一、紅外傳感器的工作原理

紅外傳感器，又稱為紅外探測(cè)器或紅外轉(zhuǎn)換器（infrared transducer），是一種能夠感應(yīng)紅外線并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器。紅外線，即紅外光，是電磁波譜中波長介于可見光和微波之間的部分，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等物理特性。紅外傳感器利用這些特性，通過非接觸的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的檢測(cè)、測(cè)量和監(jiān)控，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、安防監(jiān)控、智能家居、醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等多個(gè)領(lǐng)域。

紅外傳感器的工作原理主要基于以下幾種效應(yīng)：

1. 熱電效應(yīng)
   熱電效應(yīng)是指當(dāng)兩種不同材料之間存在溫差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。在紅外傳感器中，熱電偶被用來檢測(cè)目標(biāo)表面與參考表面之間的溫差。當(dāng)紅外輻射照射到目標(biāo)表面時(shí)，目標(biāo)表面吸收輻射并受熱，導(dǎo)致表面溫度升高。熱電偶通過測(cè)量這種溫差，進(jìn)而計(jì)算出目標(biāo)表面的溫度。這種原理在紅外測(cè)溫儀中得到了廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、非接觸式的溫度測(cè)量。
2. 光電效應(yīng)
   光電效應(yīng)是指光子與物質(zhì)相互作用，使物質(zhì)吸收光子能量并釋放出光電子的現(xiàn)象。在紅外傳感器中，光電效應(yīng)通常用于測(cè)量目標(biāo)表面的反射率和透過率。紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外線遇到物體后，部分光線被反射回來，由紅外接收器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過測(cè)量反射光的強(qiáng)度，可以判斷物體的存在、距離和表面特性。此外，光電效應(yīng)還用于制作光電二極管、光電倍增管等光電傳感器件，它們?cè)诩t外成像、光譜分析等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
3. 熱釋電效應(yīng)
   熱釋電效應(yīng)是指某些晶體材料在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生電壓信號(hào)。在紅外傳感器中，熱釋電效應(yīng)被用于測(cè)量目標(biāo)表面的發(fā)射率。當(dāng)目標(biāo)表面發(fā)射的紅外輻射通過晶體時(shí)，晶體的電極化現(xiàn)象發(fā)生變化，產(chǎn)生電壓信號(hào)。通過測(cè)量這個(gè)電壓信號(hào)，可以確定目標(biāo)表面的發(fā)射率，進(jìn)而分析目標(biāo)表面的性質(zhì)和溫度分布。熱釋電紅外傳感器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，但需要在溫度變化的過程中才能產(chǎn)生電信號(hào)輸出。

二、紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

紅外傳感器通常由光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路三個(gè)部分組成：

• 光學(xué)系統(tǒng) ：負(fù)責(zé)接收和聚焦紅外輻射，將其引導(dǎo)至檢測(cè)元件。光學(xué)系統(tǒng)通常由透鏡、濾光片等組成，用于提高傳感器的靈敏度和抗干擾能力。
• 檢測(cè)元件 ：是紅外傳感器的核心部分，負(fù)責(zé)將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。檢測(cè)元件的種類很多，包括熱電偶、熱敏電阻、光電二極管、光電倍增管等。不同類型的檢測(cè)元件具有不同的特性和應(yīng)用場(chǎng)景。
• 轉(zhuǎn)換電路 ：將檢測(cè)元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和轉(zhuǎn)換處理，最終輸出可供后續(xù)電路或系統(tǒng)使用的信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)對(duì)傳感器的性能有重要影響。

三、紅外傳感器的應(yīng)用

紅外傳感器因其非接觸、靈敏度高、反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用：

1. 自動(dòng)控制
   在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，紅外傳感器被用于檢測(cè)物體的位置、速度和形狀等信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的精確控制。例如，在流水線上，紅外傳感器可以檢測(cè)產(chǎn)品的存在和位置，控制機(jī)械臂的抓取和放置動(dòng)作；在自動(dòng)門系統(tǒng)中，紅外傳感器可以檢測(cè)行人的接近并自動(dòng)開啟門扉。
2. 安防監(jiān)控
   紅外傳感器在安防監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。通過檢測(cè)人體發(fā)出的紅外輻射，紅外傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵者的檢測(cè)和報(bào)警。這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于家庭、辦公室、倉庫、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所的防盜報(bào)警系統(tǒng)中。此外，紅外傳感器還可以與視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的全方位監(jiān)控和錄像。
3. 智能家居
   隨著智能家居的興起，紅外傳感器在智能家居系統(tǒng)中也得到了廣泛應(yīng)用。通過檢測(cè)人體的紅外輻射和動(dòng)作信息，紅外傳感器可以實(shí)現(xiàn)智能照明、智能溫控等功能。例如，當(dāng)人體進(jìn)入房間時(shí)，紅外傳感器可以自動(dòng)開啟燈光和空調(diào)；當(dāng)人體離開房間時(shí)，則自動(dòng)關(guān)閉這些設(shè)備以節(jié)約能源。
4. 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
   在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，紅外傳感器被用于無接觸溫度測(cè)量和疾病診斷。例如，采用紅外傳感器可以遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度的熱像圖，發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位從而輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷。此外，紅外傳感器還可以用于測(cè)量血液流速、監(jiān)測(cè)心臟功能等醫(yī)療應(yīng)用中。
5. 軍事和空間技術(shù)
   在軍事和空間技術(shù)領(lǐng)域，紅外傳感器被用于目標(biāo)跟蹤、導(dǎo)彈制導(dǎo)和衛(wèi)星遙感等方面。通過檢測(cè)目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射并進(jìn)行分析處理，紅外傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確跟蹤和定位。此外，在衛(wèi)星遙感領(lǐng)域中，紅外傳感器被用于監(jiān)測(cè)地球云層、海洋溫度等環(huán)境參數(shù)以支持天氣預(yù)報(bào)和氣候變化研究。
6. 無損檢測(cè)
   無損檢測(cè)是指在不破壞樣品的情況下對(duì)樣品進(jìn)行物理或化學(xué)性質(zhì)的檢測(cè)。紅外傳感器在無損檢測(cè)領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。無損檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)，用于確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全。紅外傳感器在無損檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用尤為突出，主要得益于其非接觸性、高精度和快速響應(yīng)的特點(diǎn)。

四、紅外傳感器在無損檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)是無損檢測(cè)中紅外傳感器的重要應(yīng)用之一。該技術(shù)通過測(cè)量物體表面的紅外輻射，生成熱圖像，從而揭示物體內(nèi)部的溫度分布。由于不同材料、缺陷或結(jié)構(gòu)在受到熱激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的熱響應(yīng)，紅外熱成像技術(shù)能夠識(shí)別出物體內(nèi)部的異?；蛉毕?，如裂紋、空洞、腐蝕等。這種技術(shù)在航空航天、電力、建筑、汽車制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，用于檢測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的潛在問題，提高產(chǎn)品的可靠性和安全性。

2、紅外光譜分析

除了熱成像技術(shù)外，紅外光譜分析也是紅外傳感器在無損檢測(cè)中的另一種重要應(yīng)用。紅外光譜分析利用物質(zhì)對(duì)不同波長紅外光的吸收、反射或透射特性，通過測(cè)量紅外光譜圖來獲取物質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分信息。這種方法具有非破壞性、快速性和高精度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在無損檢測(cè)中，紅外光譜分析可以用于檢測(cè)材料表面的污染、涂層厚度、化學(xué)成分等，為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供重要依據(jù)。

3、 紅外熱波檢測(cè)

紅外熱波檢測(cè)是一種結(jié)合紅外熱成像和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)原理的無損檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)通過在物體表面施加短時(shí)間的熱激勵(lì)（如脈沖激光或快速加熱），觀察并記錄物體表面溫度隨時(shí)間的變化過程，從而分析物體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)特性。由于缺陷或不同材料之間的熱傳導(dǎo)性能存在差異，紅外熱波檢測(cè)能夠識(shí)別出這些差異，并據(jù)此判斷物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷情況。這種方法在復(fù)合材料、金屬構(gòu)件、陶瓷制品等材料的無損檢測(cè)中表現(xiàn)出色。

4、 紅外夜視儀與熱成像儀

雖然紅外夜視儀和熱成像儀主要用于夜間觀察和熱成像拍攝，但它們同樣可以被視為紅外傳感器在特定環(huán)境下的無損檢測(cè)工具。紅外夜視儀通過接收夜間環(huán)境中微弱的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換為可見光圖像，幫助人們?cè)谝归g進(jìn)行觀察和導(dǎo)航。而熱成像儀則能夠捕捉并顯示物體表面的溫度分布圖像，在夜間或低光環(huán)境下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤。這些設(shè)備在軍事偵察、搜救行動(dòng)、野生動(dòng)物觀察等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，同時(shí)也為建筑檢查、消防救援等場(chǎng)景下的無損檢測(cè)提供了有力支持。

紅外傳感器以其獨(dú)特的工作原理和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在現(xiàn)代科技和工業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色。從自動(dòng)控制到安防監(jiān)控，從智能家居到醫(yī)學(xué)診斷，再到無損檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域，紅外傳感器都展現(xiàn)出了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，紅外傳感器的性能將不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣泛和深入。未來，我們有理由相信紅外傳感器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用，推動(dòng)科技和工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

五、紅外傳感器電路圖

1、使用運(yùn)算放大器的紅外傳感器電路圖

紅外傳感器電路是電子設(shè)備中基本且流行的傳感器模塊之一。該傳感器類似于人類的視覺感官，可用于檢測(cè)障礙物，是實(shí)時(shí)的常見應(yīng)用之一。

在該項(xiàng)目中，發(fā)射器部分包括一個(gè)紅外傳感器，它發(fā)射連續(xù)的紅外射線，由紅外接收器模塊接收。接收器的IR輸出端子根據(jù)其接收的IR射線而變化。由于無法對(duì)這種變化進(jìn)行分析，因此可以將該輸出饋送到比較器電路。這里使用LM 339的運(yùn)算放大器(op-amp)作為比較器電路。

當(dāng)紅外接收器沒有接收到信號(hào)時(shí)，反相輸入端的電位高于比較器 IC (LM339) 的非反相輸入端。因此，比較器的輸出變低，但 LED 不發(fā)光。當(dāng)IR接收器模塊接收到信號(hào)時(shí)，反相輸入端的電位變低。因此，比較器 (LM 339) 的輸出變高，LED 開始發(fā)光。

電阻器 R1 (100Ω)、R2 (10kΩ) 和 R3 (330Ω) 用于確保至少 10mA 的電流分別通過光電二極管和普通 LED 等 IR LED 器件。電阻VR2（預(yù)設(shè)=5k）用于調(diào)節(jié)輸出端子。電阻VR1（預(yù)設(shè)=10k）用于設(shè)置電路圖的靈敏度。了解有關(guān)紅外傳感器的更多信息。

2、使用晶體管的紅外傳感器電路圖

使用晶體管的紅外傳感器的電路圖，即使用兩個(gè)晶體管進(jìn)行障礙物檢測(cè)的電路圖如下所示。該電路主要用于使用 IR LED 進(jìn)行障礙物檢測(cè)。因此，該電路可以用 NPN 和 PNP 等兩個(gè)晶體管構(gòu)建。對(duì)于 NPN，使用 BC547 晶體管，而對(duì)于 PNP，使用 BC557 晶體管。這些晶體管的引腳排列是相同的。

在上述電路中，一個(gè)紅外 LED 始終打開，而另一個(gè)紅外 LED 與 PNP 晶體管的基極端子相連，因?yàn)樵摷t外 LED 充當(dāng)檢測(cè)器。該紅外傳感器電路所需的組件包括電阻 100 歐姆和 200 歐姆、BC547 和 BC557 晶體管、LED、紅外 LED-2。

一旦檢測(cè)到紅外 LED，物體反射的光就會(huì)激活一個(gè)小電流，為整個(gè) IR LED 檢測(cè)器供電。這將激活 NPN 晶體管和 PNP；因此 LED 將亮起。該電路適用于制作不同的項(xiàng)目，例如一旦人靠近燈就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)燈。

3、基于IC NE555的紅外傳感器電路圖

作為電子專業(yè)的學(xué)生，??我們一直聽說紅外技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域來制造不同的設(shè)備和產(chǎn)品。例如，我們?cè)诩抑惺褂玫碾娨暿褂眉t外傳感器來確定來自人眼看不到的遙控器的信號(hào)。但什么是紅外傳感器？檢測(cè)紅外輻射的傳感器。紅外傳感器包含紅外 LED 和紅外光電二極管。傳感器中的 LED 幾乎與標(biāo)準(zhǔn) LED 相似。

有兩種類型的紅外傳感器：有源傳感器，包括發(fā)射器和接收器；無源傳感器，僅包括接收器/檢測(cè)器，沒有發(fā)射器。為了避免環(huán)境的補(bǔ)充反射，發(fā)射器和接收器都應(yīng)該用塑料和涂成黑色的外殼適當(dāng)封閉。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將制作一個(gè)紅外電路傳感器。

紅外 LED 由 IC NE555 驅(qū)動(dòng)，該 IC 的接線頻率約為 120Hz，峰值電流為 300mA，占空比為 0.8 毫秒。二極管 D1 將 IR 輸出提供給二極管 D2。然后該信號(hào)被提供給運(yùn)算放大器 IC LM358 的反相引腳，該引腳被放大并提供給 D4 和 C4。二極管 D4 產(chǎn)生正向電壓，該電壓被 D3、R5 和 R6 抵消。向 IC2 LM358 的反相端提供直流電壓。 LED 根據(jù)比較器的結(jié)果點(diǎn)亮和熄滅。比較器的輸出由電路中的電位器設(shè)定。比較器輸出提供給 Q1，驅(qū)動(dòng)電路的繼電器或負(fù)載。