傳感器原理及其應(yīng)用_第10章_紅外傳感器

1、武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器第10章 紅外傳感器 Infrared sensors武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器與其他探測(cè)技術(shù)相比，紅外探測(cè)技術(shù)有如下主要與其他探測(cè)技術(shù)相比，紅外探測(cè)技術(shù)有如下主要優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：(1) (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(jiàn)光；可見(jiàn)光；(2) (2) 被動(dòng)式工作，隱蔽性好，不易被干擾；被動(dòng)式工作，隱蔽性好，不易被干擾；(3) (3) 靠目標(biāo)和背景之間各部分的溫度和發(fā)射率形成的紅

2、外輻射靠目標(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進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見(jiàn)光；差進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見(jiàn)光；(4) (4) 紅外系統(tǒng)的體積小、質(zhì)量輕、功耗低。紅外系統(tǒng)的體積小、質(zhì)量輕、功耗低。緒緒 論論 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(jiàn)的光線，波長(zhǎng)范圍大致在輻射（紅外線）是一種人眼看不見(jiàn)的光線，波長(zhǎng)范圍大致在0.760.76100m100m。任何溫度高于熱力學(xué)零度（。任何溫度高于熱力學(xué)零度（-273.15-273.15）的物體）的物體都會(huì)輻射紅外線都

3、會(huì)輻射紅外線 。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 近年來(lái)，紅外技術(shù)在軍事領(lǐng)域和民用工程上，都得到了廣近年來(lái)，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：泛應(yīng)用。軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：(1) (1) 偵查、搜索和預(yù)警；偵查、搜索和預(yù)警；(2) (2) 探測(cè)和跟蹤；探測(cè)和跟蹤；(3) (3) 全天候前視和夜視；全天候前視和夜視；(4) (4) 武器瞄準(zhǔn)；武器瞄準(zhǔn)；(5) (5) 紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈；紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈；(6) (6) 紅外成像相機(jī)；紅外成像相機(jī)；(7) (7) 水下探潛、探雷技術(shù)。水下探潛、探雷技術(shù)。在民

4、用工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要是：在民用工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要是：(1) (1) 在氣象預(yù)報(bào)、地貌學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感資源調(diào)查等領(lǐng)域的在氣象預(yù)報(bào)、地貌學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感資源調(diào)查等領(lǐng)域的應(yīng)用；應(yīng)用；(2) (2) 在地下礦井測(cè)溫和測(cè)氣中的應(yīng)用；在地下礦井測(cè)溫和測(cè)氣中的應(yīng)用；(3) (3) 紅外熱像儀在電力、消防、石化以及醫(yī)療和森林火災(zāi)頂報(bào)紅外熱像儀在電力、消防、石化以及醫(yī)療和森林火災(zāi)頂報(bào)中的應(yīng)用。中的應(yīng)用。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器10.1 10.1 紅外輻射的基本知識(shí)紅外輻射的基本知識(shí)10.1.1 10.1.1 紅外輻射紅外輻射 任何物體，只要它的

5、溫度高于熱力學(xué)零度任何物體，只要它的溫度高于熱力學(xué)零度(-273.15 )(-273.15 )時(shí)，就時(shí)，就會(huì)向外輻射能量，故稱(chēng)為熱輻射，又稱(chēng)為紅外輻射或俗稱(chēng)紅外線。會(huì)向外輻射能量，故稱(chēng)為熱輻射，又稱(chēng)為紅外輻射或俗稱(chēng)紅外線。它是一種人眼看不見(jiàn)的光線，但實(shí)際上它與其他任何光線一樣，它是一種人眼看不見(jiàn)的光線，但實(shí)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(jiàn)光中紅色光以外的光線，波長(zhǎng)范圍大致在見(jiàn)光中紅色光以外的光線，波長(zhǎng)范圍大致在0.760.76100 100 ，對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)的頻率大致在的頻率大致在4 410

6、1014143 310101111 Hz Hz之間。之間。m紅外線與可見(jiàn)光一樣，也具有反射、折射、散射、干涉、吸收紅外線與可見(jiàn)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，即等特性，它在真空中的傳播速度為光速，即c c =3=310108 8m/sm/s。 在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為4 4個(gè)區(qū)域：波長(zhǎng)在個(gè)區(qū)域：波長(zhǎng)在0.763 為近紅外區(qū)；波長(zhǎng)在為近紅外區(qū)；波長(zhǎng)在3 36 6 為中紅外區(qū)；波長(zhǎng)在為中紅外區(qū)；波長(zhǎng)在6 620 20 為中遠(yuǎn)紅外區(qū)；波長(zhǎng)在為中遠(yuǎn)紅外區(qū)；波長(zhǎng)在2020100 100 為遠(yuǎn)紅外區(qū)。為遠(yuǎn)紅外區(qū)。mmmm

7、武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，由于大氣中的氣體分子、水蒸紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，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(guò)程中逐漸衰減。但紅外輻射在通過(guò)大氣層時(shí)，在以下傳輸過(guò)程中逐漸衰減。但紅外輻射在通過(guò)大氣層時(shí)，在以下3 3個(gè)個(gè)波段區(qū)間：波段區(qū)間：2 22.6 2.6 、3 35 5 、8 814 14 ，大氣對(duì)紅外線幾，大氣對(duì)紅外線幾乎不吸收，故稱(chēng)之為乎不吸收，故稱(chēng)之為“大氣窗口大氣窗口”。這。這3 3個(gè)大氣窗

8、口對(duì)紅外技術(shù)個(gè)大氣窗口對(duì)紅外技術(shù)應(yīng)用特別重要，紅外儀器都工作在這應(yīng)用特別重要，紅外儀器都工作在這3 3個(gè)窗口之內(nèi)。個(gè)窗口之內(nèi)。mmm10.1.2 10.1.2 紅外輻射的重要參數(shù)紅外輻射的重要參數(shù) 1) 1) 輻射能輻射能Q Q以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱(chēng)為輻射能。單位為焦以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱(chēng)為輻射能。單位為焦耳耳(J)(J)。 2) 2) 輻射能通量輻射能通量單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能稱(chēng)為輻射能通量，其單單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能稱(chēng)為輻射能通量，其單位為瓦特位為瓦特(W)(W)：ddQt武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章

9、 紅外傳感器紅外傳感器 3) 3) 輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度I I點(diǎn)輻射源向各個(gè)方向發(fā)出輻射，在某一方向，在單位立體角內(nèi)點(diǎn)輻射源向各個(gè)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)度發(fā)出的輻射能通量為，則輻射強(qiáng)度I I為為ddI單位：瓦單位：瓦/ /球面度球面度(W(W/ /Sr)Sr)。 4) 4) 輻射出射度輻射出射度M M指輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射能通量，即指輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射能通量，即ddMS單位單位: :瓦瓦/ /米米2 2(W(W/ /m m2 2) )。 5) 5) 輻射亮度輻射亮度L L和光譜輻射亮度和光譜輻射亮度為了表征具有有限尺寸輻射源輻射能通量

10、的空間發(fā)布，采用輻射為了表征具有有限尺寸輻射源輻射能通量的空間發(fā)布，采用輻射亮度這樣一個(gè)輻射量。亮度這樣一個(gè)輻射量。L武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 如圖，單位面積為如圖，單位面積為d dS S的輻射面，在的輻射面，在和表面法線和表面法線N N成成 角方向，在單位立體角角方向，在單位立體角 內(nèi)發(fā)出的輻射能通量為內(nèi)發(fā)出的輻射能通量為 ，則輻射亮度，則輻射亮度L L為為dddcos d dLS單位：瓦單位：瓦/(/(球面度球面度米米2 2)W/(Sr)W/(Srm m2 2)。 輻射亮度實(shí)際上是包括所有波長(zhǎng)的輻射能量。如果是輻射光譜輻射亮度

11、實(shí)際上是包括所有波長(zhǎng)的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長(zhǎng)的輻射能量，則稱(chēng)為在此波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度中某一波長(zhǎng)的輻射能量，則稱(chēng)為在此波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度 。L對(duì)于朗伯特輻射體對(duì)于朗伯特輻射體( (也稱(chēng)余弦輻射體也稱(chēng)余弦輻射體) )，其在各個(gè)方向的輻射亮，其在各個(gè)方向的輻射亮度都相等，且有度都相等，且有 。實(shí)際輻射物體一般都可以看作朗伯。實(shí)際輻射物體一般都可以看作朗伯特輻射體。特輻射體。ML 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器10.1.3 10.1.3 黑體、白體和透明體黑體、白體和透明體 1. 1. 輻射能的分配輻射能的分配當(dāng)物體接收到輻射能

12、以后，根據(jù)物體本身的當(dāng)物體接收到輻射能以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射的現(xiàn)象，如圖所示現(xiàn)象，如圖所示, ,有有ADR1QQQQQQ式中：式中：a為吸收率，表示吸收的能量所占的比率；為吸收率，表示吸收的能量所占的比率； 為透射率，為透射率，表示透射的能量所占的比率；表示透射的能量所占的比率； 為反射率，表示反射的能量所為反射率，表示反射的能量所占的比率。占的比率。 2. 2. 黑體黑體當(dāng)當(dāng)QA/Q=a=1時(shí)，則時(shí)，則 =0， =0。這說(shuō)明照射到物體上的輻射。這說(shuō)明照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無(wú)反射也無(wú)透射，具有這種性質(zhì)的物體稱(chēng)能

13、全部被吸收，既無(wú)反射也無(wú)透射，具有這種性質(zhì)的物體稱(chēng)為為“絕對(duì)黑體絕對(duì)黑體”或簡(jiǎn)稱(chēng)為或簡(jiǎn)稱(chēng)為“黑體黑體”。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器在自然界中黑體是不存在的，但可以在自然界中黑體是不存在的，但可以人為制造近似的黑體，如圖所示。人為制造近似的黑體，如圖所示。 3. 3. 透明體透明體當(dāng)當(dāng)QD/Q= =1時(shí)，說(shuō)明照射到物體上的輻時(shí)，說(shuō)明照射到物體上的輻射能全部透射過(guò)去，既無(wú)吸收又無(wú)反射。射能全部透射過(guò)去，既無(wú)吸收又無(wú)反射。具有這種性質(zhì)的物體稱(chēng)為透明體。具有這種性質(zhì)的物體稱(chēng)為透明體。 4. 4. 白體白體當(dāng)當(dāng)Q QR R/ /Q Q= =

14、1= =1時(shí)，說(shuō)明照射到物體上的輻射能全部被反射出去。時(shí)，說(shuō)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(chēng)之為若物體表面平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱(chēng)之為“鏡體鏡體”；若反射無(wú)一定規(guī)律，則該物體稱(chēng)為；若反射無(wú)一定規(guī)律，則該物體稱(chēng)為“絕對(duì)白體絕對(duì)白體”或簡(jiǎn)稱(chēng)為或簡(jiǎn)稱(chēng)為“白體白體”。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器10.1.4 10.1.4 紅外輻射的基本定律紅外輻射的基本定律 1. 1. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律基爾霍夫定律( (簡(jiǎn)稱(chēng)基氏定律簡(jiǎn)稱(chēng)基氏定律) )是物體熱輻射的基本定律

15、，它建是物體熱輻射的基本定律，它建立了理想黑體和實(shí)際物體輻射之間的關(guān)系。基爾霍夫定律表明：立了理想黑體和實(shí)際物體輻射之間的關(guān)系。基爾霍夫定律表明：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)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(wú)關(guān)，是物體的溫度無(wú)關(guān)，是物體的溫度T T和發(fā)射波長(zhǎng)的函數(shù)。即：和發(fā)射波長(zhǎng)的函數(shù)。即：012012( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )MTMTMTfTTTT 式中：式中：M0( ,T)，M1( ,T)，M2( ,T)，分別為物體分別為物體A0，A1，A2，的單色的單色( )( )輻射出射度；輻射出射度；0( ,

16、T)，1( ,T)，2( ,T)，分別為物體分別為物體A0，A1，A2，的單色的單色( )( )吸收率。吸收率。若物體若物體A A0 0是絕對(duì)黑體，則其單色吸收率是絕對(duì)黑體，則其單色吸收率0 0( ,( ,T T)=1)=1，則任意物，則任意物體體A A的輻射出射度的輻射出射度M M( ,( ,T T) )與黑體的輻射出射度與黑體的輻射出射度M M0 0( ,( ,T T) )之比為之比為0( , )( , )( , )( , )MTTTMT 單色黑度系數(shù)單色黑度系數(shù) 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于

17、單波長(zhǎng)的輻射在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長(zhǎng)的輻射出射度在全波長(zhǎng)內(nèi)的積分，即出射度在全波長(zhǎng)內(nèi)的積分，即 基氏定律的基氏定律的積分形式積分形式 00000,d( ),d( ),dTMTM TTMTMT M M( (T T) )為物體為物體A A在溫度在溫度T T下的全輻射出射度；下的全輻射出射度；M M0 0( (T T) )為黑體在溫度為黑體在溫度T T下下的全輻射出射度；的全輻射出射度； 為物體為物體A A的的全發(fā)射率全發(fā)射率，或稱(chēng)，或稱(chēng)全輻射黑度系數(shù)全輻射黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度它表明了在一定的溫度T T下，物體下，物體A A的輻射出射度與相同溫度下黑的輻射出射度與相同溫

18、度下黑體的輻射出射度之比。一般物體的體的輻射出射度之比。一般物體的 1 1， 越接近越接近1 1，表明它與，表明它與黑體的輻射能力越接近。黑體的輻射能力越接近。 TTT比較教材表比較教材表10-110-1所列所列材料的單色發(fā)射率和全發(fā)射率，你能得出材料的單色發(fā)射率和全發(fā)射率，你能得出怎樣的結(jié)論怎樣的結(jié)論 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器2. 2. 黑體輻射定律黑體輻射定律 1) 1) 普朗克定律普朗克定律( (單色輻射強(qiáng)度定律單色輻射強(qiáng)度定律) )在基爾霍夫定律式在基爾霍夫定律式(10-6)(10-6)中，中，f( ,T)的函數(shù)形式是怎樣

19、的？普的函數(shù)形式是怎樣的？普朗克用量子學(xué)說(shuō)建立了數(shù)學(xué)關(guān)系式，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。普朗朗克用量子學(xué)說(shuō)建立了數(shù)學(xué)關(guān)系式，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。普朗克建立的黑體的光譜輻射出射度克建立的黑體的光譜輻射出射度M0( ,T)計(jì)算公式為計(jì)算公式為25101( , )(e1)CTMTC式中：式中：C C1 1為第一輻射常數(shù)，為第一輻射常數(shù)，C C1 1=3.74=3.7410104 4 W W 4 4/cm/cm2 2；C C2 2為第二為第二輻射常數(shù)，輻射常數(shù)，C C2 2=1.44=1.4410104 4 K K；T T為黑體絕對(duì)溫度為黑體絕對(duì)溫度(K)(K)。mm由上式可算出不同波長(zhǎng)和溫度時(shí)黑體的光譜輻射出射

20、度由上式可算出不同波長(zhǎng)和溫度時(shí)黑體的光譜輻射出射度M M0( ,0( ,T T) )，如圖，如圖10.410.4所示。從圖中曲線可以得出黑體輻射的所示。從圖中曲線可以得出黑體輻射的幾個(gè)特性：幾個(gè)特性：武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 (1) (1) 總的輻射出射度是隨溫度的升高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而迅速增加的，溫度越高則光譜輻射出射度越大。射度越大。 (2) (2) 當(dāng)溫度一定時(shí)，光譜輻射出射度當(dāng)溫度一定時(shí)，光譜輻射出射度隨波長(zhǎng)的不同按一定的規(guī)律變化，曲線隨波長(zhǎng)的不同按一定的規(guī)律變化，曲線有一個(gè)極

21、大值，其波長(zhǎng)定義為有一個(gè)極大值，其波長(zhǎng)定義為 ，當(dāng)波，當(dāng)波長(zhǎng)小于長(zhǎng)小于 時(shí)，輻射出射度隨波長(zhǎng)增加而時(shí)，輻射出射度隨波長(zhǎng)增加而增加，當(dāng)波長(zhǎng)大于增加，當(dāng)波長(zhǎng)大于 時(shí)，變化規(guī)律相反。時(shí)，變化規(guī)律相反。(3) (3) 當(dāng)溫度增加時(shí)，光譜輻射出射度的當(dāng)溫度增加時(shí)，光譜輻射出射度的峰值波長(zhǎng)會(huì)向短波方向移動(dòng)。物體的輻峰值波長(zhǎng)會(huì)向短波方向移動(dòng)。物體的輻射亮度增加，發(fā)光顏色也改變。射亮度增加，發(fā)光顏色也改變。普朗克公式雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但它對(duì)于普朗克公式雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但它對(duì)于低溫與高溫段都是適用的。低溫與高溫段都是適用的。mmm武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳

22、感器 2) 2) 維恩公式維恩公式當(dāng)當(dāng) 時(shí)，則有時(shí)，則有 ，可得到維恩公式，可得到維恩公式2TC2e1CT2501( , )eCTMTC-維恩公式比普朗克公式簡(jiǎn)單，但僅適用于不超過(guò)維恩公式比普朗克公式簡(jiǎn)單，但僅適用于不超過(guò)3000 K3000 K的溫度的溫度范圍，輻射波長(zhǎng)在范圍，輻射波長(zhǎng)在0.40.40.75 0.75 之間。當(dāng)溫度超過(guò)之間。當(dāng)溫度超過(guò)3000 K3000 K時(shí)，時(shí)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果就有較大偏差。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果就有較大偏差。m從維恩公式可以看出，黑體的輻射本領(lǐng)是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，從維恩公式可以看出，黑體的輻射本領(lǐng)是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，這就是當(dāng)

23、波長(zhǎng)一定時(shí)，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(cè)溫單色輻射式測(cè)溫和和比色測(cè)溫比色測(cè)溫的理論依據(jù)。的理論依據(jù)。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 3) 3) 斯蒂芬斯蒂芬- -玻爾茲曼定律玻爾茲曼定律( (全輻射強(qiáng)度定律，也稱(chēng)為四次全輻射強(qiáng)度定律，也稱(chēng)為四次方定律方定律) )對(duì)黑體對(duì)黑體光譜輻射出射度光譜輻射出射度M M0 0( ,( ,T T) )式在全波長(zhǎng)范圍式在全波長(zhǎng)范圍(0(0，)積分積分可得：可得：254514400123002( )=( , )d(e1) d15CTkMTMTCTTc h 為 黑 體 輻 射 常 數(shù)

24、 或 稱(chēng) 斯 蒂 芬為 黑 體 輻 射 常 數(shù) 或 稱(chēng) 斯 蒂 芬 - - 玻 爾 茲 曼 常 數(shù) ，玻 爾 茲 曼 常 數(shù) ， =5.66961=5.669611010-3-3 W/(m W/(m2 2K K4 4) )。斯蒂芬斯蒂芬- -玻爾茲曼定律指出：溫度為玻爾茲曼定律指出：溫度為T(mén) T的絕對(duì)黑體，單位面積的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方向所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射出射度與溫度元在半球方向所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射出射度與溫度T T的四的四次方成正比。上式就是次方成正比。上式就是全輻射式測(cè)溫全輻射式測(cè)溫的理論依據(jù)。的理論依據(jù)。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅

25、外傳感器紅外傳感器10.2 10.2 紅外傳感器紅外傳感器 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(chēng)為紅外探測(cè)器。它是紅外探測(cè)系統(tǒng)的核心，它傳感器，也常稱(chēng)為紅外探測(cè)器。它是紅外探測(cè)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(duì)于紅外探測(cè)系統(tǒng)是十分重要的。良好的紅外傳感器，對(duì)于紅外探測(cè)系統(tǒng)是十分重要的。 按探測(cè)機(jī)理的不同，紅外傳感器分為按探測(cè)機(jī)理的不同，紅外傳感器分為熱傳感器熱傳感器和和光子傳感器光子傳感器兩大類(lèi)。兩大類(lèi)。光

26、電導(dǎo)傳感器光生伏特傳感器紅外光子傳感器光電子發(fā)射傳感器光磁電傳感器紅外傳感器熱電偶型紅外熱傳感器 熱敏電阻型熱釋電型武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 紅外光子傳感器的工作原理是基于紅外光子傳感器的工作原理是基于光電效應(yīng)光電效應(yīng)。其主要。其主要特點(diǎn)特點(diǎn)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，故需要配備液氦、液氮制冷設(shè)備。此般需在低溫下才能工作，故需要配備液氦、液氮制冷設(shè)備。此外，光子傳感器有確定的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，探測(cè)波段較窄。外，光子傳感器有確定的響應(yīng)波

27、長(zhǎng)范圍，探測(cè)波段較窄。 紅外熱傳感器的工作是利用紅外熱傳感器的工作是利用輻射熱效應(yīng)輻射熱效應(yīng)。探測(cè)器件接收輻射。探測(cè)器件接收輻射能后引起溫度升高，再由接觸型測(cè)溫元件測(cè)量溫度改變量，從能后引起溫度升高，再由接觸型測(cè)溫元件測(cè)量溫度改變量，從而輸出電信號(hào)。與光子傳感器相比，熱傳感器的探測(cè)率比光子而輸出電信號(hào)。與光子傳感器相比，熱傳感器的探測(cè)率比光子傳感器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)速度也慢得多。但熱傳感器光譜傳感器的峰值探測(cè)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(gè)紅外區(qū)域，并且在常響應(yīng)寬而且平坦，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)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。

28、溫下就能工作，使用方便，應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛。10.2.1 10.2.1 紅外光子傳感器紅外光子傳感器 紅外光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下，紅外光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下，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(guò)測(cè)量電學(xué)性產(chǎn)生光電效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化，就可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。質(zhì)的變化，就可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 按照紅外光子傳感器的工作原理，一般分為按照紅外光子傳感器的工作原理，一般分為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和和內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)傳感

29、器兩種。內(nèi)光電效應(yīng)傳感器又分為傳感器兩種。內(nèi)光電效應(yīng)傳感器又分為光電導(dǎo)光電導(dǎo)傳感傳感器、器、光生伏特光生伏特( (簡(jiǎn)稱(chēng)光伏簡(jiǎn)稱(chēng)光伏) )傳感器和傳感器和光磁電光磁電傳感器傳感器3 3種。種。 (1) (1) 大部分外光電傳感器只對(duì)大部分外光電傳感器只對(duì)可見(jiàn)光可見(jiàn)光有響應(yīng)?？捎糜诩t外輻有響應(yīng)?？捎糜诩t外輻射的光電陰極很少。射的光電陰極很少。S S- -1 1( (AgAg- -O O- -CsCs) )是一種。它的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)是一種。它的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)是是0.8 0.8 ，光譜響應(yīng)擴(kuò)展到，光譜響應(yīng)擴(kuò)展到1.2 1.2 。目前外光電效應(yīng)探測(cè)器只。目前外光電效應(yīng)探測(cè)器只用于可見(jiàn)光和用于可見(jiàn)光和近紅外近

30、紅外波長(zhǎng)范圍。波長(zhǎng)范圍。mm (2) (2) 光電導(dǎo)探測(cè)器利用半導(dǎo)體作材料，可以分為光電導(dǎo)探測(cè)器利用半導(dǎo)體作材料，可以分為多晶薄膜多晶薄膜形形式和式和單晶單晶形式兩種類(lèi)型。薄膜型的光電導(dǎo)探測(cè)器品種較少，形式兩種類(lèi)型。薄膜型的光電導(dǎo)探測(cè)器品種較少，常用的只有常用的只有PbSPbS和和PbSePbSe兩種。兩種。PbSPbS適用于適用于1 13 3 近紅外附近的近紅外附近的大氣窗口。大氣窗口。PbSePbSe適用于適用于3 35 5 的大氣窗口。的大氣窗口。mm武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 (3) (3) 光伏探測(cè)器按使用要求不同可分為兩

31、類(lèi)，一類(lèi)是用作能光伏探測(cè)器按使用要求不同可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是用作能量轉(zhuǎn)換和光電控制，如光電池；另一類(lèi)是主要作為光電信號(hào)變量轉(zhuǎn)換和光電控制，如光電池；另一類(lèi)是主要作為光電信號(hào)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、換的光伏器件，如光敏二極管、光敏晶體管、雪崩光敏二極管、光伏光伏HgCdTeHgCdTe和和PbSnTePbSnTe紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)器。 單晶型的光電導(dǎo)探測(cè)器可再細(xì)分為單晶型的光電導(dǎo)探測(cè)器可再細(xì)分為本征型本征型和和摻雜型摻雜型兩類(lèi)。本兩類(lèi)。本征型中征型中InSbInSb是是3 35 5 區(qū)間最優(yōu)良的探測(cè)器，區(qū)間最優(yōu)良的探測(cè)器，HgCdTeHgCdTe和和PbSnTe

32、PbSnTe探探測(cè)器適用于測(cè)器適用于8 814 14 大氣窗口。此外還有適用于極近紅外的大氣窗口。此外還有適用于極近紅外的SiSi與適用于與適用于1 14 4 的的TeTe等探測(cè)器。等探測(cè)器。摻雜型主要為適用于摻雜型主要為適用于8 814 14 的的GeGeHgHg。此外，。此外，GeGeCuCu和和GeGeCdCd雖能探測(cè)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外輻射，但工作時(shí)必須冷卻到雖能探測(cè)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外輻射，但工作時(shí)必須冷卻到4 K4 K，使，使用不方便。此外用不方便。此外SiSi摻雜的探測(cè)器近來(lái)亦有較大的進(jìn)展。摻雜的探測(cè)器近來(lái)亦有較大的進(jìn)展。mmmm光電池工作時(shí)不必加偏置電壓，材料都采用單晶。常用的單晶材料光電

33、池工作時(shí)不必加偏置電壓，材料都采用單晶。常用的單晶材料有有Si(Si(響應(yīng)區(qū)間約響應(yīng)區(qū)間約0.50.51.51.5微米微米) )、Ge(Ge(峰值響應(yīng)波長(zhǎng)約為峰值響應(yīng)波長(zhǎng)約為1.51.5微米微米) )、室溫工作的室溫工作的TnSb(1TnSb(13.83.8微米微米) )、77K77K溫度工作的溫度工作的InAs(1InAs(13.53.5微米微米) )、77 K77 K溫度工作的溫度工作的InSb(2InSb(25.85.8微米微米) )等。等。m武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 硅光敏二極管是一種常用光電探測(cè)器，其光譜范圍在硅光敏二極

34、管是一種常用光電探測(cè)器，其光譜范圍在0.40.41.1 1.1 ，峰值波長(zhǎng)為，峰值波長(zhǎng)為0.9 0.9 ，主要用于可見(jiàn)光和近紅外探測(cè)。，主要用于可見(jiàn)光和近紅外探測(cè)。mmPbPb1-x1-xSnSnx xTeTe紅外探測(cè)器可以通過(guò)改變其組分紅外探測(cè)器可以通過(guò)改變其組分x x和器件工作溫度來(lái)和器件工作溫度來(lái)得到不同的光譜響應(yīng)，通常的工作溫度可以有得到不同的光譜響應(yīng)，通常的工作溫度可以有15 K15 K、77 K77 K等，等，其光譜響應(yīng)范圍是其光譜響應(yīng)范圍是8 814 14 。HgCdTeHgCdTe和和PbSnTePbSnTe除了有單元器件外，還可制作線陣和面陣器件，除了有單元器件外，還可制作線

35、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(cè)器。它是當(dāng)前紅外成像系統(tǒng)中重要的光探測(cè)器。m PIN PIN硅光敏二極管的頻率響應(yīng)很高，達(dá)吉赫硅光敏二極管的頻率響應(yīng)很高，達(dá)吉赫(GHz)(GHz)量級(jí)，其峰量級(jí)，其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在值響應(yīng)波長(zhǎng)在1.041.041.06 1.06 之間。之間。m 目前制作的光伏目前制作的光伏HgCdTeHgCdTe紅外探測(cè)器可分別工作于室溫紅外探測(cè)器可分別工作于室溫(300 K)(300 K)和液氮和液氮(77 K)(77 K)溫區(qū)，其響應(yīng)波長(zhǎng)可覆蓋溫區(qū)，其響應(yīng)波長(zhǎng)可覆蓋1 114 14 。工作于。工作于77 K77 K的的HgCdTeHgCdTe工作波段為工作波段

36、為8 814 14 ，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為10.6 10.6 左右。左右。mmm武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 (4) (4) 光磁電傳感器的工作原理是光磁電傳感器的工作原理是光磁電效應(yīng)，如圖所示。半導(dǎo)體的上光磁電效應(yīng)，如圖所示。半導(dǎo)體的上表面吸收光子后在上表面產(chǎn)生的電子表面吸收光子后在上表面產(chǎn)生的電子- -空穴對(duì)要向體內(nèi)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中，空穴對(duì)要向體內(nèi)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中，因受到強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，電子和空穴各因受到強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，電子和空穴各偏向一側(cè)，因而產(chǎn)生電位差。這個(gè)現(xiàn)偏向一側(cè)，因而產(chǎn)生電位差。這個(gè)現(xiàn)象就叫做象就叫做光磁電效應(yīng)

37、光磁電效應(yīng)。利用這個(gè)效應(yīng)。利用這個(gè)效應(yīng)測(cè)量紅外輻射的探測(cè)器稱(chēng)為光磁電探測(cè)量紅外輻射的探測(cè)器稱(chēng)為光磁電探測(cè)器。常用的材料有測(cè)器。常用的材料有InSbInSb與與HgTeHgTe等。等。 光磁電傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要致冷設(shè)備和外加電源，光磁電傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)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(chǎng)。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(chǎng)。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 10.2.2 10.2.2 紅外熱傳感器紅外熱傳感器 熱探測(cè)器吸收紅外輻射后溫度升高，可以使探測(cè)材料產(chǎn)生溫?zé)崽綔y(cè)器吸收紅外輻射

38、后溫度升高，可以使探測(cè)材料產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化等，測(cè)量這些物理差電動(dòng)勢(shì)、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化等，測(cè)量這些物理性能的變化就可以測(cè)定被吸收的紅外輻射能量或功率。性能的變化就可以測(cè)定被吸收的紅外輻射能量或功率。 1. 1. 測(cè)輻射熱電偶和熱電堆測(cè)輻射熱電偶和熱電堆 測(cè)輻射熱電偶是利用溫差電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器。所謂溫測(cè)輻射熱電偶是利用溫差電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)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(gè)封閉差電效應(yīng)是指把兩種不同的金屬或半導(dǎo)體細(xì)絲連接成一個(gè)封閉環(huán)路，當(dāng)一個(gè)接頭吸收紅外輻射因而它的溫度高于另一個(gè)接頭環(huán)路，當(dāng)一個(gè)接頭吸收紅外輻射因而它的溫度高

39、于另一個(gè)接頭時(shí)，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從電動(dòng)勢(shì)的大小可以測(cè)定接頭處所吸時(shí)，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從電動(dòng)勢(shì)的大小可以測(cè)定接頭處所吸收的紅外輻射功率。收的紅外輻射功率。 若干個(gè)熱電偶串接在一起就成為熱電堆。若干個(gè)熱電偶串接在一起就成為熱電堆。 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 圖示為一種熱電堆探測(cè)器，共圖示為一種熱電堆探測(cè)器，共有有8 8支串聯(lián)的熱電偶，支串聯(lián)的熱電偶，8 8支熱電偶的支熱電偶的熱端焊接在鍍有一薄層黑色的鉑黑熱端焊接在鍍有一薄層黑色的鉑黑受熱片上，熱電偶的冷端焊在一個(gè)受熱片上，熱電偶的冷端焊在一個(gè)金屬箔上，金屬箔固定在兩片絕緣金屬箔上

40、，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引出線，從引出線上可以得到8 8支支熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的和。這種熱電堆熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的和。這種熱電堆能量損失小，具有較小的熱慣性和能量損失小，具有較小的熱慣性和較高的靈敏度。較高的靈敏度。 溫差電偶型探測(cè)器的探測(cè)率可達(dá)溫差電偶型探測(cè)器的探測(cè)率可達(dá) ，響應(yīng)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約間約303050 ms50 ms，目前生產(chǎn)的紅外分光光度計(jì)大多采用溫差電，目前生產(chǎn)的紅外分光光度計(jì)大多采用溫差電偶型探測(cè)器作為輻射接收器。偶型探測(cè)器作為輻射接收器。91 211.4 10 cmHz W武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢

41、理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 2. 2. 測(cè)輻射熱敏電阻測(cè)輻射熱敏電阻測(cè)輻射熱敏電阻是利用材料的電阻對(duì)溫度敏感的特性來(lái)探測(cè)紅測(cè)輻射熱敏電阻是利用材料的電阻對(duì)溫度敏感的特性來(lái)探測(cè)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。圖示為測(cè)輻射熱敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖。料。圖示為測(cè)輻射熱敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖。熱敏電阻薄片的厚度約熱敏電阻薄片的厚度約10 10 ，形狀呈方形或長(zhǎng)方形，邊長(zhǎng)從，形狀呈方形或長(zhǎng)方形，邊長(zhǎng)從0.1 mm0.1 mm到到10 mm10 mm，形狀和大小根據(jù)實(shí)際需要確定。電阻值一般，形狀和大

42、小根據(jù)實(shí)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。熱敏電阻薄片的兩端蒸鍍電極并接引線，上表面的幾何尺寸。熱敏電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(duì)入射輻照的吸收，吸收率可以達(dá)到常涂有黑化層，以便增加對(duì)入射輻照的吸收，吸收率可以達(dá)到90%90%左右。左右。m武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 典型的測(cè)輻射熱敏電阻通常將結(jié)構(gòu)和性能相同的兩只熱敏典型的測(cè)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(gè)管殼內(nèi)，如圖所

43、示。其中，一只用來(lái)接收電阻組裝在同一個(gè)管殼內(nèi)，如圖所示。其中，一只用來(lái)接收紅外輻射能量，稱(chēng)為工作元件，另一只被屏蔽起來(lái)不接收紅紅外輻射能量，稱(chēng)為工作元件，另一只被屏蔽起來(lái)不接收紅外輻射能，稱(chēng)為補(bǔ)償元件，它能起溫度補(bǔ)償作用。兩只元件外輻射能，稱(chēng)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(cè)量電路常盡可能靠得近些，以便保證有相同的環(huán)境條件。測(cè)量電路常用電橋電路。用電橋電路。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 測(cè)輻射熱敏電阻測(cè)輻射熱敏電阻技術(shù)性能并不高技術(shù)性能并不高，其，其探測(cè)率探測(cè)率在調(diào)制頻率在調(diào)制頻率小于

44、小于30 Hz30 Hz的低頻區(qū)一般為的低頻區(qū)一般為 ，這比熱電堆的，這比熱電堆的探測(cè)率約低一個(gè)數(shù)量級(jí)，比熱釋電探測(cè)器低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。探測(cè)率約低一個(gè)數(shù)量級(jí)，比熱釋電探測(cè)器低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。熱敏電阻的熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)一般為幾毫秒幾十毫秒，遠(yuǎn)不如熱釋一般為幾毫秒幾十毫秒，遠(yuǎn)不如熱釋電探測(cè)器響應(yīng)快。但測(cè)輻射熱敏電阻的穩(wěn)定性好，又比較牢電探測(cè)器響應(yīng)快。但測(cè)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(duì)各種波長(zhǎng)都有相同響應(yīng)固，容易與放大器匹配，且是一種對(duì)各種波長(zhǎng)都有相同響應(yīng)的無(wú)選擇性探測(cè)器件，在的無(wú)選擇性探測(cè)器件，在1 115 15 的常用紅外波段內(nèi)響應(yīng)度的常用紅外波段內(nèi)響

45、應(yīng)度基本上與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，這是光子探測(cè)器所達(dá)不到的。目前基本上與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，這是光子探測(cè)器所達(dá)不到的。目前熱敏熱敏電阻在電阻在8 814 14 波段應(yīng)用很廣波段應(yīng)用很廣，所以它在基礎(chǔ)科學(xué)研究、工，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(cè)輻射計(jì)、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(cè)輻射計(jì)、熱成象儀和工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制等若干裝置中都可以使用熱熱成象儀和工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制等若干裝置中都可以使用熱敏電阻。敏電阻。m81 212 10 cmHz Wm武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 3. 3. 熱釋電探測(cè)器熱釋電探

46、測(cè)器 熱釋電紅外探測(cè)器是一種新型的熱探測(cè)器，它是利用某些熱釋電紅外探測(cè)器是一種新型的熱探測(cè)器，它是利用某些材料的熱釋電效應(yīng)探測(cè)輻射能量的器件。由于熱釋電信號(hào)正材料的熱釋電效應(yīng)探測(cè)輻射能量的器件。由于熱釋電信號(hào)正比于器件溫升隨時(shí)間的變化率，而不像通常熱探測(cè)器那樣需比于器件溫升隨時(shí)間的變化率，而不像通常熱探測(cè)器那樣需要有個(gè)熱平衡過(guò)程，因此，熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)速度比其他要有個(gè)熱平衡過(guò)程，因此，熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)速度比其他熱探測(cè)器快得多。它不但可以工作于低頻，而且能工作于高熱探測(cè)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(cè) 器 的 探 測(cè) 率 可 以 高

47、頻 ， 目 前 最 好 的 熱 釋 電 探 測(cè) 器 的 探 測(cè) 率 可 以 高達(dá)達(dá) ，已經(jīng)超過(guò)了所有的室溫?zé)崽綔y(cè)器。因而，已經(jīng)超過(guò)了所有的室溫?zé)崽綔y(cè)器。因而熱熱釋電探側(cè)器不僅具有室溫工作、光譜響應(yīng)寬等熱探測(cè)器的共釋電探側(cè)器不僅具有室溫工作、光譜響應(yīng)寬等熱探測(cè)器的共同優(yōu)點(diǎn)，而且也是探測(cè)率最高、頻率響應(yīng)最寬的熱探測(cè)器同優(yōu)點(diǎn)，而且也是探測(cè)率最高、頻率響應(yīng)最寬的熱探測(cè)器。隨著熱釋電探測(cè)器研究的不斷深入和發(fā)展，其應(yīng)用也日趨廣隨著熱釋電探測(cè)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(cè)溫儀、熱像儀和紅外攝像管泛，不僅應(yīng)用于光譜儀、紅外測(cè)溫儀、熱像儀和紅外攝像管等方面，而且在快速激光脈沖

48、監(jiān)測(cè)和紅外遙感技術(shù)中也得到等方面，而且在快速激光脈沖監(jiān)測(cè)和紅外遙感技術(shù)中也得到了實(shí)際應(yīng)用。了實(shí)際應(yīng)用。91 215 10 cmHz W武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 1) 1) 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng) 熱釋電探測(cè)器所用材料為熱釋電探測(cè)器所用材料為熱電晶體熱電晶體，如硫酸三甘肽，如硫酸三甘肽(TGS)(TGS)、鈮酸鍶鋇鈮酸鍶鋇(SBN)(SBN)、鉭酸鋰、鈮酸鋰等。、鉭酸鋰、鈮酸鋰等。熱電晶體熱電晶體：在具有非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的極性晶體中，即使在外電場(chǎng)和：在具有非中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的極性晶體中，即使在外電場(chǎng)和應(yīng)力均為零的情況下，本身也具有自發(fā)極化，

49、自發(fā)極化強(qiáng)度應(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P Ps s是溫是溫度的函數(shù)度的函數(shù), ,即溫度升高時(shí)，即溫度升高時(shí)，P Ps s減小，當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，減小，當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，P Ps s=0=0。具有這種性質(zhì)的晶體稱(chēng)為熱電晶體。具有這種性質(zhì)的晶體稱(chēng)為熱電晶體。 熱釋電效應(yīng)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：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，在垂直于電荷，在垂直于P Ps s的晶體表面上面束縛電荷密度的晶體表面上面束縛電荷密度 = =P Ps s。但平時(shí)這些。但平時(shí)這些面束縛電荷常被晶體內(nèi)部和外來(lái)的自由電荷所中和，因此晶體并不面束

50、縛電荷常被晶體內(nèi)部和外來(lái)的自由電荷所中和，因此晶體并不顯出外電場(chǎng)。但是由于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時(shí)間很長(zhǎng)，顯出外電場(chǎng)。但是由于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時(shí)間很長(zhǎng)，大約從數(shù)秒到數(shù)小時(shí)，而晶體的自發(fā)極化的弛豫時(shí)間很短，約為大約從數(shù)秒到數(shù)小時(shí)，而晶體的自發(fā)極化的弛豫時(shí)間很短，約為1010-12-12 s s，因此，當(dāng)熱電晶體溫度以一定頻率發(fā)生變化時(shí)，由于面束，因此，當(dāng)熱電晶體溫度以一定頻率發(fā)生變化時(shí)，由于面束縛電荷來(lái)不及被中和，晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度或面束縛電荷密度縛電荷來(lái)不及被中和，晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度或面束縛電荷密度 必必然以同樣的頻率出現(xiàn)周期性變化，并產(chǎn)生一個(gè)交變的電場(chǎng)。這種現(xiàn)然以同樣的

51、頻率出現(xiàn)周期性變化，并產(chǎn)生一個(gè)交變的電場(chǎng)。這種現(xiàn)象就是熱釋電效應(yīng)。象就是熱釋電效應(yīng)。ss武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 工作原理工作原理：若用調(diào)制頻率為：若用調(diào)制頻率為f的紅外輻射照射熱電晶體，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率均隨頻率f發(fā)生周期性變化。如果發(fā)生周期性變化。如果1/f小于自由電荷中和面束縛小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時(shí)間，那么在垂直于電荷所需要的時(shí)間，那么在垂直于Ps的兩端面間產(chǎn)生交變開(kāi)的兩端面間產(chǎn)生交變開(kāi)路電壓。

52、若在這二個(gè)端面涂上電極，并通過(guò)負(fù)載連成閉合回路電壓。若在這二個(gè)端面涂上電極，并通過(guò)負(fù)載連成閉合回路，在回路中就會(huì)有電流流過(guò)，而且在負(fù)載的兩端產(chǎn)生交變路，在回路中就會(huì)有電流流過(guò)，而且在負(fù)載的兩端產(chǎn)生交變的信號(hào)電壓。這就是熱釋電探測(cè)器工作的基本原理。的信號(hào)電壓。這就是熱釋電探測(cè)器工作的基本原理。2) 2) 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)示意熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)示意 熱釋電傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)熱釋電傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外

53、傳感器紅外傳感器 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(gè)傳感器中有兩個(gè)反相串型，如圖所示。所謂雙元件是指在一個(gè)傳感器中有兩個(gè)反相串聯(lián)的敏感元件，雙元件傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：聯(lián)的敏感元件，雙元件傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) (1) 當(dāng)能量順序地入射到兩個(gè)當(dāng)能量順序地入射到兩個(gè)元件上時(shí)，其輸出要比單元件元件上時(shí)，其輸出要比單元件器件高一倍；器件高一倍；(2) (2) 由于兩個(gè)元件逆向串聯(lián)使由于兩個(gè)元件逆向

54、串聯(lián)使用，對(duì)同時(shí)輸入的能量會(huì)相互用，對(duì)同時(shí)輸入的能量會(huì)相互抵消，由此可防止太陽(yáng)的紅外抵消，由此可防止太陽(yáng)的紅外線引起的誤動(dòng)作；線引起的誤動(dòng)作；(3) (3) 可以防止由于環(huán)境溫度變可以防止由于環(huán)境溫度變化引起的檢測(cè)誤差。化引起的檢測(cè)誤差。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 3) 3) 熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)(1) (1) 在室溫下即可正常工作，在室溫下即可正常工作，無(wú)需致冷。無(wú)需致冷。(2) (2) 使用溫度必須低于熱釋電使用溫度必須低于熱釋電元件材料的居里點(diǎn)溫度。如硫元件材料的居里點(diǎn)溫度。如硫酸三甘肽酸三甘肽(TGS)(TG

55、S)的居里點(diǎn)溫度為的居里點(diǎn)溫度為4949、鉭酸鋰為、鉭酸鋰為660660、鋯鈦酸、鋯鈦酸鉛鉛(PZT)(PZT)為為360360。(3) (3) 對(duì)恒定輻照無(wú)響應(yīng)。只有對(duì)恒定輻照無(wú)響應(yīng)。只有在變化輻照下，產(chǎn)生溫度變化在變化輻照下，產(chǎn)生溫度變化過(guò)程中，才有熱釋電電流輸出。過(guò)程中，才有熱釋電電流輸出。因此使用時(shí)必須用調(diào)制斬波器因此使用時(shí)必須用調(diào)制斬波器將入射輻照變換為交流信號(hào)，將入射輻照變換為交流信號(hào)，或使用脈沖光輻射?；蚴褂妹}沖光輻射。熱釋電傳感器實(shí)物熱釋電傳感器實(shí)物 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器10.3 10.3 紅外傳感器的主要性能

56、參數(shù)紅外傳感器的主要性能參數(shù) 1. 1. 響應(yīng)率響應(yīng)率 當(dāng)經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外輻射照射到傳感器的敏感面上時(shí)，傳感當(dāng)經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外輻射照射到傳感器的敏感面上時(shí)，傳感器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比，稱(chēng)為傳感器的響應(yīng)器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比，稱(chēng)為傳感器的響應(yīng)率，記作率，記作R R，單位為，單位為V/WV/W或或 。V/ Ws00URP A式中：式中：U Us s為紅外傳感器的輸出電壓為紅外傳感器的輸出電壓(V)(V)；P P0 0為入射到紅外敏感為入射到紅外敏感元件單位面積上的功率元件單位面積上的功率(W/cm(W/cm) )；A A0 0為紅外傳感器敏感元件的為紅外傳感器敏感元件的面積面積

57、(cm(cm) )。 2. 2. 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) 時(shí)間常數(shù)表示紅外傳感器的輸出信號(hào)隨紅外輻射變化的速率。時(shí)間常數(shù)表示紅外傳感器的輸出信號(hào)隨紅外輻射變化的速率。輸出信號(hào)滯后于紅外輻射的時(shí)間，稱(chēng)為傳感器的時(shí)間常數(shù)。輸出信號(hào)滯后于紅外輻射的時(shí)間，稱(chēng)為傳感器的時(shí)間常數(shù)。武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器c12tf時(shí)間常數(shù)：時(shí)間常數(shù)：式中：式中：f fc c為響應(yīng)率下降到最大值的為響應(yīng)率下降到最大值的0.707(3 dB)0.707(3 dB)時(shí)的調(diào)制頻率。時(shí)的調(diào)制頻率。熱傳感器的熱慣性和熱傳感器的熱慣性和RCRC參數(shù)較大，其時(shí)間常數(shù)大于光子傳感器

58、，一參數(shù)較大，其時(shí)間常數(shù)大于光子傳感器，一般為毫秒級(jí)或更長(zhǎng)，光子傳感器的時(shí)間常數(shù)很小，一般為微秒級(jí)。般為毫秒級(jí)或更長(zhǎng)，光子傳感器的時(shí)間常數(shù)很小，一般為微秒級(jí)。 3. 3. 響應(yīng)波長(zhǎng)范圍響應(yīng)波長(zhǎng)范圍響應(yīng)波長(zhǎng)范圍或稱(chēng)光譜響應(yīng)，表示傳感器的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍或稱(chēng)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(zhǎng)之間的關(guān)系。電壓響應(yīng)率與入射紅外輻射波長(zhǎng)之間的關(guān)系。由于熱傳感器的電壓響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，它由于熱傳感器的電壓響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，它的響應(yīng)曲線是一條平行于橫坐標(biāo)的響應(yīng)曲線是一條平行于橫坐標(biāo)( (波長(zhǎng)波長(zhǎng)) )的直的直線。而光子傳感器的電壓響應(yīng)率是波長(zhǎng)的函線。而光子傳感器的電壓響應(yīng)率是波長(zhǎng)的函數(shù)，因此是一

59、條隨波長(zhǎng)變化的曲線，如圖所數(shù)，因此是一條隨波長(zhǎng)變化的曲線，如圖所示，存在峰值波長(zhǎng)示，存在峰值波長(zhǎng)( )( )，把響應(yīng)率下降到最，把響應(yīng)率下降到最大值的一半所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為截止波長(zhǎng)大值的一半所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為截止波長(zhǎng)( )( )，截止波長(zhǎng)的區(qū)間表示了紅外傳感器響應(yīng)波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)的區(qū)間表示了紅外傳感器響應(yīng)波長(zhǎng)的范圍。的范圍。mc武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第第10 10章章 紅外傳感器紅外傳感器 4 4噪聲等效功率噪聲等效功率 由于探測(cè)器存在噪聲，所以不能無(wú)限地測(cè)量小的輻射信號(hào)，當(dāng)由于探測(cè)器存在噪聲，所以不能無(wú)限地測(cè)量小的輻射信號(hào)，當(dāng)輻射小到它在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)完全被探測(cè)器的噪聲

60、所淹沒(méi)時(shí)，輻射小到它在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)完全被探測(cè)器的噪聲所淹沒(méi)時(shí)，這時(shí)探測(cè)器就無(wú)法肯定是否有輻射信號(hào)投射在探測(cè)器上，探測(cè)器這時(shí)探測(cè)器就無(wú)法肯定是否有輻射信號(hào)投射在探測(cè)器上，探測(cè)器探測(cè)輻射的能力就有了一個(gè)限度，通常我們用噪聲等效功率探測(cè)輻射的能力就有了一個(gè)限度，通常我們用噪聲等效功率NEPNEP來(lái)表征探測(cè)器的這個(gè)特征。來(lái)表征探測(cè)器的這個(gè)特征。 當(dāng)輻射在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)電壓正好等于探測(cè)器本身的噪聲當(dāng)輻射在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)電壓正好等于探測(cè)器本身的噪聲電壓值電壓值( (即信號(hào)噪聲比為即信號(hào)噪聲比為1)1)時(shí)，所需投射到探測(cè)器上的輻射功率稱(chēng)時(shí)，所需投射到探測(cè)器上的輻射功率稱(chēng)為探測(cè)器的噪聲等效功率，