紅外輻射與紅外探測器

紅外輻射與紅外探測器摘要紅外技術作為一種高精尖技術，廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、軍事及生產生活各個領域。本文首先分析了紅外輻射的電磁原理及其物理特性，簡單介紹了紅外技術和紅外探測器的發(fā)展歷史，而后詳細論述了紅外探測器的工作原理及其分類，著重介紹了熱電型紅外探測器和光電型紅外探測器，接著介紹了紅外技術的應用，包括紅外測溫、紅外分析儀、紅外無損檢測和紅外技術在軍事上的應用，最后分析了紅外技術的發(fā)展前景。關鍵詞：紅外輻射；紅外探測器；紅外測溫；發(fā)展前景；0引言紅外輻射技術是最近幾十年發(fā)展起來的一門新興技術，它在國防、科技和工農業(yè)生產等領域得到廣泛的應用，特別是在科學研究、軍事工程和醫(yī)學方面起著極其重要的作用。而紅外輻射技術的重要工具就是紅外探測器，也稱為紅外傳感器。紅外傳感器已經在現代化的生產實踐中發(fā)揮著巨大作用，尤其是在實現遠距離溫度監(jiān)測與控制方面。了解、掌握和應用紅外傳感器,成了許多專業(yè)工程技術人員的必須。紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，與其他光線一樣，是一種客觀存在的物質，任何溫度高于絕對零度的物體，都會向周圍空間輻射出紅外線，而且溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長。紅外線的波長范圍大致在0.76?1000》m,相對應的頻率大致在4X1014?3X10nHZ之間。在紅外技術中，根據紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離，一般將紅外輻射分為4個區(qū)域，即近紅外區(qū)（0.7?3》m）、中紅外區(qū)（3?6》m）、遠紅外區(qū)（6?16卩m）和極遠紅外區(qū)（大于16》m）。紅外光的物理本質是熱輻射，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，與所有電磁波一樣,紅外光具有反射、折射、干涉和吸收等性質,在真空中傳播的速度C=3X108m/s,而在介質中傳播時,會產生衰減,在金屬中傳播衰減很大,一般金屬材料基本上不能透過紅外線,大多數的半導體材料及一些塑料能透過紅外線,液體對紅外線的吸收較大。例如薄至1mm的水對紅外線的透明程度很小，當厚至1cm時水對紅外線幾乎完全不透明了。氣體對其吸收程度各不相同。介質的不均勻,晶體材料的不純潔，有雜質或懸浮小顆粒等，都會引起對紅外輻射的散射。發(fā)展歷史1800年，F.W.赫歇耳在太陽光譜中發(fā)現了紅外輻射的存在。當時，他使用的是水銀溫度計，即最原始的熱敏型紅外探測器。1830年，L.諾比利利用當時新發(fā)現的溫差電效應，制成了一種以半金屬鉍和銻為溫差電偶的熱敏型探測器，稱作溫差電型紅外探測器。1880年，S.P?蘭利利用金屬細絲的電阻隨溫度變化的特性制成另一種熱敏型紅外探測器，稱為測輻射熱計。19世紀，科學家們使用熱敏型紅外探測器，認識了紅外輻射的特性及其規(guī)律，證明了紅外線與可見光具有相同的物理性質，遵守相同的規(guī)律。1947年，M.J.E.高萊發(fā)明一種利用氣體熱膨脹制成的氣動型紅外探測器（又稱高萊管）。在40年代，又用半導體材料制作溫差電型紅外探測器和測輻射熱計，使這兩種探測器的性能比原來使用半金屬或金屬時得到很大的改進。60年代中期，出現了熱釋電型探測器，它也是一種熱敏型探測器，但其工作原理與前三種熱敏型紅外探測器有根本的區(qū)別。在紅外技術的發(fā)展中，需要特別指出的是：60年代激光的出現極大地影響了紅外技術的發(fā)展，很多重要的激光器件都在紅外波段，其相干性便于移用電子技術中的外差接收技術，使雷達和通信都可以在紅外波段實現，并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量。紅外探測器紅外探測器是一種能探測紅外線的器件,能把紅外輻射量轉換成電量變化，它的性能好壞，直接影響測量系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。按其工作原理可分為熱電型紅外探測器和光電型紅外探測器。熱電型紅外探測器熱電紅外探測器是利用紅外輻射的熱效應制成，采用熱敏元件。其光電轉換的過程分為兩步：第一步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。很據熱效應的不同，可把熱探測器分為熱敏電阻型探測器、熱電偶型探測器、熱釋電型探測器和高萊氣動型探測器。熱電型紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多，如：PbTiO3；陶瓷材料性能好，用它制成的紅外傳感器已用于人造衛(wèi)星地平線檢測及紅外輻射溫度檢測。鉭酸鋰(LiTaO3)，硫酸三甘肽(LATGS)及鈦鋯酸鉛(PZT)制成的熱釋電型紅外傳感器目前用得極廣。近年來開發(fā)的具有熱釋電性能的高分子薄膜聚偏二氟乙烯(PUF2)，已用于紅外成像器件、火災報警傳感器等方面。光電型紅外探測器光電紅外探測器利用紅外輻射的光電效應制成，采用光電元件，利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下，產生光電效應，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。光電效應探測器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起內光電效應和外光電效應等光子效應，從光子效應的大小可以測定被吸收的光子數。光電效應分為光電子發(fā)射、光電導效應和光生伏特效應。前一種現象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應。后兩種現象發(fā)生在物體內部，稱為內光電效應。根據光電型紅外探測器的工作原理，一般可分為外光電探測器和內光電探測器兩種。內光電探測器又分為光電導探測器、光生伏特探測器和光磁電探測器。光電型紅外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。紅外技術的應用4.1紅外測溫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：M=JM(九,T)dX=bT4BB0式中，b是斯忒藩-玻耳茲曼常數，大小為5.67X10-12W?cm-2K-4。關系式M二bT4稱為斯忒藩—玻耳茲曼定律。紅外測溫具有反應速度快、靈敏度高等特點。eB紅外測溫系統(tǒng)一般由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯聚其視場內的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號經過放大和信號處理，按照儀器內的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。4.2紅外分析儀紅外分析儀是根據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。根據吸收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。紅外氣體分析儀，是利用紅外線進行氣體分析的，它基于待分析組分的濃度不同，吸收的輻射能不同，剩下的輻射能使得檢測器里的溫度升高不同，動片薄膜兩邊所受的壓力不同，從而產生一個電容檢測器的電信號，這樣就可間接測量出待分析組分的濃度，對氣體成分進行分析。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。紅外探測在軍事上的應用紅外技術是在軍事應用中發(fā)展起來的，至今它在軍事應用中仍占重要地位。紅外技術有如下特點：紅外輻射不可見，可以避開敵方目視觀察；白天黑夜均可使用，特別適合夜戰(zhàn)的場合；采用被動接受系統(tǒng)，比用無線電雷達或可見光裝置安全、隱蔽；利用目標和背景輻射特性的差異，能較好地識別各種軍事目標。紅外探測的缺點是工作時受云霧的影響很大。紅外偵察和紅外雷達技術較為成熟。紅外掃描偵察器是被動式紅外探測儀器，它能感受從被觀察區(qū)域來的紅外輻射。掃描器收集輻射并聚焦在紅外探測器上，經電子系統(tǒng)放大處理后即可得到所要求的圖像。利用紅外偵察設備可以偵察出幾小時前敵人駐過的營地，能確定出燒飯、大炮和車輛的位置。紅外雷達具有搜索、跟蹤、測距等多種功能，一般采用被動式探測系統(tǒng)，包括搜索裝置、跟蹤裝置、測距裝置及數據處理與顯示系統(tǒng)等。紅外雷達的精度高，一般可達幾分的角精度，秒級精度也能做到。紅外技術的發(fā)展前景紅外技術作為一種高精尖技術，它與激光技術并駕齊驅，在軍事上占有舉足輕重的地位。紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外制導、紅外預警、紅外對抗等在現代和未來戰(zhàn)爭中都是很重要的戰(zhàn)術和戰(zhàn)略手段。在70年代以后，軍事紅外技術又逐步向民用部門轉化。紅外加熱和干燥技術廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、交通等各個行業(yè)和部門。紅外測溫、紅外測濕、紅外理療、紅外檢測、紅外報警、紅外遙感、紅外防偽更是越來越成為各行業(yè)爭相選用的先進技術。標志紅外技術最新成就的紅外熱成像技術，它與雷達、電視一起構成當代三大傳感系統(tǒng)，尤其是焦平面列陣技術的采用，將使它發(fā)展成可與眼睛相媲美的凝視系統(tǒng)。為了滿足紅外信息獲取技術的發(fā)展需求,美國等發(fā)達國家在頻譜波段上積極探索，在微波/毫米波、可見光/中波紅外/長波紅外等波段探測方面都取得了長足進展。隨著多波段工作,復合探測,數據融合,各種高新技術應用和發(fā)展,紅外預警探測系統(tǒng)的靈敏度、效能、定位精度更高,探測距離更遠,而且虛警率更低。因此,紅外探測技術,在未來現代化戰(zhàn)爭或局部戰(zhàn)爭中,將發(fā)揮更大的作用。結論紅外技術自1800年被發(fā)現以來，人們對她的研究從來沒有停止過，從醫(yī)療、檢測、航空到軍事等領域，幾乎處處能看到紅外的身影。但人們對她的研究仍然延續(xù)，人類對這座寶藏的開發(fā)還遠遠不夠，紅外產業(yè)還有廣闊的擴張空間。傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件,是實現現代化測量和自動控制的主要環(huán)節(jié),是現代信息產業(yè)的源頭。應用、研究和開發(fā)紅外傳感器和傳感器技術是信息時