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紅外線感測器

紅外線感測器. 光電四 A 4990B003 許盈薇. 光學感測器的定義. 光學感測器是利用 光敏元件 將光訊號轉換為電訊號的感測器。 常用光敏元件的感應波長在可見光波長附近 ﹐ 如紅外線波長和紫外線波長。 光學感測器不只是應用於光的測量 ﹐ 更常用於作為探測元件 ﹐ 組成其它類型的感測器 ﹐ 對非電量（如溫度等）進行檢測 ﹐ 只要將這些非電量轉換為光訊號的變化 ﹐ 便可實現對非電量的檢測。. 感測器 (Sensor) 種類包括以 物理原理：以金屬元件為主 光 ( 紅外線 ) 、磁力 振動、超音波 ( 距離 ) 、壓力 化學原理：以電位化學量來感測

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紅外線感測器

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  1. 紅外線感測器 光電四A 4990B003 許盈薇

  2. 光學感測器的定義 光學感測器是利用光敏元件將光訊號轉換為電訊號的感測器。 常用光敏元件的感應波長在可見光波長附近﹐如紅外線波長和紫外線波長。 光學感測器不只是應用於光的測量﹐更常用於作為探測元件﹐組成其它類型的感測器﹐對非電量（如溫度等）進行檢測﹐只要將這些非電量轉換為光訊號的變化﹐便可實現對非電量的檢測。

  3. 感測器(Sensor)種類包括以 • 物理原理：以金屬元件為主 • 光 (紅外線)、磁力 • 振動、超音波 (距離)、壓力 • 化學原理：以電位化學量來感測 • 氣體 (瓦斯、一氧化碳等)、離子 • 溫 (溼) 度 • 生物原理：以生物材料為感測元件 • 醫療、空氣品質之監測 等做為檢出的對象感測器

  4. 紅外線感測器種類(續) 量子型紅外線感測器 原理是利用光電效應來感應溫度的變化，例如光二極體，以及利用光電效應的 CdS、PbS等元件。 紅外線感測器 CNY70光感測器 紅外線LED 與接收器

  5. 紅外線感測器使用方式 紅外線感測器使用方式可分為 主動式（遮斷式） 由一組紅外線發射器與接收器所組成。 發射器必須不斷發射近紅外線至接收端，屬於一維點對點感應方式。 適用於室內或室外點對點的直線距離使用 。 被動式 而被動式人體紅外線感測器（又稱為PIR） 感應器本身不會發射紅外線光束，而是靠物體之熱源移動觸發感應器，屬於二維或三維的感應方式。 適用於室內封閉空間防盜器、感應照明。

  6. 主動式紅外線感測器使用方式 主動式紅外線感測器為利用紅外光線以檢知受體的一種感測器。 使用上分為二類： 反射型：紅外線光源與感光元件並排放置，紅外線光線是否自物體反射來判斷物體的方式。

  7. 主動式紅外線感測器使用方式(續) 遮光型：紅外線光源與感光元件設置相向的位置，當從紅外線光源射往感光元件的光線被遮斷時，即判斷其間有物體存在的方向。

  8. 紅外線感測器之應用 工業上的應用—計件器 以電子電路偵測紅外線發射與接收之間的阻隔或反射情形來判斷是否物體通過。 物體反射紅外線 物體阻隔紅外線

  9. 紅外線感測器之應用(續) 耳溫槍(或額溫槍) 人體在不同體溫時，輻射出的紅外線頻率會有微量的不同。因此，透過紅外線偵測器，就可以測出人的體溫。

  10. 紅外線感測器之應用(續) 警報系統 利用焦電型紅外線感測器，可偵測人體幅射出的紅外線，也有些是利用紅外線發射器與接收器之間的接收狀況，來偵測是否有物體的存在。

  11. 紅外線感測器 依紅外線的波長範圍和紅外線輻射源可區分為 近紅外線(Near Infra-red, NIR)；780~2,000nm。 中紅外線(Middle Infra-red, MIR)；2,000~6,000nm。 遠紅外線(Far Infra-red, FIR)；6,000~14,000nm。 物體只要高於絕對零度(攝氏-273.15K)，即會產生黑體幅射 用下列式子表示: 我們用此公式，可以計算人體表面溫度近似波峰在9.4 ，從圖一我們可以之知道一個發熱體2000K，我們可能看到發可見光，一個發熱體500K，我們不可能看到發可見光，確能感到其產生熱氣。 圖:黑體幅射曲線，在不同溫度時產生不同曲線

  12. 紅外線感測器之應用(續) 夜間拍攝 利用紅外線發射器發射紅外線，再利用紅外線感測器接收反射回來的紅外線，因此,可在黑夜中拍攝影像。

  13. 紅外線感測器之應用(續) 自走車—循線感測器 利用反射式紅外線感測器達成循跡動作

  14. 熱像儀器所配備鏡頭為能使3-5μm 或8-14μm 波段紅外線穿透的材質所研磨成的透鏡組，其中3-5μm 波段以矽(Si) 材質透鏡最常見，8-14μm 則以鍺(Ge)或ZnSe材質最常見；視窗過濾片方面(Window filter)亦是以Si 或Ge材質為主。 • 由於進光量影響靈敏度，加上以Si 或Ge為材質的紅外光穿透率相較於可見光的石英等材質並不高，以至於紅外光鏡頭多採低F-number 設計(如F/0.8, F/1, F/1.5, F/1.8...)來增加進光度。 • 常溫紅外線感測器常用波段為8-14μm，透鏡也有用較便宜材料PE OR LDPE…等等，但其穿透率約40~50%，常用於PIR 或THERMOPILE 方面。 圖:PKI 紅外線穿透率對波長曲線。

  15. 紅外線常用材質如圖，包括電阻式的VOxolometer與壓電感應式的BST Pyroelectric為主，PZT 壓電陶瓷(鋯鈦酸系材料）。 材料不一樣，讀出訊號方式也不同，基本上要將訊號轉換成電壓，以利後面 A/D or 放大器處理，Responsivity決定材料訊號大小，下列將介紹各種材料原 理及工作方式。 圖:PKI 偵測不同氣體用不同過濾片一覽 圖:紅外線常用材料特性

  16. PIR SENSOR ELEMENT 需求至少兩片或更多，因為PIR 對振動也會感測到訊號，因此用兩片對接，可以降低振動感測訊號，約降低振動訊號100~1000倍，對於焦電材料電阻大於10^12 歐姆，因此1/f 雜訊相當大，1/f 又是PIR 主要雜訊，其雜訊公式如下。 圖六:PIR 內部結構。 PIR 此人體紅外線感測器是以TGG（三甘氨酸硫酸鹽或）PZT（汰酸系壓電材料）等強介質所作成的紅外光感測器，電源工作電壓為3~15VDC，使用溫度範圍在-10℃~+50℃，源極的輸出信號極小，但相對THERMOPILE 算很大，一般需要接源極到地電組，約10k~47k.歐姆之間，僅有數mV 到數十mV，能接受所有熱體所輻射出來的紅外線（包括人體），其訊號特性如同子彈射入砂堆內，產生大訊號，接著不久即消失，除非重復產生訊號。

  17. THERMOPILE 感測器: 圖:各項物體對熱傳導能力，明顯固體大於液體，液體大於汽體。 1823 年，Seebeck發現由兩種不同金屬接合成的線路上，若兩接點間有溫差時，即會產生電位差。這個現象即是熱電偶 (thermal couples) 測量溫度梯度及熱電產生(thermoelectric generator) 之工作原理。由於一般材料的熱電效率低，不能引起科學家廣泛的興趣，熱電現象這個領域幾乎停滯不前。製造熱電產生器或熱電偶致冷器的材料稱為熱電(thermoelectric materials)，是一種將電能與熱能交互轉變的材料，THERMOPILE 即用此材料特性做成。 圖:金屬兩端冷熱不同，會產生電壓差。

  18. THERMOPILE 與BOLOMETER 多採用空中懸浮板方式感測訊號，以避免熱能散失太快，參考圖八，THERMOPILE 因材料用金屬感測訊號，產生電壓訊號非常小但其雜訊很低，故S/N 訊號比PIR 好。 THERMOPILE 用放大讀取訊號，OP 需要選取具有LOW OFFSET，LOWNOISE 的放大器，否則微小訊號將被OP OFFSET 吃掉，量不到訊號，後極放大也無法處理。 圖:上圖為THERMOPILE 對溫度變化，會產生電壓差，其相對PIR 訊號小很 多。

  19. 結論 這裡討論中紅外線與遠紅外線常溫環境工作產品，由於材料不同用途也不同，讀取訊號方式也不同，PIR 與THERMOPILE 使用單一元件較多，之前多是類比式，最近有些數位式上市，適合需要體積小產品，或設計要求省開發時間產品，THERMOPILE ARRAY 目前有使用低點數ARRAY，客戶認為點數16*16OR 32*32 較有市場，BOLOMETER 國內外開發很久，BOLOMETER ARRAYSENSOR 目前以法國商業化最成熟。

  20. 參考資料: • [1] PerkinElmer “INFRARED SENSING TECHNOLOGIES-FOR A • HEALTHIER,CLEANER AND SAFER TOMORROW”，SECTION 1，page • 7~11,2008。 • [2] EXCELITAS “Infrared Sensing For Secure Homes, Healthier Families • and Energy Savings”, SECTION 1，page 7~11,2010。 • http://www.seraphim.com.tw/upfiles/c_supports01318413053.pdf

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