红外传感器-教案

红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外

光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长(或频率)的不同而已。

近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。

一、.红外辐射的产生及性质

1、红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。

红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其它任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射

2、它的波长范围大致在0.76～1000μm，工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。相对应的频率大致在4×1014-3×1011H z之间红外线与可见光、紫外线、X射线、γ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。

红外分区：在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域

近红外区: 770nm~ 1.5 μm

中红外区: 1.5 μm ~ 6μm

远红外区: 6μm ~ 40μm

极远红外区: 40μm ~ 1000μm

3、红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16℃)时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，

所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c =3×108m ／s ，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律

I 为通过厚度为x 的介质后的通量；I 0为射到介质时的通量；e 为自然对数的底；K 为与介质性质有关的常数。

金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm 时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5μm ，8～14μm 之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。

实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。

4、红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长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，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm 、3～5 μm 和8～14 μm ，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内

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，红外辐射的能量就越强。研究发现，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，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。

波长在0.1—1000μm 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。 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Kx

e I I -=0

质的吸收和散射作用，使辐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。

5、红外幅射源

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

根据辐射源几何尺寸的大小，距探测器的远近，又分为点源和面源

点源(没有充满红外光学系统瞬时视场的大面源叫做点源)

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)

二、红外传感器

红外线探测器即为红外线传感器，它是一种能探测红外线的器件。从近代测量技术角度来看，能把红外辐射转换成电量变化的装置，称之为红外探测器。

红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。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互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，分为热探测器和光子探测器两大类。

1红外探测器的分类

按其工作原理可分为两类：热敏探测器和光子探测器

红外探测器

红外线电信号

热传感器热效应

光子传感器光电效应

2、光电探测器

A、光电探测器是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。、

B、工作原理光电探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。

光电子发射器件：光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件。其主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪声小，是一种电流放大器件。尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别适于探测微弱光信号；但它结构复杂，工作电压高，体积较大。

光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合，如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。

光电导器件：利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件，通常叫做光敏电阻。在可见光波段和大气透过的几个窗口，即近红外、中红外和远红外波段，都有适用的光敏电阻。光敏电阻被广泛地用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等。

3、热敏探测器

热敏探测器是利用红外辐射的热效应制成的，它采用热敏元件。

热敏探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，相应时间长。

热敏探测器的主要优点是响应波段宽，响应

范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相当广泛。

热敏探测器的主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器。

热敏电阻红外探测器

（a）结构；（b）桥式测量电路热敏电阻型红外传感器是由锰、镍、钴的氧化物混台后烧结而制成。

热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻片上，其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。

电阻随温度变化的规律

热敏电阻的温度系数

R

T

R

T

?

?

=

?α

)

/(T

R

R

T

?

?

=

α

正温度系数 负温度系数 4、热敏探测器的主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器

热释电效应：若使某些强电介质的表面温度发生变化，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。

热释电传感器：

红外辐射 热（温度） 电荷

热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、 水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化， 在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”， 其极化强度（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。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。输出信号的强弱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射光辐射率变化的速率。

5、热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。

几点注意

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

6、红外探测和遥控发射，接收系统的组成

红外探测器是由光学系统、敏感元件、前置放大器和调制器等组成。按光学系统的结构，红外探测器可分为透射式和反射式两类。

? 红外传感器按其应用可分为以下几个方面：

? ①红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；

? ②搜索和跟踪系统，可用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪

0>T

α0

?③热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；

?④红外测距和通信系统

?⑤混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合

应用

一、红外测温仪

1、红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。

他是光、机、电一体化的红外测温系统。图中的光学系统是一个固定焦距的透视系统，滤光片一般采用只允许8~14um的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射线。红外探测器一般为热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外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电信号输出。

红外测温仪电路比较复杂，包括前置放大器、选频放大、温度补偿、线性化、发射率调节等。目前已经有一种带单片机的智能红外测温仪，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。

红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。