傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器

07傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器-下9/22/2023107傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下10.5紅外傳感器10.5.1紅外基礎(chǔ)知識1.紅外輻射概述

俗稱紅外線，位于可見光中紅光以外，是一 種人眼看不見的光線任何溫度高于絕對零度的物體，都有紅外線 向周圍空間輻射9/22/2023207傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下波長范圍大致在0.75

m到1000

m的頻譜范圍之內(nèi)，相應(yīng)于頻率在4

1014~3

1011Hz之間紅外線與可見光、紫外線等光線、γ射線和微波、無線電波一起構(gòu)成了整個無限連續(xù)的電磁波譜在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠(yuǎn)紅外區(qū)和極遠(yuǎn)紅外區(qū)四個區(qū)域。9/22/2023307傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下9/22/2023407傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下2.紅外輻射的物理本質(zhì)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，紅外輻射的能量就越強太陽光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)因此又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線9/22/2023507傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下實驗表明，波長在0.1—1000μm之間的電磁波被物體吸收時，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芸梢?，載能電磁波是熱輻射傳播的主要媒介物9/22/2023607傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下3.紅外吸收及紅外窗口紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中的氣體分子、水蒸汽以及固體微粒、塵埃等物質(zhì)的吸收和散射作用，使輻射能在傳輸過程中逐漸衰減空氣中對稱的雙原于分子，如N2．H2，O2不吸收紅外輻射，因而不會造成紅外輻射在傳輸過程中衰減9/22/2023707傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下右圖為通過一海里長度的大氣透過率曲線紅外輻射在通過大氣層時被分割成三個波段：1~2.5μm，3~5μm，8~14μm，統(tǒng)稱為“大氣窗口”這三個大氣窗口對紅外技術(shù)應(yīng)用特別重要，因為一般紅外儀器都工作在這三個窗口之內(nèi)9/22/2023807傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下4.紅外輻射源當(dāng)物體溫度高于絕對零度時，都有紅外線向周圍空間輻射出來有一種材料，在任何溫度下能吸收任何波長的電磁輻射，稱黑體（絕對黑體）根據(jù)輻射源幾何尺寸的大小，距探測器的遠(yuǎn)近，又分為面和源點源9/22/2023907傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下面源一般情況下，把充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時視場的大面輻射源叫做面源點源沒有充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時現(xiàn)場的大面源叫做點源太陽9/22/20231007傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下10.5.2紅外探測器1.紅外探測器的分類與特點紅外探測器有多種分類方法溫度：低溫中溫和高溫響應(yīng)波長：近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外用途：單元型、多元陣列型和成像探測探測機理：熱探測型與光電探測型9/22/20231107傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下紅外探測器分類9/22/20231207傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下2.紅外傳感器的性能參數(shù)（1）響應(yīng)率當(dāng)(經(jīng)過調(diào)制的)紅外輻射照射到傳感器的敏感面上時，傳感器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比,叫做傳感器的電壓響應(yīng)率，記作RUSC

紅外傳感器的輸出電壓，P

投射到紅外敏感元件

上的功率，R的單位為V/W。給出響應(yīng)率時應(yīng)說明工作溫度，和工作面積9/22/20231307傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下（2）光譜響應(yīng)表示傳感器的電壓響應(yīng)與入射的紅外輻射波長之間的關(guān)系，一般用曲線表示通常將響應(yīng)率最大值Rm所對應(yīng)的波長稱為峰值波長

m

把響應(yīng)率下降到響應(yīng)值Rm的一半所對應(yīng)的波長稱為截止波長

c，它表示紅外傳感器使用的波長范圍9/22/20231407傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下紅外傳感器的電壓響應(yīng)率曲線1:熱電傳感器的電壓響應(yīng)率曲線2:光子傳感器的電壓響應(yīng)率曲線9/22/20231507傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下（3）噪聲等效功率NEP如果投射到紅外敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓，正好等于傳感器本身的噪聲電壓，則這個輻射功率就叫做“噪聲等效功率”為了表明使用條件，常寫成NEP（

，f，f）如測量條件為：黒體500K，斬波頻率400Hz，測量帶寬1Hz，記為NEP（500K，400Hz，1Hz）9/22/20231607傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下（4）探測率D和比探測率D*探測率是噪聲等效功率的倒數(shù)，即紅外傳感器的探測率越高，表明傳感器所能探測到的最小輻射功率越小，傳感器就越靈敏9/22/20231707傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下比探測率又叫歸一化探測率、或者叫探測靈敏度實質(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△f為1Hz時，單位功率的輻射所獲得的信號電壓與噪聲電壓之比

D*越高，傳感器靈敏越高，性能越好9/22/20231807傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下（5）響應(yīng)時間響應(yīng)時間表示紅外傳感器的輸出信號隨紅外輻射變化的速率輸出信號滯后于紅外輻射的時間，稱為傳感器的時間常數(shù)，其值為探測器受輻射照射時輸出信號上升到穩(wěn)定值的63%時所需的時間常用τ

表示9/22/20231907傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下熱傳感器的熱慣性參數(shù)較大，其時間常數(shù)大于光子傳感器，一般為毫秒級或更長光子傳感器的時間常數(shù)τ一般為微秒級如鍺摻汞τ為10-5s，碲鎘汞τ為10-9s，超導(dǎo)YBCOτ為10-11s9/22/20232007傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下10.5.3紅外傳感器的基本類型紅外傳感器(也稱為紅外探測器)是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件它是紅外探測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，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、對于紅外探測系統(tǒng)十分重要9/22/20232107傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下1.熱傳感器熱傳感器是利用入射紅外輻射引起傳感器的溫度變化，進(jìn)而使相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化通過測量熱引起的有關(guān)物理參數(shù)的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射9/22/20232207傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下熱探測器的主要優(yōu)點是響應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作，使用簡單但是，熱傳感器響應(yīng)時間較長，靈敏度較低，一般用于低頻調(diào)制的場合熱傳感器主要類型有：熱釋電型高萊氣動型熱電偶型熱敏電阻型9/22/20232307傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下2.光子型紅外傳感器利用某些半導(dǎo)體材料與入射光作用后電學(xué)性質(zhì)的變化通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強弱利用光子效應(yīng)所制成的紅外傳感器，統(tǒng)稱光子傳感器光子型紅外傳感器比熱傳感器型來得直接，所以有許多優(yōu)點9/22/20232407傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下主要特點是靈敏度高，響應(yīng)速度快、具有較高的響應(yīng)頻率但其一般需在低溫下工作．探測波段較窄按照光子傳感器的工作原理，一般可分為：內(nèi)光電和外光電傳感器后者又分為光電導(dǎo)傳感器、光生伏特傳感和光磁電傳感器外光電傳感器（PE）采用光電二極管、光電倍增管等外光電效應(yīng)器件。它們的響應(yīng)速度比較快，一般只需幾個毫秒9/22/20232507傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下由于電子出射需要較大能量，只適合在近紅外和可見光范圍光電導(dǎo)傳感器（PC）用內(nèi)光電效應(yīng)。常用硫化鉛、硒化鉛、銻化銦等化合物半導(dǎo)體材料制作的光電導(dǎo)傳感器（光敏電阻）。這種光傳感器在工作時需要低溫利用砷化銦、銻化銦、碲鎘汞和碲錫鉛等制作的光生伏特PN結(jié)也是光子型傳感器9/22/20232607傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下10.5.4主要的熱傳感器

1.熱釋電型傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體（鐵電體）鐵電體的極化強度(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．引起薄片溫度升高，使其極化強度降低、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9/22/20232707傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)與等效電路見圖10.39所示在垂直于極化軸方向，將具有熱釋電性的晶體切片，并研磨成5~50

m的薄片，兩邊蒸金屬電極，就成為一紅外熱釋電元件9/22/20232807傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出輸出信號的大小，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弱熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變化的速率9/22/20232907傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時，傳感器沒有電信號輸出只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號輸出必須對紅外輻射進(jìn)行調(diào)制(或稱斬光)，使恒定的輻射變成交變輻射，不斷地引起傳感器的溫度變化，才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號9/22/20233007傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下2.高萊氣動型傳感器它有一個氣室，以一個小管道與一塊柔性薄片相連薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收膜，它是低熱容量的薄膜在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光欄投射到光電管上9/22/20233107傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下高萊氣動型傳感器利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱紅外輻射通過窗口入射到吸收膜上，吸收膜將吸收的熱能傳給氣體，使氣體溫度升高，氣壓增大，從而使柔鏡移動在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光欄投射到光電管上9/22/20233207傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下當(dāng)柔鏡因壓力變化而移動時．柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對位移，使落到光電管上的光量發(fā)生改變，光電管的輸出信號也發(fā)生改變變化量反映出入射紅外輻射的強弱特點是靈敏度高，性能穩(wěn)定但響應(yīng)時間長（20ms左右），結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度較差，只適合于實驗室內(nèi)使用9/22/20233307傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下3.測輻射熱電偶和勢電堆熱電偶是由熱電功率差別較大的兩種金屬材料(如鉍一銀、銅一康銅、鉍一鉍錫合金等)構(gòu)成的當(dāng)紅外輻射入射到這兩種金屬材料構(gòu)成的閉合回路的接點上時，該接點溫度升高。而另一個沒有被紅外輻射輻照的接點處于較低的溫度，此時，將產(chǎn)生溫差電勢9/22/20233407傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下9/22/20233507傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下溫差電勢的大小，反映了接點吸收紅外輻射的強弱利用溫差電勢現(xiàn)象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器熱電偶紅外傳感器的D*約為109cm·Hz1/2·W-9，R值為5~20

V/W

響應(yīng)時間長達(dá)幾十毫秒動態(tài)特性較差，調(diào)制頻率應(yīng)在10Hz以下9/22/20233607傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下熱電堆是把多個熱電偶進(jìn)行串聯(lián)，這樣可以獲得較大的信號，使響應(yīng)時間減小圖10.43為Sb-Bi熱電堆9/22/20233707傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下4.熱敏電阻型傳感器由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒結(jié)而成一般制成薄片狀，當(dāng)紅外輻射照射在熱敏電阻上，其溫度升高，電阻值減小測量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射的紅外輻射的強弱，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射物體的溫度9/22/20233807傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下熱敏電阻型紅外傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。9/22/20233907傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下也用金屬熱電阻，其受光面積為1~10mm2半導(dǎo)體熱熱敏電阻受光面積為0.1~10mm2

為了補償在傳感器殼體中通常使用兩個溫度傳感器，它們組成橋路輸出9/22/20234007傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下熱敏電阻的D*約為2×108cm·Hz1/2·W-1，響應(yīng)時間長達(dá)幾十毫秒。9/22/20234107傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下5.光磁電探測器如圖10.45所示，半導(dǎo)體表面經(jīng)光照后會產(chǎn)生電子-空穴光生載流子9/22/20234207傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下它們會向體內(nèi)擴散，受到一橫向磁場作用后，電子空穴各擴散到一邊，因而產(chǎn)生電位差這種現(xiàn)象稱光磁電效應(yīng)。利用這種效應(yīng)制作的紅外探測器稱光磁電探測器用銻化銦，碲鎘汞等材料制作9/22/20234307傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下光磁電傳感器不需要致冷，響應(yīng)波段可達(dá)7

m左右，時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快，不需加偏壓，內(nèi)阻極低，噪聲小，有良好的穩(wěn)定性和可靠性其不足之處是靈敏度較低，低噪音前置放大器制作困難，而且還要較強的磁場9/22/20234407傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下5.紅外傳感器使用中應(yīng)注意的問題

使用紅外傳感器時，必須首先注意了解它的性能指標(biāo)和應(yīng)用范圍，掌握它的使用條件選擇傳感器時要注意它的工作溫度。一般要選擇能在室溫工作的紅外傳感器，設(shè)備簡單，使用方便，成本低廉，便于維護(hù)9/22/20234507傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下10.5.5紅外測溫1.紅外測溫的特點①紅外測溫是遠(yuǎn)距離和非接觸測溫，特別適合于高速運動物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量②紅外測溫反應(yīng)速度快它不需要與物體達(dá)到熱平衡的過程，只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可定溫。反映時間一般都在毫秒級甚至微秒級9/22/20234607傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下③紅外測溫靈敏度高物體的輻射能與溫度的四次方成正比。溫度的微小變化，會引起輻射能變化放大，紅外傳感器即可迅速地檢測出來④紅外測溫準(zhǔn)確度較高由于是非接觸測量，不會破壞物體原來溫度分布狀況，因此測出的溫度比較真實。其測量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.1℃以內(nèi)，甚至更；⑤紅外測溫范圍廣泛攝氏零下幾十度到零上幾千度的范圍9/22/20234707傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下2.紅外測溫原理紅外測溫有幾種方法，我們介紹全輻射測溫全輻射測溫是測量物體所輻射出來的全波段輻射能量來決定物體的溫度9/22/20234807傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下它是應(yīng)用斯蒂芬-玻爾茲曼定律

W=εδ

T4

W-物體的全波輻射時單位面積所發(fā)射的輻射功率

ε-物體表面的法向比輻射率

δ-斯蒂芬一玻爾茲曼常數(shù)

T-物體的絕對溫度物體的ε總是在0與1之間，ε=1的物體叫做黑體T越大，物體的輻射功率就愈大9/22/20234907傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下3.紅外輻射測溫儀它由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外傳感器、放大器和指示器等組成光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式的、也可以是反射式的透射式光學(xué)系統(tǒng)的部件是用紅外光學(xué)材料制成的9/22/20235007傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下9/22/20235107傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下10.6激光傳感器10.6.1激光概述材料中的電子通常處于E1低能的穩(wěn)定狀態(tài)當(dāng)受到外界的激發(fā)（光、電場或射線）進(jìn)入高能狀態(tài)E2，稱受激當(dāng)外界條件除去后電子將回到其穩(wěn)定態(tài)，它的多余能量主要以光的形式釋放，稱發(fā)光9/22/20235207傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下電子從高能到穩(wěn)定態(tài)發(fā)射光子的頻率為一般，材料中處于高能的電子數(shù)目非常少，如果用特殊方法，使材料中的電子大部分處于受激態(tài)，稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)處于高能的電子在外來光的誘發(fā)下集體回復(fù)到低能級而發(fā)光，稱受激發(fā)光9/22/20235307傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下只有外來光子的頻率等于激發(fā)態(tài)原子的某一頻率時，才能發(fā)生受激發(fā)光（輻射）受激輻射發(fā)出的光子與外來光子有完全相同的特征：頻率相同，光的傳播方向相同，光的振動方向相同這意味著受激輻射能起著放大的作用，如下圖所示9/22/20235407傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下這種發(fā)射出來的光就是激光。其發(fā)生過程如下：用特殊方法，使工作物中離子數(shù)反轉(zhuǎn)，外來光子并附合9/22/20235507傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下將兩塊平行的反射鏡面對面放置，構(gòu)成一個“諧振腔”。工作物放在諧振腔中間原子中發(fā)出的光沿諧振腔傳播時，光子碰到鏡面，被反射折回，經(jīng)過兩鏡面的不斷往復(fù)反射，在運行過程中光子不斷的與受激原子碰撞，形成雪崩式的放大，最后形成了激光與普通光比，激光有以下特點：9/22/20235607傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下①高方向性激光具有高平行度，它的光束發(fā)散角非常小。激光在很窄的范圍內(nèi)，向特定方向發(fā)射②高單色性激光的頻率寬度比普通光的頻率寬度小10倍以上③高亮度也就是激光的強度非常高。如一臺高性能的紅寶石激光器的激光束可以產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫9/22/20235707傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下10.6.2激光器要產(chǎn)生激光必需要有工作物質(zhì)、激勵能源和諧振腔三個部分，將這三部分結(jié)合在一起的裝置就是激光器從1960年第一臺紅寶石激光器問世以來，已經(jīng)有數(shù)百種各種各樣的激光器研制成功，其波長從0.24

m到遠(yuǎn)紅外按照工作物的性質(zhì)，激光器可分為固體激光器、氣體激光器和液體激光器9/22/20235807傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下10.6.3激光檢測的應(yīng)用利用激光技術(shù)，可以對長度、位移、速度、轉(zhuǎn)動及振動進(jìn)行測量1.激光測長精密測長的精密機械制造工業(yè)和光學(xué)加工的重要技術(shù)9/22/20235907傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下現(xiàn)代長度計利用光波干涉現(xiàn)象進(jìn)行的，故光的單色性非常重要由光學(xué)原理，某種單色光可測長度L與單色光源波長

與譜線寬度

關(guān)系為 L=

2/

普通光的

較大，可測長度小于0.5m，而激光的

非常小可測長度為幾十公里對于一個數(shù)米的工件，用激光測長，精度可在0.1m9/22/20236007傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下2.激光測距與激光雷達(dá)激光測距的原理與無線電雷達(dá)一樣，將激光對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)出以后，測量它返回時間，從而得知距離若發(fā)出信號到接受信號的時間為t，因光速為c是一定值，固距離d為

d=1/2ct由于激光具有方向性、高單色性和高功率等優(yōu)良性能，這對于測遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高系統(tǒng)的信噪比保證測量的精確性都提供了保證9/22/20236107傳感器及應(yīng)用第10章光學(xué)傳感器下激光雷達(dá)不僅能測量目標(biāo)距離，還可以測出目標(biāo)的方位和目標(biāo)的速度和加速度等激光雷達(dá)已成功地用于對人造衛(wèi)星進(jìn)行測距與跟蹤用紅寶石激光器的激光雷達(dá)