片材光栅(红外传感器深度解析)

Posted 2023-06-02

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片材光栅(红外传感器深度解析)

一、简介

宇宙中任何物体只要其温度超过零，都可以产生红外线辐射。事实上，就像可见光一样，它的辐射是可以折射和反射的，这就催生了红外技术。红外探测器因其独特的优势而被广泛应用于军事和民用领域。在军事上，红外探测用于制导、火控跟踪、警报、目标探测、武器热瞄准、舰船导航等；在民用领域，广泛应用于工业设备监控、安全监控、救灾、遥感、交通管理、医疗诊断技术等。

随着科学技术的发展，自动控制和自动检测在人们日常生活和工业控制中的比重越来越大，使人们的生活越来越舒适，工业生产的效率越来越高。传感器是自动控制的重要组成部分，是信息采集系统的重要组成部分。

通过传感器对感觉或反应进行测量并转换成适合传输或检测的信号（一般为电信号），然后利用计算机或电路设备对传感器发出的信号进行处理，达到自动控制的功能。由于传感器的响应时间一般较短，因此可以通过计算机系统对工业生产进行实时控制。红外传感器是一种常见的传感器。

因为红外传感器是一种检测红外辐射的传感器，自然界中任何物体只要其稳定性高于绝对零，都会辐射红外能量，所以红外传感器被称为一种非常实用的传感器。许多实用的传感器模块都可以利用红外传感器进行设计，如红外测温仪、红外成像仪、红外人体探测报警器、自动门控系统等。

Ⅱ 什么是红外传感器？

红外线传感器是利用红外线的物理特性进行测量的传感器。红外光又称红外线，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，是一种不可见光，其光谱位于可见光中的红色之外，故称为红外线。

在工程上，红外线在电磁波谱中的位置（波段）分为近红外波段、中红外波段、远红外波段和极远红外波段四个波段。任何物质都可以辐射红外线，只要它具有一定的温度（高于绝对零）。

三、红外传感器的工作原理是什么？

首先，让我们了解一下红外光。红外线是太阳光谱的一部分。红外光最大的特点是光热效应和辐射热。它是光谱中最大的光热效应区域。一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。红外光在真空中的传播速度为300000公里/秒。红外光在介质中的传输会产生衰减，在金属中的传输衰减很大，但红外辐射可以穿过大多数半导体和一些塑料，而大多数液体对红外辐射吸收非常多。

不同的气体有不同的吸收水平，大气对不同波长的红外光有不同的吸收带。结果表明，波长为1-5μm和8-14μm的红外光具有较大的“透明度”。也就是说，这些波长的红外光可以很好地穿透大气。自然界中的任何物体，只要其温度在绝对零以上，都可以产生红外辐射。红外光对不同物体的光热效应不同，热能强度也不同。

例如，黑体（可以完全吸收投射到其表面的红外辐射的物体）、镜体（可以完全反射红外辐射的物体）、透明体（可以完全穿透红外辐射的物体）和灰体（可以部分反射或吸收红外辐射的物体）会产生不同的光热效应。

严格来说，自然界不存在黑体、镜体和透明体，大部分物体都属于灰体。这些特点是红外辐射技术在卫星遥感、红外跟踪等军事科研项目中应用的重要理论基础。

红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，它辐射的红外线越多，红外线辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱中各种单色光的热效应从紫光到红光逐渐增强，其中热效应最大出现在红外辐射的频率范围内，因此人们称红外辐射为热辐射或热射线。

四、红外辐射的基本规律

①基尔霍夫定律：在一定温度下，地面物体单位面积的辐射通量W与吸收率之比对任何物体都是一个常数，等于同一面积黑体在那个温度。在给定温度下，物体的发射率=吸收率（同波段）；吸收率越高，发射率越高。

地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，因此地物的微小温差就会引起红外辐射能量的明显变化。这一特征构成了红外遥感的理论基础。

②玻尔兹曼定律：即黑体的总辐射通量随着温度的升高而迅速增加，与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化就会引起辐射通量密度的巨大变化。它是用红外设备测量温度的理论基础。

③维恩位移定律：随着温度的升高，最大辐射值对应的峰值波长向短波方向移动。

五、红外传感器的工作原理

红外传感器的工作原理并不复杂。典型传感器系统各部分的实体如下：

• 被测目标：可根据被测目标的红外辐射特性设置红外系统。

• 大气衰减：被测目标的红外辐射穿过地球大气层时，由于气体分子、各种气体和各种胶体粒子的散射和吸收，来自红外源的红外辐射会衰减。

• 光接收器：它接收目标的部分红外辐射并将其传输到红外传感器。相当于雷达天线，通常是物镜。

• 辐射调制器：可调制被测目标变化的辐射光，提供目标方位信息，滤除大面积干扰信号。又称调制盘和斩波器，具有多种结构。

• 红外探测器：这是红外系统的核心。它是一种利用红外辐射与物质相互作用的物理效应来探测红外辐射的传感器。在大多数情况下，它使用相互作用的电效应。这些探测器可分为两类：光子探测器和热敏探测器。

• 探测器冷却器：由于某些探测器必须在低温下工作，因此相应的系统必须有制冷设备。设备冷藏后可缩短响应时间，提高检测灵敏度。

• 信号处理系统：对检测到的信号进行放大和滤波，并从这些信号中提取信息。然后，将这类信息转换成所需的格式，最后传送到控制设备或显示器。

• 显示设备：这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外敏感材料、指示仪表和记录仪等。

根据上述过程，红外系统就可以完成相应的物理量测量。红外系统的核心是红外探测器。根据探测机制的不同，可分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器吸收各种入射波长的所有辐射能。它是一种红外传感器，对红外光波没有选择。光子探测器常见的光子效应有外光电效应、内光电效应（光伏效应、光电导效应）和光电磁效应。热探测器利用辐射热效应使探测器接受辐射能量后温度升高，从而使探测器的温度相关性能发生变化。

可以通过检测其中一项特性的变化来检测辐射。在大多数情况下，辐射是通过热电变化来检测的。当元件受到辐射而引起非电量物理变化时，经适当变换即可测得相应的电量变化。

热探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器长得多。前者的响应时间一般大于MS，而后者的响应时间只有ns。热探测器不需要冷却，大多数光子探测器需要冷却。

Ⅵ 红外传感器的种类

常见的红外传感器可分为热传感器和光子传感器。

6.1热传感器

热传感器利用入射的红外辐射来改变传感器的温度，进而使相关的物理参数发生相应的变化。红外传感器吸收的红外辐射是通过测量相关物理参数的变化来确定的。

热探测器的主要优点是带宽较宽，可在常温下工作，使用方便。但热传感器响应时间长，灵敏度低，一般用于低频调制。

热传感器的主要类型有热传感器型、热电偶型、高莱气动型和放热电动型。

① 热敏电阻传感器

热敏电阻由锰、镍和钴的氧化物制成。热敏电阻通常制成薄片。当红外辐射照射热敏电阻时，其温度升高，电阻降低。通过测量热敏电阻值的变化，我们可以知道入射红外辐射的强度，从而可以判断产生红外辐射的物体的温度。

② 热电偶传感器

热电偶由热功率差异很大的两种材料制成。当红外辐射到达由这两种金属材料组成的闭合电路的触点时，触点温度升高。另一个没有被红外线辐射的触点温度较低，此时闭合电路中会产生温差电流。同时在回路中产生热电势，热电势的大小反映了触点吸收的红外辐射强度。由热电势制成的红外传感器称为热电偶红外传感器。由于其时间常数大，对应时间长，动态特性差，调制频率应限制在10Hz以下。

③ 莱气动传感器

吸收红外辐射后，气体的温度和体积增加，以反映红外辐射的强度。它有一个气室，通过一根小管子连接到一块柔性板。

板背管的一侧是反射器。气室前部贴有吸收模，为低热容薄膜。红外辐射通过窗口入射到吸收模上，吸收模将吸收的热能传递给气体，使气体温度和压力升高，从而使柔性镜移动。

在腔室的另一侧，一束可见光通过光栅光条聚焦在柔性反射镜上，柔性反射镜反射的光栅图像通过光栅光条投射到光电管上。当柔性镜因压力变化而移动时，光栅图像与光栅光条的相对位移会改变落在光电管上的光量，光电管的输出信号也会发生变化，反映强度的红外辐射。

该传感器具有灵敏度高、性能稳定的特点。但响应时间长，结构复杂，强度差，只适合实验室使用。

④ 热释电传感器

热释电传感器是一种具有极化现象的热晶体或铁电体。铁电体的极化强度（每单位面积的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到极化铁电片表面时，片材温度升高，极化强度降低，表面电荷减少，相当于释放部分电荷，故称为热释电传感器。

如果负载电阻连接到铁电片上，则在负载电阻上产生电信号输出。输出信号的大小取决于芯片温度变化的速度，它反映了入射红外辐射的强度。可见，热释电红外传感器的电压响应率与入射辐射的变化率成正比。当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。

只有当铁电体的温度处于变化过程中时，才能输出电信号。因此，需要对红外辐射（或斩波光）进行调制，使恒定辐射变为交变辐射，不断引起传感器的温度变化，从而产生热释电并输出交变信号。

6.2光子传感器

光子传感器利用一些半导体材料在入射光的照射下产生光子效应，从而改变材料的电学性质。通过测量电性能的变化，我们可以知道红外辐射的强度。利用光子效应制成的红外传感器称为光子传感器。光子传感器的主要特点是灵敏度高、响应速度快、响应频率高，但一般必须在低温下工作，检测频带较窄。

根据光子传感器的工作原理，可分为内部光电传感器和外部光电传感器。后者分为光电传感器、光电传感器和磁电传感器。

① 外置光电传感器

当光线照射到某些材料的表面时，如果入射光的光子能量足够大，材料的电子就可以从表面逸出。这种现象称为外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等属于此类电子传感器。它的响应速度比较快，一般只有几纳秒。然而，电子逃逸需要大量的光子能量，仅适用于近红外辐射或可见光。

② 光电导传感器

当红外辐射照射到某些半导体材料表面时，半导体材料中的一些电子和空穴可以从原来的非导电束缚态转变为导电自由态，从而增加了半导体的导电性。这种现象称为光电导现象。由光电导现象制成的传感器称为光电导传感器。

例如，硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲化汞等材料可用于制作光电导传感器。使用光电导传感器时，需要冷却并加一定的偏置电压，否则会降低响应速度，噪声大，响应带窄，损坏红外传感器。

③ 光伏传感器

当红外辐射照射在某些半导体材料的PN结上时，自由电子在结内电场的作用下向N区移动。如果 PN 结开路，则 PN 结两端会产生一个附加电位，称为光生电动势。基于这种效应的传感器或PN结传感器通常由砷化铟、锑化铟、碲化汞、碲化铅锡等材料制成。

④ 磁电传感器

当红外线辐射到一些半导体材料的表面时，半导体材料中的一些电子和空穴会向内部扩散。如果扩散受到强磁场的影响，电子和空穴会各自偏向一侧，从而产生开路电压。这种现象称为光磁电效应。利用这种效应制成的红外传感器称为磁电传感器。

响应带约7μm，时间常数小，响应速度快，无偏差，内阻极低，噪声小，稳定性和可靠性好。但其灵敏度低，制作低噪声前置放大器较困难，影响其使用。

Ⅶ 红外传感器的应用与展望

(1) 红外传感器的应用主要体现在以下几个方面：

1、红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量。

2、搜索跟踪系统：用于搜索跟踪红外目标，确定其空间位置并跟踪其运动。

3、热成像系统：可形成整个目标的红外辐射分布图像。

4.红外测距系统：测量物体之间的距离。（它利用红外线传播的不扩散原理，因为红外线透过其他物质时的折射率很小，所以远距离测距仪会考虑红外线。）

5、通讯系统：红外通讯作为一种无线通讯方式。

6.混合系统：指上述系统的两个或多个组合。

红外传感器应用可用于非接触式温度测量、气体成分分析、无损检测、热图像检测、红外遥感和军事目标侦察、搜索、跟踪和通信。随着现代科学技术的发展，红外传感器的应用前景将更加广阔。未来，红外传感器的性能和灵敏度将大大提高。

（二）发展趋势

1、智能化：目前红外传感器主要与外围设备结合使用。智能传感器内置微处理器，可实现传感器与控制单元的双向通讯。具有小型化、数字通讯、维护简单等优点，可作为模块独立工作。

2、小型化：传感器小型化的必然趋势。现在在应用中，由于红外传感器的体积问题，其使用程度远不如热电转角。因此，红外传感器是否小型化、便携化也不容忽视。

3、高灵敏度、高性能：在医学上，红外传感器已广泛用于人体温度的测量，但由于其精度低，无法替代现有的测温方法。因此，红外传感器的高灵敏度和高性能是其未来发展的必然趋势。

Ⅷ 总结

虽然目前的红外传感器存在诸多不足，但红外传感器在现代生产实践中发挥了巨大的作用。随着检测设备和其他部分技术的进步，红外传感器可以有更多的性能和更好的灵敏度，将有更广泛的应用范围。

Ⅸ 常见问题

1.红外传感器的工作原理是什么？

有源红外传感器既可以发射红外辐射，也可以检测红外辐射。有源红外传感器有两部分：发光二极管 (LED) 和接收器。当物体靠近传感器时，来自 LED 的红外光从物体反射出来并被接收器检测到。

2. 为什么红外传感器很重要？

红外传感器是一种电子仪器，用于感知周围环境的某些特征。它通过发射或检测红外辐射来做到这一点。红外传感器还能够测量物体发出的热量并检测运动。

3. 什么是儿童红外传感器？

比红光波更长的光波称为红外光 (IR)。没有特殊设备或摄影，我们无法看到紫外线和红外线。在红外传感器的情况下，红外光源（通常是红外 LED）用于将光传输到接收红外传感器。

4. 红外传感器可以检测到人类吗？

被动红外 (PIR) 传感器用于检测人的存在。但这只有在人处于运动中时才能检测到人。每个人都会辐射特定波长范围的红外能量。吸收的入射辐射会改变材料的温度。

5. 红外传感器用在什么地方？

被动红外传感器（PIR 传感器）是一种电子传感器，用于测量从其视场中的物体辐射的红外 (IR) 光。它们最常用于基于 PIR 的运动检测器。PIR 传感器通常用于安全警报和自动照明应用。

6. 如何绕过红外传感器？

波特说，大多数运动探测器，甚至是较新的探测器，都使用红外线来检测周围房间温度的显着变化。他说，通常情况下，在房间里走动会触发这些传感器，但使用像一块泡沫聚苯乙烯这样简单的东西来保护你的身体可以欺骗它们。

7. 红外传感器和超声波传感器有什么区别？

IR 传感器与超声波传感器之间的最大区别在于传感器的工作方式。超声波传感器使用声波（回声定位）来测量您离物体的距离。另一方面，红外传感器使用红外光来确定物体是否存在。

8. 红外传感器的范围是多少？

红外传感器（IR 传感器）是一种对辐射敏感的光电元件，其光谱灵敏度在 780 nm ...50 µm 的红外波长范围内。红外传感器现在广泛用于运动检测器，用于楼宇服务中打开灯或警报系统以检测不受欢迎的客人。

9. 红外传感器可以检测温度吗？

红外温度传感器可感应 700 nm 至 14,000 nm 范围内的电磁波。... 因为任何物体发射的红外能量与其温度成正比，所以电信号可以准确读取其指向的物体的温度。

10.红外传感器如何检测障碍物？

红外传感器发射和/或检测红外辐射以感知其周围环境。...用作障碍物探测器的红外传感器的基本概念是发射红外信号，该红外信号从物体表面反弹，并在红外接收器处接收到信号。

片材光栅(红外传感器深度解析)

片材光栅(红外传感器深度解析)

目录

一、简介

Ⅱ 什么是红外传感器？

三、红外传感器的工作原理是什么？

四、红外辐射的基本规律

五、红外传感器的工作原理

Ⅵ 红外传感器的种类

6.1热传感器

6.2光子传感器

Ⅶ 红外传感器的应用与展望

Ⅷ 总结

Ⅸ 常见问题