红外传感器的工作原理及实际应用

红外传感器的工作原理及实际应用
引言：
宇宙间的任何物体只要其温度超过零度就能产生红外辐射，事实上同可见光一样，其辐射能够进行折射和反射，这样便产生了红外技术，利用红外光探测器因其独有的优越性而得到广泛的重视，并在军事和民用领域得到了广泛的应用。

军事上，红外探测用于制导、火控跟踪、警戒、目标侦查、武器热瞄准器、舰船导航等；在民用领域，广泛应用与工业设备监控、安全监视、救灾、遥感、交通管理以及医学诊断技术等。

红外探测就是用仪器接受被探测物发出或者反射的红外线，从而掌握被测物所处位置的技术。

作为红外探测系统的核心期间，红外传感器（也称为红外探测器）的研究成为一个热点。

红外传感器的测量原理的理论依据
定义：红外传感器（也称为红外探测器）是
能将红外辐射能转换成电能的光敏器件。

红外传感系统是用红外线为介质的测量系
统，按照功能能够分成五类：（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像；（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。

首先了解一下红外光。

红外光是太阳光谱的一部分，红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。

红外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。

红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。

不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。

研究分析表明，对于波长为1～5μm、 8～14μm 区域的红外光具有比较大的“透明度”。

即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。

自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。

红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。

例如，黑体(能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体)、镜体(能全部反射红外辐射的物体)、透明体(能全部穿透红外辐射的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效应。

严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。

上述这些特性就是把红外光辐射技术用
于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。

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，红外辐射的能量就越强。

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。

红外辐射的基本定律
(1)基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W。

在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。

地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。

这种特征构成了红外遥感的理论基础。

(2)玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann’s law ）：即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。

因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。

是红外装置测定温度的理论基础。

(3)维恩位移定律（Wien’s displacement law）：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。

红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分的实体分别是：
（1）待测目标。

根据待测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。

（4）辐射调制器。

对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。

又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

（5）红外探测器。

这是红外系统的核心。

它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。

此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

（6）探测器制冷器。

由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。

经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

（7）信号处理系统。

将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。

然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

（8）显示设备。

这是红外设备的终端设备。

常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。

红外系统的核心是红外探测器，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。

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。

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。

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。

红外传感器的性能参数
1、电压响应：
当（经过调制的）红外辐射照射到传感器的敏感面上时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比，叫做传感器的电压响应率，记作 RV 。

式中：
US ：红外传感器的输出电压
P0：投射到红外敏感元件单位面积上的功率
A ：红外传感器敏感元件的面积
2、响应波长范围：
曲线1：热电传感器的电压响应率曲（与波长无
关）。

曲线2：光子传感器的电压响应率曲线。

A P U R S V 0
（1）响应波长范围（或称光谱响应）是表示传感器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系，一般用曲线表示（见上图）。

（2）一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长。

（3）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，它表示着红外传感器使用的波长范围。

3、噪声等效功率：
如果投射到红外传感器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压，正好等于传感器本身的噪声电压，则这个辐射功率就叫做“噪声等效功率”。

通常用符号“NEP ”表示
其中：Us 为红外探测器的输出电压；P0为投射到红外敏感元件单位面积上的功率；A0为红外敏感元面积；UN 为红外探测器的综合噪声电压；RV 为红外探测器的电压响应率。

4、探测率：
探测率是噪声等效功率的倒数，即：
红外传感器的探测率越高，表明传感器所能探测到的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。

5、比探测率
比探测率又叫归一化探测率，或者叫探测灵敏度。

实质上就是当
传感器的敏感元件面积为单位面积，放大器的带宽△f为1Hz时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比。

通常用符号D*表示。

D* 的物理量纲：cmHz1/2W-1 (300 K)
6、时间常数
时间常数表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率。

输出信号滞后于红外辐射的时间，称为传感器的时间常数，在数值上为：
τ＝1／2πfc
式中fc为响应率下降到最大值的0.707（3dB）时的调制频率。

热传感器的热惯性和RC参数较大，其时间常数大于光子传感器，一般为毫秒级或更长；而光子传感器的时间常数一般为微秒级。

测量原理图
热电型红外线传感器的内部构造
(1) 各种波长的红外线射入传感器。

(2) 组件顶端之入射窗以滤光镜(Filter)覆盖着，只让必要的红外线通过，而将不要的红外线隔绝。

(3) 位于感知组件表面的热吸收膜会将红外线变换成热。

(4) 感知组件的表面温度上升，因热电效果之故，就产生表面电荷。

(5) 产生的表面电荷以FET放大且变换阻抗。

(6) 从漏极(Drain)供给FET动作所需的电压。

(7) 放大后的电气信号会于外部所接的源极─ 地端之电阻上显现出来，而与偏压重迭之后取出。

红外传感器实际应用原理图及测量原理
（1）红外辐射测温仪
它由光学系统、调制器、红外传感器、放大器和指示器等部分组成；
光学系统可以是透射式的、也可以是反射式的。

透射式光学系统的部件是用红外光学材料制成的。

红外测温仪方框图：
高温（700℃以上）测量仪器，有用波段主要在0.76-3μm的近红外区，可选用一般光学玻璃或石英等材料。

中温(100-700℃)测量仪器，有用波段主要在3-5μm的中红外区，多采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料。

测量低温(100℃以下)仪器，有用波段主要在5-14μm的中远红外波段，多采用锗、硅、热压硫化锌等材料。

说明：
一般要在镜片表面蒸镀红外增透层，一方面滤掉不需要的波段，另一方面增大有用波段的透射率。

调制器就是把红外辐射调制成交变辐射的装置。

一般是用微电机带动一个齿轮盘或等距离孔盘，通过齿轮盘或带孔盘旋转，切割入射辐射而使投射到红外传感器上的辐射信号成交变的。

因为系统对交变信号处理比较容易，并能取得较高的信噪比。

(2)高莱气动型传感器结构
它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。

薄片的背向管道一面是反射镜。

气室的前面附有吸收膜,它是低热容量的薄膜。

在室的另一边，一束可见光通过栅状光阑聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。

高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。

红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高气压增大，从而使柔镜移动。

在室的另一边，一束可见光通过栅状光阑聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。

当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变。

这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。

这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。

但响应时间长，结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。

红外传感器使用中应注意的问题
(1)使用红外传感器时，必须首先注意了解它的性能指标和应用
范围，掌握它的使用条件；
(2)选择传感器时要注意它的工作温度。

一般要选择能在室温工作的红外传感器，设备简单、使用方便、成本低廉、便于维护；
(3)适当调整红外传感器的工作点。

一般情况下，传感器有一个最佳工作点。

只有工作在最佳偏流工作点时，红外传感器的信噪比最大。

实际工作点最好稍低于最佳工作点；
(4)选用适当的前置放大器与红外传感器相配合，以获得最佳的探测效果；
(5)调制频率与红外传感器的频率响应相匹配；
(6)传感器的光学部分不能用手去摸、擦，防止损伤与沾污；
(7)传感器存放时注意访潮、防振和防腐蚀。

传感器市场发展前景
红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量，气体成分分析，无损探伤，热像检测，红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。

红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔。

在将来的发展中，主要在红外传感器的性能和灵敏度将会二较大的提高。

发展趋势主要有：（1）智能化。

目前的红外传感器主要结合外围设备来使用，而智能传感器内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点，能够单独作为一个模块独立工作。

（2）微型化。

传感器微型化一个必然趋势。

现在应用中，由于红外传感器的体积问题，导致其使用程度远不如热电隅来的好。

所以红外传感器微型化便携与否对其发展前途的
影响是不可忽略的。

（3）高灵敏度及高性能。

在医学上，人体体温测试方面，红外传感器因测量的快速性而得到了相当的应用，但局限于其准确度不高而没办法取代现有的体温测量方法。

因此，红外传感器高灵敏度及高性是其未来发展的必然趋势。

虽然现阶段的红外传感器还有很多的不足，但红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度，也将有更广阔的应用范围。