6.2红外传感器工作原理（课件）-《传感器检测技术》同步教学（电子工业版）

模块六 光电传感器及其应用 课题二 红外传感器工作原理 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。 光电传感器的应用 一、红外传感器概述 1．红外辐射的基本知识 （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；其波长范围和在电磁波中的位置如图6-31所示。 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； 图6-31 电磁波谱 4)气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带； 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。 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。 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。 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。 （2）红外辐射的基本定律 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 （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； α ——该物体对辐射能的吸收系数； E0——等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是常数。 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 （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； 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。 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 （6-10） 图6-35 峰值辐射波长与温度的关系曲线 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。 分谱辐射出射度 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。 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。 热释电效应形成原理： 下面介绍红外线测温仪，红外测温仪是利