传感器与检测技术第十四章

14.1 红外辐射
－－14.1.1 红外辐射的基本知识
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。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空 间辐射。红外线的波长范围大致在0.76～1000μm ，红外线在电磁波谱中的位置如 下图所示。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。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。
电磁波谱
14.1.1 红外辐射的基本知识
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，红外辐射能量就越强。 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。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干 涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。 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。它在真空中的 传播速度等于光在真空中的传播速度，即：c=lf
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，发
展很快。
14.1.1 红外辐射的基本知识
热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛 酸钡等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为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”，其极化强度 (单位 面积上的电荷)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成回路，则会形成电流，在负载电阻上便产生一个电
仪都工作在这三个波段（大气窗口）之内。
14.1.1 红外辐射的基本知识
红外光经过一海里长度的大气透过率曲线
14.1.1 红外辐射的基本知识
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红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单 元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红 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的。红外 探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测 器两大类。
14.1.1 红外辐射的基本知识
热探测器的工作机理是：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。
与光子探测器相比，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， 一般用于低频调制的场合。但热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个
压信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐
射的强弱。这种由于温度变化引起极化值变化的现象称为热释电效应。热释电型红外
14.1.1 红外辐射的基本知识
传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释 电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有当铁电体温度处于变化过程中时，才有 电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制(称为斩光 )，使恒定的辐射变成交变辐 射，不断地使传感器的温度发生变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。如 下图所示为热释电效应传感器的结构示意图。作为检测用的热释电元件粘在特殊导电 性支持台上，并和场效应管连接进行阻抗交换和信号放大。外部用透红外线的单晶硅 窗的金属壳封装。
14.1.1 红外辐射的基本知识
红外辐射在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，且 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，辐 射能在传输过程中逐渐衰减。红外线气体分析器就是利用该特性工作的。空气中对 称的双原子分子，如 N2、H2、O 2等不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在 传输过程中的衰减。图14-2为红外光经过一海里长度的大气透过率曲线。红外线在 通过大气层时有三个波段透过率高，它们是 2 ～ 2.6μm 、 3 ～ 5μm 和 8 ～ 14μm ，统 称为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术的应用特别重要，一般的红外探测
红外区域，可以在常温下工作，使用方便，价格便宜，应用相当广泛。
热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气动型。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，发展很快。
14.1.1 红外辐射的基本知识
热探测器的工作机理是：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。 与光子探测器相比，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，一般用于低频调制的场合。但热探测器主要优点是响应波段宽，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，价格便宜，应用相当广泛。 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气动型。其中，热释
第十四章 红外传感器
第十四章 红外传感器
红外技术在工农业、医学、军事、科研和日常生活中的应用非常普遍。 在军事上有搜索跟踪系统、警戒系统、热成像系统等；在航空航天技术上
有基于红外的人造卫星遥感遥测，如气象预报的红外云图；在医学上应用
红外进行诊断和辅助治疗；在工农业生产及日常生活中有红外测温、红外 烘干、红外取暖、红外开关等。随着现代科学技术的发展，红外传感技术 的应用领域还在不断拓宽。红外技术已经发展成为一门综合性学科。
热释电效应传感器的结构
14.1.1 红外辐射的基本知识
光子探测器的工作机理是：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，可制成各种不同的光子探测器。 按照光子传感器的工作原理，可将其分为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。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响