光電檢測(cè)技術(shù)與光纖基礎(chǔ)課件：第八章 紅外輻射與紅外探測(cè)器

1、第八章 紅外輻射與紅外探測(cè)器8.1 紅外輻射的基礎(chǔ)知識(shí)8.1.1 紅外輻射光譜范圍：0.781000微米，10-14 10-11HZ 紅外輻射特性發(fā)生機(jī)理：原子或分子的躍遷發(fā)射紅外輻射，高于-273C的物體都發(fā)射紅外輻射或光。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(lái)的紅外線越多，輻射出的能量就越強(qiáng). 滿足所有電磁波的性質(zhì)，如速度等于波長(zhǎng)與頻率的乘積，橫波、折、反射、偏振及散射等熱效應(yīng)：太陽(yáng)光譜中各種單色光的熱效應(yīng)從紫外光到紅外光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)有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。紅外輻射分4個(gè)區(qū)：近紅外（0.783微米），中紅外（56微

2、米）遠(yuǎn)紅外（616微米）極遠(yuǎn)紅外（161000微米）大氣吸收對(duì)紅外線測(cè)量有比較大的影響8.1.2 紅外輻射源紅外輻射源：光物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，就有紅外線向周圍空間輻射出來(lái)，只要輻射紅外線的物體就叫做面源：將充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的輻射源叫作面源點(diǎn)源：未充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的小面叫作點(diǎn)源8.2 紅外探測(cè)器（紅外傳感器） 紅外探測(cè)器（紅外傳感器）熱（電）探測(cè)器光子（電）探測(cè)器對(duì)比以前的分類P23輸出電壓，與入射光功率成正比8.2.1 熱探測(cè)器光熱 電（四種效應(yīng)）主要器件可分為：熱敏電阻、熱電偶、熱釋電器件、高萊氣動(dòng)型探測(cè)器響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)（光譜為常數(shù)），屬于無(wú)選擇性探測(cè)器受熱時(shí)間常數(shù)（熱慣性）

3、的制約，響應(yīng)速度比較慢峰值探測(cè)率低可在室溫下工作（對(duì)紅外線）熱探測(cè)器與前述的各種光電探測(cè)器相比，其特點(diǎn)為：熱（溫差）電勢(shì)，電阻，極化，體積 升溫規(guī)律：T-T0P，溫差與光功率成線性關(guān)系 電阻，熱（溫差）電勢(shì)，極化，體積(運(yùn)動(dòng)或電容） R0為T=0時(shí)的值-熱敏電阻溫度系數(shù) 1.熱敏電阻探測(cè)器效應(yīng)及材料：電阻吸收光輻射而升溫，電阻隨溫度變化；金屬或半導(dǎo)體 半導(dǎo)體： 溫度系數(shù)多為正，即有光照溫度升高時(shí)，電阻增大電阻變化量與溫度變化量成線性可用于模擬測(cè)量.金、鎳、錳、鐵1、溫度系數(shù)是負(fù)的，即有光照溫度升高時(shí)，電阻減小，與溫度變化量成非線性。用于火災(zāi)報(bào)警等。2、比正溫度系數(shù)大十倍以上，主要有：錳、鎳、鈷

4、等氧化物金屬：結(jié)構(gòu)：黑色薄片電路：熱敏電阻與負(fù)載串聯(lián)，負(fù)載兩端輸出電壓，與入射光功率成正比2.熱電偶型紅外探測(cè)器T0T0+TAB溫差（熱）電偶接觸電勢(shì)溫差電勢(shì)把兩種不同導(dǎo)體材料接回路，當(dāng)兩接頭處溫度不同時(shí)，回路會(huì)產(chǎn)生電流。稱熱電效應(yīng)溫差電勢(shì)輸出電壓為了提高輸出電壓，常采用溫差電堆：mV時(shí)間常數(shù)較大，被測(cè)輻射變化頻率一般在10HZ以下實(shí)體型：多用于測(cè)溫薄膜型：多用于標(biāo)定各種光源、測(cè)量各種輻射量特材料：銅康銅，鉍銀， 鉑鉑銠（半導(dǎo)體）熱電探測(cè)器的特點(diǎn)：熱釋電器件是綜合性能最好的,在紅外波段是最有前途的器件,近十年來(lái)受到人們的廣泛重視。(1)反應(yīng)速度快 ns, 甚至10ps，一般ms。(2)探測(cè)率僅

5、次于高萊管,受環(huán)境溫度影響小.(3)不需偏壓,內(nèi)阻高.(4)對(duì)恒定輻射無(wú)反應(yīng).(5)易制造,有大面積和兩維成像器件. 0.1mm210cm23. 熱釋電型紅外探測(cè)器3. 熱釋電型紅外探測(cè)器自發(fā)極化現(xiàn)象：(b) 溫度變化(C) 溫度變化時(shí)的等效表現(xiàn)對(duì)恒定輻射沒(méi)有輸出，所探測(cè)輻射必須是變化的?？梢圆捎脭夭ǎㄕ{(diào)制）的方法測(cè)量恒定輻射。(a) 恒溫下熱釋電效應(yīng)：Uout熱釋電器件RL極化強(qiáng)度過(guò)程的平均時(shí)間為：一般要求被測(cè)信號(hào)的變化頻率：無(wú)線紅外人體探測(cè)器4. 高萊氣動(dòng)型探測(cè)器特點(diǎn)：靈敏度很高，性能穩(wěn)定但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度較差，只適合于實(shí)驗(yàn)室使用其他結(jié)構(gòu)8.2.2 光子探測(cè)器1. 外光電探測(cè)器（PE器件）光

6、電管、光電倍增管2. 光電導(dǎo)探測(cè)器（PC器件）光敏電阻3. 光生伏特探測(cè)器（PU器件）-結(jié)型紅外探測(cè)器同質(zhì)結(jié) 異質(zhì)結(jié) 肖特基結(jié) 雪崩管 量子阱4. 光磁電探測(cè)器（PEM器件）某些半導(dǎo)體表面受光照，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，它們?cè)谙蝮w內(nèi)擴(kuò)散的過(guò)程中受外磁場(chǎng)的作用各自偏向一邊形成開路電壓，稱為光磁電效應(yīng)8.3* 紅外探測(cè)器的性能參數(shù)及使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)8.3.1 紅外探測(cè)器的性能參數(shù)電壓響應(yīng)率、光譜響應(yīng)、等效噪聲功率、比探測(cè)率和時(shí)間常數(shù)等8.3.2 紅外探測(cè)器使用中應(yīng)注意的問(wèn)題選用探測(cè)器時(shí)要注意它的工作溫度應(yīng)注意調(diào)整好探測(cè)器的偏流、偏壓，使其工作在最佳工作狀態(tài)輻射源調(diào)制頻率應(yīng)和探測(cè)器的響應(yīng)頻率相匹配探測(cè)器存

7、放時(shí)要注意防潮、防振和防腐蝕了解探測(cè)器的性能指標(biāo)、應(yīng)用范圍、和使用條件8.4 紅外測(cè)溫8.4.1 紅外測(cè)溫原理斯忒藩-玻耳茲曼定律8.4.2 紅外測(cè)溫的特點(diǎn)反應(yīng)速度快（不需熱平衡）靈敏度高屬于非接解測(cè)溫（適合于高溫、高壓、帶電、運(yùn)動(dòng)）準(zhǔn)確度高。可小于0.1可測(cè)攝氏負(fù)幾十度幾千度的范圍用熱電探測(cè)器測(cè)量積分光功率，定標(biāo)后即可8.4.3 熱輻射傳感器-應(yīng)用實(shí)例1. 熱輻射高溫計(jì)具有響應(yīng)快熱惰性小等優(yōu)點(diǎn)主要用于腐蝕性物體及運(yùn)動(dòng)物體的高溫測(cè)量。測(cè)量范圍在4003200.由于感溫部分不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，因此誤差較大2. 熱輻射測(cè)溫儀1）結(jié)構(gòu)最高可測(cè)溫度為200，被測(cè)物體與傳感器的距離為10cm左右，其輻

8、射能量為6mW只適用于近距離的非接觸測(cè)量如：齒輪箱齒輪的溫度，或機(jī)器內(nèi)不能接觸的部件的溫度測(cè)量2）測(cè)量電路3. 輻射劑量率計(jì)現(xiàn)代工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)療等場(chǎng)所的輻射量測(cè)量8.5 紅外成像1.紅外變像管8.5.1 紅外成像器件2.紅外攝像管熱釋電紅外攝像管-光導(dǎo)攝像管、硅靶攝像管、熱釋電攝像管可見(jiàn)光或近紅外區(qū)工作波長(zhǎng)范圍較大2.集成紅外電荷耦合器件集成紅外電荷耦合器件-紅外CCD常用的紅外焦平面陣列有：PbS和PbSe陣列、PtSi陣列、InSb陣列、HgCdTe陣列GaAs/AlGaAs陣列、摻雜硅陣列、熱釋電探測(cè)器陣列高爐焦平面紅外熱圖像儀紅外熱像儀8.5.2*原理圖：紅外成像器件的應(yīng)用實(shí)例一前置

9、放大器電路：8.5.3* 紅外分析儀工作依據(jù)：物質(zhì)的吸收特性很多物質(zhì)在紅外部分都有吸收帶，但不同的物質(zhì)吸收帶的據(jù)體位置不相同，所以通過(guò)測(cè)量物質(zhì)在紅外波段的吸收位置可以確定物質(zhì)的成分醫(yī)用二氧化碳分析儀光系統(tǒng)圖電子線路框圖8.6 紅外無(wú)損檢測(cè)采用電流加熱的方法好處是可以通過(guò)改變電流的變化頻率來(lái)改變探測(cè)深度頻率低：透入深頻率高：表面溫度特性比較明顯，但太高時(shí)影響測(cè)量8.6.1 焊接缺陷處的無(wú)損檢測(cè)8.6.2 鑄件內(nèi)部缺陷探測(cè)利用液態(tài)氟利昂冷確，然后測(cè)其圖像8.6.3 疲勞裂紋探測(cè)8.7 紅外探測(cè)在軍事上的應(yīng)用因紅外輻射具有以下特點(diǎn)，所以在軍事上占有重要地位紅外輻射人眼不能見(jiàn)，所以避開敵方目視觀察。白天黑夜均可使用，特別適用于夜戰(zhàn)探測(cè)器自身不用發(fā)射光，采用被動(dòng)接收系統(tǒng)，比用無(wú)線電雷達(dá)或可見(jiàn)光更安全、隱蔽，不易受干擾、保密性強(qiáng)。利用目標(biāo)和背景輻射的差異可較好的識(shí)別各種目標(biāo)，特別可以發(fā)現(xiàn)偽裝的軍事目標(biāo)，分辨率比微波 好，比可見(jiàn)光更能適應(yīng)天氣條件缺點(diǎn)是：容易