紅外傳感器原理及應(yīng)用

熱電型(熱釋)紅外傳感器原理

紅外線傳感器的分類(lèi)

紅外線傳感器依動(dòng)作可分為：
 (1) 將紅外線一部份變換為熱，藉熱取出電阻值變化及電動(dòng)勢(shì)等輸出信號(hào)之熱型。
 (2) 利用半導(dǎo)體遷徙現(xiàn)象吸收能量差之光電效果及利用因PN 接合之光電動(dòng)勢(shì)效果的量子型。
 熱型的現(xiàn)象俗稱(chēng)為焦熱效應(yīng)，其中最具代表性者有測(cè)輻射熱器 (Thermal Bolometer)，熱電堆(Thermopile)及熱電(Pyroelectric)元件。熱型及量子型的一般特征如表1 所示，在此僅就熱型之熱電型紅外線傳感器加以說(shuō)明。也叫熱釋紅外線傳感器.

            表1 紅外線熱型、量子型比較

此傳感器特別是利用遠(yuǎn)紅外線范圍的感度做為人體檢出用，如圖1所示紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)而比電波短。紅外線讓人覺(jué)得只由熱的物體放射出來(lái)，可是事實(shí)上不是如此，凡是存在于自然界的物體，如人類(lèi)、火、冰等等全部都會(huì)射出紅外線，只是其波長(zhǎng)因其物體的溫度而有差異而已。例如圖1 中，人體的體溫約為36～37℃，所放射出峰值為9～10μm的遠(yuǎn)紅外線，另外加熱至400～700℃的物體，可放射出峰值為3～5μm 的中間紅外線。
 
                           圖1 溫度不同紅外線波長(zhǎng)的差異
 紅外線傳感器系可以檢出這些物體所發(fā)射之各種紅外線(溫度)的感知器。
 
 熱電型紅外線傳感器特征
 熱電型紅外線傳感器系利用熱電效果，其材料則使用強(qiáng)介質(zhì)陶瓷體 (Dielectric Ceramic)，鉭酸鋰(LiTaO3)等單結(jié)晶及PVDF 等有機(jī)材料，
 熱電型紅外線傳感器具有下列幾項(xiàng)特征：
 (1) 由于系檢知從物體放射出出來(lái)的紅外線，所以不必直接接觸就能夠感知物體表面的溫度，故人體檢知以及移動(dòng)中物體的溫度當(dāng)然均能以非接觸之方式測(cè)得。
 (2) 熱電型紅外線傳感器系接受檢知對(duì)象物所發(fā)出的紅外線，因此是被動(dòng)型[請(qǐng)參照?qǐng)D2(a)]，由于不是圖(b)所示的主動(dòng)型，所以并不需要校對(duì)投光器、受光器之光軸等煩瑣的作業(yè)。
 

                  (a)被動(dòng)型                                      (b)主動(dòng)型
                                         

                                    圖2人體檢知的方法

(3) 熱電效果系溫度變化而產(chǎn)生的，這將在稍后說(shuō)明之，因此只接受因溫度變化之能量(Energy)，而熱電型紅外線傳感器將電壓微分而輸出之。
 
 熱電型紅外線傳感器原理
 首先介紹熱電效果，如圖3 所示，感知組件系使用PZT(鈦酸鋯酸鉛系陶瓷體)強(qiáng)介質(zhì)陶瓷體，在感知組件施加高壓電(3KV～5KV/mm)而分極之，藉這種方法，組件表面顯現(xiàn)的正負(fù)電荷會(huì)和空氣中相反之電荷結(jié)合而呈電氣中和狀，如圖2-24 所示。當(dāng)組件的表面溫度變化時(shí)， 感知組件分極的大小會(huì)隨著溫度變化而變化，因此穩(wěn)定時(shí)之電荷中和狀態(tài)就崩潰，而感知組件表面電荷與吸著雜散電荷的緩和時(shí)間不同，所以會(huì)形成電氣上的不平衡，而產(chǎn)生沒(méi)有配對(duì)的電荷，如圖3(b)所示。 像這種因溫度變化而產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效果，設(shè)若產(chǎn)生之電荷為Δθ，溫度變化為ΔＴ，則Δθ／ΔＴ＝λ(庫(kù)侖／℃)，就是熱電 系數(shù)。實(shí)際上的傳感器到底是如何利用熱電效果呢？請(qǐng)參考傳感器內(nèi)部構(gòu)造及本文之解說(shuō)，圖4 所示系熱電型紅外線傳感器的構(gòu)造。
 
     (a)穩(wěn)定時(shí)(T)K                                     (b)溫度剛變化之后(T+ΔT)K
                         

                                圖3熱電型紅外線傳感器的原理