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红外传感器:价格经济、精度较高

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-01-06  来源:电子发烧友  浏览次数:48
       物联网传感器早已渗透到诸如工业生产、智能家居、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。

       由此可见,物联网传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用,是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来,传感器技术将会出现一个飞跃,达到与其重要地位相称的新水平。 传感器就是把自然界中的各种物理量、化学量、生物量转化为可测量的电信号的装置与元件,可见传感器的众多和纷杂。传感器的定义决定了它本身的复杂性和众多品种。

       物联网是把所有物品通过射频识别、红外感应器等信息传感设备与互联网连接起来的技术, 以实现智能化识别和管理,是继计算机、互联网和移动通信网之后的又一次信息产业革命。文章首先介绍了物联网的定义内涵、基本特征及研究现状,然后探讨了物联网关键技术之一传感器技术;接着阐述了红外传感器结构、原理及特点,最后对红外传感器在物联网技术中的应用进行了初步探索,指出其广阔的应用前景。

       红外传感器的结构原理与特点

       红外传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏元件,根据具体工作原理的不同,可分为光子型和热释电型两种。热释电红外传感器是利用红外辐射的热效应引起元件本身的温度变化来实现某些参数的检测的,其探测率、响应速度都不如光子型传感器。但由于其可在室温下使用,灵敏度与波长无关,所以应用领域很广。利用铁电体热释电效应的热释电型红外传感器灵敏度很高,获得了广泛应用。

       热释电效应某些绝缘物质受热时,随着温度的上升,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。热释电效应在近十年被用于热释电红外传感器中。能产生热释电效应的晶体称为热释电体,又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶、压电陶瓷及高分子薄膜等。

       热释电红外传感器的结构热释电红外传感器由以下四个主要部分构成:

       ①构成电路的铝基板、场效应晶体管(FET);

       ②具有热释电效应的陶瓷材料;

       ③ 限制入射红外波长的窗口材料;

       ④ 外壳TO—5型管帽和管座。

       由于热释电红外传感器中电容的电流发生器输出阻抗高,且输出电压信号又极其微弱,故在管内的敏感转换元件FET上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。其等效电路如图2所示,在负载电阻上并联一个放大器及厚膜电阻,以达到阻抗变换的目的。在管壳的顶部设有滤光镜(TO一5封装),而树脂封装的则设在侧面。

       红外组合件的构造由于探测器元件单独使用时,存在着探测距离较短、获得的信号后续电路不易处理的不足,所以目前多选用红外组合件来探测。红外组合件由热释电红外传感器、透镜、测量转换电路和密封管壳构成[6]。透镜可以扩大探测范围,提高测量的灵敏度;测量转换电路可以完成滤波、放大等信号处理过程;密封管壳能防止因外界噪声引起的错误动作。这种组合件体积小、成本低、功能多样,所以应用广泛。

       滤光镜材料在热释电红外传感器的窗口上装有不同材料的滤光镜,阻止不需要的红外线进入传感器。一般热释电红外传感器在0.2~20um光谱范围内的灵敏度比较好,不受可见光影响。由于不同的检测要求(如医学或气体成分分析等)光谱响应范围不同,因此可选择不同材料的滤光镜使其满足不同场合需求。

       热释电红外传感器使用时,一般前级需要先用菲涅尔透镜滤光,后级接带通放大器,放大器的中心频率一般取1.2Hz左右,放大器带宽对灵敏度、可靠性的影响比较大。使用时要根据具体要求来合理选择。

       物联网中可以大量使用红外传感器(也叫红外感应器)来实现物体信息的获取,尽管目前尚未研发生产出成熟的产品,但是红外传感器已经有很多成熟的应用领域,可以借鉴。以热释电红外传感器为核心构成的热释电红外开关,在民用领域可作为蜂鸣器、白炽灯、烘干机、自动门、和自动洗手池等装置的自动感应开关,特别适用于工矿企业、高档酒店、大型商场等区域。

       此外,热释电红外传感器还可用于遥感、制导、夜视、主动雷达、热成像、气体分析、辐射计、测温等军事和工业场合。比如在2008年5.12汶川特大地震救援过程中,就使用了红外传感器实现无光条件下(夜间和阴雨天)灾区照片的拍摄,为救援工作提供了帮助。红外传感器价格经济、测量电路简单、常温下可使用、非接触式测量、精度较高等优点决定了其在物联网中具有广泛的应用前景。

       在物联网中可以使用红外传感器获取物品信息,使用电子标签记录、实现物品的精确定位。比如用红外传感器检测超市货架是否具有足够的商品待售,当检测到货物不足时,通过后续信号处理、滤波、放大,驱动扬声器提醒超市工作人员及时补货。

       特别是在物联网消费电子电器产品中,热释电红外传感器具有极其广泛的应用前景。目前用得最多的是检测物品有无,实现自动控制。红外传感器已广泛用于防盗报警系统中,市场上有成熟的商品。一个典型的周界入侵检测报警系统本身就是一个物联网在安全方面的应用,比如上海浦东机场入侵检测系统,就是一个小型的物联网,其中使用了大量的红外传感器,作为智能节点,获取周边信息,与其他类型传感器采集得到的信息一起准确及时地提供给中央处理系统进行信息融合,作为自动控制决策的依据。国外已有把热释电传感器安装在售货机上,当有人接近时,机器可以说话,实现自动销售,我们也可以借鉴应用。再比如可以把红外传感器安装在工厂危险性机械系统上,能够进行非接触测量,当超过预定的安全距离时给出警示,防止人太靠近造成危险,保护工人健康、实现安全生产,节约生产成本。

       近年来物联网的研究与发展引起了人们的广泛关注,国内外政府和企业都积极采取行动参与物联网的构建,广大学者也对物联网展开深入研究,国内不少高校先后申报了物联网专业,培养物联网方面的人才,这将对未来全球经济发展产生深远影响。与此同时,热释电红外传感器的销量近几年也是每年增长30%以上。国内外厂家正在不断开发新产品以满足未来的市场需求。可以预见,红外传感器在物联网中具有广阔的应用前景。 
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