红外线传感器

红外线传感器概述

红外线传感器探查并测量波长在可见红光“以下”的辐射（“infra”即拉丁语“以下”的意思）。红外线传感器不仅探测运动，还可测量物体发出的热量程度：红外辐射即热辐射。

仅接收红外线而自身不产生任何热辐射的传感器称为被动式（passive infrared，PIR）探测器，通常设置于建筑的外部通道并用于开关照明设施，为进入黑暗环境的人照明道路和门廊。当连接至报警系统时，它们起到向建筑物保安系统发送入侵者警报的作用。

该传感器通常通过位于装置前端的孔径接收红外射线，而用于解析和测量的传感器本身则位于装置的中央。事实上一个单独的装置中可设有若干传感器，其由响应有无热存在的变化而发生电压变化的“热电”材料制造而成。

通常地，当热电物质表面在其视界范围内的某一区域识别出热源时，其将通过电路板上的线路发射信号从而触发警报，其中热电物质置于该电路板上并由此封装进入运动探测器。这类传感器广泛用于保安系统。

 

发展史

生于德国的天文学家威廉•赫歇尔在 1800 年研究日光构成时发现在可见红光之外存在辐射。早期红外线探测器最初被用作温度计的组成部件。而在 1831 年，意大利物理学家马其顿•梅洛尼设计出了探测距离仪器十米之遥的人体发出热量的多元件温差电偶。在 1913 年，正当公众对 1912 年泰坦尼克号沉没的伤痛仍然记忆犹新之时，一种反光镜及温差电偶式的装置被开发出来，用于远洋船舶探测其他船只和冰山的存在。一年后又发明了不带温差电偶的红外线冰山探测器，且在 1934 年，同样的技术又用于探测林火的存在。

1947 年，美国军队与德州仪器（Texas Instrument）开始共同开发红外线传感器，使其用于红外线摄像机，这一进程在 1950-53 年朝鲜战争期间加快了步伐。直至 20 世纪七十年代，该项技术突飞猛进，震撼人心的高性能热电扫描摄像机此时已经变得司空见惯。

今天，“智能传感器”代表了红外线传感器技术的最前沿。它们不仅能感应红外线，还可将高速数字计算机技术整合到传感器中从而进行处理及解析。它们为医学中的机能诊断学、车辆防撞及导航系统的新发展铺平了道路。

 

技术现状

当红外辐射从 0.7 微米延伸至 1000 微米时，测温范围则限于 0.7 至 14 微米。典型的红外线传感器包含五个必要组件。首先，在能够自行产生热辐射的主动式传感器中，红外光源被设定为任何温度在 0º 开氏温度以上的物体（所有此类物体都发射红外射线）。通常，特殊的红外波长、发光二极管（LED）或红外线雷射（IR laser）在这些传感器中均用作红外光源。

其次，无论是主动式还是被动式红外线传感器都需要一种传输媒质。红外传输主要通过三种媒质发生：大气、真空以及光导纤维。在大气中，水蒸气、二氧化碳和大气中的微量元素都会影响红外传输，因为每种物质的分子都会吸收辐射。未被吸收的红外线波长称为红外窗口，这是远程热传感器装置及热成像应用程序主要利用的红外光谱部分。

对于合并至热成像装置中的传感器，红外射线必须通过作为第三组件的光学透镜进行会聚。该第三组件通常由氟化钙、石英、聚乙烯菲涅耳、锗或硅制造而成，并与由金或铝制造的反光镜一同整合到传感器中。

红外线传感器的第四必要组件是红外探测物质本身，其必须符合红外光敏性规范。其又称为红外线“敏感度”，以入射能量每瓦特电流的输出电压为分子进行计算。值越高，物质的红外探测性能就越好。“探测能力”或“D*”（D-星号）是探测物质的另一重要规范，是探测器每单位面积的光敏性度量值。红外线探测器的设计目的还有捕捉红外光谱的不同谱段，而且在不同热环境中必须稳定，并在测量红外线时显示完好的线性度（即，测量必须精确并成比例地反应所接收红外射线的量和类型）。装置响应时间和冷却机制也是重要的参数。

最后，由于传感器的输出通常都异常地小，还需进行信号处理或信号增强：这通常由前置放大器来实现，所述前置放大器可增强从探测器接收到的信号。

 

红外线传感器在制造业的应用领域

除了军事/监控/保安领域的用途以及医疗及兽医领域的温度记录，红外线传感器还在工业机械和电气设备中用作早期故障报警系统，及用于车辆制造及多种生产流程中的质量控制。

 

红外线传感器与其他传感器的区别

许多传感器都测量电磁辐射，但热红外传感器却将其探查及测量范围限于可视红光之外特定范围的射线：即波长范围 0.7 至 14 微米的射线。