紅外傳感器ppt

1、紅外傳感器紅外傳感器指導(dǎo)老師：田斌主講人：馬小龍目錄目錄 紅外輻射基本知識(shí) 紅外探測(cè)器 紅外技術(shù)應(yīng)用 紅外輻射的基本知識(shí)紅外輻射的基本知識(shí) 紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要溫度高于熱力學(xué)最低溫度(-273)，就會(huì)向外以紅外線的方式輻射能量。 一般將紅外輻射分為四個(gè)區(qū)域，即近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠(yuǎn)紅外區(qū)和極遠(yuǎn)紅外區(qū)。紅外輻射和其他電磁輻射一樣，都是以電磁波的形式在空間傳播。它們?cè)谡婵諅鞑サ乃俣葹楣馑佟?紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，由于大氣的成分會(huì)導(dǎo)致輻射能量在傳播過(guò)程中衰減，N2、H2、O2不吸收紅外輻射。 右圖為紅外輻射通過(guò)1海里長(zhǎng)度的大氣后的透過(guò)率，透過(guò)率最高的有三個(gè)波段，稱(chēng)為紅外輻射的

2、大氣窗口。紅外探測(cè)器一般都是工作在這三個(gè)波段內(nèi)。紅外輻射源 根據(jù)輻射源的幾何尺寸和輻射源距探測(cè)器或被輻射物體的遠(yuǎn)近，輻射源可以分為點(diǎn)源和面源。 同一輻射源在不同的情況下，既可以是點(diǎn)源也可以是面源。 通常將充滿(mǎn)紅外光學(xué)視場(chǎng)的大面積輻射源稱(chēng)為面源，而將沒(méi)有充滿(mǎn)紅外光學(xué)視場(chǎng)的小面積輻射源稱(chēng)為點(diǎn)源。 紅外紅外探測(cè)器探測(cè)器 紅外探測(cè)器(Infrared Detector)是將入射的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出的器件。紅外傳感器的構(gòu)成比較簡(jiǎn)單，他一般有光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)處理電路和顯示單元組成。 紅外探測(cè)器的種類(lèi)繁多，按其原理可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器。熱探測(cè)器 熱探測(cè)器吸收紅外輻射后，溫度升高，可以

3、使探測(cè)材料產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)、電阻率變化，自發(fā)極化強(qiáng)度變化，或者氣體體積與壓強(qiáng)變化等，測(cè)量這些物理性能的變化就可以測(cè)定被吸收的紅外輻射能量或功率。 優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)波段寬、室溫下工作、使用方便。 缺點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度低。 應(yīng)用場(chǎng)合：紅外輻射變化比較緩慢的場(chǎng)合。熱釋電紅外探測(cè)器PIR sensor 的結(jié)構(gòu)熱電元件 熱電元件的接受到紅外線，溫度變化，熱釋電元件的表面產(chǎn)生電荷密度變化。 為了抑制自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾，PIR 將兩個(gè)熱電元件反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路。而且，環(huán)境背景對(duì)這兩個(gè)熱電元件的影響幾乎相同，其產(chǎn)生的釋電效應(yīng)相互抵消，因而無(wú)信號(hào)輸出。 人體經(jīng)過(guò)時(shí)，人體外紅輻射透過(guò)部分鏡面聚焦，兩片熱

4、電元件接收的輻射不同，產(chǎn)生的熱電釋不同，不能相互抵消。 在Vcc電源端利用C1和R1來(lái)穩(wěn)定工作電壓，同樣輸出端也多加了穩(wěn)壓元件穩(wěn)定信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到人體移動(dòng)信號(hào)時(shí)，電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)FET放大后，經(jīng)過(guò)C2，R2的穩(wěn)壓,再經(jīng)過(guò)NPN的轉(zhuǎn)化，輸出OUT為低電平。熱釋電紅外傳感器原理圖直流負(fù)載線路圖PIR應(yīng)用電路圖交流負(fù)載線路圖光子探測(cè)器 光子探測(cè)器利用外光電效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)制成的輻射探測(cè)器，也稱(chēng)光電型探測(cè)器。探測(cè)器中的電子直接吸收光子的能量，使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電信號(hào)，常用于探測(cè)紅外輻射和可見(jiàn)光。 按其工作原理可以分為內(nèi)光電探測(cè)器和外光電探測(cè)器。 內(nèi)光電探測(cè)器分為光電導(dǎo)、光生伏和光磁電探測(cè)器三大類(lèi)。 優(yōu)

5、點(diǎn)： 靈敏度高、響應(yīng)速度快、響應(yīng)頻率高。 缺點(diǎn)： 波段窄、工作溫度低。硫化鉛探測(cè)器 硫化鉛探測(cè)器是1um3um波段應(yīng)用很廣的器件。硫化鉛探測(cè)器一般為多晶薄膜結(jié)構(gòu)。是光電導(dǎo)型器件，有單元和多元線列器件，鑲嵌結(jié)構(gòu)可多達(dá)2000元。硫化鉛探測(cè)器的阻值適中，響應(yīng)率高，可以在常溫工作，使用方便；在低溫工作時(shí)，性能有所提高。硫化鉛探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大，電阻溫度系數(shù)大。目前，硫化鉛探測(cè)器在紅外探測(cè)、制導(dǎo)、引信、跟蹤、預(yù)警、測(cè)溫等領(lǐng)域大量使用。由于硫化鉛探測(cè)器工作在短波紅外（1um3um），所以適合對(duì)高溫目標(biāo)（如導(dǎo)彈和噴氣式飛機(jī)的噴口尾焰）探測(cè)。Pbs探測(cè)器光譜響應(yīng)曲線紅外探測(cè)器的性能參數(shù) 紅外

6、探測(cè)器的性能參數(shù)是衡量其性能好壞的依據(jù)。下面介紹一些其主要參數(shù)。1.電壓響應(yīng)率 Rv 當(dāng)（經(jīng)過(guò)調(diào)制的）紅外輻射照射到探測(cè)器的敏感元件上時(shí)，探測(cè)器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比稱(chēng)為探測(cè)器的電壓響應(yīng)率，記作Rv，單位為V/W。 式中，US為紅外探測(cè)器的輸出電壓；P0為投射到紅外敏感元件單位面積上的功率；A0為紅外探測(cè)器敏感元件的面積。S00VURP A2.響應(yīng)波長(zhǎng)范圍響應(yīng)波長(zhǎng)范圍(或稱(chēng)光譜響應(yīng))是表示傳感器的電壓響應(yīng)率與入射的紅外輻射波長(zhǎng)之間的關(guān)系，一般用曲線表示如圖。一般將響應(yīng)率最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為峰值波長(zhǎng)(m)。把響應(yīng)率下降到響應(yīng)值的一半所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為截止波長(zhǎng)(c) ，它們表示著紅外傳感

7、器使用的波長(zhǎng)范圍。3.噪聲等效功率 如果投射到紅外傳感器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓，正好等于傳感器本身的噪聲電壓，則這個(gè)輻射功率就叫做“噪聲等效功率”。通常用符號(hào)“NEP”表示。 00/NVSNNEPUP AU UR 其中：Us為紅外探測(cè)器的輸出電壓；P0為投射到紅外敏感元件單位面積上的功率；A0 為紅外敏感元面積；UN為紅外探測(cè)器的綜合噪聲電壓；RV為紅外探測(cè)器的電壓響應(yīng)率。4.探測(cè)率 探測(cè)率是噪聲等效功率的倒數(shù)，即： 1VNDNEPRU 紅外傳感器的探測(cè)率越高，表明傳感器所能探測(cè)到的最小輻射功率越小，傳感器就越靈敏。 4.時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)表示紅外傳感器的輸出信號(hào)隨紅外輻射變化的速

8、率。 輸出信號(hào)滯后于紅外輻射的時(shí)間，稱(chēng)為傳感器的時(shí)間常數(shù)，在數(shù)值上為：12cf式中fc為響應(yīng)率下降到最大值的0.707（3dB）時(shí)的調(diào)制頻率。 熱傳感器的熱慣性和RC參數(shù)較大，其時(shí)間常數(shù)大于光子傳感器，一般為毫秒級(jí)或更長(zhǎng)；而光子傳感器的時(shí)間常數(shù)一般為微秒級(jí)。 6.比探測(cè)率 比探測(cè)率又叫歸一化探測(cè)率，或者叫探測(cè)靈敏度。實(shí)質(zhì)上就是當(dāng)傳感器的敏感元件面積為單位面積，放大器的帶寬f為1Hz時(shí)，單位功率的輻射所獲得的信號(hào)電壓與噪聲電壓之比。通常用符號(hào)D* 表示：0001*VNDfDffNEPRAAAU 由上式可知，比探測(cè)率與探測(cè)器的敏感元件面積和放大器的帶寬無(wú)關(guān)。當(dāng)要對(duì)不同探測(cè)器的性能進(jìn)行比較時(shí)就比較方

9、便。在一般情況下， D*越高，探測(cè)器的靈敏度就越高，性能就越好 紅外技術(shù)的應(yīng)用紅外技術(shù)的應(yīng)用 紅外探測(cè)器具有環(huán)境適應(yīng)性好，隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)，能在一定程度上識(shí)別偽裝的目標(biāo)，且設(shè)備體積小，重量輕，功耗少等特點(diǎn)。隨著紅外探測(cè)器的發(fā)展，其廣泛應(yīng)用到軍事和民用領(lǐng)域中。 軍用領(lǐng)域：紅外制導(dǎo)、紅外偵察、紅外夜視。 民用領(lǐng)域：車(chē)輛駕駛、安防報(bào)警。紅外制導(dǎo) 紅外制導(dǎo)是利用紅外探測(cè)器捕獲和跟蹤目標(biāo)自身輻射的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)尋的制導(dǎo)的技術(shù)。紅外制導(dǎo)技術(shù)是精確制導(dǎo)武器中一個(gè)十分重要的技術(shù)手段，分為紅外成像制導(dǎo)技術(shù)和紅外點(diǎn)源（非成像）制導(dǎo)技術(shù)兩大類(lèi)。 在各種精確制導(dǎo)體系中，紅外制導(dǎo)因其制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、隱蔽性好

10、、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代武器裝配發(fā)展中占據(jù)著重要的地位。紅外點(diǎn)源制導(dǎo) 紅外點(diǎn)源制導(dǎo)系統(tǒng)通常由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外探測(cè)器、制冷器、伺服機(jī)構(gòu)以及電子線路等組成。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、動(dòng)態(tài)范圍寬、響應(yīng)快。 缺點(diǎn)：抗干擾性差、制導(dǎo)不精確。 應(yīng)用：近距空空格斗彈、反坦克導(dǎo)彈， 及其他低成本、小型化導(dǎo)彈。紅外成像制導(dǎo) 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)一般由紅外攝像頭、圖像處理電路、圖像識(shí)別電路、跟蹤處理器和穩(wěn)定系統(tǒng)等組成。 優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)靈敏度高、空間分辨率高、探測(cè)遠(yuǎn)程小目標(biāo)和鑒別多目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別和命中點(diǎn)的選擇。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。 應(yīng)用：巡航導(dǎo)彈、反艦導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈等。響尾蛇空空導(dǎo)彈紅

11、旗15空空導(dǎo)彈紅外無(wú)損檢測(cè) 紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科、跨應(yīng)用領(lǐng)域的通用型實(shí)用技術(shù)，是一種創(chuàng)新性的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。國(guó)際上積極發(fā)展的新型數(shù)字化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬、非金屬及復(fù)合材料中存在的裂紋、脫粘等缺陷進(jìn)行檢測(cè)，具有非接觸、檢測(cè)面積大、速度快、在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。1965年，現(xiàn)代意義上的紅外成像技術(shù)逐步完善，由瑞典開(kāi)發(fā)研制的紅外熱像儀，在二戰(zhàn)中被用于軍事用途，隨后，紅外熱成像技術(shù)發(fā)展成為新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。 紅外無(wú)損檢測(cè)分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類(lèi)。 主動(dòng)式是人為地在被測(cè)物體上注入固定熱量，探測(cè)物體表面熱量或熱流的變化規(guī)律，并以此判斷物體的質(zhì)量。 被動(dòng)式是用物體自身的熱輻射作為輻射源，探測(cè)其輻射的強(qiáng)

12、弱或分布情況，判斷物體內(nèi)部有無(wú)缺陷。紅外無(wú)損檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)1)非接觸、非破壞2)速度快3)面積大5)操作簡(jiǎn)單6)適用面廣，金屬、非金屬、復(fù)合材料7)測(cè)量結(jié)果圖像顯示，直觀易懂8)定量測(cè)量紅外無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用 進(jìn)入21世紀(jì)，紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍變得更加廣泛，遍布工業(yè)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，在航空航天、機(jī)械、太陽(yáng)能、風(fēng)電、工業(yè)控制、交通運(yùn)輸、汽車(chē)制造等行業(yè)普遍采用，成為不可或缺的質(zhì)量保證手段。1)測(cè)航空/航天器鋁蒙皮加強(qiáng)筋開(kāi)裂與銹蝕,機(jī)身蜂窩結(jié)構(gòu)材料、碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)多 層復(fù)合材料缺陷的檢測(cè)、損傷判別與評(píng)估。2)火箭液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口絕熱層附著檢測(cè)。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的檢測(cè)。3)新材料(