红外传感器技术的应用研究

电子科技

红外传感器技术的应用研究

作者/蔡远、陈玉霞，贵州工程应用技术学院

摘要：本文介绍了红外传感技术的基本原理，分析了红外传感技术的发展和现状，最后阐述了红外传感技术在测温、医学、军事等领域的 应用。为了解红外传感技术的相关理论和实践提供了有益的参考。

关键词：电磁波；红外线；红外传感器

引言

从19世纪初英国英国科学家赫歇尔发现红外线以来，红外线的相关研究已走过了一个多世纪的历史[1]。到第二次 世界大战时，由于军事需要，红外技术和理论开始了快速的 发展，各种红外高尖端技术不断涌现[2]。到目前为止，红外 技术已渗透到民用的各个领域，应用极为广泛。本文将介绍 红外传感技术的原理、现状及其应用。

1.红外传感原理

■ 1.1红外成像

红外成像技术是以红外线为物理基础的。红外线是指电 磁波中波长为0.78-1000u m的波段，有时也叫做“红外辐 射”pi。黑体辐射理论证明，只要物体的温度高于绝对零度, 就会源源不断地向外发出红外辐射。红外线的频段非常宽，根据其波长范围可以分为：近红外线(0.7~2nm)，中红外 线(3~5 nm)和远红外线(8~14 nm)。由于四个频段的红外 线具有不同的物理特性，因此又称为红外大气窗口。其中，中红外线和远红外线在大气中具有较好的穿透性，因此大部 分红外探测器件都采用这两个波段。

■ 1.2基本电路结构

典型的红外成像系统结构包括：面阵CCD、驱动电路、数字信号处理器DSP、可编程逻辑器件FPGA、模数转换器 A D C和队列控制机制FIFO等功能单元。其基本电路结构 如图1所示。从图中可以看到，电路中的核心模块主要是 C CD成像模块和DSP、FPGA信号处理模块。其中C CD成 像模块的功能是进行图像数据的采集和生成电路同步信号；DSP+FPGA信号处理模块的功能是进行图像数据的实时处 理、显示和存储，具体来说，D S P的作用是执行图像重建

图1红外成像系统基本电路结构

14|电子制作2017年4月算法，而FPGA的作用是系统的整体协调与控制，并完成图像的显不。

2•红外传感技术现状

■ 2.1红外传感器件的种类

到目前为止，世界上已发展起来的红外传感器件各类繁 多，性能和应用场合也各有不同。但依据其工作原理，主 要可以分为红外光子探测器、热探测器、红外焦平面三种。红外光子探测器主要有光导、光伏、量子阱等结构。热探测 器。主要包括热敏电阻、温差电偶、电堆、热释电等种类。红外焦平面。主要有InGaAs阵列、HgcdTe阵列'R si阵列、In sb阵列、GaAIAs/G aAs阵列、Gesi/s i阵列、氧化訊阵列、非晶硅阵列等。

■ 2.2研究现状

近年来，在社会需求和军事需求的推动下，国内许多学 者和企业都对红外技术进行了大量研究，使红外核心器件探 测器技术取得了很大进步，逐渐向国际水平靠拢。到目前为 止，我国具备自主研发红外探测器的科研院所和生产厂家 曰益增加。其中包括以生产制冷探测器为主的昆明物理研究 所，以生产非制冷探测器为主的武汉高德、浙江大立和北京 广微积电等。

3.红外传感技术的应用

■ 3.1红外测温

根据黑体辐射理论，物体温度只要在绝对零度以上，就 会因为自身的内部热运动而源源不断地向外界辐射电磁波，这些电磁波成份中包含了大量波段在0.75um~100u m之间 的红外线。光谱辐射功率与绝对温度之间满足普朗克定律。该定律表明，物体的红外辐射能量的强度分布与其表面温度 密切相关，只要测量出物体自身辐射的红外能量大小，就能 准确计算出其表面温度。这就是红外测温的基本依据。

红外测温系统一般由光学系统、光电探测器、信号处理 模块、显示器等构成。光学系统用于收集目标的红外辐射能 量并将其聚焦在光电探测器上，由光电探测器将光学信号转 变为电信号。电信号由放大电路和和信号处理模块处理后，根据一定的算法直接计算出目标的表面温度。红外测温系统

(下转第11

页）

电子科技

塔源源不断的生产出稳定、高质量的氮气。

氮氧分离自动控制的循环过程如下：开启总程序j启动

冷干机4进行相应延时X秒j冷干机启动j进行相应延时X

秒―"A塔吸附—>进行相应延时X秒—开始均压（A=B)4进

行相应延时X秒―"B塔吸附—•开始均压（B=A)—•进行相

应延时X秒A塔再次吸附，这样不断的循环。当需要停

止时，按下停止键。

由氧氮动力学吸附曲线可知制氮机设备吸附的过程一

般为40S，均压时间一般为1.5S。氮氧分离系统阀门时序

图如图3所示。

注：电磁阀序号与气动阀序号__对应，相应的电磁阀 控制相应序号的气动阀。

■ 2.2纯度报警系统

自动连锁放空装置当纯度小于99.9%时常开触点闭合，中间继电器KA3得电，作为P LC的输入信号，当KA3连续 得电超过2小时时即纯度在连续2个小时内都无法达到要 求，说明系统存在故障，系统自动报警。纯度报警系统流程 如图4所示。

图4纯度报警流程

PLC控制P SA制氮机设备的最大特点是：1.可靠性好、抗干扰能力强；2.编程简单、使用方便；3.程序具有可变性, 有很好的柔性；4.功能相对较为完善；5.扩展方便，组合 灵活多鸾6.在控制系统设计及施工中减少了相当的工作雲 7.体积比较小、重量比较轻，是“机电一体化”的特有产品。

参考文献

氺[1]屠春阵，倪敬，金永涛.基于P L C的空气干燥器性能自动检 测系统研究[J]•机电工程，2016, 33(1):57-62.

氺[2]郑雪娇，朱亚红.液位监控系统的设计及仿真[J].智慧工厂，2016,第一期:305-308

(上接第14页)

有单色测温仪和双色测温仪两种类型，前者与波段内的辐射 量成比，后者与两个波段的辐射量之比成比。

■ 3.2临床治疗

红外线照射人体皮肤时，一部分会被皮肤反射出去，另 _部分则被吸收。其中短波红外线和近红外线最人体伤害最 大。具有医学价值的红外波段是4~14u m的范围，该波段 被医学界称为“生育光线”，因为该线波段的红外线能够活 化细胞组织' 促进血液循环'提高免疫力'加强新陈代谢，从而促进人体发育。

红外线还被广泛应用于临床治疗中。红外线治疗的物理 依据是“温热效应”。根据该效应，人体组织在红外线照射 下温度会升高，毛细血管随之扩张，促使血液循环和新陈代 谢加快，最终帮助组织再生。

红外线可以用于治疗慢性炎症、慢性溃疡、扭挫伤、镇 痛、加快伤口愈合、促进神经功能恢复等多种疾病。4•总结

红外传感技术的快速发展很大程度上利益于军事领域 的应用需求。军事领域的红外成像系统有着探测距离远、反 应速度快、传输数据量大、能快速区分并跟踪特定目标。目前最先进的红外传感技术集光机电于一身，朝着速度快、体 积小、功耗低、性能好的方向发展。可以预见，随着通信技 术和控制技术的进一步发展，未来的红外技术会朝着综合光 电系统的方向发展，逐渐实现高性能、低成本、小型化的目 标，以满足军用和民用的各种要求。

参考文献

氺[1]莫朝霞，陈沅江.我国红外热像检测技术的研究及发展展望 [J].激光与红外，2014,(12):1300-1305.

氺[2]张雪，梁晓庚.红外探测器发展需求[J].电光与控制,2013,(02):41-45.

|1

1