红外传感器解析课件

1、第13章 红外传感器8/1/2022113.1 红外基础知识1.红外辐射概述 俗称红外线，位于可见光中红光以外，是一种人眼看不见的光线 任何温度高于绝对零度的物体，都有红外线向周围空间辐射8/1/20222波长范围大致在0.75m到1000 m的频谱范围之内，相应于频率在4101431011Hz之间红外线与可见光、紫外线等光线、射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱在红外技术中，一般将红外辐射分为近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区四个区域。8/1/202238/1/202242.红外辐射的物理本质红外辐射的物理本质是热辐射物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量

2、就越强太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内因此又将红外辐射称为热辐射或热射线8/1/20225实验表明，波长在0.11000m之间的电磁波被物体吸收时，可以显著地转变为热能可见，载能电磁波是热辐射传播的主要媒介物8/1/20226 利用微波炉工作时，发出的微波，在穿透含水分子的物品时，使水分子产生“共振”现象，水分子之间发生激烈的摩擦和碰撞，所以产生了热量，加热了含水的物品。微波炉工作波长0.12m左右。 要注意的是：用于盛装物品或者食物的容器，绝对不可以用金属的制品或者含有金属物的“组件”或是“组合品”，否则金属物或是金属制品会对

3、微波产生“不正常的反射”或阻挡，轻则使加热不均或者无法加热，严重者则出现金属物表面因电磁效应而出现“电晕”现象，重则使微波炉损坏。 微波炉的工作原理8/1/20227电磁炉工作原理商用电磁炉工作原理图电涡流原理图交变磁场在锅底产生涡电流，利用涡电流的热效应来加热食物。8/1/202283.红外吸收及红外窗口红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减空气中对称的双原于分子，如N2, H2，O2不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减8/1/20229右图为通过一海里长度的大气透过率曲线红外辐射在通过大气层

4、时被分割成三个波段： 12.5m，35m，814m，统称为“大气窗口”这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因为一般红外仪器都工作在这三个窗口之内8/1/2022104.红外辐射源当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间辐射出来有一种材料，在任何温度下能吸收任何波长的电磁辐射，称黑体（绝对黑体）根据辐射源几何尺寸的大小，距探测器的远近，又分为面和点源8/1/202211面源一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的大面辐射源叫做面源点源没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源太阳8/1/20221213.1红外传感系统和光学系统13.1红外传感系统各部分的工作原理或作用分别是怎样的呢？

5、8/1/20221313.2 红外探测器1.红外探测器的分类与特点 红外探测器有多种分类方法温度：低温 中温和高温响应波长 ：近红外、中红外和远红外用途：单元型、多元阵列型和成像探测探测机理：热探测型与光电探测型将红外辐射能转换成电能的光敏器件称为红外探测器，也称为红外传感器。它是红外探测系统的核心，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。8/1/202214红外探测器分类8/1/2022152.红外传感器的性能参数（1）响应率当(经过调制的)红外辐射照射到传感器的敏感面上时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比,叫做传感器的电压响应率，记作RUSC 红外传感器的输出电压，P 投射到红外敏感

6、元件上的功率，R的单位为V/W。给出响应率时应说明工作温度，和工作面积8/1/202216（2）光谱响应表示传感器的电压响应与入射的红外辐射波长之间的关系，一般用曲线表示通常将响应率最大值Rm所对应的波长称为峰值波长m 把响应率下降到响应值Rm的一半所对应的波长称为截止波长c，它表示红外传感器使用的波长范围8/1/202217红外传感器的电压响应率曲线1:热电传感器的电压响应率曲线2:光子传感器的电压响应率曲线8/1/202218（3）噪声等效功率NEP如果投射到红外敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压，正好等于传感器本身的噪声电压，则这个辐射功率就叫做“噪声等效功率”为了表明使用条件，常写成

7、NEP（，f，f）如测量条件为：黒体500K，斩波频率400Hz，测量带宽1Hz，记为NEP（500K， 400Hz ，1Hz）8/1/202219（4）探测率D和比探测率D*探测率是噪声等效功率的倒数，即红外传感器的探测率越高，表明传感器所能探测到的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏 8/1/202220比探测率又叫归一化探测率、或者叫探测灵敏度实质上就是当传感器的敏感元件面积为单位面积，放大器的带宽f为1Hz时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比 D*越高，传感器灵敏越高，性能越好8/1/202221（5）响应时间响应时间表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率输出信号滞后于红

8、外辐射的时间，称为传感器的时间常数，其值为探测器受辐射照射时输出信号上升到稳定值的63%时所需的时间, 常用 表示8/1/202222热传感器的热惯性参数较大，其时间常数大于光子传感器，一般为毫秒级或更长光子传感器的时间常数一般为微秒级如锗掺汞为10-5s，碲镉汞为10-9s ，超导YBCO 为 10-11s 8/1/20222313.3 红外传感器的基本类型红外传感器(也称为红外探测器)是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件它是红外探测系统的关键部件，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣选择合适的、性能良好的红外传感器、对于红外探测系统十分重要8/1/2022241.热传感器热传感器是利用入

9、射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使相关物理参数发生相应的变化通过测量热引起的有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射8/1/202225热探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用简单但是，热传感器响应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合 热传感器主要类型有：热释电型高莱气动型热电偶型热敏电阻型8/1/2022262. 光子型红外传感器利用某些半导体材料与入射光作用后电学性质的变化通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器光子型红外传感器比热传感器型来得直接，所以有许多优点8/1/202227主要特点是灵敏度高，

10、响应速度快、具有较高的响应频率但其一般需在低温下工作探测波段较窄按照光子传感器的工作原理，一般可分为：内光电和外光电传感器后者又分为光电导传感器、光生伏特传感 和光磁电传感器外光电传感器（PE）采用光电二极管、光电倍增管等外光电效应器件。它们的响应速度比较快，一般只需几个毫秒8/1/202228由于电子出射需要较大能量，只适合在近红外和可见光范围光电导传感器（PC）-内光电效应。常用硫化铅、硒化铅、锑化铟等化合物半导体材料制作的光电导传感器（光敏电阻）。这种光传感器在工作时需要低温利用砷化铟、锑化铟、碲镉汞和碲锡铅等制作的光生伏特PN结也是光子型传感器8/1/20222913.4 主要的热传感

11、器1.热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体（铁电体）铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低、表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器8/1/202230热释电传感器的结构与等效电路如图所示在垂直于极化轴方向，将具有热释电性的晶体切片，并研磨成550m的薄片，两边蒸金属电极，就成为一红外热释电元件8/1/202231如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱热释电型红外传感器的电压响应率正比于入

12、射辐射变化的速率8/1/202232当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出必须对红外辐射进行调制(或称斩光)，使恒定的辐射变成交变辐射，不断地引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号8/1/2022332.高莱气动型传感器它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收膜，它是低热容量的薄膜在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上8/1/202234高莱气动型传感器利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的

13、特性，来反映红外辐射的强弱红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上8/1/202235当柔镜因压力变化而移动时栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变变化量反映出入射红外辐射的强弱特点是灵敏度高，性能稳定但响应时间长（20ms左右），结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用8/1/2022363.测辐射热电偶和势电堆热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料(如铋一银、铜一康铜、铋一铋锡合

14、金等)构成的当红外辐射入射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，将产生温差电势8/1/2022378/1/202238温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器热电偶红外传感器的D*约为109cmHz1/2W-9，R值为520V/W响应时间长达几十毫秒动态特性较差，调制频率应在10Hz以下8/1/202239热电堆是把多个热电偶进行串联，这样可以获得较大的信号，使响应时间减小图13-15为Sb-Bi热电堆8/1/2022404.热敏电阻型传感器利用固体材料的电阻率随

15、温度变化的特性设计的由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减小测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度8/1/202241热敏电阻型红外传感器结构如下图所示8/1/202242也用金属热电阻，其受光面积为110mm2半导体热热敏电阻受光面积为0.110mm2 为了补偿在传感器壳体中通常使用两个温度传感器，它们组成桥路输出8/1/202243热敏电阻的D*约为2108cmHz1/2W-1，响应时间长达几十毫秒。8/1/2022445.光磁电探测器如图所示，半导体表面经光照后会产生电子-空穴

16、光生载流子8/1/202245它们会向体内扩散，受到一横向磁场作用后，电子空穴各扩散到一边，因而产生电位差这种现象称光磁电效应。利用这种效应制作的红外探测器称光磁电探测器用锑化铟，碲镉汞等材料制作8/1/202246光磁电传感器不需要致冷，响应波段可达7m左右，时间常数小，响应速度快，不需加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性其不足之处是灵敏度较低，低噪音前置放大器制作困难，而且还要较强的磁场8/1/2022475.红外传感器使用中应注意的问题使用红外传感器时，必须首先注意了解它的性能指标和应用范围，掌握它的使用条件选择传感器时要注意它的工作温度。一般要选择能在室温工作的红外传感器，

17、设备简单，使用方便，成本低廉，便于维护8/1/20224813.5 红外测温1. 红外测温的特点红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量红外测温反应速度快它不需要与物体达到热平衡的过程，只要接收到目标的红外辐射即可定温。反映时间一般都在毫秒级甚至微秒级8/1/202249红外测温灵敏度高物体的辐射能与温度的四次方成正比。温度的微小变化，会引起辐射能变化放大，红外传感器即可迅速地检测出来红外测温准确度较高由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。其测量准确度可达到0.1以内，甚至更小；红外测温范围广泛摄氏零下几十度到零上

18、几千度的范围8/1/2022502. 红外测温原理红外测温有几种方法，我们介绍全辐射测温全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度8/1/202251它是应用斯蒂芬-玻尔兹曼定律W= T4 W- 物体的全波辐射时单位面积所发射的辐射功率 - 物体表面的法向比辐射率 - 斯蒂芬一玻尔兹曼常数 T- 物体的绝对温度 物体的总是在0与1之间，=1的物体叫做黑体T越大，物体的辐射功率就愈大8/1/2022523.红外辐射测温仪它由光学系统、调制器、红外传感器、放大器和指示器等组成红外外测温仪一般用于探测目标的红外辐射和测定其辐射强度，确定目标的温度8/1/2022538/1/202

19、254红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计用于食品温度测量红外线辐射温度计55红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用耳温仪红外线辐射温度计5607传感器及应用第10章光学传感器下信息与控制学院仪器系红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计5707传感器及应用第10章光学传感器下信息与控制学院仪器系13.6 红外无损检测红外无损检测是世纪年代以后发展起来的新技术。它是通过测量热流量来鉴定金属或非金属材料质量、探测内部缺陷的。对于某些采用射线、超声波等无法探测的局部缺陷，用红外无损检测可取得较好的效果。红外无损检测分主动式和被动式两类。主动式是人为地在被测物体上注入（或移出）固定热量，

20、探测物体表面热量或热流变化规律，并以此分析判断物体的质量。被动式则是用物体自身的热辐射作为辐射源，探测其辐射的强弱或分布情况，判断物体内部有无缺陷。8/1/20225813.6.1 焊接缺陷的无损检测图13-26 由于集肤效应和焊接缺陷所引起的表面电流密集情况对有缺陷（气孔）存在的焊接区，其电阻很大，使得该区域的的热效应增大，温度升高。应用红外测温设备即可清楚地测量出热点，由此可断定热点下面存在着焊接缺陷。8/1/20225913.6.2 疲劳裂纹探测图为对飞机或导弹蒙皮进行疲劳裂纹探测示意。为了探测出疲劳裂纹位置，采用一个点辐射源在蒙皮表面一个小面积上注入能量。然后，用红外辐射温度计测量表面温度。如果在蒙皮表面或表面附近存在疲劳裂纹，则热传导受到影响，在裂纹附近热量不能很快传输出去，使裂纹附近表面温度很快升高。如图（）所示，虚线表示裂纹两边理论上的温度分布曲线。即当辐射源分别移到裂纹两边时，由于裂纹不让热流通过，因而两边温度都很高。离裂纹越近，温度越高。由此，可判断出裂纹的位置。8/1/20226013.7 红外探测技术在军事上的应用红外技术首先是在军事应