紅外傳感技術(shù)第三章紅外探測器

1、紅外傳感技術(shù)第三章紅外探測器第1頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二完整的紅外探測器的構(gòu)成一個完整的紅外探測器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、電極引出線以及按需要而加的光闌、冷屏、場鏡、光錐、浸沒透鏡和濾光片等，在低溫工作的探測器還包括杜瓦瓶，有的還包括前置放大器。按探測器工作機(jī)理區(qū)分，可將紅外探測器分為熱探測器和光子探測器兩大類。第2頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二3.1.1 熱探測器工作原理：熱探測器吸收紅外輻射后產(chǎn)生溫升，然后伴隨發(fā)生某些物理性能的變化。測量這些物理性能的變化就可以測量出它吸收的能量或功率。常見的類型：常利用的物理性能

2、變化有下列四種，利用其中一種就可以制備一種類型的熱探測器。第3頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二1. 熱敏電阻熱敏物質(zhì)吸收紅外輻射后，溫度升高，阻值發(fā)生變化。阻值變化的大小與吸收的紅外輻射能量成正比。利用物質(zhì)吸收紅外輻射后電阻發(fā)生變化而制成的紅外探測器叫做熱敏電阻。熱敏電阻常用來測量熱輻射，所以又常稱為熱敏電阻測輻射熱器。常見的熱敏電阻及其應(yīng)用形式十分廣泛，例如圖3-1至3-8所示。 第4頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二 熱敏電阻器種類繁多，一般按阻值溫度系數(shù)可分為負(fù)電阻溫度系數(shù)和正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻器；按其阻值隨溫度變化的大小可分為緩變和突變型

3、；按其受熱方式可分為直熱式和旁熱式；按其工作溫度范圍可分為常溫。高溫和超低溫?zé)崦綦娮杵鳎话雌浣Y(jié)構(gòu)分類有棒狀。圓片。方片。墊圈狀。球狀。線管狀。薄膜以及厚膜等熱敏電阻器。第5頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二 熱敏電阻器的主要特點是對溫度靈敏度高，熱惰性小，壽命長，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，以及可制成各種不同的外形結(jié)構(gòu)。因此，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種元件已獲得了廣泛的應(yīng)用，如溫度測量。溫度控制。溫度補(bǔ)償。液面測定。氣壓測定。火災(zāi)報警。氣象探空。開關(guān)電路。過荷保護(hù)。脈動電壓抑制。時間延遲。穩(wěn)定振幅。自動增益調(diào)整。微波和激光功率測量等等。第6頁，共32頁，2022年，5月

4、20日，9點36分，星期二 電阻測輻射熱器，有半導(dǎo)體測輻射熱器、金屬測輻射熱器和超導(dǎo)體測輻射熱器。熱敏電阻是一種半導(dǎo)體測輻射熱器，常用Mn、Co和Ni的氧化物按一定比例混勻燒結(jié)成薄片，在吸收紅外輻射的表面制備一層吸收層，引出電極，封裝好后性能達(dá)到要求的即可使用。光敏面積一般為10的-2次平方毫米到幾個平方毫米。為了在確保所需視場的情況下提高探測靈敏度，常制備成浸沒型熱敏電阻探測器。第7頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二熱敏電阻在溫度補(bǔ)償中的應(yīng)用在儀表電路中，有很多像線繞電阻一樣用金屬絲做的元件。金屬絲一般都具有正溫度系數(shù)，采用負(fù)溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償，就能抵消由

5、于溫度變化所產(chǎn)生的誤差。圖3-9是一種溫度補(bǔ)償電路。是將NTC熱敏電阻與電阻溫度系數(shù)非常小的錳銅絲電阻并聯(lián)后再與被補(bǔ)償?shù)脑?lián)，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。?頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二圖3-9 熱敏電阻在儀表溫度補(bǔ)償中的應(yīng)用示意圖第9頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二熱敏電阻用在晶體管電路中穩(wěn)定工作點 圖3-10(a)所示為一個簡單晶體管電流放大器，在基極回路中接大了一個NTC熱敏電阻RT。在環(huán)境溫度變化時，線路輸出電流也會有變化，加大了NTC后就可自動調(diào)整這一級晶體管的集電極直流電流，穩(wěn)定晶體管的輸出增益。圖2用NTC穩(wěn)定晶體管工作點圖3-10

6、(b)中將NTC熱敏電阻肝與發(fā)射極電阻并聯(lián)，當(dāng)晶體管發(fā)射結(jié)電阻隨溫度升高而阻值增大時，NTC熱敏電阻RT就起到補(bǔ)償作用。圖3-10(c)為一晶體管收音機(jī)低頻功率放大級。在該級的下偏置電阻上并聯(lián)了一只NTC熱敏電阻RT，當(dāng)溫度升高引起集電極電流增加時，由于下偏置電阻減小，基極電流也減小，因而使集電極電流下降，起到了穩(wěn)定工作點的作用。第10頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二圖3-10 三種NTC熱敏電阻穩(wěn)定晶體管工作點的電路第11頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二用NTC熱敏電阻作溫度測量裝置 圖3-11為一熱敏電阻溫度計。圖中RT為熱敏電阻，由于熱敏電

7、阻的阻值隨溫度變化而變化，因而使接在電橋?qū)蔷€間的微安表指示也相應(yīng)地變化。熱敏電阻溫度計的精確度可以達(dá)到0.1 感溫靈敏度在10s以下。 第12頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二圖3-11 熱敏電阻溫度計 第13頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二熱敏電阻溫度采集電路圖3-12 溫度采集電路第14頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二熱敏電阻溫度特性曲線圖3-13 溫度特性曲線第15頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二2. 熱電偶把兩種不同的金屬或半導(dǎo)體細(xì)絲(也有制成薄膜結(jié)構(gòu))連成一個封閉環(huán)，當(dāng)一個接頭吸熱后其溫度

8、和另一個接頭不同，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為溫差電現(xiàn)象。利用溫差電現(xiàn)象制成的感溫元件稱為溫差電偶(也稱熱電偶)。溫差電動勢的大小與接頭處吸收的輻射功率或冷熱兩接頭處的溫差成正比，因此，測量熱電偶溫差電動勢的大小就能測知接頭處所吸收的輻射功率或冷熱兩接頭處的溫差。第16頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二圖3-14 熱電偶原理圖第17頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二制造溫差電偶的材料有純金屬、合金和半導(dǎo)體。常用于直接測溫的熱電偶一般是純金屬與臺金相配而成，如鉑錠鉑、鎳鉻鎳鋁和銅康銅等，它們被廣泛用于測量1300以下的溫度。用半導(dǎo)體材料制成的溫差電偶

9、比用金屬作成的溫差電偶的靈敏度高，響應(yīng)時間短，常用作紅外輻射的接收元件。將若干個熱電偶串聯(lián)在一起就成為熱電堆。在相同的輻照下，熱電堆可提供比熱電偶大得多的溫差電動勢。因此，熱電堆比單個熱電偶應(yīng)用更廣泛。第18頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二兩種不同材料或材料相同而逸出功不同的物體，當(dāng)它們構(gòu)成閉環(huán)回路時，如果兩個接點的溫度不相同，環(huán)路中就產(chǎn)生溫差電動勢，這就是溫差電效應(yīng)，也稱為塞貝克效應(yīng)。單個熱電偶提供的溫差電動勢比較小，滿足不了某些應(yīng)用的要求，所以常把幾個或幾十個熱電偶串聯(lián)起來組成熱電堆。熱電堆比熱電偶可以提供更大的溫差電動勢，新型的熱電堆采用薄膜技術(shù)制成，可稱為薄膜型

10、熱電堆。第19頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二熱電偶的溫度補(bǔ)償及信號解調(diào)圖3-21 熱電偶溫度冷端補(bǔ)償電路第20頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二圖3-22 熱電偶信號放大電路第21頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二圖3-23 熱電偶信號解調(diào)電路第22頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二3. 氣體探測器氣體在體積保持一定的條件下吸收紅外輻射后引起溫度升高，壓強(qiáng)增大。壓強(qiáng)增加的大小與吸收的紅外輻射功率成正比，由此，可測量被吸收的紅外輻射功率。利用上述原理制成的紅外探測器叫做氣體探測器。高萊管就是一種典型的氣體

11、探測器。第23頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二高萊管圖3-25 高萊管結(jié)構(gòu)示意圖第24頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二工作原理： 當(dāng)輻射通過紅外窗口到吸收膜上時，膜吸收輻射并傳給氣室的氣體，氣體溫度升高，壓力增大，柔鏡膨脹。為了測出它的移動量，另用一光源將投射到柔鏡背面的反射膜上。在沒有輻照時，氣室內(nèi)氣壓穩(wěn)定，柔鏡處于正常狀態(tài)，由柔鏡背面反射的光因被光柵遮擋照射不到光電管上。當(dāng)有輻照時，輻射透過窗口照射到吸收膜，吸收膜將吸收的能量傳給氣室，氣室溫度升高，氣壓增大，柔鏡膜片變形，從而引起反射光線的移動，通過光柵到達(dá)光電管的光強(qiáng)發(fā)生變化，由此可檢測紅

12、外輻射的強(qiáng)弱。第25頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二4. 熱釋電探測器有些晶體，如硫酸三甘肽，鉭酸鋰和鈮酸鍶鋇等，當(dāng)受到紅外輻射時，溫度升高，在某一晶軸方向上產(chǎn)生電壓。電壓大小與吸收紅外輻射的功率成正比。熱釋電紅外傳感器在熱輻射能量發(fā)生改變時，會產(chǎn)生電荷變化。這個效應(yīng)被用來探測紅外輻射的變化。這些熱釋電傳感器應(yīng)用于人體移動探測器，被動紅外防盜報警器，以及自動燈開關(guān)?；谕瑯拥脑恚瑹後岆妭鞲衅魍ㄟ^紅外吸收方法，應(yīng)用于氣體探測。 第26頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二熱釋電探測器的特點低噪聲，高響應(yīng)度 優(yōu)異的共模平衡-雙單元類型 TO-39，TO-

13、5封裝 各種濾波器窗口供寬帶或者窄帶應(yīng)用 單通道或者雙通道器件 雙元或者四元器件應(yīng)用于防盜產(chǎn)品 單元器件帶熱補(bǔ)償 第27頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二3.2 光子探測器光子探測器吸收光子后，發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起幾種電學(xué)現(xiàn)象。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為光子效應(yīng)。測量光子效應(yīng)的大小可以測定被吸收的光子數(shù)。利用光子效應(yīng)制成的探測器稱為光子探測器。第28頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二1. 光電子發(fā)射器件（外光電效應(yīng)）當(dāng)光入射到某些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體表面時，如果光子能量足夠大，能使其表面發(fā)射電子，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電子發(fā)射，屬于外光電效應(yīng)。利用光電子發(fā)

14、射制成的器件稱為光電子發(fā)射器件。如光電管和光電倍增管。光電倍增管的靈敏度很高，時間常數(shù)較短（約幾個毫微秒），所以在激光通訊中常使用特制的光電倍增管。第29頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二光電倍增管的應(yīng)用場合將微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件。光電管通常用于自動控制、光度學(xué)測量和強(qiáng)度調(diào)制光的檢測。如用于保安與警報系統(tǒng)、計數(shù)與分類裝置、影片音膜復(fù)制與還音、彩色膠片密度測量以及色度學(xué)測量等。光電倍增管用在光學(xué)測量儀器和光譜分析儀器中。它能在低能級光度學(xué)和光譜學(xué)方面測量波長 2001200納米的極微弱輻射功率。閃爍計數(shù)器的出現(xiàn)，擴(kuò)大了光電倍增管的應(yīng)用范圍。激光檢測儀器的發(fā)展與采用光電倍增管作為有效接收器密切有關(guān)。電視電影的發(fā)射和圖像傳送也離不開光電倍增管。光電倍增管廣泛地應(yīng)用在冶金、電子、機(jī)械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域。 第30頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二圖3-27 光電倍增管原理圖第31頁，共32頁，2022年，5月20日，9點36分，星期二光電管由真空管殼內(nèi)的光電陰極和陽極所構(gòu)成（圖中 a）。陽極相對陰極為正電位。光或輻