紅外傳感器的應(yīng)用詳細(xì)解釋x

1、MeiWei 81 重點借鑒文檔】 紅外傳感器的應(yīng)用詳細(xì)解釋 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(jìn)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(yīng)用。軍事上，紅外探 測用于制導(dǎo)、火控跟蹤、警戒、目標(biāo)偵查、武器熱瞄準(zhǔn)器、艦船 導(dǎo)航等；在民用領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用與工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、安全監(jiān)視、救 災(zāi)、遙感、交通管理以及醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)等。 在科技高度發(fā)達(dá)的今天， 自動控制和自動檢測在人們的日常 生活和工業(yè)控制所占的比例也越來越重， 使人們的生活越來越舒 適，工業(yè)生產(chǎn)的效率越來越高。 而

2、傳感器是自動控制中的重要組 成部件， 是信息采集系統(tǒng)的重要部件， 通過傳感器將感受或響應(yīng) 的被測量轉(zhuǎn)換成適合輸送或檢測的信號（一般為電信號），再利 用計算機或者電路設(shè)備對傳感器輸出的信號進(jìn)行處理從而達(dá)到 自動控制的功能， 由于傳感器的響應(yīng)時間一般都比較短， 所以可 以通過計算機系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實時控制。 紅外傳感器是傳感 器中常見的一類，由于紅外傳感器是檢測紅外輻射的一類傳感 器，而自然界中任何物體只要其穩(wěn)定高于絕對零度都將對外輻射 紅外能量， 所以紅外傳感器稱為非常實用的一類傳感器， 利用紅 外傳感器可以設(shè)計出很多實用的傳感器模塊， 如紅外測溫儀， 紅 外成像儀，紅外人體探測報警器，自動門

3、控制系統(tǒng)等。 紅外傳感器定義 紅外線傳感器是用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的傳感器。 紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性 質(zhì)。它是一種不可見光，其光譜位于可見光中紅色以外，所以稱 紅外線。 工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中的位置（波段）分為：近 紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四個波段。任何物質(zhì)，只要它 本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。 紅外傳感器的測量基礎(chǔ)原理 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(yīng)， 輻射熱量， 它是光譜中最大光熱效應(yīng) 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

4、涉、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為 MeiWei_81 重點借鑒文檔】 MeiWei 81 重點借鑒文檔】 300000Km/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(dǎo)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1 5m、 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(yīng)對不 同的物體是各不相同的，熱能強度

5、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 分反射或吸收紅外輻射的物體 ） 將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。 嚴(yán)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(xué)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(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的， 而且最大的 熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范

6、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 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。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)。 玻耳茲曼定律 ：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)

7、。 維恩位移定律 ：隨著溫度的升高， 輻射最大值對應(yīng)的峰值波 長向短波方向移動。 MeiWei_81 重點借鑒文檔】 MeiWei 81 重點借鑒文檔】 紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜， 一個典型的傳感器系統(tǒng) 各部分的實體分別是： 1、待測目標(biāo)：根據(jù)待測目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的 設(shè)定。 2、大氣衰減：待測目標(biāo)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(xué)接收器：它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感 器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。 4、輻射調(diào)制器：對來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光， 提供目標(biāo)方

8、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(yīng)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)出來的電學(xué)效應(yīng)。 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(yīng)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(yīng)時間， 提高探測靈敏度。 7、信號處理系統(tǒng)：將探測的信號進(jìn)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：

9、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(yīng)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(yīng)有 外光電效應(yīng)、 內(nèi)光電效應(yīng) （ 光生伏特效應(yīng)、 光電導(dǎo)效應(yīng) ） 和光電磁 效應(yīng)。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)， 使探測元件接收到輻射能后 引起溫度升高， 進(jìn)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

10、是通過熱 電變化來探測輻射的。 當(dāng)元件接收輻射， 引起非電量的物理變化 時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。 MeiWei_81 重點借鑒文檔】 MeiWei 81 重點借鑒文檔】 熱敏探測器對紅外輻射的響應(yīng)時間比光電探測器的響應(yīng)時 間要長得多。 前者的響應(yīng)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。 紅外線傳感器的分類 常見紅外傳感器可分為熱傳感器和光子傳感器。 熱傳感器 熱傳感器是利用入射紅外輻射引起傳感器的溫度變化， 進(jìn)而 使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化， 通過測量有關(guān)物理參數(shù)的變化 來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。 熱探測器的主要

11、優(yōu)點是相應(yīng)波段寬， 可以在室溫下工作， 使 用簡單。但是，熱傳感器相應(yīng)時間較長，靈敏度較低，一般用于 低頻調(diào)制的場合。 熱傳感器主要類型有：熱敏傳感器型，熱電偶型，高萊氣動 型和熱釋放電型四種。 1、熱敏電阻型傳感器 熱敏電阻是由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒解而成的，熱敏 電阻一般制成薄片狀， 當(dāng)紅外輻射照射在熱敏電阻上， 其溫度升 高，電阻值減少。測量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射的 紅外輻射的強弱，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射物體的溫度。 2、熱電偶型傳感器 熱電偶是由熱電功率差別較大的兩種材料構(gòu)成。 當(dāng)紅外輻射 到這兩種金屬材料構(gòu)成的閉合回路的接點上時，該接點溫度升 高。而另一個沒有被紅外

12、輻射輻照的接點處于較低的溫度， 此時， 在閉合回路中將產(chǎn)生溫差電流。 同時回路中產(chǎn)生溫差電勢， 溫差 電勢的大小， 反映了接點吸收紅外輻射的強弱。 利用溫差電勢現(xiàn) 象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器， 因其時間常數(shù)較 大，相應(yīng)時間較長，動態(tài)特性較差，調(diào)制頻率應(yīng)限制在10HZ 以 下。 3、萊氣動型傳感器 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。它有一個氣室，以一 個小管道與一塊柔性薄片相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。 氣室的前面附有吸收模， 它是低熱容量的薄膜。 紅外輻射通過窗 口入射到吸收模上， 吸收模將吸收的熱能傳給氣體， 使氣體

13、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 MeiWei_81 重點借鑒文檔】 MeiWei 81 重點借鑒文檔】 通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上， 經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過 柵狀光欄投射到光電管上。 當(dāng)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)生變化， 這個變化量就反映出入射紅外輻 射的強弱。這種傳感器的特點是靈敏度高，性能穩(wěn)定。但響應(yīng)時 間性長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，強度較差，只適合于實驗室內(nèi)使用。 4、熱釋電型傳感器 熱釋電型傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱“鐵電 體”。鐵電體的極化強度（單位面積上的電荷）

14、與溫度有關(guān)。當(dāng) 紅外線輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時， 引起薄片溫 度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部 分電荷， 所以叫做熱釋電型傳感器。 如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄 片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出。 輸出信號的大小， 取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映入射的紅外輻射的強弱。 由此可見，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變 化的速率。 當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時， 傳感器 沒有電信號輸出。 只有鐵電體溫度處于變化過程中， 才有電信號 輸出。所以，必須對紅外輻射進(jìn)行調(diào)制（或稱斬光），使恒定的 輻射變成交變輻射， 不斷的引起傳感器的溫度變

15、化， 才能導(dǎo)致熱 釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號。 光子傳感器 光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下， 產(chǎn)生 光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。 通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化， 可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應(yīng)所制成的紅外傳感器。 統(tǒng)稱光子傳感器。 光子傳感器的主要特點靈敏度高， 響應(yīng)速度快， 具有較高的響應(yīng)頻率。 但其一般須在低溫下工作， 探測波段較窄。 按照光子傳感器的工作原理， 一般可分為內(nèi)光電和外光電傳 感器兩種， 后者又分為光電導(dǎo)傳感器、 光生伏特傳感器和光磁電 傳感器等三種。 1、外光電傳感器 當(dāng)光輻射在某些材料的表面上時， 若入射光的光子能量足夠 大時，就能使材料的電子逸出表

16、面， 這種現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)或光 電子發(fā)射效應(yīng)。 光電二極管、 光電倍增管等便屬于這種類型的電 子傳感器。它的響應(yīng)速度比較快，一般只需幾個毫微秒。但電子 MeiWei_81 重點借鑒文檔】 MeiWei 81 重點借鑒文檔】 逸出需要較大的光子能量， 只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內(nèi) 使用。 2、光電導(dǎo)傳感器 當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時， 半導(dǎo)體材料中 有些電子和空穴可以從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐?dǎo)電的自 由狀態(tài)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率增加，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)現(xiàn)象。利用 光電導(dǎo)現(xiàn)象制成的傳感器稱為光導(dǎo)傳感器，如硫化鉛、硒化鉛、 銻化銦、 碲隔汞等材料都可制光電導(dǎo)傳感器。 使用光電導(dǎo)傳感器

17、時，需要制冷和加一定的偏壓，否則會使響應(yīng)率降低，噪聲大， 響應(yīng)波段窄，以致使紅外線傳感器損壞。 3、光生伏特傳感器 當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料的 PN 結(jié)上時，在結(jié)內(nèi)電 場的作用下，自由電子移向 N 區(qū)，如果 PN結(jié)開路，則在 PN結(jié)兩 端便產(chǎn)生一個附加電勢， 稱為光生電動勢。 利用這個效應(yīng)制成的 傳感器或 PN結(jié)傳感器。常用的材料為砷化銦、銻化銦、碲化汞、 碲錫鉛等幾種。 4、光磁電傳感器 當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時， 半導(dǎo)體材料中 有些電子和空穴將向內(nèi)部擴散， 在擴散中若受強磁場的作用， 電 子與空穴則各偏向一方， 因而產(chǎn)生開路電壓， 這種現(xiàn)象稱為光磁 電效應(yīng)。利用此效應(yīng)制

18、成的紅外傳感器，叫做光磁電傳感器。 光磁電傳感器不需致冷，響應(yīng)波段可達(dá) 7M 左右，時間常 數(shù)小，響應(yīng)速度快，不用加偏壓，內(nèi)阻極低，噪聲小，有良好的 穩(wěn)定性和可靠性。但其靈敏度低，低噪聲前置放大器制作困難， 因而影響了使用。 紅外傳感器結(jié)構(gòu)及測量原理 紅外輻射測溫儀結(jié)構(gòu) 它由光學(xué)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(xué)系統(tǒng)可以是透射式的、 也可以是反射式的。 透射式光學(xué) 系統(tǒng)的部件是用紅外光學(xué)材料制成的。 紅外測溫儀方框圖： MeiWei_81 重點借鑒文檔】 【MeiWei_81 重點借鑒文檔】 高溫（ 700以上）測量儀器，有用波段主要在0.76-3 m 的近紅外區(qū)，可

19、選用一般光學(xué)玻璃或石英等材料。 中溫（100-700 ）測量儀器，有用波段主要在 3-5 m的中紅 外區(qū)，多采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學(xué)材料。 測量低溫 （100 以下 ）儀器，有用波段主要在 5-14 m的中 遠(yuǎn)紅外波段，多采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。 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。 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相連。 薄片的 背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附

20、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(dāng)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。 這個變化量就反

21、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(yīng)時間長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度 較差，只適合于實驗室內(nèi)使用。 紅外傳感器的性能參數(shù) 1、電壓響應(yīng) 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，叫做傳感器的電壓響應(yīng) 率，記作 RV。 式中： 【MeiWei_81 重點借鑒文檔】 MeiWei 81 重點借鑒文檔】 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(yīng)波長范圍： 曲線 1：熱電傳感器的電壓響應(yīng)率曲（與波長無關(guān)）。 曲線 2：光子傳感器的電壓響應(yīng)率曲線。 （1）響應(yīng)波

22、長范圍（或稱光譜響應(yīng)）是表示傳感器的電壓響應(yīng) 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(yīng)率最大值所對應(yīng)的波長稱為峰值波長。 （3）把響應(yīng)率下降到響應(yīng)值的一半所對應(yīng)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

23、測器的電壓響應(yīng)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(dāng)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號電壓與噪聲電壓之比。通 常用符號 DR表示。 DR的物理量綱： cmHz1/2W-1（300K） 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。 MeiWei_81 重點借鑒文檔】 MeiWei 81 重點借鑒文檔】 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(yīng)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。 紅外傳感器的應(yīng)用及前景 紅外傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1、紅外輻射計：用于輻射和光譜輻射測量。 2、搜索