第12章 红外传感器讲解
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• 红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射 出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现， 太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐 增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围 内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。
• 实验表明：波长在0.1—1000μm之间的电磁波被物体 吸收时，可以显著地转变为热能。可见，载能电磁波是 热辐射传播的主要媒介物。
电磁波谱图
红外分区：在红外技术中，一般将红 外辐射分为4个区域
近红外区: 770 nm~ 1.5 μm 中红外区: 1.5 μm ~ 6μm 远红外区: 6μm ~ 40μm 极远红外区: 40μm ~ 1000μm 注意：这里所说的远近是指红外辐射在电 磁波谱中与可见光的距离。
红外辐射的物理本质
通过一海里长度的大气透过率曲线
“生命光波”
为什么2-2.6μm、3-5μm和8-14μm这三个波段被称 为“大气窗口”呢？
红外辐射术语(1)
红外辐射术语(2)
红外幅射源
• 当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间 辐射出来。
• 根据辐射源几何尺寸的大小和距探测器的远近，又分 为点源和面源。
绝对零度（摄氏温标零下273.15度 ），就有
红外线向周围空间辐射。
• 红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为 红外线。它的波长范围大致在0.76μm到1000μm 的频谱范围之内，相对应的频率大致在4×10143×1011 Hz之间
• 红外线与可见光、紫外线、X射线、γ射线和微 波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波 谱。
红外吸收及红外窗口
• 红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、 水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用， 使辐射能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原 于分子，如N2、H2、O2不吸收红外辐射，因而不会 造成红外辐射在传输过程中衰减。
• 红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即 2~2.6μm，3~5μm和8~14μm，统称为“大气窗口”。 这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因为一般 红外仪器都工作在这三个窗口之内。
• 在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来组成热电堆 来检测红外辐射的强弱。
3．高莱气动型传感器
• 结构 • 原理
高莱气动型传感器结构
• 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膜,它是低热容 量的薄膜。
• 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。
高莱气动型传感器原理
• 高莱气动型传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。
• 红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传 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。
• 热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、 高莱气动型和热释电型四种。
1．热敏电阻型传感器
• 热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。 • 热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电
阻片上，其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值 变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可 以判断产生红外辐射物体的温度。 • 热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。
• 点源(没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点 源)
• 面源(一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的大 面辐射源叫做面源)
二、红外传感器
1. 常见红外传感器 2. 红外传感器的性能参数 3. 红外传感器使用中应注意的问题
红外传感器（infrared sensor）
红外传感器(也称为红外探测器)是能 将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它 是红外探测系Baidu Nhomakorabea的关键部件，其性能好坏， 将直接影响系统性能的优劣。因此，选择 合适的、性能良好的红外传感器，对于红 外探测系统是十分重要的。
• 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 也发生改变。这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这 种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间长，结 构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。
4·热释电型传感器 (pyroelectric)
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传感器称为热电偶型红外 传感器，因其时间常数较大，响应时间较长，动态特性 较差，调制频率应限制在10 Hz以下。
常见红外传感器
一、热传感器 二、光子传感器
热效应 光电效应
（一）热传感器
• 热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变 化，进而使相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传感器所吸收的 红外辐射。
• 热传感器的主要优点是：响应波段宽、可以在室温 下工作、使用简单。但是，热传感器响应时间较长、 灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。
热敏电阻型 红外传感器结构
热敏电阻一般 制成薄片状，当红 外辐射照射在热敏 电阻上时，其温度 升高、内部粒子的 无规律运动加剧、 自由电子的数目随 温度升高而增加、 电阻减小。
2．热电偶型传感器
• 材料：热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料
（如铋/银、铜/康铜、铋/铋锡合金等）构成。 • 原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，
第12章 红外传感器
• 红外辐射的基本知识
本 • 红外传感器
章 主
• 红外测温
要 • 红外成像
内 容
• 红外分析仪
• 红外无损检测
• 本章小结
一、红外辐射的基本知识
1. 红外辐射 2. 红外辐射术语 3. 红外幅射源
红外辐射
• 红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光 线。但实际上它和其它任何光线一样，也是一种 客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于
• 实验表明：波长在0.1—1000μm之间的电磁波被物体 吸收时，可以显著地转变为热能。可见，载能电磁波是 热辐射传播的主要媒介物。
电磁波谱图
红外分区：在红外技术中，一般将红 外辐射分为4个区域
近红外区: 770 nm~ 1.5 μm 中红外区: 1.5 μm ~ 6μm 远红外区: 6μm ~ 40μm 极远红外区: 40μm ~ 1000μm 注意：这里所说的远近是指红外辐射在电 磁波谱中与可见光的距离。
红外辐射的物理本质
通过一海里长度的大气透过率曲线
“生命光波”
为什么2-2.6μm、3-5μm和8-14μm这三个波段被称 为“大气窗口”呢？
红外辐射术语(1)
红外辐射术语(2)
红外幅射源
• 当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间 辐射出来。
• 根据辐射源几何尺寸的大小和距探测器的远近，又分 为点源和面源。
绝对零度（摄氏温标零下273.15度 ），就有
红外线向周围空间辐射。
• 红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为 红外线。它的波长范围大致在0.76μm到1000μm 的频谱范围之内，相对应的频率大致在4×10143×1011 Hz之间
• 红外线与可见光、紫外线、X射线、γ射线和微 波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波 谱。
红外吸收及红外窗口
• 红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、 水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用， 使辐射能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原 于分子，如N2、H2、O2不吸收红外辐射，因而不会 造成红外辐射在传输过程中衰减。
• 红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即 2~2.6μm，3~5μm和8~14μm，统称为“大气窗口”。 这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因为一般 红外仪器都工作在这三个窗口之内。
• 在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来组成热电堆 来检测红外辐射的强弱。
3．高莱气动型传感器
• 结构 • 原理
高莱气动型传感器结构
• 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膜,它是低热容 量的薄膜。
• 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。
高莱气动型传感器原理
• 高莱气动型传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。
• 红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传 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。
• 热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、 高莱气动型和热释电型四种。
1．热敏电阻型传感器
• 热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。 • 热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电
阻片上，其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值 变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可 以判断产生红外辐射物体的温度。 • 热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。
• 点源(没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点 源)
• 面源(一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的大 面辐射源叫做面源)
二、红外传感器
1. 常见红外传感器 2. 红外传感器的性能参数 3. 红外传感器使用中应注意的问题
红外传感器（infrared sensor）
红外传感器(也称为红外探测器)是能 将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它 是红外探测系Baidu Nhomakorabea的关键部件，其性能好坏， 将直接影响系统性能的优劣。因此，选择 合适的、性能良好的红外传感器，对于红 外探测系统是十分重要的。
• 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 也发生改变。这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这 种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间长，结 构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。
4·热释电型传感器 (pyroelectric)
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传感器称为热电偶型红外 传感器，因其时间常数较大，响应时间较长，动态特性 较差，调制频率应限制在10 Hz以下。
常见红外传感器
一、热传感器 二、光子传感器
热效应 光电效应
（一）热传感器
• 热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变 化，进而使相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传感器所吸收的 红外辐射。
• 热传感器的主要优点是：响应波段宽、可以在室温 下工作、使用简单。但是，热传感器响应时间较长、 灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。
热敏电阻型 红外传感器结构
热敏电阻一般 制成薄片状，当红 外辐射照射在热敏 电阻上时，其温度 升高、内部粒子的 无规律运动加剧、 自由电子的数目随 温度升高而增加、 电阻减小。
2．热电偶型传感器
• 材料：热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料
（如铋/银、铜/康铜、铋/铋锡合金等）构成。 • 原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，
第12章 红外传感器
• 红外辐射的基本知识
本 • 红外传感器
章 主
• 红外测温
要 • 红外成像
内 容
• 红外分析仪
• 红外无损检测
• 本章小结
一、红外辐射的基本知识
1. 红外辐射 2. 红外辐射术语 3. 红外幅射源
红外辐射
• 红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光 线。但实际上它和其它任何光线一样，也是一种 客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于