紅外線傳感器的工作原理

紅外線傳感器的工作原理

紅外線傳感器的英文全稱(chēng)是：infrared transducer

利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱(chēng)紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。
紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類(lèi)。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電檢測(cè)元件。熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。光電檢測(cè)元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。
紅外線傳感器常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量，氣體成分分析和無(wú)損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如采用紅外線傳感器遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度的熱像圖，可以發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位，及時(shí)對(duì)疾病進(jìn)行診斷治療（見(jiàn)熱像儀）；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對(duì)地球云層進(jìn)行監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報(bào)；采用紅外線傳感器可檢測(cè)飛機(jī)上正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī) 的過(guò)熱情況等。

人的眼睛能看到的可見(jiàn)光按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長(zhǎng)范圍為0.62～0.76μm；紫光的波長(zhǎng)范圍為0.38～0.46μm。比紫光光波長(zhǎng)更短的光叫紫外線，比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光叫紅外線最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件，紅外傳感器就是其中的一種。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外線傳感器的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，下面結(jié)合幾個(gè)實(shí)例，簡(jiǎn)單介紹一下紅外線傳感器的應(yīng)用。人體熱釋電紅外傳感器和應(yīng)用介紹被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的工作原理及特性：一般人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過(guò)菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，電后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后即可產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

1)這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。

2)為了僅僅對(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菲尼爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

3)被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(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)熱釋元件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。

4)一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，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。

5)菲尼爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專(zhuān)業(yè)人士的歡迎。 紅外線遙控鼠標(biāo)器中的傳感器在機(jī)械式鼠標(biāo)器底部有一個(gè)露出一部分的塑膠小球,當(dāng)鼠標(biāo)器在操作桌面上移動(dòng)時(shí)，小球隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在鼠標(biāo)器內(nèi)部裝有三個(gè)滾軸與小球接觸，其中有兩個(gè)分別是X軸方向和Y軸方向滾軸，用來(lái)分別測(cè)量X軸方向和Y軸方向的移動(dòng)量，另一個(gè)是空軸，僅起支撐作用。拖動(dòng)鼠標(biāo)器時(shí)，由于小球帶動(dòng)三個(gè)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，X軸方向和Y軸方向滾軸又各帶動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)軸（稱(chēng)為譯碼輪）轉(zhuǎn)動(dòng)。

廣義地講，遙感是不直接接觸地收集關(guān)于某一定對(duì)象的某種或某些特定的信息，從而了解這個(gè)對(duì)象的性質(zhì)。很早以前，人們就希望從空中來(lái)觀察地球，當(dāng)時(shí)人們使用的是普通的照相機(jī)，后來(lái)發(fā)展成為專(zhuān)門(mén)的航空照相機(jī)。航空攝影的技術(shù)在世界大戰(zhàn)期間獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，基于這種照片的識(shí)別技術(shù)也得到了提高。隨著飛行器技術(shù)的提高，尤其是火箭和衛(wèi)星的出現(xiàn)，遙感技術(shù)獲得了一個(gè)全新的平臺(tái)。現(xiàn)在，遙感技術(shù)也日新月異，成為在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中不可取少的一種重要技術(shù)，尤其在軍事方面的應(yīng)用也很廣泛。遙感中收集到的信息，就是物體發(fā)射或者被它反射的電磁波。這些電磁波包括近紫外、紅外線、可見(jiàn)光、微波等。收集電磁波信息的裝置叫做傳感器。裝載傳感器的地方，稱(chēng)為平臺(tái)。

遙感就是用裝在平臺(tái)上的傳感器來(lái)收集（測(cè)定）由對(duì)象輻射或（和）反射來(lái)的電磁波，再通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，獲得對(duì)象信息的技術(shù)。遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，一個(gè)重要的因素是它應(yīng)用于我們所生活的環(huán)境。人們?cè)絹?lái)越需要深刻地了解我們的地球，了解它的資源，了解他的變化，以便合理安排生產(chǎn)和生活活動(dòng)。遙感主要原理注：傳感器裝載在平臺(tái)上 遙感中可以使用可見(jiàn)光和近紅外區(qū)的電磁波進(jìn)行遙感，這是利用了對(duì)象的反射特性，這種方式是航空攝影發(fā)展而來(lái)的結(jié)果，也是最為廣泛應(yīng)用的一種，在月球上觀察地球就是這樣的。另外有兩類(lèi)技術(shù)也在遙感中大顯身手。

其一是使用熱紅外和熱成像技術(shù)，主要是利用了物體的輻射特性。熱成像是與遠(yuǎn)距離測(cè)量地球表面特征的溫度有關(guān)的遙感分支。它所研究的問(wèn)題小到可以探測(cè)一間屋子的熱能量泄漏，大到可以研究地球表面的洋流。因?yàn)闇囟葘?shí)質(zhì)是地球環(huán)境中一切物理、化學(xué)和生物過(guò)程的重要控制因素之一。因此，溫度數(shù)據(jù)在經(jīng)營(yíng)管理地球資源的活動(dòng)中必然占有極其重要的地位。

其二是利用微波遙感器進(jìn)行遙感。微波遙感分為被動(dòng)式和主動(dòng)式。主動(dòng)式的微波遙感器主要是側(cè)視雷達(dá)。它是在50年代為軍事偵察目的而發(fā)展的。它目前的重要應(yīng)用主要在于快速取得大片有云地區(qū)的地面資源情報(bào)數(shù)據(jù)。被動(dòng)式微波遙感器感受的是它們視場(chǎng)內(nèi)的自然可利用的微波能量，其工作方式和熱輻射計(jì)或熱掃描儀非常相似，但是能夠接受到的信號(hào)也比熱紅外區(qū)微弱得多，同時(shí)信號(hào)所伴隨的噪聲也大得多。

因此這種信號(hào)的判釋問(wèn)題也要比其他各種遙感器困難得多。但和側(cè)視雷達(dá)一樣也有全天候的特性。依靠選擇適合的工作波長(zhǎng)，可以用它或者穿透大氣，或者觀察大氣。通常來(lái)說(shuō)，微波遙感用在大氣的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的測(cè)量上，在海洋學(xué)、油污探測(cè)、融雪測(cè)定等方面都有應(yīng)用。遙感在軍事科學(xué)上的應(yīng)用是顯然的，因?yàn)榭梢赃h(yuǎn)距離地觀察目標(biāo)，而且可以獲得相對(duì)宏觀的分析數(shù)據(jù)。在軍事上，遙感的用途大致有：首先是對(duì)目標(biāo)國(guó)家和地區(qū)的資源狀況的監(jiān)視。通過(guò)有效地監(jiān)視資源及其變化，可以幫助確定戰(zhàn)略的目標(biāo)。其次，監(jiān)視對(duì)方軍事部署和大規(guī)模的軍事移動(dòng)。許多軍事部署的位置信息可以通過(guò)高精度的衛(wèi)星遙感獲得，大規(guī)模的軍事移動(dòng)也容易在遙感器上留下痕跡，這些都對(duì)于對(duì)應(yīng)國(guó)家采取相應(yīng)的措施提供了快速而有效的信息。

其次，在具體的作戰(zhàn)當(dāng)中，遙感可以幫助分析局部的地形、資源狀況，從而幫助己方進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的方案判斷。各種軍用衛(wèi)星的發(fā)射，也為全方位地監(jiān)視目標(biāo)提供了基礎(chǔ)。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作為數(shù)字化的戰(zhàn)爭(zhēng)，信息在戰(zhàn)爭(zhēng)中是至關(guān)重要的，遙感作為一項(xiàng)能夠大范圍、高精度、快速獲得信息的技術(shù)，必然能夠在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中獲得更多的應(yīng)用。 可見(jiàn)，傳感器在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。人類(lèi)社會(huì)對(duì)傳感器提出的越來(lái)越高的要求是傳感器技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。而現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)則提供了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。二十一世紀(jì)，人們一方面通過(guò)提高與改善傳感器的技術(shù)性能；一方面通過(guò)尋找新原理、新材料、新工藝及新功能來(lái)改善傳感器性能，制造出更多的傳感器．而紅外線傳感器作為其中的一部分也必將得到更大的發(fā)展．