紅外傳感技術(shù)第三章紅外探測(cè)器

紅外傳感技術(shù)第三章紅外探測(cè)器第1頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月完整的紅外探測(cè)器的構(gòu)成一個(gè)完整的紅外探測(cè)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(chǎng)鏡、光錐、浸沒(méi)透鏡和濾光片等，在低溫工作的探測(cè)器還包括杜瓦瓶，有的還包括前置放大器。按探測(cè)器工作機(jī)理區(qū)分，可將紅外探測(cè)器分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類(lèi)。第2頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1.1熱探測(cè)器工作原理：熱探測(cè)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(cè)量這些物理性能的變化就可以測(cè)量出它吸收的能量或功率。常見(jiàn)的類(lèi)型：常利用的物理性能變化有下列四種，利用其中一種就可以制備一種類(lèi)型的熱探測(cè)器。第3頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)器叫做熱敏電阻。熱敏電阻常用來(lái)測(cè)量熱輻射，所以又常稱(chēng)為熱敏電阻測(cè)輻射熱器。常見(jiàn)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(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻器種類(lèi)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；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?；按其結(jié)構(gòu)分類(lèi)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(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

熱敏電阻器的主要特點(diǎn)是對(duì)溫度靈敏度高，熱惰性小，壽命長(zhǎng)，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)量。溫度控制。溫度補(bǔ)償。液面測(cè)定。氣壓測(cè)定?；馂?zāi)報(bào)警。氣象探空。開(kāi)關(guān)電路。過(guò)荷保護(hù)。脈動(dòng)電壓抑制。時(shí)間延遲。穩(wěn)定振幅。自動(dòng)增益調(diào)整。微波和激光功率測(cè)量等等。第6頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

電阻測(cè)輻射熱器，有半導(dǎo)體測(cè)輻射熱器、金屬測(cè)輻射熱器和超導(dǎo)體測(cè)輻射熱器。熱敏電阻是一種半導(dǎo)體測(cè)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(gè)平方毫米。為了在確保所需視場(chǎng)的情況下提高探測(cè)靈敏度，常制備成浸沒(méi)型熱敏電阻探測(cè)器。第7頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻在溫度補(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(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖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(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻用在晶體管電路中穩(wěn)定工作點(diǎn)圖3-10(a)所示為一個(gè)簡(jiǎn)單晶體管電流放大器，在基極回路中接大了一個(gè)NTC熱"敏電阻RT。在環(huán)境溫度變化時(shí)，線路輸出電流也會(huì)有變化，加大了NTC后就可自動(dòng)調(diào)整這一級(jí)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(diǎn)圖3-10(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(shí)，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(jí)。在該級(jí)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(shí)，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(diǎn)的作用。第10頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-10三種NTC熱敏電阻穩(wěn)定晶體管工作點(diǎn)的電路第11頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用NTC熱敏電阻作溫度測(cè)量裝置圖3-11為一熱敏電阻溫度計(jì)。圖中RT為熱敏電阻，由于熱敏電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(jì)的精確度可以達(dá)到0.1℃感溫靈敏度在10s以下。第12頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-11熱敏電阻溫度計(jì)第13頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻溫度采集電路圖3-12溫度采集電路第14頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻溫度特性曲線圖3-13溫度特性曲線第15頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(gè)封閉環(huán)，當(dāng)一個(gè)接頭吸熱后其溫度和另一個(gè)接頭不同，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為溫差電現(xiàn)象。利用溫差電現(xiàn)象制成的感溫元件稱(chēng)為溫差電偶(也稱(chēng)熱電偶)。溫差電動(dòng)勢(shì)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(cè)量熱電偶溫差電動(dòng)勢(shì)的大小就能測(cè)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(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-14熱電偶原理圖第17頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)溫的熱電偶一般是純金屬與臺(tái)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(cè)量1300℃以下的溫度。用半導(dǎo)體材料制成的溫差電偶比用金屬作成的溫差電偶的靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短，常用作紅外輻射的接收元件。將若干個(gè)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(dòng)勢(shì)。因此，熱電堆比單個(gè)熱電偶應(yīng)用更廣泛。第18頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)，如果兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不相同，環(huán)路中就產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，這就是溫差電效應(yīng)，也稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)。單個(gè)熱電偶提供的溫差電動(dòng)勢(shì)比較小，滿足不了某些應(yīng)用的要求，所以常把幾個(gè)或幾十個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)組成熱電堆。熱電堆比熱電偶可以提供更大的溫差電動(dòng)勢(shì)，新型的熱電堆采用薄膜技術(shù)制成，可稱(chēng)為薄膜型熱電堆。第19頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱電偶的溫度補(bǔ)償及信號(hào)解調(diào)圖3-21熱電偶溫度冷端補(bǔ)償電路第20頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-22熱電偶信號(hào)放大電路第21頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-23熱電偶信號(hào)解調(diào)電路第22頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.氣體探測(cè)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(cè)量被吸收的紅外輻射功率。利用上述原理制成的紅外探測(cè)器叫做氣體探測(cè)器。高萊管就是一種典型的氣體探測(cè)器。第23頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月高萊管圖3-25高萊管結(jié)構(gòu)示意圖第24頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作原理：當(dāng)輻射通過(guò)紅外窗口到吸收膜上時(shí)，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(cè)出它的移動(dòng)量，另用一光源將投射到柔鏡背面的反射膜上。在沒(méi)有輻照時(shí)，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(shí)，輻射透過(guò)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(dòng)，通過(guò)光柵到達(dá)光電管的光強(qiáng)發(fā)生變化，由此可檢測(cè)紅外輻射的強(qiáng)弱。第25頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.熱釋電探測(cè)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(shí)，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(shí)，會(huì)產(chǎn)生電荷變化。這個(gè)效應(yīng)被用來(lái)探測(cè)紅外輻射的變化。這些熱釋電傳感器應(yīng)用于人體移動(dòng)探測(cè)器，被動(dòng)紅外防盜報(bào)警器，以及自動(dòng)燈開(kāi)關(guān)?；谕瑯拥脑?，熱釋電傳感器通過(guò)紅外吸收方法，應(yīng)用于氣體探測(cè)。第26頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)·低噪聲，高響應(yīng)度·優(yōu)異的共模平衡-雙單元類(lèi)型·TO-39，TO-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?shù)?7頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2光子探測(cè)器光子探測(cè)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(chēng)為光子效應(yīng)。測(cè)量光子效應(yīng)的大小可以測(cè)定被吸收的光子數(shù)。利用光子效應(yīng)制成的探測(cè)器稱(chēng)為光子探測(cè)器。第28頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)，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(chēng)為光電子發(fā)射，屬于外光電效應(yīng)。利用光電子發(fā)射制成的器件稱(chēng)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(shí)間常數(shù)較短（約幾個(gè)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(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管的應(yīng)用場(chǎng)合將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的真空電子器件。光電管通常用于自動(dòng)控制、光度學(xué)測(cè)量和強(qiáng)度調(diào)制光的檢測(cè)。如用于保安與警報(bào)系統(tǒng)、計(jì)數(shù)與分類(lèi)裝置、影片音膜復(fù)制與還音、彩色膠片密度測(cè)量以及色度學(xué)測(cè)量等。光電倍增管用在光學(xué)測(cè)量?jī)x器和光譜分析儀器中。它能在低能級(jí)光度學(xué)和光譜學(xué)方面測(cè)量波長(zhǎng)200～1200納米的極微弱輻射功率。閃爍計(jì)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(cè)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(kāi)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(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3-27光電倍增管原理圖第31頁(yè)，課件共32頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光電管由真空管殼內(nèi)的光電陰極和陽(yáng)極所構(gòu)成（圖中a）。陽(yáng)極相對(duì)陰極為正電位。光或輻射照