紅外傳感器的工作原理及實際應用12頁

1、紅外傳感器的工作原理及實際應用引言：宇宙間的任何物體只要其溫度超過零度就能產(chǎn)生紅外輻射，事實上同可見光一樣，其輻射能夠進行折射和反射，這樣便產(chǎn)生了紅外技術(shù)，利用紅外光探測器因其獨有的優(yōu)越性而得到廣泛的重視，并在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應用。軍事上，紅外探測用于制導、火控跟蹤、警戒、目標偵查、武器熱瞄準器、艦船導航等；在民用領(lǐng)域，廣泛應用與工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、安全監(jiān)視、救災、遙感、交通管理以及醫(yī)學診斷技術(shù)等。紅外探測就是用儀器接受被探測物發(fā)出或者反射的紅外線，從而掌握被測物所處位置的技術(shù)。作為紅外探測系統(tǒng)的核心期間，紅外傳感器（也稱為紅外探測器）的研究成為一個熱點。紅外傳感器的測量原理的理論依據(jù)定義

2、：紅外傳感器（也稱為紅外探測器）是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。 首先了解一下紅外光。紅外光是太陽光譜的一部分，紅外光的最大特點就是具有光熱效應，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應區(qū)。紅外光一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速

3、度為3108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。不同的氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對于波長為15m、 814m區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應對不同的物體是各不相同的，熱能強度也不一樣。例如，黑體(能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體)、鏡體(能全部反射紅外輻射的物體)、透明體(能全部穿透紅外輻射的物體)和灰體(能部分反射或

4、吸收紅外輻射的物體)將產(chǎn)生不同的光熱效應。嚴格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學研究項目的重要理論依據(jù)。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜各種單色光的熱效應從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的熱效應出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。紅外輻射的基本定律 (1)基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W。

5、在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。 地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。 (2)玻耳茲曼定律（Stefan-Boltzmanns law ）：即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。 (3)維恩位移定律（Wiens displacement law）：隨著溫度的升高，輻射最大值對應的峰值波長向短波方向移動。 紅外傳感器的工作原理并不復雜，一個典型的傳感器系

6、統(tǒng)各部分的實體分別是： （1）待測目標。根據(jù)待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。（2）大氣衰減。待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。（3）光學接收器。它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。（4）輻射調(diào)制器。對來自待測目標的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。（5）紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出

7、來的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。（6）探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。（7）信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。（8）顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。 依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。 熱探測器對入射

8、的各種波長的輻射能量全部吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應有外光電效應、內(nèi)光電效應(光生伏特效應、光電導效應)和光電磁效應。熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應的電量變化。熱敏探測器對紅外輻射的響應時間比光電探測器的響應時間要長得多。前者的響應時間一般在ms以上，而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)要冷卻。紅外傳感器的性能參數(shù)1、電

9、壓響應：當（經(jīng)過調(diào)制的）紅外輻射照射到傳感器的敏感面上時，傳感器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比，叫做傳感器的電壓響應率，記作 RV。式中：US：紅外傳感器的輸出電壓P0：投射到紅外敏感元件單位面積上的功率A：紅外傳感器敏感元件的面積2、響應波長范圍：曲線1：熱電傳感器的電壓響應率曲（與波長無關(guān)）。曲線2：光子傳感器的電壓響應率曲線。（1）響應波長范圍（或稱光譜響應）是表示傳感器的電壓響應率與入射的紅外輻射波長之間的關(guān)系，一般用曲線表示（見上圖）。（2）一般將響應率最大值所對應的波長稱為峰值波長。（3）把響應率下降到響應值的一半所對應的波長稱為截止波長，它表示著紅外傳感器使用的波長范圍。3、噪

10、聲等效功率：如果投射到紅外傳感器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓，正好等于傳感器本身的噪聲電壓，則這個輻射功率就叫做“噪聲等效功率”。通常用符號“NEP”表示 其中：Us為紅外探測器的輸出電壓；P0為投射到紅外敏感元件單位面積上的功率；A0為紅外敏感元面積；UN為紅外探測器的綜合噪聲電壓；RV為紅外探測器的電壓響應率。4、探測率：探測率是噪聲等效功率的倒數(shù)，即：紅外傳感器的探測率越高，表明傳感器所能探測到的最小輻射功率越小，傳感器就越靈敏。5、比探測率 比探測率又叫歸一化探測率，或者叫探測靈敏度。實質(zhì)上就是當傳感器的敏感元件面積為單位面積，放大器的帶寬f為1Hz時，單位功率的輻射所獲得的信

11、號電壓與噪聲電壓之比。通常用符號D*表示。 D* 的物理量綱：cmHz1/2W-1 (300 K)6、時間常數(shù)時間常數(shù)表示紅外傳感器的輸出信號隨紅外輻射變化的速率。輸出信號滯后于紅外輻射的時間，稱為傳感器的時間常數(shù)，在數(shù)值上為： 12fc式中fc為響應率下降到最大值的0.707（3dB）時的調(diào)制頻率。熱傳感器的熱慣性和RC參數(shù)較大，其時間常數(shù)大于光子傳感器，一般為毫秒級或更長；而光子傳感器的時間常數(shù)一般為微秒級。測量原理圖熱電型紅外線傳感器的內(nèi)部構(gòu)造(1) 各種波長的紅外線射入傳感器。 (2) 組件頂端之入射窗以濾光鏡(Filter)覆蓋著，只讓必要的紅外線通過，而將不要的紅外線隔絕。 (3)

12、 位于感知組件表面的熱吸收膜會將紅外線變換成熱。 (4) 感知組件的表面溫度上升，因熱電效果之故，就產(chǎn)生表面電荷。(5) 產(chǎn)生的表面電荷以FET放大且變換阻抗。 (6) 從漏極(Drain)供給FET動作所需的電壓。 (7) 放大后的電氣信號會于外部所接的源極 地端之電阻上顯現(xiàn)出來，而與偏壓重迭之后取出。紅外傳感器實際應用原理圖及測量原理（1）紅外輻射測溫儀它由光學系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外傳感器、放大器和指示器等部分組成；光學系統(tǒng)可以是透射式的、也可以是反射式的。透射式光學系統(tǒng)的部件是用紅外光學材料制成的。紅外測溫儀方框圖：高溫（700以上）測量儀器，有用波段主要在0.76-3m的近紅外區(qū)，可選用一

13、般光學玻璃或石英等材料。中溫(100-700)測量儀器，有用波段主要在3-5m的中紅外區(qū)，多采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學材料。測量低溫(100以下)儀器，有用波段主要在5-14m的中遠紅外波段，多采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。說明：一般要在鏡片表面蒸鍍紅外增透層，一方面濾掉不需要的波段，另一方面增大有用波段的透射率。調(diào)制器就是把紅外輻射調(diào)制成交變輻射的裝置。一般是用微電機帶動一個齒輪盤或等距離孔盤，通過齒輪盤或帶孔盤旋轉(zhuǎn)，切割入射輻射而使投射到紅外傳感器上的輻射信號成交變的。因為系統(tǒng)對交變信號處理比較容易，并能取得較高的信噪比。(2)高萊氣動型傳感器結(jié)構(gòu)它有一個氣室，以一個小管道與一塊柔性薄片

14、相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收膜,它是低熱容量的薄膜。在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光闌聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光闌投射到光電管上。高萊氣動型傳感器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱。紅外輻射通過窗口入射到吸收膜上，吸收膜將吸收的熱能傳給氣體，使氣體溫度升高氣壓增大，從而使柔鏡移動。在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光闌聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光闌投射到光電管上。當柔鏡因壓力變化而移動時，柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對位移，使落到光電管上的光量發(fā)生改變，光電管的輸出信號也發(fā)生改變。這個變化量

15、就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的恃點是靈敏度高，性能穩(wěn)定。但響應時間長，結(jié)構(gòu)復雜、強度較差，只適合于實驗室內(nèi)使用。紅外傳感器使用中應注意的問題(1)使用紅外傳感器時，必須首先注意了解它的性能指標和應用范圍，掌握它的使用條件；(2)選擇傳感器時要注意它的工作溫度。一般要選擇能在室溫工作的紅外傳感器，設(shè)備簡單、使用方便、成本低廉、便于維護；(3)適當調(diào)整紅外傳感器的工作點。一般情況下，傳感器有一個最佳工作點。只有工作在最佳偏流工作點時，紅外傳感器的信噪比最大。實際工作點最好稍低于最佳工作點；(4)選用適當?shù)那爸梅糯笃髋c紅外傳感器相配合，以獲得最佳的探測效果；(5)調(diào)制頻率與紅外傳感器的頻率

16、響應相匹配；(6)傳感器的光學部分不能用手去摸、擦，防止損傷與沾污；(7)傳感器存放時注意訪潮、防振和防腐蝕。傳感器市場發(fā)展前景紅外探測器應用可以用于非接觸式的溫度測量，氣體成分分析，無損探傷，熱像檢測，紅外遙感以及軍事目標的偵察、搜索、跟蹤和通信等。紅外傳感器的應用前景隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，將會更加廣闊。在將來的發(fā)展中，主要在紅外傳感器的性能和靈敏度將會二較大的提高。發(fā)展趨勢主要有：（1）智能化。目前的紅外傳感器主要結(jié)合外圍設(shè)備來使用，而智能傳感器內(nèi)置微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與控制單元的雙向通信，具有小型化、數(shù)字通信、維護簡單等優(yōu)點，能夠單獨作為一個模塊獨立工作。（2）微型化。傳感器微型化一個必然趨勢?，F(xiàn)在應用中，由于紅外傳感器的