第8章紅外輻射與紅外探測器-孫德志

1、第八章第八章 紅外輻射與紅外探測器紅外輻射與紅外探測器 紅外探測器,是能將紅外輻射能轉換為電能的光電器件,它是紅外探測系統(tǒng)的關鍵部件,也稱為紅外傳感器。紅外探測器工作的物理過程是當器件吸收輻射通量時產(chǎn)生溫升,溫升引起材料各種有賴于溫度的參數(shù)的變化,監(jiān)測其中一種性能的變化,可以探知輻射的存在和強弱。 它在科學研究、軍事工程和醫(yī)學方面有著廣泛的應用，例如紅外測溫、紅外成像、紅外遙感、紅外制導等。本章內容8.1 8.1 紅外輻射的基本知識紅外輻射的基本知識8.2 8.2 紅外探測器紅外探測器8.38.3 紅外探測器的性能參數(shù)及使用紅外探測器的性能參數(shù)及使用中應注意的事項中應注意的事項8.4 8.4

2、紅外測溫紅外測溫8.5 8.5 紅外成像紅外成像8.6 8.6 紅外無損檢測紅外無損檢測8.7 8.7 紅外探測技術在軍事上的應用紅外探測技術在軍事上的應用紅外輻射的基本知識8.1.2 8.1.2 紅外輻射源紅外輻射源返回8.1.1 8.1.1 紅外輻射紅外輻射無限連續(xù)電磁波譜,如圖所示。包括： 無線電波 微波 紅外線 可見光 紫外線 X射線 射線 宇宙射線 紅外輻射紅外輻射 在紅外技術中,一般將紅外輻射分為4個區(qū)域，即 近紅外區(qū)(0.73m)； 中紅外區(qū)(36m)； 遠紅外區(qū)(616m)； 極遠紅外區(qū)(大于16m)。 這里所說的遠、中、近是指紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離而言。 紅外輻射

3、的物理本質是熱輻射。 波長在0.761 000m之間的電磁波（紅外輻射）被物體吸收時,可以顯著地轉變?yōu)闊崮??？梢?載能電磁波是熱輻射傳播的主要媒介物。 紅外輻射和所有電磁波一樣,是以波的形式在空間沿直線傳播的。它在真空中的傳播速度等于波的頻率與波長的乘積,與光在真空中的傳播速度相等。 紅外輻射在大氣中傳播時,由于大氣中的氣體分子、水蒸氣及固體微粒、塵埃等物質的吸收和散射作用,使某些波長的輻射在傳輸過程中逐漸衰減。一般把透明的波段稱為“大氣窗口”, 波長從114m共有8個窗口,如圖所示。 最常用的是 12.6 m 、 35 m 、 814 m 三個區(qū)間。返回紅外輻射源有紅外輻射的物體就可以視為紅

4、外輻射源。根據(jù)輻射源幾何尺寸的大小、距離探測器或被輻射物體的遠近,又分為點源和面源。同一個輻射源,在不同情況下,既可以是點源,又可以是面源。 一般情況下,把充滿紅外光學系統(tǒng)視場的大面積輻射源叫作面源,而將沒有充滿紅外光學系統(tǒng)視場的小面叫作點源。返回紅外探測器紅外探測器是能將紅外輻射能轉換成電能的一種光敏器件,是紅外探測系統(tǒng)的關鍵部件,常常也稱為紅外傳感器。它的性能好壞,直接影響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此,選擇合適的、性能良好的紅外探測器,對紅外探測系統(tǒng)是十分重要的。常見的紅外探測器有兩大類: 熱探測器熱探測器；光子探測器光子探測器。返回熱探測器熱探測器熱探測器是利用探測元件吸收入射的紅外輻射能量而引

5、起溫升,在此基礎上借助各種物理效應把溫升轉變成電量的一種探測器。 熱探測器光電轉換的過程分為兩步: 第一步是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升,這一步對各種熱探測器都一樣; 第二步利用熱探測器某些溫度效應把溫升轉變成電量的變化。熱探測器返回1 1熱敏電阻型探測器熱敏電阻型探測器2. 2. 熱電偶型紅外探測器熱電偶型紅外探測器3. 3. 熱釋電型紅外探測器熱釋電型紅外探測器4. 4. 高萊氣動型探測器高萊氣動型探測器熱敏電阻型探測器凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻值改變,導致負載電阻兩端電壓的變化,并給出電信號的器件,叫做熱敏電阻。 熱敏電阻有金屬和半導體兩種。 * 金屬熱敏電阻,電阻溫度系數(shù)多為正的

6、,絕對值比半導體的小,它的電阻與溫度的關系基本上是線性的,耐高溫能力較強,所以多用于溫度的模擬測量。 * 半導體熱敏電阻絕對值比金屬的大十多倍,它的電阻與溫度的關系是非線性的,耐高溫能力較差,所以多用于輻射探測,如防盜報警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。如圖所示為半導體材料和金屬材料(白金)的溫度特性曲線。白金的電阻溫度系數(shù)為正值,大約為+0.37%。半導體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)為負值,大約為-3%-6%,約為白金的10倍以上。 熱敏電阻一般制成薄片狀,當紅外輻射照射在熱敏電阻上時,其溫度升高,內部粒子的無規(guī)律運動加劇,自由電子的數(shù)目隨溫度而增加,所以其電阻減小。如圖所示為幾種常用的熱敏電阻

7、外形圖。熱敏電阻的電路符號入下圖所示。熱釋電型紅外探測器熱釋電探測器是利用某些晶體材料自發(fā)極化強度隨溫度變化所產(chǎn)生的熱釋電效應制成的。熱釋電探測器的電信號正比于探測器溫度隨時間的變化率,不需要熱平衡過程,所以其響應速度比其他熱探測器快得多,一般熱探測器的時間常數(shù)典型值在10.01s范圍,而熱釋電探測器的有效時間常數(shù)低達10-43 10-5s。 熱釋電晶體是壓電晶體中的一種,具有非中心對稱的晶體結構。自然狀態(tài)下,在某個方向上正負電荷中心不重合,在晶體表面形成一定量的極化電荷,稱為自發(fā)極化。晶體溫度變化時,可引起晶體正負電荷中心發(fā)生位移,因此表面上的極化電荷即隨之變化。如圖所示。 鐵電體的極化強度

8、(單位表面積上的束縛電荷)與溫度有關。當紅外線照射到其表面上時,引起鐵電體(薄片)溫度迅速升高,極化強度很快下降,束縛電荷急劇減少;而表面浮游電荷變化緩慢,跟不上鐵電體內部的變化。從溫度變化引起極化強度變化到在表面重新達到電平衡狀態(tài)的極短時間內,在鐵電體表面有多余浮游電荷的出現(xiàn),這相當于釋放出一部分電荷,這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。高萊氣動型探測器高萊氣動型探測器又稱高萊(Golay)管。它是利用氣體吸收紅外輻射能量后,溫度升高、體積增大的特性,來反映紅外輻射的強弱。其結構原理如圖所示。它有一個氣室,以一個小管道與一塊柔性薄片相連。 高萊氣動型探測器的工作過程是： 調制輻射通過窗口射到氣室的吸收薄

9、膜上,引起薄膜溫度的周期變化。溫度的變化又引起氣室內氙氣的膨脹和收縮,從而使氣室另一側的柔鏡產(chǎn)生膨脹和收縮;另一方面,可見光光源發(fā)出的光通過聚光鏡、光柵、新月形透鏡的上半邊聚焦到柔鏡(外部鍍反射膜的彈性薄膜)上,再通過它們的下半邊聚焦到光電探測器上。光子探測器光子探測器 光子型紅外探測器是利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下,產(chǎn)生光電效應,使材料的電學性質發(fā)生變化的原理，通過測量電學性質的變化，可以確定紅外輻射的強弱。利用光電效應所制成的紅外探測器統(tǒng)稱光子探測器。光子探測器的主要特點是靈敏度高,響應速度快,響應頻率高。但其一般需在低溫下工作,探測波段較窄。紅外探測器的性能參數(shù)及使用中應注意的事

10、項紅外探測器的性能參數(shù)及使用中應注意的事項 8.3.1 8.3.1 紅外探測器的性能參數(shù)紅外探測器的性能參數(shù)8.3.2 8.3.2 紅外探測器使用中應注意的問題紅外探測器使用中應注意的問題返回紅外探測器的性能參數(shù)是衡量其性能好壞的依據(jù)。由于探測器是能量轉換器件,影響其性能的參數(shù)很多,也很復雜。為了正確選擇和應用紅外探測器,掌握與了解這些參數(shù)是十分必要的。紅外探測器主要的性能參數(shù)與光電探測器一樣,有電壓響應率、光譜響應、等效噪聲功率、比探測率和時間常數(shù)等。紅外探測器的性能參數(shù)返回紅外探測器使用中應注意的問題紅外探測器使用中應注意以下事項。選用探測器時要注意它的工作溫度。 一般熱探測器能在室溫工作

11、； 光子探測器需要在低溫下工作,甚至需要致冷。 若將低溫工作的探測器用于室溫,不僅比探測率低、噪聲大、響應波段窄，而且容易損壞。 應注意調整好探測器的偏流(或偏壓),使探測器工作在最佳工作點,如圖所示。若偏流較低,探測器的信號電壓比噪聲電壓增長的速率快,因而信噪比增加;當偏流超過最佳工作點電流以后,則信噪比下降。只有工作在最佳 偏流工作點時,紅外探測 器的信噪比最大。 輻射源調制頻率應與紅外探測器的響應頻率相匹配。一般探測器有一個最佳調制頻率。調制頻率過高或過低,都會使探測器的比探測率D*降低,只有將調制頻率選取 在合適范圍之內,才 能獲得最佳探測效 果。例如,硫化鉛的 頻率特性見圖。 還應注

12、意探測器存放時要注意防潮、防振和防腐蝕。 最后要注意的是,使用紅外探測器時,必須首先了解它的性能指標和應用范圍,掌握它的使用條件。特別要注意的是,必須嚴格地按照產(chǎn)品使用說明書中規(guī)定的條件和使用方法,一定要避免盲目亂用,以防損壞。返回紅外測溫8.4.1 8.4.1 紅外測溫原理紅外測溫原理返回8.4.2 8.4.2 紅外測溫的特點紅外測溫的特點8.4.3 8.4.3 熱輻射傳感器熱輻射傳感器紅外測溫原理是斯忒藩玻耳茲曼定律。由黑體輻射定律知道,黑體的總輻射出射度與其溫度的4次方成正比,即斯忒藩-玻耳茲曼定律式中,是斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù),大小為5.6710-11Wcm-2K-4。40),(TdTM

13、MBB紅外測溫原理紅外測溫的特點紅外測溫的特點溫度測量的方法很多,紅外測溫是比較先進的測溫方法,其特點如下所述。紅外測溫反應速度快。它不需要與物體達到熱平衡的過程,只要能接收到目標的紅外輻射即可測量目標的溫度。測量時間一般為毫秒級甚至微秒級。紅外測溫靈敏度高。由測溫原理知物體的輻射能量與溫度的4次方成正比,溫度的微小變化,就會引起輻射能量的較大變化,即可被迅速地檢測出來。 紅外測溫屬于非接觸測溫。它特別適合于高速運動物體、帶電體、高壓及高溫物體的溫度測量。 紅外測溫準確度高。由于是非接觸測量,不會影響物體溫度分布狀況與運動狀態(tài),因此測出的溫度比較真實,其測量準確度可達到0.1以內。 紅外探測器

14、測溫范圍寬。可測攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍,因此紅外測溫幾乎可以使用在所有溫度測量場合。 紅外測溫方法，幾乎可在所有溫度測量場合使用。例如，各種工業(yè)窯爐、熱處理爐溫度測量，感應加熱過程中的溫度測量，尤其是鋼鐵工業(yè)中的高速線材、無縫鋼管軋制，有色金屬連鑄、熱軋等過程的溫度測量等；軍事方面的應用如各種運載工具發(fā)動機內部溫度測量，導彈紅外（測溫）制導，夜視儀等；在一般社會生活方面如快速非接觸人體溫度測量，防火監(jiān)測等等。熱輻射傳感器返回1. 1. 熱輻射高溫計熱輻射高溫計3 3輻射劑量率計輻射劑量率計2. 2. 熱輻射測溫儀熱輻射測溫儀熱輻射高溫計熱輻射高溫計是利用接收物體表面發(fā)出的熱輻射能

15、量進行非接觸式溫度測量的儀器,具有響應快、熱惰性小等優(yōu)點,主要用于腐蝕性物體及運動物體的高溫測量。測溫范圍一般為4003200。由于感溫部分不與被測介質直接接觸,因此測量誤差較大。 熱輻射高溫計的基本組成如圖所示。圖中被測物體的輻射能通過透鏡會聚到敏感元件熱電堆上，熱電堆吸收輻射能后轉變?yōu)闊犭妱?，由毫伏計指示出被測溫度。返回熱輻射測溫儀自然界的物體, 都會發(fā)出紅外輻射,也就是放射紅外線。不同的是所發(fā)射的紅外線的波長不同而已。人體溫度是3637,它所放射的紅外線波長為910m,溫度在400700的物體放射出的紅外波長為35m。熱輻射測溫儀由紅外線傳感器和電信號處理電路組成,其中的紅外線傳感器就是

16、能接收上述紅外波長并將其轉變成電信號的一種裝置。紅外成像8.5.1 8.5.1 紅外成像器件紅外成像器件返回8.5.2 8.5.2 紅外熱像儀紅外熱像儀8.5.3 8.5.3 紅外分析儀紅外分析儀紅外成像器件 1.紅外變像管 紅外變像管是一種能將物體紅外圖像變成可見光圖像的電真空器件,主要由光電陰極、電子光學系統(tǒng)和熒光屏3部分組成,并安裝在高真空密封玻璃殼內。 2.紅外攝像管 紅外攝像管是一種能將物體的紅外輻射轉換成電信號,經(jīng)過放大處理,再還原為光學像的成像裝置。種類有光導攝像管、硅靶攝像管和熱釋電攝像管等。 熱釋電攝像管結構如圖所示。靶面是一塊用熱釋電材料做成的薄片,在接收輻射的一面覆有一層

17、對紅外輻射透明的導電膜。 3.集成紅外電荷耦合器件 普通CCD固態(tài)圖像變換器用于紅外測溫還需要一套與之配套的光學系統(tǒng)；一方面需很好地濾除非紅外波長的其他光波，另一方面需把被測物體的紅外成像投射到CCD固態(tài)圖像變換器的受光面上。 集成紅外電荷耦合器件(紅外CCD)是最理想、最有發(fā)展前途的固體成像器。常用的紅外焦平面陣列有:PbS和PbSe陣列、PtSi陣列、InSb陣列、HgCdTe陣列、aAs/GaAIAs陣列、摻雜硅陣列和熱釋電探測器陣列。紅外分析儀紅外分析儀是根據(jù)物質的吸收特性來進行工作的。許多化合物的分子在紅外波段都有吸收帶。物質的分子不同,吸收帶所在的波長和吸收的強弱也不相同。根據(jù)吸收

18、帶分布的情況與吸收的強弱,可以識別物質分子的類型,從而得出物質的組成及百分比。根據(jù)不同的目的與要求,紅外分析儀可設計成多種不同的形式,如紅外氣體分析儀、紅外分光光度計、紅外光譜儀等。紅外無損檢測紅外無損檢測紅外無損檢測是通過測量熱流或熱量來鑒定金屬或非金屬材料質量、探測內部缺陷的。 對于某些采用X射線、超聲波等無法探測的局部缺陷,用紅外無損檢測可取得較好的效果。 紅外無損檢測分主動式和被動式兩類。 主動式是人為地在被測物體上注入(或移出)固定熱量,探測物體表面熱量或熱流變化規(guī)律,并以此分析判斷物體的質量。 被動式則是用物體自身的熱輻射作為輻射源,探測其輻射的強弱或分布情況,判斷物體內部有無缺陷

19、。8.6.1 8.6.1 焊接缺陷的無損檢測焊接缺陷的無損檢測返回8.6.2 8.6.2 鑄件內部缺陷探測鑄件內部缺陷探測8.6.3 8.6.3 疲勞裂紋探測疲勞裂紋探測焊接缺陷的無損檢測焊口表面起伏不平,采用X射線、超聲波、渦流等方法難于發(fā)現(xiàn)缺陷。而紅外無損檢測則不受表面形狀限制,能方便和快速地發(fā)現(xiàn)焊接區(qū)域的各種缺陷。圖為兩塊焊接的金屬板,其中圖 (a)焊接區(qū)無缺陷,圖 (b)焊接區(qū)有一氣孔。 若將一交流電壓加在焊接區(qū)的兩端,在焊口上會有交流電流通過。由于電流的作用,焊口將產(chǎn)生一定熱量,其大小正比于材料電阻率和電流密度的平方。 在沒有缺陷的焊接區(qū)內,電流分布均勻,各處產(chǎn)生的熱量大致相等,焊接

20、區(qū)的表面溫度分布均勻。 而存在缺陷的焊接區(qū),由于缺陷(氣孔)的電阻很大,使該區(qū)域損耗增加,表面溫度局部升高。 應用紅外測溫設備測量出熱點,由此斷定熱點下面存在焊接缺陷。返回鑄件內部缺陷探測有些精密鑄件內部非常復雜,采用傳統(tǒng)的無損探傷方法,不能準確地發(fā)現(xiàn)內部缺陷;當用紅外無損探測時,只需在鑄件內部通以液態(tài)氟利昂冷卻, 然后利用紅外熱像儀快速掃描鑄件整個表面。如果通道內有殘余型芯或壁厚不均勻,在熱圖中即可明顯地看出。冷卻通道暢通,冷卻效果良好,熱圖上顯示出一系列均勻的白色條紋;假如通道阻塞,冷卻液體受阻,則在阻塞處顯示出黑色條紋。疲勞裂紋探測圖a為對飛機或導彈蒙皮進行疲勞裂紋探測示意圖。為了探測出

21、疲勞裂紋位置,采用一個點輻射源在蒙皮表面一個小面積上注入能量;然后用紅外輻射溫度計測量表面溫度。如果在蒙皮表面或表面附近存在疲勞裂紋,則熱傳導受到影響,在裂紋附近熱量不能很快傳輸出去,使裂紋附近表面溫度很快升高。如圖(b)所示,虛線表示裂紋兩邊理論上的溫度分布曲線。即當輻射源分別移到裂紋兩邊時,由于裂紋不讓熱流通過,因而兩邊溫度都很高。當熱源移到裂紋上時,表面溫度下降到正常溫度。然而在實際測量中,由于受輻射源尺寸的限制,輻射源和紅外探測器位置的影響,以及高速掃描速度的影響,從而使溫度曲線呈現(xiàn)出實線的形狀。返回紅外探測技術在軍事上的應用紅外技術在軍事應用中占重要地位。因為紅外技術有如下特點:紅外輻射看不見,可以避開敵方目視觀察;白天黑夜均可使用,特別適于夜戰(zhàn)的場合;采用被動接收系統(tǒng),比用無線電雷達或