第11章 光電式傳感器

第十一章光電式傳感器11.1光電器件111.2電耦合器件11.3紅外傳感器32概述

光電式傳感器是將光通量轉換為電量的一種傳感器，光電式傳感器的基礎是光電轉換元件的光電效應。由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，具有非接觸、高精度、高可靠性和反應快等特點，使得光電傳感器在檢測和控制領域獲得了廣泛的應用。11.1光電器件光電器件是構成光電式傳感器最主要的部件。光電式傳感器的工作原理如圖所示：首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電轉換元件變換成電信號。圖中x1表示被測量能直接引起光量變化的檢測方式；x2表示被測量在光傳播過程中調制光量的檢測方式。

圖

光電式傳感器的工作原理11.1光電器件11.1.1光電效應◆光電器件工作的物理基礎是光電效應。光電效應分為外光電效應和內光電效應兩大類。1．外光電效應◆在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應，如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。

我們知道，光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能量由下式確定：

式中：h——普朗克常數(shù)，6.626×10（J?s）；υ——光的頻率（s）。11.1光電器件◆若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光子能量hυ必須超出逸出功A0，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。即

式中：m－電子質量；v0－電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應方程。

11.1光電器件◆由式可知：光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同物體具有不同的逸出功，這意味著每一個物體都有一個對應的光頻閥值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會逸出光電子。◆當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比?！艄怆娮右莩鑫矬w表面具有初始動能，因此外光電效應器件，如光電管即使沒有加陽極電壓，也會有光電流產(chǎn)生。11.1光電器件2．內光電效應◆受光照的物體導電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的效應叫內光電效應。內光電效應又可分為以下兩大類?！窆怆妼涸诠饩€作用下，電子吸收光子能量而引起材料電阻率變化，這種效應稱為光電導效應?；谶@種效應的器件有光敏電阻等。11.1光電器件◆當光照射到光電導體上時，若這個光電導體為本征半導體材料，而且光輻射能量又足夠強，光電導材料價帶上的電子將被激發(fā)到導帶上去，如圖所示：圖：電子能級示意圖從而使導帶的電子和價帶的空穴增加，致使光導體的導電率變大。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度Eg，即：11.1光電器件●光生伏特效應：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象?；谠撔钠骷泄怆姵睾凸饷艟w管等。①勢壘效應（結光電效應）接觸的半導體和PN結中，當光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結光電效應。

②側向光電效應當半導體光電器件受光照不均勻時，由載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側向光電效應。

11.1光電器件11.1.2光電管1．結構與工作原理◆光電管是外光電效應的器件，

有真空光電管和充氣光電管

兩類?！艄怆婈帢O通常是用逸出功小

的光敏材料徐敷在玻璃泡內

壁上做成，其感光面對準光圖

光電管的結構

的照射孔。當光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。

11.1光電器件2．主要性能（1）光電管的伏安特性◆在一定的光照射下，對光電器件的陽極所加電壓與陰極所產(chǎn)生的電流之間的關系稱為光電管的伏安特性?！粽婵展怆姽芎统錃夤怆姽艿姆蔡匦苑謩e如圖（a）和（b）所示。它是應用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。

圖

光電管的伏安特性11.1光電器件（2）光電管的光照特性：通常指當光電管的陽極和陰極之間的所加電壓一定時，光通量和光電流之間的關系為光電管的光照特性?！艄怆姽荜帢O材料不同，其光照特性也不同?！艄庹仗匦郧€的斜率（光電流與入射光通量之比稱為光電管的靈敏度。11.1光電器件（3）光電管光譜特性◆一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍?！艏词拐丈湓陉帢O上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性?！羲?，對各種不同波長區(qū)域的光，應選用不同材料的光電陰極。11.1光電器件11.1.3光電倍增管1．結構與原理◆光電倍增管也是基于

外光電效應的器件。

由于真空光電管的靈

敏度較低，因此人們

便研制了光電倍增管，

其工作原理如圖所

示。

圖：光電倍增管的外型和工作原理11.1光電器件2．主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M◆倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子δi的乘積。如果n個倍增電極的δi都一樣，則M=δi

，因此，陽極電流I為：◆M與所加電壓有關，一般在10~10之間。如果電壓有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極的電壓為1000V－2500V，兩個相鄰的倍增電極的電壓差為50V－100V。11.1光電器件（2）陰極靈敏度和總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如圖所示。極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。圖

光電倍增管的特性曲線11.1光電器件（3）光譜特性◆光電倍增管的光譜特性與相同材料光電管的光譜特性很相似。（4）暗電流及本底電流◆當管子不受光照，但極間加入電壓時在陽極上會收集到電子，這時的電流稱為暗電流，?！羧绻怆姳对龉芘c閃爍體放在一起，在完全避光情況下，出現(xiàn)的電流稱本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。本底電流具有脈沖形式，因此也成為本底脈沖。11.1光電器件11.1.4光敏電阻1．光敏電阻的結構與工作原理◆光敏電阻又稱光導管，是內光電效應器件，它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻器以硫化隔制成，所以簡稱為CDS?！艄饷綦娮铔]有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。11.1光電器件◆當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小

越好，此時光敏電阻的靈

敏度高。實際光敏電阻的

暗電阻值一般在兆歐級，

亮電阻在幾千歐以下?！魣D為光敏電阻的原理

結構。

圖

光敏電阻結構11.1光電器件2．光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻◆光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。（2）亮電阻◆光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。（3）光電流◆亮電流與暗電流之差稱為光電流。11.1光電器件3．光敏電阻的基本特性（1）伏安特性◆在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。圖為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內，其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關，而與電壓、電流無關。

圖：硫化鎘光敏電阻的伏安特性11.1光電器件（2）光譜特性◆光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應。圖為幾種不同材料

光敏電阻的光譜特性。

對應于不同波長，光

敏電阻的靈敏度是不

同的。

圖：光敏電阻的光譜特性11.1光電器件（3）光照特性◆光敏電阻的光照特性是光敏電阻的光電流與光強之間的關系，如圖所示?！粲捎诠饷綦娮璧墓庹?/p>

特性呈非線性，因此

不宜作為測量元件，

一般在自動控制系統(tǒng)

中常用作開關式光電

信號傳感元件。圖：光敏電阻的光照特性11.1光電器件（4）溫度特性◆光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降?！魷囟茸兓绊懝饷綦?/p>

阻的光譜響應，尤其

是響應于紅外區(qū)的硫

化鉛光敏電阻受溫度

影響更大。圖為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。圖

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線

11.1光電器件（5）光敏電阻的響應時間和頻率特性◆實驗證明，光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后，通常用時間常數(shù)t來描述，這叫做光電導的弛豫現(xiàn)象。所謂時間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降到原來的63%所需的時間，因此，t越小，響應越迅速，但大多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都較大，這是它的缺點之一。圖所示為硫化鎘和硫化鉛的光敏電阻的頻率特性。圖

光敏電阻的頻率特性11.1光電器件4．光敏電阻基本應用電路◆在圖所示的電路中，我們利用光敏電阻將光線的強弱變?yōu)殡娮柚档淖兓?，以達到光控制電路的目的。

圖：CDS實驗電路11.1光電器件11.1.5光敏二極管和光敏晶體管1．結構原理◆光敏二極管的結

構與一般二極管

相似。它裝在透

明玻璃外殼中，圖：光敏二極管的結構原理

其PN結裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見圖a）。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖b所示），在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。11.1光電器件◆如圖所示為NPN型光

敏晶體管的結構簡

圖和基本電路。大

多數(shù)光敏晶體管的

基極無引出線，當

集電極加上相對于圖：NPN型光敏晶體管結構簡圖和基本電路

發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結就是反向偏壓；當光照射在集電結上時，就會在結附近產(chǎn)生電子-空穴對，從而形成光電流，相當于三極管的基極電流。由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。11.1光電器件2．基本特性（1）光譜特性◆光敏二極管和晶體管的光

譜特性曲線如圖所示。

從曲線可以看出，硅的峰

值波長約為0.9μm，鍺的

峰值波長約為1.5μm，此特性時靈敏度最大，而當入射光的波長增加或縮短時，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，鍺管較為適宜。圖：光敏晶體（二）級管的光譜11.1光電器件（2）伏安特性◆圖為硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線。從圖中可見，光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。圖：硅光敏管的伏安特性11.1光電器件（3）溫度特性◆光敏晶體管的

溫度特性是指

其暗電流及光

電流與溫度的

關系。光敏晶

體管的溫度特圖：光敏晶體管的溫度特性

性曲線如圖所示。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大，所以在電子線路中應該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。11.1光電器件11.1.6光電池◆光電池是在光線照射下，

直接將光能轉換為電能

的光電器件。光電池在

有光線作用下實質就是

電源，電路中有了這種

器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。圖為光電池的工作原理圖。圖：光電池工作原理11.1光電器件1．基本特性（1）光譜特性◆光電池對不同波長的光的靈敏度

是不同的。圖為硅光電池和

硒光電池的光譜特性曲線。從圖

中可知，不同材料的光電池，光響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應波長范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池的范圍只能為0.38~0.75μm?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內得到應用。圖：光電池的光譜特性譜11.1光電器件（2）光照特性◆光電池在不同光照度下，

光電流和光生電動勢是

不同的，它們之間的關

系就是光照特性。圖

為硅光電池的開路

電壓和短路電流與光照

的關系曲線。

圖：硅光電池的光照特性11.1光電器件（3）溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系到應用光電池的儀器或設備的溫度漂移，

影響到測量精度或控

制精度等重要指標，

因此溫度特性是光電

池的重要特性之一。

光電池的溫度特性如

圖所示。圖：硅光電池的溫度特性11.1光電器件（4）頻率特性◆光電池的頻率特性就是反

映光的交變頻率和光電池

輸出電流的關系，如圖

所示。從曲線可以看

出，硅光電池有很高的頻

率響應，可用在高速計

數(shù)、有聲電影等方面。這

就是硅光電池在所以光電

元件中最為突出的優(yōu)點。圖：光電池的頻率特性11.1光電器件2．應用電路◆光電池轉換電路如圖所示，能將光的照度轉換為電壓形式輸出，本電路所使用的光電池，其外型是由四個相同

的光電池

串聯(lián)而成，

其開路電

壓約為2V，

短路電流

約為0.08μA／lx。

圖：光電池轉換電路11.1光電器件◆由光電池特性得知，光電池的開路電壓Vop與入射光強度的對數(shù)成正比，成非線性關系，而短路電流Ish卻是與照度成正比，所以一般轉換電路大都采用短路電流做轉換，而不采用開路電壓。圖的U1為一個電流-電壓轉換電路，可將光電池的短路電流轉換成電壓。因運算放大器有虛接地的特性，且光電池接在運算放大器的正負兩端相當于光電池短路。又因運算放大器的輸入電流幾乎為零，所以全部的Ish流到R6與R7，使U1的輸出電壓V1=Ish(R6+R7)。所以可調整R7的大小，使得輸出電壓為1mV／lx，這種調整方式，稱為擴展率調整(Spanadjust)。11.1光電器件◆若現(xiàn)場含有AC110V，60Hz的交流成分存在。由R8(10K)，C1(10μF)所組成的低通濾波器，可將120Hz的交流成分濾除，使得轉換電路的輸出電壓為平均照度的電壓信號。而U2為一電壓跟隨器（AV≈1），作為緩沖器。11.1光電器件11.1.7光電耦合器件◆光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結構和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關。

11.1光電器件1．光電耦合器◆光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見的組合形式如圖所示：圖：光電耦合器組合形式11.1光電器件2．光電開關◆光電開關是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲

得最終的控制輸出“開”、“關”信號的器件。

圖：光電開關的結構11.1光電器件圖（a）是一種透射式的光電開關，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣起到檢測作用。圖（b）是一種反射式的光電開關，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當有物體經(jīng)過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。光電開關的特點是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結合。11.1光電器件◆用光電開關檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高-低”（1-0）之分即可。圖是基本電路的示例。（a）、（b）表示負載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況，（c）表示用晶體管放大光電流的情況。圖：光電開關的基本電路◆光電開關廣泛應用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。11.2電偶合器件11.2電荷耦合器件◆電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD）是一種金屬氧化物半導體（MOS）集成電路器件。它以電荷作為信號，基本功能是進行電荷的存儲和電荷的轉移。CCD自1970年問世以來，由于其低噪聲等特點而發(fā)展迅速，廣泛應用于在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。一、CCD結構◆構成CCD的基本單元是MOS電容器，如圖所示。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。

MOS基本單元是在P型或N型的硅半導體襯底上覆蓋一層約120nm的SiO2，在其表面依次沉積一層金屬電極構成。這樣的一個MOS結構稱為一個光敏元或一個像素。圖：MOS電容器的結構11.2電偶合器件一、CCD結構根據(jù)不同要求將MOS陣列加上輸入、輸出結構就構成了CCD器件。如果MOS電容器中的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓時，在其電極下形成帶負電荷的所謂耗盡層，由于那里的電子勢能很低，形成了表面勢阱，如圖所示，成為蓄積電荷的場所。圖：勢阱的形成11.2電偶合器件對于P型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。

CCD電荷的產(chǎn)生有兩種方式：電注入和光注入。

CCD用作光學圖像傳感器時，采用光注入。即光信號照在CCD硅片上，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子－空穴對，多數(shù)空穴流入襯底，少數(shù)電子被收集在勢阱中，形成儲存電荷。儲存電荷正比于照射的光強；

CCD用作信號處理或儲存器件時，采用電注入。即CCD通過輸入結構對信號電壓或電流采樣，并轉換為電荷信號。注入電荷量Q＝ID△t

（△t

－正脈沖的寬度）

二、CCD電荷的產(chǎn)生11.2電偶合器件三、CCD電荷的轉移

外加在MOS電容器上的電壓越高，產(chǎn)生的勢阱越深；外加電壓一定，勢阱深度隨勢阱中電荷量的增加而線性下降。

利用此特性，通過控制相鄰的MOS電容柵極電壓的高低來調節(jié)勢阱的深淺，讓MOS電容間排列足夠緊密，使相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合，就可以使電荷由勢阱淺處流向勢阱深處，實現(xiàn)信號電荷的轉移。

電荷轉移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉移的過程，見下圖。11.2電偶合器件11.2電偶合器件電荷轉移過程四、CCD電荷的輸出

輸出端被讀出有兩種方式：利用二極管的輸出結構和浮置柵MOS管輸出，如書P204圖10－7所示。11.2電偶合器件五、CCD固態(tài)圖像傳感器◆電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器件。CCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導體襯底上布設的若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡稱“像素”。◆固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉換功能將投射到光敏單元的光學圖像轉換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉換為與光強成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號“圖像”轉送，經(jīng)輸出放大器輸出。11.2電偶合器件◆根據(jù)光敏元件排列形式的不同，CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。（1）線型CCD圖像傳感器－獲取線圖像◆典型的線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件和兩列電荷轉移部件組成，在它們之間設置一個轉移控制柵，如圖所示。

圖：線型CCD圖像傳感器11.2電偶合器件（2）面型CCD圖像傳感器－獲取面圖像◆按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構成面型CCD圖像傳感器。

◆面型CCD圖像傳感器有三種基本類型：線轉移、幀轉移和隔列轉移。如圖。圖：線轉移面型CCD的結構圖

11.2電偶合器件圖a：幀轉移面型CCD的結構圖圖b：隔離轉移型CCD的結構圖11.2電偶合器件六、固態(tài)圖像傳感器的主要特性參數(shù)（書P214）◆光－電轉換特性◆分辨率◆輸出飽和特性◆暗電流◆靈敏度◆光譜響應及背面照光11.2電偶合器件七、CCD圖像傳感器應用◆前面介紹的CCD具有將光像轉換為電荷分布，以及電荷的存儲和轉移等功能，所以它是構成CCD固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)。◆CCD圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，具有較寬的動態(tài)范圍，這些特點決定了它可以廣泛用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術。11.2電偶合器件◆CCD圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的精確測量及工件缺陷的檢測方面有獨到之處?！魣D為應用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)。圖：CCD圖像傳感器工件尺寸檢測系統(tǒng)11.2電偶合器件◆物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對輸出的視頻信號進行存儲和數(shù)據(jù)處理，整個過程由微機控制完成。根據(jù)幾何光學原理，可以推導被測物體尺寸D計算公式，即：

式中：n-覆蓋的光敏像素數(shù)；P-像素間距；M-倍率。◆微機可對多次測量求平均值，精確得到被測物體的尺寸。任何能夠用光學成像的零件都可以用這種方法，實現(xiàn)不接觸的在線自動檢測的目的。11.2電偶合器件11.3紅外傳感器11.3紅外傳感器紅外傳感器按其應用可分為以下幾方面：①紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量；②搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；③熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；④紅外測距和通信系統(tǒng)；⑤混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組合。11.3紅外傳感器圖：電磁波譜圖11.3.1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。它的波長范圍大致在0.75μm

～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。11.3紅外傳感器◆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、遠紅外和極遠紅外?！艏t外線的最大特點是具有光熱效應，可以輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應區(qū)。一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。◆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。而且，紅外線被物體吸收時，可以顯著地轉變?yōu)闊崮堋艏t外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的。11.3紅外傳感器11.3.2紅外探測器（傳感器）◆能將紅外輻射能轉換為電能的裝置稱為紅外探測器或紅外傳感器?！艏t外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調理電路及顯示系統(tǒng)等組成?！艏t外探測器種類很多，根據(jù)溫度可分為：低溫、中溫、室溫；根據(jù)響應波長可分為：近紅外、中紅外、遠紅外；根據(jù)用途分為：單元型、多元陣列、成像傳感器；根據(jù)探測機理可分為兩大類：熱傳感器和光子傳感器。11.3紅外傳感器11.3.2紅外傳感器的性能參數(shù)（書P188）◆電壓響應率；◆響應波長范圍；◆噪聲等效功率；◆探測率與比探測率◆時間常數(shù)11.3紅外傳感器11.3.3．熱傳感器◆熱傳感器對入射的各種波長的輻射能量全波吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。◆傳感器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化，便可確定傳感器所吸收的紅外輻射?！襞c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，響應時間長。但熱傳感器主要優(yōu)點是響應波段寬，響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域，可以在室溫下工作，使用方便，應用仍相當廣泛。11.3紅外傳感器◆熱傳感器定義：利用輻射熱效應，使探測器吸收紅外輻射后溫度升高，進而使傳感器中依賴于溫度的某些物理性質發(fā)生變化，這種變化與吸收的紅外輻射能成一定關系?！魺醾鞲衅髦饕愋陀袩崦綦娮栊?、熱電偶型和高萊氣體型、熱釋電型傳感器。1、熱敏電阻型紅外傳感器原理：利用固體材料的電阻率隨溫度變化的特性特性：熱敏電阻一般制成薄片狀，紅外輻射照射在熱敏電阻上使其溫度升高，電阻值減小，測量電阻值的變化就可知入射的紅外輻射的強弱，從而判斷產(chǎn)生紅外輻射的物體的溫度。2、熱電偶型紅外傳感器原理：利用熱電效應，當紅外輻射照射到熱電偶的熱端時，該端溫度升高，而冷端溫度保持不變。此