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红外线传感器工作原理、类型及应用特点

386 2022-08-02 来源: IC先生 作者: IC先生

红外技术解决了各种各样的无线应用。主要领域是传感和遥控。在电磁波谱中,红外部分分为近红外区、中红外区和远红外区三个区域。

这些区域的波长及其应用如下所示:

  • 近红外区域:700nm至1400nm—红外传感器,光纤
  • 中红外区域:1400nm至3000 nm—热感应
  • 远红外区域:3000nm至1mm—热成像

此外,红外线的频率范围高于微波,低于可见光。

什么是红外传感器?

红外传感器,英文IR SENSOR,它是一种电子设备,以发射或检测红外辐射以感测其周围环境。红外传感器可以测量物体的热量并检测运动。通常情况下,在红外光谱中,所有物体都会辐射出某种形式的热辐射。

这些类型的辐射我们肉眼是不可见的,可以通过红外传感器检测到。发射器只是一个红外LED(发光二极管),检测器只是一个红外光电二极管,它对与红外LED发射的波长相同的红外光敏感。当红外光落在光电二极管上时,电阻和输出电压将与接收到的红外光的大小成比例地变化。

红外传感器

红外线传感器的类型

红外传感器分为主动红外传感器和被动红外传感器两大类。

1、有源红外传感器

这种有源红外传感器包括发射器和接收器。在大多数应用中,发光二极管用作光源,LED用作非成像红外传感器,而激光二极管用作成像红外传感器。

这些传感器通过能量辐射工作,通过辐射接收和检测。此外,可以使用信号处理器对其进行处理,以获取必要的信息。这种有源红外传感器的最佳示例是反射和断光传感器。

使用光电晶体管的典型红外接收器电路如下所示:

使用光电晶体管的典型红外接收器

2、被动红外传感器

被动红外传感器仅测量红外辐射,而不是发射它。被动红外传感器仅包括探测器,但不包括发射器。这些传感器使用诸如发射器或红外源之类的物体。该物体发射能量并通过红外接收器进行检测。之后,使用信号处理器来理解信号以获得所需的信息。

被动红外传感器的最佳示例是热释电探测器、测辐射热计、热电偶、热电堆等。

此外,被动红外传感器分为热红外传感器和量子红外传感器两种类型。热红外传感器不依赖于波长。这些传感器使用的能源被加热,热探测器的响应速度和探测时间都很慢;而量子红外传感器取决于波长,这些传感器包括高响应和检测时间,这些传感器需要定期冷却以进行特定测量。

典型红外发射器的示意图如下所示:

典型红外发射器的示意图如下所示。

工作原理

红外传感器的工作原理类似于物体检测传感器。该传感器包括一个红外LED和一个红外光电二极管,因此通过将这两者结合起来,可以形成一个光耦合器

工作原理

红外LED是一种发射红外辐射的发射器。该LED看起来与标准LED相似,并且由此产生的辐射对人眼是不可见的。红外接收器主要使用红外发射器检测辐射。这些红外接收器以光电二极管形式提供。红外光电二极管与普通光电二极管不同,因为它们仅检测红外辐射。红外接收器的种类主要根据电压、波长、封装等不同而存在。

一旦它被用作红外发射器和接收器的组合,那么接收器的波长必须等于发射器。这里的发射器是红外LED,而接收器是红外光电二极管。红外光电二极管响应通过红外LED产生的红外光。光电二极管的电阻和输出电压的变化与获得的红外光成正比,这正是红外传感器的基本工作原理。

一旦红外发射器产生发射,它就会到达物体,一些发射将反射回红外接收器。红外接收器可以根据响应的强度决定传感器输出。

红外传感器电路图

典型的红外感应电路如下所示:

红外传感器电路图

它由一个红外LED、一个光电二极管、一个电位器、一个运算放大器和一个LED组成。

红外LED发出红外线,光电二极管检测红外光,运算放大器用作电压比较器,电位器用于根据需要校准传感器的输出。

红外LED发出的光击中物体后入射到光电二极管上时,光电二极管的电阻会从一个巨大的值下降。运算放大器的输入之一处于电位器设置的阈值。运算放大器的另一个输入来自光电二极管的串联电阻。当入射辐射更多地作用在光电二极管上时,串联电阻上的电压降会很高。在运算放大器中,比较阈值电压和串联电阻两端的电压。如果电阻串联到光电二极管的电压大于阈值电压,则运算放大器的输出为高电平。当运算放大器的输出连接到LED时,它会亮起,可以根据环境条件通过调节电位器来调节阈值电压。

红外LED和红外接收器的位置是一个重要因素。当红外LED直接放在红外接收器前面时,这种设置称为直接入射。在这种情况下,几乎来自红外LED的全部辐射都将落在红外接收器上。因此,红外发射器和接收器之间存在视线通信。如果一个物体落在这条线上,它会通过反射辐射或吸收辐射来阻止辐射到达接收器。

使用晶体管的红外传感器电路

使用晶体管的红外传感器的电路图如下所示,即使用两个晶体管的障碍物检测电路。该电路主要用于使用红外LED进行障碍物检测。所以,这个电路可以用NPN和PNP这样的两个晶体管来构建。对于NPN,使用BC547晶体管,而对于PNP,使用BC557晶体管。这些晶体管的引脚排列是相同的。

使用晶体管的红外传感器电路

在上述电路中,一个红外LED始终打开,而另一个红外LED连接到PNP晶体管的基极端子,因为该红外LED充当检测器。该红外传感器电路所需的组件包括电阻器100欧姆和200欧姆、BC547和BC557晶体管、LED、红外LEDs-2。制作该红外传感器电路的分步过程包括以下步骤:

  1. 使用所需组件按照电路图连接组件
  2. 将一个红外LED连接到BC547晶体管的基极端子
  3. 将红外LED连接到同一晶体管的基极端子
  4. 将100Ω电阻连接到红外LED的剩余引脚
  5. 将PNP晶体管的基极端子连接到NPN晶体管的集电极端子
  6. 按照电路图中的连接方式连接LED和220Ω电阻
  7. 一旦电路的连接完成,然后将电源提供给电路进行测试

一旦检测到红外LED,来自物体的反射光将激活一个小电流,该电流将供应整个红外LED检测器。这将激活NPN晶体管和PNP,因此LED将打开。该电路适用于制作不同的项目,例如当人靠近灯光时自动启动灯。

区分黑色和白色光

普遍的情况是,黑色吸收入射在其上的全部辐射,而白色反射入射在其上的全部辐射。基于此原理,可以进行传感器对的二次定位。红外LED和光电二极管并排放置。当红外发射器发射红外辐射时,由于发射器和接收器之间没有直接的接触线,发射的辐射在撞击任何物体后必须反射回光电二极管。物体表面可分为反射面和非反射面两种。如果物体的表面本质上是反射性的,即它是白色或其他浅色,则大部分入射到其上的辐射将被反射回来并到达光电二极管。

根据反射回来的辐射强度,如果物体的表面本质上是非反射性的,即它是黑色或其他深色,它会吸收几乎所有入射到其上的辐射。由于没有反射辐射,因此没有辐射入射到光电二极管上,并且光电二极管的电阻保持较高,不允许电流流动。这种情况类似于根本没有物体。

上述场景的图示如下所示:

黑色和白色光

此外,红外发射器和接收器的定位和封装非常重要。发射器和接收器都必须放置在一定的角度,以便正确检测物体。该角度是传感器的方向性,为 +/- 45度。

为了避免物体以外的周围物体的反射,红外发射器和红外接收器都必须正确封闭。通常外壳由塑料制成,并涂有黑色。

主要应用

红外传感器根据应用分为不同类型,从而用于一些典型应用。例如速度传感器用于同步多台电机的速度;温度传感器用于工业温度控制;PIR传感器用于自动开门系统;超声波传感器用于距离测量。

红外传感器用于各种基于传感器的项目,也用于测量下面各种电子设备的温度,主要包括:

  • 辐射温度计
  • 火焰监测器
  • 水分测定仪
  • 气体分析仪
  • 红外成像设备

此外,红外传感器的关键性应用还包括以下几个方面:

  • 气象
  • 气候学
  • 光生物调制
  • 水分析
  • 气体探测器
  • 麻醉学测试
  • 石油勘探
  • 铁路安全

总结

就是就是关于红外传感器电路的工作和应用,这些传感器用于许多基于传感器的电子项目。具有不需要与物体接触即可进行检测、没有数据泄漏、不受氧化和腐蚀的影响、抗噪能力非常强等优势特点,其应用范围在日常生活中非常的广泛。

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红外线传感器工作原理、类型及应用特点


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