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1、第12章 紅外傳感器,12.1 紅 外 傳 感 器,12.1.1 紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光， 由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.761000 m， 紅外線在電磁波譜中的位置如圖12-1 所示。 工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分， 即近紅外、中紅外、 遠紅外和極遠紅外。,圖12 1 電磁波譜圖,紅外輻射的物理本質是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。紅外光的本質與可見光或電磁波性質一樣，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光
2、速傳播，并具有明顯的波粒二相性。 紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，它們是22.6m、35 m和814 m，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個波段對紅外探測技術特別重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個波段（大氣窗口）之內。,12.1.2 紅外探測器 紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、 探測器、信號調理電路及顯示單元等組成。 紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射
3、與物質相互作用所呈現(xiàn)的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。,1. 熱探測器 熱探測器的工作機理是：利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使某些有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。 與光子探測器相比，熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低，響應時間長。但熱探測器主要優(yōu)點是響應波段寬， 響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便， 應用相當廣泛。,熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測器在熱探測器中探
4、測率最高， 頻率響應最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。這里我們主要介紹熱釋電型探測器。,熱釋電型紅外探測器是根據(jù)熱釋電效應制成的，即電石、 水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產生溫度變化時，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化， 在其兩表面產生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應。用此效應制成的“鐵電體”， 其極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關。當紅外輻射照射到已經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，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產生一個電信號輸出。輸出信號的強弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映
5、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率正比于入射光輻射率變化的速率。,2. 光子探測器 光子探測器的工作機理是：利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為光子效應。根據(jù)所產生的不同電學現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測器。光子探測器有內光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。,12.1.3 紅外傳感器的應用 1. 紅外測溫儀 紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。
6、 當物體的溫度低于1000時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。,圖12 - 2是目前常見的紅外測溫儀方框圖。它是一個包括光、 機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，圖中的光學系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許814 m的紅外輻射能通過的材料。步進電機帶動調制盤轉動， 將被測的紅外輻射調制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，透鏡的焦點落在其光敏面上。 被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。,圖12 2 紅外測溫儀方框圖,紅外測
7、溫儀的電路比較復雜，包括前置放大、選頻放大、 溫度補償、線性化、發(fā)射率（）調節(jié)等。目前已有一種帶單片機的智能紅外測溫器， 利用單片機與軟件的功能，大大簡化了硬件電路， 提高了儀表的穩(wěn)定性、 可靠性和準確性。 紅外測溫儀的光學系統(tǒng)可以是透射式，也可以是反射式。 反射式光學系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡，并在鏡的表面鍍金、 鋁、 鎳或鉻等對紅外輻射反射率很高的金屬材料。,2. 紅外線氣體分析儀 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收的特性來對氣體成分進行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，圖12 - 3給出了幾種氣體對紅外線的透射光譜，從圖中可以看出，CO氣體對波長為4.65
8、m附近的紅外線具有很強的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78 m和4.26 m附近以及波長大于13 m的范圍對紅外線有較強的吸收能力。如分析CO氣體，則可以利用4.26 m附近的吸收波段進行分析。,圖12 3 幾種氣體對紅外線的透射光譜,圖12 - 4是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結構原理圖。 該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、 紅外檢測器及電路等部分組成。 光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出310 m的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測器信號的檢測。 測量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。紅外檢測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測
9、氣體，當它吸收了紅外輻射能量后， 氣體溫度升高，導致室內壓力增大。,測量時（如分析CO氣體的含量），兩束紅外線經反射、切光后射入測量氣室和參比氣室， 由于測量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對4.65 m的紅外線有較強的吸收能力， 而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器的兩個吸收氣室的紅外線光造成能量差異，使兩吸收室壓力不同，測量邊的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向， 改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。如被測氣體的濃度愈大，兩束光強的差值也愈大， 則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。,圖12 4 紅外線氣體分析儀結構原理圖,圖12-4所示結構中還設置了濾波氣室，其目的是為了消除干擾氣體對測量結果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2在45 m波段內紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對分析CO氣體帶來影響，這種影響稱為干擾。為此在測量邊和參比邊各設置了一個封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2氣體對應的紅外線吸收波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外能量之差只與被測氣體（如CO）的濃度有關。,,
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