第10章辐射式传感器

1、1 传感技术与信号处理传感技术与信号处理 第第1010章章10.1 红外辐射传感器红外辐射传感器10.2 热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理10.3 红外传感器的应用红外传感器的应用第第10章章 辐射式传感器辐射式传感器2 10.1 红外辐射传感器红外辐射传感器 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热

2、释电晶体的应用。才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。探测器。特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感其重要的作用。例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的重要工具就是红外辐射传感器，它是等。红外辐射技术的重要工具就是红外辐射传感器，它是遥感技术、空间科学的敏感部件。遥感技术、空间科学的敏感部件。 3 1. 红外检测的物理基础红外检测的物理基础 红外辐射又称红外光，红外

3、光是太阳光谱的一部分，在电磁波中红外辐射又称红外光，红外光是太阳光谱的一部分，在电磁波中其波长从其波长从1.01000um。红外光的最大特点就是具有光热效应，。红外光的最大特点就是具有光热效应，能辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光处在光谱中可能辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光处在光谱中可见光之外，它是一种不可见光。电磁波谱中的位置如图见光之外，它是一种不可见光。电磁波谱中的位置如图 所示。所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红即近红外、中红外、外、 远红外和极远红外。远红外和极远红外。 1091071051031

4、011010110102103104 / m / cm / m宇 宙 射 线射 线X射 线紫外线可见光红 外 线微 波无 线 电 波极 远 红 外211815129630远 红 外中 红 外近 红 外 / m4 在自然界中只要物体本身具有一定温度在自然界中只要物体本身具有一定温度(高于绝对零高于绝对零度度)，都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、甚至，都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、甚至冰块都能产生红外辐射。冰块都能产生红外辐射。 红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外干涉、吸收等特性。能

5、全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。黑体、镜体与透明体。 上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。5 2. 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律1).基尔霍夫定律基尔

6、霍夫定律 物体向周围发射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射的红物体向周围发射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射的红外辐射能，即外辐射能，即 式中式中 ER物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能 物体的吸收系数；物体的吸收系数； E0常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。2).斯忒藩斯忒藩-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量面积辐射的总能量E为为 式中式中 T物体的绝对温度物体的绝对

7、温度(K)； 斯忒藩斯忒藩-玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，5.6710-8W/(m2k4)； 比辐射率，黑体的比辐射率，黑体的1。0EER4TE6 3).维恩位移定律维恩位移定律 红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长m与与物体自身的绝对温度物体自身的绝对温度T成反比，即成反比，即 m2897/T （m) 7 3.红外探测器红外探测器 红外探测器是红外检测系统中最重要的器件之一，按工作原理红外探测器是红外检测系统中最重要的器件之一，按工作原理可分为可分为“热探测器热探测器”和和“光子探测器光子探测器”两类。两类。1).热探测器热探测器

8、 热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。常用的物变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。常用的物理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸发现象等。因此，只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红发现象等。因此，只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红外辐射能大小，从而得到被测非电量值。外辐射能大小，从而得到

9、被测非电量值。 用这些物理现象制成的热电探测器，在理论上对一切波长的红用这些物理现象制成的热电探测器，在理论上对一切波长的红外辐射具有相同的响应。但实际上仍存在差异。其响应速度取外辐射具有相同的响应。但实际上仍存在差异。其响应速度取决于热探测器的热容量和热扩散率的大小。决于热探测器的热容量和热扩散率的大小。8 热释电传感器是一种检测物体辐射的红外能量的传感热释电传感器是一种检测物体辐射的红外能量的传感器，它是利用器，它是利用PZT等晶体结构的表面电荷极化随其温等晶体结构的表面电荷极化随其温度变化而改变这种特性的传感器。度变化而改变这种特性的传感器。9 图为热释电传感器的内部结构图为热释电传感器

10、的内部结构 其内部结构是由窗口、具有热释其内部结构是由窗口、具有热释 电效应的电效应的PZT板以及高阻抗低噪板以及高阻抗低噪 声的声的FET组合而成，将其封入壳组合而成，将其封入壳 内，保持密封性并防止外来噪声内，保持密封性并防止外来噪声 的混入。的混入。PZT板表面吸收红外线，板表面吸收红外线， 并在受光面的里外各自安装取出电并在受光面的里外各自安装取出电 荷的一对电极，通过改变电极对数荷的一对电极，通过改变电极对数 与接线方式，就可进行各种量的检与接线方式，就可进行各种量的检 测。测。10 图图a是采用是采用1个热释电元件的结构及其等效电路个热释电元件的结构及其等效电路(P2613)，这个

11、，这个热释电元件热释电元件(一对电极一对电极)敏感地捕捉到被测物体或光源，具有很敏感地捕捉到被测物体或光源，具有很高的灵敏度，但对于背景的高的灵敏度，但对于背景的 波动也比较敏感。主要波动也比较敏感。主要 用于气体分析或辐射式用于气体分析或辐射式 温度计。温度计。 图图b是常用的带有温度是常用的带有温度 补偿型补偿型P3782。11 图图c是采用两个热释电元件，而受光电极反相串联的结构及其等是采用两个热释电元件，而受光电极反相串联的结构及其等效电路效电路(P7187)，这种方式可有效防止背景波动的影响，以及干，这种方式可有效防止背景波动的影响，以及干扰光照射时的误动作。扰光照射时的误动作。 当

12、两个受光电极同时受到红外线照射时，信号相互抵消而无输当两个受光电极同时受到红外线照射时，信号相互抵消而无输出。为此，只有当人体移动时才有信号输出，主要用于人体移出。为此，只有当人体移动时才有信号输出，主要用于人体移动的检测。动的检测。两块反向两块反向串联的热串联的热释电晶片释电晶片场效应管场效应管12 10.2热释电传感器工作原理热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动不大的视场角，当人体在透

13、镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是它是“视而不见视而不见”的。的。 13 菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电晶片热释电晶片14 菲涅尔透镜外形菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离透镜时，其检测距离小于小于2m，而加上该透，而加上该透镜后，其检测距离可镜后，其检测距离可增加增加3倍以上倍

14、以上。15 热释电套件热释电套件16 热释电报警器热释电报警器菲涅尔透镜菲涅尔透镜设定按钮设定按钮17 热释电报警器（续）热释电报警器（续）菲涅尔透镜菲涅尔透镜 5mm接插件接插件18 热释电报警器（续）热释电报警器（续） 吸顶式吸顶式 热释电报警器热释电报警器19热释电传感器应用热释电传感器应用 热释电传热释电传感器用于自动感器用于自动亮灯，当然也亮灯，当然也可以用于防盗可以用于防盗热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围20热释电感应灯热释电感应灯热释电热释电传感器传感器21自动感应灯自动感应灯（参考施特朗公司资料）（参考施特朗公司资料）22热释电传感器在智能空调中的应用热释电传感器在

15、智能空调中的应用 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上下范围上下范围左右范围左右范围23 2).光子探测器光子探测器 利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。常利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。常用的光子效应有光电效应、光生伏特效

16、应、光电磁效用的光子效应有光电效应、光生伏特效应、光电磁效应、光电导效应。应、光电导效应。 热探测器与光子探测器比较：热探测器与光子探测器比较：热探测器对各种波长都能响应，光子探测器只对一段热探测器对各种波长都能响应，光子探测器只对一段波长区间有响应；波长区间有响应；热探测器不需要冷却，光子探测器多数需要冷却；热探测器不需要冷却，光子探测器多数需要冷却；热探测器响应时间比光子探测器长；热探测器响应时间比光子探测器长；热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关，光子热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关，光子探测器容易实现规格化。探测器容易实现规格化。24 红外发光红外发光LED和和PIN光敏二

17、极管光敏二极管 目前目前,大部分遥控设备都采用红外发光大部分遥控设备都采用红外发光LED和和PIN光敏二极管的组合方式。光敏二极管的组合方式。图为图为GaAs发光二极管的特性，由此可见，峰值发光波长位于发光二极管的特性，由此可见，峰值发光波长位于940nm的红外的红外范围，在室内使用也不会受到荧光灯的影响。范围，在室内使用也不会受到荧光灯的影响。25 图示出图示出PIN光敏二极管的特性，由特性曲线可见，在红外范围光敏二极管的特性，由特性曲线可见，在红外范围具有峰值波长，可原样使用，但对可见光也很敏感，为了避免具有峰值波长，可原样使用，但对可见光也很敏感，为了避免荧光灯等的干扰光的影响，要选用带

18、有可见光截止滤光器的传荧光灯等的干扰光的影响，要选用带有可见光截止滤光器的传感器。感器。26 10.3 红外传感器的应用红外传感器的应用 1.基本电路基本电路 红外发光二极管和光敏晶红外发光二极管和光敏晶 体管应用非常广泛，例如，体管应用非常广泛，例如， 物体有无的检测，位置、物体有无的检测，位置、 方向的检测，厚度、方向的检测，厚度、 浓度的检测，光通信与光浓度的检测，光通信与光 隔离等。应用时，一般是隔离等。应用时，一般是 由由LED发光，光敏晶体管发光，光敏晶体管 接收接收LED发射的光，其发发射的光，其发 光与受光的基本方式如图光与受光的基本方式如图 示。示。27 图是光调制的脉冲驱动

19、电路，其中，图图是光调制的脉冲驱动电路，其中，图a采用晶体管多谐振荡器采用晶体管多谐振荡器来通断来通断LED的正向电流，占空比为的正向电流，占空比为15，流过约，流过约300mA的脉冲的脉冲电流。电流。LED的导通时间由的导通时间由R2C2时间常数决定，占空比为时间常数决定，占空比为R2C2(RlCl+R2C2)。图。图b采用单结晶体管振荡器，改变采用单结晶体管振荡器，改变RC时间常数可时间常数可使重复频率变化。图使重复频率变化。图c是采用是采用CMOS振荡器的方法，振荡器的方法，LED的导通的导通时间由时间由R1C决定，截止时间由决定，截止时间由R2C决定。决定。28 图图d是采用反相器是采

20、用反相器D1和和D2构成振荡电路，如果反相器构成振荡电路，如果反相器D1、D2的门限电平为的门限电平为(12)Vcc，则电路的振荡频率，则电路的振荡频率f由电容由电容C1和电位器和电位器PR1的值决定，即的值决定，即f=1(2.2 RP1 C1) 。29 受光基本电路受光基本电路图图a中光敏晶体管用电阻中光敏晶体管用电阻RL作为负载，输出经作为负载，输出经 阻容耦合与后级放大器阻容耦合与后级放大器连接。该电路的缺点是当恒定光中有强干扰光进入时，会使光敏晶体连接。该电路的缺点是当恒定光中有强干扰光进入时，会使光敏晶体管达到饱和，使得对恒定光管达到饱和，使得对恒定光+调制光的响应变得很弱。调制光的

21、响应变得很弱。图图b是消除这类恒定光干扰影响的电路，使用电感作为负载，它仅对是消除这类恒定光干扰影响的电路，使用电感作为负载，它仅对交流信号具有较高的阻抗。该电路接收到很强的恒定光时，为防止在交流信号具有较高的阻抗。该电路接收到很强的恒定光时，为防止在光敏晶体管中出现过电流，需要接人发射极电阻光敏晶体管中出现过电流，需要接人发射极电阻RE。30 图图c的电路用晶体管代替电感，对恒定光构成稳压电源，具有与的电路用晶体管代替电感，对恒定光构成稳压电源，具有与图图b相同的功能。相同的功能。 图图d是使用带基极的光敏晶体管的接收电路，在偏置电路中加是使用带基极的光敏晶体管的接收电路，在偏置电路中加有直流负反馈，以减少温度或非稳定光的干扰影响，同时，又有直流负反馈，以减少温度或非稳定光的干扰影响，同时，又因组成了放大电路，可得到较高的灵敏度因组成了放大电路，可得到较高的灵敏度，因而对微弱光的检，因而对微弱光的检测非常有效测非常有效。31 图为红外线发光与受光电路，