紅外感測器

紅外線感測器是一種能夠感應目標輻射的紅外線，利用紅外線的物理性質來進行測量的感測器。按探測機理可分成為光子探測器和熱探測器。 紅外感測技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的套用。

基本介紹

• 中文名：紅外感測器
• 外文名：infra-red sensor
• 套用領域：現代科技、國防和工農業等
• 驅動方式：電平型和脈衝型
• 分類：光子探測器和熱探測器
• 功能：測量

概述

紅外線技術在測速系統中已經得到了廣泛套用，許多產品已運用紅外線技術能夠實現車輛測速、探測等研究。紅外線套用速度測量領域時，最難克服的是受強太陽光等多種含有紅外線的光源干擾。外界光源的干擾成為紅外線套用於野外的瓶頸。針對此問題，這裡提出一種紅外線測速感測器設計方案，該設計方案能夠為多點測量即時速度和階段加速度提供技術支持，可套用於公路測速和生產線下料的速度稱量等工業生產中需要測量速度的環節。

紅外技術已經眾所周知，這項技術在現代科技、國防科技和工農業科技等領域得到了廣泛的套用。紅外感測系統是用紅外線為介質的測量系統，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用於輻射和光譜測量；（2）搜尋和跟蹤系統，用於搜尋和跟蹤紅外目標，確定其空間位置並對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統；（5）混合系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。

紅外感測器根據探測機理可分成為：光子探測器（基於光電效應）和熱探測器（基於熱效應）。

工作原理

待測目標

根據待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。

大氣衰減

待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由於氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。

光學接收器

它接收目標的部分紅外輻射並傳輸給紅外感測器。相當於雷達天線，常用是物鏡。

輻射調製器

對來自待測目標的輻射調製成交變的輻射光，提供目標方位信息，並可濾除大面積的干擾信號。又稱調製盤和斬波器，它具有多種結構。

紅外探測器

這是紅外系統的核心。它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應探測紅外輻射的感測器，多數情況下是利用這種相互作用所呈現出的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

探測器製冷器

由於某些探測器必須要在高溫下工作，所以相應的系統必須有製冷設備。經過製冷，設備可以縮短回響時間，提高探測靈敏度。

信號處理系統

將探測的信號進行放大、濾波，並從這些信號中提取出信息。然後將此類信息轉化成為所需要的格式，最後輸送到控制設備或者顯示器中。

顯示設備

這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。

依照上面的流程，紅外系統就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。

熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能後引起溫度升高，進而使探測器中依賴於溫度的性能發生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換後測量相應的電量變化。

紅外感測器已經在現代化的生產實踐中發揮著它的巨大作用，隨著探測設備和其他部分的技術的提高，紅外感測器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。

發展前景

感測器市場報告顯示，2008年全球感測器市場容量為506億美元，預計2010年全球感測器市場可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區和加拿大成為感測器市場增長最快的地區，而美國、德國、日本依舊是感測器市場分布最大的地區。就世界範圍而言，感測器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。

一些感測器市場比如壓力感測器、溫度感測器、流量感測器、水平感測器已表現出成熟市場的特徵。流量感測器、壓力感測器、溫度感測器的市場規模最大，分別占到整個感測器市場的21%、19%和14%。感測器市場的主要增長來自於無線感測器、MEMS(MICRO-ELECTRO-MECHANICALSYSTEMS，微機電系統)感測器、生物感測器等新興感測器。其中，無線感測器在2007-2010年複合年增長率預計會超過25%。

全球的感測器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出，感測器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代感測器的開發和產業化，競爭也將日益激烈。新技術的發展將重新定義未來的感測器市場，比如無線感測器、光纖感測器、智慧型感測器和金屬氧化感測器等新型感測器的出現與市場份額的擴大。

類型

紅外線感測器依動作可分為：

(1) 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化及電動勢等輸出信號之熱型。

(2) 利用半導體遷徙現象吸收能量差之光電效果及利用因PN 接合之光電動勢效果的量子型。

熱型的現象俗稱為焦熱效應，其中最具代表性者有測輻射熱器 (THERMAL BOLOMETER)，熱電堆(THERMOPILE)及熱電(PYROELECTRIC)元件。

熱型的優點有：可常溫動作下操作，波長依存性(波長不同感度有很大之變化者)並不存在，造價便宜；

缺點：感度低、回響慢(MS之譜)。

量子型 的優點：感度高、回響快速(ΜS 之譜)；

缺點：必須冷卻(液體氮氣) 、有波長依存性、價格偏高；

紅外線感測器特別是利用遠紅外線範圍的感度做為人體檢出用，紅外線的波長比可見光長而比電波短。紅外線讓人覺得只由熱的物體放射出來，可是事實上不是如此，凡是存在於自然界的物體，如人類、火、冰等等全部都會射出紅外線，只是其波長因其物體的溫度而有差異而已。人體的體溫約為36～37°C，所放射出峰值為9～10微米的遠紅外線，另外加熱至400～700°C的物體，可放射出峰值為3～5微米(不是MM）的中間紅外線。

關鍵性元件

菲涅爾濾光透鏡，熱釋電紅外感測器（PIR）和匹配低噪放大器。

菲涅爾透鏡有兩個作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射在PIR上：二是將探測區內分為若干個明區和暗區，使進入探測區的移動物體（人）能以溫度變化的形式在PIR上產生變化的熱釋紅外信號。一般還會匹配低噪放大器，當探測器上的環境溫度上升，尤其是接近人體正常體溫（37℃）時，感測器的靈敏度下降，經由它對增益進行補償，增加其靈敏度。輸出信號可用來驅動電子開關，實現LED照明電路的開關控制。這是一款E27標準螺口燈頭的燈具，它的電源適用範圍是 AC180V-250V （50/60HZ）， 紅外感測器檢測範圍大約在3M—15M，它的標準產品 IFS-BULB 3W燈具達80 LM ，5W燈具達140 LM 。在LED光源模組的中央部分嵌入紅外線感測器。一旦紅外感測器檢測到人的體溫，LED電燈泡將會在50秒內自動開啟與關閉。適用於任何一種室內套用，如走廊、儲藏室、樓梯和大廳入口處。

套用

輻射本質

紅外輻射的本質

紅外輻射的本質是熱輻射。以波的形式在空間直線傳播，真空中以光速傳播當物體溫度低於1000℃時，向外輻射的不再是可見光，而是紅外光紅外線在通過大氣層時, 有三個波段透過率高, 它們是2~2.6 uM、3~5 uM和8~14 uM。其波段如圖所示：

紅外探測器

紅外探測器分為熱探測器和光子探測器兩種。

（1）熱探測器

利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能後引起溫度升高，進而使某些有關物理參數發生變化，通過測量物理參數的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。

（2）光子探測器

利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態，引起各種電學現象。

舉例

（1）紅外測溫儀：如圖所示

（2）紅外線氣體分析儀：如圖所示