式和熱釋電式兩種。

光子式紅外傳感器

光子式紅外傳感器是利用紅外輻射的光子效應(yīng)而進(jìn)行工作的傳感器。所謂光子效應(yīng)，是指當(dāng)有紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，從而引起各種電學(xué)現(xiàn)象。

通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體材料中電子性質(zhì)的變化，就可以知道相應(yīng)紅外輻射的強(qiáng)弱。光子探測(cè)器類(lèi)型主要有內(nèi)光電探測(cè)器、外光電探測(cè)器、自由載流子式探測(cè)器、QWIP量子阱式探測(cè)器等。

光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但缺點(diǎn)是探測(cè)波段較窄，一般工作于低溫（為保持高靈敏度，常采用液氮或溫差電制冷等方式，將光子探測(cè)器冷卻至較低的工作溫度）。

熱釋電式紅外傳感器

熱釋電式紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)引起元件本身的溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)某些參數(shù)的檢測(cè)的，其探測(cè)率、響應(yīng)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(zhǎng)無(wú)關(guān)，所以應(yīng)用領(lǐng)域很廣。利用鐵電體熱釋電效應(yīng)的熱釋電型紅外傳感器靈敏度很高，獲得了廣泛應(yīng)用。

熱釋電效應(yīng)某些絕緣物質(zhì)受熱時(shí)，隨著溫度的上升，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)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(yīng)。熱釋電效應(yīng)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(yīng)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(gè)主要部分構(gòu)成：

①構(gòu)成電路的鋁基板、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)；

②具有熱釋電效應(yīng)的陶瓷材料；

③ 限制入射紅外波長(zhǎng)的窗口材料；

④ 外殼TO—5型管帽和管座。

由于探測(cè)器元件單獨(dú)使用時(shí)，存在著探測(cè)距離較短、獲得的信號(hào)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(lái)探測(cè)。紅外組合件由熱釋電紅外傳感器、透鏡、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路和密封管殼構(gòu)成]。透鏡可以擴(kuò)大探測(cè)范圍，提高測(cè)量的靈敏度；測(cè)量轉(zhuǎn)換電路可以完成濾波、放大等信號(hào)處理過(guò)程；密封管殼能防止因外界噪聲引起的錯(cuò)誤動(dòng)作。這種組合件體積小、成本低、功能多樣，所以應(yīng)用廣泛。

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紅外傳感器的應(yīng)用

從目前應(yīng)用的情況來(lái)看，紅外傳感器有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1、環(huán)境適應(yīng)性優(yōu)于可見(jiàn)光，尤其是在夜間和惡劣天候下的工作能力；

2、隱蔽性好，一般都是被動(dòng)接收目標(biāo)的信號(hào)，比雷達(dá)和激光探測(cè)安全且保密性強(qiáng)，不易被干擾；

3、由于目標(biāo)和背景之間的溫差和發(fā)射率差形成的紅外輻射特性進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見(jiàn)光；

4、與雷達(dá)系統(tǒng)相比，紅外系統(tǒng)的體積小，重量輕，功耗低；

根據(jù)紅外傳感器上述的性能特點(diǎn)，我們可以發(fā)展出多種不種的紅外探測(cè)器。

利用其光效應(yīng)：

1、光電導(dǎo)探測(cè)器：又稱光敏電阻。半導(dǎo)體吸收能量足夠大的光子后，體內(nèi)一些載流子從束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂蓱B(tài)，從而使半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電導(dǎo)探測(cè)器分為多晶薄膜型和單晶型兩種。

2、光伏探測(cè)器：主要利用p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結(jié)區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對(duì)。存在的結(jié)電場(chǎng)使空穴進(jìn)入p區(qū)，電子進(jìn)入n區(qū)，兩部分出現(xiàn)電位差，外電路就有電壓或電流信號(hào)。與光電導(dǎo)探測(cè)器比較，光伏探測(cè)器背景限探測(cè)率大40%，不需要外加偏置電場(chǎng)和負(fù)載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。

3、光發(fā)射-Schottky勢(shì)壘探測(cè)器：金屬和半導(dǎo)體接觸，形成Schottky勢(shì)壘，紅外光子透過(guò)Si層被PtSi吸收，使電子獲得能量躍遷至費(fèi)米能級(jí)，留下空穴越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入Si襯底，PtSi層的電子被收集，完成紅外探測(cè)。

4、量子阱探測(cè)器（QWIP）：將兩種半導(dǎo)體材料用人工方法薄層交替生長(zhǎng)形成超晶格，在其界面有能帶突變，使得電子和空穴被限制在低勢(shì)能阱內(nèi)，從而能量量子化形成量子阱。

利用量子阱中能級(jí)電子躍遷原理可以做紅外探測(cè)器。因入射輻射中只有垂直于超晶格生長(zhǎng)面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應(yīng)光譜區(qū)窄；低溫要求苛刻。

利用其熱效應(yīng)：

1、液態(tài)的水銀溫度計(jì)及氣動(dòng)的高萊池（Golay cell）：利用了材料的熱脹冷縮效應(yīng)。

2、熱電偶和熱電堆：利用了溫度梯度可使不同材料間產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)的溫差電效應(yīng)。

3、石英共振器非制冷紅外成像列陣：利用共振頻率對(duì)溫度敏感的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)。

4、測(cè)輻射熱計(jì)：利用材料的電阻或介電常數(shù)的熱敏效應(yīng)—輻射引起溫升改變材料電阻—用以探測(cè)熱輻射。因半導(dǎo)體電阻有高的溫度系數(shù)而應(yīng)用最多，測(cè)溫輻射熱計(jì)常稱“熱敏電阻”。

另外，由于高溫超導(dǎo)材料出現(xiàn)，利用轉(zhuǎn)變溫度附近電阻陡變的超導(dǎo)探測(cè)器引起重視。如果室溫超導(dǎo)成為現(xiàn)實(shí)，將是21世紀(jì)最引人注目的一類(lèi)探測(cè)器；

5、 熱釋電探測(cè)器：有些晶體，如硫酸三甘酞、鈮酸鍶鋇等，當(dāng)受到紅外輻射照射溫度升高時(shí)，引起自發(fā)極化強(qiáng)度變化，結(jié)果在垂直于自發(fā)極化方向的晶體兩個(gè)外表面之間產(chǎn)生微小電壓，由此能測(cè)量紅外輻射的功率。

按照應(yīng)用功能、場(chǎng)所的不同，紅外傳感器應(yīng)用大體上可分成以下幾類(lèi)：

輻射量、光譜測(cè)量

該類(lèi)測(cè)量?jī)x器用途廣泛，如基于中紅外輻射測(cè)量的地面輻射強(qiáng)度計(jì)，可用于如全球變暖等的氣候變化觀察；基于遠(yuǎn)紅外輻射測(cè)量的紅外空間望遠(yuǎn)鏡，可用于宇宙天體天文觀察；配帶紅外光譜掃描輻射儀的氣象衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)對(duì)云層等的氣象觀察分析。在工礦企業(yè)中，應(yīng)用較多的是基于輻射量測(cè)量的紅外溫度計(jì)和基于紅外光譜測(cè)量的紅外分析儀。

搜索和跟蹤系統(tǒng)

我們熟知戰(zhàn)斗機(jī)攜帶的近距格斗空空導(dǎo)彈就是使用了紅外跟蹤系統(tǒng)，它是基于目標(biāo)所發(fā)出的處于紅外光譜范圍內(nèi)的電磁輻射波，來(lái)搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤的系統(tǒng)。

紅外搜索跟蹤器的圖像品質(zhì)取決于與像素大小和像素?cái)?shù)量相關(guān)的空間分辨率。也就是說(shuō)，若儀器像素?cái)?shù)越高，像素尺寸越小，則其顯示的圖像越清晰，可搜索的距離則越遠(yuǎn)。

擅長(zhǎng)基于MCT（碲鎘汞）冷卻紅外檢測(cè)器技術(shù)的法國(guó)Sofradir公司，近期推出了高性能的基于10μm像距MWIR中紅外的IRST紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)，可用于飛行員或士兵不論白天還是夜晚，即使是在煙或霧環(huán)境下，仍能有效識(shí)別、分辨、定位遠(yuǎn)達(dá)10km以外的小目標(biāo)。

熱成像系統(tǒng)

熱成像儀是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度。

任何有溫度的物體都會(huì)發(fā)出紅外線，熱像儀就是接收物體發(fā)出的紅外線，通過(guò)有顏色的圖片來(lái)顯示被測(cè)量物表面的溫度分布，根據(jù)溫度的微小差異來(lái)找出溫度的異常點(diǎn)，從而起到與維護(hù)的作用。一般也稱作紅外熱像儀。

熱像儀在最早是因?yàn)檐娛履康亩靡蚤_(kāi)發(fā)，近年來(lái)迅速向民用工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展。熱像儀的應(yīng)用非常廣泛，只要有溫度差異的地方都有應(yīng)用。

比如：在建筑領(lǐng)域，檢查空鼓、缺陷、瓷磚脫落、受潮、熱橋等；在消防領(lǐng)域可以查找火源，判定事故的起因，查找煙霧中的受傷者；公安系統(tǒng)可以找夜間藏匿的人；汽車(chē)生產(chǎn)領(lǐng)域可以檢測(cè)輪胎的行走性能、空調(diào)發(fā)熱絲、發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣喉等性能；醫(yī)學(xué)可以檢測(cè)針灸效果、早期發(fā)現(xiàn)鼻咽癌、乳腺癌等疾??；電力檢查電線、連接處、快關(guān)閘、變電柜等。

紅外通信系統(tǒng)

是采用調(diào)制后的紅外輻射光束傳輸編碼后的數(shù)據(jù)，再由硅光電二極管將收到的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)近距離通信的一種系統(tǒng)。具有不干擾其它鄰近設(shè)備的正常工作，特別適用于人口高密度區(qū)域的戶內(nèi)通信的優(yōu)點(diǎn)。此外，該通信系統(tǒng)還具有低功耗、低成本、安全可靠的特點(diǎn)。

其它

紅外傳感技術(shù)還廣泛用于門(mén)禁報(bào)警與控制、照明控制、火災(zāi)檢測(cè)、有毒有害氣體泄漏檢測(cè)、紅外測(cè)距、采暖通風(fēng)等其它綜合應(yīng)用場(chǎng)合。在德國(guó)紐倫堡舉辦的“SENSOR+TEST”展覽會(huì)上，法國(guó)ULIS公司展出了其最新研制的、采用了最新的片上（on-chip）創(chuàng)新技術(shù)（如采用I2C標(biāo)準(zhǔn)接口、低功耗管理等）的紅外熱式傳感器陣列Micro80P產(chǎn)品。

該傳感器陣列基于有著較高可靠性的非晶硅技術(shù)，靈敏度高達(dá)80×80像距，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了在目前運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器中所用的單元件或四元件熱式傳感器，大大提升了工業(yè)級(jí)紅外熱檢測(cè)傳感器的能力。

該產(chǎn)品不僅可以用于檢測(cè)溫度點(diǎn)或溫度面和探測(cè)運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)或人體活動(dòng)的計(jì)數(shù)、定位和分類(lèi)等功能。如在HVAC場(chǎng)合，可用于對(duì)房間內(nèi)的人員進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)房間墻壁溫度進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)室內(nèi)采暖和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)精細(xì)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)建筑物最大程度的節(jié)能降耗。

紅外傳感器的發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高、計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的提升、新型半導(dǎo)體等材料的推出和加工制造工藝的進(jìn)步，紅外傳感器近年發(fā)展迅猛。據(jù)國(guó)外某研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，紅外傳感器全球銷(xiāo)售額將會(huì)從2010年的$1.52億美元增長(zhǎng)到2016年的2.86億美元。

近年來(lái)，紅外傳感器的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

一是采用新型材料和處理技術(shù)，使得傳感器的紅外探測(cè)率提高，響應(yīng)波長(zhǎng)增大，響應(yīng)時(shí)間縮短，像素靈敏度和像素密度更高，抗干擾性能提高，生產(chǎn)成本降低。如Pyreos和Irisys公司已推出薄膜和陶瓷混合的新型熱釋電敏感技術(shù)，使得敏感元件可以實(shí)現(xiàn)陣列化。

二是傳感器的大型化和多功能化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，紅外傳感器正從小型、單一功能，向大型化、多功能化方向發(fā)展。

如國(guó)外所研制的大型紅外傳感器（16×16到64×64像素）除可進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)量外，還可獲得先進(jìn)的、小型紅外傳感器所不具有的人體探測(cè)功能（即可精確定位個(gè)人在空間中的位置，即使人不活動(dòng)，也可識(shí)別出）或大型區(qū)域的安全監(jiān)視等功能，十分適宜于家庭自動(dòng)化、醫(yī)療保健、安全防護(hù)等場(chǎng)合的應(yīng)用。

此外，新型多光譜傳感器的研制，也大大改善了紅外成像陣列的功能性。

三是傳感器的智能化。新型的智能紅外傳感器通常內(nèi)置多個(gè)微處理器，具備傅里葉變換、小波變換等先進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理或補(bǔ)償功能，自診斷功能，雙向數(shù)字通信等功能，使得傳感器的穩(wěn)定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提高。

四是傳感器的進(jìn)一步微型化、集成化。采用片上集成技術(shù)（包括盲元替代、非均勻性校正、部分圖像處理功能等）和其它新的器件結(jié)構(gòu)及新的制造工藝技術(shù)，在MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)），甚至基于納米科技的NEMS（納機(jī)電系統(tǒng)）推動(dòng)下，紅外傳感器尺寸大為縮小，功耗大大降低，集成度顯著提高。

由于紅外傳感器的優(yōu)越性能，許多主流儀表研究單位和生產(chǎn)制造商對(duì)它的研發(fā)投入也越來(lái)越高。