标签: 红外传感器

01 物联网系统中为什么要使用红外传感器 物联网系统中使用红外传感器的原因主要基于红外传感器的独特优势及其在多个应用场景中的实用性。以下是详细的分析： 红外传感器的独特优势 非接触式测量：红外传感器能够在不接触被测物体的情况下进行测量，这避免了传统接触式测量可能带来的磨损、污染或破坏等问题。 高灵敏度与高精度：红外传感器具有较高的灵敏度和精度，能够准确感知和测量物体的温度、位置或运动状态等参数。 抗干扰能力强：红外传感器能够在复杂环境中稳定工作，不易受到电磁干扰或光线变化等因素的影响。 低功耗与长寿命：由于红外传感器采用非接触式测量方式，其功耗相对较低，同时其结构简单、耐用，因此具有较高的可靠性和长寿命。 红外传感器在物联网系统中的应用场景 智能家居： 人体感应：红外传感器可用于检测人体的存在和移动，从而实现智能家居的自动化控制，如自动开关灯、调节空调温度等。 门窗状态监测：通过安装红外传感器，可以实时监测门窗的开关状态，提高家庭安全性。 安全监控： 入侵检测：红外传感器可用于夜视监控和入侵检测，当有人或物体进入监控区域时，传感器会立即发出警报信号。 火灾预警：结合热释电效应的红外传感器可用于火灾预警系统，通过监测环境温度的变化来及时发现火情。 工业自动化： 生产线监测：在工业生产线上，红外传感器可用于监测产品的位置、尺寸和温度等参数，实现自动化生产和质量控制。 安全性保障：在危险性机械系统上安装红外传感器，可进行非接触测量，当超过预定的安全距离时给出警示，防止人太靠近造成危险，保护工人健康、实现安全生产。 医疗健康： 体温测量：红外传感器可用于非接触式体温测量，减少交叉感染的风险，特别适用于疫情期间的大规模筛查。 生命体征监测：在医疗设备中，红外传感器可用于监测患者的生命体征，如心率、呼吸频率等。 物流仓储： 货物检测：红外传感器可用于检测货架上的货物数量和状态，当货物不足或出现异常时及时提醒工作人员进行处理。 自动化分拣：在自动化仓储系统中，红外传感器可用于识别和分拣不同种类的货物。 消费电子：智能手机中的面部识别、手势控制和遥控等功能。 汽车安全：实现自动停车和碰撞预警功能。 航空航天：火箭和导弹的制导系统中。 农业：农作物检测和农田监测等。 综上所述，物联网系统中使用红外传感器的原因在于其独特的优势以及在多个应用场景中的广泛适用性。红外传感器不仅能够提高物联网系统的智能化水平，还能够提升系统的安全性、可靠性和用户体验。随着物联网技术的不断发展，红外传感器在物联网系统中的应用前景将更加广阔。 本文会再为大家详解传感器家族中的一员——红外传感器。 02 红外传感器定义 红外传感器，又称为红外探测器或红外转换器（infrared transducer），是一种能够感应红外线并将其转换为电信号输出的传感器。红外线是电磁波谱中波长介于可见光和微波之间的部分，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等物理特性。红外传感器利用这些特性，通过非接触的方式实现对物体的检测、测量和监控。 03 红外传感器原理 红外传感器的原理主要基于几种效应，包括热电效应、光电效应和热释电效应： 热电效应：当两种不同材料之间存在温差时，会产生电动势的现象。在红外传感器中，热电偶被用来检测目标表面与参考表面之间的温差，从而计算出目标表面的温度。 光电效应：光子与物质相互作用，使物质吸收光子能量并释放出光电子的现象。红外发射器发射的红外线遇到物体后，部分光线被反射回来，由红外接收器接收并转换为电信号。 热释电效应：某些晶体材料在温度变化时会产生电极化现象，从而产生电压信号。当红外辐射通过晶体时，晶体的电极化现象发生变化，产生电压信号，通过测量这个电压信号可以确定目标表面的发射率。 04 红外传感器分类 红外传感器可以根据其工作原理和检测方式分为多种类型，主要包括热传感器和光子传感器两大类： 热传感器： 热敏电阻型：利用热敏电阻值随温度变化而改变的特性来检测红外辐射。 热电偶型：利用热电偶在不同温度下产生电势差的特性来检测红外辐射。 高莱气动型：利用气体吸收红外辐射后温度升高、体积增大的特性来检测红外辐射。 热释电型：利用具有极化现象的热晶体（铁电体）在温度变化时释放电荷的特性来检测红外辐射。 光子传感器： 光电导传感器：利用某些半导体材料在红外辐射照射下导电率增加的特性来检测红外辐射。 光生伏特传感器：利用红外辐射在半导体材料的PN结上产生光生电动势的特性来检测红外辐射。 光磁电传感器：利用红外辐射在半导体材料中引起电子和空穴扩散并在强磁场作用下产生开路电压的特性来检测红外辐射。 05 红外传感器选型参数 在选型红外传感器时，需要考虑以下主要参数： 检测温度范围：确定传感器能够检测的温度范围。 距离系数（D:S）：传感器到目标的距离D与在该距离下测温仪测量区域直径S的比值，用于衡量传感器的检测能力。 视场角（FOV）：红外传感器能“看”到的范围。 精度：传感器测量结果的准确性。 输出类型：传感器输出的信号类型，如模拟信号或数字信号。 电源要求：传感器工作所需的电源电压和电流。 工作环境：传感器的工作环境条件，如温度、湿度等。 06 红外传感器使用注意事项 了解性能指标和应用范围：在使用前必须了解红外传感器的性能指标和应用范围，掌握其使用条件。 关注工作温度：一般选择能在室温下工作的红外传感器，便于维护。 调整工作点：确保传感器工作在最佳工作点，以获得最大的信噪比。 选用适当前置放大器：配合适当前置放大器使用，以获取最佳探测效果。 调制频率匹配：确保调制频率与红外传感器的频率响应相匹配。 保护光学部分：传感器的光学部分不能用手摸、擦，防止损伤与沾污。 注意存放条件：传感器存放时注意防潮、防振、防腐。 07 红外传感器厂商 红外传感器的厂商众多，包括国内外多个知名品牌。由于市场竞争激烈，厂商不断推出新产品和技术，以满足不同领域的需求。然而，由于我无法直接获取最新的厂商信息，建议在选择红外传感器时，通过查阅相关行业报告、参加展会或咨询专业人士，以获取最新的厂商推荐和产品信息。 供应商A：森霸 1、产品能力 （1）选型手册 （2）主推型号1：D203B 对应的产品详情介绍 探测视场角度大；干涉滤光片截止深度高，抗白光能力强； 结型场效应管以源极跟随器的形式实现阻抗变换； ● 采用双元补偿结构，有效抵抗环境变化、振动、杂散光的干扰； 硬件参考设计 （3）主推型号2：：D203S 对应的产品详情介绍 热释电红外线传感器是利用材料自发极化随温度变化的特征来探测红外线辐射的传感器，采用双灵敏元设计，抑制环境温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。本产品应用广泛，例如智能玩具，自动灯开关，感应门等，特别适用于智能玩具应用场合。 输出方式：模拟信号输出 窗口尺寸：3*4mm 感应距离：10M（透镜SB-F-02 ）不同距离详见透镜选型 感应角度：120°（水平方向） 工作电压：3-15V 静态噪声：＜80mV 推荐配套IC：ISB6601L，RS8034，ISB02，BISS0001 硬件参考设计 研发设计注意使用事项 1.PIR 与其他器件的连线要越短越好，双面板或多层板上，该连线下方尽量不要走线，尤其是不能有大电流的走线。 2.PIR 人体感应部分的电路尽量单独做一块 PCB 板，以避免干扰"。如果做在同一块板上，PIR 人体感应部分的电路要单独隔离并有单独的接地;只通过正极、负极和输出三根线连接其它电路。 3.PIR 的 VDD 对地接 100NF 的电容，并尽量与 PIR 的 VDD 靠近。 本文章源自奇迹物联开源的物联网应用知识库Cellular IoT Wiki，更多技术干货欢迎关注收藏Wiki： Cellular IoT Wiki 知识库(https://rckrv97mzx.feishu.cn/wiki/wikcnBvAC9WOkEYG5CLqGwm6PHf)

自登陆火星后，“毅力号”火星车发回的高清照片不断惊艳世界。而在记录人类又一个“首次”的历史纪念中，CMOS图像传感器也贡献了自己的力量。 把时间拉回到2021年4月19日。 就在那天，美国国家航空航天局（NASA）宣布，“机智号”无人直升机成功完成火星首飞，并完成3米高度悬停30秒的高难度动作。 人造航空器首次在另一个行星上受控飞行的精彩表现，通过距此约76米外的“毅力号”探测器传回地球。值得一提的是，“毅力号”火星车搭载的23台相机中，有10台采用了艾迈斯欧司朗的CMV系列CMOS图像传感器。 这张全景图片正是毅力号上搭载艾迈斯欧司朗CMV系列图像传感器的导航相机于2021年2月20日拍摄的，由6张单独的图像在传回地球后拼接而成。 从90年代初期开启自己的时代到一路飞向太空，CMOS图像传感器似乎已掌握了“流量密码”，找到一条属于自己的路，不断开疆拓土。 1 、 图像传感器中的“潜力股” 作为一种能够将光学图像信号转化为数字信号的电子器件，CMOS图像传感器一直是摄像头的核心器件，凭借着消费电子、甚至汽车、安防、机器视觉、医疗等多个下游应用的广阔市场，CMOS图像传感器增长迅速。 据Yole Development预计，CMOS传感器2026年全球市场规模将扩大至315亿美元，较2020年市场规模提升50%。 回归中国市场，根据头豹研究院公布的最新数据，中国CMOS图像传感器行业在消费、汽车、安防等不同应用领域的渗透程度不断加深，2021年，中国传感器行业营收市场规模为2,851亿元，CMOS图像传感器占比位居第二，达26.5%。 随着高新技术不断进步，CMOS图像传感器的需求被进一步释放，正在推动整体传感器市场扩容。 2 、 迎来属于自己的时代 1873年，科学家约瑟·美(Joseph May) 及伟洛比·史密夫(Willoughby Smith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，由此，电子影像发展开始，随着技术演进，图像传感器性能逐步提升。 一路历经光学倍增管（PMT）、光电及双极二极管阵列、CCD图像传感器，上世纪90年代末，CMOS迎来了自己的时代。 相比于CCD图像传感器，CMOS的优势主要集中在以下3方面： 1）成本：CMOS 图像传感器芯片一般采用适合大规模生产的标准流程工艺，在批量生产时单位成本得以远低于CCD； 2）尺寸：CMOS图像传感器能够将图像采集单元和信号处理单元集到同一块基板上，体积得到大幅缩减，使之非常适用于移动设备和各类小型化设备； 3）功耗：CMOS图像传感器相比于CCD还保持着低功耗和低发热的优势。 也是凭借这些优势，如今CMOS图像传感器已占据了市场的绝对主导地位，基本实现对CCD图像传感器的取代。 3 、 这些领域最有看头 当前，如果要细数CMOS图像传感器的主流应用行业，消费电子、汽车和安防监控是绝对的看点，一一来说： 消费电子占比最大： 从下游应用领域来看，目前CMOS图像传感器最大市场为智能手机摄像头。 根据Yole Development数据，2021年全球CMOS图像传感器手机市场占比达到75.9%。这主要得益于近几年手机摄像往高分辨率、多摄像头方向发展，特别是当前高端手机的摄像头数量均在3~5个之间，拉升了对CMOS传感器的需求。 就中国市场，CMOS在智能手机领域的应用占比同样最大，高达61.8%。尽管当前受疫情、俄乌战争以及全球能源材料短缺而导致能源、原材料和食品通货膨胀等叠加因素的影响，消费者整体换机需求减慢，但业界预计2023年后伴随需求复苏，加上消费者对智能手机拍摄功能的需求继续加码，例如分辨率、清晰度、美观度和全场景适应能力等，都将继续推动CMOS图像传感器的发展。 汽车市场极具前景： 若从市场增速来看，汽车市场增长迅猛，2021年汽车CMOS市场占有率已经达到11.7%。在车载领域，CMOS图像传感器可以广泛应用例如后视摄像(RVC)，全方位视图系统(SVS)，摄像机监控系统（CMS），驾驶员状态监测（DMS）/乘客状态监测（IMS）系统等。 目前，自动驾驶已成为汽车产业智能化发展的趋势，而传感器作为自动驾驶的基石，有助于提升汽车行驶过程中的认知能力。随着电动车渗透率的上升以及智能驾驶的发展，单车CMOS传感器的使用量也在大幅增长，预计未来5年内车用摄像头将是CMOS市场增长的主要动力。 安防市场稳定增长 ：由于安防监控离不开视觉信息的获取，因此对图像传感器依赖较深，也是CMOS图像传感器市场增长较快的新兴行业领域之一。 2016年，中国视频监控行业市场规模为962亿元，2021年上升至1,556亿元，占中国安防市场18.4%，2016年至2021年复合增长率为10.1%，中国视频监控行业整体规模保持告诉发展，且中国安防市场对包括CMOS图像传感器在内的安防监控产品的需求也由一线城市延伸至二、三线城市及农村地区，推动CMOS图像传感器在安防领域的发展。 除了上述3大热门需求，近年来，艾迈斯欧司朗也观察到了医疗应用需求的涌现。由于传统的电荷耦合设备（CCD）图像传感器技术已不能满足医疗图像抓取应用的需要，CMOS图像传感器逐渐在医疗电子应用崭露头角，一些常用的医疗器械如医疗内窥镜均因为CMOS图像传感器使得性能有大幅度提升。 例如，艾迈斯欧司朗“小如针头”的NanEye微型CMOS图像传感器配置相应的最小型数码摄像头模组，可提供仅为1毫米x 1毫米的模组封装，是内窥镜的理想元器件。 4 、 技术和应用，拓展ing 当然，除了领域上的开疆拓土，技术维度上CMOS也是一路进阶。 近年来，全局快门在 CMOS 图像传感器领域中的应用广度与深度都在迅速提升。采用全局快门模式的 CMOS 图像传感器，每个像素处都增加了采样保持单元，使得所有的像素可以同时用以捕获图像，从而避免了在高速拍摄场景下因每行像素曝光时间差异而形成的“果冻效应”。 目前来看，全局快门 CMOS 图像传感器在全球新兴领域的主要应用覆盖无人机、扫地机器人、AR/VR、新型家用式游戏主机、智能教学终端和翻译笔等新型智能产品。 CMOS 图像传感器作为这类智能产品视觉模块的重要组成部分，其综合性能的提升对于此类产品的升级换代至关重要。而只有高帧速的全局快门 CMOS 图像传感器才能更好满足这类新兴应用对于无形变和高速捕捉等成像需求。 开篇中介绍的用于“毅力号”火星探测器的2款艾迈斯欧司朗图像传感器——CMV20000以及CMV4000，均为全局快门CMOS图像传感器。而在“毅力号”火星车中的应用，也成为它们可在极端恶劣的环境下持续提供优越图像拍摄性能的最好背书。 艾迈斯欧司朗自身也希望将这些性能优越的CMOS图像传感器从相机、智能手机等消费电子类应用上进一步扩大范围，用于工业视觉、AR/VR等广泛领域。 就在几个月前，艾迈斯欧司朗新近推出了一款220万像素全局快门式可见光和近红外(NIR)图像传感器—— Mira220图像传感器。 通过采用背照(BSI)技术和堆叠式芯片设计，Mira220生产可实现芯片级封装，尺寸仅为5.3mm x 5.3mm，具有最新的2D和3D传感系统所需的低功耗和小尺寸特点，非常适合AR/VR产品、无人机、机器人、智能门锁和自动驾驶汽车等应用。 可以说，CMOS的这条应用疆土扩张路还在进行中。

项目采用数字微波传感器和Arduino控制板，实现了一个人体探测系统，可探测到墙壁后方的活动物体。相较红外传感器、超声波传感器、PIR接近传感器和TOF飞行时间传感器方案，本项目对各种物体都敏感，而且传感器的数据不受室内温度的影响。 了解微波传感器 微波传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件，可感应物体的存在、运动速度、距离、角度等信息。 工作时，由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。 结构上，微波传感器主要由微波振荡器和微波天线组成。微波振荡器是产生微波的装置，如速调管、磁控管或某些固体元件等。微波振荡器产生的振荡信号需用波导管传输，再通过天线发射出去。为了使发射的微波具有一致的方向性，天线应具有特殊的构造和形状。 相较PIR等，微波传感器性能不受光纤、温度、湿度、噪声、灰尘等影响，广泛应用于液位检测、自动洗衣机、车速测量、自动门运动检测、车辆倾覆、生产线材料检测、自动灯控、高阶安防警报系统等。 数字微波传感器V2.0 使用来自DFrobot的重力数字微波传感器V2.0，可非接触检测任何物体，其读数不受温度、湿度、噪声、空气、灰尘和光线的影响，具有较强的抗RF干扰能力，非常适合苛刻环境应用。由于输出功率小，对人体没有伤害，加上检测范围宽，还可用来检测非生命类物体。 主要特点包括： 工作电压：5V 工作电流：最大60mA，典型值为37mA。 探测距离：2－16米，可通过电位器调节。 探测角度：与天线并行方向72°，垂直方向为36°。 发射： 辐射频率: 10.525GHz 调频精度: 3MHz 输出功率(Minimum): 13dBm EIRP 谐波辐射: <-10dBm 平均电流: 2mA typ. 脉冲宽度(Min.): 5uSec 负荷周期(Min.): 1% 接收:　敏感度(10dB信噪比) 3Hz to 80Hz带宽: -86dBm 3Hz to 80Hz 带宽簇: 10uV 天线增益: 8dBi 垂直3dB宽带: 36 degrees 红色LED为电源指示灯，黄色为信号指示LED。没有活动物体时间。由于没有信号，LED保持熄灭状态，只有传感器检测到活动物体时点亮。 黄色PCB为天线接口板，红色引线为5V，黑色线为GND，绿色线为输出。 微波传感器测试 微波传感器光线的“ON”持续时间可按照需求进行改变，采用更高阶微波传感器可获得更高级的性能体验。 项目要求每隔3秒，就通过OLED显示模块显示一下发生中断的数目。这些中断只在出现移动物体，或者人体时才发生，数字越大意味着运动越多。 微波传感器的探测距离为2－16米，模块上的蓝色电位器就是用来调节测量距离的。 为了测试传感器的性能，我将其固定在房门上，安装时要将微波传感器的正面朝向被检测区域，看看能否检测到弟弟的活动。 果然，传感器成功检测到了房间里的弟弟。 构建人体探测系统 该系统可探测躲藏于墙壁后方的运动物体及人类，参见该探测系统电路图。 系统中，微波传感器的输出引脚连接于D2开发板的D2引脚，5v及GND两个引脚分别连接于Arduino的5v和GND引脚。 电路图左上侧是基于LM7805稳压器的5V稳定电压，J1是DC电源的母头。这里，我们连接了一个12v适配器、锂离子电池，或者太阳能电池板。 电路图右侧为一个i2c接口的SSD1306 OLED模块，其SCL引脚和SDA引脚分别链接于Arduino板子的A5、A4引脚。 以下是本活体探测系统代码： #include #include //Timer interrupt function library #include #include #define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels #define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels // Declaration for an SSD1306 display connected to I2C (SDA, SCL pins) #define OLED_RESET -1 // Reset pin # (or -1 if sharing Arduino reset pin) #define SCREEN_ADDRESS 0x3D Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET); int pbIn = 0; // Define interrupt 0 that is digital pin 2 int ledOut = 13; // Define the indicator LED pin digital pin 13 int number=0; //Interrupt times volatile int state = LOW; // Defines the indicator LED state, the default is not bright void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(ledOut, OUTPUT);// attachInterrupt(pbIn, stateChange, FALLING); // Set the interrupt function, interrupt pin is digital pin D2, //interrupt service function is stateChange (), //when the D2 power change from high to low , the trigger interrupt. MsTimer2::set(3000, Handle); // Set the timer interrupt function, running once Handle() function per 1000ms MsTimer2::start();//Start timer interrupt function display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C); display.clearDisplay(); display.display(); } void loop() { display.setTextSize(2); display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(0,5); display.println("status: "); display.setTextSize(3); display.setTextColor(WHITE); display.setCursor(0,30); display.println(number); display.display(); display.clearDisplay(); delay(10); } void stateChange() //Interrupt service function { number++; //Interrupted once, the number + 1 } void Handle() //Timer service function { number = 0; } 这样，将电路安装于墙壁上，微波传感器系统就能探测到墙壁的另一方是否有人在活动，并将结果显示在OLED显示屏上。