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紅外傳感器原理、分類、性能參數、應用及前景

作者:德寶傳感器人氣:

 

紅外傳感器原理、分類、性能參數、應用及前景

     宇宙间的任何物体只要其温度超过零度就能产生红外辐射,事实上同可见光一样,其辐射能够进行折射和反射,这样便产生了红外技术,利用红外光探测器因其独有

的優越性而得到廣泛的重視,並在軍事和民用領域得到了廣泛的應用。軍事上,紅外探測用于制導、火控跟蹤、警戒、目標偵查、武器熱瞄准器、艦船導航等;在民用領

域,廣泛應用與工業設備監控、安全監視、救災、遙感、交通管理以及醫學診斷技術等。在科技高度發達的今天,自動控制和自動檢測在人們的日常生活和工業控制所占的

比例也越來越重,使人們的生活越來越舒適,工業生産的效率越來越高。而傳感器是自动控制中的重要组成部件,是信息采集系统的重要部件,通过傳感器将感受或响应的被

测量转换成适合输送或检测的信号(一般为电信号),再利用计算机或者电路设备对傳感器输出的信号进行处理从而达到自动控制的功能,由于傳感器的响应时间一般都比较

短,所以可以通过计算机系统对工业男人的天堂进行实时控制。红外傳感器是傳感器中常见的一类,由于红外傳感器是检测红外辐射的一类傳感器,而自然界中任何物体只要其稳定

高于绝对零度都将对外辐射红外能量,所以红外傳感器称为非常实用的一类傳感器,利用红外傳感器可以设计出很多实用的傳感器模块,如红外测温仪,红外成像仪,红外人

體探測報警器,自動門控制系統等。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,對于波長爲1~5μm、 8~14μm

區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,都能産生紅外光輻射。紅外光的光

熱效應對不同的物體是各不相同的,熱能強度也不一樣。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)將産生不同的光熱效應。嚴格來講,自然界並不存在黑體、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用于衛星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學研究項目的重要理論依據。紅外輻射的物理本質是熱輻射。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。研究發現,太陽光譜各種單色光的熱效應從紫色光到紅色光是逐漸增大的,而且最大的熱效應出現在紅外輻射的頻率範圍內,因此人們又將

紅外輻射稱爲熱輻射或熱射線。

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,並等于該溫度下同面積黑體輻射通量W。在給定的溫度下,物體的發射率=吸收率(同一波段);吸收率越大,發射率也越大。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。這種特征構成了紅外遙感的理論基礎。

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。

維恩位移定律:隨著溫度的升高,輻射最大值對應的峰值波長向短波方向移動。

红外傳感器的工作原理并不复杂,一个典型的傳感器系统各部分的实体分别是:

1、待測目標:根據待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。

2、大氣衰減:待測目標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,將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。

3、光学接收器:它接收目标的部分红外辐射并传输给红外傳感器。相当于雷达天线,常用是物镜。

4、輻射調制器:對來自待測目標的輻射調制成交變的輻射光,提供目標方位信息,並可濾除大面積的幹擾信號。又稱調制盤和斬波器,它具有多種結構。

5、红外探测器:这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的傳感器,多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

6、探測器制冷器:由于某些探測器必須要在低溫下工作,所以相應的系統必須有制冷設備。經過制冷,設備可以縮短響應時間,提高探測靈敏度。

7、信號處理系統:將探測的信號進行放大、濾波,並從這些信號中提取出信息。然後將此類信息轉化成爲所需要的格式,最後輸送到控制設備或者顯示器中。

8、顯示設備:這是紅外設備的終端設備。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,紅外系統就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統的核心是紅外探測器,按照探測的機理的不同,可以分爲熱探測器和光子探測器兩大類。

热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收,它是一种对红外光波无选择的红外傳感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、内光电效应(光生伏特效应、光电导效应)和光电磁效应。热探测器是利用辐射热效应,使探测元件接收到辐射能后引起温度升高,进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化,便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射,引起非电量的物理变化时,可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

熱敏探測器對紅外輻射的響應時間比光電探測器的響應時間要長得多。前者的響應時間一般在ms以上,而後者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻,光子探測器多數要冷卻。

红外线傳感器的分类

常见红外傳感器可分为热傳感器和光子傳感器。

热傳感器

热傳感器是利用入射红外辐射引起傳感器的温度变化,进而使有关物理参数发生相应的变化,通过测量有关物理参数的变化来确定红外傳感器所吸收的红外辐射。

 

热探测器的主要优点是相应波段宽,可以在室温下工作,使用简单。但是,热傳感器相应时间较长,灵敏度较低,一般用于低频调制的场合。

 

 

热傳感器主要类型有:热敏傳感器型,热电偶型,高莱气动型和热释放电型四种。

1、热敏电阻型傳感器

熱敏電阻是由錳、鎳、钴的氧化物混合後燒解而成的,熱敏電阻一般制成薄片狀,當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,從而可以判斷産生紅外輻射物體的溫度。

2、热电偶型傳感器

热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。当红外辐射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时,该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度,此时,在闭合回路中将产生温差电流。同时回路中产生温差电势,温差电势的大小,反映了接点吸收红外辐射的强弱。利用温差电势现象制成的红外傳感器称为热电偶型红外傳感器,因其时间常数较大,相应时间较长,动态特性较差,调制频率应限制在10HZ以下。

3、莱气动型傳感器

高莱气动型傳感器是利用气体吸收红外辐射后,温度升高,体积增大的特性,来反映红外辐射的强弱。它有一个气室,以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收模,它是低热容量的薄膜。红外辐射通过窗口入射到吸收模上,吸收模将吸收的热能传给气体,使气体温度升高,气压增大,从而使柔镜移动。在室的另一边,一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上,经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时,栅状图像与栅状光栏发生相对位移,使落到光电管上的光量发生改变,光电管的输出信号也发生变化,这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种傳感器的特点是灵敏度高,性能稳定。但响应时间性长,结构复杂,强度较差,只适合于实验室内使用。

4、热释电型傳感器

热释电型傳感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。当红外线辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时,引起薄片温度升高,使其极化强度降低,表面电荷减少,这相当于释放一部分电荷,所以叫做热释电型傳感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连,则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小,取决于薄片温度变化的快慢,从而反映入射的红外辐射的强弱。由此可见,热释电型红外傳感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电傳感器上时,傳感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中,才有电信号输出。所以,必须对红外辐射进行调制(或称斩光),使恒定的辐射变成交变辐射,不断的引起傳感器的温度变化,才能导致热释电产生,并输出交变的信号。

光子傳感器

光子傳感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下,产生光子效应,使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化,可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外傳感器。统称光子傳感器。光子傳感器的主要特点灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应频率。但其一般须在低温下工作,探测波段较窄。

按照光子傳感器的工作原理,一般可分为内光电和外光电傳感器两种,后者又分为光电导傳感器、光生伏特傳感器和光磁电傳感器等三种。

1、外光电傳感器

当光辐射在某些材料的表面上时,若入射光的光子能量足够大时,就能使材料的电子逸出表面,这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子傳感器。它的响应速度比较快,一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量,只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。

2、光电导傳感器

 

当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时,半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态,使半导体的导电率增加,这种现象叫光电导现象。利用光电导现象制成的傳感器称为光导傳感器,如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导傳感器。使用光电导傳感器时,需要制冷和加一定的偏压,否则会使响应率降低,噪声大,响应波段窄,以致使红外线傳感器损坏。

 

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