第12章紅外傳感器

第12章紅外傳感器12.1紅外傳感器12.1.1紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖12-1所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。圖12–1電磁波譜圖

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。紅外光的本質(zhì)與可見光或電磁波性質(zhì)一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對(duì)稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)特別重要，因此紅外探測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)。12.1.2紅外探測(cè)器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。

1.熱探測(cè)器熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測(cè)量物理參數(shù)的變化來確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。但熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測(cè)器倍受重視，發(fā)展很快。這里我們主要介紹熱釋電型探測(cè)器。

熱釋電型紅外探測(cè)器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的，即電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。用此效應(yīng)制成的“鐵電體”，其極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(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)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。

2.光子探測(cè)器光子探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象——這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學(xué)現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測(cè)器。光子探測(cè)器有內(nèi)光電和外光電探測(cè)器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測(cè)器等三種。光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測(cè)波段較窄，一般需在低溫下工作。12.1.3紅外傳感器的應(yīng)用

1.紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測(cè)量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測(cè)器檢測(cè)其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測(cè)溫儀工作在任意紅外波段。

圖12-2是目前常見的紅外測(cè)溫儀方框圖。它是一個(gè)包括光、機(jī)、電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng)，圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許8～14μm的紅外輻射能通過的材料。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。紅外探測(cè)器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測(cè)器，透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上。被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測(cè)器上，紅外探測(cè)器將紅外輻射變換為電信號(hào)輸出。圖12–2紅外測(cè)溫儀方框圖

紅外測(cè)溫儀的電路比較復(fù)雜，包括前置放大、選頻放大、溫度補(bǔ)償、線性化、發(fā)射率（ε）調(diào)節(jié)等。目前已有一種帶單片機(jī)的智能紅外測(cè)溫器，利用單片機(jī)與軟件的功能，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，提高了儀表的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式，也可以是反射式。反射式光學(xué)系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡，并在鏡的表面鍍金、鋁、鎳或鉻等對(duì)紅外輻射反射率很高的金屬材料。

2.紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性的吸收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，圖12-3給出了幾種氣體對(duì)紅外線的透射光譜，從圖中可以看出，CO氣體對(duì)波長(zhǎng)為4.65μm附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78μm和4.26μm附近以及波長(zhǎng)大于13μm的范圍對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收能力。如分析CO氣體，則可以利用4.26μm附近的吸收波段進(jìn)行分析。圖12–3幾種氣體對(duì)紅外線的透射光譜

圖12-4是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖。該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外檢測(cè)器及電路等部分組成。光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3～10μm的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)。測(cè)量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。紅外檢測(cè)器是薄膜電容型，它有兩個(gè)吸收氣室，充以被測(cè)氣體，當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。圖12–4紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖

圖12-4所示結(jié)構(gòu)中還設(shè)置了濾波氣室，其目的是為了消除干擾氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測(cè)氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2在4～