傳感器原理及其應(yīng)用第10章紅外傳感器

1、式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜第力章壯外傳竄器Infrared sensors式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜勲0"外傳藏器_緒論式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜紅外傳感器是將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。紅外 輻射(紅外線)是一種人眼看不見的光線，波長范圍大致在 0. 76100ym。任何溫度高于熱力學(xué)零度(-273. 15°C)的物體 都會輻射紅外線。與其他探測技術(shù)相比,紅外探測技術(shù)有如下主要優(yōu)點：(1) 環(huán)境適應(yīng)性好，在夜間和惡劣氣象條件下的工作能力優(yōu)于 可見光；(2) 被動式工作，隱蔽性好，不易被干擾； 靠目標(biāo)和背景之間各部分的溫度和發(fā)射率形成的紅外輻射 差

2、進(jìn)行探測，因而識別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見光； 紅外系統(tǒng)的體積小、質(zhì)量輕、功耗低。近年來，紅外技術(shù)在軍事領(lǐng)域和民用工程上，都得到了廣 泛應(yīng)用。軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：(1) 偵查、損索和預(yù)警；(2) 探測和跟蹤；(3) 全天候前視和夜視；(4) 武器瞄準(zhǔn)；(5) 紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈；紅外成像相機(jī)；(7)水下探潛、探雷技術(shù)。在民用工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要是： 在氣象預(yù)報、地貌學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、遙感資源調(diào)查等領(lǐng)域的 應(yīng)用；(2) 在地下礦井測溫和測氣中的應(yīng)用；(3) 紅外熱像儀在電力.消防、石化以及醫(yī)療和森林火災(zāi)頂扌艮 中的應(yīng)用。10. 1第外傳“10. 1. 1紅外輻射的基本知識紅外輻射任何物體，只要它的溫度高于

3、熱力學(xué)零度(-273. 15 °C)時，就 會向外輻射能量，故稱為熱輻射，又稱為紅外輻射或俗稱紅外線。 它是一種人眼看不見的光線，但實際上它與其他任何光線一樣， 也是一種客觀存在的物質(zhì)。在電磁輻射波譜中，紅外線是位于可 見光中紅色光以外的光線，波長范圍大致在0.76100呵，對應(yīng) 的頻車大致在4 X 1014 3 x ion Hz之間。紅外線與可見光一樣，也具有反射、折射、散射、干涉.吸收 等特性，它在真空中的傳播速度為光速，即c =3xl08m/so在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為4個區(qū)域：波長在0763 pm為近紅外區(qū)；波長在3訕n 為中紅外區(qū)；波長在6|nrn20 為中遠(yuǎn)紅外區(qū)

4、；波長在20-lQto 為遠(yuǎn)紅外區(qū)。紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中的氣體分子.水蒸 氣以及固體微粒.塵埃等物質(zhì)的吸收和散射作用，使輻射能在 傳輸過程中逐漸衰減。但紅外輻射在通過大氣層時，在以下3個 波段區(qū)間：2 2. 6 pm、35pm、814pm,大氣對紅外線幾 乎不吸收，故稱之為“大氣窗口”。這3個大氣窗口對紅外技術(shù) 應(yīng)用特別重要，紅外儀器都工作在這3個窗口之內(nèi)。10.1.2紅外輻射的重要參數(shù)1) 輻射能0以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能。單位為焦 耳(J)。2) 輻射能通量0單位時間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能稱為輻射能通量，其單 位為瓦特(W): 0=dQ第蘭卡耘外傳“一

5、<0343）輻射強(qiáng)度/點輻射源向各個方向發(fā)出輻射，在某一方向，在單位立體角內(nèi) 發(fā)出的輻射能通量為，則輻射強(qiáng)度z為1 = -單位：瓦/球面度（W/Sr） odQ4）輻射出射度d<P6S單位：瓦/米2（W血）。指輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射能通量，即5）輻射亮度Z和光譜輻射亮度乙為了表征具有有限尺寸輻射源輻射能通量的空間發(fā)布，釆用輻射 亮度這樣一個輻射量。式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜單位：瓦/ （球面度米2） W/ （Sr m2）。輻射亮度實際上是包括所有波長的輻射能量。如果是輻射光譜 中某一波長的輻射能量，則稱為在此波長下的光譜輻射亮度乙。對于朗伯特輻射體（也稱余弦輻射體），其在各個方向

6、的輻射亮 度都相等，且有實際輻射物體一般都可以看作朗伯 特輻射箱。勲0"外傳藏器10. 1.3黑體、白體和透明體nn1.輻射能的分配當(dāng)物體接收到輻射能以后，根據(jù)物體本身的 性質(zhì)，會發(fā)生部分能量吸收.透射和反射的 現(xiàn)象，如圖所示，有+-+ = « + T+ p = Q Q Q式中：a為吸收率，表示吸收的能量所占的比率；&為透射率， 表示透射的能量所占的比率；Q為反射率，表示反射的能量所 占的比率。2.黑體當(dāng)QJQ=a=l時，貝U曰），0=0。這說明照射到物體上的輻射 能全部被吸收，既無反射也無透射，具有這種性質(zhì)的物體稱為“絕對黑體”或簡稱為“黑體”。第外傳“在自然界中

7、黑體是不存在的，但可以人為制造近似的黑體，如圖所示。3.透明體當(dāng)QJQ=歸時，說明照射到物體上的輻 射能全部透射過去，既無吸收又無反射。具有這種性質(zhì)的物體稱為透明體。4.白體當(dāng)（/0= P=1時，說明照射到物體上的輻射能全部被反射出去。 若物體表面平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為 “鏡體”；若反射無一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對白體" 或簡稱為“白體”。10.1.4紅外輻射的基本定律1.基爾霍夫定律基爾霍夫定律（簡稱基氏定律）是物體熱輻射的基本定律，它建 立了理想黑體和實際物體輻射之間的關(guān)系?；鶢柣舴蚨杀砻? 各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，它和物體的性質(zhì) 無關(guān)，是

8、物體的溫度玲發(fā)射波長的函數(shù)。即：&o （入T）a】（入T）勺（入廠）= = /(入巧式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜式中：M0（X,T）,冏（兒7）, M2（.分別為物體血，勺，生，的單&（）鶴射出射度；,T）,叫（,T）, a2（ X,T）, . 分別為物體血，A. A2,.的單色（）吸收率。2若物體A。是絕對黑體，則其單色吸收率Go（2,7）=l,則任意物體A的輻射出射度（久，7）與黑體的輻射出射度妬（2, 7）之比為M(2,7QM°M)= a(T) = £(Ty單色黑度系數(shù)式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜=J £ (九T ”2 = sT基氏定律的 積分形式在

9、全波長內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長的輻射 出射度在全波長內(nèi)的積分，即M(T) _ £ A/(,T)d2M°CO 陸(2,手2"(7)為物體A在溫度7T的全輻射出射度；妳(7)為黑體在溫度7T 的全輻射出射度；匂為物體A的全發(fā)射率，或稱全輻射黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度7T，物體A的輻射出射度與相同溫度下黑 體的輻射出射度之比。一般物體的匂1,匂越接近1，表明它與 黑體的輻射能力越接近。比較教材表10-1所列材料的單色發(fā)射率和全發(fā)射率，你能得出 怎樣的結(jié)論二72黑體輻射定律1）普朗克定律（單色輻射強(qiáng)度定律）在基爾霍夫定律式（io-6）中，f（a，門的函數(shù)形

10、式是怎樣的？普 朗克用量子學(xué)說建立了數(shù)學(xué)關(guān)系式，并得到了實驗驗證。普朗 克建立的黑體的光譜輻射出射度陸（2計算公式為M0(2,T) = Cl2-5(e -I)'1式中：G為第一輻射常數(shù)，6；=3. 74xl04 W-nm4/cm2; G為第二 輻射常數(shù)，G=l 44 x 104呵K;功黑體絕對溫度（K）。由上式可算出不同波長和溫度時黑體的光譜輻射出射度加（2,7）,如圖10. 4所示。從圖中曲線可以得出黑體輻射的 幾個特性：式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜(1) 總的輻射出射度是隨溫度的升 高而迅速增加的，溫度越高則光譜輻射 出射度越大。(2) 當(dāng)溫度一定時，光譜輻射出射度隨波長的不同按一定的

11、規(guī)律變化，曲 線有一個極大值，其波長定滋為，當(dāng)波長心于時，輻射出射度隨波長增 加而增加，當(dāng)波長太于時，變化規(guī)律 相反。(3)當(dāng)溫度增加時，光譜輻射出射度的 峰值波長會向短波方向移動。物體的輻 射亮度增加，發(fā)光顏色也改變。0.8普朗克公式雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但它對于 低溫與高溫段都是適用的。式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜900K0.70.60.20.1°1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 II 12 13MimW 0.5r電0.45 0.350()K7Q0K600©第 外耘外色心_恣萇晶屋易詆a2) 維恩公式當(dāng)q時，則有 倚1，可得到維恩公式_Q_M0(2,T) = q2'

12、;5e維恩公式比普朗克公式簡單，但僅適用于不超過3000 K的溫度 范圍，輻射波長在04075切之間。當(dāng)溫度超過3000 K時， 與實驗結(jié)果就有較大偏差。從維恩公式可以看出，黑體的輻射本領(lǐng)是波長和溫度的函數(shù)， 當(dāng)波長一定時，黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，這就是 單色輻射式測溫和比色測溫的理論依據(jù)。3）斯蒂芬-玻爾茲曼定律（全輻射強(qiáng)度定律，也稱為四次 方定律）對黑體光譜輻射出射度妳（2,7）式在全波長范圍（0, 8）積分 可得：C2（呵;Xwxu = /；3肯-D-*d2 =時廠=穴斯蒂芬-玻爾茲曼定律指出溫度為斶絕對黑體，單位面積b為黑體輻射常數(shù)或稱斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)， <r=5.

13、 66961 x 10-3 W/ （m2-K4） o元在半球方向所發(fā)射的全部波長的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。上式就是全輻射式測溫的理論依據(jù)。第矽電化出嚴(yán)器10.2紅外傳感器紅外傳感器是將紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的一種 傳感器，也常稱為紅外探測器。它是紅外探測系統(tǒng)的核心，它 的性能好壞，將直接影響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。選擇合適的、性能 良好的紅外傳感器，對于紅外探測系統(tǒng)是十分重要的。紅外傳感器紅外光子傳感器紅外熱傳感器光電導(dǎo)傳感器 光生伏特傳感器 光電子發(fā)射傳感器 光磁電傳感器'熱電偶型熱敏電阻型熱釋電型按探測機(jī)理的不同，紅外傳感器分為熱傳感器和光子傳感器 兩大類。第外傳“紅外

14、光子傳感器的工作原理是基于光電效應(yīng)。其主要特點 是靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高。但紅外光子傳感器一般需在低溫下才能工作，故需要配備液氨.液氮制冷設(shè)備。此 外，光子傳感器有確定的響應(yīng)波長范圍，探測波段較窄。紅外熱傳感器的工作是利用輻射熱效應(yīng)。探測器件接收輻射 能后引起溫度升高，再由接觸型測溫元件測量溫度改變量，從 而輸出電信號。與光子傳感器相比，熱傳感器的探測率比光子 傳感器的峰值探測率低，響應(yīng)速度也慢得多。但熱傳感器光譜 響應(yīng)寬而且平坦，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個紅外區(qū)域，并且在常 溫下就能工作，使用方便，應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛。10. 2.1紅外光子傳感器紅外光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的

15、照射下, 產(chǎn)生光電效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過測量電學(xué)性 質(zhì)的變化，就可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜第"*耘外傳藏器 形旋磁按照紅外光子傳感器的工作原理，一般分為外光電效應(yīng)和 內(nèi)光電效應(yīng)傳感器兩種。內(nèi)光電效應(yīng)傳感器又分為光電導(dǎo)傳感 器、光生伏特(簡稱光伏)傳感器和光磁電傳感器3種。(1) 大部分外光電傳感器只對可見光有響應(yīng)?？捎糜诩t外輻 射的光電陰極很少。S-l(Ag-0-Cs)是一種。它的峰值響應(yīng)波長 是0.8 Mi,光譜響應(yīng)擴(kuò)展到12凹1。目前外光電效應(yīng)探測器只 用于可見光和近紅外波長范圍。光電導(dǎo)探測器利用半導(dǎo)體作材料，可以分為多晶薄膜形 式和單晶形式兩

16、種類型。薄膜型的光電導(dǎo)探測器品種較少， 常用的只有PbS和PbSe兩種。PbS適用于1呦 近紅外附近的 大氣窗口。PbSe適用于3餉 的大氣窗口。式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜單晶型的光電導(dǎo)探測器可再細(xì)分為本征型和摻雜型兩類。本 征型中InSb是3 5 pirn區(qū)間最優(yōu)良的探測器,HgCdTe和PbSnTe探 測器適用于8 14pm大氣窗口。此外還有適用于極近紅外的Si 與適用于1曲 的Te等探測器。摻雜型主要為適用于81阿 的Ge：Hg。此外，Ge : Cu和Ge ： Cd雖能探測波長更長的紅外輻射，但工作時必須冷卻到4 K,使 用不方便。此外Si摻雜的探測器近來亦有較大的進(jìn)展。（3）光伏探測器按

17、使用要求不同可分為兩類，一類是用作能 量轉(zhuǎn)換和光電控制，如光電池；另一類是主要作為光電信號變 換的光伏器件，如光敏二極管.光敏晶體管、雪崩光敏二極管. 光伏HgCdTe和PbSnTe紅外探測器。光電池工作時不必加偏置電壓，材料都采用單晶。常用的單晶材料 有Si （響應(yīng)區(qū)間約0. 5 1. 5微米）.Ge （峰值響應(yīng)波長約為1. 5微米）、室溫工作的TnSb （1 3. 8微米）、77K溫度工作的InAs （1 3. 5微米）ZLX溫血作的nSb （2 5. 8微米）等。硅光敏二極管是一種常用光電探測器，其光譜范圍在0.4-1. 1 gm ,峰值波長為09 pn ,主要用于可見光和近紅外探測。P

18、IN硅光敏二極管的頻率響應(yīng)很高，達(dá)吉赫(GHz)量級，其峰 值響應(yīng)波長在1. 04-1. 06呵之間。目前制作的光伏HgCdTe紅外探測器可分別工作于室溫(300 K) 和液氮(77 K)溫區(qū)，其響應(yīng)波長可覆蓋l-14gmo工作于77 K 的HgCdTeX作波段為8 14m 峰值響應(yīng)波長為10. 6卜口左右。Pb>xSnxTe紅外探測器可以通過改變其組分x和器件工作溫度來 得到不同的光譜響應(yīng)，通常的工作溫度可以有15 K、77 K等， 其光譜響應(yīng)范圍是8 141。HgCdTe和PbSnTe除了有單元器件外，還可制作線陣和面陣器件, 它是當(dāng)前紅外成像系統(tǒng)中重要的光探測器。(4) 光磁電傳感

19、器的工作原理是 光磁電效應(yīng)，如圖所示。半導(dǎo)體的上 表面吸收光子后在上表面產(chǎn)生的電子- 空穴對要向體內(nèi)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中, 因受到強(qiáng)磁場的作用，電子和空穴各 偏向一側(cè)，因而產(chǎn)生電位差。這個現(xiàn) 象就叫做光磁電效應(yīng)。利用這個效應(yīng) 測量紅外輻射的探測器稱為光磁電探 測器。常用的材料有InSb與HgTe等。毘總逐用紅外輻射磁場B光磁電傳感器的主要優(yōu)點是不需要致冷設(shè)備和外加電源，但靈敏度比光導(dǎo)型和光伏型器件低，且需要外加強(qiáng)磁場。第呂*耘牛傳“10. 2.2紅外熱傳感器熱探測器吸收紅外輻射后溫度升高，可以使探測材料產(chǎn)生溫 差電動勢.電阻率變化.自發(fā)極化強(qiáng)度變化等，測量這些物理 性能的變化就可以測定被吸收的紅

20、外輻射能量或功率。1.測輻射熱電偶和熱電堆測輻射熱電偶是利用溫差電效應(yīng)制成的紅外探測器。所謂溫 差電效應(yīng)是指把兩種不同的金屬或半導(dǎo)體細(xì)絲連接成一個封閉環(huán)路，當(dāng)一個接頭吸收紅外輻射因而它的溫度高于另一個接頭 時，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動勢，從電動勢的大小可以測定接頭處所吸 收的紅外輻射功率。若干個熱電偶串接在一起就成為熱電堆。圖示為一種熱電堆探測器，共能量損失小,具有較小的熱慣性和匚引出線云母基片 受熱靶面熱電偶絲有8支串聯(lián)的熱電偶，8支熱電偶的 熱端焊接在鍍有一薄層黑色的餡黑 受熱片上，熱電偶的冷端焊在一個 金屬箔上，金屬箔固定在兩片絕緣 絕熱的云母環(huán)中間，云母環(huán)固定有 引出線，從引出線上可以得到8支

21、熱電偶熱電動勢的和。這種熱電堆較高的靈敏度。溫差電偶型探測器的探測率可達(dá)1.4xl09 cmHzW-1,響應(yīng)時 間約30 - 50 ms,目前生產(chǎn)的紅外分光光度計大多釆用溫差電 偶型探測器作為輻射接收器。1第矽*耘外傳減器毘很祎2.測輻射熱敏電阻測輻射熱敏電阻是利用材料的電阻對溫度敏感的特性來探測紅 外輻射的器件。通常采用負(fù)溫度系數(shù)氧化物半導(dǎo)體作為熱敏材 料。圖不為測輻射熱敏電阻的結(jié)構(gòu)7F意圖。mm9熱敏電阻薄片的厚度約10呵，形狀呈方形或長方形，邊長從 0.1 mm到10 mm，彩狀和大小根據(jù)實際需要確定。電阻值一般在 幾百千歐到幾兆歐之間，電阻值取決于材料的電阻率和元件的 幾何尺寸。熱敏電

22、阻薄片的兩端蒸鍍電極并接引線，上表面常 涂有黑化層，以便增加對入射輻照的吸收，吸收率可以達(dá)到 90%左右。_補(bǔ)償片工作片窗口/襯底殼體電極典型的測輻射熱敏電阻通常將結(jié)構(gòu)和性能相同的兩只熱敏 電阻組裝在同一個管殼內(nèi)，如圖所示。其中，一只用來接收 紅外輻射能量，稱另工作元件，另一只被屏蔽起來不接收紅 外輻射能，稱為補(bǔ)償元件，它能起溫度補(bǔ)償作用。兩只元件 盡可能靠得近些，以便保證有相同的環(huán)境條件。測量電路常 用電橋電路。勲0"外傳藏器測輻射熱敏電阻技術(shù)性能并不高，其探測率在調(diào)制頻率小于30 Hz的低頻區(qū)一般為2xl08 cmHz,/2W- 這比熱電堆的探 測率約低一個數(shù)量級，比熱釋電探測器

23、低一個數(shù)量級以上。 熱敏電阻的時間常數(shù)一般為幾毫秒幾十毫秒，遠(yuǎn)不如熱釋 電探測器響應(yīng)快。但測輻射熱敏電阻的穩(wěn)定性好，又比較牢 固，容易與放大器匹配，且是一種對各種波長都有相同響應(yīng) 的無選擇性探測器件，在1 15 5的常用紅外波段內(nèi)響應(yīng)度 基本上與波長無關(guān)，這是光子探測器所達(dá)不到的。目前熱敏 包阻在8 14呵波段應(yīng)用很廣，所以它在基礎(chǔ)科學(xué)研究、工業(yè)及空間技術(shù)等方面仍有相當(dāng)數(shù)量的應(yīng)用。例如在測輻射計.熱成象儀和工業(yè)生產(chǎn)的自動控制等若干裝置中都可以使用熱 敏電阻。式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜熱釋電紅外探測器是一種新型的熱探測器，它是利用某些 材料的熱釋電效應(yīng)探測輻射能量的器件。由于熱釋電信號正 比于器件

24、溫升隨時間的變化率，而不像通常熱探測器那樣需 要有個熱平衡過程，因此，熱釋電探測器的響應(yīng)速度比其他 熱探測器快得多。它不但可以工作于低頻，而且能工作于高 頻，目前最好的熱釋電探測器軻1齡測H率討一以高 達(dá)，已經(jīng)超過了所有的室溫?zé)崽綔y器。因而熱111釋電探側(cè)器不僅具有室溫工作.光譜響應(yīng)寬等熱探測器的共 同優(yōu)點，而且也是探測率最高.頻率響應(yīng)最寬的熱探測器。 隨著熱釋電探測器研究的不斷深入和發(fā)展，其應(yīng)用也日趨廣 泛，不僅應(yīng)用于光譜儀.紅外測溫儀、熱像儀和紅外攝像管 等方面，而且在快速激光脈沖監(jiān)測和紅外遙感技術(shù)中也得到 了實際應(yīng)用。1) 熱釋電效應(yīng)熱釋電探測器所用材料為熱電晶體，如硫酸三甘肽(TGS)

25、、 饑酸鏗冷貝(SBN)、鋰酸鋰、饑酸鋰等。熱電晶體：在具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的極性晶體中，即使在外電場和 應(yīng)力均為零的情況下，本身也具有自發(fā)極化，自發(fā)極化強(qiáng)度厶是溫 度的函數(shù)，即溫度升高時，人減小，當(dāng)溫度高于居里溫度時，人=°。 具有這種性質(zhì)的晶體稱為熱電晶體。熱釋電效應(yīng)：由于自發(fā)極化，熱電晶體的外表面上應(yīng)出現(xiàn)面束縛 電荷，在垂直于厶的晶體表面上面束縛電荷密質(zhì)=PSO但平時這些 面束縛電荷常被晶體內(nèi)部和外來的自由電荷所申和，因此晶體并不 顯出外電場。但是由于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時間很長， 大約從數(shù)秒到數(shù)小時，而晶體的自發(fā)極化的弛豫時間很短，約為 10-12 s,因此，當(dāng)熱電晶

26、體溫度以一定頻率發(fā)生變化時，由于面束 縛電荷來不及被中和，晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度或面束縛電荷密度乞必 然以同樣的頻率出現(xiàn)周期性變化，并產(chǎn)生一個交變的電場。這種現(xiàn) 叢就縣執(zhí)軽由放府一工作原理：若用調(diào)制頻率為/的紅外輻射照射熱電晶體， 則晶體溫度、自發(fā)極化強(qiáng)度以及由此引起的面束縛電荷密度 均隨頻判發(fā)生周期性變化。如果小于自由電荷中和面束 縛電荷所需要的時間，那么在垂直于代的兩端面間產(chǎn)生交變 開路電壓。若在這二個端面涂上電極，并通過負(fù)載連成閉合 回路，在回路中就會有電流流過，而且在負(fù)載的兩端產(chǎn)生交 變的信號電壓。這就是熱釋電探測器工作的基本原理。2）熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜1 一窗

27、口； 2FET； 3絕緣皋座；4引腳；5導(dǎo)電性支撐臺；6熱釋電元件；7外殼熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)示意恣屈盞幺盤屈應(yīng)用熱釋電傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜濾光片F(xiàn)ET管外殼2引腳雙PZT熱 電元件窗口熱釋電傳感器按其內(nèi)部安裝敏感元件數(shù)量的多少，分為單 元件、雙元件、四元件及特殊形式等幾種。最常用的為雙元件 型，如圖所示。所謂雙元件是指在一個傳感器中有兩個反相串聯(lián)的敏感元件，雙元件傳感器有如下優(yōu)點:(1) 當(dāng)能量順序地入射到兩個 元件上時，其輸出要比單元件 器件高一倍；(2) 由于兩個元件逆向串聯(lián)使 用，對同時輸入的能量

28、會相互 抵消，由此可防止太陽的紅外 線引起的誤動作；可以防止由于環(huán)境溫度變 化引起的檢測誤差。式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜a第矽*耘外傳減器SSSBSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSi3) 熱釋電探測器的特點(1) 在室溫下即可正常工作， 無需致冷。(2) 使用溫度必須低于熱釋電 元件材料的居里點溫度。如硫 酸三甘肽(TGS)的居里點溫度為 49°C、鋰酸鋰為660°C、錯鈦酸 鉛(PZT)為360°Co對恒定輻照無響應(yīng)。只有 在變化輻照下，產(chǎn)生溫度變化 過程中，才有熱釋電電流輸出。 因此使用時必須用調(diào)制斬波器 將入射輻照變換為交流信號， 或

29、使用脈沖光輻射。武漢理工大學(xué)機(jī)電熱釋電傳感器實物盤盤,10.3紅外傳感器的主要性能參數(shù)1.響應(yīng)率當(dāng)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，稱為傳感器的響應(yīng) 率，記作心，單位為V/W或0/問。式中：久為紅外傳感器的輸出電壓(V);血為入射到紅外敏感 元件單位面積上的功率(W/cm2);給為紅外傳感器敏感元件的 面積(cm2)。2.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O 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)。第呂*耘牛傳“時間常數(shù)：t = -L2欣式中：4為響應(yīng)率下降到最大值的0.707 （3 dB）時的調(diào)制頻率。

30、 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 般為毫秒級或臾長，光子傳感器的時間常數(shù)很小，一般為微秒級。3.響應(yīng)波長范圍響應(yīng)波長范圍或稱光譜響應(yīng)，表示傳感器的, 電壓響應(yīng)率與入射紅外輻射波長之間的關(guān)系。心 由于熱傳感器的電壓響應(yīng)率與波長無關(guān)，它 的響應(yīng)曲線是一條平行于橫坐標(biāo)（波長）的直 Z - 線。而光子傳感器的電壓響應(yīng)率是波長的函2 數(shù)，因此是一條隨波長變化的曲線，如圖所 示，存在峰值波長（入），把響應(yīng)率下降到最 / 大值的一半所對應(yīng)的波長稱為截止波長（）， 截2波長的區(qū)間表示了紅外傳感器響應(yīng)波長的范圍。式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)覺4.噪聲等效功率由于探測器存在噪聲，所以不能無

31、限地測量小的輻射信號，當(dāng) 輻射小到它在探測器上產(chǎn)生的信號完全被探測器的噪聲所淹沒時， 這時探測器就無法肯定是否有輻射信號投射在探測器上，探測器 探測輻射的能力就有了一個限度，通常我們用噪聲等效功率NEP 來表征探測器的這個特征。當(dāng)輻射在探測器上產(chǎn)生的信號電壓正好等于探測器本身的噪聲 電壓值(即信號噪聲比為1)時，所需投射到探測器上的輻射功率稱為探測器的噪聲等效功率，即NEP =式中：為入射到紅外敏感元件單位面積上的功率(W/cm2);血為 紅外傳感器敏感元件的面積(cm2);必為紅外傳感器的輸出電壓(V);久為紅外傳感器的綜合噪聲電壓(V);化為紅外傳感器的電 壓響應(yīng)率(V/W) °

32、苫第蘭*耘外傳“任5.探測率探測率是噪聲等效功率NEP的倒數(shù)，以殊示，單位為W-i,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。6.比探測率比探測率又稱歸一化探測率，或稱探測靈敏度。實質(zhì)上就是 當(dāng)傳感器的敏感元件面積為單位面積，放大器的帶寬為1Hz時， 單位功率的輻射所獲得的信號電壓與噪聲電壓之比，通常用符 號ZT表示,單位是cmHz1/2W_1 :"1 <024由zr的定義可知，比探測率與傳感器的敏感元件面積和放 大器的帶寬無關(guān)。這樣在不同的傳感器對比時，就比較方便了。 在一般情況下，zr越高，傳感器的靈敏度越高、性能越好。目前已有許多

33、品種的紅外探測器 可供設(shè)計人員選擇應(yīng)用，探測的 光譜覆蓋區(qū)已擴(kuò)大到1 120呵。波長2/pm圖示為常用紅外探測器光譜探 測率曲線。由圖示曲線可以得 出紅外光子探測器和紅外熱探 測器各有哪些特點 0式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜10.4第外傳“紅外傳感器應(yīng)用舉例10. 4.1紅外測溫溫度的測量方法可分為接觸式測溫和非接觸式測溫兩類，測溫 傳感器種類繁多紅外測溫是一種比較先進(jìn)的測溫方法，主要特 點是： 紅外測溫是遠(yuǎn)距離和非接觸測溫，特別適合于運動物體.帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量。 紅外測溫反應(yīng)速度快，它不需要與物體達(dá)到熱平衡的過程， 只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可定溫。反應(yīng)時間一般都在毫秒級甚至微秒

34、級。紅外測溫靈敏度高，因為物體的輻射能量與溫度的四次 方成正比。物體溫度微小的變化，就會引起輻射能量較大的 變化，紅外探測器即可迅速地檢測出來。勲0"外傳藏器(4)紅外測溫準(zhǔn)確度較高，由于是非接觸測量，不會破壞物體原來溫度分布狀況，因此測出的溫度比較真實。測量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.1 °C，至更小。(5)紅外測溫范圍廣泛，可測攝氏零下幾十度到零上幾千 度的溫度范圍。紅外溫度測量方法，幾乎可以應(yīng)用于所有溫 度測量場合。1.紅外測溫的基本方法基于輻射體的溫度與輻射能之間的不同物理定律的函數(shù)形式, 紅外輻射測溫方法有3種：全輻射測溫.單色輻射式測溫.比 色測溫。1)全輻射測溫(輻射溫度

35、)全輻射測溫的理論依據(jù)是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，即總輻射 強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比?；谌椛錅y溫原理的輻射溫度計測出的溫度稱為輻射溫 度八。輻射溫度的定義為：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻 射能時，此黑體之溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)式(10-11),總輻射能相等條件下可得：T - A式中：劭非黑體的真實溫度；婦為非黑體的輻射溫度；匂為非 黑體的發(fā)射率。因此用輻射溫度計測量非黑體溫度時，必須知道物體的發(fā)射 率匂后才能換算成真實溫度由于非黑體的發(fā)射率匂1， 因此，用輻射溫度計測出的溫度要比物體真實溫度低，發(fā)射 率越小，誤差越大。2）單色輻射式測溫（亮度溫度）根據(jù)維恩公式,黑體的輻射本領(lǐng)是波

36、長和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長一定時，就僅僅與溫度有關(guān)，這就是單色輻射式測溫的理論依據(jù)。測量時接收到的實際是目標(biāo)物體在某方向上的輻射出射度，即 光譜輻射亮度，一般將測量物體看作余弦輻射體，則有：單色輻射式測溫儀器是以黑體的光譜輻射亮度來刻度的，如果 被測物體為非黑體時就會出現(xiàn)偏差。因為在同一溫度下非黑體的 光譜輻射亮度比黑體低，因此儀器測量的非黑體的溫度比真實溫 度偏低。為了校正這個偏差，引入了亮度溫度兀的概念。亮度溫度定義為：當(dāng)被測物體為非黑體，在同一波長下的光 譜輻射亮度同絕對黑體的光譜輻射亮度相等時，則黑體的溫度 稱為被測物體在波長為時的亮度溫度。根據(jù)亮度溫度的定義，則有：%厶（入廠）=厶（入人

37、）上式左邊為非黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度, 近為亮度溫度，財真實溫度， 為被測物體在溫度為T、波長 為時的發(fā)射率。亙 -C2對上式兩邊取對數(shù)并整理得:1 1結(jié)合維恩公式得：sATc 2r =e ATl若已知物體的單色發(fā)射率，就可以從亮度溫度兀求出物體的真實溫度7；勲0"外傳藏器_3）比色測溫（比色溫度）比色測溫是通過測量輻射體在兩個或兩個以上波長的光譜輻射 亮度之比來測量溫度的。對于溫度為T的黑體，在波長為人和人時的光譜輻射亮度之比 為&根據(jù)維恩公式，則有：R =厶仏=止）5 .右知厶N(yùn)久2?。?A對上式取對數(shù)并整理得In 7?-5hi（勻A由于比色測溫儀是以

38、黑體在21和久2波長的光譜輻射亮度來刻 度的，測量非黑體時會出現(xiàn)偏差，為此定義比色溫度$。第外傳“比色溫度是指：黑體輻射的兩個波長人和入的光譜輻射亮度之比等于非黑體的相應(yīng)的光譜輻射亮度之比時，黑體的溫度即為這個非黑體的比色溫度爲(wèi)。根據(jù)比色溫度的定義，可進(jìn)一 步求出物體的真實溫度與比色溫度的關(guān)系如下：式中：叫T、分別為物體在久1和久2時的單色發(fā)射率；7是物體 的真實溫度；鳥是物體的比色溫度。由于同一物體的不同波長的單色發(fā)射率變化很小，如果所選入 和久2彳艮接近，則發(fā)射率的影響就非常小，所以用比色測溫法測 得的比色溫度$與物體的真實溫度艮接近，一般可以不進(jìn)行校 正。式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜溫度顯示

39、2.紅外輻射測溫儀紅外輻射測溫儀的基本組成包括光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信 號調(diào)理電路、顯示輸出等部分。以WDL-31型光電高溫計為例說 明輻射測溫儀的結(jié)構(gòu)及工作原理。同步信號微型電動機(jī) 聚光鏡式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜第外傳“選擇紅外測溫儀時應(yīng)主要考慮下列因素:式漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)兜(1) 溫度范圍：測溫范圍是測溫儀最重要的一個性能指標(biāo)， 所選型號儀器的溫度范圍應(yīng)與具體應(yīng)用的溫度范圍相匹配。(2) 目標(biāo)尺寸：對于單色測溫儀，測溫時，被測目標(biāo)應(yīng)大于 測溫儀的視場，否則測量有誤差。建議被測目標(biāo)尺寸超過測溫 儀視場的50%為好。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波 長帶內(nèi)輻射能量的比值來確定的。因此當(dāng)被測目標(biāo)很小，沒有 充滿視場，以及測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋對輻射能量 有衰減時，均不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響