紅外傳感器的工作原理及特性

紅外線是一種人類(lèi)肉眼看不見(jiàn)的光，所以，它具有光線的所有特性，所有高于絕對(duì)零度即－273℃的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。根據(jù)紅外線的特性，紅外線被應(yīng)用于多種傳感器中，比如紅外溫濕度傳感器、人體紅外探測(cè)器等等。紅外傳感器也根據(jù)發(fā)出方式和能量轉(zhuǎn)換方式分為不同的類(lèi)型。下面，讓我們具體了解一下不同紅外傳感器的工作原理及特性。

根據(jù)發(fā)出方式不同，紅外傳感器可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種。

一、主動(dòng)紅外傳感器

主動(dòng)紅外傳感器的發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束，被紅外接收機(jī)接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當(dāng)遇到樹(shù)葉、雨、小動(dòng)物、雪、沙塵、霧遮擋則不應(yīng)報(bào)警，人或相當(dāng)體積的物品遮擋將發(fā)生報(bào)警。

主動(dòng)紅外探測(cè)器技術(shù)主要采用一發(fā)一收，屬于線形防范，現(xiàn)在已經(jīng)從最初的單光束發(fā)展到多光束，而且還可以雙發(fā)雙受，最大限度的降低誤報(bào)率，從而增強(qiáng)該產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可靠性。

由于紅外線屬于環(huán)境因素不相干性良好（對(duì)于環(huán)境中的聲響、雷電、振動(dòng)、各類(lèi)人工光源及電磁干擾源，具有良好的不相干性）的探測(cè)介質(zhì)；同時(shí)也是目標(biāo)因素相干性好的產(chǎn)品（只有阻斷紅外射束的目標(biāo)，才會(huì)觸發(fā)報(bào)警），所以主動(dòng)式紅外傳感器將會(huì)得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

二、被動(dòng)紅外傳感器

被動(dòng)紅外傳感器是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線來(lái)進(jìn)行工作的。傳感器收集外界的紅外輻射進(jìn)而聚集到紅外傳感器上。紅外傳感器通常采用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發(fā)出變化時(shí)就會(huì)向外釋放電荷，檢測(cè)處理后產(chǎn)生報(bào)警。

這種傳感器是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以輻射敏感元件對(duì)波長(zhǎng)為10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。為了對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

被動(dòng)紅外傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電元幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。

一旦入侵人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡而聚焦，從而被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。被動(dòng)紅外傳感器被廣泛的應(yīng)用在人體紅外探測(cè)器中。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式的不同，紅外線傳感器又可分為光子式和熱釋電式兩種。

一、光子式紅外傳感器

光子式紅外傳感器是利用紅外輻射的光子效應(yīng)而進(jìn)行工作的傳感器。所謂光子效應(yīng)，是指當(dāng)有紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，從而引起各種電學(xué)現(xiàn)象。

通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體材料中電子性質(zhì)的變化，就可以知道相應(yīng)紅外輻射的強(qiáng)弱。光子探測(cè)器類(lèi)型主要有內(nèi)光電探測(cè)器、外光電探測(cè)器、自由載流子式探測(cè)器、QWIP量子阱式探測(cè)器等。

光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但缺點(diǎn)是探測(cè)波段較窄，一般工作于低溫（為保持高靈敏度，常采用液氮或溫差電制冷等方式，將光子探測(cè)器冷卻至較低的工作溫度）。

二、熱釋電式紅外傳感器

熱釋電式紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)引起元件本身的溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)某些參數(shù)的檢測(cè)的，其探測(cè)率、響應(yīng)速度都不如光子型傳感器。

但由于其可在室溫下使用，靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，所以應(yīng)用領(lǐng)域很廣。利用鐵電體熱釋電效應(yīng)的熱釋電型紅外傳感器靈敏度很高，獲得了廣泛應(yīng)用。

熱釋電效應(yīng)某些絕緣物質(zhì)受熱時(shí)，隨著溫度的上升，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)在近十年被用于熱釋電紅外傳感器中。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。熱電元件常用的材料有單晶、壓電陶瓷及高分子薄膜等。

熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器由以下四個(gè)主要部分構(gòu)成：

①構(gòu)成電路的鋁基板、場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）；

②具有熱釋電效應(yīng)的陶瓷材料；

③ 限制入射紅外波長(zhǎng)的窗口材料；

④ 外殼TO—5型管帽和管座。

由于探測(cè)器元件單獨(dú)使用時(shí)，存在著探測(cè)距離較短、獲得的信號(hào)后續(xù)電路不易處理的不足，所以目前多選用紅外組合件來(lái)探測(cè)。紅外組合件由熱釋電紅外傳感器、透鏡、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路和密封管殼構(gòu)成。透鏡可以擴(kuò)大探測(cè)范圍，提高測(cè)量的靈敏度；測(cè)量轉(zhuǎn)換電路可以完成濾波、放大等信號(hào)處理過(guò)程；密封管殼能防止因外界噪聲引起的錯(cuò)誤動(dòng)作。這種組合件體積小、成本低、功能多樣，所以應(yīng)用較為廣泛。