红外辐射与红外探测器

8．1．2 红外辐射源 当物体温度高于绝对零度时，就有红外线向周围空间辐射出来，有红外辐射的物体就可以视为红外辐
射源。根据辐射源几何尺寸的大小、距离探测器或被辐射物体的远近，又分为点源和面源。同一个辐射源， 在不同情况下，既可以是点源，又可以是面源。如一辆汽车，当它在 1 km 以外时，可以看成一个有效的 点源；而在 10 m 以内，就呈现为一个面源。一般情况下，把充满红外光学系统视场的大面积辐射源叫作 面源，而将没有充满红外光学系统视场的小面叫作点源。 8．2 红外探测器
第8章 红外辐射与红外探测器
1.红外辐射的基本知识 2.红外探测器 3.红外探测器的性能参数及注意事项 4.红外测温 5.红外成像 6.红外无损检测 7.红外探测技术在军事上的应用
红外探测器，是能将红外辐射能转换为电能的光电器件，它是红外探测系统的关键部件，也称为红外 传感器。红外探测器工作的物理过程是当器件吸收辐射通量时产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的 参数的变化，监测其中一种性能的变化，可以探知辐射的存在和强弱。它在科学研究、军事工程和医学方 面有着广泛的应用，例如红外测温、红外成像、红外遥感、红外制导等。 8．1 红外辐射的基本知识 8．1．1 红外辐射
在红外技术中，一般将红外辐射分为 4 个区域， 即近红外区(0.7～3μm)、中红外区(3～6μm)、远红外 区(6～16μm)和极远红外区(大于 16μm)。这里所说的 远、中、近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距 离而言。
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，辐射出的能量就越强。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 围之内，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 0.1～1 000 μm 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。
红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间沿直线传播的。它在真空中的传播速度等于波的频 率与波长的乘积，与光在真空中的传播速度相等。
地球大气对可见光、紫外线是比较透明的。而红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水 蒸气及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使某些波长的辐射在传输过程中逐渐衰减。也就是说， 地球大气对一些波长的红外辐射有较强的吸收，而对另一些波长比较透明。一般把透明的波段称为“大气 窗口”，从图 8−2 可见，波长从 1～14 μm 共有 8 个窗口。由于红外探测器一般都工作在这 8 个波段(大气 窗口)之内，因此这 8 个波段对红外探测技术特别重要。图 8− 2 为通过 1 海里长度的大气透过率曲线。
红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件，是红外探测系统的关键部件，常常也称为 红外传感器。它的性能好坏，直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外探测器，对 红外探测系统是十分重要的。
常见的红外探测器有两大类：热探测器和光子探测器。 8．2．1 热探测器
热探测器是利用探测元件吸收入射的红外辐射能量而引起温升，在此基础上借助各种物理效应把温升 转变成电量的一种探测器。热探测器光电转换的过程分为两步：第一步是热探测器吸收红外辐射引起温升， 这一步对各种热探测器都一样；第二步利用热探测器某些温度效应把温升转变成电量的变化。根据热效应 的不同，可把热探测器分为测辐射热计、测辐射热电偶和热电堆、热释电探测器和高莱管(气动型)。
热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具有下列特性： ①响应率与波长无关，属于无选择性探测器； ②受热时间常数(热惯性Biblioteka Baidu的制约，响应速度比较慢； ③热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低； ④可在室温下工作。
1．热敏电阻型探测器 热敏电阻有金属和半导体两种。金属热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的 电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测量。而半导体热敏电阻， 电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差， 所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。 热敏电阻包括正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTC)三类。常见的是 NTC 型热 敏电阻，这种热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而制成的。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而增加，所 以其电阻减小。热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的厚约 0.01 mm 的薄片，粘在一个 绝缘的衬底上，衬底又粘在一金属散热器上。使用热特性不 同的衬底，可使探测器的时间常数由大约 1 ms 变到 50 ms。 因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系数， 灵敏面表面都要进行黑化处理。热敏电阻型红外探测器结构 如图 8− 3 所示。 热敏电阻的电阻与温度关系为
红外辐射俗称红外线(IR)。它与其他光线一样， 也是一种客观存在的物质，是一种人眼看不见的光线。 任何物体，只要它的温度高于绝对零度(−273℃)，就 会有红外线向周围空间辐射。
红外线的波长范围大致在 0.76～1 000μm 的范围 之内，相对应的频率大致在 4×1014～3×1011Hz 之间。 红外线与可见光、紫外线、X 射线、y 射线和微波、 无线电波一起构成了整个无限连续电磁波谱，如图 8 −1 所示。
R(T) = AT-C eD／T 式中：R(T)——电阻值；
T——温度； A，C，D——随材料而异的常数。
2．热电偶型红外探测器 热电偶也叫温差电偶，是最早出现的一种热电探测器件，其工作原理是热电效应。由两种不同的导体 材料构成接点，在接点处可产生电动势。这个电动势的大小和方向与该接点处两种不同的导体材料的性质 和两接点处的温差有关。如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两个接头处温度不同时，回路中即产 生电流。这种现象称为热电效应。热电偶接收辐射的一端称为热端，另一端称为冷端。 为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。构成热电偶的材料，既可以是金属，也可以是半导体。 在结构上既可以是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的薄膜。实体型的温差电 偶多用于测温，薄膜型的温差电堆(由许多个温差电偶串联而成)多用于测量辐射。例如，用来标定各类光 源，测量各种辐射量，作为红外分光光度计或红外光谱仪的辐射接收元件等。温差电偶和温差电堆的原理 性结构如图 8−4 所示。当红外辐射照射到热电偶热端时，该端温度升高，而冷端温度保持不变。此时， 在热电偶回路中将产生热电势，热电势的大小反映了热端吸收红外辐射的强弱。