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        紅外傳感器原理、分類、性能參數、應用及前景

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        紅外傳感器原理、分類、性能參數、應用及前景

             宇宙間的任何物體只要其溫度超過零度就能產生紅外輻射,事實上同可見光一樣,其輻射能夠進行折射和反射,這樣便產生了紅外技術,利用紅外光探測器因其獨有

        的優越性而得到廣泛的重視,并在軍事和民用領域得到了廣泛的應用。軍事上,紅外探測用于制導、火控跟蹤、警戒、目標偵查、武器熱瞄準器、艦船導航等;在民用領

        域,廣泛應用與工業設備監控、安全監視、救災、遙感、交通管理以及醫學診斷技術等。在科技高度發達的今天,自動控制和自動檢測在人們的日常生活和工業控制所占的

        比例也越來越重,使人們的生活越來越舒適,工業生產的效率越來越高。而傳感器是自動控制中的重要組成部件,是信息采集系統的重要部件,通過傳感器將感受或響應的被

        測量轉換成適合輸送或檢測的信號(一般為電信號),再利用計算機或者電路設備對傳感器輸出的信號進行處理從而達到自動控制的功能,由于傳感器的響應時間一般都比較

        短,所以可以通過計算機系統對工業生產進行實時控制。紅外傳感器是傳感器中常見的一類,由于紅外傳感器是檢測紅外輻射的一類傳感器,而自然界中任何物體只要其穩定

        高于絕對零度都將對外輻射紅外能量,所以紅外傳感器稱為非常實用的一類傳感器,利用紅外傳感器可以設計出很多實用的傳感器模塊,如紅外測溫儀,紅外成像儀,紅外人

        體探測報警器,自動門控制系統等。不同的氣體對其吸收程度各不相同,大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明,對于波長為1~5μm、 8~14μm

        區域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。自然界中任何物體,只要其溫度在絕對零度之上,都能產生紅外光輻射。紅外光的光

        熱效應對不同的物體是各不相同的,熱能強度也不一樣。例如,黑體(能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體)、鏡體(能全部反射紅外輻射的物體)、透明體(能全部

        穿透紅外輻射的物體)和灰體(能部分反射或吸收紅外輻射的物體)將產生不同的光熱效應。嚴格來講,自然界并不存在黑體、鏡體和透明體,而絕大部分物體都屬于灰體。

        上述這些特性就是把紅外光輻射技術用于衛星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學研究項目的重要理論依據。紅外輻射的物理本質是熱輻射。物體的溫度越高,輻射出來的紅外

        線越多,紅外輻射的能量就越強。研究發現,太陽光譜各種單色光的熱效應從紫色光到紅色光是逐漸增大的,而且適合大的熱效應出現在紅外輻射的頻率范圍內,因此人們又將

        紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。

        紅外輻射的基本定律

        基爾霍夫定律:在一定溫度下,地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比,對于任何物體都是一個常數,并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W。在給定的溫度下,物體的發射率=吸收率(同一波段);吸收率越大,發射率也越大。地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比,所以,地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構成了紅外遙感的理論基礎。

        玻耳茲曼定律:即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加,它與溫度的四次方成正比。因此,溫度的微小變化,就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎。

        維恩位移定律:隨著溫度的升高,輻射適合大值對應的峰值波長向短波方向移動。

        紅外傳感器的工作原理并不復雜,一個典型的傳感器系統各部分的實體分別是:

        1、待測目標:根據待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。

        2、大氣衰減:待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時,由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收,將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。

        3、光學接收器:它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線,常用是物鏡。

        4、輻射調制器:對來自待測目標的輻射調制成交變的輻射光,提供目標方位信息,并可濾除大面積的干擾信號。又稱調制盤和斬波器,它具有多種結構。

        5、紅外探測器:這是紅外系統的核心。它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器,多數情況下是利用這種相互作用所呈現出來的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

        6、探測器制冷器:由于某些探測器必須要在低溫下工作,所以相應的系統必須有制冷設備。經過制冷,設備可以縮短響應時間,提高探測靈敏度。

        7、信號處理系統:將探測的信號進行放大、濾波,并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉化成為所需要的格式,適合后輸送到控制設備或者顯示器中。

        8、顯示設備:這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。 

        依照上面的流程,紅外系統就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統的核心是紅外探測器,按照探測的機理的不同,可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。

        熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收,它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應有外光電效應、內光電效應(光生伏特效應、光電導效應)和光電磁效應。熱探測器是利用輻射熱效應,使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高,進而使探測器中依賴于溫度的性能發生變化。檢測其中某一性能的變化,便可探測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射,引起非電量的物理變化時,可以通過適當的變換后測量相應的電量變化。

        熱敏探測器對紅外輻射的響應時間比光電探測器的響應時間要長得多。前者的響應時間一般在ms以上,而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻,光子探測器多數要冷卻。

        紅外線傳感器的分類

        常見紅外傳感器可分為熱傳感器和光子傳感器。

        熱傳感器

        熱傳感器是利用入射紅外輻射引起傳感器的溫度變化,進而使有關物理參數發生相應的變化,通過測量有關物理參數的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。

         

        熱探測器的主要優點是相應波段寬,可以在室溫下工作,使用簡單。但是,熱傳感器相應時間較長,靈敏度較低,一般用于低頻調制的場合。

         

         

        熱傳感器主要類型有:熱敏傳感器型,熱電偶型,高萊氣動型和熱釋放電型四種。

        1、熱敏電阻型傳感器

        熱敏電阻是由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒解而成的,熱敏電阻一般制成薄片狀,當紅外輻射照射在熱敏電阻上,其溫度升高,電阻值減少。測量熱敏電阻值變化的大小,即可得知入射的紅外輻射的強弱,從而可以判斷產生紅外輻射物體的溫度。

        2、熱電偶型傳感器

        熱電偶是由熱電功率差別較大的兩種材料構成。當紅外輻射到這兩種金屬材料構成的閉合回路的接點上時,該接點溫度升高。而另一個沒有被紅外輻射輻照的接點處于較低的溫度,此時,在閉合回路中將產生溫差電流。同時回路中產生溫差電勢,溫差電勢的大小,反映了接點吸收紅外輻射的強弱。利用溫差電勢現象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器,因其時間常數較大,相應時間較長,動態特性較差,調制頻率應限制在10HZ以下。

        3、萊氣動型傳感器

        高萊氣動型傳感器是利用氣體吸收紅外輻射后,溫度升高,體積增大的特性,來反映紅外輻射的強弱。它有一個氣室,以一個小管道與一塊柔性薄片相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收模,它是低熱容量的薄膜。紅外輻射通過窗口入射到吸收模上,吸收模將吸收的熱能傳給氣體,使氣體溫度升高,氣壓增大,從而使柔鏡移動。在室的另一邊,一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上,經柔鏡反射回來的柵狀圖像又經過柵狀光欄投射到光電管上。當柔鏡因壓力變化而移動時,柵狀圖像與柵狀光欄發生相對位移,使落到光電管上的光量發生改變,光電管的輸出信號也發生變化,這個變化量就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的特點是靈敏度高,性能穩定。但響應時間性長,結構復雜,強度較差,只適合于實驗室內使用。

        4、熱釋電型傳感器

        熱釋電型傳感器是一種具有極化現象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強度(單位面積上的電荷)與溫度有關。當紅外線輻射照射到已經極化的鐵電體薄片表面上時,引起薄片溫度升高,使其極化強度降低,表面電荷減少,這相當于釋放一部分電荷,所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連,則負載電阻上便產生一個電信號輸出。輸出信號的大小,取決于薄片溫度變化的快慢,從而反映入射的紅外輻射的強弱。由此可見,熱釋電型紅外傳感器的電壓響應率正比于入射輻射變化的速率。當恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時,傳感器沒有電信號輸出。只有鐵電體溫度處于變化過程中,才有電信號輸出。所以,必須對紅外輻射進行調制(或稱斬光),使恒定的輻射變成交變輻射,不斷的引起傳感器的溫度變化,才能導致熱釋電產生,并輸出交變的信號。

        光子傳感器

        光子傳感器是利用某些半導體材料在入射光的照射下,產生光子效應,使材料電學性質發生變化。通過測量電學性質的變化,可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應所制成的紅外傳感器。統稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點靈敏度高,響應速度快,具有較高的響應頻率。但其一般須在低溫下工作,探測波段較窄。

        按照光子傳感器的工作原理,一般可分為內光電和外光電傳感器兩種,后者又分為光電導傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。

        1、外光電傳感器

        當光輻射在某些材料的表面上時,若入射光的光子能量足夠大時,就能使材料的電子逸出表面,這種現象叫外光電效應或光電子發射效應。光電二極管、光電倍增管等便屬于這種類型的電子傳感器。它的響應速度比較快,一般只需幾個毫微秒。但電子逸出需要較大的光子能量,只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內使用。

        2、光電導傳感器

         

        當紅外輻射照射在某些半導體材料表面上時,半導體材料中有些電子和空穴可以從原來不導電的束縛狀態變為能導電的自由狀態,使半導體的導電率增加,這種現象叫光電導現象。利用光電導現象制成的傳感器稱為光導傳感器,如硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲隔汞等材料都可制光電導傳感器。使用光電導傳感器時,需要制冷和加一定的偏壓,否則會使響應率降低,噪聲大,響應波段窄,以致使紅外線傳感器損壞。

         

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