紅外感測器

紅外線技術在測速系統中已經得到了廣泛應用，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。紅外線應用速度測量領域時，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應用於野外的瓶頸。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，可應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應用。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）搜索和跟蹤系統，用於搜索和跟蹤紅外目標，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）。

利用紅外線的物理性質來進行測量的感測器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。任何物質，只要它本身具有一定的溫度（高於絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線感測器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，並且有靈敏度高，反應快等優點。

紅外線感測器包括光學系統、檢測元件和轉換電路。光學系統按結構不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。熱敏元件應用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發生變化（這種變化可能是變大也可能是變小，因為熱敏電阻可分為正溫度係數熱敏電阻和負溫度係數熱敏電阻），通過轉換電路變成電信號輸出。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料製成。

紅外線感測器常用於無接觸溫度測量，氣體成分分析和無損探傷，在醫學、軍事、空間技術和環境工程等領域得到廣泛應用。例如採用紅外線感測器遠距離測量人體表面溫度的熱像圖，可以發現溫度異常的部位，及時對疾病進行診斷治療（見熱像儀）；利用人造衛星上的紅外線感測器對地球雲層進行監視，可實現大範圍的天氣預報；採用紅外線感測器可檢測飛機上正在運行的發動機的過熱情況等。

具有紅外感測器的望遠鏡可用于軍事行動，林地戰探測密林中的敵人，城市戰中探測牆後面的敵人，以上均利用了紅外線感測器測量人體表面溫度從而得知敵人所在地。

該報警器能探測人體發出的紅外線，當人進入報警器的監視區域內，即可發出報警聲，適用於家庭、辦公室、倉庫、實驗室等比較重要場合防盜報警。裝置電路原理見圖1。由紅外線感測器、信號放大電路、電壓比較器、延時電路和音響報警電路等組成。紅外線探測感測器IC1探測到前方人體輻射出的紅外線信號時，由IC1的②腳輸出微弱的電信號，經三極體VT1等組成第一級放大電路放大，再通過C2輸入到運算放大器IC2中進行高增益、低雜訊放大，此時由IC2①腳輸出的信號已足夠強。IC3作電壓比較器，它的第⑤腳由R10、VD1提供基準電壓，當IC2①腳輸出的信號電壓到達IC3的⑥腳時，兩個輸入端的電壓進行比較，此時IC3的⑦腳由原來的高電平變為低電平。IC4為報警延時電路，R14和C6組成延時電路，其時間約為1分鐘。當IC3的⑦腳變為低電平時，C6通過VD2放電，此時IC4的②腳變為低電平，它與IC4的③腳基準電壓進行比較，當它低於其基準電壓時，IC4的①腳變為高電平，VT2導通，訊響器BL通電發出報警聲。人體的紅外線信號消失后，IC3的⑦腳又恢復高電平輸出，此時VD2截止。由於C6兩端的電壓不能突變，故通過R14向C6緩慢充電，當C6兩端的電壓高於其基準電壓時，IC4的①腳才變為低電平，時間約為1分鐘，即持續1分鐘報警。

火焰探測器

火焰感測器利用紅外線對對火焰非常敏感的特點，使用特製的紅外線接受管來檢測火焰，然後把火焰的亮度轉化為高低變化的電平信號，輸入到中央處理器中，中央處理器根據信號的變化做出相應的程序處理。

火焰感測器能夠探測到波長在700納米～1000納米範圍內的紅外光，探測角度為60°，其中紅外光波長在880納米附近時候的靈敏度達到最大。

遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為電流的變化，通過A/D轉換器反映為0～255範圍內數值的變化。外界紅外光越強，數值越小；紅外光越弱，數值越大。

紅外測距感測器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距感測器具有一對紅外信號發射與接收二極體，發射管發射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理之後，通過數字感測器介面返回到中央處理器主機，中央處理器即可利用紅外的返回信號來識別周圍環境的變化。

紅外測溫儀的構成主要有光學系統，調製器，紅外感測器放大器，指示器等部分構成。紅外感測器是接收目標輻射並轉換成電信號的器件。

在許多場合，人們不僅要知道物體表面的平均溫度，更需了解物體的溫度分佈以便分析，研究物體的結構，探測內部缺陷。紅外成像就能將物體的溫度分佈以圖像的形式直觀顯示出來。

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。

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，設備可以縮短響應時間，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后引起溫度升高，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后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。

紅外感測器是紅外探測系統中很重要的部件，但它很嬌氣，使用中如果不注意就有可能導致紅外感測器損壞。因此，紅外感測器在使用中應注意以下幾點：

（1）必須首先注意了解紅外感測器的性能指標和應用範圍，掌握它的使用條件。

（2）必須關注感測器的工作溫度，一般要選擇能在室溫下工作的紅外感測器，便於維護。

（3）適當調整紅外感測器的工作點。一般情況下，感測器有一個最佳工作點。只有工作在最佳工作點時，紅外感測器的信噪比最大。

（4）選用適當前置放大器與紅外感測器配合，以獲取最佳探測效果。

（5）調製頻率與紅外感測器的頻率響應相匹配。

（6）感測器的光學部分不能用手摸，擦，防止損傷與沾污。

（7）感測器存放時注意防潮，防振，防腐。

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佈最大的地區。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，占第二位的是過程式控制制市場，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，分別佔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、智能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。

紅外線感測器依動作可分為：

(1)將紅外線一部分變換為熱，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(THERMALBOLOMETER)，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、響應慢(MS之譜)。

量子型的優點：感度高、響應快速(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。

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-BULB3W燈具達80LM，5W燈具達140LM。在LED光源模塊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應用，如走廊、儲藏室、樓梯和大廳入口處。

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2~2.6uM、3~5uM和8~14uM。其波段如圖所示：

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后引起溫度升高，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。

（1）紅外測溫儀：如圖所示

（2）紅外線氣體分析儀：如圖所示