红外探测器的基本原理 - 安防知识网

一、名词解释
1．什么是接近探测器（传感器）
接近探测器（传感器）是一种当入侵者接近它时能触发报警的探测装置。在接近探测器中，通常有一个高频率的LC震荡电路，震荡电路的LC回路通过导线连通到外部的金属部件上。当人体靠近时，通过空间的电磁偶合，会改变LC回路的谐振频率，引起震荡频率改变，探测器的检测电路能够识别这种频率的改变而发出警示信号。

接近探测器比较适用于室内，如对写字台、文件柜、保险柜等一些特殊物件提供保护，也可以用于对门窗的保护。通常被保护的物件是金属的，实际上可以构成保护电路的一部分，因而只要有人试图破坏系统时，就会立即触发报警。

接近探测系统的主要优点是多用性和通用性，它几乎可用来保护任何物体，而且不会被几米以外的干扰所激发。一旦有人靠近或接触到珠宝箱、文件柜、门窗准备行窃时，便会触发报警，但在附近的正常业务工作可以照常进行。

接近探测器的电路设计，需要注意几个关键的技术要点：①频率的选择，频率太低检测灵敏度低，太高容易产生误报，还要尽量避开电台频率点；②耗电量要小，接近探测器有时被做成一个小巧的便携式报警器，需要使用电池供电，而且使用电池供电也有利于提高电路的抗干扰能力，减少误报；③LC震荡回路的谐振频率，还会受外界环境因素（如温度和湿度）的影响，因此检测震荡频率的缓慢变化没有意义，应该检测震荡频率的突然变化，只有震荡频率的“突变”才与可能的盗情相关。

2．什么是移动/震动探测器机器
能够探测固定物体位置被移动的传感器称为移动探测器。其实运动是无处不在的，地球在转动，地球上的任何东西都在“移动”，这里所要探测的其实是相对的移动，比如放置在桌面上的物体被移开了桌面、停放的车辆被开动或搬动了等等。

移动探测器材最适合于如文件柜、保险箱等贵重、机要特殊物件的保护，也适宜于与其他系统结合使用，来防止盗贼破墙而入。移动探测器的有效性与应用的正确与否有很大关系。它常常用来对某些一般情况下有人员在活动的保护区内的特殊物件提供保护。

探测被警戒的物体发生移动，必须找到移动所能够产生的物理量变化，现在至少有：机械方法、光学方法、电磁方法、震动探测法。

3．什么是主动光入侵探测器
光以直线传播，因此称为“光线”，如果光的传播路径被阻挡，光线既中断，光不能继续传播。主动光入侵探测器就是利用了光的直线传播特性作入侵探测，由光发射器和光接收器组成，收、发器分置安装，收发器之间形成一道光警戒线，当入侵者跨越该警戒线时，阻挡了光线，接收器失去光照而发出报警信号。

一般情况下，选择可见光光谱之外的红外辐射光作为发射器的光源，使入侵者不能够察觉警戒光线的存在。为了避免受自然日光照射的干扰，通常采取两种技术措施：
①在接收器的受光窗口上加滤色镜，过滤其他的光线；
②对发射器光线进行幅度（强度）调制，具体做法是：使用红外线发光二极管作发射器光源的发光器件，并且使用频率为几KHz的调制信号，对发射器光源的供电电源的电压或电流进行调制，使发射器发出的光线强度也按照调制信号的规律变化。在接收器中，采用红外接收二极管接收光信号，并通过具有调谐回路的放大器对信号进行选频放大，这样就可以滤除与调制信号频率不同的其他信号的干扰，日光是不受任何调制的的稳定光线，它在接收二极管上产生的信号，自然也就被滤除而不产生响应。

4．什么是被动式红外探测器
利用“黑体辐射”的物理学原理：只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四周辐射光线，辐射的光线波长与物体的温度相关。人体在正常体温下，能够发射出远红外线，肉眼不能够看到它，但通过红外线传感器就可探测到这种远红外线，因此能够发现入侵者。这种探测器的核心部件是热释电红外探测元件，配置上用透明塑料制成的“菲聂尔”透镜，就能够对一定的空间范围进行监控，安装方便、灵敏度高、不需要辅助光源、耗电少，而且成本还比较低，因此是现在比较流行的一种电子安防产品部件。

二、红外辐射的发射及其规律
自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273℃)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。红外线是一种电磁波，它的波长范围为0.75~ 1000um，不为人眼所见。红外成像设备就是探测这种物体表面辐射的不为人眼所见的红外线的设备。它反映物体表面的红外辐射场，即温度场。
注意：红外成像设备只能反映物体表面的温度场。

对于电力设备，红外检测与故障诊断的基本原理就是通过探测被诊断设备表面的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特征，并根据这种热状态及适当的判据，作出设备有无故障及故障属性、出现位置和严重程度的诊断判别。

为了深入理解电力设备故障的红外诊断原理，更好的检测设备故障，下面将初步讨论一下电力设备热状态与其产生的红外辐射信号之间的关系和规律、影响因素和DL500E的工作原理。

（一）黑体的红外辐射规律
所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是说全吸收。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射(吸收率不等于1)，所以，黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。下面，着重介绍其中的三个基本定律。

1．辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律
一个绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mλb (T)与波长λ、温度T满足下列关系：
Mλb (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1
式中C1-第一辐射常数，C1=2πhc2=3.7415×108w?m-2?um4
C2-第二辐射常数，C2=hc/k=1.43879×104um?k
普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础，介绍起来比较抽象。

2．辐射功率随温度的变化规律-斯蒂芬-玻耳兹曼定律
斯蒂芬-玻耳兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率Mb(T)(简称为全辐射度)随其温度的变化规律。因此，该定律为普朗克辐射定律对波长积分得到：
Mb(T)=∫0∞Mλb(T)dλ=σT4
式中σ=π4C1/(15C24)=5.6697×10-8w/(m2?k4)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。
斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。

那么，可以想象得到，如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，就能确定黑体的温度。因此，斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。

3．辐射的空间分布规律-朗伯余弦定律
所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，
Iθ=I0COSθ
此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时，应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成θ角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的COSθ倍。

（二）实际物体的红外辐射规律
1．基尔霍夫定律
物体的辐射出射度M(T)和吸收本领α的比值M/α与物体的性质无关，等于同一温度下黑体的辐射出射度M0(T)。其表明，吸收本领大的物体，其发射本领大，如果该物体不能发射某一波长的辐射能，也决不能吸收此波长的辐射能。

2．发射率
实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数，就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。
下面不考虑波长的影响，只研究物体在某一温度下的全发射率：
ε(T) = M(T)/M0(T)
则斯蒂芬-玻耳兹曼定律应用于实际物体可表示为：
M(T) =ε(T).σT4

（三）发射率及其对设备状态信息监测的影响
物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射和透射，而且吸收率α，反射率ρ和透射率τ之和必然等于1：
α+ρ+τ=1
而且，其反射和透射部分不变。因此，在热平衡条件下，被物体吸收的辐射能量必然转化为该物体向外发射的辐射能量。由此可断定，在热平衡条件下，物体的吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率：
α(T)=ε(T)
其实由基尔霍夫定律，也可以推断出以上公式：
M(T)/ α(T)=M0(T)
ε(T) =α(T)
ε(T) = M(T)/M0(T)
则对于一个不透明的物体ε(T) =1-ρ(T)

根据上式，不难定性地理解影响发射率大小的下列因素：
1．不同材料性质的影响
不同性质的材料因对辐射的吸收或反射性能各异，因此它们的发射性能也应不同。一般当温度低于300K时，金属氧化物的发射率一般大于0.8。

2．表面状态的影响
任何实际物体表面都不是绝对光滑的，总会表现为不同的表面粗糙度。因此，这种不同的表面形态，将对反射率造成影响，从而影响发射率的数值。这种影响的大小同时取决于材料的种类。

例如，对于非金属电介质材料，发射率受表面粗糙度影响较小或无关。但是，对于金属材料而言，表面粗糙度将对发射率产生较大影响。如熟铁，当表面状况为毛面，温度为300K时，发射率为0.94；当表面状况为抛光，温度为310K时，发射率就仅为0.28。

另外，应该强调，除了表面粗糙度以外，一些人为因素，如施加润滑油及其他沉积物(如涂料等)，都会明显地影响物体的发射率。

因此，在检测时，应该首先明确被测物体的发射率。在一般情况下，由于不了解发射率，那么只有用相同比较法来判别故障。而对于电力设备，其发射率一般在0.85-0.95之间。

3．温度影响
温度对不同性质物体的影响是不同的，很难做出定量的分析，
只有在检测过程中注意。

（四）物体之间的辐射传递的影响
上面讨论过物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射，而当达到热平衡后，其吸收的辐射能必然转化为向外发射的辐射能。因此，当在一个变电站中，检测任意一个目标时，所检测出来的温度，必然还存在着附近其它物体的影响。
因此，我们在检测时，要注意检测的方向和时间，使其它物体的影响降到最小。

（五）大气衰减的影响
大气对物体的辐射有吸收、散射、折射等物理过程，对物体的辐射强度会有衰减作用，这称之为消光。

不过，请注意，即使工作在大气窗口内，大气对红外辐射还是有消光作用。尤其，水蒸气对红外辐射的影响最大。因此，在检测时，最好在湿度小于85%以下，距离则越近越好。（以上资料由丛文科技公司提供）