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1、第五章 红外传感器,2,热释电型红外传感器热电堆红外传感器,3,1.红外线的基本知识,红外线又称红外光，它具有反射、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。红外线传感器是利用物体产生红色辐射的特性实现自动检测的传感器红外线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。,4,将各种不同的电磁波按照波长（或频率）排成如图所示的波谱图，称之为电磁波谱从图中可以看出红外线属于不可见光波的范畴，波长一般在0.76600um之间称为红外区,5,红外区通常分为近红外0.731.5um、中红外1.510um和远红外10
2、um以上，300um以上的区域又称为“亚毫米波”,6,（1）红外辐射的产生红外辐射是由物体的内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程中是物体受热而引起的，只有在绝对零度时，一切物体的分子才会停滞运动。换言之，在常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。他的特点是热效应最大,红外辐射的产生及其性质,7,红外线在真空中的传播速度为30万公里/秒，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使他产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律：式中，I为通过介质时的通量；K为与介质性质有关的常数；x为介质的厚度,8,（2）红外辐射的性质金属对红外辐射衰
3、减非常大，一般金属基本不能透过红外线。气体对红外辐射也有不同程度的吸收。介质不均匀、晶体材料的不纯洁、有杂质或悬浮小颗粒等都会引起对红外辐射的散射。实践证明，温度越低的物体辐射的红外线波长越长。由此在应用中根据需要有选择的接受某一定范围的波长，就可以达到测量的目的。,9,红外线传感器,红外传感器：它是一种能探测红外线的器件。从近代测量技术角度来看，能把红外辐射转换成电量变化的装置，称之为红外探测器。红外探测器的分类按其工作原理可分为两类：热敏探测器和光子探测器,10,（1）热敏探测器,热敏探测器是利用红外辐射的热效应制成的，它采用热敏元件。热敏探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间
4、长。热敏探测器的主要优点是响应波段宽，响应 范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相当广泛。热敏探测器的主要类型有热释电型、热电堆探测器。,11,（2）光子探测器,光子探测器是利用红外辐射的光电效应制成的，它采用光电元件。因此它的响应时间一般比热敏探测器的响应时间短得多。能引起光电效应的辐射存在一个最长的波长限度。由于这类探测器是以光子为单元起作用的，只要光子的能量足够，相同数目的光子基本上具有相同的效果，因此这类探测器常被称为“光子探测器”。,12,光子探测器只要采用光电传感器，分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电伏特元件等几类。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速
5、度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般在低温下工作。,飞利浦新开发的光子探测器,13,5.1.1热释电型红外传感器的工作原理,热释电效应：在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象。,14,热释电红外传感器的工作原理,15,5.1.2热释电型传感器的结构特点,1、窗口材料 热释电型传感器不受光波长的影响，被测对象被限定时，需要滤波片，这种滤波片称为窗口材料,16,热释电人体红外传感器只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。不加菲涅尔透镜时，该传感器的探测半径可能不足2m，配上菲涅尔透镜则可达10m。,菲涅尔透镜是用普遍的聚乙烯制成的，安装在传感器的前面。透镜的水平方向上分成
6、三部分，每一部分在竖直方向上又分成若干不同的区域，所以菲涅尔透镜实际是一个透镜组.,17,18,5.1.3热释电型红外传感器电路特点,场效应管和高阻值电阻Rg 通常敏感元件材料阻值高达。因此，要用场效应管进行阻抗变换，场效应管常用来构成源极跟随器，高阻值电阻Rg的作用是释放栅极电荷，使场效应管正常工作。,19,5.2热电堆红外传感器,1.热电偶的工作原理,热电偶是利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。如图所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种材料的金属A和B组成的一个回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有如图所示的电流产生。即由于温度差而产生的电位差E。
7、回路电流I=E/R。其中R称为回路电阻。这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝克热电效应）(Seebeck Effect)。,20,辐射热电偶的热端接收入射辐射，因此在热端装有一块涂黑的金箔，当入射辐射通量e被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电势，在回路中将有电流流过。用检流计G可检测出电流为I。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。,由于入射辐射引起的温升T很小，因此对热电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂。成本昂贵。,21,热电堆探测器,为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联起来构成热电堆。,热电堆的灵敏度St为,22,
8、热电堆红外测温传感器直接感应热辐射，为非接触温度测量提供完美的解决方案另外，被测对象的温度与热电堆所处的环境温度之间，存在着下面的关系。Vout=A(Tb4-Ts4)V out为热电堆的输出电压(V)，A为比例系数，Tb为被测物体的温度(K)，Ts为热电堆所处的环境温度(K)，因此，被测对象的温度，可以通过测量热电堆输出电压和热电堆所处环境的绝对温度，并通过运算后获得。,23,5.2.2热电堆非接触式温度计电路,热电堆的输出电压与热力学温度的4次方成正比，非线性，难以直接使用。在实际中用集成电路进行处理。,24,25,4次方根运算电路的制作方法,26,5伏电源4次方根电路,27,2次方-5次方根运算电路,
