紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域如何大展拳腳

物聯(lián)網(wǎng)是把所有物品通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)的技術(shù)， 以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)革命。文章首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)的定義內(nèi)涵、基本特征及研究現(xiàn)狀，然后探討了物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一傳感器技術(shù)；接著闡述了紅外傳感器結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)，最后對(duì)紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探索，指出其廣闊的應(yīng)用前景。

紅外傳感器的結(jié)構(gòu)原理與特點(diǎn)

紅外傳感器是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種光敏元件，根據(jù)具體工作原理的不同，可分為光子型和熱釋電型兩種。熱釋電紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)引起元件本身的溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)某些參數(shù)的檢測(cè)的，其探測(cè)率、響應(yīng)速度都不如光子型傳感器。但由于其可在室溫下使用，靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，所以應(yīng)用領(lǐng)域很廣［5］。利用鐵電體熱釋電效應(yīng)的熱釋電型紅外傳感器靈敏度很高，獲得了廣泛應(yīng)用。

熱釋電效應(yīng)某些絕緣物質(zhì)受熱時(shí)，隨著溫度的上升，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷。這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)在近十年被用于熱釋電紅外傳感器中。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體，又稱為熱電元件。熱電元件常用的材料有單晶、壓電陶瓷及高分子薄膜等。

熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器由以下四個(gè)主要部分構(gòu)成：①構(gòu)成電路的鋁基板、場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）；②具有熱釋電效應(yīng)的陶瓷材料；③ 限制入射紅外波長(zhǎng)的窗口材料；④ 外殼TO—5型管帽和管座。

由于熱釋電紅外傳感器中電容的電流發(fā)生器輸出阻抗高，且輸出電壓信號(hào)又極其微弱，故在管內(nèi)的敏感轉(zhuǎn)換元件FET上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。其等效電路如圖2所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)放大器及厚膜電阻，以達(dá)到阻抗變換的目的。在管殼的頂部設(shè)有濾光鏡（TO一5封裝），而樹脂封裝的則設(shè)在側(cè)面。

紅外組合件的構(gòu)造由于探測(cè)器元件單獨(dú)使用時(shí)，存在著探測(cè)距離較短、獲得的信號(hào)后續(xù)電路不易處理的不足，所以目前多選用紅外組合件來(lái)探測(cè)。紅外組合件由熱釋電紅外傳感器、透鏡、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路和密封管殼構(gòu)成［6］。透鏡可以擴(kuò)大探測(cè)范圍，提高測(cè)量的靈敏度；測(cè)量轉(zhuǎn)換電路可以完成濾波、放大等信號(hào)處理過程；密封管殼能防止因外界噪聲引起的錯(cuò)誤動(dòng)作。這種組合件體積小、成本低、功能多樣，所以應(yīng)用廣泛。

濾光鏡材料在熱釋電紅外傳感器的窗口上裝有不同材料的濾光鏡，阻止不需要的紅外線進(jìn)入傳感器。一般熱釋電紅外傳感器在0．2～20um光譜范圍內(nèi)的靈敏度比較好，不受可見光影響。由于不同的檢測(cè)要求（如醫(yī)學(xué)或氣體成分分析等）光譜響應(yīng)范圍不同，因此可選擇不同材料的濾光鏡使其滿足不同場(chǎng)合需求。

熱釋電紅外傳感器使用時(shí)，一般前級(jí)需要先用菲涅爾透鏡濾光，后級(jí)接帶通放大器，放大器的中心頻率一般取1．2Hz左右，放大器帶寬對(duì)靈敏度、可靠性的影響比較大。使用時(shí)要根據(jù)具體要求來(lái)合理選擇。

物聯(lián)網(wǎng)中可以大量使用紅外傳感器（也叫紅外感應(yīng)器）來(lái)實(shí)現(xiàn)物體信息的獲取，盡管目前尚未研發(fā)生產(chǎn)出成熟的產(chǎn)品，但是紅外傳感器已經(jīng)有很多成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，可以借鑒。以熱釋電紅外傳感器為核心構(gòu)成的熱釋電紅外開關(guān)，在民用領(lǐng)域可作為蜂鳴器、白熾燈、烘干機(jī)、自動(dòng)門、和自動(dòng)洗手池等裝置的自動(dòng)感應(yīng)開關(guān)，特別適用于工礦企業(yè)、高檔酒店、大型商場(chǎng)等區(qū)域。

此外，熱釋電紅外傳感器還可用于遙感、制導(dǎo)、夜視、主動(dòng)雷達(dá)、熱成像、氣體分析、輻射計(jì)、測(cè)溫等軍事和工業(yè)場(chǎng)合。比如在2008年5．12汶川特大地震救援過程中，就使用了紅外傳感器實(shí)現(xiàn)無(wú)光條件下（夜間和陰雨天）災(zāi)區(qū)照片的拍攝，為救援工作提供了幫助。紅外傳感器價(jià)格經(jīng)濟(jì)、測(cè)量電路簡(jiǎn)單、常溫下可使用、非接觸式測(cè)量、精度較高等優(yōu)點(diǎn)決定了其在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

在物聯(lián)網(wǎng)中可以使用紅外傳感器獲取物品信息，使用電子標(biāo)簽記錄、實(shí)現(xiàn)物品的精確定位。比如用紅外傳感器檢測(cè)超市貨架是否具有足夠的商品待售，當(dāng)檢測(cè)到貨物不足時(shí)，通過后續(xù)信號(hào)處理、濾波、放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器提醒超市工作人員及時(shí)補(bǔ)貨。

特別是在物聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)電子電器產(chǎn)品中，熱釋電紅外傳感器具有極其廣泛的應(yīng)用前景。目前用得最多的是檢測(cè)物品有無(wú)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。紅外傳感器已廣泛用于防盜報(bào)警系統(tǒng)中，市場(chǎng)上有成熟的商品。一個(gè)典型的周界入侵檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)本身就是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)在安全方面的應(yīng)用，比如上海浦東機(jī)場(chǎng)入侵檢測(cè)系統(tǒng)，就是一個(gè)小型的物聯(lián)網(wǎng)，其中使用了大量的紅外傳感器，作為智能節(jié)點(diǎn)，獲取周邊信息，與其他類型傳感器采集得到的信息一起準(zhǔn)確及時(shí)地提供給中央處理系統(tǒng)進(jìn)行信息融合，作為自動(dòng)控制決策的依據(jù)。國(guó)外已有把熱釋電傳感器安裝在售貨機(jī)上，當(dāng)有人接近時(shí)，機(jī)器可以說話，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)銷售，我們也可以借鑒應(yīng)用。再比如可以把紅外傳感器安裝在工廠危險(xiǎn)性機(jī)械系統(tǒng)上，能夠進(jìn)行非接觸測(cè)量，當(dāng)超過預(yù)定的安全距離時(shí)給出警示，防止人太靠近造成危險(xiǎn)，保護(hù)工人健康、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，節(jié)約生產(chǎn)成本。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的研究與發(fā)展引起了人們的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外政府和企業(yè)都積極采取行動(dòng)參與物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建，廣大學(xué)者也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)展開深入研究，國(guó)內(nèi)不少高校先后申報(bào)了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)方面的人才，這將對(duì)未來(lái)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。與此同時(shí)，熱釋電紅外傳感器的銷量近幾年也是每年增長(zhǎng)30％以上。國(guó)內(nèi)外廠家正在不斷開發(fā)新產(chǎn)品以滿足未來(lái)的市場(chǎng)需求?？梢灶A(yù)見，紅外傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。