红外传感器19

1、12.1红外传感器12.1.1红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于石见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范圉大致40.761000 pm,红外线在电磁波谱中的位置如图12-1所示。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中纟外远纟I矽卜和极远红外。1宇iW戈1Liy m11xm 1町见光 « a_v B I 11111 fi 11 t 紫外线11缈卜线1ia 繊ii«z / pm. / cmio-9 i(r7 i(r5 i(r3 kt1 io io-1 io it? (fiii1B沁:i外j牝外11111111畅外1I-馳红外1152

2、101812X / pm63图12 - 1电磁波谱图红外辐射的物理木质是热辐射， 呈人部分是通过红外线辐射出來的。 的红外线越多，辐射的能量就越强。 磁波性质一样，具有反射、折射、个炽热物体向外辐规能 物体的温度越商,辂汾 红外光的本质耳可见光 散射、干涉、吸收等特性，它在真空屮也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。红外辐射和所冇电磁波-样，足以波的形式在空间直线传扌 的。它在大气中传播时，大气层对不同波反的红外线存在不同的 吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气屮对称 的双原子气体，如O2. H2等不吸收红外线。而红外线在左 过人气层时，冇三个张段透过率高，它们是22.6屮n、3

3、5 和814 gm,统称它们为“人气窗口” o这三个波段对红外探测 軍耍，因此红外探测器一般部工作在这三个波段（人气 QZ内。12.1.2红外探测器红外传感器一般由光学系统、示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器 是利用红外辐射与物质相&作用所呈现的物理效应来探测红外 辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热测器探测器和光子探测器两人类。热探测器的工作机理是:嫩感元件吸收辐射能肩引起温度升筒，进而使某些冇关物理参 数发个相应变化，通过测量物理参数的变化来确立探测器所I卑 收的红外辐射。与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰1 侑探测率低，响应时

4、间氏。但热探测器主耍优点是响应波段彳 响应范国可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，便用勺 当广泛。热探测器主要有四类:热释电型、热敏电阻型、热电PI和气体型。其中,热释电型探测器在热探测器中探测率最高;频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们匸要介绍热释电型探测器。热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即i 水胡、酒右酸钾钠、饮酸倾等品体受热产生温度变化时，44 拥列将发生变化，晶体口然极化，在其两农面产4：电荷的上址 称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”， 其极化强弓 （单位而积上的电荷）打温度冇关。当红外辐射照射到已经极并 的铁电体薄片农面上时引起薄片温度升馮，

5、便其极化强度降低，' 表向电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型M 感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产岁 一-个电信号输出。输出倍号的强弱取决丁薄片温度变化的快慢,（ 从血反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型纟I：外传感器的电丿） 册于入射光辐射率变化的速率。2.光子探测器牡光子探测器的I.作机理是：利用入射光辐射的光子流喝 测器材料小的电子互相作川，从而改变电子的能量状态，弓I起 各种电学现彖这种现彖称为光了效应。根据所产牛的不同4 学现彖，町制成备种不同的光子探测器。光子探测器令内光电 和外光电探测器两种，后若乂分为光电导、光生伏特和光磁电 挖测器等

6、三种。光子探测器的主要特点是处敏度高，响应速度快，具有钱同的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温卜12.1.3红外传感器的应用1.红外测温仪红外测温仪是利用热辐射休在红外波段的辐射通量來测量温呷 的。当物休的温度低于10()0°C时，它向外辐射的不再是叮见詁 而足红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所I 需波段的滤光片，町便红外测温仪工作在任意红外波段。图122是曰前常见的红外测温仪方框图。它是一个信号输出。机、电一体化的红外测温系统，图屮的光学系统是一个I占M 距的透射系统，滤光片一般采用只允许814 pm的红外辐射能 通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外

7、辐射M 制成交变的红外辐射线。红外探测器-般为（钳酸锂）热释电 探测器，透镜的値点落在其光敏而上。被测H标的红外辐射通 过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为卜红外测温仪的电路比较复朵，包括询宙放人、选频放昭 温度补偿、线性化、发射率（£）调节等。口前己冇一种带阀 机的智能红外测温器，利用单片机与软件的功能，大大简化了 硬件电路，提简了仪农的稳定性、町靠性和准确性。红外测温仪的光学系统町以是透射式，也町以是反射式。 反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的农面镀金、 铝、俅或的等对红外辐射反射率很高的金属材料。2.红外线气体分析仪也红外线气体分析仪是根据气体对红外线

8、II冇选择性的）Q 的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收 带）不同，图123给ill 了几种气体对红外线的透射光谱，从曲 中可以看出，CO气体对波长为4.65呵附近的红外线具有很强 的吸收能力，CO?气体则发住在2.78 pm和4.26 pun附近以及波长 人于13呻的范【科对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气 则可以利用4.26屮“附近的吸收波段进行分析。图124是工业用红外线气体分析仪的结构原理图。该型 仪由红外线辐射光源、气室、红外检测器及电路等部分组成嵋光源山镰铭丝通电加热发出310的红外线，切光片将吗 续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信 的检测。

9、测罠气室屮通入被分析气体，参比'C室屮封入不吸收 红外线的气体（如比等）。红外检测器是薄膜电容型，它有两 个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能駅后， 体温度升高，导致室内压力增大。21-光源；2IMS体反射備；3同步电 机：4切光片：5滤波气室：6参比7X红外探刊器；9放大器9krT红外线气体分析仪结构原理图测量时（如分析CO气体的含M）,两束红外线经反驴 光肩射入测量气室和参比气室，山于测量气室屮含冇一赵履 CO气体，该气体对4.65 pm的纟I外线何较强的吸收能力，而参 比气室屮气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸q目 气室的红外线光造成能量差异,使两吸收室压力不同,测晴 的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极 间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈人，两束光 强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化屋片 映工彼分析气体中被测气体的浓度。图124所示结构中还设置了滤波气室，其h的是为r 扰气体对测暈结果的影响。所谓干扰气体，是指耳被测气槁 收红外线波段有部分重吾的气体，如CO气体和