紅外傳感器的工作原理及特性

紅外線是一種人類肉眼看不見的光，所以，它具有光線的所有特性，所有高于絕對零度即－273℃的物質都可以產生紅外線。根據紅外線的特性，紅外線被應用于多種傳感器中，比如紅外溫濕度傳感器、人體紅外探測器等等。紅外傳感器也根據發出方式和能量轉換方式分為不同的類型。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。

根據發出方式不同，紅外傳感器可分為主動式和被動式兩種。

一、主動紅外傳感器

主動紅外傳感器的發射機發出一束經調制的紅外光束，被紅外接收機接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當遇到樹葉、雨、小動物、雪、沙塵、霧遮擋則不應報警，人或相當體積的物品遮擋將發生報警。

主動紅外探測器技術主要采用一發一收，屬于線形防范，現在已經從最初的單光束發展到多光束，而且還可以雙發雙受，最大限度的降低誤報率，從而增強該產品的穩定性，可靠性。

由于紅外線屬于環境因素不相干性良好（對于環境中的聲響、雷電、振動、各類人工光源及電磁干擾源，具有良好的不相干性）的探測介質；同時也是目標因素相干性好的產品（只有阻斷紅外射束的目標，才會觸發報警），所以主動式紅外傳感器將會得到進一步的推廣和應用。

二、被動紅外傳感器

被動紅外傳感器是靠探測人體發射的紅外線來進行工作的。傳感器收集外界的紅外輻射進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出變化時就會向外釋放電荷，檢測處理后產生報警。

這種傳感器是以探測人體輻射為目標的。所以輻射敏感元件對波長為10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。為了對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，使環境的干擾受到明顯的控制作用。

被動紅外傳感器包含兩個互相串聯或并聯的熱釋電元。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環境背景輻射對兩個熱釋電元幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。

一旦入侵人進入探測區域內，人體紅外輻射通過部分鏡而聚焦，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，經信號處理而報警。被動紅外傳感器被廣泛的應用在人體紅外探測器中。

根據能量轉換方式的不同，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而進行工作的傳感器。所謂光子效應，是指當有紅外線入射到某些半導體材料上時，紅外輻射中的光子流與半導體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態，從而引起各種電學現象。

通過測量半導體材料中電子性質的變化，就可以知道相應紅外輻射的強弱。光子探測器類型主要有內光電探測器、外光電探測器、自由載流子式探測器、QWIP量子阱式探測器等。

光子探測器的主要特點是靈敏度高、響應速度快，具有較高的響應頻率，但缺點是探測波段較窄，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引起元件本身的溫度變化來實現某些參數的檢測的，其探測率、響應速度都不如光子型傳感器。

但由于其可在室溫下使用，靈敏度與波長無關，所以應用領域很廣。利用鐵電體熱釋電效應的熱釋電型紅外傳感器靈敏度很高，獲得了廣泛應用。

熱釋電效應某些絕緣物質受熱時，隨著溫度的上升，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷。這種由于熱變化而產生的電極化現象稱為熱釋電效應。熱釋電效應在近十年被用于熱釋電紅外傳感器中。能產生熱釋電效應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構熱釋電紅外傳感器由以下四個主要部分構成：

①構成電路的鋁基板、場效應晶體管（FET）；

②具有熱釋電效應的陶瓷材料；

③ 限制入射紅外波長的窗口材料；

④ 外殼TO—5型管帽和管座。

由于探測器元件單獨使用時，存在著探測距離較短、獲得的信號后續電路不易處理的不足，所以目前多選用紅外組合件來探測。紅外組合件由熱釋電紅外傳感器、透鏡、測量轉換電路和密封管殼構成。透鏡可以擴大探測范圍，提高測量的靈敏度；測量轉換電路可以完成濾波、放大等信號處理過程；密封管殼能防止因外界噪聲引起的錯誤動作。這種組合件體積小、成本低、功能多樣，所以應用較為廣泛。