Question

红外线传感器的工作原理

如题

Answer 1

红外线传感器原理 红外线传感器依动作可分为：
(1) 将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。
(2) 利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN 接合之光电动势效果的量子型。
热型的现象俗称为焦热效应，其中最具代表性者有测辐射热器 (Thermal Bolometer)，热电堆(Thermopile)及热电(Pyroelectric)元件。热型及量子型的一般特征如表1 所示，在此仅就热型之热电型红外线传感器加以说明。 优点 缺点 热型 常温动作 波长依存性(波长不同 感度有很大之变化者) 并不存在 便宜 感度低 响应慢(mS 之谱) 量子型 感度 高 响应快速(μS 之谱) 必须冷却(液体氮气) 有波长依存性 价格偏高 表1 红外线热型、量子型比较此传感器特别是利用远红外线范围的感度做为人体检出用，如图1所示红外线的波长比可见光长而比电波短。红外线让人觉得只由热的物体放射出来，可是事实上不是如此，凡是存在于自然界的物体，如人类、火、冰等等全部都会射出红外线，只是其波长因其物体的温度而有差异而已。例如图1 中，人体的体温约为36～37℃，所放射出峰值为9～10μm的远红外线，另外加热至400～700℃的物 体，可放射出峰值为3～5μm 的中间红外线。

图1 温度不同红外线波长的差异
红外线传感 器系可以检出这些物体所发射之各种红外线(温度)的感知器。

特征
热电型红外线传感器系利用热电效果，其材料则使用强介质陶 瓷体 (Dielectric Ceramic)，钽酸锂(LiTaO3)等单结晶及PVDF 等有机材料，
热电型红外线传感器具有下列几项特 征：
(1) 由于系检知从物体放射出出来的红外线，所以不必直接接触就能够感知物体表面的温度，故人体检知以及移动中物体的温度当然均能以非接触之方式测得。
(2) 热电型红外线传感器系接受检知对象物所发出的红外线，因此是被动型[请参照图2(a)]，由于不是图(b)所示的主动型，所以并不需要校对投光器、受光器 之光轴等烦琐的作业。

(a)被动 型 (b)主动型
图 2人体检知的方法(3) 热电效果系温度变化而产生的，这将在稍后说明之，因此只接受因温度变化之能量(Energy)，而热电型红外线传感器将电压微分而输出之。

原 理
首先介绍热电效果，如图3 所示，感知组件系使用PZT(钛酸锆酸铅系陶瓷体)强介质陶瓷体，在感知组件施加高压电(3KV～5KV/mm)
而 分极之，藉这种方法，组件表面显现的正负电荷会和空气中相反之电荷结合而呈电气中和状，如图2-24 所示。当组件的表面温度变化时，
感知组件 分极的大小会随着温度变化而变化，因此稳定时之电荷中和状态就崩溃，而感知组件表面电荷与吸着杂散电荷的缓和时间不同，所以会形成电气上的不平衡，而产生没有配对的电荷，如图3(b)所示。

像这种因温度变化而产生电荷的现象称为热电效果，设若产生之电荷为Δθ，温度变化为ΔＴ，则 Δθ／ΔＴ＝λ(库仑／℃)，就是热电
系数。实际上的传感器到底是如何利用热电效果呢？请参考传感器内部构造及本文之解说，图4 所示系热电型红外线传感器的构造。

(a)稳定时 (T)K (b)温度刚变化之后(T+ΔT)K
图3热电型红外线传感器的原理
图4 热电型红外线传感器的内部构造
(1) 各种波长的红外线射入传感器。
(2) 组件顶端之入射窗以滤光镜(Filter)覆盖着，只让必要的红外线通过，而将不要的红外线隔绝。
(3) 位于感知组件表面的热吸收膜会将红外线变换成热。
(4) 感知组件的表面温度上升，因热电效果之故，就产生表面电荷。
(5) 产生的表面电荷以FET 放大且变换阻抗。
(6) 从漏极(Drain)供给FET 动作所需的电压。
(7) 放大后的电气信号会于外部所接的源极 ─ 地端之电阻上显现出来，而与偏压重迭之后取出。 应 用：
(1) 可作为入侵警报器(Intrusion detector)。
(2) 移动侦测器(Motion sensing)。
(3) 自动照明(Automatic light control)。
(4) 自动门控制(Automatic door control)。特 性: 项 目 最小典型 最 大单位 测试条件 检验型式 双组件型 响 应 2300 2800 3300 V/W 8~14μm/1Hz 噪 音 25℃/.3~10Hz 飘移电压 0.2 0.6 1.5 V Rs=47KΩ 输出阻抗 10 KΩ 操作温度 -40~70 ℃ ΔT<5℃/min 操作电压 3 15 V 直流 操作电流 4 20 50 μA 使 用注意
(1) 使用聚热组件时如CMOS等，应防止静电感应破坏组件。
(2) 避免使用于温度改善在3℃／分(3℃／minute)以上之场所。
(3) 仅量避免手指接触传感器之侦测壁，必要时可用棉花沾酒精擦拭。应 用电路：人体焦耳式体温感测
焦耳式体温传感器，由于静电效应输出阻抗很高，因此基板之一侧连接一FET 作为阻抗匹配的电压随耦器，工作时需加直流于D极和S 极。
当人体接近感知器时，在源极(S)端感应一脉冲信号，送至运算放大器做一正向放大 器。调整VR1MΩ，可改变输出的放大倍数。

Answer 2

拿下图所示的一款红外线传感器举例，功能为检测与障碍物之间的距离是否达到设定的阈值：

红外线靠近检测传感器模块

障碍物距离较远时，传感器模块上的LED灯熄灭，并对外输出相应电平信号，见下图：

障碍物距离较近时，传感器模块上的LED灯亮起，并对外输出相应电平信号，见下图：

详细分析可参考文章《红外线靠近检测电路》。

Answer 3

Answer 4

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。
红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。
红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等。