傳感器原理和典型的應(yīng)用第10章紅外傳感器

1、傳感器原理和典型的應(yīng)用Principle and Application of Sensors第10章 紅外傳感器 Infrared sensors與其他探測(cè)技術(shù)相比，紅外探測(cè)技術(shù)有如下主要優(yōu)點(diǎn)：(1) 環(huán)境適應(yīng)性好，在夜間和惡劣氣象條件下的工作能力優(yōu)于可見光；(2) 被動(dòng)式工作，隱蔽性好，不易被干擾；(3) 靠目標(biāo)和背景之間各部分的溫度和發(fā)射率形成的紅外輻射差進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見光；(4) 紅外系統(tǒng)的體積小、質(zhì)量輕、功耗低。緒 論 紅外傳感器是將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。紅外輻射（紅外線）是一種人眼看不見的光線，波長(zhǎng)范圍大致在100m。任何溫度高于熱力學(xué)零度（-

2、273.15）的物體都會(huì)輻射紅外線 。 近年來(lái)，紅外技術(shù)在軍事領(lǐng)域和民用工程上，都得到了廣泛應(yīng)用。軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：(1) 偵查、搜索和預(yù)警；(2) 探測(cè)和跟蹤；(3) 全天候前視和夜視；(4) 武器瞄準(zhǔn)；(5) 紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈；(6) 紅外成像相機(jī)；(7) 水下探潛、探雷技術(shù)。在民用工程領(lǐng)域的應(yīng)用主要是：(1) 在氣象預(yù)報(bào)、地貌學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感資源調(diào)查等領(lǐng)域的應(yīng)用；(2) 在地下礦井測(cè)溫和測(cè)氣中的應(yīng)用；(3) 紅外熱像儀在電力、消防、石化以及醫(yī)療和森林火災(zāi)頂報(bào)中的應(yīng)用。10.1 紅外輻射的基本知識(shí)10.1.1 紅外輻射 任何物體，只要它的溫度高于熱力學(xué)零度(-273.15)時(shí)，就會(huì)向外

3、輻射能量，故稱為熱輻射，又稱為紅外輻射或俗稱紅外線。它是一種人眼看不見的光線，但實(shí)際上它與其他任何光線一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。在電磁輻射波譜中，紅外線是位于可見光中紅色光以外的光線，波長(zhǎng)范圍大致在0.76100 ，對(duì)應(yīng)的頻率大致在4101431011Hz之間。紅外線與可見光一樣，也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中的傳播速度為光速，即c =3108m/s。 在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為4個(gè)區(qū)域：波長(zhǎng)在0.763 為近紅外區(qū)；波長(zhǎng)在36 為中紅外區(qū)；波長(zhǎng)在620 為中遠(yuǎn)紅外區(qū)；波長(zhǎng)在20100 為遠(yuǎn)紅外區(qū)。 紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，由于大氣中的氣體分子、水蒸氣以及固體微

4、粒、塵埃等物質(zhì)的吸收和散射作用，使輻射能在傳輸過(guò)程中逐漸衰減。但紅外輻射在通過(guò)大氣層時(shí)，在以下3個(gè)波段區(qū)間：22.6 、35 、814 ，大氣對(duì)紅外線幾乎不吸收，故稱之為“大氣窗口”。這3個(gè)大氣窗口對(duì)紅外技術(shù)應(yīng)用特別重要，紅外儀器都工作在這3個(gè)窗口之內(nèi)。10.1.2 紅外輻射的重要參數(shù) 1) 輻射能Q以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能。單位為焦耳(J)。 2) 輻射能通量單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳輸或接收的輻射能稱為輻射能通量，其單位為瓦特(W)： 3) 輻射強(qiáng)度I點(diǎn)輻射源向各個(gè)方向發(fā)出輻射，在某一方向，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射能通量為，則輻射強(qiáng)度I為單位：瓦/球面度(W/Sr)。 4) 輻

5、射出射度M指輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射能通量，即單位:瓦/米2(W/m2)。 5) 輻射亮度L和光譜輻射亮度為了表征具有有限尺寸輻射源輻射能通量的空間發(fā)布，采用輻射亮度這樣一個(gè)輻射量。 如圖，單位面積為dS的輻射面，在和表面法線N成 角方向，在單位立體角 內(nèi)發(fā)出的輻射能通量為 ，則輻射亮度L為單位：瓦/(球面度米2)W/(Srm2)。 輻射亮度實(shí)際上是包括所有波長(zhǎng)的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長(zhǎng)的輻射能量，則稱為在此波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度 。對(duì)于朗伯特輻射體(也稱余弦輻射體)，其在各個(gè)方向的輻射亮度都相等，且有 。實(shí)際輻射物體一般都可以看作朗伯特輻射體。10.1.3 黑體、白體和透明體 1

6、. 輻射能的分配當(dāng)物體接收到輻射能以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射的現(xiàn)象，如圖所示,有式中：a為吸收率，表示吸收的能量所占的比率； 為透射率，表示透射的能量所占的比率； 為反射率，表示反射的能量所占的比率。 2. 黑體當(dāng)QA/Q=a=1時(shí)，則 =0， =0。這說(shuō)明照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無(wú)反射也無(wú)透射，具有這種性質(zhì)的物體稱為“絕對(duì)黑體”或簡(jiǎn)稱為“黑體”。 在自然界中黑體是不存在的，但可以人為制造近似的黑體，如圖所示。 3. 透明體當(dāng)QD/Q= =1時(shí)，說(shuō)明照射到物體上的輻射能全部透射過(guò)去，既無(wú)吸收又無(wú)反射。具有這種性質(zhì)的物體稱為透明體。 4. 白體當(dāng)QR/Q=

7、 =1時(shí)，說(shuō)明照射到物體上的輻射能全部被反射出去。若物體表面平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為“鏡體”；若反射無(wú)一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對(duì)白體”或簡(jiǎn)稱為“白體”。10.1.4 紅外輻射的基本定律 1. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律(簡(jiǎn)稱基氏定律)是物體熱輻射的基本定律，它建立了理想黑體和實(shí)際物體輻射之間的關(guān)系?；鶢柣舴蚨杀砻鳎焊魑矬w的輻射出射度和吸收率的比值都相同，它和物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，是物體的溫度T和發(fā)射波長(zhǎng)的函數(shù)。即：式中：M0( ,T)，M1( ,T)，M2( ,T)，分別為物體A0，A1，A2，的單色( )輻射出射度；0( ,T)，1( ,T)，2( ,T)，分別為物體A0，A1

8、，A2，的單色( )吸收率。若物體A0是絕對(duì)黑體，則其單色吸收率0( ,T)=1，則任意物體A的輻射出射度M( ,T)與黑體的輻射出射度M0( ,T)之比為單色黑度系數(shù) 在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長(zhǎng)的輻射出射度在全波長(zhǎng)內(nèi)的積分，即 基氏定律的積分形式 M(T)為物體A在溫度T下的全輻射出射度；M0(T)為黑體在溫度T下的全輻射出射度； 為物體A的全發(fā)射率，或稱全輻射黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度T下，物體A的輻射出射度與相同溫度下黑體的輻射出射度之比。一般物體的 1， 越接近1，表明它與黑體的輻射能力越接近。 比較教材表10-1所列材料的單色發(fā)射率和全發(fā)射率，你能得出怎樣的結(jié)論

9、 ？2. 黑體輻射定律 1) 普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)在基爾霍夫定律式(10-6)中，f( ,T)的函數(shù)形式是怎樣的？普朗克用量子學(xué)說(shuō)建立了數(shù)學(xué)關(guān)系式，并得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。普朗克建立的黑體的光譜輻射出射度M0( ,T)計(jì)算公式為式中：C1為第一輻射常數(shù)，C1=3.74104W 4/cm2；C2為第二輻射常數(shù)，C2=1.44104 K；T為黑體絕對(duì)溫度(K)。由上式可算出不同波長(zhǎng)和溫度時(shí)黑體的光譜輻射出射度M0( ,T)，如圖10.4所示。從圖中曲線可以得出黑體輻射的幾個(gè)特性： (1) 總的輻射出射度是隨溫度的升高而迅速增加的，溫度越高則光譜輻射出射度越大。 (2) 當(dāng)溫度一定時(shí)，光譜輻射出

10、射度隨波長(zhǎng)的不同按一定的規(guī)律變化，曲線有一個(gè)極大值，其波長(zhǎng)定義為 ，當(dāng)波長(zhǎng)小于 時(shí)，輻射出射度隨波長(zhǎng)增加而增加，當(dāng)波長(zhǎng)大于 時(shí)，變化規(guī)律相反。(3) 當(dāng)溫度增加時(shí)，光譜輻射出射度的峰值波長(zhǎng)會(huì)向短波方向移動(dòng)。物體的輻射亮度增加，發(fā)光顏色也改變。普朗克公式雖然結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但它對(duì)于低溫與高溫段都是適用的。 2) 維恩公式當(dāng) 時(shí)，則有 ，可得到維恩公式維恩公式比普朗克公式簡(jiǎn)單，但僅適用于不超過(guò)3000K的溫度范圍，輻射波長(zhǎng)在0.40.75 之間。當(dāng)溫度超過(guò)3000K時(shí)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果就有較大偏差。從維恩公式可以看出，黑體的輻射本領(lǐng)是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，這就是單

11、色輻射式測(cè)溫和比色測(cè)溫的理論依據(jù)。 3) 斯蒂芬-玻爾茲曼定律(全輻射強(qiáng)度定律，也稱為四次方定律)對(duì)黑體光譜輻射出射度M0( ,T)式在全波長(zhǎng)范圍(0，)積分可得： 為黑體輻射常數(shù)或稱斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)， =5.6696110-3W/(m2K4)。斯蒂芬-玻爾茲曼定律指出：溫度為T的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方向所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。上式就是全輻射式測(cè)溫的理論依據(jù)。10.2 紅外傳感器 紅外傳感器是將紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的一種傳感器，也常稱為紅外探測(cè)器。它是紅外探測(cè)系統(tǒng)的核心，它的性能好壞，將直接影響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。選擇合適的、性能良好的紅外傳感器，

12、對(duì)于紅外探測(cè)系統(tǒng)是十分重要的。 按探測(cè)機(jī)理的不同，紅外傳感器分為熱傳感器和光子傳感器兩大類。 紅外光子傳感器的工作原理是基于光電效應(yīng)。其主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)頻率高。但紅外光子傳感器一般需在低溫下才能工作，故需要配備液氦、液氮制冷設(shè)備。此外，光子傳感器有確定的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍，探測(cè)波段較窄。 紅外熱傳感器的工作是利用輻射熱效應(yīng)。探測(cè)器件接收輻射能后引起溫度升高，再由接觸型測(cè)溫元件測(cè)量溫度改變量，從而輸出電信號(hào)。與光子傳感器相比，熱傳感器的探測(cè)率比光子傳感器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)速度也慢得多。但熱傳感器光譜響應(yīng)寬而且平坦，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，并且在常溫下就能工作，使用方便，應(yīng)用

13、仍相當(dāng)廣泛。10.2.1 紅外光子傳感器 紅外光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在紅外輻射的照射下，產(chǎn)生光電效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化，就可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。 按照紅外光子傳感器的工作原理，一般分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)傳感器兩種。內(nèi)光電效應(yīng)傳感器又分為光電導(dǎo)傳感器、光生伏特(簡(jiǎn)稱光伏)傳感器和光磁電傳感器3種。 (1) 大部分外光電傳感器只對(duì)可見光有響應(yīng)?？捎糜诩t外輻射的光電陰極很少。S-1(Ag-O-Cs)是一種。它的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)是0.8 ，光譜響應(yīng)擴(kuò)展到1.2 。目前外光電效應(yīng)探測(cè)器只用于可見光和近紅外波長(zhǎng)范圍。 (2) 光電導(dǎo)探測(cè)器利用半導(dǎo)體作材料，可以分為

14、多晶薄膜形式和單晶形式兩種類型。薄膜型的光電導(dǎo)探測(cè)器品種較少，常用的只有PbS和PbSe兩種。PbS適用于13 近紅外附近的大氣窗口。PbSe適用于35 的大氣窗口。 (3) 光伏探測(cè)器按使用要求不同可分為兩類，一類是用作能量轉(zhuǎn)換和光電控制，如光電池；另一類是主要作為光電信號(hào)變換的光伏器件，如光敏二極管、光敏晶體管、雪崩光敏二極管、光伏HgCdTe和PbSnTe紅外探測(cè)器。 單晶型的光電導(dǎo)探測(cè)器可再細(xì)分為本征型和摻雜型兩類。本征型中InSb是35 區(qū)間最優(yōu)良的探測(cè)器，HgCdTe和PbSnTe探測(cè)器適用于814 大氣窗口。此外還有適用于極近紅外的Si與適用于14 的Te等探測(cè)器。摻雜型主要為適

15、用于814 的GeHg。此外，GeCu和GeCd雖能探測(cè)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外輻射，但工作時(shí)必須冷卻到4K，使用不方便。此外Si摻雜的探測(cè)器近來(lái)亦有較大的進(jìn)展。光電池工作時(shí)不必加偏置電壓，材料都采用單晶。常用的單晶材料有Si(響應(yīng)區(qū)間約微米)、Ge(峰值響應(yīng)波長(zhǎng)約為微米)、室溫工作的TnSb(1微米)、77K溫度工作的InAs(1微米)、77K溫度工作的InSb(2微米)等。 硅光敏二極管是一種常用光電探測(cè)器，其光譜范圍在0.41.1 ，峰值波長(zhǎng)為0.9 ，主要用于可見光和近紅外探測(cè)。Pb1-xSnxTe紅外探測(cè)器可以通過(guò)改變其組分x和器件工作溫度來(lái)得到不同的光譜響應(yīng)，通常的工作溫度可以有15K、77

16、K等，其光譜響應(yīng)范圍是814 。HgCdTe和PbSnTe除了有單元器件外，還可制作線陣和面陣器件，它是當(dāng)前紅外成像系統(tǒng)中重要的光探測(cè)器。 PIN硅光敏二極管的頻率響應(yīng)很高，達(dá)吉赫(GHz)量級(jí)，其峰值響應(yīng)波長(zhǎng)在1.041.06 之間。 目前制作的光伏HgCdTe紅外探測(cè)器可分別工作于室溫(300K)和液氮(77K)溫區(qū)，其響應(yīng)波長(zhǎng)可覆蓋114 。工作于77K的HgCdTe工作波段為814 ，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為10.6 左右。 (4) 光磁電傳感器的工作原理是光磁電效應(yīng)，如圖所示。半導(dǎo)體的上表面吸收光子后在上表面產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)要向體內(nèi)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過(guò)程中，因受到強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，電子和空穴各偏向一側(cè)

17、，因而產(chǎn)生電位差。這個(gè)現(xiàn)象就叫做光磁電效應(yīng)。利用這個(gè)效應(yīng)測(cè)量紅外輻射的探測(cè)器稱為光磁電探測(cè)器。常用的材料有InSb與HgTe等。 光磁電傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要致冷設(shè)備和外加電源，但靈敏度比光導(dǎo)型和光伏型器件低，且需要外加強(qiáng)磁場(chǎng)。 10.2.2 紅外熱傳感器 熱探測(cè)器吸收紅外輻射后溫度升高，可以使探測(cè)材料產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化等，測(cè)量這些物理性能的變化就可以測(cè)定被吸收的紅外輻射能量或功率。 1. 測(cè)輻射熱電偶和熱電堆 測(cè)輻射熱電偶是利用溫差電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器。所謂溫差電效應(yīng)是指把兩種不同的金屬或半導(dǎo)體細(xì)絲連接成一個(gè)封閉環(huán)路，當(dāng)一個(gè)接頭吸收紅外輻射因而它的溫度高于另一個(gè)

18、接頭時(shí)，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從電動(dòng)勢(shì)的大小可以測(cè)定接頭處所吸收的紅外輻射功率。 若干個(gè)熱電偶串接在一起就成為熱電堆。 圖示為一種熱電堆探測(cè)器，共有8支串聯(lián)的熱電偶，8支熱電偶的熱端焊接在鍍有一薄層黑色的鉑黑受熱片上，熱電偶的冷端焊在一個(gè)金屬箔上，金屬箔固定在兩片絕緣絕熱的云母環(huán)中間，云母環(huán)固定有引出線，從引出線上可以得到8支熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的和。這種熱電堆能量損失小，具有較小的熱慣性和較高的靈敏度。 溫差電偶型探測(cè)器的探測(cè)率可達(dá) ，響應(yīng)時(shí)間約3050 ms，目前生產(chǎn)的紅外分光光度計(jì)大多采用溫差電偶型探測(cè)器作為輻射接收器。 2. 測(cè)輻射熱敏電阻測(cè)輻射熱敏電阻是利用材料的電阻對(duì)溫度敏感的特性來(lái)探測(cè)紅外

19、輻射的器件。通常采用負(fù)溫度系數(shù)氧化物半導(dǎo)體作為熱敏材料。圖示為測(cè)輻射熱敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖。熱敏電阻薄片的厚度約10 ，形狀呈方形或長(zhǎng)方形，邊長(zhǎng)從0.1mm到10mm，形狀和大小根據(jù)實(shí)際需要確定。電阻值一般在幾百千歐到幾兆歐之間，電阻值取決于材料的電阻率和元件的幾何尺寸。熱敏電阻薄片的兩端蒸鍍電極并接引線，上表面常涂有黑化層，以便增加對(duì)入射輻照的吸收，吸收率可以達(dá)到90%左右。 典型的測(cè)輻射熱敏電阻通常將結(jié)構(gòu)和性能相同的兩只熱敏電阻組裝在同一個(gè)管殼內(nèi)，如圖所示。其中，一只用來(lái)接收紅外輻射能量，稱為工作元件，另一只被屏蔽起來(lái)不接收紅外輻射能，稱為補(bǔ)償元件，它能起溫度補(bǔ)償作用。兩只元件盡可能靠得近些

20、，以便保證有相同的環(huán)境條件。測(cè)量電路常用電橋電路。 測(cè)輻射熱敏電阻技術(shù)性能并不高，其探測(cè)率在調(diào)制頻率小于30Hz的低頻區(qū)一般為 ，這比熱電堆的探測(cè)率約低一個(gè)數(shù)量級(jí)，比熱釋電探測(cè)器低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)一般為幾毫秒幾十毫秒，遠(yuǎn)不如熱釋電探測(cè)器響應(yīng)快。但測(cè)輻射熱敏電阻的穩(wěn)定性好，又比較牢固，容易與放大器匹配，且是一種對(duì)各種波長(zhǎng)都有相同響應(yīng)的無(wú)選擇性探測(cè)器件，在115 的常用紅外波段內(nèi)響應(yīng)度基本上與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，這是光子探測(cè)器所達(dá)不到的。目前熱敏電阻在814 波段應(yīng)用很廣，所以它在基礎(chǔ)科學(xué)研究、工業(yè)及空間技術(shù)等方面仍有相當(dāng)數(shù)量的應(yīng)用。例如在測(cè)輻射計(jì)、熱成象儀和工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制等若干裝置中

21、都可以使用熱敏電阻。 3. 熱釋電探測(cè)器 熱釋電紅外探測(cè)器是一種新型的熱探測(cè)器，它是利用某些材料的熱釋電效應(yīng)探測(cè)輻射能量的器件。由于熱釋電信號(hào)正比于器件溫升隨時(shí)間的變化率，而不像通常熱探測(cè)器那樣需要有個(gè)熱平衡過(guò)程，因此，熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)速度比其他熱探測(cè)器快得多。它不但可以工作于低頻，而且能工作于高頻，目前最好的熱釋電探測(cè)器的探測(cè)率可以高達(dá) ，已經(jīng)超過(guò)了所有的室溫?zé)崽綔y(cè)器。因而熱釋電探側(cè)器不僅具有室溫工作、光譜響應(yīng)寬等熱探測(cè)器的共同優(yōu)點(diǎn)，而且也是探測(cè)率最高、頻率響應(yīng)最寬的熱探測(cè)器。隨著熱釋電探測(cè)器研究的不斷深入和發(fā)展，其應(yīng)用也日趨廣泛，不僅應(yīng)用于光譜儀、紅外測(cè)溫儀、熱像儀和紅外攝像管等方面，而

22、且在快速激光脈沖監(jiān)測(cè)和紅外遙感技術(shù)中也得到了實(shí)際應(yīng)用。 1) 熱釋電效應(yīng) 熱釋電探測(cè)器所用材料為熱電晶體，如硫酸三甘肽(TGS)、鈮酸鍶鋇(SBN)、鉭酸鋰、鈮酸鋰等。熱電晶體：在具有非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的極性晶體中，即使在外電場(chǎng)和應(yīng)力均為零的情況下，本身也具有自發(fā)極化，自發(fā)極化強(qiáng)度Ps是溫度的函數(shù),即溫度升高時(shí)，Ps減小，當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，Ps=0。具有這種性質(zhì)的晶體稱為熱電晶體。 熱釋電效應(yīng)：由于自發(fā)極化，熱電晶體的外表面上應(yīng)出現(xiàn)面束縛電荷，在垂直于Ps的晶體表面上面束縛電荷密度 =Ps。但平時(shí)這些面束縛電荷常被晶體內(nèi)部和外來(lái)的自由電荷所中和，因此晶體并不顯出外電場(chǎng)。但是由于自由電荷中和面束

23、縛電荷所需要的時(shí)間很長(zhǎng)，大約從數(shù)秒到數(shù)小時(shí)，而晶體的自發(fā)極化的弛豫時(shí)間很短，約為10-12s，因此，當(dāng)熱電晶體溫度以一定頻率發(fā)生變化時(shí)，由于面束縛電荷來(lái)不及被中和，晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度或面束縛電荷密度 必然以同樣的頻率出現(xiàn)周期性變化，并產(chǎn)生一個(gè)交變的電場(chǎng)。這種現(xiàn)象就是熱釋電效應(yīng)。 工作原理：若用調(diào)制頻率為f的紅外輻射照射熱電晶體，則晶體溫度、自發(fā)極化強(qiáng)度以及由此引起的面束縛電荷密度均隨頻率f發(fā)生周期性變化。如果1/f小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時(shí)間，那么在垂直于Ps的兩端面間產(chǎn)生交變開路電壓。若在這二個(gè)端面涂上電極，并通過(guò)負(fù)載連成閉合回路，在回路中就會(huì)有電流流過(guò)，而且在負(fù)載的兩端產(chǎn)生交變的

24、信號(hào)電壓。這就是熱釋電探測(cè)器工作的基本原理。2) 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)示意 熱釋電傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) 熱釋電傳感器按其內(nèi)部安裝敏感元件數(shù)量的多少，分為單元件、雙元件、四元件及特殊形式等幾種。最常用的為雙元件型，如圖所示。所謂雙元件是指在一個(gè)傳感器中有兩個(gè)反相串聯(lián)的敏感元件，雙元件傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：(1) 當(dāng)能量順序地入射到兩個(gè)元件上時(shí)，其輸出要比單元件器件高一倍；(2) 由于兩個(gè)元件逆向串聯(lián)使用，對(duì)同時(shí)輸入的能量會(huì)相互抵消，由此可防止太陽(yáng)的紅外線引起的誤動(dòng)作；(3) 可以防止由于環(huán)境溫度變化引起的檢測(cè)誤差。 3) 熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)(1) 在室溫下即可正常工作，無(wú)需致冷。(2

25、) 使用溫度必須低于熱釋電元件材料的居里點(diǎn)溫度。如硫酸三甘肽(TGS)的居里點(diǎn)溫度為49、鉭酸鋰為660、鋯鈦酸鉛(PZT)為360。(3) 對(duì)恒定輻照無(wú)響應(yīng)。只有在變化輻照下，產(chǎn)生溫度變化過(guò)程中，才有熱釋電電流輸出。因此使用時(shí)必須用調(diào)制斬波器將入射輻照變換為交流信號(hào)，或使用脈沖光輻射。熱釋電傳感器實(shí)物 10.3 紅外傳感器的主要性能參數(shù) 1. 響應(yīng)率 當(dāng)經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外輻射照射到傳感器的敏感面上時(shí)，傳感器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比，稱為傳感器的響應(yīng)率，記作R，單位為V/W或 。式中：Us為紅外傳感器的輸出電壓(V)；P0為入射到紅外敏感元件單位面積上的功率(W/cm)；A0為紅外傳感器敏

26、感元件的面積(cm)。 2. 時(shí)間常數(shù) 時(shí)間常數(shù)表示紅外傳感器的輸出信號(hào)隨紅外輻射變化的速率。輸出信號(hào)滯后于紅外輻射的時(shí)間，稱為傳感器的時(shí)間常數(shù)。時(shí)間常數(shù)：式中：fc為響應(yīng)率下降到最大值的0.707(3dB)時(shí)的調(diào)制頻率。熱傳感器的熱慣性和RC參數(shù)較大，其時(shí)間常數(shù)大于光子傳感器，一般為毫秒級(jí)或更長(zhǎng)，光子傳感器的時(shí)間常數(shù)很小，一般為微秒級(jí)。 3. 響應(yīng)波長(zhǎng)范圍響應(yīng)波長(zhǎng)范圍或稱光譜響應(yīng)，表示傳感器的電壓響應(yīng)率與入射紅外輻射波長(zhǎng)之間的關(guān)系。由于熱傳感器的電壓響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，它的響應(yīng)曲線是一條平行于橫坐標(biāo)(波長(zhǎng))的直線。而光子傳感器的電壓響應(yīng)率是波長(zhǎng)的函數(shù)，因此是一條隨波長(zhǎng)變化的曲線，如圖所示，存在

27、峰值波長(zhǎng)( )，把響應(yīng)率下降到最大值的一半所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng)( )，截止波長(zhǎng)的區(qū)間表示了紅外傳感器響應(yīng)波長(zhǎng)的范圍。 4噪聲等效功率 由于探測(cè)器存在噪聲，所以不能無(wú)限地測(cè)量小的輻射信號(hào)，當(dāng)輻射小到它在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)完全被探測(cè)器的噪聲所淹沒時(shí)，這時(shí)探測(cè)器就無(wú)法肯定是否有輻射信號(hào)投射在探測(cè)器上，探測(cè)器探測(cè)輻射的能力就有了一個(gè)限度，通常我們用噪聲等效功率NEP來(lái)表征探測(cè)器的這個(gè)特征。 當(dāng)輻射在探測(cè)器上產(chǎn)生的信號(hào)電壓正好等于探測(cè)器本身的噪聲電壓值(即信號(hào)噪聲比為1)時(shí)，所需投射到探測(cè)器上的輻射功率稱為探測(cè)器的噪聲等效功率，即式中：P0為入射到紅外敏感元件單位面積上的功率(W/cm)；A0為紅外

28、傳感器敏感元件的面積(cm)；Us為紅外傳感器的輸出電壓(V)；UN為紅外傳感器的綜合噪聲電壓(V)；R為紅外傳感器的電壓響應(yīng)率(V/W)。 5. 探測(cè)率探測(cè)率是噪聲等效功率NEP的倒數(shù)，以D表示，單位為W-1，即紅外傳感器的探測(cè)率越高，表明傳感器所能探測(cè)到的最小輻射功率越小，傳感器就越靈敏。 6. 比探測(cè)率 比探測(cè)率又稱歸一化探測(cè)率，或稱探測(cè)靈敏度。實(shí)質(zhì)上就是當(dāng)傳感器的敏感元件面積為單位面積，放大器的帶寬為1Hz時(shí)，單位功率的輻射所獲得的信號(hào)電壓與噪聲電壓之比，通常用符號(hào)D*表示，單位是 ： 由D*的定義可知，比探測(cè)率與傳感器的敏感元件面積和放大器的帶寬無(wú)關(guān)。這樣在不同的傳感器對(duì)比時(shí)，就比較

29、方便了。在一般情況下，D*越高，傳感器的靈敏度越高、性能越好。目前已有許多品種的紅外探測(cè)器可供設(shè)計(jì)人員選擇應(yīng)用，探測(cè)的光譜覆蓋區(qū)已擴(kuò)大到1120 。 圖示為常用紅外探測(cè)器光譜探測(cè)率曲線。由圖示曲線可以得出紅外光子探測(cè)器和紅外熱探測(cè)器各有哪些特點(diǎn)？10.4 紅外傳感器應(yīng)用舉例10.4.1 紅外測(cè)溫溫度的測(cè)量方法可分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩類，測(cè)溫傳感器種類繁多紅外測(cè)溫是一種比較先進(jìn)的測(cè)溫方法，主要特點(diǎn)是： (1) 紅外測(cè)溫是遠(yuǎn)距離和非接觸測(cè)溫，特別適合于運(yùn)動(dòng)物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測(cè)量。 (2) 紅外測(cè)溫反應(yīng)速度快，它不需要與物體達(dá)到熱平衡的過(guò)程，只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可定溫。

30、反應(yīng)時(shí)間一般都在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)。(3) 紅外測(cè)溫靈敏度高，因?yàn)槲矬w的輻射能量與溫度的四次方成正比。物體溫度微小的變化，就會(huì)引起輻射能量較大的變化，紅外探測(cè)器即可迅速地檢測(cè)出來(lái)。 (4) 紅外測(cè)溫準(zhǔn)確度較高，由于是非接觸測(cè)量，不會(huì)破壞物體原來(lái)溫度分布狀況，因此測(cè)出的溫度比較真實(shí)。測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.1，甚至更小。 (5) 紅外測(cè)溫范圍廣泛，可測(cè)攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍。紅外溫度測(cè)量方法，幾乎可以應(yīng)用于所有溫度測(cè)量場(chǎng)合。 1. 紅外測(cè)溫的基本方法基于輻射體的溫度與輻射能之間的不同物理定律的函數(shù)形式，紅外輻射測(cè)溫方法有3種：全輻射測(cè)溫、單色輻射式測(cè)溫、比色測(cè)溫。 1) 全輻射測(cè)溫(輻射

31、溫度)全輻射測(cè)溫的理論依據(jù)是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，即總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比。 基于全輻射測(cè)溫原理的輻射溫度計(jì)測(cè)出的溫度稱為輻射溫度TF。輻射溫度的定義為：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能時(shí)，此黑體之溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)式(10-11)，總輻射能相等條件下可得:式中：T為非黑體的真實(shí)溫度；TF為非黑體的輻射溫度； 為非黑體的發(fā)射率。因此用輻射溫度計(jì)測(cè)量非黑體溫度時(shí)，必須知道物體的發(fā)射率 后才能換算成真實(shí)溫度T。由于非黑體的發(fā)射率 1，因此，用輻射溫度計(jì)測(cè)出的溫度要比物體真實(shí)溫度低，發(fā)射率越小，誤差越大。 2) 單色輻射式測(cè)溫(亮度溫度) 根據(jù)維恩公式，黑體的輻射本領(lǐng)是波長(zhǎng)

32、和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，就僅僅與溫度有關(guān)，這就是單色輻射式測(cè)溫的理論依據(jù)。測(cè)量時(shí)接收到的實(shí)際是目標(biāo)物體在某方向上的輻射出射度，即光譜輻射亮度，一般將測(cè)量物體看作余弦輻射體，則有： 單色輻射式測(cè)溫儀器是以黑體的光譜輻射亮度來(lái)刻度的，如果被測(cè)物體為非黑體時(shí)就會(huì)出現(xiàn)偏差。因?yàn)樵谕粶囟认路呛隗w的光譜輻射亮度比黑體低，因此儀器測(cè)量的非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低。為了校正這個(gè)偏差，引入了亮度溫度TL的概念。 亮度溫度定義為：當(dāng)被測(cè)物體為非黑體，在同一波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度同絕對(duì)黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，則黑體的溫度稱為被測(cè)物體在波長(zhǎng)為時(shí)的亮度溫度。 根據(jù)亮度溫度的定義，則有：上式左邊為非黑體光譜輻射亮度

33、，右邊為黑體的光譜輻射亮度，TL為亮度溫度，T為真實(shí)溫度， 為被測(cè)物體在溫度為T、波長(zhǎng)為時(shí)的發(fā)射率。結(jié)合維恩公式得：對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)并整理得：若已知物體的單色發(fā)射率 ，就可以從亮度溫度TL求出物體的真實(shí)溫度T。 3) 比色測(cè)溫(比色溫度)比色測(cè)溫是通過(guò)測(cè)量輻射體在兩個(gè)或兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜輻射亮度之比來(lái)測(cè)量溫度的。對(duì)于溫度為T的黑體，在波長(zhǎng)為 和 時(shí)的光譜輻射亮度之比為R，根據(jù)維恩公式，則有：對(duì)上式取對(duì)數(shù)并整理得由于比色測(cè)溫儀是以黑體在 和 波長(zhǎng)的光譜輻射亮度來(lái)刻度的，測(cè)量非黑體時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，為此定義比色溫度TS。 比色溫度是指：黑體輻射的兩個(gè)波長(zhǎng) 和 的光譜輻射亮度之比等于非黑體的相應(yīng)的光譜輻射亮度之比時(shí)，黑體的溫度即為這個(gè)非黑體的比色溫度TS。根據(jù)比色溫度的定義，可進(jìn)一步求出物體的真實(shí)溫度與比色溫度的關(guān)系如下： 式中： 、 分別為物體在 和 時(shí)的單色發(fā)射率；T是物體的真實(shí)溫度；TS是物體的比色溫度。由于同一物體的不同波長(zhǎng)的單色發(fā)射率變化很小，如果所選 和 很接近，則發(fā)射率的影響就非常小，所以用比色測(cè)溫法測(cè)得的比色溫度TS與物體的真實(shí)溫度T很接近，一般可以不進(jìn)行校正。 2. 紅外輻射測(cè)溫儀 紅外輻射測(cè)溫儀的基本組成包括光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路、顯示輸出等部分。以WDL-31型光電高溫計(jì)為例說(shuō)明輻射測(cè)溫儀的結(jié)構(gòu)及工作原理。 選擇紅外測(cè)溫儀時(shí)應(yīng)主