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不同红外传感器的工作原理及特性有何差异?

2020-11-04 17:22
建大仁科
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红外线是一种人类肉眼看不见的光,所以,它具有光线的所有特性,所有高于绝对零度即-273℃的物质都可以产生红外线。根据红外线的特性,红外线被应用于多种传感器中,比如红外温湿度传感器、人体红外探测器等等。红外传感器也根据发出方式和能量转换方式分为不同的类型。下面,让我们具体了解一下不同红外传感器的工作原理及特性。

解析各种红外传感器的工作原理及特性

根据发出方式不同,红外传感器可分为主动式和被动式两种。

一、主动红外传感器

主动红外传感器的发射机发出一束经调制的红外光束,被红外接收机接收,从而形成一条红外光束组成的警戒线。当遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警,人或相当体积的物品遮挡将发生报警。

主动红外探测器技术主要采用一发一收,属于线形防范,现在已经从最初的单光束发展到多光束,而且还可以双发双受,最大限度的降低误报率,从而增强该产品的稳定性,可靠性。

由于红外线属于环境因素不相干性良好(对于环境中的声响、雷电、振动、各类人工光源及电磁干扰源,具有良好的不相干性)的探测介质;同时也是目标因素相干性好的产品(只有阻断红外射束的目标,才会触发报警),所以主动式红外传感器将会得到进一步的推广和应用。

二、被动红外传感器

被动红外传感器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。传感器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件,这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷,检测处理后产生报警。

这种传感器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。为了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滤光片,使环境的干扰受到明显的控制作用。

被动红外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电元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。

一旦入侵人进入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜而聚焦,从而被热释电元接收,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。被动红外传感器被广泛的应用在人体红外探测器中。

解析各种红外传感器的工作原理及特性

根据能量转换方式的不同,红外线传感器又可分为光子式和热释电式两种。

一、光子式红外传感器

光子式红外传感器是利用红外辐射的光子效应而进行工作的传感器。所谓光子效应,是指当有红外线入射到某些半导体材料上时,红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用,改变了电子的能量状态,从而引起各种电学现象。

通过测量半导体材料中电子性质的变化,就可以知道相应红外辐射的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。

光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快,具有较高的响应频率,但缺点是探测波段较窄,一般工作于低温(为保持高灵敏度,常采用液氮或温差电制冷等方式,将光子探测器冷却至较低的工作温度)。

二、热释电式红外传感器

热释电式红外传感器是利用红外辐射的热效应引起元件本身的温度变化来实现某些参数的检测的,其探测率、响应速度都不如光子型传感器。

但由于其可在室温下使用,灵敏度与波长无关,所以应用领域很广。利用铁电体热释电效应的热释电型红外传感器灵敏度很高,获得了广泛应用。

热释电效应某些绝缘物质受热时,随着温度的上升,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。热释电效应在近十年被用于热释电红外传感器中。能产生热释电效应的晶体称为热释电体,又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶、压电陶瓷及高分子薄膜等。

热释电红外传感器的结构热释电红外传感器由以下四个主要部分构成:

①构成电路的铝基板、场效应晶体管(FET);

②具有热释电效应的陶瓷材料;

③ 限制入射红外波长的窗口材料;

④ 外壳TO—5型管帽和管座。

由于探测器元件单独使用时,存在着探测距离较短、获得的信号后续电路不易处理的不足,所以目前多选用红外组合件来探测。红外组合件由热释电红外传感器、透镜、测量转换电路和密封管壳构成。透镜可以扩大探测范围,提高测量的灵敏度;测量转换电路可以完成滤波、放大等信号处理过程;密封管壳能防止因外界噪声引起的错误动作。这种组合件体积小、成本低、功能多样,所以应用较为广泛。

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