红外线传感器工作原理

红外线传感器
infrared transducer
利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。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。
红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。
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，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；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。
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人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个实例，简单介绍一下红外线传感器的应用。人体热释电红外传感器和应用介绍被动式热释电红外探头的工作原理及特性：一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。 1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。 2)为了仅仅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菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 3)被动红外探头，其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元件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。 4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，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。 5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 红外线遥控鼠标器中的传感器在机械式鼠标器底部有一个露出一部分的塑胶小球,当鼠标器在操作桌面上移动时，小球随之转动，在鼠标器内部装有三个滚轴与小球接触，其中有两个分别是X轴方向和Y轴方向滚轴，用来分别测量X轴方向和Y轴方向的移动量，另一个是空轴，仅起支撑作用。拖动鼠标器时，由于小球带动三个滚轴转动，X轴方向和Y轴方向滚轴又各带动一个转轴（称为译码轮）转动。译码轮(见图1)的两侧分别装有红外发光二极管和光敏传感器，组成光电耦合器。光敏传感器内部沿垂直方向排列有两个光敏晶体管A和B，如图2所示。由于译码轮有间隙，故当译码轮转动时，红外发光二极管发出的红外线时而照在光敏传感器上，时而被阻断，从而使光敏传感器输出脉冲信号。光敏晶体管A和B被安放的位置使得其光照和阻断的时间有差异，从而产生的脉冲A和脉冲B有一定的相位差，利用这种方法，就能测出鼠标器的拖动方向 照相机中的红外线传感器――夜视功能红外夜视，就是在夜视状态下，数码摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，关掉红外滤光镜，不再阻挡红外线进入CCD，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。索尼数码摄像机首创了红外线夜视摄影功能，能够在全黑环境下进行拍摄，甚至连肉眼也不能分辨清楚的物体，现在也可以清晰地拍摄下来。这种夜视的特点是可以在完全没有光线的条件下进行拍摄，但由于采用的是红外摄影，无法进行彩色的还原，所以拍摄出来的画面是单色的，影像会变绿。不久之后，索尼又推出了拥有超级红外线夜视摄功能的数码摄像机，红外线功能的慢速快门为2段选择，超级红外线夜摄功能的慢速快门为自动调节，可以获得更好的影像效果。举一个大家都见过的例子，在美国空袭伊拉克时，伊拉克首都大部分地区都处于停电状态，这时除了防空曳光弹和导弹爆炸引起的火光以外就只有月光或星光照明了，能见度极差。我们在电视新闻上看到的从现场传回来的录像片的画面都呈现绿色，说明电视记者在拍摄时使用了红外线夜视仪，导致影像是绿色的，如果不使用红外摄像技术，那么我们从电视画面上将只能听到声音，而看不到任何影响了。 需要注意的：因为红外线夜视摄影仪的前提是数码摄像机能发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，所以说它的拍摄距离是有一定限制的，如果摄像机发出的红外线到达不了要拍摄的物体，那么当然就什么也拍不到了 C-211D微型黑白红外线摄像机 红外线传感器在工程上的应用―――红外线轴套扫描器 ROTA-SONDE TS 2006 通过光机系统扫描视场，并且无需任何光学调整。它精确测量线材、棒材等生产线的活套大小，甚至对特殊钢或有色金属以及在水汽、烟雾严重的情况下也能可靠工作。 DELTA 的红外传感器TS2006 可用于活套控制、热带材或热板材的对中控制以及在其它很广的应用中提供位置信息。 ISO9002 红 外 检 测 – 高 灵 敏 度 250 ℃ 或 400 ℃ 使 用 维 护 简 单、方便具 有 自 监 测 和 报 警 功 能 ROTA-SONDE TS 2006 – 特点 TS 2006 检测位于其视场范围内的热工件（钢，铜，合金及玻璃等）的位置并输出与工件在视场中的角度位置成正比的信号。 ROTA-SO ROTA-SONDE NDE TS 2006 是扫描方式工作的测量用传感器，它对温度高于250 °C (480 °F) 的热工件的红外辐射敏感。 主要特点： · 高灵敏度：400°C/750°F或 250°C / 480 °F · 红外光谱： 1至 3 µm · 由自监测功能实现数字式控制 · 无需光学调整 · 使用维护方便 · 专为钢铁工业恶劣的工作环境设计，光电子电路放置于重型外壳中(IP66) · 设有空气吹扫装置和水冷却系统 · 提供连接器和带有不锈钢辫型编织保护层的电缆 ROTA-SONDE TS 2006 – 应用 典型应用 热钢板的对中控制和纠偏控制 红外线边缘传感器 FR50 边缘纠偏传感器FR50是以反射原理工作的。发射机产生一束波长为880nm的平行红外线，这束红外线被对面整齐排列的CCD元件所接收。一个处理器评估这些信号并发送出估计好的实际位置到CAN总线。传感器在＋/-10mm的测量范围内以0.02毫米的精确度确定出纸边位置。光学设备只是接收平行光束从而排除了位置偏差导致的高度起伏。一个位向控制器监控镜头扫描污渍并反馈适当的污渍信息到控制器。 传感器应用与军事上――军用遥感技术遥感从字面上说就是从远处感觉事物。严格一点的意义上定义为：远远地去感觉某一定对象的技术。广义地讲，遥感是不直接接触地收集关于某一定对象的某种或某些特定的信息，从而了解这个对象的性质。很早以前，人们就希望从空中来观察地球，当时人们使用的是普通的照相机，后来发展成为专门的航空照相机。航空摄影的技术在世界大战期间获得了长足的发展，基于这种照片的识别技术也得到了提高。随着飞行器技术的提高，尤其是火箭和卫星的出现，遥感技术获得了一个全新的平台。现在，遥感技术也日新月异，成为在国民经济建设中不可取少的一种重要技术，尤其在军事方面的应用也很广泛。遥感中收集到的信息，就是物体发射或者被它反射的电磁波。这些电磁波包括近紫外、红外线、可见光、微波等。收集电磁波信息的装置叫做传感器。装载传感器的地方，称为平台。遥感就是用装在平台上的传感器来收集（测定）由对象辐射或（和）反射来的电磁波，再通过对这些数据进行分析和处理，获得对象信息的技术。遥感技术的迅速发展，一个重要的因素是它应用于我们所生活的环境。人们越来越需要深刻地了解我们的地球，了解它的资源，了解他的变化，以便合理安排生产和生活活动。遥感主要原理注：传感器装载在平台上 遥感中可以使用可见光和近红外区的电磁波进行遥感，这是利用了对象的反射特性，这种方式是航空摄影发展而来的结果，也是最为广泛应用的一种，在月球上观察地球就是这样的。另外有两类技术也在遥感中大显身手。其一是使用热红外和热成像技术，主要是利用了物体的辐射特性。热成像是与远距离测量地球表面特征的温度有关的遥感分支。它所研究的问题小到可以探测一间屋子的热能量泄漏，大到可以研究地球表面的洋流。因为温度实质是地球环境中一切物理、化学和生物过程的重要控制因素之一。因此，温度数据在经营管理地球资源的活动中必然占有极其重要的地位。其二是利用微波遥感器进行遥感。微波遥感分为被动式和主动式。主动式的微波遥感器主要是侧视雷达。它是在50年代为军事侦察目的而发展的。它目前的重要应用主要在于快速取得大片有云地区的地面资源情报数据。被动式微波遥感器感受的是它们视场内的自然可利用的微波能量，其工作方式和热辐射计或热扫描仪非常相似，但是能够接受到的信号也比热红外区微弱得多，同时信号所伴随的噪声也大得多。因此这种信号的判释问题也要比其他各种遥感器困难得多。但和侧视雷达一样也有全天候的特性。依靠选择适合的工作波长，可以用它或者穿透大气，或者观察大气。通常来说，微波遥感用在大气的各项数据的测量上，在海洋学、油污探测、融雪测定等方面都有应用。遥感在军事科学上的应用是显然的，因为可以远距离地观察目标，而且可以获得相对宏观的分析数据。在军事上，遥感的用途大致有：首先是对目标国家和地区的资源状况的监视。通过有效地监视资源及其变化，可以帮助确定战略的目标。其次，监视对方军事部署和大规模的军事移动。许多军事部署的位置信息可以通过高精度的卫星遥感获得，大规模的军事移动也容易在遥感器上留下痕迹，这些都对于对应国家采取相应的措施提供了快速而有效的信息。其次，在具体的作战当中，遥感可以帮助分析局部的地形、资源状况，从而帮助己方进行战术行动的方案判断。各种军用卫星的发射，也为全方位地监视目标提供了基础。现代战争作为数字化的战争，信息在战争中是至关重要的，遥感作为一项能够大范围、高精度、快速获得信息的技术，必然能够在未来的战争中获得更多的应用。 可见，传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。二十一世纪，人们一方面通过提高与改善传感器的技术性能；一方面通过寻找新原理、新材料、新工艺及新功能来改善传感器性能，制造出更多的传感器．而红外线传感器作为其中的一部分也必将得到更大的发展．
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人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个实例，简单介绍一下红外线传感器的应用。人体热释电红外传感器和应用介绍被动式热释电红外探头的工作原理及特性：一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。 1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。 2)为了仅仅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菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 3)被动红外探头，其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元件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。 4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，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。 5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 红外线遥控鼠标器中的传感器在机械式鼠标器底部有一个露出一部分的塑胶小球,当鼠标器在操作桌面上移动时，小球随之转动，在鼠标器内部装有三个滚轴与小球接触，其中有两个分别是X轴方向和Y轴方向滚轴，用来分别测量X轴方向和Y轴方向的移动量，另一个是空轴，仅起支撑作用。拖动鼠标器时，由于小球带动三个滚轴转动，X轴方向和Y轴方向滚轴又各带动一个转轴（称为译码轮）转动。译码轮(见图1)的两侧分别装有红外发光二极管和光敏传感器，组成光电耦合器。光敏传感器内部沿垂直方向排列有两个光敏晶体管A和B，如图2所示。由于译码轮有间隙，故当译码轮转动时，红外发光二极管发出的红外线时而照在光敏传感器上，时而被阻断，从而使光敏传感器输出脉冲信号。光敏晶体管A和B被安放的位置使得其光照和阻断的时间有差异，从而产生的脉冲A和脉冲B有一定的相位差，利用这种方法，就能测出鼠标器的拖动方向 照相机中的红外线传感器――夜视功能红外夜视，就是在夜视状态下，数码摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，关掉红外滤光镜，不再阻挡红外线进入CCD，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。索尼数码摄像机首创了红外线夜视摄影功能，能够在全黑环境下进行拍摄，甚至连肉眼也不能分辨清楚的物体，现在也可以清晰地拍摄下来。这种夜视的特点是可以在完全没有光线的条件下进行拍摄，但由于采用的是红外摄影，无法进行彩色的还原，所以拍摄出来的画面是单色的，影像会变绿。不久之后，索尼又推出了拥有超级红外线夜视摄功能的数码摄像机，红外线功能的慢速快门为2段选择，超级红外线夜摄功能的慢速快门为自动调节，可以获得更好的影像效果。举一个大家都见过的例子，在美国空袭伊拉克时，伊拉克首都大部分地区都处于停电状态，这时除了防空曳光弹和导弹爆炸引起的火光以外就只有月光或星光照明了，能见度极差。我们在电视新闻上看到的从现场传回来的录像片的画面都呈现绿色，说明电视记者在拍摄时使用了红外线夜视仪，导致影像是绿色的，如果不使用红外摄像技术，那么我们从电视画面上将只能听到声音，而看不到任何影响了。 需要注意的：因为红外线夜视摄影仪的前提是数码摄像机能发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，所以说它的拍摄距离是有一定限制的，如果摄像机发出的红外线到达不了要拍摄的物体，那么当然就什么也拍不到了 C-211D微型黑白红外线摄像机 红外线传感器在工程上的应用―――红外线轴套扫描器 ROTA-SONDE TS 2006 通过光机系统扫描视场，并且无需任何光学调整。它精确测量线材、棒材等生产线的活套大小，甚至对特殊钢或有色金属以及在水汽、烟雾严重的情况下也能可靠工作。 DELTA 的红外传感器TS2006 可用于活套控制、热带材或热板材的对中控制以及在其它很广的应用中提供位置信息。 ISO9002 红 外 检 测 – 高 灵 敏 度 250 ℃ 或 400 ℃ 使 用 维 护 简 单、方便具 有 自 监 测 和 报 警 功 能 ROTA-SONDE TS 2006 – 特点 TS 2006 检测位于其视场范围内的热工件（钢，铜，合金及玻璃等）的位置并输出与工件在视场中的角度位置成正比的信号。 ROTA-SO ROTA-SONDE NDE TS 2006 是扫描方式工作的测量用传感器，它对温度高于250 °C (480 °F) 的热工件的红外辐射敏感。 主要特点： · 高灵敏度：400°C/750°F或 250°C / 480 °F · 红外光谱： 1至 3 µm · 由自监测功能实现数字式控制 · 无需光学调整 · 使用维护方便 · 专为钢铁工业恶劣的工作环境设计，光电子电路放置于重型外壳中(IP66) · 设有空气吹扫装置和水冷却系统 · 提供连接器和带有不锈钢辫型编织保护层的电缆 ROTA-SONDE TS 2006 – 应用 典型应用 热钢板的对中控制和纠偏控制 红外线边缘传感器 FR50 边缘纠偏传感器FR50是以反射原理工作的。发射机产生一束波长为880nm的平行红外线，这束红外线被对面整齐排列的CCD元件所接收。一个处理器评估这些信号并发送出估计好的实际位置到CAN总线。传感器在＋/-10mm的测量范围内以0.02毫米的精确度确定出纸边位置。光学设备只是接收平行光束从而排除了位置偏差导致的高度起伏。一个位向控制器监控镜头扫描污渍并反馈适当的污渍信息到控制器。 传感器应用与军事上――军用遥感技术遥感从字面上说就是从远处感觉事物。严格一点的意义上定义为：远远地去感觉某一定对象的技术。广义地讲，遥感是不直接接触地收集关于某一定对象的某种或某些特定的信息，从而了解这个对象的性质。很早以前，人们就希望从空中来观察地球，当时人们使用的是普通的照相机，后来发展成为专门的航空照相机。航空摄影的技术在世界大战期间获得了长足的发展，基于这种照片的识别技术也得到了提高。随着飞行器技术的提高，尤其是火箭和卫星的出现，遥感技术获得了一个全新的平台。现在，遥感技术也日新月异，成为在国民经济建设中不可取少的一种重要技术，尤其在军事方面的应用也很广泛。遥感中收集到的信息，就是物体发射或者被它反射的电磁波。这些电磁波包括近紫外、红外线、可见光、微波等。收集电磁波信息的装置叫做传感器。装载传感器的地方，称为平台。遥感就是用装在平台上的传感器来收集（测定）由对象辐射或（和）反射来的电磁波，再通过对这些数据进行分析和处理，获得对象信息的技术。遥感技术的迅速发展，一个重要的因素是它应用于我们所生活的环境。人们越来越需要深刻地了解我们的地球，了解它的资源，了解他的变化，以便合理安排生产和生活活动。遥感主要原理注：传感器装载在平台上 遥感中可以使用可见光和近红外区的电磁波进行遥感，这是利用了对象的反射特性，这种方式是航空摄影发展而来的结果，也是最为广泛应用的一种，在月球上观察地球就是这样的。另外有两类技术也在遥感中大显身手。其一是使用热红外和热成像技术，主要是利用了物体的辐射特性。热成像是与远距离测量地球表面特征的温度有关的遥感分支。它所研究的问题小到可以探测一间屋子的热能量泄漏，大到可以研究地球表面的洋流。因为温度实质是地球环境中一切物理、化学和生物过程的重要控制因素之一。因此，温度数据在经营管理地球资源的活动中必然占有极其重要的地位。其二是利用微波遥感器进行遥感。微波遥感分为被动式和主动式。主动式的微波遥感器主要是侧视雷达。它是在50年代为军事侦察目的而发展的。它目前的重要应用主要在于快速取得大片有云地区的地面资源情报数据。被动式微波遥感器感受的是它们视场内的自然可利用的微波能量，其工作方式和热辐射计或热扫描仪非常相似，但是能够接受到的信号也比热红外区微弱得多，同时信号所伴随的噪声也大得多。因此这种信号的判释问题也要比其他各种遥感器困难得多。但和侧视雷达一样也有全天候的特性。依靠选择适合的工作波长，可以用它或者穿透大气，或者观察大气。通常来说，微波遥感用在大气的各项数据的测量上，在海洋学、油污探测、融雪测定等方面都有应用。遥感在军事科学上的应用是显然的，因为可以远距离地观察目标，而且可以获得相对宏观的分析数据。在军事上，遥感的用途大致有：首先是对目标国家和地区的资源状况的监视。通过有效地监视资源及其变化，可以帮助确定战略的目标。其次，监视对方军事部署和大规模的军事移动。许多军事部署的位置信息可以通过高精度的卫星遥感获得，大规模的军事移动也容易在遥感器上留下痕迹，这些都对于对应国家采取相应的措施提供了快速而有效的信息。其次，在具体的作战当中，遥感可以帮助分析局部的地形、资源状况，从而帮助己方进行战术行动的方案判断。各种军用卫星的发射，也为全方位地监视目标提供了基础。现代战争作为数字化的战争，信息在战争中是至关重要的，遥感作为一项能够大范围、高精度、快速获得信息的技术，必然能够在未来的战争中获得更多的应用。 可见，传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力。而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。二十一世纪，人们一方面通过提高与改善传感器的技术性能；一方面通过寻找新原理、新材料、新工艺及新功能来改善传感器性能，制造出更多的传感器．而红外线传感器作为其中的一部分也必将得到更大的发展