第12章熱電式傳感器

第12章熱電式傳感器1

熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的傳感器。它是利用測(cè)溫敏感元件的電或磁的參數(shù)隨溫度變化而改變的特性，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化達(dá)到測(cè)量溫度的目的。本章主要介紹熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和紅外傳感器。

第12章熱電式傳感器212.1溫度傳感器的分類及溫標(biāo)12.2熱電偶12.3熱電阻與熱敏電阻12.4集成溫度傳感器12.5紅外傳感器12.1溫度傳感器的分類及溫標(biāo)

312.1.1溫度傳感器分類方法12.1.2溫度單位44測(cè)量方法接觸式非接觸式工作原理熱電偶熱電阻熱敏電阻集成溫度傳感器紅外溫度傳感器12.1.1溫度傳感器分類方法按溫度傳感器的工作原理不同分為以下類型：熱電偶：利用金屬的溫差電動(dòng)勢(shì)測(cè)溫，有耐高溫、精度高的特點(diǎn)熱電阻：利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化測(cè)溫，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量溫度比

半導(dǎo)體溫度傳感器高熱敏電阻：利用半導(dǎo)體材料隨溫度變化測(cè)溫，體積小，靈敏度高，

穩(wěn)定性差集成溫度傳感器：利用晶體管PN結(jié)的電流、電壓隨溫度變化測(cè)溫，

有專用集成電路，體積小，響應(yīng)快，廉價(jià)，通常測(cè)量150℃以下溫度紅外溫度傳感器：利用物體紅外輻射能，先將光轉(zhuǎn)換為熱，再將熱

轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?？蛇M(jìn)行非接觸式測(cè)量，動(dòng)態(tài)誤差小，

響應(yīng)時(shí)間短按所用測(cè)溫物質(zhì)和測(cè)溫范圍的不同，各類溫度傳感器如下測(cè)溫方法測(cè)溫原理溫度傳感器接觸式固體熱膨脹雙金屬溫度計(jì)液體熱膨脹玻璃管液體溫度計(jì)氣體熱膨脹氣體溫度計(jì)、壓力溫度計(jì)電阻變化金屬電阻溫度傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻熱電效應(yīng)貴金屬熱電阻普通金屬熱電偶非金屬熱電偶頻率變換石英晶體溫度傳感器光學(xué)特性光纖溫度傳感器；液晶溫度傳感器聲學(xué)特性超聲波溫度傳感器非接觸式亮度法光學(xué)高溫計(jì)熱輻射-全輻射法全輻射高溫計(jì)比色法比色高溫計(jì)紅外法紅外溫度傳感器氣流變化射流溫度傳感器712.1.2溫度單位我國(guó)目前實(shí)行的是1990年國(guó)際溫標(biāo)(ITS—90）定義國(guó)際開爾文溫度（T90）國(guó)際攝氏溫度（t90）；

T90

：?jiǎn)挝唬↘）開爾文

t90

：?jiǎn)挝唬ā妫z氏兩者關(guān)系為：

t90/℃=T90/K–273.15或

t/℃=T/K–273.1512.2熱電偶

812.2.1工作原理和熱電效應(yīng)12.2.2熱電偶基本定律12.2.3熱電偶的分類和結(jié)構(gòu)12.2.4熱電偶測(cè)量電路及應(yīng)用9熱電偶是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感元件之一。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小，利用金屬溫差電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行溫度檢測(cè)，輸出信號(hào)為電信號(hào)，還用來測(cè)量流體的溫度、測(cè)量固體以及固體壁面的溫度。微型熱電偶還可用于快速及動(dòng)態(tài)溫度的測(cè)量。將兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A、B組合成閉合回路，若兩結(jié)點(diǎn)處溫度不同，則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象早在1821年首先由西拜克（See－back）發(fā)現(xiàn),所以又稱西拜克效應(yīng)。12.2.1工作原理和熱電效應(yīng)熱電極A右端：自由端參考端冷端左端：測(cè)量端工作端熱端熱電極B熱電勢(shì)AB利用這種效應(yīng)，知道一端溫度后就可測(cè)出另一端的溫度。11

兩種不同的金屬互相接觸時(shí)，由于不同金屬內(nèi)自由電子的密度不同，在兩金屬A和B的接觸點(diǎn)處會(huì)發(fā)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象。自由電子將從密度大的金屬A擴(kuò)散到密度小的金屬B，使A失去電子帶正電，B得到電子帶負(fù)電，從而產(chǎn)生熱電勢(shì)。自由電子＋ABeAB（

T）T1.接觸電勢(shì)熱電偶中熱電勢(shì)主要由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)組成。12eAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；K——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T時(shí)的電子密度。接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。當(dāng)溫度為T時(shí)，熱端接觸電勢(shì)可表示為對(duì)于任何一種金屬，當(dāng)其兩端溫度不同時(shí)，兩端的自由電子濃度也不同，溫度高的一端濃度大，具有較大的動(dòng)能；溫度低的一端濃度小，動(dòng)能也小。因此高溫端的自由電子要向低溫端擴(kuò)散，高溫端因失去電子而帶正電，低溫端得到電子而帶負(fù)電，形成溫差電動(dòng)勢(shì)，又稱湯姆森電動(dòng)勢(shì)。2.溫差電勢(shì)AeA(T,To)ToTeA(T，T0)——導(dǎo)體A兩端的溫差電動(dòng)勢(shì)；T，T0——高低端的絕對(duì)溫度；σA——溫度系數(shù)，也稱湯姆遜系數(shù)σA表示導(dǎo)體導(dǎo)體兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)例如：在0℃時(shí)，銅的σ=2μV/℃。14由導(dǎo)體材料A、B組成的閉合回路，其接點(diǎn)溫度分別為T、T0,如果T＞T0，則必存在著兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)，回路總電勢(shì)：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3.回路總電勢(shì)15由于在金屬中自由電子數(shù)目很多，溫度對(duì)自由電子密度的影響很小，故溫差電動(dòng)勢(shì)可以忽略不計(jì)，在熱電偶回路中起主要作用的是接觸電動(dòng)勢(shì)。則有：在標(biāo)定熱電偶時(shí)，一般使T0為常數(shù)，則16由此對(duì)熱電偶的熱電勢(shì)得出以下結(jié)論：1）熱電偶兩個(gè)電極材料相同，即NA=NB時(shí)，無論兩端點(diǎn)溫度如何變化，總的熱電勢(shì)為零；2）如果熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同，無論導(dǎo)體A、B材料相同或不同，回路的總電勢(shì)也為零；3）熱電偶必須用不同材料做電極，在T、T0兩端必須有溫度梯度，這是熱電偶熱電勢(shì)的必要條件；4）由于熱電偶的電動(dòng)勢(shì)是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度的函數(shù)，因此必須固定參考端（冷端）的溫度，才能確定熱電勢(shì)與被測(cè)溫度T的對(duì)應(yīng)關(guān)系。17各個(gè)國(guó)家都有自己的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般規(guī)定：以0℃為基準(zhǔn)端溫度條件下，給出測(cè)量端的溫度與該溫差電動(dòng)勢(shì)的電壓數(shù)值對(duì)照表，稱為分度表。如教材201頁的表12-2所示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)測(cè)出的熱電勢(shì)，通過查找對(duì)應(yīng)材料的分度表得到所測(cè)的溫度值。18191、中間導(dǎo)體定律2、中間溫度定律利用熱電偶作為傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)時(shí)，必須在熱電偶輸出回路中引入轉(zhuǎn)換電路和顯示電路才能構(gòu)成記錄儀表。下面的基本定律將有助于我們正確使用熱電偶。12.2.2熱電偶基本定律201、中間導(dǎo)體定律在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。T0T0BTAC右圖回路中的總電動(dòng)勢(shì)為：21如果回路中三個(gè)接點(diǎn)的溫度都相同，即T＝T0，則回路總電動(dòng)勢(shì)必為零，即：即則22T1CT0T1TBA如果按右圖接入第三種導(dǎo)體C，則回路中的總電動(dòng)勢(shì)為：而所以意義：可用電器測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量熱電勢(shì)23BBA

Tn

T

T0

AAB2、中間溫度定律熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T、Tn和接點(diǎn)溫度分別為Tn、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。24證明：即：利用這一性質(zhì)，實(shí)際測(cè)量時(shí)可對(duì)參考溫度不為零度時(shí)的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。25當(dāng)Tn=0℃時(shí)，則：上式說明：只要A、B組成的熱電偶在冷端溫度為零時(shí)的“熱電動(dòng)勢(shì)—溫度”關(guān)系已知，則它在冷端溫度不為零時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)即可知。26例如：已知某熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)有E(1000，0)=41.276mV,E(20，0)=0.798mV，E(30，20)=0.405mV。試求熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)E(30，0)=？E(1000，20)=？和E(30，1000)=？E(30，0)=E(30，20)-E(20，0)解：=0.405-0.798=-0.393mVE(1000，20)=E(1000，0)-E(20，0)=41.276-0.798=40.478mVE(30，1000)=E(30，0)-E(1000，0)=0.405-41.278=-40.828mV27熱電偶分為標(biāo)準(zhǔn)化與非標(biāo)準(zhǔn)化兩大類。

標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶按制作熱電偶的材料劃分為：貴金屬熱電偶、普通熱電偶和銅-康銅熱電偶等。12.2.3熱電偶的分類和結(jié)構(gòu)從1988年1月1日起，我國(guó)熱電偶和熱電阻的生產(chǎn)全部按國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。但其中的R型（鉑銠13-鉑）熱電偶，因其溫度范圍與S型（鉑銠10-鉑）重合,我國(guó)沒有生產(chǎn)和使用。1、熱電偶分類28幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì)分度號(hào)名稱測(cè)量溫度范圍1000C熱電勢(shì)/mVB鉑銠30－鉑銠650～1820C4.834R鉑銠13—鉑-50～1768C10.506S鉑銠10—鉑-50～1768C9.587K鎳鉻－鎳鉻(鋁)-270～1370C41.276E鎳鉻－銅鎳(康銅)－270～800C——?292、熱電偶的結(jié)構(gòu)常見的熱電偶結(jié)構(gòu)形式主要有普通熱電偶、薄膜熱電偶、鎧裝熱電偶、表面熱電偶等。（1）普通熱電偶普通熱電偶工業(yè)上使用最多，一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。主要用于測(cè)量氣體、蒸汽、液體等介質(zhì)的溫度檢測(cè)。30（2）薄膜熱電偶薄膜型熱電偶由兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學(xué)涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶。常用于火箭、飛機(jī)噴嘴的溫度測(cè)量。31鎧裝型熱電偶又稱套裝熱電偶。它由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管經(jīng)拉伸加工而成的組合體。因其結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)、可彎曲，用于測(cè)量狹小對(duì)象。（3）鎧裝熱電偶3212.2.4熱電偶測(cè)量電路RP1RP0RP2R2R3VCCC1UOUT510Ω120kΩ4.7μFK型熱電偶測(cè)量電路由熱電偶、高增益低失調(diào)運(yùn)放、零點(diǎn)調(diào)節(jié)電阻器RP0和增益調(diào)節(jié)電阻器RP2組成。調(diào)節(jié)方法：在T=0℃時(shí)，輸出電壓應(yīng)為0mV，如果不為0，可以調(diào)節(jié)RP0使UOUT=0。在T=600℃時(shí)，輸出電壓應(yīng)為24.902mV，可以調(diào)節(jié)RP0使UOUT達(dá)到滿度6V。12.3熱電阻與熱敏電阻

3312.3.1熱電阻12.3.2熱敏電阻12.3.3應(yīng)用舉例34熱電阻效應(yīng)--物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的現(xiàn)象。熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)的裝置。原理：金屬原子最外層的電子能自由移動(dòng)，當(dāng)加上電壓以后，這些無規(guī)則移動(dòng)的電子就按一定的方向流動(dòng)，形成電流。隨著溫度的增加，電子的熱運(yùn)動(dòng)劇烈，電子之間、電子與振動(dòng)的金屬離子之間的碰撞機(jī)會(huì)就不斷增加，因此電子的定向移動(dòng)將受到阻礙，金屬的電阻率也隨之增大。12.3.1熱電阻35取一只100W/220V燈泡，用萬用表測(cè)量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484

。

金屬熱電阻廣泛用于測(cè)量-200~+850℃溫度范圍。少數(shù)可測(cè)量1000

℃。普通金屬熱電阻一般用于-200~+500℃溫度測(cè)量。鉑熱電阻的測(cè)溫范圍可達(dá)-200~850℃。

鉑是一種貴重金屬，其物理和化學(xué)性能非常穩(wěn)定，是制造熱電阻的最好材料，主要作標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)。按照IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）的標(biāo)準(zhǔn)，鉑熱電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系近似為-200~0℃時(shí)0~850℃時(shí)按照ITS-90標(biāo)準(zhǔn)R0是T=0℃時(shí)的電阻。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有兩種：R0=10Ω，對(duì)應(yīng)PT10分度號(hào)R0=100Ω，對(duì)應(yīng)PT100分度號(hào)3738熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而顯著變化的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。半導(dǎo)體熱敏電阻有很高的電阻溫度系數(shù)，其靈敏度比熱電阻高得多。而且體積可以做得很小，故動(dòng)態(tài)特性好，適于在-100℃～300℃之間測(cè)溫。12.3.2熱敏電阻391、熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)熱敏電阻是用半導(dǎo)體-金屬氧化物符合，摻入一定的黏合劑成形，再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。主要材料有鈷Co、錳Mn、鎳Ni等

等。優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可測(cè)點(diǎn)溫度；（2）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻率高、熱慣性小、適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。缺點(diǎn):是互換性較差，另外其熱電特性是非線性的。各種熱敏電阻的結(jié)構(gòu)如下頁圖所示。40412、熱敏電阻的基本類型（1）NTC熱敏電阻NTC熱敏電阻的材料是一種由錳（Mn）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鈷（Co）、鐵（Fe）等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，改變混合物的成分和配比就可以獲得測(cè)溫范圍、阻值及溫度系數(shù)不同NTC熱敏電阻。它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。

NTC熱敏電阻應(yīng)用廣泛。04080120160200106104102100溫度℃電阻42（2）CTR熱敏電阻CTR熱敏電阻是以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成，它呈半玻璃狀，具有負(fù)溫度系數(shù)。通常，CTR熱敏電阻用樹脂包封成珠狀或厚膜形使用，其阻值在1k

Ω~10MΩ之間。04080120160200106104102100溫度℃電阻CTR熱敏電阻隨溫度變化的特性屬劇變型，具有開關(guān)特性。當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)TC時(shí)，其阻值會(huì)減小到臨界狀態(tài)，突變的數(shù)量級(jí)為2~4。因此又稱這類熱敏電阻為臨界熱敏電阻。TC

43（3）

PTC熱敏電阻PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成的半導(dǎo)休陶瓷元件。04080120160200106104102100溫度℃電阻PTC熱敏電阻具有以下特性：TC

TN

當(dāng)溫度低于居里點(diǎn)TC時(shí)，具有半導(dǎo)體特性；

當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)TC時(shí)，電阻值隨溫度升高而急劇增大，具有正溫度系數(shù)；

具有通電瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大電流而后很快衰減的特性。PTC熱敏電阻主要用于彩電消磁、各種電器設(shè)備的過載保護(hù)、發(fā)熱源的定溫控制，可作限流元件使用。443、熱敏電阻的溫度特性

負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻阻值與溫度的關(guān)系為RT＝A(T-1)exp(B/T)式中RT—溫度為T時(shí)電阻值A(chǔ)—與材料和幾何尺寸有關(guān)的常數(shù)B—熱敏電阻常數(shù)（與半導(dǎo)體物理性能有關(guān)）4512.3.3應(yīng)用舉例4647熱敏電阻體溫表

4849熱敏電阻用于CPU的溫度測(cè)量

12.4集成溫度傳感器

50將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集成化溫度傳感器。其最大優(yōu)點(diǎn)是直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想的線性輸出，另外，體積小、成本低廉。因此，它是現(xiàn)代半導(dǎo)體溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。目前，已經(jīng)廣泛用于-50~+150℃溫度范圍內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)脑S多場(chǎng)合。51電路中ＶＴ1、ＶＴ2是結(jié)構(gòu)和性能完全相同的晶體管，它們分別在不同的集電極電流IＣ1和IＣ2下工作。由圖可見，R１的電壓應(yīng)為ＶＴ1和ＶＴ2的基極發(fā)射極電壓差。12.4.1測(cè)溫原理IC2VＴ1R1+EΔUbeR2IC1VＴ2γ為VT1和VT2發(fā)射極的面積比R2上的電壓也正比于絕對(duì)溫度T。5212.4.2集成溫濕度傳感器

SHT10為單片數(shù)字溫濕度傳感器。其內(nèi)部包含有溫濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字接口電路。SCK引腳是MCU與SHTIO之問通信的同步時(shí)鐘DATA引腳用于MCU與SHT10之間的數(shù)據(jù)傳輸。531.發(fā)送命令用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟０ǎ寒?dāng)SCK為高時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為低，緊接著SCK為低，隨后SCK為高時(shí)DATA為高。啟動(dòng)傳輸?shù)臅r(shí)序如圖所示。后續(xù)命令包含三個(gè)地址位（目前只支持000）和五個(gè)命令位。地址位是000，命令字如右表在第8個(gè)SCK時(shí)鐘下降沿之后，DATA下拉為低。在第9個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿后釋放DATA（恢復(fù)為高）。542.測(cè)量時(shí)序發(fā)布一組測(cè)量命令后（例如測(cè)量溫度“00000011”），控制器要等待測(cè)量結(jié)束，約20/80/320ms,分別對(duì)應(yīng)8/12/14bit測(cè)量。當(dāng)DATA為低電平并進(jìn)入空閑模式，表示測(cè)量結(jié)束。控制器在再次觸發(fā)SCK時(shí)鐘前，必須等待這個(gè)“數(shù)據(jù)備妥”信號(hào)來讀出數(shù)據(jù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)可以先被保存，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)，在需要的時(shí)候再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和1字節(jié)的CRC奇偶校驗(yàn)。Uc需要通過下拉DATA為低電平，以確認(rèn)每個(gè)字節(jié)，所有數(shù)據(jù)從最高有效位開始右值有效。使用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)的確認(rèn)位表明通訊結(jié)束。如果不使用CRC-8校驗(yàn)，控制器可以在測(cè)量的最低有效位后，通過保持確認(rèn)位ack高電平來終止通訊。此后傳感器轉(zhuǎn)入休眠模式。553.輸出轉(zhuǎn)換為物理量溫、濕度的參數(shù)均以0.01為單位，單位分別為攝氏度和%。轉(zhuǎn)換公式為（XH*256+XL）/100 例如實(shí)驗(yàn)中通過串口助手接收到的數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)換結(jié)果為EECC01030101131522000000000000FFEECC為幀頭01為節(jié)點(diǎn)編號(hào)03為模塊ID01為傳感器IDFF為幀尾通過串口助手接收到的數(shù)據(jù)溫度值為：27.5度濕度值為：54.1%。12.5紅外傳感器

5612.5.1紅外輻射12.5.2紅外探測(cè)器12.5.3紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器可分為紅外熱成像遙感技術(shù)、紅外搜索（跟蹤目標(biāo)、確定位置、紅外制導(dǎo)）、紅外輻射測(cè)量、通信、紅外測(cè)溫等，在科學(xué)研究、軍事工程和醫(yī)學(xué)方面都有著廣泛的應(yīng)用。紅外傳感器主要由紅外輻射源和紅外探測(cè)器兩部分組成，有紅外輻射的物體就可以視為紅輻射源；紅外探測(cè)器是指能將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電能的器件或裝置。58

12.5.1紅外輻射

紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.76～1000μm。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。紅外區(qū)通常分為近紅外0.73~1.5um、中紅外1.5~10um和遠(yuǎn)紅外10um以上，300um以上的區(qū)域又稱為“亞毫米波”紅外輻射紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度（－273℃），就會(huì)向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個(gè)物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實(shí)現(xiàn)的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長(zhǎng)的乘積。60

12.5.2紅外探測(cè)器

紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的熱電或光電器件。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。1）熱探測(cè)器（熱電型）有：熱釋電、熱敏電阻、熱電偶等；2）光子探測(cè)器（量子型），利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下產(chǎn)生光電子效應(yīng)，材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化；有:光敏電阻、光電管、光電池等。

量子型光子探測(cè)器與光電傳感器原理相同，本節(jié)主要介紹熱釋電型紅外探測(cè)器。1.熱釋電效應(yīng)熱探測(cè)器主要是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，當(dāng)探測(cè)器吸收輻射能后引起溫度升高，使其材料的物理量變化，如熱釋電電荷、熱敏電阻阻值、熱電偶電勢(shì)、氣體濃度變化等。

熱釋電效應(yīng)首先將光輻射能變成材料自身的溫度，利用器件溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。熱釋電材料有晶體、陶瓷、塑料等鐵電體，其晶體結(jié)構(gòu)與熱釋效應(yīng)如圖所示。熱釋電晶體是把具有熱釋電效應(yīng)的晶體薄片兩面鍍上電極，將透明電極涂上黑色膜使晶體吸收紅外線。晶體本身具有一定極化強(qiáng)度P，當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面時(shí)，薄片溫度升高，使極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，釋放部分電荷，所以稱為熱釋電。熱釋電元件溫度特性如圖所示。溫度一定時(shí)因極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表面的自由電荷慢慢中和掉，不顯電性，要讓熱釋電顯現(xiàn)出電特性，必須用光調(diào)制器使溫度變化，如下圖所示。已知熱釋電元件電荷中和的平均時(shí)間為：調(diào)制器的入射光頻率f必須大于電荷中和的時(shí)間頻率，即熱釋電材料表面電荷極化隨溫度變化狀況如圖所示。鐵電體在溫度變化時(shí)，極化強(qiáng)度發(fā)生變化，無論溫度上升還是下降，介質(zhì)從帶電到不帶電有一個(gè)中和時(shí)間，為使電荷不被中和掉，必須使晶體處于冷熱交替變化的工作狀態(tài)，使電荷表現(xiàn)出來，表面才能產(chǎn)生電荷。由圖可見，當(dāng)溫度上升或下降時(shí)，電荷極性相反。2.熱釋電元件等效電路熱釋電元件是電荷儲(chǔ)存元件，傳感器可視為電流源，電流大小與溫度隨時(shí)間的變化率有式中，S是元件面積，P為極化強(qiáng)度；g為熱釋電系數(shù)。說明，熱釋電材料只有在溫度變化時(shí)才產(chǎn)生電流、電壓，其輸出電壓為式中，Z為熱釋電元件的等效阻抗。熱釋電元件結(jié)構(gòu)如圖所示，市場(chǎng)購(gòu)買的普通熱釋電元件已經(jīng)將前級(jí)的FET場(chǎng)效應(yīng)管和輸入電阻Rd安裝在管殼中，F(xiàn)ET場(chǎng)效應(yīng)管起到阻抗變換的作用。熱釋電傳感器等效電路如下圖。T為熱釋電晶體，Rd是輸入絕緣電阻，RL為外接負(fù)載電阻。由于熱釋電傳感器絕緣電阻很高，容易引入噪聲，使用時(shí)要求有較高的輸入電阻。3.紅外光子探測(cè)器光量子型是利用光電效應(yīng)，通過改變電子能量的狀態(tài)引起電學(xué)現(xiàn)象，光量子型紅外傳感器主要有：光電導(dǎo)型（PC）——利用光敏電阻受光照后引起電阻變化；光導(dǎo)電型（PV）——由于光照產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，形成光生電動(dòng)勢(shì)；光電磁型（PEM）——器件利用光電磁效應(yīng)，加電場(chǎng)和磁場(chǎng)的同時(shí)產(chǎn)生于光照成正比的感應(yīng)電荷；肖特基型（ST）——利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢(shì)壘隨光照而變化光子探測(cè)器與熱釋電傳感器在性能上最大的區(qū)別是，光量子型紅外光電探測(cè)器探測(cè)的波長(zhǎng)較窄，而熱探測(cè)器幾乎可以探測(cè)整個(gè)紅外波長(zhǎng)范圍。70

12.5.1紅外傳感器的應(yīng)用

1.紅外測(cè)溫儀2.紅外線氣體分析儀3.熱成像1.紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測(cè)量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測(cè)器檢測(cè)其溫度。圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透視系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許8~14微米的紅外輻射能通過的材料。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射射線。紅外探測(cè)器一般為熱釋電探測(cè)器，透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上。被測(cè)目標(biāo)的紅外通過透鏡聚焦在紅外探測(cè)器上，紅外探測(cè)器將紅外輻射