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1、红外线传感器原理-特征热电型红外线传感器系利用热电效果，其材料则使用强介质陶瓷体、钽酸锂等单结晶及 PVDF 等有机材料，热 电型红外线传感器具有下列几项特征：(1) 系检知从物体放射出出来的红外线，不必直接接触就能够感知物体表面的温度，所以能以非接触之方式测 得温度。(2) 热电型红外线传感器系接受检知对象物所发出的红外线，属于被动型，不需要校对投光器、受光器之光轴 等烦琐的作业。(3) 热电效果是温度变化而产生的，只能接受因温度变化之能量，而热电型红外线传感器将电压微分而输出之。 红外线传感器原理感知组件系使用PZT强介质陶瓷体，在感知组件施加高压电而分极之，且件表面显现的正负电荷会和空气
2、中相反之 电荷结合而呈电气中和状。当组件的表面温度变化时，感知组件分极的大小会随着温度变化而变化，因此稳定时之 电荷中和状态就崩溃，而感知组件表面电荷与吸着杂散电荷的缓和时间不同，所以会形成电气上的不平衡，而产生 没有配对的电荷。红外线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。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层 进行监视，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。红外传感器的种类红外线是一种人类肉眼看不见的光，所以，它具有光的一切光线的所有特性。但同时，红外线
3、还有一种还具有非常 显著的热效应。所有高于绝对零度即-273弋的物质都可以产生红外线。根据发出方式不同，红外传感器可分为主动式和被动式两种。主动红外传感器的工作原理及特性主动红外传感器的发射机发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，从而形成一条红外光束组成的警戒线。 当遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防范，现在已经从最初的但光束发展到多光束，而且还可以双发 双受，最大限度的降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。由于红外线属于环境因素不相干性良好（对于环境中的声响、雷电、振动、各类人工光源及
4、电磁干扰源，具有良好 的不相干性）的探测介质；同时也是目标因素相干性好的产品（只有阻断红外射束的目标，才会触发报警），所以 主动式红外传感器器将会得到进一步的推广和应用。被动红外传感器器的工作原理及特性被动红外传感器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。传感器器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上 红外传感器通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生 报警。这种传感器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10pm左右的红外辐射必须非常敏感。为了对 人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制
5、作用。被动红外传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个 热释电元几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦入侵人进入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜而聚焦，从而被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的 热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。根据能量转换方式的不同，红外线传感器又可分为光子式和热释电式两种。光子式红外传感器光子式红外传感器是利用红外辐射的光子效应而进行工作的传感器。所谓光子效应，是指当有红外线入射到某些半导体材料上时，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状
6、态，从而引起各种电学 现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化，就可以知道相应红外辐射的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、夕卜光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但缺点是探测波段较窄，一般工作于低温(为保持高灵敏度，常采用液氮或温差电制冷等方式，将光子探测器冷却至较低的工作温度)。热释电式红卜传感器热释电式红卜传感器是利用红卜辐射的热效应引起元件本身的温度变化来实现某些参数的检测的，其探测率、响应 速度都不如光子型传感器。但由于其可在室温下使用，灵敏度与波长无关，所以应用领域很广。利用铁电体热释电效应的
7、热释电型红卜传感器 灵敏度很高，获得了广泛应用。热释电效应某些绝缘物质受热时，随着温度的上升，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热 变化而产生的电极化现象称为热释电效应。热释电效应在近十年被用于热释电红卜传感器中。能产生热释电效应的 晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶、压电陶瓷及高分子薄膜等。热释电红卜传感器的结构热释电红卜传感器由以下四个主要部分构成： 构成电路的铝基板、场效应晶体管(FET)； 具有热释电效应的陶瓷材料； 限制入射红卜波长的窗口材料； 夕卜壳TO5型管帽和管座。由于探测器元件单独使用时，存在着探测距离较短、获得的信号后续电路不易处理
8、的不足，所以目前多选用红外组 合件来探测。红外组合件由热释电红外传感器、透镜、测量转换电路和密封管壳构成。透镜可以扩大探测范围，提 高测量的灵敏度；测量转换电路可以完成滤波、放大等信号处理过程；密封管壳能防止因外界噪声引起的错误动作。 这种组合件体积小、成本低、功能多样，所以应用广泛。红外传感器的应用从目前应用的情况来看，红外传感器有如下几个优点：1、环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；2、隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；3、由于目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；4
9、、与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；根据红外传感器上述的性能特点，我们可以发展出多种不种的红外探测器。利用其光效应：1、光电导探测器：又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从 而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型 两种。2、光伏探测器:主要利用p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。 存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器 比较，光伏探测器背景限探测率大40%，不需要外加偏
10、置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。3光发射-Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。4、量子阱探测器（QWIP）:将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面有能带突变，使得 电子和空穴被限制在低势能阱内，从而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用， 光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要
11、求苛刻。利用其热效应:1、液态的水银温度计及气动的高莱池:利用了材料的热胀冷缩效应。2、热电偶和热电堆:利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。3、石英共振器非制冷红外成像列阵:利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。4、测辐射热计:利用材料的电阻或介电常数的热敏效应辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射。因半导 体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21 世纪最引人注目的一类探测器；5、热释电探测器:有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射
12、照射温度升高时，引起自发极化强度 变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。按照应用功能、场所的不同，红外传感器应用大体上可分成以下几类:辐射量、光谱测量该类测量仪器用途广泛，如基于中红外辐射测量的地面辐射强度计，可用于如全球变暖等的气候变化观察；基于远 红外辐射测量的红外空间望远镜，可用于宇宙天体天文观察；配带红外光谱扫描辐射仪的气象卫星，可实现对云层 等的气象观察分析。在工矿企业中，应用较多的是基于辐射量测量的红外温度计和基于红外光谱测量的红外分析仪。搜索和跟踪系统我们熟知战斗机携带的近距格斗空空导弹就是使用了红外跟踪系统，它是基于目标所发出
13、的处于红外光谱范围内的电磁辐射波，来搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置，并对其运动轨迹进行跟踪的系统。红外搜索跟踪器的图像品质取决于与像素大小和像素数量相关的空间分辨率。也就是说，若仪器像素数越高，像素尺寸越小，则其显示的图像越清晰，可搜索的距离则越远。成像热成像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件 上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红 外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。任何有温度的物体都会发出红外线，热像仪就是接收物体发出的红外线，通过
14、有颜色的图片来显示被测量物表面的 温度分布，根据温度的微小差异来找出温度的异常点，从而起到与维护的作用。一般也称作红外热像仪。热像仪在最早是因为军事目的而得以开发，近年来迅速向民用工业领域扩展。热像仪的应用非常广泛，只要有温度 差异的地方都有应用。比如：在建筑领域，检查空鼓、缺陷、瓷砖脱落、受潮、热桥等；在消防领域可以查找火源，判定事故的起因，查 找烟雾中的受伤者；公安系统可以找夜间藏匿的人；汽车生产领域可以检测轮胎的行走性能、空调发热丝、发动机、 排气喉等性能；医学可以检测针灸效果、早期发现鼻咽癌、乳腺癌等疾病；电力检查电线、连接处、快关闸、变电 柜等。红外通信系统是采用调制后的红外辐射光束
15、传输编码后的数据，再由硅光电二极管将收到的红外辐射信号转换成电信号，实现近距离通信的一种系统。具有不干扰其它邻近设备的正常工作，特别适用于人口高密度区域的户内通信的优点。此外， 该通信系统还具有低功耗、低成本、安全可靠的特点。其它红外传感技术还广泛用于门禁报警与控制、照明控制、火灾检测、有毒有害气体泄漏检测、红外测距、采暖通风等 其它综合应用场合。该传感器阵列基于有着较高可靠性的非晶硅技术，灵敏度高达80x80像距，其性能远远超越了在目前运动检测器 中所用的单元件或四元件热式传感器，大大提升了工业级红外热检测传感器的能力。该产品不仅可以用于检测温度点或温度面和探测运动，也可以实现对目标或人体活
16、动的计数、定位和分类等功能。 如在HVAC场合，可用于对房间内的人员进行计数，对房间墙壁温度进行测量，从而对室内采暖和空调系统进行自 动精细调节，实现建筑物最大程度的节能降耗。红外传感器的发展随着科学技术水平的提高、计算机微处理器技术的发展、现代数字信号处理技术的提升、新型半导体等材料的推出 和加工制造工艺的进步，红外传感器近年发展迅猛。据国外某研究机构预测，红外传感器全球销售额将会从2010 年的$1.52亿美元增长到2016年的2.86亿美元。近年来，红外传感器的发展趋势主要体现在以下四个方面： 一是采用新型材料和处理技术，使得传感器的红外探测率提高，响应波长增大，响应时间缩短，像素灵敏度和像素
