Принцип работы и применение инфракрасных датчиков

Каталог

I Введение

Любой объект во Вселенной может излучать инфракрасное излучение до тех пор, пока его температура превышает ноль градусов. На самом деле, как и видимый свет, его излучение может преломляться и отражаться, что позволяет воплотить в жизнь инфракрасную технологию.

Сегодня, с развитием технологий, автоматическое управление и обнаружение играют все более важную роль в промышленном контроле и повседневной жизни людей, а датчик является важным компонентом автоматического управления и системы сбора информации. Датчик преобразует измеряемую величину в сигнал, подходящий для передачи или обнаружения (обычно электрический сигнал), а затем использует компьютер или схемотехническое оборудование для обработки сигнала, выдаваемого датчиком, для достижения автоматического управления. Поскольку время реакции датчика, как правило, относительно невелико, промышленным производством можно управлять в режиме реального времени с помощью компьютерной системы.

Инфракрасный датчик - это распространенный тип датчика. Инфракрасные датчики используются для обнаружения инфракрасного излучения, и любой объект в природе будет излучать инфракрасную энергию наружу, пока она выше абсолютного нуля, поэтому они очень практичны. Кроме того, на основе инфракрасных датчиков можно разработать множество практичных сенсорных модулей, таких как инфракрасный термометр, инфракрасный тепловизор, инфракрасная сигнализация, система автоматического управления дверью и т.д.

Инфракрасные датчики используют физические свойства инфракрасного излучения для измерения. Инфракрасное излучение обладает свойствами отражения, преломления, рассеяния, интерференции, поглощения и так далее. Это невидимый свет, и его спектр лежит за пределами красного в видимом свете, поэтому он называется инфракрасным светом.

Инфракрасное излучение

II Рабочие параметры инфракрасных датчиков

1. реакция напряжения

Когда (модулированное) инфракрасное излучение попадает на чувствительную поверхность датчика, отношение выходного напряжения к входной мощности инфракрасного излучения называется скоростью реакции напряжения, обозначаемой как RV. В формуле:

Us: выходное напряжение инфракрасного датчика

P0: мощность на единицу площади, проецируемая на чувствительный к инфракрасному излучению элемент

A: площадь чувствительного элемента инфракрасного датчика

2. Диапазон Длиноволновой реакции

Кривая 1: Кривая скорости реакции термоэлектрического датчика на напряжение (не имеет отношения к длине волны).

Кривая 2: Кривая скорости реакции фотонного датчика на напряжение.

(1) Диапазон длин волн реакции (или спектральный отклик) представляет собой соотношение между скоростью реакции датчика на напряжение и длиной волны падающего инфракрасного излучения, которое обычно представлено в виде кривых на приведенном выше рисунке.

(2) Длина волны, соответствующая максимальной скорости реакции, обычно называется пиковой длиной волны.

(3) Длина волны, соответствующая скорости реакции, падающей до половины значения реакции, называется длиной волны отсечки, которая представляет диапазон длин волн, используемый инфракрасным датчиком.

3. Эквивалентная мощность шума (NEP)

Если выходное напряжение, генерируемое излучаемой мощностью, проецируемой на чувствительный элемент инфракрасного датчика, в точности равно напряжению шума самого датчика, то эта излучаемая мощность называется "эквивалентной мощности шума", обычно обозначаемой как "NEP".

Среди них:

Us: выходное напряжение инфракрасного детектора;

P0: мощность, проецируемая на единицу площади чувствительного к инфракрасному излучению элемента.;

A0: площадь чувствительного к инфракрасному излучению элемента;

ООН: общее шумовое напряжение инфракрасного датчика;

RV: скорость реакции инфракрасного датчика на напряжение.

4.Обнаруживаемость

Обнаруживаемость является обратной величиной эквивалентной мощности шума, а именно:

Чем выше чувствительность инфракрасного датчика, тем меньше минимальная мощность излучения, которую может обнаружить датчик, и тем чувствительнее датчик.

5. Специфическая обнаруживаемость

Специфическая детектируемость также называется нормализованной детектируемостью. По сути, это отношение напряжения сигнала к напряжению шума, полученному излучением единичной мощности, когда площадь чувствительного элемента датчика равна единичной площади, а полоса пропускания Δf усилителя составляет 1 Гц, обычно обозначаемая символом D*.

Физическое измерение D*:

6. Констат времени

Постоянная времени указывает скорость, с которой изменяется выходной сигнал инфракрасного датчика при изменении инфракрасного излучения.

Время, в течение которого выходной сигнал отстает от инфракрасного излучения, называется постоянной времени датчика, численно:

fc - это частота модуляции, когда частота реакции падает до 0,707 (3 дБ) от максимального значения.

Термодатчик обладает большой тепловой инерцией, параметрами RC. Его постоянная времени больше, чем у фотонного датчика, которая обычно составляет порядка миллисекунд, в то время как постоянная времени фотонного датчика обычно составляет порядка микросекунд.

III Основной закон инфракрасного излучения

1. Закон Кирхгофа

При определенной температуре отношение потока излучения W на единицу площади наземного объекта к скорости поглощения является постоянным для любого объекта, которое равно потоку излучения W абсолютно черного тела той же площади при этой температуре. При данной температуре коэффициент излучения = скорости поглощения (та же полоса). Это означает, что чем больше скорость поглощения, тем больше излучательная способность.

Интенсивность теплового излучения наземного объекта пропорциональна четвертой степени температуры. Следовательно, небольшое изменение температуры вызовет значительное изменение энергии инфракрасного излучения. Эта особенность составляет теоретическую основу инфракрасного дистанционного зондирования.

Общий поток излучения абсолютно черного тела быстро увеличивается с повышением температуры, которая пропорциональна четвертой степени температуры. Следовательно, небольшое изменение температуры приведет к значительному изменению плотности потока излучения. Это теоретическая основа инфракрасного устройства для измерения температуры.

2. Закон Больцмана

Общий поток излучения абсолютно черного тела быстро увеличивается с повышением температуры, которая пропорциональна четвертой степени температуры. Следовательно, небольшое изменение температуры приведет к значительному изменению плотности потока излучения. Это теоретическая основа инфракрасного устройства для измерения температуры.

3. Закон смещения Вина

По мере повышения температуры пиковая длина волны максимального излучения смещается в коротковолновом направлении.

IV Классификация и принцип работы 

Инфракрасные датчики можно разделить на тепловые датчики и фотонные датчики.

1. Тепловые Датчики

Тепловой детектор поглощает всю энергию падающего излучения различных длин волн. Он использует тепловой эффект излучения, чтобы вызвать повышение температуры, когда элемент обнаружения получает лучистую энергию, что, в свою очередь, изменяет свойства детектора, связанные с температурой. Обнаружив изменение одного из этих свойств, мы также можем обнаружить излучение.

Основными типами тепловых датчиков являются термочувствительный тип датчика, тип термопары, тип ячейки Голея и пироэлектрический тип.

(1) Термисторные Датчики

Термистор изготовлен из смешанных оксидов марганца, никеля и кобальта после спекания. Термистор обычно изготавливается в виде тонкого листа. Когда инфракрасное излучение попадает на термистор, его температура повышается, а значение сопротивления уменьшается. Измеряя изменение сопротивления термистора, мы можем получить интенсивность падающего инфракрасного излучения, чтобы можно было определить температуру объекта.

(2) Датчики термопары

Термопары состоят из двух материалов с большой разницей в термоэлектрической мощности. Когда инфракрасное излучение попадает на соединение замкнутого контура, образованного этими двумя металлическими материалами, температура соединения повышается. Другой переход, который не облучается инфракрасным излучением, находится при более низкой температуре. В то же время в цепи генерируются термоэлектрический ток и термоэлектрическая сила. Величина термоэлектрического тока отражает интенсивность инфракрасного излучения, поглощаемого контактом. Инфракрасный датчик, созданный с помощью явления термоэлектрической силы, называется инфракрасным датчиком термопарного типа. Из-за его большой постоянной времени и плохих динамических характеристик частота модуляции должна быть ограничена ниже 10 Гц.

(3) Ячейка Голея

Когда газ поглощает инфракрасное излучение, его температура повышается, а объем увеличивается. Используя эту характеристику газа, ячейка Голея может отражать интенсивность инфракрасного излучения. Ячейка Golay имеет воздушную камеру, соединенную с гибким листом через небольшую трубу. Сторона листа, удаленная от трубы, представляет собой зеркало. К передней части воздушной камеры прикреплена поглощающая пленка, представляющая собой тонкую пленку с низкой теплоемкостью.

Инфракрасное излучение попадает на поглощающую пленку через окно, и поглощающая пленка передает поглощенную тепловую энергию газу, повышая температуру газа и давление воздуха, тем самым перемещая гибкое зеркало. На другой стороне камеры луч видимого света фокусируется на гибком зеркале через сетчатую диафрагму, и сетчатое изображение, отраженное гибким зеркалом, проецируется на фотоэлемент через диафрагму.

Когда гибкое зеркало перемещается из-за изменения давления, будет происходить относительное смещение между сетчатым изображением и сетчатым лучом, так что количество света, падающего на фотоэлемент, изменяется, и выходной сигнал фотоэлемента также изменяется. Это изменение отражает интенсивность падающего инфракрасного излучения.

Ячейка Golay характеризуется высокой чувствительностью и стабильной производительностью. Однако он имеет длительное время реакции, сложную структуру и низкую интенсивность, поэтому подходит только для лаборатории.

Схема ячейки Голея

(4) Пироэлектрические Датчики

Пироэлектрический датчик представляет собой разновидность термокристалла или "сегнетоэлектрика" с явлением поляризации. Сила поляризации (заряды на единицу площади) сегнетоэлектриков связана с температурой. Когда инфракрасное излучение попадает на поверхность сегнетоэлектрического листа, который был поляризован, температура листа будет увеличиваться, уменьшая интенсивность поляризации и количество зарядов на поверхности. Это эквивалентно высвобождению части заряда, поэтому он называется пироэлектрическим датчиком.

Если нагрузочный резистор подключен к сегнетоэлектрическому листу, на нагрузочном сопротивлении будет генерироваться выходной электрический сигнал. Величина выходного сигнала зависит от скорости изменения температуры листа, которая отражает интенсивность падающего инфракрасного излучения.

Можно видеть, что скорость реакции пироэлектрического инфракрасного датчика на напряжение пропорциональна скорости изменения падающего излучения. Датчик не имеет выходного электрического сигнала, когда постоянное инфракрасное излучение поступает на пироэлектрический датчик. Только при изменении температуры сегнетоэлектрика будет выдаваться электрический сигнал. Следовательно, инфракрасное излучение должно быть модулировано, чтобы превратить постоянное излучение в переменное излучение, непрерывно изменяя температуру, чтобы заставить пироэлектричество генерировать переменный выходной сигнал.

Работа пироэлектрического датчика

2. Фотонные Датчики

Инфракрасный датчик, изготовленный с использованием фотонного эффекта, является фотонным датчиком. Фотонные датчики используют некоторые полупроводниковые материалы для создания фотонного эффекта под действием падающего света, изменяя электрические свойства материалов. Измеряя изменения электрических свойств, мы можем узнать интенсивность инфракрасного излучения.

Фотонный датчик обладает высокой чувствительностью, высокой скоростью отклика и высокой частотой отклика. Однако, как правило, требуется работать при низких температурах, а полоса обнаружения относительно узкая.

В соответствии с принципом работы фотонного датчика его обычно можно разделить на два типа: внутренний фотоэлектрический датчик и внешний фотоэлектрический датчик. Последний подразделяется на фотопроводящий датчик, фотоэлектрический датчик и фотомагнитоэлектрический датчик.

(1) Внешние Фотоэлектрические Датчики

Когда свет излучается на поверхность некоторых материалов, если энергия фотонов падающего света достаточно велика, электроны материала могут покинуть поверхность. Это явление называется внешним фотоэлектрическим эффектом или эффектом фотоэлектронной эмиссии. Фотодиоды и фотоумножители являются типичными типами внешних фотоэлектрических датчиков.

Внешние фотоэлектрические датчики имеют высокую скорость отклика, обычно всего несколько наносекунд. Однако выход электронов требует большой энергии фотонов и подходит только в диапазоне ближнего инфракрасного излучения или видимого света.

(2) Фотопроводящие Датчики

Когда инфракрасное излучение воздействует на поверхность некоторых полупроводниковых материалов, некоторые электроны и дырки в полупроводниковом материале могут быть переведены из непроводящего ограниченного состояния в проводящее свободное состояние, что увеличивает проводимость полупроводника. Это явление называется фотопроводящим явлением, а датчики, изготовленные с использованием фотопроводящего явления, называются фотопроводящими датчиками. Распространенными материалами являются сульфид свинца, селенид свинца, антимонид индия и теллурид ртути. Когда мы используем фотопроводящий датчик, необходимо охладить и добавить определенное напряжение смещения, в противном случае скорость отклика будет снижена, что приведет к громкому шуму и узкой полосе отклика, повреждая инфракрасный датчик.

(3) Фотоэлектрические Датчики

Когда инфракрасное излучение попадает на PN-переход полупроводниковых материалов, под действием электрического поля в переходе свободные электроны перемещаются в N-область. Если PN-переход открыт, на обоих концах PN-перехода генерируется дополнительный потенциал, называемый эффектом фотоэлектродвижущей силы. Фотоэлектрические датчики изготавливаются с учетом этого эффекта. Обычно используемыми материалами являются арсенид индия, антимонид индия, теллурид ртути, теллурид свинца и олова.

Инфракрасные Фотопроводящие и Фотоэлектрические Датчики

(4) Фотомагнитоэлектрические Датчики

Когда инфракрасное излучение попадает на поверхность некоторых полупроводниковых материалов, некоторые электроны и дырки в полупроводниковом материале диффундируют внутрь. Если во время диффузии приложить сильное магнитное поле, электроны и дырки будут отдельно отклоняться в одну сторону, создавая таким образом напряжение разомкнутой цепи. Это называется фотомагнитоэлектрическим эффектом, а инфракрасные датчики, изготовленные на его основе, называются фотомагнитоэлектрическими датчиками.

Фотомагнитоэлектрический датчик не нуждается в охлаждении, а диапазон срабатывания может достигать около 7 мкм. Кроме того, он обладает небольшой постоянной времени, высокой скоростью отклика, низким внутренним сопротивлением, малым уровнем шума, хорошей стабильностью и надежностью, а также не требует напряжения смещения. Однако его чувствительность низкая, а малошумящие предусилители трудно изготовить.

V Применение инфракрасных датчиков

Инфракрасные датчики обладают следующими преимуществами в области применения:

Его адаптивность к окружающей среде лучше, чем у видимого света, особенно при работе ночью и в плохую погоду;

Он обладает хорошими характеристиками маскировки, как правило, пассивно принимает целевой сигнал, что является более безопасным и конфиденциальным, чем радиолокационное и лазерное обнаружение, и не так легко поддается помехам.;

Он обнаруживает с помощью характеристики инфракрасного излучения, сформированной разницей температур и разницей в излучательной способности между целью и фоном, таким образом, его способность идентифицировать замаскированную цель лучше, чем у видимого света;

По сравнению с радиолокационной системой инфракрасная система имеет небольшие размеры, легкий вес и низкое энергопотребление.

В соответствии с вышеупомянутыми рабочими характеристиками инфракрасных датчиков мы можем разработать множество различных инфракрасных детекторов, которые в основном используются в следующих областях в зависимости от функций и мест применения.

1. Измерение излучения и спектра

Инфракрасные датчики широко используются в этих областях. Пиргеометр, основанный на измерении среднего инфракрасного излучения, может использоваться для наблюдений за изменением климата, таким как глобальное потепление; инфракрасный космический телескоп, основанный на измерении дальнего инфракрасного излучения, может использоваться для астрономических наблюдений за космическими телами; Метеорологические спутники с радиометром сканирования инфракрасного спектра могут помочь анализировать метеорологические наблюдения облаков.

Инфракрасные датчики широко используются в этих областях. Пиргеометр, основанный на измерении среднего инфракрасного излучения, может использоваться для наблюдений за изменением климата, таким как глобальное потепление; инфракрасный космический телескоп, основанный на измерении дальнего инфракрасного излучения, может использоваться для астрономических наблюдений за космическими телами; Метеорологические спутники с радиометром сканирования инфракрасного спектра могут помочь анализировать метеорологические наблюдения облаков.

Пиргеометр

На промышленных и горнодобывающих предприятиях обычно используются инфракрасные термометры, основанные на измерении количества излучения, и инфракрасные анализаторы, основанные на измерении инфракрасных спектров.

2. Система поиска и отслеживания

Знакомая боевая ракета класса "воздух-воздух" малой дальности, которую несут истребители, использует инфракрасную систему слежения. Он основан на волнах электромагнитного излучения, испускаемых целью в инфракрасном спектре, для поиска и отслеживания пространственного положения и траектории движения инфракрасной цели.

Качество изображения инфракрасного поискового трекера зависит от пространственного разрешения, связанного с размером пикселя и количеством пикселей. Другими словами, чем больше количество пикселей, тем меньше размер пикселя, что приводит к более четкому отображаемому изображению и большему расстоянию поиска.

3. Тепловизионная система

Тепловизор использует инфракрасные детекторы и оптическую линзу объектива для приема энергии инфракрасного излучения цели и отражения картины распределения энергии на светочувствительном элементе инфракрасного детектора, тем самым получая инфракрасную термографию. Эта термография соответствует распределению тепла на поверхности объекта. Вообще говоря, тепловизор предназначен для преобразования невидимой инфракрасной энергии, излучаемой объектом, в видимую термографию. Различные цвета на термографии представляют различные температуры измеряемого объекта.

Любой объект с определенной температурой будет излучать инфракрасное излучение. Тепловизор принимает инфракрасное излучение, излучаемое объектом, и отображает распределение температуры на поверхности объекта с помощью цветного изображения. По небольшой разнице в температуре мы можем найти ненормальную точку температуры для технического обслуживания.

Тепловизоры были впервые разработаны для военных целей, а в последние годы они быстро распространились на гражданскую и промышленную сферы, пока существуют перепады температур. Например:

l В области строительства они используются для проверки пустот, дефектов, отваливания керамической плитки, демпфирования, тепловых мостиков и т.д.;

l В области противопожарной защиты они применяются для обнаружения источника пожара, определения причины аварии и поиска пострадавших в дыму;

l В системе общественной безопасности он может находить людей, прячущихся ночью;

l В области автомобильного производства он может определять работоспособность шин, тепловой предохранитель в кондиционере, двигателе, выхлопных трубах и т.д.;

l В медицине он может обнаружить эффект иглоукалывания и выявить такие заболевания, как рак носоглотки и рак молочной железы на ранней стадии.;

l В электроэнергетике он может проверять проводку, соединение, быстрозакрывающийся клапан, подстанцию и т.д.

Основные компоненты тепловизионной системы

4. Инфракрасная Система Связи

Это система, которая использует модулированный луч инфракрасного излучения для передачи закодированных данных, а затем кремниевый фотодиод преобразует принятый сигнал инфракрасного излучения в электрический сигнал для достижения связи на короткие расстояния. Он не мешает нормальной работе другого находящегося поблизости оборудования и особенно подходит для внутренней связи в густонаселенных районах. Кроме того, система связи обладает низким энергопотреблением и низкой стоимостью, что обеспечивает безопасность и надежность.

Технология инфракрасных датчиков также широко используется в других приложениях, таких как сигнализация системы контроля доступа, управление освещением, обнаружение пожара, обнаружение утечек токсичных и опасных газов, инфракрасное измерение расстояния, отопление и вентиляция.

Инфракрасная коммуникационная сеть