第三章 红外探测器.ppt
红外探测器
温差电偶和温差电堆的原理性结构如下图所示
❖ 热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长， 动态特性较差，北侧辐射变化频率一般应在10HZ以下。
❖ 在实际应用中，往往将几个热偶串联起来组成热电堆来检 测红外辐射的强弱
v R(T)--电阻值 v T--温度 v A,C,D--随材料而变化的常数
v 金属热敏电阻，电阻温度 系数为正，绝对值比半导 体小，电阻与温度的关系 基本上是线性的，耐高温 能力较强，多用于温度的 模拟测量。
v 半导体热敏电阻恰恰相反， 用于辐射探测，如报警、 防火系统、热辐射体搜索 和跟踪。
v 常见的是NTC型热敏电阻.
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的接 点，在接点处可产生电动势。热电偶接收辐射的一端称为 热端，另一端称为冷端。
❖ 热电效应: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。
❖ 为提高吸收系数，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
❖ 由于自由电荷中和面束缚电荷所需时间较长，大约需要数 秒钟以上，而晶体自发
❖ 极化的驰豫时间很短，约为10-12秒，因此热释电晶体可响 应快速的温度变化.
高莱气动型ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ测器
v 高莱气动型探测器又称高莱(Golay) 管，是高莱于1947年发明的。它 是利用气体吸收红外辐射能量后， 温度升高、体积增大的特性，来 反映红外辐射的强弱。其结构原 理如下图所示:
红外测温系统PPT课件
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测量部分电路
T
220V～
TRANS1
电源电路
S +12
1
VD5
B
U
IN4001
4
2
2A/50V
C10
C11
470uF/25V 0.1uF
C9 47uF/16V E 12V
BRIDGE1
3
电源电路
该系统电源电路如图所示。该系统采用12V 直流电源供电。将220V交流电通过 变压器T 降压，全桥U 整流，C10 滤波，为系统提供12V直流电压。
A
Title
2021/1/1
Size
Num be r
B
Date: 23-Aug-2012
Revision Sheet of
6. 总结
红外测温技术随着现代技术的发展日 趋完善,以其非接触和快速测温的优点，在 工业、农业、医疗和科学研究方面都有着 广泛的用途。开发更新型的红外测温技术， 完善红外测温仪的性能是时代发展的要求。
PbTT4
根据斯特藩—玻耳兹曼定理黑体的辐出度 Pb(Τ)与温度Τ 的四次方成正比， 即：
PbTT4
式中，Pb(T)—温度为T 时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能， 称为总辐射度； σ—斯特藩—玻耳兹曼常量； T—物体温度。 式（2）中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。如果在条件相同 情况下，物体在同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体的功率，即物体的 单色辐出度 Pb(Τ)小于黑体的单色黑度ε(λ)，即实际物体接近黑体的程度。
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积分显示电路
测量部分电路
R13
B
红外探测原理及其应用
1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔从热的观点来研究各种色光时，发现了 一种看不见的“热线”，由于这种“热线”出现于红光的外侧，因此人们 称之为红外线，也叫红外辐射。
红外辐射本质是一种电磁波辐射。温度在绝对零度以上的物体，都会因自 身的分子和原子运动而辐射出红外线。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的 能量愈大，反之，辐射的能量愈小。
红外探测器技术的发展历史
30年代，首次出现红外光谱仪，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。
红外探测器技术的发展历史
·40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。 ·50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。 ·到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器
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热电偶和热电堆
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热电偶和热电堆常用来测量温度，应用很广泛。如果热电偶的一个接头受到红外线照射， 就会因吸收辐射功率而温度升高，该接头与电偶的的另一未受到照射的接头之间就会产 生温度差，于是温度不同的两个接头间就会产生电动势。此电动势大小反映出入射的红 外辐射功率大小，这就是热电偶型红外探测器。
物体的温度与辐射波长呈反比关系（维恩位移定律）
目标特性与背景特性
Part One
➢ 在应用中，红外探测需要有更高的灵敏度和更强的识别功能，能从复杂的背景中 分辨出目标，了解目标和背景的辐射特性对于红外探测系统的设计来说是至关重 要的。
➢ 目标的红外辐射特性是系统选择红外波段的主要依据。选择波段要根据目标的温 度不同来选择恰当的大气窗口进行探测。因而红外系统对波段的选择需要综合权 衡，不单要了解其温度、辐射系数，还要进一步分析、测试其光谱特征。
入侵探测器知识
（二）主动红外探测器的特点及安装使用要求
1、主动红外探测器的特点 （1）属于线控型探测器，其警戒区域是由红外光束所
构成，隐蔽性好。
（2）探测器警戒距离较远，可达数十米，甚至上百米。 （3）主动红外探测器主要使用于周界防护，室内室外
均可使用。
（4）体积小、价格便宜和安装简便等优点。
2、安装使用要求 （1）在主动红外探测器的发射机和接收机之
二、振动探测器 （一）定义：通过探
测入侵者进行入侵活 动时引起的机械振动 进行报警的装置
（二）类型 1.位移式振动探测器 ⑴位移式振动探测器的优点是误报率低，价格适中。 ⑵灵敏度低，控制范围小。
速度式振动探测器
电 磁 感 应 定 律
灵敏度高，控 制范围大，稳 定性好好。
适合做地音振 动探测器
2、红外辐射的本质的是热辐射，由于内外原 因使物体内部带电粒子不断地运动，使物体 具有一定的温度而产生的一种辐射现象，这 种热辐射效应引起的辐射波长范围很宽，属 于红外光谱区。
3、与可见光一样，具有反射、折射、散射、 干涉、吸收等特性。
4、红外光按其波长分为近红外、中红外、远 红外、远远红外四个区域。
安装时应远离非入侵振源；
应安装在尽可能发生入侵的墙壁、地面或保险 箱，传感器的振动方向应尽量与入侵者可能引 起的振动方向一致；
三、玻璃破碎探测器
1、声发射玻璃破碎探测器 主要是靠探测玻璃破碎时，产生的高频声
音进行报警。
玻璃破碎时主要产生的时10kHz—15kHz的 高频声波，这种声波产生于玻璃破碎前应变能 量的快速释放，物理学称之为声发射。
3、物体表面越粗糙，辐射的红外能量越强
第三节 红外探测器
（一）组成及工作原理 1、主动红外探测器由红外发射机和红外接收
红外探测器知识
第三章 红外探测器3．1 红外探测器特性参数3．1．1 红外探测器分类红外探测器是一种辐射能转换器,主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能、热能等其他形式的能量;根据能量转换方式,红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类;热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化,而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应,具体表现为探测器响应元自由载流子即电子和/或空穴数目的变化;由于这种变化是由入射光子数的变化引起的,光子探测器的响应正比于吸收的光子数;而热探测器的响应正比与所吸收的能量;热探测器的换能过程包括：热阻效应、热伏效应、热气动效应和热释电效应;光子探测器的换能过程包括：光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应;各种光子探测器、热探测器的作用机理虽然各有不同,但其基本特性都可用等效噪声功率或探测率、响应率、光谱响应、响应时间等参数来描述;3．1．2 等效噪声功率和探测率我们将探测器输出信号等于探测器噪声时,入射到探测器上的辐射功率定义为等效噪声功率,单位为瓦;由于信噪比为1时功率测量不太方便,可以在高信号电平下测量,再根据下式计算：n s n s d V V P V V HA NEP //==其中 H ：辐照度,单位2/cm W ；d A ： 探测器光敏面面积,单位2cm ；s V ： 信号电压基波的均方根值,单位V ；n V ： 噪声电压均方根值,单位V ；由于探测器响应与辐射的调制频率有关,测量等效噪声功率时,黑体辐射源发出的辐射经调制盘调制后,照射到探测器光敏面上,辐射强度按固定频率作正弦变化;探测器输出信号滤除高次谐波后,用均方根电压表测量基波的有效值;必须指出：等效噪声功率可以反映探测器的探测能力,但不等于系统无法探测到强度弱于等效噪声功率的辐射信号;如果采取相关接收技术,即使入射功率小于等效噪声功率,由于信号是相关的,噪声是不相关的,也是可以将信号检测出来的,但是这种检测是以增加检测时间为代价的;另外,强度等于等效噪声功率的辐射信号,系统并不能可靠地探测到;在设计系统时通常要求最小可探测功率数倍于等效噪声功率,以保证探测系统有较高的探测概率和较低的虚警率;辐射测量系统由于有较高的测量精度要求,对弱信号也要求有一定的信噪比;等效噪声功率被用来度量探测器的探测能力,但是等效噪声功率最小的探测器的探测能力却是最好的,很多人不习惯这样的表示方法;Jones 建议用等效噪声功率的倒数表示探测能力,称为探测率,这样较好的探测器有较高的探测率;因此,探测率可表达为：NEP D 1探测器的探测率与测量条件有关,包括：－入射辐射波长；－探测器温度；－调制频率；－探测器偏流；－探测器面积；－测量探测器噪声电路的带宽；－光学视场外热背景;为了对不同测试条件下测得的探测率进行比较,应尽量将测试条件标准化;采取的做法是：－辐射波长、探测器温度由于探测率和波长之间,探测率和探测器温度之间,在理论上无明显关系,波长和制冷温度只能在测量条件中加以说明;－辐射调制频率解决探测率随调制频率变化的最简单的方法是将频率选得足够低,以避开探测器时间常数带来的限制; 或注明调制频率;－探测器偏流: 一般调到使探测率最大;－探测器面积和测量电路带宽广泛的理论和实验研究表明,有理由假定探测器输出的信噪比与探测器面积的平方根成正比,即认为探测率与探测器面积的平方根成反比;探测器输出噪声包含各种频率成分,显然,噪声电压是测量电路带宽的函数;由于探测器总噪声功率谱在中频段较为平坦,可认为测得的噪声电压只与测量电路带宽的平方根成正比,即探测率与测量电路带宽的平方根成反比;一次,可定义：NEP f A f A D D d d 2/12/1*)()(∆=∆= 单位：12/1-⋅⋅W Hz cm Jones*D 的物理意义可理解为1瓦辐射功率入射到光敏面积1厘米2的探测器上,并用带宽为1赫电路测量所得的信噪比;*D 是归一化的探测率,称为比探测率,读作D 星;用*D 来比较两个探测器的优劣,可避免探测器面积或测量带宽不同对测量结果的影响;比探测率和前面介绍的探测率定义上是有区别的,但由于探测率未对面积、带宽归一化,确实没有多大实用意义,一般文献报告中都不把*D 称之为“比探测率”,而是称为“探测率”,这只是一种约定俗成的做法;3．1．3 单色探测率和D 双星1）黑体探测率和单色探测率测量*D 时如采用黑体辐射源,测得的*D 称为黑体*D ,有时写作bb D *;为了进一步明确测量条件,黑体*D 后面括号中要注明黑体温度和调制频率;如)800,500(*K D bb 表示是对500K 黑体,调制频率为800Hz 所测得的*D 值;测量时如用单色辐射源,测得的探测率为单色探测率,写作λ*D ;2）D 双星背景辐射对红外探测器至关重要,为了减少光学视场外热背景如腔体无规则辐射在探测器上产生的噪声,往往在探测器外加一个冷屏;从探测器中心向冷屏孔的张角叫探测器视角;设置冷屏能有效地减少了背景光子通量,增加探测率;但是这并不意味探测器本身性能的提高,而是探测器视角的减小;而视角减小将影响光学系统的聚光能力;可定义D 双星,对探测器视角进行归一化处理;*2/1**D D ⎪⎭⎫ ⎝⎛Ω=π 单位：12/1-⋅⋅W Hz cm式中：Ω为探测器通过冷屏套所观察到的立体角,π是半球立体角;未加冷屏时,探测器在整个半球接收光子,π=Ω,**D 等于*D ;D 双星实际上是将测得的探测率折算为半球背景下的探测率,这样可真实反映探测器本身的探测性能;D 双星对红外探测器研制者有指导意义,在工程中不常使用;制造商提供的红外探测器的探测率通常是指含冷屏的探测器组件的探测率;使用者只须注意探测器的视角是否会限制光学系统的孔径角,以及冷屏的屏蔽效率;3．1．4 背景噪声对探测率的限制光子探测器和热探测器比探测率的最终极限将受背景噪声的限制;对于光电导型探测器,*D 的理论极大值为：2/1182/1*1052.22⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=b b Q Q hc D ηληλλ式中：h 为普朗克常数,c 为光速,λ为波长微米,η为量子效率,b Q 为入射到探测器上的半球背景光子辐射发射量;对于光伏探测器,由于没有复合噪声,上式应乘2,即2/118*1056.3⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=b Q D ηλλ光子探测器已有不少接近背景限对于热探测器,背景辐射的起伏将引起探测器温度的起伏,并且探测器本身辐射也将引起统计性温度起伏;如果信号辐射引起的温度变化低于这两种温度起伏,就探测不到信号辐射;温度起伏也是一种噪声,受温度噪声限制的热探测器的等效噪声功率为：式中：G 为响应元与周围环境的热导;在300K 时,如响应元面积1mm 2,带宽1Hz, *D 极限值为：目前,热敏电阻探测器由于受1/f 噪声和电阻热噪声的限制,其探测率与极限值尚差两个数量级;但是对热释电探测器来说,由于它不是电阻性器件而是可看作电容性器件,不受热噪声限制,电流噪声也较小,因此它的探测率与极限值相差已不到一个数量级;3．1．5 响应率响应率等于单位辐射功率入射到探测器上产生的信号输出;响应率一般以电压形式表示;对以电流方式输出的探测器,如输出短路电流的光伏探测器,也可用电流形式表示;电压响应率 PV HA V R s d s V == 单位为W V /; 电流响应率 P I HA I R s d s i == 单位为W A /;因为测量响应率时是不管噪声大小的,可不注明只与噪声有关的电路带宽;响应率与探测器的响应速度有关,光子探测器的频率响应特性如同一个低通滤波器;在低频段响应较为平坦,超过转角频率后响应明显下降;一般均在低频下测量响应率,以消除调制频率的影响;表面上看,只要探测率足够高,探测器输出有足够的信噪比,信号较弱是可以用电路放大的方法弥补的;实际上响应率过低,就必须提高前置放大器的放大倍率,高倍率的前置放大器会引入更多噪声,如选用探测率较低但响应率高的探测器,系统的探测性能可能更好一些;因此,对系统设计者来说,探测器的响应率和探测率是同样值得关注的;3．1．6光谱响应探测器的光谱响应是指探测器受不同波长的光照射时,其R 、*D 随波长变化的情况;设照射的是波长为λ的单色光,测得的R 、*D 可用λR 、*λD 表示,称为单色响应率和单色比探测率,或称为光谱响应率和光谱比探测率;如果在某一波长p λ处,响应率、探测器达到峰值,则p λ称为峰值波长,而λR 、*λD 分别称为峰值响应率和峰值比探测率;此时的*D 可记做),(*f D p λ,注明的是峰值波长和调制频率,而黑体比探测率),(*f T D bb 注明黑体温度和调制频率;如以横坐标表示波长,纵坐标为光谱响应率,则光谱响应曲线表示每单位波长间隔内恒定辐射功率产生的信号电压;有时纵坐标也可表示为对峰值响应归一化的相对响应;光子探测器和热探测器的光谱响应曲线是不同的,理想情况如图所示;热探测器的响应只与吸收的辐射功率有关,而与波长无关,因为其温度的变化只取决于吸收的能量;对于光子探测器,仅当入射光子的能量大于某一极小值c h ν时才能产生光电效应;也就是说,探测器仅对波长小于c λ,或者频率大于c ν的光子才有响应; 光子探测器的光谱响应正比于入射的光子数,由于光子能量与波长λ成正比,在单位波长间隔内辐射功率不变的前提下,入射光子数同样与波长成正比;因此,光子探测器的响应响应随波长λ线性上升,然后到某一截止波长c λ突然下降为零;理想情况下,光子探测器的光谱比探测率*λD 可写成：当 c λλ≤ **c cD D λλλλ= 当 c λλ> 0*=λD 光谱响应率波长λc理想情况下,截止波长c λ即峰值波长p λ;实际曲线稍有偏离;例如光子探测器实际光谱响应在峰值波长附近迅速下降,一般将响应下降到峰值响应的50％处的波长称为截止波长c λ;系统的工作波段通常是根据目标辐射光谱特性和应用需求而设定的,则选用的探测器就应该在此波段中有较高的光谱响应;因为光子探测器响应截止的斜率很陡,不少探测器的窗口并不镀成带通滤光片,而是镀成前截止滤光片,可起到抑制背景的效果;3．1．7 响应时间当一定功率的辐射突然照射到探测器上时,探测器输出信号要经过一定时间才能上升到与这一辐射功率相对应的稳定值;当辐射突然去除时,输出信号也要经过一定时间才能下降到辐照之前的值;这种上升或下降所需的时间叫探测器的响应时间,或时间常数; 响应时间直接反映探测器的频率响应特性,其低通频响特性可表示为：2/12220)41(τπf R R f +=式中f R 为调制频率为f 时的响应率,0R 为调制频率为零时的响应率,τ是探测器响应时间;当f 远小于πτ2/1,响应率就与频率无关,f 远大于πτ2/1时,响应率和频率成反比; 系统设计时,应保证探测器在系统带宽范围内响应率与频率无关;由于光子探测器的时间常数可达数十纳秒至微秒,所以在一个很宽的频率范围内,频率响应是平坦的;热探测器的时间常数较大,如热敏电阻为数毫秒至数十毫秒,因此频率响应平坦的范围仅几十周而已;在设计光机扫描型系统时,探测器的时间常数应当选择得比探测器在瞬时视场上的驻留时间为短,否则探测器的响应速度将跟不上扫描速度;当对突发的辐射信号进行检测时,则应根据入射辐射的时频特性,选择响应速度较快的探测器;如激光功率计在检测连续波激光时,探头的探测器可以用响应较慢的热电堆,检测脉冲激光时则必须用响应速度较快的热释电探测器,如果激光脉宽很窄,需要用光子探测器检测;3．2 光子探测器3．2．1 光电效应概述光子探测器是最有用的红外探测器,它的工作机理是光子与探测器材料直接作用,产生内光电效应;因此,光子探测器的探测率一般比热探测器要大1至2个数量级,其响应时间为微秒或纳秒级;光子探测器的光谱响应特性与热探测器完全不同,通常需要制冷至较低温度才能正常工作;按照普朗克的量子理论,辐射能量是以微粒形式存在的,这种微粒称为光子或量子;一个光子的能量是当入射光子与金属中的电子碰撞时,则将能量传递给电子;如果电子获得光子全部能量,则光子不复存在;如果电子获得的能量大到足以使其穿过表面的势垒,就能从表面逸出;这一效应称为外光电效应或光电子发射效应;电子逸出所需做的功与材料特性有关;由于光子能量随频率而变,故存在一个长波限,或称为截止波长;超过截止波长的光子的能量均低于逸出功,不足以产生自表面逸出的自由电子;因此,光发射探测器的响应只能延伸到近红外的一个小范围;波长大于微米的光子的能量虽然不足产生电子发射,但存在内光电效应;光子传递的能量使电子从非导电状态变为导电状态,从而产生了载流子;载流子的类型取决于材料的特性,这些材料几乎都是半导体;如果材料是本征的,即纯净的半导体,一个光子产生一个电子空穴对,它们分别是正、负电荷的携带者;如果材料是非本征,即掺杂的半导体,光子则产生单一符号的载流子,或为正,或为负,不会同时产生两种载流子;如果在探测器上加电场,则流过探测器的电流将随载流子数量的变化而变化,称为光电导效应;如果光子在p-n结附近产生空穴－电子对,结间的电场就使两类载流子分开,而产生光电压,称为光生伏打效应;光生伏打型的探测器不需要外加偏压,因为p-n已提供了偏压;当电子－空穴对在半导体表面附近形成时,它们力图向深处扩展,以重新建立电中性;如果在这一过程中加上强磁场,就使两种载流子分开而产生光电压,称为光电磁效应; 3．2．2 固体能带理论固体能带理论是表示固体中电子能量分布方式的一种简便方法,扼要介绍一下这一理论,可有助于理解探测器内部产生的光电效应;在简单的波尔原子模型中,绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上,它们各有各的轨道直径;除非原子被激发,电子都占据着较低的能级;固体的原子靠得很近,由于量子力学的结果,单个原子的分立能级扩展成近于连续的能带,这些能带被电子的禁带所隔离;最低的能带是完全充满的,称为阶带;下一个较高的能带,不管是占据或未占据有电子,都称为导带;只有导带中的电子对材料的电导率才有贡献;导电体、绝缘体和半导体有不同的能带结构;导电体的明显标志是导带没有被电子全部占据;绝缘体的电子刚好占据了阶带中的全部能级,导带是空的,禁带很宽,阶电子不可能获得足够的能量升到导带中去;从电特性看,半导体的导电率介于绝缘体和金属之间;纯净的本征半导体的禁带相对窄一些,仅有几分之一电子伏特,而绝缘体的禁带是3电子伏特或更大些;因此,即使在室温下,半导体的一些阶电子也能获得足够的能量,跃过禁带而到达导带;这些电子原来占据的位置成了正电荷,称为空穴;存在电场或磁场时,空穴像电子一样流过材料,然而两者流动的方向相反;在纯净半导体中,一个电子被激发到导带,则产生电子空穴对载流子,两者贡献各自的电导率;本征半导体材料有锗单晶、硅单晶以及按化学计算比例构成的化合物;典型的光伏型本征探测器有 Si, Ge, GaAs, InSb, InGaAs, 和HgCdTe MCT 等,光伏型本征探测器有PbS 、PbSe 和MCT;截止波长再长的探测器,要求材料的禁带宽度比本征半导体还要小;减小禁带宽度的一般方法,是在纯净半导体中加入少量的其它杂质,称为掺杂,所得材料称为非本征半导体;在非本征材料中,只有一种载流子提供导电率,n 型材料的载流子是电子,而p 型的是空穴;许多红外探测器都用锗、硅作为非本征材料的主体材料,可表示为SiX 、GeX;锗、硅原子有4个阶电子,它们和4个周围的子构成共价键;如果把3个价电子的杂质原子掺到锗中,则产生一个过剩的空穴;由于杂质能级恰好靠近主体材料价带的顶部,所以,电子从价带跃迁到杂质空穴,只需要很小的能量;留在价带中的空穴成为载流子,材料则是p 型的;与此类似,如果掺入有5个或更多价电子的杂质,掺杂后成为n 型材料;n 型、p 型材料原则上都可用来制作红外探测器,通常用的还是p 型材料,掺入的杂质有錋、砷、镓、锌等;3．2．3 光导探测器光电导探测器的机理是探测器吸收了入射的红外光子,产生自由载流子,进而改变了敏感元件的电导率;可以对光导探测器加一个恒定的偏流,检测电导率的变化;敏感元件的电阻可表示为： d d A l R σ=式中 l 为长度,d A 为敏感元面积,σ为电导率;光导探测器响应率正比于光照后电导率的相对变化,而后者又可表示为：式中：η为量子效率,τ为自由载流子寿命；μ为迁移率,e是电子电荷量,d为探测器厚度;从式中可看出,高响应率要求探测器有较高的量子效率,自由载流子寿命长,迁移率高,厚度应最小;自由载流子寿命取决于复合过程,在一定程度上可由材料配方和杂质含量来控制;自由载流子寿命是一个极其重要的参数,除影响响应率外,还影响探测器的时间常数;高响应率还要求探测器在无光子辐照时有较低的电导率,即将非光子效应产生的载流子数降低到最小;对长波响应的探测器材料,必须有小的禁带宽度,但禁带宽度小,在室温下,无光照就会产生大量热激发载流子,只能通过致冷探测器来解决;一般来讲,如不致冷的话,大多数光电导探测器的响应波段不会超过3微米;响应波段在3到8微米的,要求中等致冷77K;响应超过8微米的,要求致冷到绝对温度几度;当光导探测器面积一定时,高响应率需要高的量子效率,以便进可能利用所有入射光子,可在敏感元后面设反射器或敏感元表面镀增透膜;光导器件前放的典型电路如上图;光导探测器的输出阻抗较低,要求毫安级的恒流偏置,实际做法是用恒压源经一个串联的负载电阻产生所需的偏流;负载电阻阻值应远大于探测器内阻,电压源要求低纹波,避免引入噪声;探测器输出通过电容耦合到前置放大器,由于前放输入通常为毫伏级的弱信号,前放放大倍数高达数千倍,前放应有较低的噪音系数,设计中一般要求前放的等效输入电压噪声为探测器的1/10,即认为此时可忽略放大器本身噪声的影响;前放输入阻抗与探测器输出是否匹配对放大器的噪音系数影响很大,是设计中必须考虑的因素;3．2．4 光伏探测器光伏探测器利用光生－伏打效应;在光伏过程中,半导体内部或半导体表面存在一个p-n 结;入射光子产生电子空穴对,然后被结上的电场分开,在探测器输出开路情况下可形成光电压;如将探测器输出短路,可产生短路电流;光伏探测器受到辐照后,其伏安特性曲线特性将会下移;设信号的辐射通量为s φ,则光电流为：s e I φη= 式中：η为量子效率,e 为电子电荷量;使用时可选择合适的工作点;一般说来,光伏探测器工作于短路状态时,即零偏压状态,能产生最佳信噪比;有时也对光伏探测器加适当的反向偏置;加反向配置能增加耗尽层的厚度,从而减小时间常数,探测器有较好的高频特性;探测器开路状态工作时,后接放大器应有较高的输入阻抗,可对光伏器件输出开路电压V O 进行电压放大;如光伏探测器工作于短路状态,输出短路电流I SC ,后接放大器的输入阻抗应很低,可采用如图所示的电流－电压放大电路;光伏探测器在理论上能达到的最大探测率比光电导探测器大40％;另外,光伏探测器能零偏置工作,由于是高阻抗器件,即使加反向偏置,偏置功耗很低;与同样为高阻抗的CMOS 读出电路也容易匹配;因此,红外焦平面探测器至今均是光伏型的;光伏器件即可用于辐射探测,也可用作能量转换;如太阳电池或光电池就是在不加偏置电压条件下工作的,其工作点在伏安曲线的第四象限,工作机理也是光生－伏打效应,只是器件结构更注重能量的转换效率而已;3．2．5光电磁探测器光电磁探测器由本征半导体材料薄片和稀土永久磁铁组成,入射光子产生的电子空穴对被外加磁场所分开,它不需要电偏置;这类探测器不需致冷,可响应到7微米;主要特点是时间常数很小,可小于1ns;由于光电磁探测器的探测率比光导和光伏型的低得多,一般很少使用;3．2．6 光发射探测器光发射探测器通常指能产生外光电效应的器件,这类探测器在可见、短波红外有很高的灵敏度,响应波长可达;光电倍增管就是一种利用光电发射效应的探测器,可用于弱光光照度10－2～10－6Lx、微弱光光照度小于 10－6Lx的检测,具有高响应速度,高灵敏度等特点;光电倍增管由光电阴极、阳极和8～19级倍增级组成;入射光子为光电阴极材料表面所吸收后,有自由电子从表面逸出;发射的电子加速打到另一个电极上,在电极上每一个电子会产生许多二次电子;这些电子又依次加速打到第三电极,并多次重复这一过程,得到很高的内部放大增益;硅化铂PtSi探测器也是一种光发射探测器,与光电倍增管不同,金属铂吸收光子后,将载流子发射到半导体材料中;3．2．7 量子阱探测器量子阱红外光子探测器QWIP是由非常薄的GaAs和Alx Ga1-xAs 晶体层交叠而成的,在内部形成多个量子阱;采用分子束外延技术可将GaAs、Alx Ga1-xAs晶体层的厚度控制到几分之一的分子层的精度; GaAs材料的带隙为电子伏特,通常不能制造波长大于微米的探测器;但量子阱内电子可处于基态或初激发态,即处于两种子能带,子能带之间的带隙较小;在光子激发下,电子由基态跃迁到初激发态;器件的结构参数可保证受激载流子能从势阱顶部逸出;并在电场的作用下,被收集为光电流;QWIP响应的峰值波长是由量子阱的基态和激发态的能级差决定的,它的光谱响应与本征。
非制冷红外探测器应用概述综述课件
科研领域
物理研究
非制冷红外探测器在物理研究中用于研究物质的热性质、热传导、热辐射等现象，为物理学科的发展提供实验支持。
化学研究
非制冷红外探测器在化学研究中用于研究化学反应过程中的热量变化、化学键的振动等，为化学学科的发展提供实验 支持。
生物研究
非制冷红外探测器在生物研究中用于研究生物体的温度分布、代谢过程等，为生物学的发展提供实验支 持。例如，在生物学研究中，非制冷红外探测器可用于观察生物体的温度分布和代谢过程，了解生物体 的生理状态和生命活动规律。
要点三
多光谱和多模式探测
非制冷红外探测器正朝着多光谱和多 模式探测方向发展。通过同时获取不 同波段的红外辐射信息，实现对目标 的多维度检测和分析，提高探测器的 应用范围和功能。
应用拓展
医疗健康
非制冷红外探测器在医疗领域的 应用不断拓展，如红外热像仪在 无损检测、肿瘤检测、皮肤疾病 诊断等方面的应用。通过实时监 测人体温度分布，为医疗诊断和 治疗提供重要信息。
类型与分类
类型
非制冷红外探测器主要有热电堆、热 电偶、热释电、光子探测器等类型。
分类
根据工作原理和应用领域，非制冷红 外探测器可以分为近红外、中红外和 远红外探测器等类型。
02
非制冷红外探测器的应 用领域
军事领域
目标检测与识别
武器瞄准与制导
非制冷红外探测器在军事上主要用于 远距离探测和识别目标，如敌方车辆 、人员和飞机等。
特性
非制冷红外探测器具有较高的灵敏度 、响应速度和稳定性，能够在室温下 工作，不需要液氮或机械制冷。
工作原理
原理
非制冷红外探测器利用热电效应或光电效应，将 接收到的红外辐射转换为电信号。
热电效应
红外检测技术ppt课件
23
2 红外无损检测技术的应用
2． 电气设备和其他设备一样，无论在运行或停止状态，都 具有一定的温度，即处于一定的热状态中。设备在运行中处
于何种热状态，直接反映了设备工作是否正常，运行状态是
否稳定良好。 使用红外热成像装置，进行设备的热状态异常 检测，国内外都有很多应用实例。例如在电力系统的设备诊
择性探测器， 而光电型探测器为有选择性探测器。一般将响
应率最大的值所对应的波长称为峰值波长，而把响应率下降到 响应值的一半所对应的波长称为截止波长。响应波长范围也表
示红外探测器使用的波长范围。
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1 红外无损检测基础
(3) 噪声等效功率。红外探测器的输出电压较低，外界 噪声对它的影响很大，因此要用噪声等效功率参数来衡量红外 探测器的性能。噪声等效功率是输出信噪比为1时所对应的红 外入射功率值， 也即红外探测到的最小辐射功率， 该值越小，
在热加工中应用红外无损检测技术的场合比较多。
1） 采用外部热源给焊点加热，利用红外热像仪检测焊点的红 外热图及其变化情况来判断焊点的质量。无缺陷的焊点，其温 度分布是比较均匀的，而有缺陷的焊点则不然，并且移开热源 后其温度分布的变化过程与无缺陷焊点将产生较大差异。上述 信息可以用来进行焊点质量的无损检测。图6-87是点焊质量的 红外无损检测示意图。
得焊缝宽度、焊道的熔透情况等信息，实现焊接过程的质量与
焊缝尺寸的实时控制。在自动焊管生产线上采用红外线阵CCD 实时检测焊接区的一维温度分布，通过控制焊接电流的大小， 保证获得均匀的焊缝成形。
22
2 红外无损检测技术的应用
5） 被测轴瓦是由两层金属压碾而成的，可能存在中间层或 大的体积状、面状缺陷。由于内部有缺陷处与无缺陷部分传 热速度不同，采用对工件反面加热，导致有缺陷处温度低于 无缺陷处的表面温度，通过红外摄像可获得缺陷的图像和尺 寸。用类似方法也可进行轴承滚子表面裂纹的检测。
【2024版】第三章-红外吸收光谱分析-4
附图A1 固载氯烷基硅氧烷原料硅胶在常温时测 定的IR谱图
附图A2 固载氯烷基硅氧烷的硅胶中间体在常温 时测定的IR谱图
附图A3 氯烷基硅氧烷做偶联剂研制的杀菌剂产 品在常温时测定的IR谱图
附图A4 固载氯烷基硅氧烷原料硅胶在200℃时测 定的IR谱图
附图A6 固载氯烷基硅氧烷的硅胶中间体在 200℃时测定的IR谱图
MeO
MeO Si O SiCH 2CH2CH2Cl + MeOH
MeO
以硅胶为载体通过γ-氯丙基三甲氧基硅烷固载 季铵盐制备水不溶性杀菌剂
CH 3
Si
CH2Cl + N CnH2n+1
Si
CH 2
CH 3
叔胺可以是 N,N-二甲基－n 烷基胺，n 为 12-18。
CH 3 N + CnH2n+1Cl-
入封闭液体池中，液层厚度一般为 0.01~1mm。
液体和溶液试样
液体和溶液试样
（2）液膜法 ➢ 沸点较高的试样，直接滴在两片盐片之间，形成液膜。 ➢ 一些固体也可以溶液的形式进行测定。 ➢ 常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈的
吸收，不侵蚀盐窗，对试样没有强烈的溶剂化效应等。 如CS2（1350-600cm-1）和CCl4(4000-1350 cm-1) 等。
（3）试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中 的大多数吸收峰的透射比处于20%~80%范围内。
制样的方法
1 .气体样品 气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它
的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片。先 将气槽抽真空，再将试样注入。
气体样品
液体和溶液试样
（1）液体池法 沸点较低，挥发性较大的试样，可注
被动红外探测器
主动式红外探测器
主动式红外探测器是由收、发装置两部分组成。发射装置向装在几米甚至于几百米远的接收装置辐射一束红 外线，当被遮断时，接收装置即发出报警信号，因此，它也是阻挡式报警器，或称对射式探测器。通常，发射装 置由多谐振荡器、波形变换电路、红外发光管及光学透镜等组成。振荡器产生脉冲信号，经波形变换及放大后控 制红外发光管产生红外脉冲光线，通过聚焦透镜将红外光变为较细的红外光束，射向接收端。
接收装置由光学透镜、红外光电管、放大整形电路、功率驱动器及执行机构等组成。光电管将接收到的红外 光信号转变为电信号，经整形放大后推动执行机构启动报警设备。主动式红外报警器有较远的传输距离，因红外 线属于非可见光源，入侵者难以发觉与躲避，防御界线非常明确。主动式红外报警器是点型、线型探测装置，除 了用作单机的点警戒和线警戒外，为了在更大范围有效地防范，也可以利用多机采取光墙或光安装方式组成警戒 封锁区或警戒封锁，乃至组成立体警戒区。单光路由一个发射器和一个接收器组成。
双光路由两对发射器和接收器组成。两对收、发装置分别相对，是为了消除交叉误射；多光路构成警戒面； 反射单光路构成警戒区。
被动式红外报警器
被动式红外报警器不向空间辐射能量，而是依靠接收人体发出的红外辐射来进行报警的。任何有温度的物体 都在不断向外界辐射红外线，人体的表面温度为36-27℃，其大部分辐射能量集中在8-12um的波长范围内。被动 式红外报警器在结构上可分为红外探测器（红外探头）和报警控制部分。红外探测器用得最多的是热释电探测器， 作为人体红外辐射转变为电量的传感器。如果把人的红外辐射直接照射在探测器上，当然也会引起温度变化而输 出信号，但这样做，探测距离是不会远的。为了加长探测器探测距离，须附加光学系统来收集红外辐射，通常采 用塑料镀金属的光学反射系统或塑料做的菲涅耳透镜作为红外辐射的聚焦系统。在探测区域内，人体透过衣饰的 红外辐射能量被探测器的透镜接受，并聚焦于热释电传感器上。当人体（入侵者）在这一监视范围中运动时，顺 次地进入某一视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，于是人体的红外 线辐射不断地改变热释电体的温度，使它输出一个又一个相应的信号，此信号就是报警信号。
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常见光子探测器
1. 光电子发射器件（外光电效应） 当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表
面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射 电子，这种现象统称为光电子发射，属于外光 电效应。
利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器 件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵 敏度很高，时间常数较短（约几个毫微秒）， 所以在激光通讯中常使用特制的光电倍增管。
2. 热电偶
把两种不同的金属或半导体细丝(也有制成薄 膜结构)连成一个封闭环，当一个接头吸热后 其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势， 这种现象称为温差电现象。利用温差电现象制 成的感温元件称为温差电偶(也称热电偶)。温 差电动势的大小与接头处吸收的辐射功率或冷 热两接头处的温差成正比，因此，测量热电偶 温差电动势的大小就能测知接头处所吸收的辐 射功率或冷热两接头处的温差。
光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。
多晶薄膜型光电导探测器的种类较少，主要的有响 应于1~3微米波段的FbS、响应于3~5pm波段的 PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型 两种)。
4. 热释电探测器
有些晶体，如硫酸三甘肽，钽酸锂和铌 酸锶钡等，当受到红外辐射时，温度升 高，在某一晶轴方向上产生电压。电压 大小与吸收红外辐射的功率成正比。
小结：
热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应 的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐 射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水 平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的 红外辐射的反射和吸收存在着差异。
物体吸收辐射，晶格振动加剧，辐射能转换成热能， 温度升高。由于物体温度升高，与温度有关的物理 性能发生变化。这种物体吸收辐射使其温度发生从 而引起物体的物理、机械等性能相应变化的现象称 为热效应。利用热效应制成的探测器称为热探测器。
3.2 光子探测器
光子探测器吸收光子后，发生电子状态 的改变，从而引起几种电学现象。这些 现象统称为光子效应。测量光子效应的 大小可以测定被吸收的光子数。利用光 子效应制成的探测器称为光子探测器。
起就成为热电堆。在相同的辐照下，热电堆可
提供比热电偶大得多的温差电动势。因此，热 电堆比单个热电偶应用更广泛。
两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体， 当它们构成闭环回路时，如果两个接点的温度 不相同，环路中就产生温差电动势，这就是温 差电效应，也称为塞贝克效应。
单个热电偶提供的温差电动势比较小，满足不 了某些应用的要求，所以常把几个或几十个热 电偶串联起来组成热电堆。热电堆比热电偶可 以提供更大的温差电动势，新型的热电堆采用 薄膜技术制成，可称为薄膜型热电堆。
电阻测辐射热器，有半导体测辐射热器、金属 测辐射热器和超导体测辐射热器。热敏电阻是 一种半导体测辐射热器，常用Mn、Co和Ni的氧 化物按一定比例混匀烧结成薄片，在吸收红外 辐射的表面制备一层吸收层，引出电极，封装 好后性能达到要求的即可使用。光敏面积一般 为10的-2次平方毫米到几个平方毫米。为了在 确保所需视场的情况下提高探测灵敏度，常制 备成浸没型热敏电阻探测器。
3. 气体探测器
气体在体积保持一定的条件下吸收红外 辐射后引起温度升高，压强增大。压强 增加的大小与吸收的红外辐射功率成正 比，由此，可测量被吸收的红外辐射功 率。利用上述原理制成的红外探测器叫 做气体探测器。高莱管就是一种典型的 气体探测器。
高莱管
工作原理：当辐射通过红外窗口到吸收膜上时， 膜吸收辐射并传给气室的气体，气体温度升高， 压力增大，柔镜膨胀。为了测出它的移动量，另 用一光源将投射到柔镜背面的反射膜上。在没有 辐照时，气室内气压稳定，柔镜处于正常状态， 由柔镜背面反射的光因被光栅遮挡照射不到光电 管上。当有辐照时，辐射透过窗口照射到吸收膜， 吸收膜将吸收的能量传给气室，气室温度升高， 气压增大，柔镜膜片变形，从而引起反射光线的 移动，通过光栅到达光电管的光强发生变化，由 此可检测红外辐射的强弱。
第三章 红外探测器
3.1 红外探测器的分类
任何温度高于绝对零度的物体都会产生 红外辐射。如何检测它的存在，测定它 的强弱并将其转变为其他形式的能量(多 数情况是转变为电能)以便应用，就是红 外探测器的主要任务。红外探测器是红 外系统中最关键的元件之一。红外探测 器所用的材料是制备红外探测器的基础， 没有性能优良的材料就制备不出性能优 良的红外探测器。
制造温差电偶的材料有纯金属、合金和半导体。
常用于直接测温的热电偶一般是纯金属与台金 相配而成，如铂锭—铂、镍铬—镍铝和铜—康 铜等，它们被广泛用于测量1300℃以下的温度。 用半导体材料制成的温差电偶比用金属作成的
温差电偶的灵敏度高，响应时间短，常用作红
外辐射的接收元件。将若干个热电偶串联性能的 变化。测量这些物理性能的变化就可以 测量出它吸收的能量或功率。
常见的类型：常利用的物理性能变化有 下列四种，利用其中一种就可以制备一 种类型的热探测器。
1. 热敏电阻
热敏物质吸收红外辐射后，温度升高， 阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收 的红外辐射能量成正比。利用物质吸收 红外辐射后电阻发生变化而制成的红外 探测器叫做热敏电阻。热敏电阻常用来 测量热辐射，所以又常称为热敏电阻测 辐射热器。
完整的红外探测器的构成
一个完整的红外探测器包括红外敏感元 件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引 出线以及按需要而加的光阑、冷屏、场 镜、光锥、浸没透镜和滤光片等，在低 温工作的探测器还包括杜瓦瓶，有的还 包括前置放大器。按探测器工作机理区 分，可将红外探测器分为热探测器和光 子探测器两大类。
3.1.1 热探测器
2. 光电导探测器
当半导体吸收入射光子后，半导体内有些电子 和空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电 的自由状态，从而使半导体的电导率增加，这 种现象称为光电导效应。
利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫 做光电导探测器，是目前，它是种类最多应用 最广的一类光子探测器。
光电导探测器的分类