紅外傳感器原理、分類(lèi)、性能參數、應用及前景

     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)，利用紅外光探測器因其獨有

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(lǐng)

域，廣泛應用與工業(yè)設備監控、安全監視、救災、遙感、交通管理以及醫學(xué)診斷技術(shù)等。在科技高度發(fā)達的今天，自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測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，是信息采集系統的重要部件，通過(guò)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(jìn)行處理從而達到自動(dòng)控制的功能，由于傳感器的響應時(shí)間一般都比較

短，所以可以通過(guò)計算機系統對工業(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(lèi)，由于紅外傳感器是檢測紅外輻射的一類(lèi)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(chēng)為非常實(shí)用的一類(lèi)傳感器，利用紅外傳感器可以設計出很多實(shí)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(dòng)門(mén)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(cháng)的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對于波長(cháng)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(cháng)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(chǎn)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(chǎn)生不同的光熱效應。嚴格來(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)用于衛星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項目的重要理論依據。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(xiàn)越多，紅外輻射的能量就越強。研究發(fā)現，太陽(yáng)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(chēng)為熱輻射或熱射線(xiàn)。

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(gè)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(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(huì )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(zhù)溫度的升高，輻射適合大值對應的峰值波長(cháng)向短波方向移動(dòng)。

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

1、待測目標：根據待測目標的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統的設定。

2、大氣衰減：待測目標的紅外輻射通過(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：它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線(xiàn)，常用是物鏡。

4、輻射調制器：對來(lái)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(chēng)調制盤(pán)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(zhì)相互作用所呈現出來(lái)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(lái)的電學(xué)效應。此類(lèi)探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類(lèi)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(jīng)過(guò)制冷，設備可以縮短響應時(shí)間，提高探測靈敏度。

7、信號處理系統：將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類(lèi)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(lèi)。

熱探測器對入射的各種波長(cháng)的輻射能量全部吸收，它是一種對紅外光波無(wú)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(jìn)而使探測器中依賴(lài)于溫度的性能發(fā)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(guò)熱電變化來(lái)探測輻射的。當元件接收輻射，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(shí)間比光電探測器的響應時(shí)間要長(cháng)得多。前者的響應時(shí)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(xiàn)傳感器的分類(lèi)

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)物理參數發(fā)生相應的變化，通過(guò)測量有關(guān)物理參數的變化來(lái)確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。

熱探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是相應波段寬，可以在室溫下工作，使用簡(jiǎn)單。但是，熱傳感器相應時(shí)間較長(cháng)，靈敏度較低，一般用于低頻調制的場(chǎng)合。

熱傳感器主要類(lèi)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(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成。當紅外輻射到這兩種金屬材料構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，溫差電勢的大小，反映了接點(diǎn)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(chēng)為熱電偶型紅外傳感器，因其時(shí)間常數較大，相應時(shí)間較長(cháng)，動(dòng)態(tài)特性較差，調制頻率應限制在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，光電管的輸出信號也發(fā)生變化，這個(gè)變化量就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，性能穩定。但響應時(shí)間性長(cháng)，結構復雜，強度較差，只適合于實(shí)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(chēng)“鐵電體”。鐵電體的極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當紅外線(xiàn)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(chǎn)生一個(gè)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(jiàn)，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(shí)，傳感器沒(méi)有電信號輸出。只有鐵電體溫度處于變化過(guò)程中，才有電信號輸出。所以，必須對紅外輻射進(jìn)行調制（或稱(chēng)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(chǎn)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(chǎn)生光子效應，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過(guò)測量電學(xué)性質(zhì)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(chēng)光子傳感器。光子傳感器的主要特點(diǎn)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(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，這種現象叫外光電效應或光電子發(fā)射效應。光電二極管、光電倍增管等便屬于這種類(lèi)型的電子傳感器。它的響應速度比較快，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(shí)，半導體材料中有些電子和空穴可以從原來(lái)不導電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐щ姷淖杂蔂顟B(tài)，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(chēng)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(shí)，需要制冷和加一定的偏壓，否則會(huì )使響應率降低，噪聲大，響應波段窄，以致使紅外線(xiàn)傳感器損壞。