(第10章) 红外传感器

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1、第10章 红外线传感器 第10章 红外线传感器 10.1 红外辐射 10.2 红外探测器10.3 红外传感器的应用第10章 红外线传感器 红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。 它已在科研、 国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。 红外传感器按其应用可分为以下几方面: 红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量; 搜索和跟踪系统, 用于搜索和跟踪红外目标, 确定其空间位置并对它的运动进行跟踪; 热成像系统, 可产生整个目标红外辐射的分布图像, 如红外图像仪、 多光谱扫描仪等; 红外测距和通信系统; 混合系统, 是指以上各类系统中的两个或多个的组合。 第10章 红外线传感器 10.1 红外辐

2、射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m， 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。 第10章 红外线传感器 图10 1 电磁波谱图 第10章 红外线传感器 红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。 物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的 能量就越强。而且, 红外线被物体吸收时, 可以显著地转变为热能。 红外光的本质与可见光或电磁波性质一样。第10章 红外线传感器 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的

3、。它在大气中传播时，大气层对不同波长的 红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用 该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、 H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个 波段透过率高，它们是22.6m、35 m和814 m， 统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气 窗口）之内。 第10章 红外线传感器 将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。10.2 红外探测器第10章

4、红外线传感器 一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。第10章 红外线传感器 红外传感器组成：光学系统、 探测器、信号调理电路及显示单元。红外探测器是红外传感器的核心：利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射。红外探测器，常见的有两大类：热探测器和光子探

5、测器。 第10章 红外线传感器 1. 热探测器热探测器的工作机理：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定 探测器所吸收的红外辐射。 缺点：热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。优点：响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广泛。 第10章 红外线传感器 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视。 热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的。热释电效

6、应晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化， 在其两表面产生电荷的现象称。第10章 红外线传感器 用此效应制成的“铁电体”， 其极化强度与温度有关。当红外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，所以叫做热释电型传感器。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。输出信号的强弱就可以反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。 第10章 红外线传感器 2. 光子探测器光子探测器的工作机理：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从

7、而改变电子的能量状态，引起各种电学现象这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电学现象，光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。特点：灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，缺点：探测波段较窄，一般需在低温下工作。 第10章 红外线传感器 10.3 红外传感器的应用1. 红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。 当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。 第10章 红外线传感器 图10 - 2是目前常见的红外

8、测温仪方框图。图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许814 m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动， 将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。 被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。 第10章 红外线传感器 图10 2 红外测温仪方框图 第10章 红外线传感器 红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、 温度补偿、线性化、发射率（）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器， 利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路， 提高了仪表的稳定性、 可靠性和

9、准确性。 红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。 反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、 铝、 镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。 第10章 红外线传感器 2. 红外线气体分析仪 红外线一般指波长从0.76m至1000m范围内的电磁幅 射。在红外线气体分析仪器中实际使用的红外线波长大 约在150m。 红外线气体分析仪是利用不同气体对红外波长的电磁波 能量具有特殊吸收特性的原理而进行气体成分和含量分 析的仪器。 吸收：红外线通过某些物质时，其中一些频率的光强度 大为减弱甚至消失。 第10章 红外线传感器 知识回顾： 光辐射的能量转移到物质的分子或原子中去，这样某

10、些频 率的光能减少，而物质的分子或原子则由最低能级E0（基 态）跃进到较高能级E1（激发态）。 原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的能级。 因此，物质仅能吸收与两个能级之差E1-E0相同或为其整数 倍的能量，即各种原子或分子所具有的能级数目和能级间的能量差不同， 所以它们对光辐射的吸收情况也各不相同，从而形成不同 的特征吸收峰。大部分的有机和无机气体在红外波段内都 有其特征吸收峰，有的气体还有两个或多个特征吸收峰。 第10章 红外线传感器 图10-3 部分气体的红外线特征吸收峰图第10章 红外线传感器 工业红外线气体分析仪主要用于测量混合气体中某种组分的浓度，它的种类很多。从物理特性上可分

11、：分光式及非分光式； 从测量方法上可分：直读式和补偿式； 从光学结构上可分：单光束及双光束。 非分光直读式双光束红外线分析仪优点：灵敏度高、响应速度快、结构简单，在 生产中广泛应用。 第10章 红外线传感器 红外线气体分析仪的工作原理 用人工的方法制造一个包括被测气体特征吸收峰波长在内的连续光谱辐射源，让这个光谱通过固定长度的含有被测气体的混合组分，在混合组分的气体层中，被测气体的浓度不同，吸收固定波长红外线的能量也不相同，继而转换成的热量也不同。 在一个特制的红外检测器中，再将热量转换成温度或压力，测量这个温度和压力，就可以准确地测量被分析气体的浓度。 第10章 红外线传感器 图10 - 4

12、是工业用双光束直读式红外线气体分析仪的结构原理图。 该分析仪由红外线辐射光源、气室、 红外检测器及电路等部分组成。 光源由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。 测量气室中通入被分析气体，参比气 室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后， 气体温度升高，导致室内压力增大。 第10章 红外线传感器 测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室， 由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65 m的红外线有较

13、强的吸收能力， 而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向， 改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大， 则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。 第10章 红外线传感器 图10 4 红外线气体分析仪结构原理图 第10章 红外线传感器 图10-4所示结构中还设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是 指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体 的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之 差只与被测气体（如CO）的浓度有关。