1.5 红外传感器

红外技术涵盖了广泛的各种无线应用，主要领域包括传感和遥控。在电磁波谱中，红外部分被划分为三个区域：近红外区域、中红外区域和远红外区域。

各红外区域的波长及其应用如下所示：

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

红外的频率范围高于微波，低于可见光。

对于光学传感和光通信，光电子技术在近红外区域被广泛使用，因为光作为信号源时比射频（RF）更为简单。光学无线通信在短距离应用中通过红外数据传输实现。

红外传感器

红外传感器通过发射和/或检测红外辐射来感知周围环境。

任何红外传感器的工作原理都受到三条定律的支配：普朗克辐射定律、斯特藩 - 玻尔兹曼定律和维恩位移定律。

普朗克定律指出：“任何物体在温度不等于 0 K 时都会发射辐射”。斯特藩 - 玻尔兹曼定律指出：“在所有波长下，黑体发射的总能量与绝对温度的四次方成正比”。根据维恩位移定律，“黑体在不同温度下的辐射曲线会在与温度成反比的波长处达到峰值”。

作为障碍物检测器使用的红外传感器的基本概念是：发射红外信号，该信号从物体表面反射回来，并在红外接收器处被接收。

典型的红外检测系统包含五个基本要素：红外源、传输介质、光学元件、红外探测器或接收器以及信号处理。红外激光和特定波长的红外发光二极管（LED）可以用作红外源。用于红外传输的三种主要介质是真空、大气和光纤。光学元件用于聚焦红外辐射或限制光谱响应。

由石英、锗和硅制成的光学透镜用于聚焦红外辐射。红外接收器可以是光电二极管、光电三极管等。红外接收器的一些重要规格包括光敏性、探测性和噪声等效功率。由于红外探测器的输出非常小，因此信号处理由放大器完成。

红外传感器的类型

红外传感器可以是被动式的或主动式的。被动红外传感器本质上是红外探测器。被动红外传感器不使用任何红外源，而是探测视野范围内物体发射的能量。它们分为两种类型：量子型和热型。热红外传感器使用红外能量作为热源，与波长无关。热电偶、热释电探测器和辐射热计是常见的热红外探测器类型。

量子型红外探测器提供更高的探测性能，并且比热型红外探测器更快。量子型探测器的光敏性取决于波长。量子型探测器进一步分为两种类型：本征型和外征型。本征型量子探测器包括光电导管和光伏电池。

主动红外传感器包含两个元件：红外源和红外探测器。红外源包括发光二极管或红外激光二极管。红外探测器包括光电二极管或光电三极管。红外源发射的能量被物体反射后落在红外探测器上。

红外发射器

红外发射器是一种发光二极管（LED），能够发射红外辐射，因此被称为红外 LED。尽管红外 LED 的外观与普通 LED 类似，但它发射的辐射对人眼是不可见的。

典型的红外 LED 的图片如下所示。

根据波长、输出功率和响应时间的不同，存在多种类型的红外发射器。

使用红外 LED、限流电阻和电源可以构建一个简单的红外发射器。典型的红外发射器的电路图如下所示。

在 5 V 的电源下工作时，红外发射器消耗约 3 到 5 mA 的电流。红外发射器可以通过调制来产生特定频率的红外光。最常用的调制方式是开关键控（OOK）调制。

红外发射器在许多应用中都有所发现。一些应用需要红外热能，而最好的红外源就是红外发射器。当红外发射器与石英一起使用时，可以制造太阳能电池。

红外接收器

红外接收器也被称为红外传感器，因为它们能够探测来自红外发射器的辐射。红外接收器的形式包括光电二极管和光电三极管。红外光电二极管与普通光电二极管不同，因为它们只探测红外辐射。典型的红外接收器或光电二极管的图片如下所示。

根据波长、电压、封装等的不同，存在不同类型的红外接收器。当用于红外发射器 - 接收器组合时，接收器的波长应与发射器匹配。

使用光电三极管的典型红外接收器电路图如下所示。

它包括一个红外光电三极管、一个二极管、一个 MOSFET、一个电位器和一个 LED。当光电三极管接收到任何红外辐射时，电流通过它流动，MOSFET 被打开。这反过来点亮了作为负载的 LED。电位器用于控制光电三极管的灵敏度。

红外传感器工作原理

红外传感器作为物体检测传感器的工作原理可以用下图来解释。红外传感器包括一个红外 LED 和一个红外光电二极管；它们一起被称为光电耦合器或光耦合器。

当红外发射器发射辐射时，辐射到达物体，部分辐射反射回红外接收器。根据红外接收器接收的强度，传感器的输出被定义。

障碍物检测电路或红外传感器电路图

典型的红外感测电路如下所示。

它包括一个红外 LED、一个光电二极管、一个电位器、一个运算放大器集成电路和一个 LED。

红外 LED 发射红外光。光电二极管检测红外光。运算放大器集成电路用作电压比较器。电位器用于根据需要校准传感器的输出。

当红外 LED 发出的光在击中物体后照射到光电二极管上时，光电二极管的电阻从一个很大的值下降。运算放大器的一个输入端处于由电位器设定的阈值电压。运算放大器的另一个输入端来自光电二极管的串联电阻。当入射到光电二极管上的辐射更多时，串联电阻上的电压降会更高。在集成电路中，阈值电压和串联电阻上的电压被比较。如果串联电阻上的电压大于阈值电压，运算放大器集成电路的输出为高电平。由于运算放大器集成电路的输出连接到一个 LED，因此 LED 会亮起。可以根据环境条件调整电位器来设置阈值电压。

红外 LED 和红外接收器的定位是一个重要因素。当红外 LED 直接对着红外接收器时，这种设置被称为直接入射。在这种情况下，红外 LED 发出的几乎所有辐射都会落在红外接收器上。因此，红外发射器和接收器之间存在视线通信。如果物体落在这条线上，它会阻碍辐射到达接收器，要么通过反射辐射，要么通过吸收辐射。

区分黑色和白色

众所周知，黑色吸收所有入射在其上的辐射，而白色反射所有入射在其上的辐射。基于这一原理，可以进行传感器对的第二种定位。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联系，发射的辐射必须在击中任何物体后反射回光电二极管。物体的表面可以分为两种类型：反射表面和非反射表面。如果物体的表面是反射性的，即它是白色或其他浅色，大部分入射在其上的辐射将被反射回去并到达光电二极管。根据反射回来的辐射强度，光电二极管中有电流流动。

如果物体的表面是非反射性的，即它是黑色或其他深色，它几乎吸收所有入射在其上的辐射。由于没有反射辐射，没有辐射到达光电二极管，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存在。

上述情况的示意图如下所示。

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以一定角度放置，以便正确检测物体。这个角度是传感器的方向性，为 ±45 度。

方向性如下所示。

为了避免来自物体以外的周围物体的反射，红外发射器和接收器都必须正确封装。封装通常由塑料制成，并涂成黑色。