红外传感的原理与应用
1.前言2020年一场新冠疫情的爆发，让许许多多的人意识到了人类的无能为力，重新审视一下自己，审视一下人类当前的发展现状，其实人类还是显得如此的弱小，在自然规律和自然法则面前，依然毫无抵抗的力量。在尊重自然科学的同时，我们意识到了非接触式的重要性，在每个人出入测量温度的时候，采用的红外测温枪，在火车站入站时，我们采用的红外成像，这些都是利用红外传感。 其实我们的生活中越来越多的东西用到了红外线，比较常用的电视遥控，空调遥控，都是利用红外光的调制。还有可以感应到人进来或出去的自动门，进行安防的红外对射仪，洗手间人体靠近水龙头自动出水，夜晚走过走廊，路灯自动点亮，监控摄像头夜视仪，为了夜晚拍照清晰，我们的手机也有红外线发射。这些方方面面的应用在我们的生活中，注意观察，就会发现很多。 本文主要围绕红外传感的历史，原理以及使用这几个方面进行一下科普，涉及到物理领域以及电子领域。 2.红外线的特性2.1 红外线的发现1966年的一天，牛顿利用玻璃三棱镜，最早向人们展示了白光是由不同颜色的其他光组合而成。 牛顿在他的《光学》一书中这样写到:“把我的房间弄暗,在我的窗板上开一个小孔,以便适量的太阳光射入室内,就在入口处安置我的棱镜，光通过棱镜折射达到对面的墙上。” 牛顿看到墙上有色彩的光带，光带之长数倍于原来的白光，他认为，就是这些不同颜色的光组成了白色的太阳光。 为了证明这一点，牛顿进一步做实验。在光带投射的屏上也打一个小孔，让光带中彩色的一部分穿过第二个小孔，经过放在屏后的第二个棱镜折射投到第二个屏上，又让第一棱镜绕它的轴缓慢转动，只见穿出第二个小孔落在第二屏上的像随著第一棱镜转动而上下移动。于是看到，为第一棱镜折射最大的蓝光,经过第二棱镜也是折射得最大;反之,红光被前后两个棱镜折射得最小。于是牛顿作出结论:“经过第一棱镜折射后所得长方形的彩色光带不是别的，正是由不同的彩色光所组成的白色光经折射而形成的。”也就是说：“白光本身是由折射程度不同的各种彩色光所组成的非均匀的混合体。”  然而事情远没有这么简单，1800年，英国天文学家弗里德里希·威廉·赫歇尔为了研究不同颜色的光的能量问题，也采用了与牛顿类似的三棱镜将光线散射的原理。  他有意地把暗室的唯一的窗户用木板堵住，并在板上开了一条矩形的孔，孔内装一个分光棱镜。当太阳光通过这个棱镜时，便被分解成彩色光带。然后他用温度计去测量光带中不同颜色的光所包含的能量。因为要做对比实验，他同时也在彩色光外放了几只温度计来作为对比，但是奇怪的现象发生了，他发现放在红光外的温度计要比其他彩色光外的温度计上的温度要高，这样就说明了有一种我们看不到的  2.2 红外线与热辐射那么红外线为什么会产生热效应呢？这就非常的有意思了。 学过一点近代物理学的人应该都听过
第一朵就是'以太漂移问题'；而第二朵云,是与比热有关的能量均分定理。这两朵乌云带动近代物理学的发展，由此产生了相对论和量子力学的两大物理体系。同时打开了两个潘多拉盒子 其中有个比较著名的实验就是黑体辐射实验，具体的细节这里也不多说，结论是说的是任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向周围发射辐射，这称为温度辐射。只要其温度在绝对零度以上，也要从外界吸收辐射的能量。 再看一下 h为普朗克常数 ，是一个物理常数，用以描述量子大小，h=6.6260693（11）×10^-34J·s 其中为能量单位为焦（J）。 v为辐射电磁波的频率。 E表示能量的大小。 同时我们也知道 我们再来看一下光的频谱。  从上面的公式及推导，可以知道，红外光比紫外光能量小，紫外光能量强，穿透力强。 此时我们再来理解一下光的本质问题，根据波粒二象性，当一个光子被原子吸收的时候，其内部的能量会激发，会将原子表面的电子的能量阶层升高。如果此时给定原子的能量足够的大，那么这个表面的电子有可能脱离原子，成为自由电子。 而反过来，如果原子内部的电子跃迁到低能级的阶层，原子则会释放出能量，这个就是光子或者我们可以认为是电磁波，因为波粒二象性。 根据能量守恒定律，任何物质吸收到了电磁波，都会以能量的方式保存，而大部分都会以热能的方式表现。因此，我们可以用电磁炉加热食物，也可以晒太阳获取热量。反过来，物质内部的能量运动也会释放出能量，这些能量也可以通过热辐射释放，这就是热辐射原理。 那么此时又有疑问了？既然物体在释放能量，而且波长越短，其能量越高，为什么热辐射又与红外线有关呢？ 确实，物体在进行热辐射的过程中，会释放出各种波长的电磁波，只是红外线有制热的效应。制热效应与分子的本征震动有关，而震动的频率正好和红外线的频率相当，所以可以用红外辐射使其共振，从而使得物质热能升高。所以我们总会认为红外线与热辐射相关，其实只能说红外辐射可以一定程度上理解热辐射。 所以只知道任何物体，只要携带热量，就会产生红外辐射。 2.3 红外线穿透效应学过经典物理学的都知道双缝干涉试验，这个实验揭示了光具有波粒二象性，它不仅仅是粒子，也是一种波。其实不仅仅是光，任何物体都有波粒二象性。  我们从微观上分析物体的时候，可以知道，任何物体都是由原子组成，在研究其穿透力的时候，我们往往考虑的是波长越小的电磁波，越容易穿过物体，比如X射线，可以直接穿过物体，但是我们知道，根据波粒二象性以及 而我们采用长波去传输信号的时候，其  所以我们在传输信号的时候，往往采用的是长波，而不采用短波，同样这里的穿透实际上就是衍射。而采用红外线传输信号，一方面能量高，对人不产生伤害，另外也是考虑其衍射效果。并且容易实现，成本低。 3.红外传感器的类型根据红外光的一些特性，基本上可以分为两类红外传感器。主要分为主动式红外传感器与被动式红外传感器。  主动式红外传感器就是利用红外发射二极管，发射一束光，另外一端是红外接收传感器。这种方式必须是红外发射管和红外接收接收器成对出现。 而被动式红外传感器则靠物体发生出来的红外线来工作。也就是红外辐射利用透镜进入到红外传感器上，从而感知物体。  3.1 主动式红外传感器主动式红外传感器有一个发射管和接收管。  发射管如上图所示 接收管如下  我们都知道，发光二极管可以发出不同颜色的光，其原理就是发光二极管通电后，其PN结有电子通过，这些电子将给予原子能量，然后电子得到能量后进行能级跃迁，当电子降落低能级的时候，会释放能量，电子跃迁不同轨道，释放的电磁波在那一个波长范围比较多，那么人就可以观察到发出那种颜色的光线。而红外线虽然人眼看不到，但是我们可以借助手机摄像头，查看通电后的红外发射二极管，是可以看到二极管被点亮的。 而红外接收二极管，就是我们常常听到的光敏二极管。其管芯是一个具有光敏特性的PN结。由于PN结具有单向导电性，所以在工作的时候，应该加上反向电压。  当给红外接收二极管通电后，当有足够强度的红外线时，PN结受到光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对。这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。从而使得二极管导通。 这种主动式的红外传感器，又分为调制红外线和对射红外线应用领域。 红外对射就是一个红外发射管与一个红外接收管组成一个系统，红外发射管时时刻刻接收着红外发射管的射线，类似于我们在电视剧里看到的激光对射一样。但是这条光线人眼是看不见的，当有物体经过时，可以挡住射线，进行报警或者唤醒某个设备。其生活中应用领域比较多，很多无人感应控制用到就是这个原理。
如果两组红外对射，就可以统计人员的进出情况，所以类似于图书馆或者博物馆的人流量统计，可以采用两组红外对射管进行。 红外调制在生活中应用的也比较广泛，比如常见的各种电器的遥控器，其实都将红外光进行载波调制后的，红外接收管根据接收到的信号进行解调，从而执行各种操作指令。 3.2 被动式红外传感器被动式传感器是收集外界的红外辐射，然后聚集到红外传感器上进行工作。分为热释电传感器与热电堆传感器。 热释电传感器 热释电传感器如下 基本结构如下所示： 这里解释一下什么是热释电，就是当某些晶体受热后，两端会产生数量相等，符号相反的电荷，例如钽酸锂、硫酸三甘肽等。 由于这个特性，我们可以利用人体的辐射，通过透镜，然后被热释电传感器所接收。 这种热释电传感器由于可以在室温下使用，而且灵敏度与波长无关，所以在生活中被广泛的应用。 比如我们经常看到的楼道自动开关，自动饮水机，自动水龙头，或者是人靠近时的自动门铃，人靠近时自动启动摄像头。这些自动化的场合都是应用的比较多的。 热电堆传感器 热电堆传感器就是我们现在生活中经常可以看到的手持温枪的应用。 其原理是基于赛贝尔克效应机理，也称为热电效应。 简单的说就是具有两种不同的赛贝尔克系数的材料，相互串联构成一组闭环回路，连接处一段为热端，一段为冷端，材料中的载流子会沿着温度降低的方向移动，这样就形成了热电势。 如果我们采用多个这样的热电偶，那么就可以产生热电堆，从而捕获到温度。 红外热成像仪 熟悉相机的人应该都是知道，相机图像感光是采用的一种电耦合装置，而如果我们将这种电耦合装置，换成对红外波长敏感的材料，那么我们就可以认为这种相机是热红外相机。 4.红外遥控原理与实现生活中，我们经常会使用到红外遥控器，那么这些红外遥控器实现的原理是怎样的呢？我们自己如果想自作一个遥控器，需要那些知识和器件，下面我来详细分析一下。 4.1 遥控器的发明遥控器最开始是有线的，就和游戏机上的手柄一样。而现在真正的无线遥控器是美国的Zenith电子集团的工程师阿德勒和波利。当时的无线遥控器还是像激光对射一样，电视机上有四个角，遥控器对着哪个角就表示不同的操作。现在的遥控原理比这个复杂许多。 4.2 红外遥控的核心部分一个红外遥控的核心部分就是发射红外的红外二极管，以及电视自带的红外接收管。 而实际上，红外接收管不是一有红外线，红外接收管就会有响应，而是需要发射的红外线是38Khz的波形。 下面是一个红外接收二极管HS0038B的真实图样。 HS0038B 这个红外一体化接收头，当收到有载波的信号的时候，会输出一个低电平，空闲的时候会输出高电平，我们用逻辑分析仪抓出来一个红外按键通过HS0038B 解码后的图形来了解一下。 如何让红外接收管产生这样的波形，需要红外发射管进行波形调制。比如我们发射发射38khz的红外光，那么红外接收管就是低电平。如果不发射，默认红外接收管上的信号是高电平。在程序中进行控制即可。 红外遥控采用的是NEC协议 NEC 协议的数据格式包括了引导码、用户码、用户码（或者用户码反码）、按键键码和键码反码，最后一个停止位。停止位主要起隔离作用，一般不进行判断，编程时我们也不予理会。其中数据编码总共是 4 个字节 32 位。 第一个字节是用户码，第二个字节可能也是用户码，或者是用户码的反码，具体由生产商决定，第三个字节就是当前按键的键数据码，而第四个字节是键数据码的反码，可用于对数据的纠错。 这个 NEC 协议，表示数据的方式不像我们之前学过的比如 UART 那样直观，而是每一位数据本身也需要进行编码，编码后再进行载波调制。对于红外发射管的程序设计如下:
用逻辑分析仪捕捉一下红外发射管上的电平信号。 其中黑色的区域为38Khz。 由于遥控器中用户操作码不同，我们设备可以区分不同的设备，从而进行响应对应遥控发出的信号，而不会出现空调遥控控制电视的现象。 5.红外对射统计人数利用红外传感器统计人数这个实际应用过程中,我们需要两个红外发射管和两个红外接收管。在使用的时候，利用红外线穿透能力不太强的特定，就是人可以挡住红外光。 如果效果要好，我们可以在红外发射管上加透镜。透镜的作用就是将光线聚集起来。可以认为激光对射。但事实上，红外摄像头发射的时候，还是以38Khz载波的方式进行发送。并不是像点灯一样，只需通电即可，而是在程序中，启动一个定时器，调制38Khz的红外发射，此时在红外接收管上就可以捕获到低电平。 如果这个波形不是38Khz,那么红外接收管将不会起反应。这个就是需要注意的地方。 当人挡住第一个红外射线的时候，此时如果第二个红外射线很快也被挡住，那么我们认为此次信号是有效的，为人进入的逻辑。反过来，第二个红外线被挡住，然后第一个红外线接着挡住，那么认为人出来。利用这个进行人流量统计，可以达到非常好的效果。 6.非接触式红外感应非接触式红外感应，主要利用热释电原理。 其中加上透镜，可以提高信号接收的灵敏度。 由于透镜可以有一定的视场角，所以使得特定区域的信号更加的集中。这样在设计使用的时候，只需要将信号状态引脚接入到单片机的中断引脚上，当有人体经过时，正好在信号感应区域内，此时热释电红外传感器就会工作，从而通知控制系统，做出响应。 7.总结本文主要对红外传感的原理、使用、以及控制进行了描述。由于现在无接触式越来越多，红外线的应用也在我们的生活中被广泛的使用。体现在我们生活的方方面面。现在社会是信息社会，各种各样的传感器的普及带动了物联网的高速发展，相信在不久，人工智能，物联网将会进入到千家万户。 |
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