红外传感器工作原理

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5)自然界中任何物体，只要其温度在热力学绝对零度 之上，总是在不断地发射红外辐射；
6)红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热 能强度也不一样 ，例如，黑体、镜体、透明体和灰体 将产生不同的光热效应； 7）许多非电量能够影响和改变红外光的特性。利用红 外敏感元件测得红外光的变化，进而可以确定待测非 电量。凡是能感受红外辐射量并转变成另一种便于测 量的物理量的器件称为红外敏感元件，在红外技术领 域里习惯叫红外探测器。
① 希尔霍夫定律。希尔霍夫定律指出一个物体向周围 辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个 物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于 它的吸收本领，这就是希尔霍夫定律。可用下式表示
Er E0
α ——该物体对辐射能的吸收系数；
（6-8）
式中 Er——物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能；
（1）红外辐射的基本特点
1)红外辐射就是红外光，红外光的最大特点就是具有 光热效应，能辐射热量，红外光是一种不可见光；
2)红外光与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、 干涉、吸收等性质； 3)红外光在介质中传播会产生衰减，红外光在金属中 传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一 些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大； 4)气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的 长江工程职业技术学院自动化教研室 红外光存在不同的吸收带；
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热释电效应形成原理：
由于热释电晶体内部具有自发极化，因此，在与自发 极化强度垂直的晶体的两个表面上出现符号不同的面 束缚电荷。面束缚电荷密度等于自发极化强度PS，但 平时这些面束缚电荷常常被晶体内部和外部的自由电 荷所中和，因此对外显示中性，不能在静态条件下测 量自发极化。只有当晶体经受一定频率的温度变化时， 自发极化强度PS发生变化，其体内的自由电荷和外部 的杂散电荷来不及中和变化着的面束缚电荷时才能测 出自发极化。
T——物体的绝对温度。
即物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次 方成正比，并与ε成正比。物体温度越高，其表面所 辐射的能量就越大。 长江工程职业技术学院自动化教研室
③ 维恩位移定律。热辐射发射的电磁波中包含着各种 波长。实验证明，物体峰值辐射波长与物体自身的绝 对温度成反比。即 分谱辐射出射度
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例如，采用红外传感器远距离测量人体表面温度的热 像仪；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进 行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感 器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展 而形成的一门崭新的传感技术。由于光纤传感器具有 高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、体积小等优点，使用范 围广泛。
自动水龙头电路图
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阶段小结
红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传 感器。红外线具有反射、折射、散射、干涉、吸收等 性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于 绝对零度），都能辐射红外线。红外传感器测量时不 与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏 度高、响应快等优点。 红外传感器常用于无接触温度测量、气体成分分析和 无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领 域得到广泛应用。
2897 m (m) T
（6-10）
从图6-35所示曲线 可知，峰值辐射波 长随温度升高向短 波方向偏移。当温 度不很高时，峰值 辐射波长在红外区 域。
图6-35 峰值辐射波长与温度的关系曲线
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2．热释电型红外传感器
热探测器探测红外辐射的基本原理包含两个主要过程。 第一个过程是热探测器吸收红外辐射能量后温度随之 升高，随着入射辐射功率的变化，元件的温度也要发 生相应的变化；第二个过程是利用元件的某种温度敏 感特性，把辐射能引起的温度变化转换成相应的电信 号。 热释电晶体具有自发的电极化，自发电极化强度与 温度有关，晶体的这种性质被称为热释电效应。 热释电晶体同时又是压电晶体，那么热释电晶体必 定具有压电性，但是压电晶体却未必都有热释电效 应。
课题二 红外传感器工作Baidu Nhomakorabea理
任务1：自动水龙头电路的设计 任务2：红外线监控发射、接收电路原理图的分析 任务目标
★ 掌握红外辐射的基本知识；
★ 了解红外传感器的应用；
★ 掌握光纤传感元件的结构及工作原理；
★ 了解光纤传感器的应用。
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一、红外传感器概述
1．红外辐射的基本知识
热释电效应形成原理示意图
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任务1 自动水龙头电路的设计
任务1分析
自动水龙头电路具有人或物体靠近时，自动产生控制 信号控制电磁阀得电吸合，自动放水的功能 。 自动水龙头电路原理如图6-42所示
图6-42 自动水龙头电路原理图
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任务1设计
自动水龙头开关电路采用发射—接收光电对管的方式。 当有人手或物体接近自动水龙头时，红外线发射头发 出的红外线光经人手或物体反射到接收头，接收头接 收到反射的光信号，转换为电信号经放大、整形，提 取出人体接近的信号，经过驱动电路控制电磁阀动作 打开水源。当人手或物体离开后，延迟几秒后可自动 关闭，使用非常方便。
9）红外线：波长780—106nm
波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线
波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
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9）红外线：波长780—106nm
波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线
波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
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（2）红外辐射的基本定律
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8）红外探测器按其敏感元件可以分成两大类即“热探 测器”和“光电探测器”。热探测器对各种波长都有 响应，光电探测器只对它的长波限以下的一段波长区 间有响应，热探测器工作时不需要冷却，光电探测器 则多数需要冷却，热探测器的响应度一般低于光电探 测器，响应时间一般比光电探测器长，热探测器的性 能与器件尺寸、形状及工艺等有关，因此需要十分讲 究工艺，产品规格常不易稳定。
E0——等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是常数。
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② 斯忒藩—玻尔兹曼定律。物体温度越高，它辐射出 来的能量越大。可用下面公式表示
E T 4
（6-9）
式中 E——某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能 量；
σ——斯忒藩—玻尔兹曼常数（=5.6697×10-12W/cm2K4）； ε——比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值， 黑体的ε =1；