第八章 紅外輻射與紅外探測器

第八章紅外輻射與紅外探測器8.1紅外輻射的基礎(chǔ)知識8.1.1紅外輻射紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射----物體的溫度越高、輻射出來的紅外線越多，輻射出的能量就越強太陽光譜中各種單色光的熱效應(yīng)從紫外光到紅外光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)有紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。大氣吸收對紅外線測量有比較大的影響8.1.2紅外輻射源紅外輻射源：光物體的溫度高于絕對零度時，就有紅外線向周圍空間輻射出來，只要輻射紅外線的物體就叫做……面源：將充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場的輻射源叫作面源點源：未滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場的小面叫作點源8.2紅外探測器紅外探測器（紅外傳感器）熱探測器光子探測器8.2.1熱探測器光熱電主要器件可分為：熱敏電阻、熱電偶、熱釋電器件、高萊氣動型探測器①響應(yīng)率與波長無關(guān)，屬于無選擇性探測器②受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應(yīng)速度比較慢③峰值探測率低④可在室溫下工作熱探測器與前述的各種光電探測器相比，其特點為：1.熱敏電阻探測器材料：金屬或半導(dǎo)體金屬：溫度系數(shù)多為正，即有光照溫度升高時，電阻增大電阻變化量與溫度變化量成線性—可用于模擬測量半導(dǎo)體：溫度系數(shù)是負(fù)的，即有光照溫度升高時，電阻減小電阻變化與溫度變化非線性---適合于有、無兩種狀態(tài)的判定機理不同2.熱電偶型紅外探測器T0T0+ΔTAB溫差電偶接觸電勢溫差電勢中間導(dǎo)體定律：mVRLPN涂黑金箔溫差電堆：mV時間常數(shù)較大，被測輻射變化頻率一般在10HZ以下實體型：多用于測溫薄膜型：多用于標(biāo)定各種光源、測量各種輻射量特3.熱釋電型紅外探測器熱釋電效應(yīng)：(a)恒溫下(b)溫度變化(C)溫度變化時的等效表現(xiàn)Uout熱釋電器件RL極化強度過程的平均時間為：一般要求被測信號的變化頻率：無線紅外人體探測器4.高萊氣動型探測器特點：靈敏度高，性能穩(wěn)定但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度較差，只適合于實驗室使用8.2.2光子探測器1.外光電探測器（PE器件）光電管、光電倍增管2.光電導(dǎo)探測器（PC器件）光敏電阻3.光生伏特探測器（PU器件）---結(jié)型紅外探測器①同質(zhì)結(jié)②異質(zhì)結(jié)③肖特基結(jié)④雪崩管⑤量子阱4.光磁電探測器（PEM器件）某些半導(dǎo)體表面受光照，產(chǎn)生電子空穴對，它們在向體內(nèi)擴散的過程中受外磁場的作用各自偏向一邊形成開路電壓，稱為光磁電效應(yīng)8.3*紅外探測器的性能參數(shù)及使用中應(yīng)注意的事項8.3.1紅外探測器的性能參數(shù)電壓響應(yīng)率、光譜響應(yīng)、等效噪聲功率、比探測率和時間常數(shù)等8.3.2紅外探測器使用中應(yīng)注意的問題①選用探測器時要注意它的工作溫度②應(yīng)注意調(diào)整好探測器的偏流、偏壓，使其工作在最佳工作狀態(tài)③輻射源調(diào)制頻率應(yīng)和探測器的響應(yīng)頻率相匹配④探測器存放時要注意防潮、防振和防腐蝕⑤了解探測器的性能指標(biāo)、應(yīng)用范圍、和使用條件8.4紅外測溫8.4.1紅外測溫原理斯忒藩-玻耳茲曼定律8.4.2紅外測溫的特點①反應(yīng)速度快②靈敏度高③屬于非接解測溫④準(zhǔn)確度高?？尚∮?.1℃⑤可測攝氏負(fù)幾十度~幾千度的范圍8.4.3熱輻射傳感器---應(yīng)用實例1.熱輻射高溫計具有響應(yīng)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。測量范圍在400℃~3200℃.由于感溫部分不與被測介質(zhì)直接接觸，因此誤差較大2.熱輻射測溫儀1）結(jié)構(gòu)最高可測溫度為200℃，被測物體與傳感器的距離為10cm左右，其輻射能量為6mW只適用于近距離的非接觸測量如：齒輪箱齒輪的溫度，或機器內(nèi)不能接觸的部件的溫度測量2）測量電路3.輻射劑量率計現(xiàn)代工業(yè)、實驗室、醫(yī)療等場所的輻射量測量8.5紅外成像1.紅外變像管8.5.1紅外成像器件2.紅外攝像管熱釋電紅外攝像管---光導(dǎo)攝像管、硅靶攝像管、熱釋電攝像管可見光或近紅外區(qū)工作波長范圍較大2.集成紅外電荷耦合器件集成紅外電荷耦合器件---紅外CCD常用的紅外焦平面陣列有：PbSt和PbSe陣列、PtSi陣列、InSb陣列、HgCdTe陣列GaAs/AlGaAs陣列、摻雜硅陣列、熱釋電探測器陣列高爐焦平面紅外熱圖像儀紅外熱像儀8.5.2*原理圖：紅外成像器件的應(yīng)用實例一前置放大器電路：8.5.3*紅外分析儀工作依據(jù)：物質(zhì)的吸收特性很多物質(zhì)在紅外部分都有吸收帶，但不同的物質(zhì)吸收帶的據(jù)體位置不相同，所以通過測量物質(zhì)在紅外波段的吸收位置可以確定物質(zhì)的成分醫(yī)用二氧化碳分析儀光系統(tǒng)圖紅外成像器件的應(yīng)用實例一電子線路框圖8.6紅外無損檢測采用電流加熱的方法好處是可以通過改變電流的變化頻率來改變探測深度頻率低：透入深頻率高：表面溫度特性比較明顯，但太高時影響測量8.6.1焊接缺陷處的無損檢測8.6.2鑄件內(nèi)部缺陷探測利用液態(tài)氟利昂冷確，然后測其圖像8.6.3疲勞裂紋探測8.7紅外探測在軍事上的應(yīng)用因紅外輻射具有以下特點，所以在軍事上占有重要地位紅外輻射人眼不能見，所以避開敵方目視觀察。白天黑夜均可使用，特別適用于夜戰(zhàn)探測器自身不用發(fā)射光，采用被動接收系統(tǒng)，比用無線電雷達(dá)或可見光更安全、隱蔽，不易受干擾、保密性強。利用目標(biāo)和背景輻射的差異可較好的識別各種目標(biāo)，特別可以發(fā)現(xiàn)偽裝的軍事目標(biāo)，分辨率比微波好，比可見光更能適應(yīng)天氣條件缺點是：容易受云霧的影響8.7.1紅外偵察主要儀器有：紅外掃描器、