紅外傳感器 教案

課題項目：光電式傳感器任務二：紅外傳感器課程名稱傳感器基礎知識講課類型新授班級11級電子太陽能技術（青海班）日期、5、22、23課時4教學目的知識目的：掌握紅外線演示器的安裝與調(diào)試，理解紅外傳感器應用電路能力目的：紅外線演示器的安裝與調(diào)試情感目的：認識紅外感器分類和安裝特性教學重點紅外線演示器的安裝與調(diào)試教學難點紅外線演示器的安裝與調(diào)試教學措施講述法，實踐操作法；練習法課前準備電阻器，發(fā)光二極管，電烙鐵，導線，萬用表，萬能電路板，教學后記及改善措施、紅外傳感器紅外線傳感器是運用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。在物理學中，我們已經(jīng)懂得可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差異只是波長(或頻率)的不一樣而已。近年來，紅外輻射技術已成為一門發(fā)展迅速的新興學科。它已經(jīng)廣泛應用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學等各個領域。一、.紅外輻射的產(chǎn)生及性質(zhì)1、紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。但實際上它和其他任何光線同樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度，就有紅外線向周圍空間輻射2、它的波長范圍大體在0.76～1000μm，工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。相對應的頻率大體在4×1014-3×1011Hz之間紅外線與可見光、紫外線、X射線、γ射線和微波、無線電波一起構成了整個無限持續(xù)的電磁波譜。紅外分區(qū)：在紅外技術中，一般將紅外輻射分為4個區(qū)域近紅外區(qū):770nm~1.5μm中紅外區(qū):1.5μm~6μm遠紅外區(qū):6μm~40μm極遠紅外區(qū):40μm~1000μm3、紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉動及振動而產(chǎn)生的。此類振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度(-273.16℃)時，一切物體的分子才會停止運動。因此在絕對零度時，沒有一種物體會發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機、動植物甚至人體等都是紅外輻射源。紅外光的本質(zhì)與可見光或電磁波性質(zhì)同樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸取等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。但它的特點是熱效應非常大，紅外線在真空中傳播的速度c=3×108mI為通過厚度為x的介質(zhì)后的通量；I0為射到介質(zhì)時的通量；e為自然對數(shù)的底；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關的常數(shù)。金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過紅外線；大多數(shù)的半導體材料及某些塑料能透過紅外線；液體對紅外線的吸取較大，例如厚l(mm)的水對紅外線的透明度很小，當厚度到達lcm時，水對紅外線幾乎完全不透明了；氣體對紅外輻射也有不一樣程度的吸取，例如大氣(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不一樣程度的吸取，它對波長為1～5μm，8～14μm之間的紅外線是比較透明的，對其他波長的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會引起對紅外輻射的散射。實踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長。由此在工業(yè)上和軍事上根據(jù)需要有選擇地接受某一范圍的波長，就可以到達測量的目的。4、紅外輻射和所有電磁波同樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時，大氣層對不一樣波長的紅外線存在不一樣的吸取帶，紅外線氣體分析器就是運用該特性工作的，空氣中對稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸取紅外線。而紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個波段對紅外探測技術尤其重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個波段（大氣窗口）之內(nèi)紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜多種單色光的熱效應從紫色光到紅色光是逐漸增大的，并且最大的熱效應出目前紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。波長在0.1—1000μm之間的電磁波被物體吸取時，可以明顯地轉變?yōu)闊崮?。可見，載能電磁波是熱輻射傳播的重要媒介物。紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中的氣體分子、水蒸汽以及固體微粒、塵埃等物質(zhì)的吸取和散射作用，使輻能在傳播過程中逐漸衰減?？諝庵袑ΨQ的雙原于分子，如N2，H2，O2不吸取紅外輻射，因而不會導致紅外輻射在傳播過程中衰減。5、紅外幅射源當物體溫度高于絕對零度時，均有紅外線向周圍空間輻射出來根據(jù)輻射源幾何尺寸的大小，距探測器的遠近，又分為點源和面源點源(沒有充斥紅外光學系統(tǒng)瞬時視場的大面源叫做點源)面源(一般狀況下，把充斥紅外光學系統(tǒng)瞬時視場的大面輻射源叫做面源)二、紅外傳感器紅外線探測器即為紅外線傳感器，它是一種能探測紅外線的器件。從近代測量技術角度來看，能把紅外輻射轉換成電量變化的裝置，稱之為紅外探測器。紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示單元等構成。紅外探測器是紅外傳感器的關鍵。紅外探測器是運用紅外輻射與物質(zhì)互相作用所展現(xiàn)的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類諸多，按探測機理的不一樣，分為熱探測器和光子探測器兩大類。1紅外探測器的分類按其工作原理可分為兩類：熱敏探測器和光子探測器紅外探測器紅外線電信號熱傳感器熱效應光子傳感器光電效應2、光電探測器A、光電探測器是指由輻射引起被照射材料電導率變化的一種物理現(xiàn)象。光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段重要用于射線測量和探測、工業(yè)自動控制、光度計量等；在紅外波段重要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導體的另一應用是用它做攝像管靶面。為了防止光生載流子擴散引起圖像模糊，持續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采用鑲嵌靶面的措施，整個靶面由約10萬個單獨探測器構成。、B、工作原理光電探測器的工作原理是基于光電效應，熱探測器基于材料吸取了光輻射能量后溫度升高，從而變化了它的電學性能，它區(qū)別于光子探測器的最大特點是對光輻射的波長無選擇性。光電子發(fā)射器件：光電管與光電倍增管是經(jīng)典的光電子發(fā)射型（外光電效應）探測器件。其重要特點是敏捷度高，穩(wěn)定性好，響應速度快和噪聲小，是一種電流放大器件。尤其是光電倍增管具有很高的電流增益，尤其適于探測微弱光信號；但它構造復雜，工作電壓高，體積較大。光電倍增管一般用于測弱輻射并且響應速度規(guī)定較高的場所，如人造衛(wèi)星的激光測距儀、光雷達等。光電導器件：運用品有光電導效應的半導體材料做成的光電探測器稱為光電導器件，一般叫做光敏電阻。在可見光波段和大氣透過的幾種窗口，即近紅外、中紅外和遠紅外波段，均有合用的光敏電阻。光敏電阻被廣泛地用于光電自動探測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導彈制導、紅外光譜系統(tǒng)等。3、熱敏探測器熱敏探測器是運用紅外輻射的熱效應制成的，它采用熱敏元件。熱敏探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低，對應時間長。熱敏探測器的重要長處是響應波段寬，響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域，可以在室溫下工作，使用以便，應用仍相稱廣泛。熱敏探測器的重要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測器。熱敏電阻紅外探測器（a）構造；（b）橋式測量電路熱敏電阻型紅外傳感器是由錳、鎳、鈷的氧化物混臺后燒結而制成。熱敏電阻一般制成薄片狀，當紅外輻射照射在熱敏電阻片上，其溫度升高，電阻值減小。測量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射紅外輻射的強弱，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射物體的溫度。電阻隨溫度變化的規(guī)律 熱敏電阻的溫度系數(shù)正溫度系數(shù)負溫度系數(shù)4、熱敏探測器的重要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測器熱釋電效應：若使某些強電介質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。熱釋電傳感器：紅外輻射熱（溫度）電荷熱釋電型紅外探測器是根據(jù)熱釋電效應制成的，即電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應。用此效應制成的“鐵電體”，其極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關。當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時引起薄片溫度升高，使其極化強度減少，表面電荷減少，這相稱于釋放一部分電荷，因此叫做熱釋電型傳感器。假如將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產(chǎn)生一種電信號輸出。輸出信號的強弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反應出入射的紅外輻射的強弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應率正比于入射光輻射率變化的速率。5、熱釋電型傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強度(單位面積上的電荷)與溫度有關。幾點注意當恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時，傳感器沒有電信號輸出。只有鐵電體溫度處在變化過程中，才有電信號輸出。必須對紅外輻射進行調(diào)制（或稱斬光），使恒定的輻射變成交變輻射，不停引起傳感器的溫度變化，才能導致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號6、紅外探測和遙控發(fā)射，接受系統(tǒng)的構成紅外探測器是由光學系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調(diào)制器等構成。按光學系統(tǒng)的構造，紅外探測器可分為透射式和反射式兩類。紅外傳感器按其應用可分為如下幾種方面：①紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量；②搜索和跟蹤系統(tǒng)，可用于搜索和跟蹤紅外目的，確定其空間位置并對其運動進行跟蹤③熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目的紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；④紅外測距和通信系統(tǒng)⑤混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多種的組合應用一、紅外測溫儀1、紅外測溫儀是運用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000℃他是光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)。圖中的光學系統(tǒng)是一種固定焦距的透視系統(tǒng)，濾光片一般采用只容許8~14um的紅外輻射能通過的材料。步進電機