红外线传感器学习课件

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二、工作原理

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能将红外辐射量变化转换成电量变换的装 置称为红外探测器(红外传感器)，红外探测 器是根据热电效应和光子效应制成的。前 者为热敏探测器，后者为光子探测器。从 理论上讲，热探测器对入射的各种波长的 辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波 无选择的红外传感器。光子探测器常用的 光子效应有外光电效应、内光电效应(光生 伏特效应、光电导效应)和光电磁效应。
红外线传感器
作者：刘思颖 毛毅 肖璐 蒋周娜 崔龙运
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综述 工作原理 分类 发展趋势 典型结构 技术指标 典型实例应用

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一、综述

背景知识 人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列， 依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光 的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为 0.38～0.46μm。比紫光光波长更短的光叫紫外线， 比红光波长更长的光叫红外线。 最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化 学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感 器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展， 红外线传感器的应用已经非常广泛。

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传感器的技术指标
量程指标：量程范围、过载能力等 灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输 出等 精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、 重复性、灵敏度误差、稳定性 动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间 常数、频率响应范围、频率特性、临界频 率、临界速度、稳定时间等

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透射式红外探测器的部件用红外光学材料 做成，不同的红外光波长应选用不同的光 学材料。例如，在测量700℃以上的高温时 (多为750～3000nm范围内近红外光)，一般 用光学玻璃和石英等材料作透镜材料；测 量100～700 ℃范围的温度时(多为3～5μm 的中红外光)，多用氟化镁、氧化镁等热敏 材料；测量100 ℃以下的温度(多为5～ 14μm的中远红外光)，多采用锗、硅、硫化 锌等热做材料。
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优点与缺点
优点：光子探测器的探测的基本原理属于 所谓的“量子型” ，器件对红外的敏感度 优值（称为探测率）比较高，响应速度快， 一般在微秒或纳秒的数量级 。通常被用于 需要高灵敏探测的仪器及快速测量的场合 。 缺点：光子探测器，尤其是中、长波红外 探测器，通常要求工作于深低温，所以一 般要采用制冷机或者液氮将他们的工作温 度降到零下190℃左右，这给一般应用增加 了一些麻烦。
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目前典型的各波段探测器
近红外（0.7~1.1μm）： 硅光电二极管 （Si） 短波红外（1~3 μm）： 铟镓砷 （InGaAs ）、硫化铅探测器(PbS) 中波红外（3~5 μm）： 锑化铟（InSb ）、碲镉汞探测器（HgCdTe）
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长波红外、热红外（8~14 μm）： 碲镉汞探测器（HgCdTe） 远红外（16 μm以上） ： 量子阱探测器(QWIP)
温度指标：工作温度范围、温度误差、温 度漂移、温度系数、热滞后等 抗冲振指标：容许各向抗冲振的频率、振 幅及加速度、冲振所引入的误差 其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、 抗电磁场干扰能力等 工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲 劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等

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使用有关指标：供电方式（直流、交流、 频率及波形等）、功率。各项分布参数值、 电压范围 与稳定度等。 外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等 安装方式、馈线电缆等
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热敏探测器

热探测器是利用辐射热效应，使探测元件 接收到辐射能后引起温度升高，进而使探 测器中依赖于温度的性能发生变化。检测 其中某一性能的变化，便可探测出辐射。 多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。 当元件接收辐射，引起非电量的物理变化 时，可以通过适当的变换后测量相应的电 量变化。
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比较

热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电 探测器的响应时间要长得多。前者的响应 时间一般在ms以上，而后者只有ns量级。 热探测器不需要冷却，光子探测器多数要 冷却。
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三、分类

按原理 按照探测的机理的不同，可以分为热探测 器和光子探测器两大类（如前文所述）
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按功能 （1）辐射计，用于辐射和光谱测量 （2）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 （3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射 的分布图象 （4）红外测距和通信系统 （5）混合系统，是指以上各类系统中的两个 或者多个的组合

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反射式与透射式

反射式光学系统的红外探测器一般由四面 玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬 等红外波段反射率很高的材料构成反射式 光学系统。为了减小像差或使用上的方便， 常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射 聚焦到敏感元件上，敏感元件与透镜组一 体前置放大器接收热电转换、后的电信号， 并对其进行放大。
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热敏探测器种类
利用温差电动势原理的热点堆红外探测器 利用热释电效应的红外热电探测器 利用电阻率随温度变化的热敏电阻等。

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红外光子探测器

红外光子探测器的工作机理是利用了红外 光子与探测器物质中的电子相互作用的原 理。在这些过程中，由于不同波长的红外 光子具有不同的光子能量，对于某一特定 的物质，存在着一个特定的红外波长，如 果红外光波长大于这一波长，光子与物质 相互作用的程度较弱，因此无法探测，这 一特定波长就叫做探测器的响应截止波长。 因此，光子探测器一般都工作在特定的波 段
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比较

除近红外光外，获取透射红外光的光学材 料一般比较困难，反射式光学系统可避免 这一困难。
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典型红外传感器系统工作原理
（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射 特性可进行红外系统的设定。 （2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过 地球大气层时，由于气体分子和各种气体 以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红 外源发出的红外辐射发生衰减。 （3）光学接收器。它接收目标的部分红外 辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天 线，常用是物镜。