关于红外传感器的报告
摘要：本文主要介绍一些关于红外传感器的一些基本知识和工作原理，从而让我们能够从一定程度上了解红外传感器这一传感器的种类。对于红外传感器的认识，能够帮助我们更好的利用红外传感器，让我们的生活或者工作更加方便和愉快。
关键字：红外辐射、传感器、原理、用途
红外传感器(也称为红外探测器)是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。而作为红外传感器的重要组成部分，红外辐射是不得忽略的重中之重。下面我们先介绍红外辐射的相关知识和原理。
一、红外辐射的工作原理简介：
红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围大致在0.76-1000μm之间，对应的频率大致在4×104至3×1011Hz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外4 个部分。
下图是红外线的电磁波谱图：
红外分区：在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域
(1)近红外区: 770 nm~ 1.5 μm
(2)中红外区: 1.5 μm ~ 6μm
(3)远红外区: 6μm ~ 40μm
(4)极远红外区: 40μm ~ 1000μm
注意：这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。
红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度( -273 ℃)，就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。
红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积，即 c =λf 。红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体都属于灰体。
二、红外线的物理特性：
①热效应
②穿透云雾的能力强
①热效应及应用：
一切物体都在不停的辐射红外线。物体的温度越高，辐射的红外线就越多。红外线照射到物体上最明显的效果就是产生热。冬天烤火，就是因为有大量的红外线从炉子里射到人身上，才能让我们感觉到热乎乎的。
人体生病的时候，虽然外面看起来没有什么变化，但是由于局部皮肤的温度不正常，如果在照相机里装上对红外感光的胶片，给皮肤拍照再与正常人的照片对比，可以对疾病作出诊断。这种相机拍出来的照片叫热谱图。
根据红外线的热效应，人们还研究出了红外线夜视仪。红外线夜视仪在漆黑的夜晚也可以发现人的存在。夜间人的体温比周围草木或建筑的温度高，人体辐射出来的红外线就比他们强。可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆等。
物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线。各种物体吸收了红外线以后温度就会升高。我们就可以利用红外线的热效应来加热物品。家庭用的红外线烤箱，浴室用的暖灯，也就是浴霸等等。物体加热可以利用红外线烘干汽车表面的喷漆，烘干稻谷等作物。
在医学上，还可以利用红外线的热效应进行理疗。在红外线照射下，组织温度升高，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。伤口就容易痊愈。
②穿透能力强的应用：
穿透云雾的能力强(波长较长,易于衍射) ，由于一切物体，都在不停地辐射红外线，并且不同物体辐射红外线的强度不同，利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对接到的信号进行处理，就可以察知被测物体的形状和特征，这种技术叫做红外线遥感技术，可以用在卫星上勘测地热、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收成。还有我们每天都要关注的天气预报，也是红外线遥感技术。
红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原于分子，如N2、H2、O2不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过
程中衰减。
红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即2~2.6μm，3~5μm和8~14μm，统称为“大气窗口”。这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因为一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。
下图为通过一海里长度的大气透过率曲线：
红外线遥感在战争中，当敌机飞进我们的阵地时，红外线望远镜早就接收到了由它的发动部分—发动机辐射来的大量红外线，红外线在望远镜的光电变换器中产生了电流，再由电流产生可见光。于是黑暗中的飞机在镜中就现原形了。
红外线遥控我们每天都用到的电视遥控器也是利用了红外线。遥控器的前段有一个红外发光二极管，按下不同的键时，它可以发射不同的红外线，来实现电视机的遥控。
三、下面是红外传感器涉及到的几种定理，大概介绍如下：
1、基尔霍夫定律
1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都是常数。用一句精练的话表达，即：“好的吸收体也是好的辐射体”。
ER=αE0
ER——物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能
α——物体的吸收系数
E0 ——常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能
2、斯忒藩-玻尔兹曼定律
物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为
E =σεT 4
T——物体的绝对温度(K)
σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·k)
ε——比辐射率，黑体的ε＝1
3、普朗克定律
绝对温度为T时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为
Mλ= C1λ?5 (ec2/λT?1)?1
式中Mλ为黑体对波长为λ的光谱辐射通量密度；
C1 、C2 为普朗克辐射常数。
4、维恩位移定律
红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即
λm＝2897/T (μm)
图中虚线表示了峰值辐射波长与温度的关系，可以看出，随着温度的升高其峰值波长向短
波方向移动，在温度不太高时，峰值辐射波长位于红外区域。
四、红外探测器：
红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。其中，红外探测器是红外传感器的核心器件。
（一）、红外探测器的种类：
红外探测器种类很多，按探测机理的不同，通常可分为两大类：热探测器和光子探测器。
（1）热探测器
红外线被物体吸收后将转变为热能。热探测器正是利用了红外辐射的这一热效应。当热探侧器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升高，使敏感元件的
相关物理参数发生变化，通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定探测器所吸收的红外辐射。
热探测器的主要优点是：响应波段宽，响应范围为整个红外区域，室温下工作，使用方便。热探测器主要有 4 种类型：热敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型。在这4 种类型的探测器中，热释电探测器探测效率最高，频率响应最宽，所以这种传感器发展得比较快，应用范围也最广。
热释电探测器：
在外加电场作用下，电介质中的带电粒子( 电子、原子核等) 将受到电场力的作用，总体上讲，正电荷趋向于阴极、负电荷趋向于阳极，其结果使电介质的一个表面带正电、相对的表面带负电，把这种现象称为电介质的“电极化”。
对于大多数电介质来说，在电压去除后，极化状态随即消失，但是有一类称为“铁电体”的电介质，在外加电压去除后仍保持着极化状态。
一般，铁电体的极化强度Ps(单位面积上的电荷) 与温度有关，温度升高，极化强度降低。温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度被称为居里点，在居里点以下，极化强度Ps是温度的函数，利用这一关系制成的热敏类探测器称为热释电探测器。
热释电探测器的构造是把敏感元件切成薄片，在研磨成5-50μm 的极薄片后，把元件的两个表面做成电极，类似于电容器的构造。为了保证晶体对红外线的吸收，有时也用黑化以的晶体或在透明电极表面涂上黑色膜。当红外光照射到已经极化了的铁电薄片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强度(单位面积上的电荷) 降低，表面的电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫热释电型传感器。
释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外光继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。这区别于其他光电类或热敏类探测器，这些探测器在受辐射后都将经过一定的响应时间到达另一个稳定状态，这时输出信号最大。而热释电探测器则与此相反，在稳定状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度的升降过程中才有输出信号。
热释电型传感器常用于根据人体红外感应实现自动电灯开关、自动水龙头开关、自动门开关等领域。
热释电红外探测模块（HN911）：如图所示热释电红外探测模块（HN911）：热点释放传感器，放大器。信号处理电路，延时电路，高低电平输出电路平时HN911的输出端1为低电平，2为高电平。有移动发热体进入监视区时，接收到红外能量、并输出检测信号，经放大、比较等最终使1断高电平，2端为低电平。
此模块的放大器有温度补偿功能，保障整个电路工作的稳定性。
（2）光子探测器
光子探侧器型红外传感器是利用光子效应进行工作的传感器。所谓光子效应，是当有红外线入射到某些半导体材料上，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状态，引起各种电学现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。
光子探测器主要有内光电探测器和外光电探测器两种，外光电探测器分为光电导、光生伏特和光磁电探测器三种类型。半导体红外传感器广泛的应用于军事领域，如红外制导、响尾蛇空对空及空对地导弹、夜视镜等设备。
光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般工作于低温。
光子探测器和热探测器的主要区别是：光子探测器在吸收红外能量后，直接产生电效应；热探测器在吸收红外能量后，产生温度变化，从而产生电效应，温度变化引起的电效应与材料特性有关。
光子探测器非常灵敏，其灵敏度依赖于本身温度。要保持高灵敏度，就必须将光子探测器冷却至较低的温度。通常采用的冷却剂为液氮。热探测器一般没有光子探测器那么高的灵敏度，但在室温下也有足够好的性能，因此不需要低温冷却，而且热探测器的响应频段宽，响应范围可扩展到整个红外区域。
五、红外传感器的应用：
1、红外线气体分析仪：
红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，从图中可以看出，CO 气体对波长为4.65 μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 μm和4.26 μm附近以及波长大于13 μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26 μm附近的吸收波段进行分析。
光源由镍铬丝通电加热发出3～10 μm的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65 μm的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。
为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在4～5 μm波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。
2、红外测温仪
红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。
下图为红外测温仪的结构：
3、量子型红外传感器
（1）PbS红外光敏原件其结构如图所示。它仙子啊玻璃板受伤制成金电极，然后蒸镀PbS薄膜在引出电极即可。
（2）ZnSb红外光敏元件
其结构如图所示，其结构和具有PN结的光敏二极管相似。它把杂质Zn等用扩散结渗入N型半导体中形成P层结构的PN结在引出引线即成。
3、高莱气动型传感器：
它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收膜,它是低热容量的薄膜。
在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。
红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高。气压增大，从而使柔镜移动。
在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变。这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间长，结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。
下面是几种红外传感器的应用实物图片：
六、红外传感器使用中应注意的问题：
(1)使用红外传感器时，必须首先注意了解它的性能指标和应用范围，掌握它的使用条件；
(2)选择传感器时要注意它的工作温度。一般要选择能在室温工作的红外传感器，设备简单，使用方便，成本低廉，便于维护；
(3)适当调整红外传感器的工作点。一般情况下，传感器有一个最佳工作点。只有工作在最佳偏流工作点时，红外传感器的信噪比最大。实际工作点最好稍低于最佳工作点；
(4)选用适当的前置放大器与红外传感器相配合，以获得最佳的探测效果；
(5)调制频率与红外传感器的频率响应相匹配；
(6)传感器的光学部分不能用手去摸、擦，防止损伤与沾污；
(7)传感器存放时注意防潮、防振和防腐蚀。
七、总结
红外传感器在我们的生活中，尤其在社会生产中，有着非常重要的位置。正因为红外传感器的广泛应用，我们的生活才能够得到巨大的丰富和改善。然而目前，我们对于在红外传感器上的研究开发还是远远不够的，未来的对于技术的要求是越来越严格，越来越高精度的，所以今后我们让需要投入很大的精力和财力，去研究开发红外传感器这一拥有重要地位的技术产品。
附：1、传感器技术（红外传感器）———————刘佳，南京信息工程大学2、红外传感器————————————————传感技术课程组，电子科技大学
3、红外技术的创造性开发———————————英国Dynament公司
4、热释电人体红外线传感器的原理和应用———tdlforever，百度文库
5、一种电控可变波长的多气体红外传感器————韩志刚、尚中锋，电子测量技术-2012年7期
6、基于热释电红外传感器探测距离影响因素的研究————张晔、杨卫，红外与毫米波学报-2010年6期
7、热释电红外传感器原理及其应用———————————孙华、李扬，内江
科技-2010年12期
8、红外传感器在速度测量中的应用———————————靳斯佳、李丽宏，电子设计工程-2010年10期
传 感 器 的 技 术 应 用 与 发 展 趋 势 院系：新联学院 专业：10电子信息工程 姓名：王俊锋 学号:1002174050
传感器的技术应用与发展趋势 摘要：随着信息科学、生物科学以及材料科学的日益进步，传感器技术也随着发展很迅速, 日常生活的各个领域它已越来越受到广泛的关注。将来的传感器技术会向微型化、多功能化、智能化以及网络化的方向发展。 关键词：传感器技术;应用; 现状；发展趋势；微型化;多功能化;智能化;网络化随着科学技术的迅猛发展, 在机械制造、交通运输、石油化工以及医疗卫生等领域，传感器技术的应用越来越广泛，它正逐渐地渗透到人们的日常生活中去。 从某种程度上来讲, 衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志是传感器技术水平的高低，主要体现在传感器能够较好地实现自动控制水平和测试技术的高低。作为测量与自动控制的重要环节的传感器，不仅是新技术革命的重要技术基础，而且还是当今信息社会的重要技术基础。笔者就当前一些重要的领域里，讲述了传感器技术的应用情况，并按照目前传感器技术的发展现状，对其将来的发展方向加以预测。 一、传感器的定义以及分类 （一）传感器的定义 从广义上来说，传感器是指将被测量对象的某一确定的信息具有定量检出与感知功能，而且根据一定的规律能够转化为与之相符的有价值认识信号的装置或者元器件。从狭义上来说，可以感受被测量，而且可以根据特定的规律把其转化为性质相同或不同的输出信号的装置。 （二）传感器的分类 1.传感器种类及品种繁多,原理也各式各样。 2.按照输入物理量的分类，传感器常以别测物理量命名，如位移传感器，速度传感器、温度传感器、压力传感器等； 3.按照工作原理分类，传感器的命名常能够根据工作原理，如应变式、电容式、电感式、热点式、光电传感器等； 4.按输出信号分类，可分为模拟传感器和数字式传感器。若输出量为模拟量则成为模拟式，输出量为数字式则称为数字式传感器等。 5.按照被测量的性质,可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类。 (1)物理传感器原理及应用 物理传感器是利用某些物理效应,把被测量转化成为便于处理的能量形式的信号装置,其输出的信号和输入的信号有确定的关系。常用的物理传感器有光电式传感器、压电式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等。 (2)化学传感器原理及应用 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,将被测信号量的微小变化转换成电信号。常用的有气敏、湿敏和离子传感器。 （3）生物传感器原理及应用 生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件。换句话说,它是利用生物的或有生命物质分子的识别功能与信号转换器相结合,将生物反应所引起的化学、物理变化变换成
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第一章绪论 ? 1.1引言 ?宇宙间的任何物体只要其温度超过零度就能产生红 外辐射，事实上同可见光一样，其辐射能够进行折射和反 射，这样便产生了红外技术，利用红外光探测器因其独有 的优越性而得到广泛的重视，并在军事和民用领域得到了 广泛的应用。军事上，红外探测用于制导、火控跟踪、警 戒、目标侦查、武器热瞄准器、舰船导航等；在民用领域， 广泛应用与工业设备监控、安全监视、救灾、遥感、交通 管理以及医学诊断技术等。红外探测就是用仪器接受被探 测物发出或者反射的红外线，从而掌握被测物所处位置的 技术。作为红外探测系统的核心期间，红外传感器（也称 为红外探测器）的研究成为一个热点。
第二章红外传感器控制的理论依据? 2.1红外传感器概念 ?定义：红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件。 ? 2.22红外传感系统分类 ?红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类： ?1）辐射计，用于辐射和光谱测量； ?2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪； ?3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像； ?4）红外测距和通信系统； ?5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 ? 2.23红外光简介 ?红外光是太阳光谱的一部分，红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、 吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。红外光在介质中传播会产生衰减，在金 属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非 常大。 ?不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发 现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红 外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。
一、判断题 1.传感器的传感元件通常情况下直接感受被测量；√ 2.对于所有的二阶传感器，总是希望其固有频率越高越好；× 3.一般情况下，设计弹性敏感元件时，若提高灵敏度，则会使其线性变差、固有频率提高； × 4.应变片的基长越长，则应变片的动态特性越好；× 5.变磁阻式电感传感器属于互感型的电感传感器；× 6.压电式传感器不能测量恒定不变的信号；√ 7.惯性式振幅计，在设计时尽量使其固有频率低。√ 8.传感器的重复性误差是属于系统误差；× 9.传感器的敏感元件通常情况下不直接感受被测量；× 10.传感器实现波形测试不失真的条件是：传感器的幅频特性和相频特性均是常数；× 11.传感器弹性敏感元件的固有频率越高，则传感器的灵敏度越低，线性度越差；× 12.应变式传感器采用半桥连接时，若供桥电源波动的误差为2%，则由此引起的电桥信号 输出波动的误差为1% 。× 13.压电片采用并联连接后，更适合于测量快速变化的信号；× 14.圆柱形弹性元件受力产生的应变大小与圆柱的长度无关；√ 15.驱动电缆法实际上是一种等电位屏蔽法；√ 16.差动变压器采用差动整流电路后，次级电压的相位和零点残余电压都不必考虑；√ 17.希望压电传感器的电阻率高，介电常数小；× 18.半导体光吸收型光纤温度传感器是属于传光型光纤传感器；√ 19.传感器的动态灵敏度就是传感器静态特性曲线的斜率；× 20.按照能量关系分类传感器可分为结构型传感器和物性型传感器；× 21.激波管产生激波压力的恒定时间越长，则可标定的下限频率越低；√ 22.压阻效应中由于几何形状改变引起的电阻变化很小；√ 23.光导摄像管是一种固态图像传感器；× 24.热释电型红外传感器必须进行调制。√ 25.传感器的幅频特性为常数，则传感器进行信号的波形测量时就不会失真。× 26.等截面梁的不同部位所产生的应变是不相等的。√ 27.一般来说，螺管型差动变压器的线性范围约为线圈骨架长度的二分之一。× 28.压电常数d32所表示的含义是：沿着z轴方向受力，在垂直于y轴的表面产生电荷；× 29.涡流式电感传感器属于互感型的电感传感器；× 30.金属丝的电阻应变效应中，引起电阻改变的主要原因是电阻率的改变；× 31.压电常数d ij中的下标i表示晶体的极化方向，j表示晶体受力的性质；√
传感器技术的研究应用现状与发展前景 传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术是进入21 世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的越来越高的要求是传感器技术发展的强大动力，而现代科学技术突飞猛进则提供了坚强的后盾。传感器是信息系统的源头, 在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。本文回顾了传感器技术的发展历史，综述了近几年高端前沿的光电传感器技术和生物传感器技术的主要研究应用状况，并通过简述当前的应用实例，展望了现代传感器技术的发展和应用前景。 1.引言 传感器是将物理、化学、生物等自然科学和机械、土木、化工等工程技术中的非电信号转换成电信号的换能器。当今社会的发展是信息化社会的发展，在信息时代人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段，是现代科学的中枢神经系统，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。传感器处于研究对象与测控系统的接口位置一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。如果把计算机比喻为处理和识别信息的大脑，把通信系统比喻为传递信息的神经系统，那么传感器就是感知和获取信息的感觉器官。传感器技术是现代科技的前沿技术，发展迅猛，同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，许多国家已将传感器技术列为与通信技术和计算机技术同等重要的位置现代传感器技术具有巨大的应用潜力拥有广泛的开发空间，发展前景十分广阔。 2.传感器的发展历史及分类 2.1传感器技术的发展历史 传感器技术是20世纪的中期才刚刚问世的，在那时与计算机技术和数字控制技术相比，传感技术的发展都落后于它们，不少先进的成果仍停留在实验研究阶段并没有投入到实际生产与广泛应用转化率比较低。在国外，传感器技术主要是在各国不断发展与提高的工业化浪潮下诞生的，并在早期多用于国家级项目
传感器：感受规定的被测量按转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成（敏感和变换）传感技术：是以研究传感器的材料、传感器的设计、传感器的制作、传感器的应用为主要内容的一门应用技术。传感器由敏感元件、转换元件组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。按物理现象分类：结构型传感器：电容式、电感式、电阻式。物性型传感器：压电式、光电式等。按能量关系分类：能量转换型传感器：如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器。能量控制型传感器：如电阻、电感、电容等电路参量传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器。按输出信号：模拟式传感器。数字式传感器：光栅数字传感器、脉冲盘式角度数字传感器等。灵敏度高，噪声小，滞后、漂移误差小，动态特性良好，功耗小，长期使用结构简单低成本、通用性强。静态特性：传感器在被测量处于稳定状态时（静态的输入信号）的输出—输入关系。（迟滞、蠕变、摩擦、间隙和松动）静态校准条件：指没有加速度，没有冲击，振动，环境温度为20±5℃，相对湿度不大于85％，大气压力为0.1±0.08MPa的情况。静态特性的主要技术指标是：线性度、灵敏度、精确度、迟滞、重复性和分辨率等。 动态特性：输出对随时间变化的输入量的相应特性（反映输出值真实再现变化着的输入量的能力，时域和频域分析）。标定：通过试验建立传感器输入与输出之间的关系并确定不同使用条件下的误差的过程。静态标定：确定传感器的静态特性指标，主要有线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。动态标定：确定传感器的动态特性指标，主要有时间常数、固有频率和阻尼比等。标定的主要作用：①确定仪器或测量系统的输入－输出关系，赋予仪器或测量系统分度值；②确定仪器或测量系统的静态特性指标；③消除系统误差，改善仪器或测量系统的正确度。标定传感器时，所用的测量仪器的精度至少要比被标定的传感器的精度高一个等级。无线传感器网络是利用大量的微型传感器（结点），通过无线通信形成网络，用来感知现场的信息。 光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应；当光照物体时，光电子不逸出体外的光电效应称为内光电效应（1，光电导(某些半导体材料受到光照射时，其电导率发生变化的现象。)：光敏电阻、光导管。2，光生伏特(光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应)：光电池、光电二极管。）光热效应:把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化。（测辐射热：热敏电阻、测辐射热计。温差电：热电，热电堆。热释电：热释电探测器。）光敏二极管：光的照度越大，光电流越大。在不受光照射时截止状态，受光照射导通状态。电路中处于反向工作状态。基本特性：光谱特性、伏安特性、光照特性、温度特性好响应特性。对不同波长的光的灵敏度不同。可见光或探测赤热用硅管。红外光用锗管较。光谱特性：在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。伏安特性：指在一定照度下的电流电压特性。光照特性：外加电压恒定时，光敏二极管的光电流与照度之间的关系。光敏二极管适合作检测元件，其光照特性线性好。频率特性：光敏管的频率特性是指在同样的电压和同样幅值的光强度下，当入射光强度以不同的正弦交变频率调制时，光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随调制频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10μs。因此特别适合快速变化的光信号探测。温度特性：光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。暗电流变化较大，光电流变化较小。电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。 光敏三级管：较二极管的灵敏度高（放大特性），响应速度差，既频率特性较差。（光谱特性：和二极管相同。伏安特性：光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。光照特性：近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象。温度特性：同二极管。频率特性：光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。硅管的频率响应要比锗管好。应用：脉冲编码器、转速传感器、烟雾散射式火灾报警器） 光敏电阻：暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高（用作开关器件）。（主要参数：暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻。亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻。光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。基本特性：1、伏安特性：任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。2、光照特性：光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度（光通量）之间的关系，非线性，不做检测只做开关。3、光谱特性：光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。硫化镉光敏电阻的光谱响应的峰值在可见光区域，用作光度测量的探头。硫化铅光敏电阻响应于近红外和中红外区，做火焰探测器的探头。4、频率特性：光敏电阻时间常数都较大。5、温度特性：温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变。6、稳定性。具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点。） 光电池：直接将光能转换为电能的光电器件。（1、光谱特性：硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 2光照特性：用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。3、频率特性：硅光电池有较好的频率响应。4、温度特性：温升、开压升、短流降。（线性）测量元件需要温度补偿。太阳电池电源、（因其不需加电源）光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等） 光电管：光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。1、伏安特性：光通量与光电流之间线性关系。当入射光比较微弱时，光电管能产生的光电流就很小，信噪比也很小，因此往往采用倍增管。2、光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。 光电倍增管：光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。（倍增系数M：等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M=δ^n，阳极电流 I 为 I = i ·δ^n。一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。具有脉冲形式。光照特性：线性-非线性（光通量）。极高灵敏度和超快时间响应。 色敏光电传感器：直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。（光谱特性、短路电流比—波长特性、温度特性） 红外光传感器：光热效应，热释电效应（热敏探测器）某些物质吸收光辐射后将其转换成热能，温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化。通过目标与背景的温差来探测目标,入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等. 热释电传感器：敏感元、场效应管、高阻电阻、滤光窗，只在温度变化时作用。加菲涅尔透镜才能增加探测距离。自动干手机，饮水机自控电路。
HEFEI UNIVERSITY 自动检测技术报告 题目压电式传感器的应用与发展 系别 ***级自动化 班级 **班 姓名 ********************** 指导老师***** 完成时间 2011-11-28
前言：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。本文重点介绍压电式传感器的工作原理，在航空发动机中的应用及发展趋势。 关键字：传感器压电效应测振 正文：压电式传感器的发展及应用压电式传感器是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变 时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量 与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电 效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起 晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效 应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件 的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、 厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电 晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
光电传感器工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
工作原理 摘要： 光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 关键字：光电元件、检测技术、传感器、应用 一、光电传感器工作原理 光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值 (相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样, 所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。
传感器技术的应用及其发展 摘要：传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节，而测试技术与自动控制水平 高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。本文列举了传感器技术在当前一些重要领域里的应用，并讲述了其发展趋势。 关键词：传感器技术应用现状发展趋势 一、引言 传感器技术是当今世界令人瞩目，迅速发展的高新技术之一，也是当代科学发展的一个重要标志，与通许技术、计算机技术共同构成21世纪信息产业的三大支柱。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。因此各发达国家都将传感器技术作为本世纪重点技术加以发展。随着国内工业自动化、信息化和国防现代化的发展，传感器的年需求量持续增长。传感器的应用也越来越广泛、已渗透到各个专业领域。但是目前国内传感器技术的创新和新产品开发能力落后于国内外先进水平，制约了我国工业自动化和信息化技术的发展。 二、传感器介绍 传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。传感器通常可以按照一系列方法进行分类。根据输入物理量的分类，传感器常以别测物理量命名，如位移传感器，速度传感器、温度传感器、压力传感器等；根据工作原理分类，传感器常可以依据工作原理进行命名，如应变式、电容式、电感式、热电式、光电传感器等；按输出信号分类，可分为模拟传感器和数字式传感器。输出量为模拟量则称为模拟式，输出量为数字式则称为数字式传感器等等。 三、主要传感器技术分类 传感器技术是当前代表国家综合科研水平的重要技术，传感器技术的具体应用是传感器技术转化的重要途径和方法。加强对传感器技术应用的研究也是了解传感器技术发展现状并对其未来发展进行预测的基础和前提。 3．1 光电传感器技术
利用红外线传感器实现接近感应应用 利用红外线传感器实现接近感应应用 类别：传感与控制 在消费电子产品中，接近感应作为一种探测用户身体或手部存在的方法，越来越为人们所接受。该技术也能够用于动作感应，如检测用户手势。用户手势作为一种输入，可以应用于许多设备，如手机、计算机和其他家用电子产品。要理解动作感应系统设计的理论基础，需要了解红外线(IR)与可见光的差异，探讨接近和动作感应系统如何在单一LED 下运行，以及动作感应在使用多个LED 进行多接近测量时如何工作。当我们谈及“光”时，通常指的是来自太阳或灯具的可见光，然而，可见光仅占光谱范围中的一小部分。我们把可见光定义为人眼可以识别的所有光线，通常人眼可以识别的光线波长为380-750nm。那么，人眼无法识别的非可见光（如波长为850 nm 光）又如何呢？IR 辐射光的波长为750nm-1000μm，IR 光与可见光有着相同的特性，例如反射率，而且它可以通过特殊灯泡或发光二极管生成。因为人眼无法看到IR 光，所以我们可以用它来完成一些特殊的人机界面任务，例如接近检测，而无需用户与系统进行任何直接接触。IR 接近传感系统能够检测附近物体的存在，并根据检测结果做出反应。IR 接近检测的应用无处不在。例如，手机可以使用接近传感技术检测通话时手机是否接近面部。当你把手机靠近耳边时，手机将检测到头的存在，从而自动关闭屏幕以节省电能。其他接近感应系统的例子包括皂液器和饮水机，你可以把手放在传感器附近（通常在皂液管或水龙头附近），以“非接触”而又卫生的方式获取皂液或水。 在高端汽车上，外部防碰撞系统也使用接近检测，当汽车与其他汽车或者物体太靠近时，接近检测会提醒司机注意。有些车辆还可以使用车内接近感应系统检测乘客的存在，从而调整安全装置（如安全气囊）。接近检测通过专门设计的IR LED 实现。与IR LED 相对应的是光电二极管，它一般用来检测LED 发出的IR 光。当IR LED 和光电二极管同方向放置时，光电二极管将不会检测到任何IR 光，除非有物体在 LED 的前面，将光反射回光电二极管。反射回光电二极管的光强与物体到光电二极管的距离逆向相关。图 1：一维空间动作检测单一 LED 和光电二极管相结合可以检测一些动作，例如可以检测物体是否靠近或远离光电二极管，这仅仅是一维空间检测。假设一个系统，其布局如图1 所示，单一LED 系统仅使用LED1 与IR 传感器。图2 是三个手势动作过程中Silicon Labs Si1120 传感器感应IR LED 后的输出值，其中Y 轴是反射的 IR 光强，X 轴是时间。三个手势包括沿图1 X 轴从左到右的滑动，沿Y 轴从底部到顶部的滑动，以及沿Z 轴由远及近，然后由近及远的往复动作。图2 表明，单一LED 系统不能区分这些手势，使用单一 LED，系统只能检测到物体正在接近或远离传感器，而不能判别其方向。图 2：单一LED 系统性能分析二维空间检测由位于不同位置的两个LED 和单个光电二极管组成。从LED1 得到一个测量值，然后快速从LED2 获得另一个测量值，两个测量值被用于计算二维空间上的物体位置。其中一维空间是接近 LED1
利用红外线传感器实现接近感应应用 在消费电子产品中，接近感应作为一种探测用户身体或手部存在的方法，越来越为人们所接受。该技术也能够用于动作感应，如检测用户手势。用户手势作为一种输入，可以应用于许多设备，如手机、计算机和其他家用电子产品。 要理解动作感应系统设计的理论基础，需要了解红外线(IR)与可见光的差异，探讨接近和动作感应系统如何在单一LED 下运行，以及动作感应在使用多个LED 进行多接近测量时如何工作。当我们谈及“光”时，通常指的是来自太阳或灯具的可见光，然而，可见光仅占光谱范围中的一小部分。我们把可见光定义为人眼可以识别的所有光线，通常人眼可以识别的光线波长为380-750nm。那么，人眼无法识别的非可见光（如波长为850 nm 光）又如何呢？ IR 辐射光的波长为750nm-1000μm，IR 光与可见光有着相同的特性，例如反射率，而且它可以通过特殊灯泡或发光二极管生成。因为人眼无法看到IR 光，所以我们可以用它来完成一些特殊的人机界面任务，例如接近检测，而无需用户与系统进行任何直接接触。 IR 接近传感系统能够检测附近物体的存在，并根据检测结果做出反应。IR 接近检测的应用无处不在。例如，手机可以使用接近传感技术检测通话时手机是否接近面部。当你把手机靠近耳边时，手机将检测到头的存在，从而自动关闭屏幕以节省电能。其他接近感应系统的例子包括皂液器和饮水机，你可以把手放在传感器附近（通常在皂液管或水龙头附近），以“非接触”而又卫生的方式获取皂液或水。在高端汽车上，外部防碰撞系统也使用接近检测，当汽车与其他汽车或者物体太靠近时，接近检测会提醒司机注意。有些车辆还可以使用车内接近感应系统检测乘客的存在，从而调整安全装置（如安全气囊）。接近检测通过专门设计的IR LED 实现。与IR LED 相对应的是光电二极管，它一般用来检测LED 发出的IR 光。当IR LED 和光电二极管同方向放置时，光电二极管将不会检测到任何IR 光，除非有物体在 LED 的前面，将光反射回光电二极管。反射回光电二极管的光强与物体到光电二极管的距离逆向相关。 图 1：一维空间动作检测 单一 LED 和光电二极管相结合可以检测一些动作，例如可以检测物体是否靠近或远离光电二极管，这仅仅是一维空间检测。假设一个系统，其布局，单一LED 系统仅使用LED1 与IR 传感器。图2 是三个手势动作过程中Silicon Labs Si1120 传感器感应IR LED 后的输出值，其中Y 轴是反射的 IR 光强，X 轴是时间。三个手势包括沿图1 X 轴从左到右的滑动，沿Y 轴从底部到顶部的滑动，以及沿Z 轴由远及近，然后由近及远的往复动作。图2 表明，单一LED 系统不能区分这些手势，使用单一 LED，系统只能检测到物体正在接近或远离传感器，而不能判别其方向。 图 2：单一LED 系统性能分析二维空间检测由位于不同位置的两个LED 和单个光电二极管组成。从LED1 得到一个测量值，然后快速从LED2 获得另一个测量值，两个测量值被用于计算二维空间上的物体位置。其中一维空间是接近 LED1（左）或接近LED2（右），而另一维空间是接近或远离光电二极管。图3 是与图2 相同的三个手势，其中白线代表从LED1 中读出的数据，红线代表从LED2 读出的数据。从左到右滑动过程中，白线上升，然后是红线。当手从左到右滑动时，LED1 反射IR 光到传感器，然后是LED2。 图 3：二维空间中手势性能分析三维空间动作检测由三个LED 和单个光电二极管组成。LED3 与LED1、LED2 不在同一直线上，，可以把LED1 和LED2 之间的连线看作X 轴，LED1 和LED3 之间的连线看作Y 轴，从光电二极管和LED 到被测物体之间的连线看作Z 轴。图4 显示了与图2 和图3 相同的测量过程，其中蓝线代表LED3 的测量数据。当手从左向右滑动
工作原理 摘要： 光电传感器是利用光电子应用技术，将光信号转换成电信号从而检测被测目标的一种装置。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温和气体成分等；也可用来检测能转换成光量的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度和加速度，以及物体形状、工作状态等。光电式传感器具有非接触，响应快，性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 关键字：光电元件、检测技术、传感器、应用 一、光电传感器工作原理 光电式传感器的物理基础是光电效应,即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为两大类,即外光电效应和内光电效应。外光电效应是指物质吸收光子并激发出自由电子的行为。当金属表面在特定的光辐照作用下,金属会吸收光子并发射电子,发射出来的电子叫做光电子。光的波长需小于某一临界值(相等于光的频率高于某一临界值)时方能发射电子,其临界值即极限频率和极限波长。由E =hn-W如果入射光子的能量hn大于逸出功W,那么有些光电子在脱离金属表面后还有剩余的能量,也就是说有些光电子具有一定的动能。因为不同的电子脱离某种金属所需的功不一样,所以它们就吸收了光子的能量并从这种金属逸出之后剩余的动能也不一样。由于逸出功W是使电子脱离金属所要做功的最小值,所以如果用 E 表示动能最大的光电子所具有的动能,那么就有下面的关系式E =hn-W (其中,h表示普兰克常量,n表示入射光的频率),这个关系式通常叫做爱因斯坦光电效应方程。 如
先进传感器的应用与发展传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。我国的国家标准对传感器的定义是“能感受规定的被测量件并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”，而在新韦伯斯特大辞典上的定义是“从一个系统接受功率，通常另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。 从这些定义上看，我们身边处处都有传感器的身影：楼道的声控灯，办公楼的自动门，手里用的触屏手机、相机，电子眼，红外线报警器，流量计，测速计，电子称，乃至一个小小的温度计，在某种意义上讲，也是一个简易的传感器。科技的发展，让传感器也有一个用简易到复杂的发展过程，到了现在，传感器在控制过程中的应用已经是相当的广泛，并且依旧有广阔的发展空间。 人们常将传感器称为人类五官的延长，因此传感器可以粗略的依靠视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉而分为五大类，下面就以这五大类传感器来谈谈现在的先进的传感器在过程控制工业与生活中的应用，以及这些传感器未来的发展趋势。 一、光敏传感器 光敏传感器类似于人类的视觉，可以依靠光线的颜色与亮度来进行系统的调节。其分类并不仅仅限于最简单的那些阻值随光线强弱变化的光敏电阻，光电管、光电倍增管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、色彩传感器、图像传感器等等都属于光敏传感器的范畴。下面简单介绍几类与控制领域相关的传感器的应用。 红外线传感器：如上文所说的自动门，当传感器检测到高温（生命体）信号时，可以控制门的自动打开，等高温信号在一定距离外消失后，又可以把门关上，这类应用，属于在未来很有研究潜力的领域——智能家居的范围。而一些重要的场合应用的红外线报警器，可以有效的进行防盗。红外线成像仪的作用类似于图像传感器，但是主要检测的高温物体，并且可以利用红外线的穿透性来检测一些在障碍物外的高温物体，这是图像传感器所不能达到的。 光敏电阻：生活中比较常见的楼道电灯的声光控开关，这类开关可以保证在白天光线较强的情况下，电灯是不能被打开的。而到了夜晚或者光线不足的情况时。可以通过声音来打开电灯。这样可以有效的节省能源。现在的触屏手机中的某些产品也有一些光敏电阻，可以根据所处环境的光线强弱来自动调节手机屏幕的亮度，这种人性化的设计也得益于光敏电阻的应用。 图像传感器：这类传感器的应用更为广泛，照相机、摄像头，尤其是现在的
关于红外传感器的报告 摘要：本文主要介绍一些关于红外传感器的一些基本知识和工作原理，从而让我们能够从一定程度上了解红外传感器这一传感器的种类。对于红外传感器的认识，能够帮助我们更好的利用红外传感器，让我们的生活或者工作更加方便和愉快。 关键字：红外辐射、传感器、原理、用途 红外传感器(也称为红外探测器)是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。而作为红外传感器的重要组成部分，红外辐射是不得忽略的重中之重。下面我们先介绍红外辐射的相关知识和原理。 一、红外辐射的工作原理简介： 红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围大致在0.76-1000μm之间，对应的频率大致在4×104至3×1011Hz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外4 个部分。 下图是红外线的电磁波谱图： 红外分区：在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域 (1)近红外区: 770 nm~ 1.5 μm (2)中红外区: 1.5 μm ~ 6μm (3)远红外区: 6μm ~ 40μm (4)极远红外区: 40μm ~ 1000μm 注意：这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。
红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度( -273 ℃)，就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。 红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积，即 c =λ f 。红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体都属于灰体。 二、红外线的物理特性： ①热效应 ②穿透云雾的能力强 ①热效应及应用： 一切物体都在不停的辐射红外线。物体的温度越高，辐射的红外线就越多。红外线照射到物体上最明显的效果就是产生热。冬天烤火，就是因为有大量的红外线从炉子里射到人身上，才能让我们感觉到热乎乎的。 人体生病的时候，虽然外面看起来没有什么变化，但是由于局部皮肤的温度不正常，如果在照相机里装上对红外感光的胶片，给皮肤拍照再与正常人的照片对比，可以对疾病作出诊断。这种相机拍出来的照片叫热谱图。 根据红外线的热效应，人们还研究出了红外线夜视仪。红外线夜视仪在漆黑的夜晚也可以发现人的存在。夜间人的体温比周围草木或建筑的温度高，人体辐射出来的红外线就比他们强。可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆等。 物体在辐射红外线的同时，也在吸收红外线。各种物体吸收了红外线以后温度就会升高。我们就可以利用红外线的热效应来加热物品。家庭用的红外线烤箱，浴室用的暖灯，也就是浴霸等等。物体加热可以利用红外线烘干汽车表面的喷漆，烘干稻谷等作物。 在医学上，还可以利用红外线的热效应进行理疗。在红外线照射下，组织温度升高，血流加快，物质代谢增强，组织细胞活力及再生能力提高。伤口就容易痊愈。 ②穿透能力强的应用： 穿透云雾的能力强(波长较长,易于衍射) ，由于一切物体，都在不停地辐射红外线，并且不同物体辐射红外线的强度不同，利用灵敏的红外线探测器接收物体发出的红外线，然后用电子仪器对接到的信号进行处理，就可以察知被测物体的形状和特征，这种技术叫做红外线遥感技术，可以用在卫星上勘测地热、寻找水源、监测森林火情、估计农作物的长势和收成。还有我们每天都要关注的天气预报，也是红外线遥感技术。 红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原于分子，如N2、H2、O2不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过
光电传感器原理 2007年05月21日星期一13:44
1.光电传感器原理 光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜μA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。 光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度 2.光电传感器应用 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测 物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽 灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。 LED（发光二极管） 发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED 的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。不象白炽灯那样，LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的 一部分。（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。 经调制的LED传感器 1970年，人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点，就是它能够以非常快的速度来开关，开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发
当前传感器技术的应用与发展 【摘要】传感器技术是当前科技的现代信息技术前沿技术之一，传感器技术水平高低作为一个国家科技发展水平高低的重要标志。传感器产业技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点，本文对常见传感器技术进行了说明，展望了传感器技术未来发展趋势。 【关键词】传感器技术光纤红外 一、引言 传感器是对被测对象的某一信息具有响应与检出功能，按照一定规律转换成输出信号的装置。传感器是研究对象与测控系统的接口位置，一切科学研究和生产过程所要获取的信息都要通过它转换为容易传输和处理的电信号。传感器技术是当前前沿技术，同计算机技术和通信技术共同被称为信息技术的三大支柱，现代传感器技术具有巨大的应用空间，其具有巨大发展前景。 二、传感器概述 传感器是指将被测量转化为定量认识的信号的传感器，其感受被测量，并按规律转化为输出信号的装置。传感器由敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分组成。传感器能感受到被测量的变化并将其不失真地转换成容易测量的量。被测量有一般有两种形式，一种是稳定的，称为静态信号。另一种是随着时间变化的，称为动态信号。传感器的基本特性用静态特性和动态特性来描述，衡量传感器的静态特性指标有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率和漂移等。影响传感器的动态特性主要是传感器的固有因素，如温度传感器的热惯性等，动态特性还与传感器输入量的变化形式有关[1]。
三、传感器技术历史 传感器技术是二十世纪中期出现的，随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展，欧美西方国家传感器研发及其相关技术产业的发展处于领先地位。我国从二十世纪六十年代开始传感技术的研究与开发，当前在传感器研究开发、设计、制造、可靠性改进等方面具备了一定能力，现初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系，并在数控机床攻关中取得了具有世界领先的成果。但国产传感器还不能完全适应我国经济与科技的迅速发展要求。 四、传感器技术的应用 （一）光纤测量技术。光纤测量技术的特点是分散测量的能力强。对测量值进行处理输出后，一根光纤整个长度可作为单独传感器，可提供优于点测量的断面测量。其灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁场干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适于远距离遥测、多路系统无地回路串音干扰、体积小、机械强度大、可灵活柔性挠曲、材料资源丰富、成本低等优点。光纤可实现的传感信息量很广。例如光导纤维本身就对压力和应变力极为敏感，光纤可同时作为压力、温度和应力传感器而使用。发达国家已将光纤用于测量磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、应变、电流、电压、传象和某些化学量等。光纤分布式温度传感器最大优点之一，是能经济地实现对大量地点的温度监视。国外正逐渐将它用于对电站关键部件的温度监视。例如DTS用光电元件测量出沿光纤整段长度的温度信号值，并实现连续刷新。人员可在控制室内通过屏幕观察温度变化情况，并可在设备温度恶化时作出相应操作。DTS有抗电磁干扰的能力，特别适合于在电磁或射频干扰的恶劣环境中使用。（二）红外测量技术。利用红外热效应及穿透力而开发的热图像红外传感器，用于检查金属、非金属等热处理和加工工序，监视轴承发热情况并对其进行热分析，对重要设备如发电机、汽轮机等进行非破坏性检查等。例如红外摄像机、红外辐射测温计、红外辐射热成像仪及其