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■传感器论文■红外传感器
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作者:不详 来源:网上收集 更新日期：2006-7-5 阅读次数：
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组员：
仪器科学与光电工程学院西普电气光电开关接近开关
测控03—3班
20030126 徐守品
20031438 袁 志
2005．9．12—2005.9.24西普电气接近开关光电开关
红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长(或频率)的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率)排成如图9.2.1所示的波谱图，称之为电磁波谱。
图9.2.1 电磁波波谱图西普电气接近开关光电开关
从图中可以看出，红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在0.76—600μm之间(称为红外区)。而红外区通常又可分为近红外(0.73～1.5μm)、中红外(1.5一l0μm)和远红外(10μm以上)，在300μm以上的区域又称为“亚毫米波”。近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。
一、红外辐射的产生及其性质
红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16℃)时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律西普电气接近开关光电开关
（9-2-1）
式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。
金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5μm，8～14μm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。
实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。 西普电气接近开关光电开关
二、红外传感器的组成：
我们先看看红外系统的组成、主要光学系统和辅助光学系统，在此基础上对红外的关键元件进行详细的探讨。其实，红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分工作原理(如图所示):
三、红外传感系统的分类：西普电气接近开关光电开关
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以各类系统中的两个或者多个的组合。西普电气接近开关光电开关
四、红外传感器工作原理：
（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。
（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。西普电气接近开关光电开关
（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。
（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。
（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。
（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。
（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。
（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。
五、红外传感器的几种产品:西普电气接近开关光电开关
（1）红外探测器：
红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。
热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。
红外线光电传感器
图上所示为欧姆龙公司生产的漫反射式和对射式光电传感器，这两种传感器主要用于事件检测和物体定位。图中的红灯和绿灯表示传感器的状态。
（2）红外测温产品：西普电气接近开关光电开关
HEITRONICS 拥有40多年非接触红外测温经验，50多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满足不同行业用户的特殊需求,提供最优非接触红外测温解决方案。在高性能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的HEITRONICS以其在尖端领域应用中良好的品质纪录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。
HEITRONICS 系列产品已广泛应用于冶金，玻璃,造纸, 纺织, 橡胶, 木材, 制陶,塑料 涂层, 沥青 建筑, 电子, 食品,石化，水泥等工业制造、科学研究和实验领域。 西普电气接近开关光电开关
HEITRONICS红外测温仪部分产品
KT19系列-50°C - 3000°C 智能型红外测温仪 · 智能测温系统 · 19种光谱范围 · 实时数字处理 · 5 ms响应时间 · 光学瞄准 ,带激光瞄准 · LCD显示 · 可编程 ,RS232串行接口
KT15D系列-50°C - 3000°C 通用型红外测温仪 · 通用测温专家 · 19种光谱范围 · 实时数字处理 · 响应时间50ms · 可编程 · RS232串行接口 · 紧凑型结构
KTX系列0°C - 2000°C 集成型红外测温仪 · 响应时间50ms · 全金属外壳 · 抗电磁干扰 · HD版适合在180°C恶劣环境下工作
LS12系列-50°C - 3000°C 线性扫描式测温仪 · 19种光谱范围 · 实时数字处理 · 可编程 · RS232串行接口 · 独立使用远端软件遥控
KT18S50°C - 2500°C 光谱式红外测温仪 · 响应时间10ms · 距离目标系数为400:1 · 光学瞄准 · 硅探测器
(3)非分光红外（NDIR）气体传感器：
非分光红外气体传感器主要配套应用于工业、农业、医疗、智能建筑、分析仪器等行业用于气体浓度的高精度测量。到目前为止，已经研制出SO2、NO、CO、CO2、CH4、H2O等气体的红外气体传感器。
工作原理：
基于气体对红外光吸收的郎伯--比尔吸收定律，采用国际上最新的NDIR技术，如电调制红外光源、进口高灵敏度滤光传感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、不同气体（SO2、NOX、CO2、CO、CH等）的高精度连续检测。
随着通讯技术的发展，使得以往研制红外气体传感器需要的器件成本大大下降，这为新型红外气体传感器的发展提供了条件。国外近年来在红外气体传感器领域得到了迅猛的发展。我国每年需要的近10000套尾气分析仪核心传感器都需要从国外进口，用于连续污染物监测系统CEMS的关键分析部件国产化率也很低，用于麻醉无创监护的呼气末CO2传感器以及用于安全监测领域的红外瓦斯传感器和红外可燃气变送器在国内还是一片空白。因此该项目是一项在多个领域需要解决的共性关键技术，无论是在用新技术改造传统产业，还是在替代进口各方面都有明显的优势。该技术的应用范围广泛，具有明显的经济和社会效益。
(4) 人体热释电红外传感器介绍和应用:
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。
被动式热释电红外探头的工作原理及特性：
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泥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，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
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泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 西普电气接近开关光电开关
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)菲泥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。
（5）无线红外传感器
无线红外传感器又名无线红外探测器
RDPIR-WL01
无线智能幕帘/广角红外探测器采用美国军用红外传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控制，自动温度补偿，微电流省耗，无误报，无漏报，探测距离远，工作稳定，性能可靠，外形精巧，美观大方。机内设置电源外拨开关，外出设防可以接通电源，达到更加省电的效果。
它是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接收范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。
它是目前可靠性较高的产品，红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用处理IC。高频发射部分采用最新声表面（SAW）稳频技术，配合成熟的外围电路，使得产品具有红外探测灵敏度好、误报率低、高频发射频率稳定、发射功率大的特点。
工作原理：红外广角型探头的防范区域是以其透镜始点，向前散发120度，长12米的圆锥形的探测区域，在这区域内，只要是热能动物在区域内活动，其散发的红外热能将被吸收。
幕帘型探头工作原理：红外幕帘型探头的防范区域是以其透镜始点，向前散发120度，长12米的圆锥形的探测区域，在这区域内，只要是热能动物在区域内活动，其散发的红外热能将被吸收。
（6）热释红外线传器
热释红外线传器主要由高热电系数的锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘钛等配合滤光镜片窗口组成它能以非接触形式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。
其具体电路图：
该产品广泛用于防盗系统、自动控制、楼梯自动感应灯、卫生间自动冲水器、自动暖手器、自动感应开关、防盗系统、自动感应水龙头等产品. 西普电气接近开关光电开关
（7）无线红外位移传感器（Crystal）
Crystal红外位移传感器可安装在室内，探知物体的移动。通过无线传输的方式把信号传给报警主机，由主机及时向您或报警接收中心发送警报信息，并在现场发声提示，保护您的财产免受损失。
产品特点：
被动红外线探测；探测一个封闭的环境中物体的移动 ；适用于大的房间，狭窄的过道及及楼梯间；3分钟监测休眠节约电池寿命；每64分钟向主机报告状态；2级灵敏度设置；可选宠物透镜；利用遮罩片可调节红外覆盖区域；小巧且不引人注目；防拆开关；估计电池使用寿命8-10年，增加一个附加电池可延长使用寿命；电池使用寿命14-18年(2个锂电池)；电池使用寿命8-10年(1个锂电池)。
（8）安全电眼
特点：采用红外光电原理设计，检测两点见或四点见障碍物的存在与否。
用途：作为自动门的安全辅助装置，可增加自动门的安全性能西普电气接近开关光电开关
（9）编码检测器HLC2701
HLC2701 专为感测机械运动的速度和方向而设计。应用包括旋转编码器或线位移编码器。特别适用于光学鼠标中的编码器。探测器为单片集成电路包括两个非常靠近的光电二极管、放大器和施密特触发器输出单元。输出为NPN 集电极带10KΩ 上拉电阻，可直接驱动TTL 负载。探测器中具有灵敏度温度补偿电路，来补偿由于温度变化LED输出功率的漂移。集成电路封装在一个模压不透光的黑色塑料壳中，可以透射红外能量，而阻挡可见光的透射。集成电路的敏感区每个宽0.203mm,高0.381mm，间隔0.0254mm,中心到中心的间隔为0.203mm，外部边缘到边缘的距离为0.432mm。
产品特点：
侧接收塑料封装；TTL/LSTTL/CMOS 兼容；反向逻辑输出；线性或旋转编码器应用；分辨率为0.229mm；具有灵敏度温度补偿。
（10）HOA1180红外传感器西普电气接近开关光电开关
Honeywell推出的HOA1180红外传感器由特殊的发射金属元件构成并可以提供光敏晶体管和达林顿管输出。其可以对实际信号和噪音信号提供放大输出。光电晶体管的输出具有响应快的特点，而光电达林顿管的输出具有灵敏度高的优势。该产品适合用于极端的温度现场或者–55°C到100°C标准温度范围使用，该传感器的灵敏度可对传感器和反射表面间的距离进行扩展；发射表面无需很高的反射率。
（11） 红外温度传感器（VTI-300）
The VTI-300 is a three terminal, fully calibrated non-contact temperature sensor, which provides a digital output compatible with the Maxim/Dallas Semiconductor 1-Wire®bus. 1-Wire®compatibility insures true multi-drop operation along with other 1-Wire®bus products. The VTI-300 requires only three wires for operation (power, ground and data). The low power consumption of the VTI-300 makes it an ideal choice for battery-operated equipment. Full factory calibration of initial accuracy, responsivity and temperature coefficient result in a very low measurement error over temperature. The VTI-300 has a maximum calibration error of ±3.0°C for target temperatures from -40 to +300°C over an ambient temperature range 0°C to 50°C. There are 3 standard calibration temperature ranges as listed in “Ordering Information”to the right. The HS versions have an additional external brassheat sink to improve temperature stability and optical performance. Since calibration resides in the unit, the VTI-300 will be extremely valuable to design engineers for its ease of use, no external calibration requirements and inherent excellent performance. Advanced software allows for compensation of emissivity, target area fill, background emissivity, background temperature, and down-welling sky temperature.
The block diagram in Figure 1 shows the relationship between themajor components that are inside the VTI-300 package. The VTI-300 has four main sections: 1) 1-Wire®Interface 2) Temperature Sensor 3) Thermopile and Amplifier 4) Voltage Reference. The DS2430A EEPROM holds the Transducer Electronic Data Sheet (TEDS) which contains all the manufacturing and calibration information. The TEDS is read once prior to all subsequent A/D conversions. The VTI-300 is designed to be Maxim/Dallas Semiconductor 1-Wire®compatible. Please refer to the DS2430A and DS2450 datasheets for detailed operational description of these devices (www.maxim-ic.com). Pre-written advanced software interfaces are provided through LabVIEW,Matlab,Mathcadand a “C”Applications Programming Interface. In addition to providing fortarget emissivitycorrection, the software has parametric inputs for target area fill (target area/ Field of View area), background emissivity, background temperature and down-welling “sky”radiation. These advanced inputs allow non-contact temperature measurement of taretsthat are not completely within the sensor’s Field of View over various environmental condition。
Figure 1
六、红外传感器的用途及未来：西普电气接近开关光电开关
在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求。在产品加工行业中，特别是需要对温度进行远距离监测的场合，一般都是温度传感器大显身手的地方。
任何物体都会发出电磁辐射，这种电磁辐射能被红外温度传感器测量。当物体温度变化时，其辐射出的电磁波的波长也会随之变化，红外传感器能将这种波长的变化转换成温度的变化，从而实现监控、测温的目的。
由于红外温度传感器实现了无接触测温、远距离测量高温等功能，进而将大部分操作人员从较恶劣的环境中解放出来了，原来必须要穿防高温工作服才能工作的操作工人，现在不用再穿上那些不方便的工作装，而且可以在一个更加原来安全、舒适的环境中工作。红外温度传感器的这些特点令广大用户对其大感兴趣。
红外温度传感器在餐饮行业中的应用也在不断增长。美国食品及药物管理局规定，在美国需要对食品进行温度监督和记录，而且食品不能被污染。基于这样的要求，很自然地，红外传感器在此领域又得到了广泛应用。在不与被测物接触的情况下，实现了食品温度记录。1997年，欧洲也在食品行业颁布了同样的规定，红外温度传感器在
此领域也将大有市场。
光纤红外传感器还具有抗电磁和射频干扰的特点，这为便携式红外传感器在汽车行业中的应用又开辟了新的市场。
随着红外测温技术的普遍应用，一种新型的红外技术—智能（Smart）数字红外传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点。
当前，各传感器用户纷纷升级其控制系统，智能红外传感器的需求量将会继续增长，预计短期内市场还不会达到饱和。与此同时软件生产商还开发出了与之相配套的软件系统，其友好的图形操作界面、高低温报警、发射率可调、读取记忆功能、响应时间短等性能，令红外温度传感器在业内更加受到欢迎。
另外，随着便携式红外传感器的体积越来越小，价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上，红外传感器检测温度是否过热，以便系统决定是否进行下一步操作，如停止加热，或是将食品从烤箱中自动取出，或是使吹风机冷却等。随着更多的用户对便携式红外温度传感器的了
解，其潜在用户正在增加。
由于红外温度传感器在实现远距离控温及无接触测温等方面的优势，使其产量每年以10％的速度增长。在1996年至1997年间，其产量从15.5万只增长到23万只；总销售额也从2.3亿美元增长到3亿美元。预计到2006年，其产量将比现在增加9.2％，市场销售总额将达到5.576亿美元，总产量将超过48.9万只。
对于红外传感器的全球市场，第三世界国家将比欧美更加看好。虽然欧美很多工业国家加工业广泛，但其市场以趋向饱和；而在中国以及拉美一些新兴国家和地区，随着其经济的复苏与发展，各国各地区纷纷加强工业化建设，加工厂不断增多，红外传感器在该区域的销量每年以2％～5％的速度。
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关键词：红外光电传感器论文 光电开关论文 光电传感器学术论文
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