关于红外传感器的调查报告

2014级应电1班 赵应全

   调查目的：进一步深入了解红外传感器的原理、类型、应用以及市场销售和发展前景。

   调查对象：各大红外传感器生产厂家

   调查方法：网上调查和网络查阅

   红外线传感器，顾名思义就是将红外辐射能转换成电能的光敏元件称为红外传感器，也常称为红外探测器。红外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，其中红外线又称红外光，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。红外传感器的种类很多，按照不同的机制可以分成不同的类别：

1、按照功能分：

(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，可产生整个目标的红外辐射的分布图像；

 (4)红外测距和通信系统；

 (5)混合系统，是指以各类系统中两个或多个的组合。

 2、按照工作原理分：

 (1)将红外线一部分变换成热，藉热取出电阻值变化和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。

红外传感器技术是近年来发展最快的技术之一，红外传感器目前已广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业、医学和民用等众多领域，起着不可替代的重要作用。

红外传感器的种类繁多，这里就简单说说我了解到的两种红外传感器原理，分别是热释电红外传感器和红外光电传感器。

1、热释电红外传感器的基本原理

 实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极。在环境温度有ΔT的变化时，由于有热释电效应，在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器也称为人体运动传感器。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可增加到10m左右。热释电红外传感器是一种具有极化现象的热晶体或称为“铁电体”，铁电体的极化强度(单位面积的电荷)与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出，输出信号的大小取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电红外传感器上时，传感器没有电信号输出，只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行交变辐射，不断地引起的温度变化，才能导致热释电产生，并传感器输出交变的信号。

2、红外光电传感器的基本原理 

红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路，红外光电传感器组成，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

红外线感应器的应用更是广泛，这里简单举几个我所了解到的例子。

1、红外测温仪

   红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。红外测温仪一般用于探测目标的红外辐射和测定其辐射强度，确定目标的温度。采用分理出所需波段的滤光片，可使仪器工作在任意红外波段。它的光学系统是一个固定焦距的透射系统，物镜一般为锗透镜，有效通光口径即作为系统的孔径光栏。滤光片一般采用只允许8~14μm的红外辐射能通过的材料。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，安装时保证其光敏面落在透镜的焦点上。步进电机带动调制盘转动对入射的红外辐射进行斩光，将恒定或缓变的红外辐射变换为交变辐射。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，变换为电信号输出，经过前置放大器进行阻抗转换及信号放大，最后送入信号处理器进行处理。除了采用这种透射式结构外，还可以采用反射式的光学系统。透射式光学系统的透镜式用红外光学材料制造的，根据红外波长选择光学材料。

2、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。

3、红外成像

   许多场合下，不仅需要知道物体表面的平均温度，还需要了解物体的温度分布情况，以便分析、研究物体结构，探测物体内部情况，因此需要采用红外成像技术，将物体的温度分布以图像形式直观的表示出来。常用的红外成像器件有红外变像管、红外摄像管及红外电荷耦合器件，可以组成各种形式的红外摄像仪。热成像的光学系统为全折射式。物镜材料为单晶硅，通过更换物镜可对不同距离和大小的物体扫描成像。光学系统中垂直扫描和水平扫描均采用具有高折射串的多面平行棱镜，扫描棱镜由电动机带动旋转，扫描速度和相位由扫描触发器、脉冲发生器和有关控制电路控制。前置放大器的红外探测器输出的微弱信号送入前置放大器，以抵消目标温度随环境温度变化引起的测量值的误差。前置放大器的增益可通过调整反馈电路进行控制。前置放大器的输出信号，经视频放大器放大，再去控制显像管屏上射线的强弱。由于红外探测器输出的信号大小与其所接收的辐照度成比例，因而显像荧屏上射线的强弱也随探测器所接受的辐照度成比例变化。

   2008年中国红外传感器的规模在900万只左右，河南炜盛占有53%的份额。2010年中国传感器行业传感器供给数量953万只，增长率15%左右，以后逐年递减，至2015年增长率在9%左右，达到1600万只左右。2014年全球红外传感器市场出货量为2.47亿套，销售额达到2.09亿美元。2010年全球售出的红外探测器数量达1.5亿只以上。据国外某研究机构预测，红外传感器全球销售额将会从2010年的1.52亿美元增长到2016年的2.86亿美元。而据美国市场研究公司ASDReports的一份研究报告预测，全球红外传感器市场规模到2024年将达到100亿美元，与2014年2.09亿美元的市场规模相比，其复合年增长率将达到3.22%。

红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔，我认为其发展趋势如下：

1、向高可靠性发展：红外传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性的红外传感器将是永久性的方向。在医学上，人体体温测试方面，红外传感器因测量的快速性而得到了相当的应用，但局限于其准确度不高而没办法取代现有的体温测量方法。因此，红外传感器高灵敏度及高性是其未来发展的必然趋势。

2、向微功耗及无源化发展：红外传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前，低功耗损的芯片发展很快，如T12702运算放大器，静态功耗只有1.5µA，而工作电压只需2～5V。

3、向智能化、数字化发展：随着现代化的发展，红外传感器的功能已突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号（如0～10mV），而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器。目前的红外传感器主要结合外围设备来使用，而内置微处理器，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。维护简单等各种优点，使其能够单独作为一个模块工作。

4、向微型化发展：传感器微型化一个必然趋势。现在应用中，由于红外传感器的体积问题，导致其使用程度远不如热电隅来的好。所以红外传感器微型化便携与否对其发展前途的影响是不可忽略的。

虽然现阶段的红外传感器还有很多的不足，但红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度，也将有更广阔的应用范围。