光电传感及检测第四章1

1、常用红外传感器常用红外传感器（1）光子探测器光子探测器 利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光电效应，使材料的电学性质发生变化，通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。利用光电效应所制成的红外探测器统称光子探测器。光子探测器的主要特点：灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但其一般需在低温下工作，探测波段较窄。（2）热探测器热探测器 利用探测元件吸收红外辐射能量而引起温升，在此基础上借助各种物理效应把温升转变成电量的一种探测器。热探测器光电转换的过程分为两步：第一步是热探测器吸收红外辐射引起温升；第二步利用热探测器某些温度效应把温升转变成电量的变化。根据热效应的不同，热探测器可分为：

2、测辐射热计、测辐射热电偶和热电堆、热释电探测器和高莱管（气动型）。热探测器有四个基本特性：响应率与波长无关，属于无选择性探测器；受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢；热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低；可在室温下工作。红外传感技术红外传感技术（1）主动红外方式主动红外方式 主动红外方式需要红外发射源和相应的接收、检测设备，红外线的发、收光路，或对准，或依靠反射方式进行。为了加大监控距离，要求发射功率较大，接收灵敏度较高。 （2）被动式被动式 红外线传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监控的对象实施控制。利用探测元件吸收

3、红外辐射能量而引起温升，在此基础上借助各种物理效应把温升转变成电量的一种探测器。热探测器光电转换的过程分为两步：第一步是热探测器吸收红外辐射引起温升；第二步利用热探测器某些温度效应把温升转变成电量的变化。根据热效应的不同，热探测器可分为：测辐射热计、测辐射热电偶和热电堆、热释电探测器和高莱管（气动型）。热探测器有四个热探测器有四个基本特性基本特性：响应率与波长无关，属于无选择性探测器；响应率与波长无关，属于无选择性探测器；受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢；受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢；热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低；热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测

4、率低；可在室温下工作。可在室温下工作。热释电红外传感原理热释电红外传感原理热释电红线传感器可按照外形结构和内部组成的不同和性能进行分类。按照封装、外形可分为：塑封式、金属封装（立式和卧式）等；按照内部结构可分为单探测元、双元件、四元件等。按照工作红外波长范围可分为三种。（1）适用于温度遥测，例如：LN-206等。（2）适用于火焰检测，例如：MS-1型等。（3）适合一般日常生活采用，自动门、防盗报警、节能自动灯等，如： P228等。 菲涅尔透镜菲涅尔透镜的工作原理 移动的物体辐射的红外线进入透镜，会产生一个交替的移动的物体辐射的红外线进入透镜，会产生一个交替的“盲区盲区”和和“高灵敏区高灵敏区”

5、，因此，会产生光脉冲。透镜由很多盲区和高灵敏区组，因此，会产生光脉冲。透镜由很多盲区和高灵敏区组成，则移动的红外辐射物体就会在探测区域产生一系列的光脉冲引入成，则移动的红外辐射物体就会在探测区域产生一系列的光脉冲引入传感器，提高了接受灵敏度，物体移动越快，灵敏度越高。菲涅尔透传感器，提高了接受灵敏度，物体移动越快，灵敏度越高。菲涅尔透镜的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续也不重叠，都相隔一个盲区。菲涅尔透镜的主要作镜的视场既不连续也不重叠，都相隔一个盲区。菲涅尔透镜的主要作用：一是聚焦作用，即将热

6、释红外信号折射（反射）到传感器；二是用：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）到传感器；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在传感器上产生变化热释红外信号。当红外辐射物以温度变化的形式在传感器上产生变化热释红外信号。当红外辐射物体进入感应范围，物体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离体进入感应范围，物体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或区或中距离中距离B区或近距离区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被

7、探头接收，探头将光信号变成电信有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路号送入电子电路 .工业中通常采用的分析气体的方式根据是否提取气体1.在线方式: 光学技术,反射镜 2.抽取方式 a. 热导 b. 红外 c. 紫外 根据气体的测量方式1. 人工采样2. 连续采样 a. 热导式 b. 红外式 c. 紫外式 红外测量气体浓度的原理红外气体红外气体测量系统系统的工作过程工作过程蜂鸣器修正参数修正参数输出浓度值单片机数据处理LCD显示前置放大红外光源光电三极管电信号调制电压后级放大滤波电源模块PC机通信PC机界面程序15VACKBP3015 5 5电路限 流RInf

8、raredLighter外接RAT89S52DS1822(Thermometer)电容PIS放大Butterworth Lowpass filter(OPA4241)Adjusting amplifierMAX125DS1225ADDSC12C88774LS138P89V51CH451Keyboard(5 keys)EDM12864(LCD)74LS24474LS244BuzzerRS232780578127912 电路功能分为两个部分：上面的部分电路功能分为两个部分：上面的部分以以AT89S52控制器对红外光源的调制电控制器对红外光源的调制电压进行控制，并将光电三极管的输出信压进行控制，并将

9、光电三极管的输出信号经进行放大和低通滤波，然后由号经进行放大和低通滤波，然后由MAX125将将A/D转换的结果送转换的结果送AT89S52，该控制器还采样该控制器还采样DS1822温度转换结果，温度转换结果，最后将这两组数据传送给下面的部分进最后将这两组数据传送给下面的部分进行处理和显示；下面的部分通过行处理和显示；下面的部分通过Keyboard输入设定值并存入非易失存储输入设定值并存入非易失存储器器DS1225AD中，中，P89V51控制器处理向控制器处理向AT89S52发送开始发送开始/停止测量的信息，并停止测量的信息，并将送来的数据进行处理后显示在将送来的数据进行处理后显示在EDM128

10、64(LCD)上，同时通过上，同时通过RS232向向上位计算机的接收模块发送该显示数据，上位计算机的接收模块发送该显示数据，也可将该结果存入也可将该结果存入DS1225AD中，此外，中，此外，P89V51控制器通过控制器通过DSC12C887可以得可以得到当前的日期和时间到当前的日期和时间。 红外发光二极管HG413,发出红外光。管压降约1.4V ，工作电流一般小于20mA。红外发光二极管的光谱特性采用振荡电路产生的方波信号对红外发光管进行调制，使之输出采用振荡电路产生的方波信号对红外发光管进行调制，使之输出光脉冲信号，然后由光电三极管接收，放大还原为电信号。光脉冲信号，然后由光电三极管接收，

11、放大还原为电信号。方波脉冲发生器使用方波脉冲发生器使用555时基集成电路；光电接收电路采用光电时基集成电路；光电接收电路采用光电三极管三极管(3DU11型型)组成的放大电路。组成的放大电路。时基集成块时基集成块NE555输出震荡频率由外接电阻输出震荡频率由外接电阻R1、R2及电容及电容C1决决定。定。 3端为输出端，端为输出端，R3是限流电阻，避免由于电流过大而烧坏是限流电阻，避免由于电流过大而烧坏红外发光管，其输出信号为方波红外发光管，其输出信号为方波发光电路148237651 R1 2.2K R2 51K C1 0.2F C2 0.01FR3 39 DVCC(+5V) HG413CRRT1

12、21)(7 . 02Tf1接收电路T13DU11D(BT201)T23DG6R151K R2 6.2K VCC （+5V）光电接收电路采用光电三极管(3DU11型)组成的放大电路。DLAS(激光吸收光谱激光吸收光谱): 气体分子形成吸收光谱的原理气体分子形成吸收光谱的原理气体分析的三大问题气体分析的三大问题: 1.单线光谱技术单线光谱技术 a.背景气体的吸收谱线交叉干扰背景气体的吸收谱线交叉干扰 b. 红外光源的谱宽红外光源的谱宽 c. 激光光源的谱宽为激光光源的谱宽为b 的的10(-6)2.激光频率扫描技术激光频率扫描技术 使激光频率周期性扫描过被测气体的吸收谱线使激光频率周期性扫描过被测气

13、体的吸收谱线3. 谱线展宽修正技术谱线展宽修正技术 环境环境(温度和压力温度和压力)变化变化, 则气体谱线展宽和高度变则气体谱线展宽和高度变DLAS的特点的特点:1.能适应恶劣环境能适应恶劣环境,可快速在线连续测量可快速在线连续测量 2.能克服背景气体的干扰能克服背景气体的干扰3.能分析多种气体能分析多种气体 TDLAS技术的检测原理 )()(exp)()(00PNLTSII 分别代表频率为的入射光和透射光的强度，分别代表频率为的入射光和透射光的强度，S(T)代表被测气体吸收谱线代表被测气体吸收谱线的吸收强度，线形函数反映了吸收谱线的形状，的吸收强度，线形函数反映了吸收谱线的形状，P为被测气体

14、的压力为被测气体的压力, N为为被测气体的浓度，被测气体的浓度，L为激光束通过被测气体的距离为激光束通过被测气体的距离 )(I)(0I激光的激光的“单线光谱单线光谱”测量原理图测量原理图 气体环境参数变化对谱线展宽的影响示意图气体环境参数变化对谱线展宽的影响示意图 红外热成像仪由光学系统、扫描机构、红外探测器、前置放大器、视频信号红外热成像仪由光学系统、扫描机构、红外探测器、前置放大器、视频信号预处理电路、显示记录系统和外围辅助装置等构成。是红外探测器，可分为预处理电路、显示记录系统和外围辅助装置等构成。是红外探测器，可分为单元探测器、多元探测器和带有内处理功能的探测器。红外热成像仪的核心单元

15、探测器、多元探测器和带有内处理功能的探测器。红外热成像仪的核心器件是红外探测器。常用热成像仪的工作波长为器件是红外探测器。常用热成像仪的工作波长为35m和和814m。红外。红外热成像仪的工作过程是把热成像仪的工作过程是把待测物体表面温度分布以红外辐射信号的形式，经待测物体表面温度分布以红外辐射信号的形式，经接收光学系统和扫描机构成像在红外探测器上，再由红外探测器将其转换成接收光学系统和扫描机构成像在红外探测器上，再由红外探测器将其转换成视频电信号。视频电信号。这个微弱的视频频信号经前置放大器，再进一步放大处理后，这个微弱的视频频信号经前置放大器，再进一步放大处理后，送至显示器终端，显示出待测物

16、体表面温度分布的热图像。红外热像仪能够送至显示器终端，显示出待测物体表面温度分布的热图像。红外热像仪能够显示热图像的原因关键在于首先把物体按一定规律进行分割，即把观测的景显示热图像的原因关键在于首先把物体按一定规律进行分割，即把观测的景物空间按水平和垂直两个方向分割成若干个小的空间单元，接受系统依次扫物空间按水平和垂直两个方向分割成若干个小的空间单元，接受系统依次扫描各个空间单元，并将各个空间单元的信号再组合成整个景物空间的图像。描各个空间单元，并将各个空间单元的信号再组合成整个景物空间的图像。因此，红外探测器在任一瞬间实际上只接收某一个景物空间单元的辐射。扫因此，红外探测器在任一瞬间实际上只

17、接收某一个景物空间单元的辐射。扫描机构依次使接收系统对景物空间做二维扫描。于是，接收系统按时间先后描机构依次使接收系统对景物空间做二维扫描。于是，接收系统按时间先后依次接收二维空间中各景物单元信息，该信号经放大处理后变成一维时序信依次接收二维空间中各景物单元信息，该信号经放大处理后变成一维时序信号，该信号再与同步信号合成后送至显示器，显示出完整的景物热图像。号，该信号再与同步信号合成后送至显示器，显示出完整的景物热图像。 红外热成像仪是利用红外探测器、红外热成像仪是利用红外探测器、 光学成像物镜和光机扫描系统（或焦平面光学成像物镜和光机扫描系统（或焦平面技术）接收待测物体的红外辐射（热量分布），并反映