紅外傳感器原理、分類、性能參數(shù)、應(yīng)用及前景
紅外傳感器原理、分類、性能參數(shù)、應(yīng)用及前景
宇宙間的任何物體只要其溫度超過(guò)零度就能產(chǎn)生紅外輻射,事實(shí)上同可見(jiàn)光一樣,其輻射能夠進(jìn)行折射和反射,這樣便產(chǎn)生了紅外技術(shù),利用紅外光探測(cè)器因其獨(dú)有
的優(yōu)越性而得到廣泛的重視,并在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。軍事上,紅外探測(cè)用于制導(dǎo)、火控跟蹤、警戒、目標(biāo)偵查、武器熱瞄準(zhǔn)器、艦船導(dǎo)航等;在民用領(lǐng)
域,廣泛應(yīng)用與工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、安全監(jiān)視、救災(zāi)、遙感、交通管理以及醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)等。在科技高度發(fā)達(dá)的今天,自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)在人們的日常生活和工業(yè)控制所占的
比例也越來(lái)越重,使人們的生活越來(lái)越舒適,工業(yè)生產(chǎn)的效率越來(lái)越高。而傳感器是自動(dòng)控制中的重要組成部件,是信息采集系統(tǒng)的重要部件,通過(guò)傳感器將感受或響應(yīng)的被
測(cè)量轉(zhuǎn)換成適合輸送或檢測(cè)的信號(hào)(一般為電信號(hào)),再利用計(jì)算機(jī)或者電路設(shè)備對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理從而達(dá)到自動(dòng)控制的功能,由于傳感器的響應(yīng)時(shí)間一般都比較
短,所以可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。紅外傳感器是傳感器中常見(jiàn)的一類,由于紅外傳感器是檢測(cè)紅外輻射的一類傳感器,而自然界中任何物體只要其穩(wěn)定
高于絕對(duì)零度都將對(duì)外輻射紅外能量,所以紅外傳感器稱為非常實(shí)用的一類傳感器,利用紅外傳感器可以設(shè)計(jì)出很多實(shí)用的傳感器模塊,如紅外測(cè)溫儀,紅外成像儀,紅外人
體探測(cè)報(bào)警器,自動(dòng)門控制系統(tǒng)等。不同的氣體對(duì)其吸收程度各不相同,大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明,對(duì)于波長(zhǎng)為1~5μm、 8~14μm
區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長(zhǎng)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(duì)零度之上,都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光
熱效應(yīng)對(duì)不同的物體是各不相同的,熱能強(qiáng)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(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。嚴(yán)格來(lái)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(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測(cè)、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項(xiàng)目的重要理論依據(jù)。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高,輻射出來(lái)的紅外
線越多,紅外輻射的能量就越強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn),太陽(yáng)光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的,而且適合大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi),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(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù),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(fā)射率=吸收率(同一波段);吸收率越大,發(fā)射率也越大。地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比,所以,地物微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。
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(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測(cè)定溫度的理論基礎(chǔ)。
維恩位移定律:隨著溫度的升高,輻射適合大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。
紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜,一個(gè)典型的傳感器系統(tǒng)各部分的實(shí)體分別是:
1、待測(cè)目標(biāo):根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。
2、大氣衰減:待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過(guò)地球大氣層時(shí),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(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。
3、光學(xué)接收器:它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線,常用是物鏡。
4、輻射調(diào)制器:對(duì)來(lái)自待測(cè)目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光,提供目標(biāo)方位信息,并可濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤和斬波器,它具有多種結(jié)構(gòu)。
5、紅外探測(cè)器:這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來(lái)的物理效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的傳感器,多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)效應(yīng)。此類探測(cè)器可分為光子探測(cè)器和熱敏感探測(cè)器兩大類型。
6、探測(cè)器制冷器:由于某些探測(cè)器必須要在低溫下工作,所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過(guò)制冷,設(shè)備可以縮短響應(yīng)時(shí)間,提高探測(cè)靈敏度。
7、信號(hào)處理系統(tǒng):將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波,并從這些信號(hào)中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式,適合后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。
8、顯示設(shè)備:這是紅外設(shè)備的終端設(shè)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(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測(cè)量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測(cè)器,按照探測(cè)的機(jī)理的不同,可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。
熱探測(cè)器對(duì)入射的各種波長(zhǎng)的輻射能量全部吸收,它是一種對(duì)紅外光波無(wú)選擇的紅外傳感器。光子探測(cè)器常用的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng))和光電磁效應(yīng)。熱探測(cè)器是利用輻射熱效應(yīng),使探測(cè)元件接收到輻射能后引起溫度升高,進(jìn)而使探測(cè)器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測(cè)其中某一性能的變化,便可探測(cè)出輻射。多數(shù)情況下是通過(guò)熱電變化來(lái)探測(cè)輻射的。當(dāng)元件接收輻射,引起非電量的物理變化時(shí),可以通過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q后測(cè)量相應(yīng)的電量變化。
熱敏探測(cè)器對(duì)紅外輻射的響應(yīng)時(shí)間比光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)得多。前者的響應(yīng)時(shí)間一般在ms以上,而后者只有ns量級(jí)。熱探測(cè)器不需要冷卻,光子探測(cè)器多數(shù)要冷卻。
紅外線傳感器的分類
常見(jiàn)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(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化,通過(guò)測(cè)量有關(guān)物理參數(shù)的變化來(lái)確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。
熱探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是相應(yīng)波段寬,可以在室溫下工作,使用簡(jiǎn)單。但是,熱傳感器相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),靈敏度較低,一般用于低頻調(diào)制的場(chǎng)合。
熱傳感器主要類型有:熱敏傳感器型,熱電偶型,高萊氣動(dòng)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(dāng)紅外輻射照射在熱敏電阻上,其溫度升高,電阻值減少。測(cè)量熱敏電阻值變化的大小,即可得知入射的紅外輻射的強(qiáng)弱,從而可以判斷產(chǎn)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(gòu)成。當(dāng)紅外輻射到這兩種金屬材料構(gòu)成的閉合回路的接點(diǎn)上時(shí),該接點(diǎn)溫度升高。而另一個(gè)沒(méi)有被紅外輻射輻照的接點(diǎn)處于較低的溫度,此時(shí),在閉合回路中將產(chǎn)生溫差電流。同時(shí)回路中產(chǎn)生溫差電勢(shì),溫差電勢(shì)的大小,反映了接點(diǎn)吸收紅外輻射的強(qiáng)弱。利用溫差電勢(shì)現(xiàn)象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器,因其時(shí)間常數(shù)較大,相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),動(dòng)態(tài)特性較差,調(diào)制頻率應(yīng)限制在10HZ以下。
3、萊氣動(dòng)型傳感器
高萊氣動(dòng)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(lái)反映紅外輻射的強(qiáng)弱。它有一個(gè)氣室,以一個(gè)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(guò)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(dòng)。在室的另一邊,一束可見(jiàn)光通過(guò)柵狀光欄聚焦在柔鏡上,經(jīng)柔鏡反射回來(lái)的柵狀圖像又經(jīng)過(guò)柵狀光欄投射到光電管上。當(dāng)柔鏡因壓力變化而移動(dòng)時(shí),柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對(duì)位移,使落到光電管上的光量發(fā)生改變,光電管的輸出信號(hào)也發(fā)生變化,這個(gè)變化量就反映出入射紅外輻射的強(qiáng)弱。這種傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高,性能穩(wěn)定。但響應(yīng)時(shí)間性長(zhǎng),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,強(qiáng)度較差,只適合于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)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(xiàn)象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強(qiáng)度(單位面積上的電荷)與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外線輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí),引起薄片溫度升高,使其極化強(qiáng)度降低,表面電荷減少,這相當(dāng)于釋放一部分電荷,所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連,則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)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(qiáng)弱。由此可見(jiàn),熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變化的速率。當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時(shí),傳感器沒(méi)有電信號(hào)輸出。只有鐵電體溫度處于變化過(guò)程中,才有電信號(hào)輸出。所以,必須對(duì)紅外輻射進(jìn)行調(diào)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(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生,并輸出交變的信號(hào)。
光子傳感器
光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下,產(chǎn)生光子效應(yīng),使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化,可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。利用光子效應(yīng)所制成的紅外傳感器。統(tǒng)稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點(diǎn)靈敏度高,響應(yīng)速度快,具有較高的響應(yīng)頻率。但其一般須在低溫下工作,探測(cè)波段較窄。
按照光子傳感器的工作原理,一般可分為內(nèi)光電和外光電傳感器兩種,后者又分為光電導(dǎo)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(dāng)光輻射在某些材料的表面上時(shí),若入射光的光子能量足夠大時(shí),就能使材料的電子逸出表面,這種現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)。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(yīng)速度比較快,一般只需幾個(gè)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(jiàn)光范圍內(nèi)使用。
2、光電導(dǎo)傳感器
當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時(shí),半導(dǎo)體材料中有些電子和空穴可以從原來(lái)不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐?dǎo)電的自由狀態(tài),使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率增加,這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)現(xiàn)象。利用光電導(dǎo)現(xiàn)象制成的傳感器稱為光導(dǎo)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(dǎo)傳感器。使用光電導(dǎo)傳感器時(shí),需要制冷和加一定的偏壓,否則會(huì)使響應(yīng)率降低,噪聲大,響應(yīng)波段窄,以致使紅外線傳感器損壞。
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