感测技术--ch2-3案例.ppt

2.2 红外光传感器 红外辐射 红外光传感器工作原理与结构 红外光传感器的应用 红外辐射的本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样。 红外光在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5 μm和8～14 μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。 红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号处理电路及显示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。 热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、 水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化， 在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”， 其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。 热释电效应及其传感器 热释电效应：铁电晶体存在自发极化，温度不变下晶体表面极化电荷不变，它吸附空气中的符号相反电荷达到平衡。当晶体吸收红外光而温度生高 时，极化强度减小，释放 一定的吸附电荷，若与一 电阻连接成回路会形成电 流。因温度变化引起自发 极化强度变化而释放吸附 电荷的现象称热释电效应 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，反映入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。 ps ：极化强度，单位面积上极化电荷，C/cm2 ； ps /dT：铁电晶体的热释电系数； dT/dt：与红外线强度成正比，所以输出信号 正 比红外线强度； 热释电传感器的结构与工作原理 结构： 双元型红外线传感器主要有： 敏感元件、场效应管、高阻抗 变换管、滤光窗等。 敏感元件：2个极性相反热释电 单元，可以抵抗可见光、大部分 红外线干扰，只对运动人体敏感 场效应管和高阻抗变换管：用于阻抗变换和信号放大 滤光窗：在一块玻璃上镀的多层滤光薄膜，对阳光、电 灯光抗干扰，仅对人体发出的红外线(7-14微米)最敏感 自然界任何高于0K的物体都将产生红外光谱，温度 不同对应的红外线波长也不同。人体都有恒定的体温， 一般为37度，发出10微米左右的特定波长红外线。 在热释电红外传感器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外敏感单元(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，在探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。 另外一个元件是菲涅尔透镜，有折射式和反射式，作用有两个：一是聚焦作用，即将红外信号折射（反射）在PIR上，二是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。  感应开关的主要元件是一片新型热释电红外探测模块HN911L和一只MOS管。HN911L内电路包括高灵敏度红外传感器、放大器、信号处理电路、输出电路等。热释电红外传感器遥测移动人体发出的微热红外线信号，送入HN911L，在输出端得到放大后的电信号。MOS场效应管输入阻抗极高，接在栅源间的电容充电后，电容电压可保持很长时间，在此期间，MOS管导通。利用这一特点，可实现延时功能。 本开关电路原理如附图所示。Cl对220V市电降压，VSl、VS2对负半波旁路，对正半波削波稳