第10章 红外传感器

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第10章 红外传感器
(1) 总的辐射出射度是随温度的升 高而迅速增加的，温度越高则光谱辐射 出射度越大。 (2) 当温度一定时，光谱辐射出射 度随波长的不同按一定的规律变化，曲 m 线有一个极大值，其波长定义为 ， m 当波长小于 时，辐射出射度随波长增 m 加而增加，当波长大于 时，变化规律 相反。
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第10章 红外传感器
近年来，红外技术在军事领域和民用工程上，都得到了广 泛应用。军事领域的应用主要包括： (1) 侦查、搜索和预警； (2) 探测和跟踪； (3) 全天候前视和夜视； (4) 武器瞄准； (5) 红外制导导弹； (6) 红外成像相机； (7) 水下探潜、探雷技术。 在民用工程领域的应用主要是： (1) 在气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查等领域的 应用； (2) 在地下矿井测温和测气中的应用； (3) 红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾顶报nfrared sensors
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绪
论
红外传感器是将红外辐射能量转换为电量的一种传感器。红外 辐射 （ 红 外线 ） 是 一种 人眼 看不 见的 光线 ， 波 长范 围大 致在 0.76～100μm。任何温度高于热力学零度（-273.15℃）的物体 都会辐射红外线 。
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第10章 红外传感器 按照红外光子传感器的工作原理，一般分为外光电效应和 内光电效应传感器两种。内光电效应传感器又分为光电导传感 器、光生伏特(简称光伏)传感器和光磁电传感器3种。
(1) 大部分外光电传感器只对可见光有响应。可用于红外辐 射的光电阴极很少。S-1(Ag-O-Cs)是一种。它的峰值响应波长 是0.8 m ，光谱响应扩展到1.2 m 。目前外光电效应探测器只 用于可见光和近红外波长范围。 (2) 光电导探测器利用半导体作材料，可以分为多晶薄膜形 式和单晶形式两种类型。薄膜型的光电导探测器品种较少， 常用的只有PbS和PbSe两种。PbS适用于1～3m 近红外附近的 m 的大气窗口。 大气窗口。PbSe适用于3～5
=5.66961×10-3 W/(m2·4)。 K
为 黑 体 辐 射 常 数 或 称 斯 蒂 芬 - 玻 尔 兹 曼 常 数 ，
斯蒂芬-玻尔兹曼定律指出：温度为 T的绝对黑体，单位面积 元在半球方向所发射的全部波长的辐射出射度与温度 T 的四 次方成正比。上式就是全辐射式测温的理论依据。
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10.1
10.1.1
红外辐射的基本知识
红外辐射
任何物体，只要它的温度高于热力学零度(-273.15 ℃)时，就 会向外辐射能量，故称为热辐射，又称为红外辐射或俗称红外线。 它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他任何光线一样， 也是一种客观存在的物质。在电磁辐射波谱中，红外线是位于可 见光中红色光以外的光线，波长范围大致在0.76～100 m ，对应 的频率大致在4×1014～3×1011 Hz之间。 红外线与可见光一样，也具有反射、折射、散射、干涉、吸收 等特性，它在真空中的传播速度为光速，即c =3×108m/s。 在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域：波长在0.76～ m 为中红外区；波长在 6～20 m 3 m 为近红外区；波长在3～6 m 为远红外区。 为中远红外区；波长在20～100
红外光子传感器 光生伏特传感器 光电子发射传感器 光磁电传感器 红外传感器 热电偶型 红外热传感器 热敏电阻型 热释电型
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第10章 红外传感器 红外光子传感器的工作原理是基于光电效应。其主要特点 是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但红外光子传感器一 般需在低温下才能工作，故需要配备液氦、液氮制冷设备。此 外，光子传感器有确定的响应波长范围，探测波段较窄。
M 0 ( , T ) C1 -5e
维恩公式比普朗克公式简单，但仅适用于不超过3000 K的温度 范围，辐射波长在0.4～0.75 m 之间。当温度超过3000 K时， 与实验结果就有较大偏差。 从维恩公式可以看出，黑体的辐射本领是波长和温度的函数， 当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，这就是 单色辐射式测温和比色测温的理论依据。
第10章 红外传感器 2. 黑体辐射定律 1) 普朗克定律(单色辐射强度定律)
在基尔霍夫定律式(10-6)中，f( ,T)的函数形式是怎样的？普 朗克用量子学说建立了数学关系式，并得到了实验验证。普朗 克建立的黑体的光谱辐射出射度M0( ,T)计算公式为
M 0 ( , T ) C1 5 (e
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QA QD QR 1 Q Q Q
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在自然界中黑体是不存在的，但可以 人为制造近似的黑体，如图所示。 3. 透明体 当QD/Q= =1时，说明照射到物体上的辐 射能全部透射过去，既无吸收又无反射。 具有这种性质的物体称为透明体。 4. 白体
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10.2
红外传感器
红外传感器是将红外辐射能量的变化转换为电量变化的一种 传感器，也常称为红外探测器。它是红外探测系统的核心，它 的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。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。 按探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器 两大类。 光电导传感器
的全辐射出射度； T 为物体A的全发射率，或称全辐射黑度系数。 它表明了在一定的温度T下，物体A的辐射出射度与相同温度下黑 体的辐射出射度之比。一般物体的 T ＜1， T 越接近1，表明它与 黑体的辐射能力越接近。 比较教材表10-1所列材料的单色发射率和全发射率，你能得出 怎样的结论
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dt
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3) 辐射强度I
点辐射源向各个方向发出辐射，在某一方向，在单位立体角内 发出的辐射能通量为，则辐射强度I为
d I d
单位：瓦/球面度(W/Sr)。
4) 辐射出射度M 指辐射源单位发射面积发出的辐射能通量，即 d 单位:瓦/米2(W/m2)。 M dS 5) 辐射亮度L和光谱辐射亮度 L
当物体接收到辐射能以后，根据物体本身的 性质，会发生部分能量吸收、透射和反射的 现象，如图所示,有
式中：a为吸收率，表示吸收的能量所占的比率； 为透射率， 表示透射的能量所占的比率； 为反射率，表示反射的能量所 占的比率。 2. 黑体
当QA/Q=a=1时，则 =0， =0。这说明照射到物体上的辐射 能全部被吸收，既无反射也无透射，具有这种性质的物体称 为“绝对黑体”或简称为“黑体”。
C2 T
1) 1
式中：C1为第一辐射常数，C1=3.74×104 W·m4/cm2；C2为第二 辐射常数，C2=1.44×104 m· T为黑体绝对温度(K)。 K； 由上式可算出不同波长和温度时黑体的光谱辐射出射度 M0( ,T)，如图10.4所示。从图中曲线可以得出黑体辐射的 几个特性：
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红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸 气以及固体微粒、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。但红外辐射在通过大气层时，在以下3个 波段区间：2～2.6 m、3～5 m 、8～14 m ，大气对红外线几 乎不吸收，故称之为“大气窗口”。这3个大气窗口对红外技术 应用特别重要，红外仪器都工作在这3个窗口之内。 10.1.2 红外辐射的重要参数 1) 辐射能Q 以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。单位为焦 耳(J)。 2) 辐射能通量 单位时间内发射、传输或接收的辐射能称为辐射能通量，其单 位为瓦特(W)： dQ
辐射亮度实际上是包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱 中某一波长的辐射能量，则称为在此波长下的光谱辐射亮度 L。 对于朗伯特辐射体(也称余弦辐射体)，其在各个方向的辐射亮 度都相等，且有 M L 。实际辐射物体一般都可以看作朗伯 特辐射体。
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第10章 红外传感器 10.1.3 黑体、白体和透明体 1. 辐射能的分配
与其他探测技术相比，红外探测技术有如下主要优点： (1) 环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于 可见光；
(2) 被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；
(3) 靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射 差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光； (4) 红外系统的体积小、质量轻、功耗低。
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第10章 红外传感器 在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射 出射度在全波长内的积分，即
M (T ) M 0 (T )


0
M , T d
0
M 0 , T d
, T d T
0

基氏定律的 积分形式
M(T)为物体A在温度T下的全辐射出射度；M0(T)为黑体在温度T下
红外热传感器的工作是利用辐射热效应。探测器件接收辐射 能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从 而输出电信号。与光子传感器相比，热传感器的探测率比光子 传感器的峰值探测率低，响应速度也慢得多。但热传感器光谱 响应宽而且平坦，响应范围可扩展到整个红外区域，并且在常 温下就能工作，使用方便，应用仍相当广泛。 10.2.1 红外光子传感器 红外光子传感器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下， 产生光电效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性 质的变化，就可以确定红外辐射的强弱。
当QR/Q= =1时，说明照射到物体上的辐射能全部被反射出去。 若物体表面平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为 “镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体” 或简称为“白体”。
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第10章 红外传感器 10.1.4 红外辐射的基本定律 1. 基尔霍夫定律
基尔霍夫定律(简称基氏定律)是物体热辐射的基本定律，它建 立了理想黑体和实际物体辐射之间的关系。基尔霍夫定律表明： 各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，它和物体的性质 无关，是物体的温度T和发射波长的函数。即： M 0 ( , T ) M 1 ( , T ) M 2 ( , T ) f ( , T ) 0 ( ,T ) 1 ( , T ) 2 ( , T ) 式中：M0( ,T)，M1( ,T)，M2( ,T)，…分别为物体A0，A1， A2，…的单色( )辐射出射度；α0( ,T)，α1( ,T)，α2( ,T)，… 分别为物体A0，A1，A2，…的单色( )吸收率。 若物体A0 是绝对黑体，则其单色吸收率 α0( ,T)=1，则任意物 体A的辐射出射度M( ,T)与黑体的辐射出射度M0( ,T)之比为 M ( ,T ) ( ,T ) ( ,T ) 单色黑度系数 M 0 ( ,T )
为了表征具有有限尺寸辐射源辐射能通量的空间发布，采用辐射 亮度这样一个辐射量。
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如图，单位面积为dS的辐射面，在 和表面法线N成 角方向，在单位立体角d 内发出的辐射能通量为 d ，则辐射亮度 L为
d L cos dSd
单位：瓦/(球面度·米2)[W/(Sr·m2)]。
(3) 当温度增加时，光谱辐射出射度的 峰值波长会向短波方向移动。物体的辐 射亮度增加，发光颜色也改变。 普朗克公式虽然结构较复杂，但它对于 低温与高温段都是适用的。
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2) 维恩公式 当T C2 时，则有 e
C2 T
1 ，可得到维恩公式
C2 T
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3) 斯蒂芬-玻尔兹曼定律(全辐射强度定律，也称为四次 方定律)
对黑体光谱辐射出射度 M0( ,T)式在全波长范围(0，∞)积分 可得：
M 0 (T )= M 0 ( ,T )d C1 5 (e
0 0


C2 T
25k 4 4 1)1d T T 4 15c 2 h3