新型紅外傳感器

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1、第 六 章 新 型 紅 外 傳 感 器 如 果 有 人 在 你 最 難 過(guò) 最 美 好 最 容 易 被 辜 負(fù) 的 時(shí) 光 里 陪 你 走 過(guò) 那么 一 段 ， 陪 伴 在 你 的 身 旁 ， 那 么 無(wú) 論 將 來(lái) 那 個(gè) 人 變 成 了 什 么 樣子 ， 他 還 是 不 是 你 最 好 的 朋 友 ， 你 都 沒(méi) 有 辦 法 割 舍 下 ， 即 便 最后 分 開(kāi) 甚 至 陌 生 ， 也 會(huì) 對(duì) 他 心 存 感 激 。 因 為 太 多 時(shí) 候 ， 交 談 是一 種 莫 大 的 溫 暖 和 美 好 。 盧 思 浩 愿 有 人 陪 你 一 起 顛 沛 流 離 一 、 紅 外 輻 射 的 基 本

2、知 識(shí)二 、 紅 外 傳 感 器三 、 非 致 冷 紅 外 傳 感 器四 、 紅 外 技 術(shù) 應(yīng) 用 舉 例目 錄 紅 外 探 測(cè) 器 （ 或 紅 外 傳 感 器 ） 研 究 歷 史p 1800年 ， F.W.赫 歇 耳 在 太 陽(yáng) 光 譜 中 發(fā) 現(xiàn) 了 紅 外 輻 射 的 存 在 。 當(dāng) 時(shí) ， 他使 用 的 是 水 銀 溫 度 計(jì) ， 即 最 原 始 的 熱 敏 型 紅 外 探 測(cè) 器 。p 1830年 ， L.諾 比 利 利 用 當(dāng) 時(shí) 新 發(fā) 現(xiàn) 的 溫 差 電 效 應(yīng) (也 稱 塞 貝 克 效 應(yīng) )，制 成 了 一 種 以 半 金 屬 鉍 和 銻 為 溫 差 電 偶 的 熱 敏

3、型 探 測(cè) 器 。 稱 作 溫 差 電型 紅 外 探 測(cè) 器 (也 稱 真 空 溫 差 電 偶 )。 其 后 ， 又 從 單 個(gè) 溫 差 電 偶 發(fā) 展 成多 個(gè) 電 偶 串 聯(lián) 的 溫 差 電 堆 。p 1880年 ， S.P.蘭 利 利 用 金 屬 細(xì) 絲 的 電 阻 隨 溫 度 變 化 的 特 性 制 成 另 一 種熱 敏 型 紅 外 探 測(cè) 器 ,稱 為 測(cè) 輻 射 熱 計(jì) 。 p 1947年 ,M.J.E.高 萊 發(fā) 明 一 種 利 用 氣 體 熱 膨 脹 制 成 的 氣 動(dòng) 型 紅 外 探 測(cè) 器（ 又 稱 高 萊 管 ） 。p 在 40年 代 ， 又 用 半 導(dǎo) 體 材 料 制

4、作 溫 差 電 型 紅 外 探 測(cè) 器 和 測(cè) 輻 射 熱 計(jì) ，使 這 兩 種 探 測(cè) 器 的 性 能 比 原 來(lái) 使 用 半 金 屬 或 金 屬 時(shí) 得 到 很 大 的 改 進(jìn) 。半 導(dǎo) 體 的 測(cè) 輻 射 熱 計(jì) 又 稱 熱 敏 電 阻 型 紅 外 探 測(cè) 器 。 紅 外 探 測(cè) 器 （ 或 紅 外 傳 感 器 ） 研 究 歷 史 （ 續(xù) ）p 60年 代 中 期 ， 出 現(xiàn) 了 熱 釋 電 型 探 測(cè) 器 。 它 也 是 一 種 熱 敏 型 探 測(cè) 器 ， 但 其工 作 原 理 與 前 三 種 熱 敏 型 紅 外 探 測(cè) 器 有 根 本 的 區(qū) 別 。p 最 早 的 光 電 型 紅 外

5、 探 測(cè) 器 是 利 用 光 電 子 發(fā) 射 效 應(yīng) 即 外 光 電 效 應(yīng) 制 成 的 。以 Cs-O-Ag為 陰 極 材 料 的 光 電 管 （ 1943年 出 現(xiàn) ） 可 以 探 測(cè) 到 1.3微 米 。外 光 電 效 應(yīng) 的 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 難 以 延 伸 ， 因 此 ， 它 的 發(fā) 展 主 要 是 近 紅 外 成 像 器件 ， 如 變 像 管 。 利 用 半 導(dǎo) 體 的 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 制 成 的 紅 外 探 測(cè) 器 ， 對(duì) 紅 外 技術(shù) 的 發(fā) 展 起 了 重 要 的 作 用 。 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 分 光 電 導(dǎo) 和 光 生 伏 打 兩 種 效 應(yīng) 。利 用 這 些 效 應(yīng)

6、制 成 的 探 測(cè) 器 分 別 稱 為 光 導(dǎo) 型 紅 外 探 測(cè) 器 和 光 伏 型 紅 外 探測(cè) 器 （ 見(jiàn) 光 子 型 探 測(cè) 器 ） 。 在 半 導(dǎo) 體 中 引 起 電 導(dǎo) 改 變 或 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì) 是 一 個(gè) 激 活 過(guò) 程 ， 需 要 有 一 定 的 能 量 E。 因 此 ， 入 射 輻 射 的 光 子 能 量 必 須 大 于E。 也 就 是 光 電 型 探 測(cè) 器 有 一 個(gè) 最 長(zhǎng) 的 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) ， 稱 為 長(zhǎng) 波 限 。 紅 外 探 測(cè) 器 （ 或 紅 外 傳 感 器 ） 研 究 歷 史 （ 續(xù) ）p 1917年 ,T.W.卡 斯 發(fā) 明 TiS光 電 型 紅 外

7、 探 測(cè) 器 ,但 長(zhǎng) 波 限 僅 到 1.1微 米 。30年 代 末 期 ， 德 國(guó) 人 研 究 PbS光 導(dǎo) 型 探 測(cè) 器 ， 室 溫 工 作 時(shí) 長(zhǎng) 波 限 為 3微 米 ，液 氮 溫 度 時(shí) 可 到 5微 米 。 第 二 次 世 界 大 戰(zhàn) 之 后 ， 相 繼 研 制 成 PbTe和 PbSe光電 型 探 測(cè) 器 ， 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 延 伸 到 7微 米 。 50年 代 起 ,由 于 半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 的 發(fā)展 ， 光 電 型 探 測(cè) 器 所 能 探 測(cè) 的 波 長(zhǎng) 不 斷 延 伸 。 對(duì) 于 有 重 要 技 術(shù) 用 途 的 1 13微 米 波 段 和 限 于 實(shí) 驗(yàn) 室 應(yīng)

8、用 的 13 1000微 米 波 段 ， 都 有 適 當(dāng) 的 光 電型 探 測(cè) 器 可 供 使 用 。 60年 代 起 ,又 研 究 成 Hg 1-xCdxTe三 元 半 導(dǎo) 體 紅 外 探 測(cè)器 ， 配 制 不 同 組 分 x的 材 料 ,可 以 制 得 不 同 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 的 紅 外 探 測(cè) 器 。p 整 流 型 紅 外 探 測(cè) 器 也 是 60年 代 開(kāi) 始 問(wèn) 世 的 。 由 于 激 光 的 出 現(xiàn) ,就 有 可 能 利用 外 差 技 術(shù) 進(jìn) 行 接 收 。 因 此 ,把 微 波 波 段 用 的 結(jié) 型 檢 波 器 推 廣 應(yīng) 用 到 更 高的 頻 率 范 圍 ， 即 短 毫 米

9、波 和 亞 毫 米 波 。 一 、 紅 外 輻 射 的 基 本 知 識(shí)1、 紅 外 輻 射2、 紅 外 輻 射 源 1、 紅 外 輻 射p 紅 外 輻 射 俗 稱 紅 外 線 ： 它 是 一 種 人 眼 看 不 見(jiàn) 的 光 線 。 但 實(shí) 際上 它 和 其 它 任 何 光 線 一 樣 ， 也 是 一 種 客 觀 存 在 的 物 質(zhì) 。 任 何物 體 ， 只 要 它 的 溫 度 高 于 絕 對(duì) 零 度 ， 就 有 紅 外 線 向 周 圍 空 間輻 射 。 紅 外 線 是 位 于 可 見(jiàn) 光 中 紅 光 以 外 的 光 線 ， 故 稱 為 紅 外線 。 它 的 波 長(zhǎng) 范 圍 大 致 在 0.76

10、 m(或 0.77 m)到 1000 m的頻 譜 范 圍 之 內(nèi) 。 相 對(duì) 應(yīng) 的 頻 率 大 致 在 4 1014-3 1011Hz之 間 。p 紅 外 線 與 可 見(jiàn) 光 、 紫 外 線 、 X射 線 、 射 線 和 微 波 、 無(wú) 線 電波 一 起 構(gòu) 成 了 整 個(gè) 無(wú) 限 連 續(xù) 的 電 磁 波 譜 。 紅 外 分 區(qū) ： 在 紅 外 技 術(shù) 中 ， 一 般 將 紅 外 輻 射 分 為 4個(gè) 區(qū) 域 近 紅 外 區(qū) : 770 1.5 103 nm 中 紅 外 區(qū) : 1.5 103 6 103 nm 遠(yuǎn) 紅 外 區(qū) : 6 103 40 103 nm 極 遠(yuǎn) 紅 外 區(qū) : 40

11、 103 1000 103 nm 注 意 ： 這 里 所 說(shuō) 的 遠(yuǎn) 近 是 指 紅 外 輻 射 在 電 磁 波 譜 中 與 可 見(jiàn) 光 的 距 離 。 紅 外 輻 射 的 物 理 本 質(zhì)p紅 外 輻 射 的 物 理 本 質(zhì) 是 熱 輻 射 。 物 體 的 溫 度 越 高 ，輻 射 出 來(lái) 的 紅 外 線 越 多 ， 紅 外 輻 射 的 能 量 就 越 強(qiáng) 。研 究 發(fā) 現(xiàn) ， 太 陽(yáng) 光 譜 各 種 單 色 光 的 熱 效 應(yīng) 從 紫 色 光到 紅 色 光 是 逐 漸 增 大 的 ， 而 且 最 大 的 熱 效 應(yīng) 出 現(xiàn) 在紅 外 輻 射 的 頻 率 范 圍 內(nèi) ， 因 此 人 們 又 將

12、 紅 外 輻 射 稱為 熱 輻 射 或 熱 射 線 。p實(shí) 驗(yàn) 表 明 ： 波 長(zhǎng) 在 0.1-1000 m之 間 的 電 磁 波 被 物體 吸 收 時(shí) ， 可 以 顯 著 地 轉(zhuǎn) 變 為 熱 能 。 可 見(jiàn) ， 載 能 電磁 波 是 熱 輻 射 傳 播 的 主 要 媒 介 物 。 紅 外 吸 收 及 紅 外 窗 口p 紅 外 輻 射 在 大 氣 中 傳 播 時(shí) ， 由 于 大 氣 中 的 氣 體 分 子 、 水 蒸 汽以 及 固 體 微 粒 、 塵 埃 等 物 質(zhì) 的 吸 收 和 散 射 作 用 ， 使 輻 射 能 在傳 輸 過(guò) 程 中 逐 漸 衰 減 。 空 氣 中 對(duì) 稱 的 雙 原 于

13、 分 子 ， 如 N2， H2，O2不 吸 收 紅 外 輻 射 ， 因 而 不 會(huì) 造 成 紅 外 輻 射 在 傳 輸 過(guò) 程 中 衰 減 。p 紅 外 輻 射 在 通 過(guò) 大 氣 層 時(shí) 被 分 割 成 三 個(gè) 波 段 ， 即 2-2.6 m，3-5 m和 8-14 m， 統(tǒng) 稱 為 “ 大 氣 窗 口 ” (通 常 把 太 陽(yáng) 光 透 過(guò)大 氣 層 時(shí) 透 過(guò) 率 較 高 的 光 譜 段 稱 為 大 氣 窗 口 )。 這 三 個(gè) 大 氣 窗口 對(duì) 紅 外 技 術(shù) 應(yīng) 用 特 別 重 要 ， 因 為 一 般 紅 外 儀 器 都 工 作 在 這三 個(gè) 窗 口 之 內(nèi) 。 通 過(guò) 一 海 里 長(zhǎng)

14、 度 的 大 氣 透 過(guò) 率 曲 線 “ 生 命 光 波 ” 8-14m波 段 的 光 線 與 人 體 發(fā) 射 出 來(lái) 的 遠(yuǎn) 紅 外 線 的 波 長(zhǎng) 相 近 ， 能 與 生物 體 內(nèi) 細(xì) 胞 的 水 分 子 產(chǎn) 生 最 有 效 的 共 振 ， 同 時(shí) 具 備 滲 透 功 能 。 2、 紅 外 幅 射 源p當(dāng) 物 體 溫 度 高 于 絕 對(duì) 零 度 時(shí) ， 都 有 紅 外 線 向 周 圍空 間 輻 射 出 來(lái) 。p根 據(jù) 輻 射 源 幾 何 尺 寸 的 大 小 和 距 探 測(cè) 器 的 遠(yuǎn) 近 ，又 分 為 點(diǎn) 源 和 面 源 。p點(diǎn) 源 ： 沒(méi) 有 充 滿 紅 外 光 學(xué) 系 統(tǒng) 瞬 時(shí) 現(xiàn)

15、場(chǎng) 的 大 面 源叫 做 點(diǎn) 源 。p面 源 ： 一 般 情 況 下 ， 把 充 滿 紅 外 光 學(xué) 系 統(tǒng) 瞬 時(shí) 視場(chǎng) 的 大 面 輻 射 源 叫 做 面 源 。 二 、 紅 外 傳 感 器本 小 節(jié) 的 主 要 內(nèi) 容 ：1、 常 見(jiàn) 紅 外 傳 感 器2、 紅 外 傳 感 器 的 性 能 參 數(shù)3、 紅 外 傳 感 器 使 用 中 應(yīng) 注 意 的 問(wèn) 題 定 義 ： 紅 外 傳 感 器 （ 也 稱 為 紅 外 探 測(cè) 器 ） 是 能 將 紅外 輻 射 能 轉(zhuǎn) 換 成 電 能 的 光 敏 器 件 ， 它 是 紅 外 探 測(cè) 系統(tǒng) 的 關(guān) 鍵 部 件 ， 其 性 能 好 壞 ， 將 直 接

16、 影 響 系 統(tǒng) 性 能的 優(yōu) 劣 。 因 此 ， 選 擇 合 適 的 、 性 能 良 好 的 紅 外 傳 感 器 ， 對(duì) 于 紅外 探 測(cè) 系 統(tǒng) 是 十 分 重 要 的 。 1、 常 見(jiàn) 紅 外 傳 感 器（ 1） 熱 傳 感 器（ 2） 光 子 傳 感 器 熱 效 應(yīng)光 電 效 應(yīng) （ 1） 熱 傳 感 器p 熱 傳 感 器 是 利 用 入 射 紅 外 輻 射 引 起 傳 感 器 的 溫 度 變 化 ， 進(jìn)而 使 相 關(guān) 物 理 參 數(shù) 發(fā) 生 相 應(yīng) 的 變 化 ， 通 過(guò) 測(cè) 量 有 關(guān) 物 理 參數(shù) 的 變 化 來(lái) 確 定 紅 外 傳 感 器 所 吸 收 的 紅 外 輻 射 。p

17、熱 傳 感 器 的 主 要 優(yōu) 點(diǎn) 是 ： 響 應(yīng) 波 段 寬 、 可 以 在 室 溫 下 工 作 、使 用 簡(jiǎn) 單 。 但 是 ， 熱 傳 感 器 響 應(yīng) 時(shí) 間 較 長(zhǎng) 、 靈 敏 度 較 低 ，一 般 用 于 低 頻 調(diào) 制 的 場(chǎng) 合 。p 熱 傳 感 器 主 要 類 型 有 ： 熱 敏 電 阻 型 、 熱 電 偶 型 、 高 萊 氣 動(dòng)型 和 熱 釋 電 型 四 種 。 (1.1) 熱 敏 電 阻 型 傳 感 器p熱 敏 電 阻 是 由 錳 、 鎳 、 鈷 的 氧 化 物 混 合 后 燒 結(jié) 而 成 。 Q： 同 熱 敏 電 阻 溫 度 傳 感 器 有 何 區(qū) 別 呢 ？p熱 敏 電

18、 阻 一 般 制 成 薄 片 狀 ， 當(dāng) 紅 外 輻 射 照 射 在 熱 敏 電阻 片 上 ， 其 溫 度 升 高 ， 電 阻 值 減 小 。 測(cè) 量 熱 敏 電 阻 值變 化 的 大 小 ， 即 可 得 知 入 射 紅 外 輻 射 的 強(qiáng) 弱 ， 從 而 可以 判 斷 產(chǎn) 生 紅 外 輻 射 物 體 的 溫 度 。p熱 敏 電 阻 型 紅 外 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 如 下 圖 所 示 。 熱敏電阻型紅外傳感器結(jié)構(gòu)p 熱 敏 電 阻 型 紅 外 傳 感 器 由 錳 、鎳 、 鈷 的 氧 化 物 混 合 后 燒 結(jié)而 制 成 。p 熱 敏 電 阻 一 般 制 成 薄 片 狀 ，當(dāng) 紅 外 輻 射

19、照 射 在 熱 敏 電 阻上 時(shí) ， 其 溫 度 升 高 、 內(nèi) 部 粒子 的 無(wú) 規(guī) 律 運(yùn) 動(dòng) 加 劇 、 自 由電 子 的 數(shù) 目 隨 溫 度 升 高 而 增加 、 電 阻 減 小 。 （ 1.2） 熱 電 偶 型 傳 感 器v 材 料 ： 熱 電 偶 是 由 熱 電 功 率 差 別 較 大 的 兩 種 金 屬 材 料 （ 如 鉍 /銀 、 銅 /康 銅 、 鉍 /鉍 錫 合 金 等 ） 構(gòu) 成 。v 原 理 ： 當(dāng) 紅 外 輻 射 入 射 到 熱 電 偶 回 路 的 測(cè) 溫 接 點(diǎn) 上 時(shí) ， 該 接點(diǎn) 溫 度 升 高 ， 而 另 一 個(gè) 沒(méi) 有 被 紅 外 輻 射 輻 照 的 接 點(diǎn)

20、 處 于 較 低的 溫 度 ， 此 時(shí) ， 在 閉 合 回 路 中 將 產(chǎn) 生 溫 差 電 流 ， 同 時(shí) 回 路 中產(chǎn) 生 溫 差 電 勢(shì) 。 溫 差 電 勢(shì) 的 大 小 ， 反 映 了 接 點(diǎn) 吸 收 紅 外 輻 射的 強(qiáng) 弱 。 v 利 用 溫 差 電 勢(shì) 現(xiàn) 象 制 成 的 紅 外 傳 感 器 稱 為 熱 電 偶 型 紅 外 傳 感器 ， 因 其 時(shí) 間 常 數(shù) 較 大 ， 響 應(yīng) 時(shí) 間 較 長(zhǎng) ， 動(dòng) 態(tài) 特 性 較 差 ， 調(diào)制 頻 率 應(yīng) 限 制 在 10 Hz以 下 。 （ 2） 熱 電 偶 型 傳 感 器v 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 往 往 將 幾 個(gè) 熱 電 偶 串 聯(lián)

21、 起 來(lái) 組 成 熱 電 堆 來(lái) 檢測(cè) 紅 外 輻 射 的 強(qiáng) 弱 。 （ 1.3） 高 萊 氣 動(dòng) 型 傳 感 器p 結(jié) 構(gòu)p 原 理 高 萊 氣 動(dòng) 型 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 它 有 一 個(gè) 氣 室 ， 以 一 個(gè) 小 管 道 與 一 塊 柔 性 薄 片 相 連 。 薄 片 的背 向 管 道 一 面 是 反 射 鏡 。 氣 室 的 前 面 附 有 吸 收 膜 ,它 是 低 熱 容量 (保 證 將 吸 收 的 熱 能 傳 給 氣 體 )的 薄 膜 。 在 室 的 另 一 邊 ， 一 束 可 見(jiàn) 光 通 過(guò) 柵 狀 光 闌 聚 焦 在 柔 鏡 上 ， 經(jīng)柔 鏡 反 射 回 來(lái) 的 柵 狀 圖 像

22、 又 經(jīng) 過(guò) 柵 狀 光 闌 投 射 到 光 電 管 上 。 高 萊 氣 動(dòng) 型 傳 感 器 原 理p 高 萊 氣 動(dòng) 型 傳 感 器 是 利 用 氣 體 吸 收 紅 外 輻 射 后 ， 溫 度 升 高 ， 體 積 增 大的 特 性 ， 來(lái) 反 映 紅 外 輻 射 的 強(qiáng) 弱 。p 紅 外 輻 射 通 過(guò) 窗 口 入 射 到 吸 收 膜 上 ， 吸 收 膜 將 吸 收 的 熱 能 傳 給 氣 體 ，使 氣 體 溫 度 升 高 氣 壓 增 大 ， 從 而 使 柔 鏡 移 動(dòng) 。p 在 室 的 另 一 邊 ， 一 束 可 見(jiàn) 光 通 過(guò) 柵 狀 光 闌 聚 焦 在 柔 鏡 上 ， 經(jīng) 柔 鏡 反

23、射回 來(lái) 的 柵 狀 圖 像 又 經(jīng) 過(guò) 柵 狀 光 闌 投 射 到 光 電 管 上 。 p 當(dāng) 柔 鏡 因 壓 力 變 化 而 移 動(dòng) 時(shí) ， 柵 狀 圖 像 與 柵 狀 光 欄 發(fā) 生 相 對(duì) 位 移 ， 使落 到 光 電 管 上 的 光 量 發(fā) 生 改 變 ， 光 電 管 的 輸 出 信 號(hào) 也 發(fā) 生 改 變 。 這 個(gè)變 化 量 就 反 映 出 入 射 紅 外 輻 射 的 強(qiáng) 弱 。 這 種 傳 感 器 的 恃 點(diǎn) 是 靈 敏 度 高 ，性 能 穩(wěn) 定 。 但 響 應(yīng) 時(shí) 間 長(zhǎng) ， 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 、 強(qiáng) 度 較 差 ， 只 適 合 于 實(shí) 驗(yàn) 室 內(nèi)使 用 。 （ 1.4） 熱

24、釋 電 型 傳 感 器 (pyroelectric)v 熱 釋 電 型 傳 感 器 用 具 有 熱 釋 電 效 應(yīng) 的 材 料 制 作 的 敏 感 元 件v 熱 釋 電 材 料 是 一 種 具 有 自 發(fā) 極 化 特 性 的 晶 體 材 料 。v 自 發(fā) 極 化 是 指 由 于 物 質(zhì) 本 身 的 結(jié) 構(gòu) 在 某 個(gè) 方 向 上 正 負(fù) 電 荷中 心 不 重 合 而 固 有 的 極 化 。 一 般 情 況 下 ， 晶 體 自 發(fā) 極 化 所產(chǎn) 生 的 表 面 束 縛 電 荷 被 吸 附 在 晶 體 表 面 上 的 自 由 電 荷 所 屏蔽 ； 當(dāng) 溫 度 變 化 時(shí) ， 自 發(fā) 極 化 發(fā) 生

25、 改 變 ， 從 而 釋 放 出 表 面吸 附 的 部 分 電 荷 。 熱 釋 電 型 傳 感 器 原 理 當(dāng) 紅 外 輻 射 照 射 到 已 經(jīng) 極 化 的 鐵 電 體 薄 片 表 面 上 時(shí)， 引 起 薄 片 溫 度 升 高 ， 使 其 極 化 強(qiáng) 度 降 低 （ 熱 運(yùn) 動(dòng)加 劇 ， 破 壞 了 極 化 ） 、 表 面 電 荷 減 少 ， 這 相 當(dāng) 于 釋放 一 部 分 電 荷 ， 所 以 叫 熱 釋 電 型 傳 感 器 。 將 負(fù) 載 電 阻 與 鐵 電 體 薄 片 相 連 ， 則 負(fù) 載 電 阻 上 便 產(chǎn)生 一 個(gè) 電 信 號(hào) 輸 出 。 輸 出 信 號(hào) 的 大 小 ， 取 決

26、于 薄 片溫 度 變 化 的 快 慢 ， 從 而 反 映 出 入 射 的 紅 外 輻 射 的 強(qiáng)弱 。 由 此 可 見(jiàn) ， 熱 釋 電 型 紅 外 傳 感 器 的 電 壓 響 應(yīng) 率正 比 于 入 射 輻 射 變 化 的 速 率 。 幾 點(diǎn) 注 意v 當(dāng) 恒 定 的 紅 外 輻 射 照 射 在 熱 釋 電 傳 感 器 上 時(shí) ， 傳 感器 沒(méi) 有 電 信 號(hào) 輸 出 ； 只 有 鐵 電 體 溫 度 處 于 變 化 過(guò) 程中 ， 才 有 電 信 號(hào) 輸 出 。v 必 須 對(duì) 紅 外 輻 射 進(jìn) 行 調(diào) 制 （ 或 稱 斬 光 ） ， 使 恒 定 的輻 射 變 成 交 變 輻 射 ， 不 斷 引

27、起 傳 感 器 的 溫 度 變 化 ，才 能 導(dǎo) 致 熱 釋 電 產(chǎn) 生 ， 并 輸 出 交 變 的 信 號(hào) 。 熱 釋 電 型 與 其 它 熱 敏 型 紅 外 探 測(cè) 器 的 根 本 區(qū) 別 ： 后 者 利 用 響 應(yīng) 元 的 溫 度 升 高 值 來(lái) 測(cè) 量 紅 外 輻 射 ，響 應(yīng) 時(shí) 間 取 決 于 新 的 平 衡 溫 度 的 建 立 過(guò) 程 ， 時(shí) 間 比較 長(zhǎng) ， 不 能 測(cè) 量 快 速 變 化 的 輻 射 信 號(hào) ； 熱 釋 電 型 探 測(cè) 器 所 利 用 的 是 溫 度 變 化 率 ， 因 而 能探 測(cè) 快 速 變 化 的 輻 射 信 號(hào) 。 （ 2） 光 子 傳 感 器p 光

28、子 傳 感 器 是 利 用 某 些 半 導(dǎo) 體 材 料 在 入 射 光 的 照 射 下 ， 產(chǎn) 生光 子 效 應(yīng) ， 使 材 料 電 學(xué) 性 質(zhì) 發(fā) 生 變 化 。 通 過(guò) 測(cè) 量 電 學(xué) 性 質(zhì) 的變 化 ， 可 以 知 道 紅 外 輻 射 的 強(qiáng) 弱 。 利 用 光 子 效 應(yīng) 所 制 成 的 紅外 傳 感 器 ， 統(tǒng) 稱 光 子 傳 感 器 。p 光 子 傳 感 器 的 主 要 特 點(diǎn) 是 ： 靈 敏 度 高 、 響 應(yīng) 速 度 快 、 具 有 較高 的 響 應(yīng) 頻 率 。 但 一 般 需 在 低 溫 下 工 作 ， 探 測(cè) 波 段 較 窄 。p 按 照 光 子 傳 感 器 的 工 作

29、原 理 ， 一 般 可 分 為 內(nèi) 光 電 和 外 光 電 傳感 器 兩 種 ， 前 者 又 分 為 光 電 導(dǎo) 傳 感 器 、 光 生 伏 特 傳 感 器 和 光磁 電 傳 感 器 等 三 種 。 (2.1) 外 光 電 傳 感 器 （ PE器 件 ） 當(dāng) 光 輻 射 照 在 某 些 材 料 的 表 面 上 時(shí) ， 若 入 射 光 的 光 子 能量 足 夠 大 ， 就 能 使 材 料 的 電 子 逸 出 表 面 ， 向 外 發(fā) 射 出 電 子 ，這 種 現(xiàn) 象 叫 外 光 電 效 應(yīng) 或 光 電 子 發(fā) 射 效 應(yīng) 。 光 電 二 極 管 、 光電 倍 增 管 等 便 屬 于 這 種 類 型

30、 的 電 子 傳 感 器 。 它 的 響 應(yīng) 速 度 比較 快 ， 一 般 只 需 幾 個(gè) 毫 微 秒 。 但 電 子 逸 出 需 要 較 大 的 光 子 能量 ， 只 適 宜 于 近 紅 外 輻 射 或 可 見(jiàn) 光 范 圍 內(nèi) 使 用 。 (2.2) 光 電 導(dǎo) 傳 感 器 （ PC器 件 ）p 當(dāng) 紅 外 輻 射 照 射 在 某 些 半 導(dǎo) 體 材 料 表 面 上 時(shí) ， 半 導(dǎo) 體 材 料中 有 些 電 子 和 空 穴 可 以 從 原 來(lái) 不 導(dǎo) 電 的 束 縛 狀 態(tài) 變 為 能 導(dǎo)電 的 自 由 狀 態(tài) ， 使 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 率 增 加 ， 這 種 現(xiàn) 象 叫 光 電導(dǎo) 現(xiàn)

31、 象 。 利 用 光 電 導(dǎo) 現(xiàn) 象 制 成 的 傳 感 器 稱 為 光 電 導(dǎo) 傳 感 器 ，如 PbS、 PbSe、 InSb、 HgCdTe等 材 料 都 可 制 造 光 電 導(dǎo) 傳 感 器 。p 使 用 光 電 導(dǎo) 傳 感 器 時(shí) ， 需 要 制 冷 和 加 上 一 定 的 偏 壓 ， 否 則會(huì) 使 響 應(yīng) 率 降 低 、 噪 聲 大 、 響 應(yīng) 波 段 窄 ， 以 致 使 紅 外 傳 感器 損 壞 。 溫 度 特 性 （ 復(fù) 習(xí) ）光 敏 電 阻 性 能 (靈 敏 度 、 暗 電 阻 )受 溫 度 的 影 響 較 大 。 隨 著 溫 度 升 高 ，其 暗 電 阻 和 靈 敏 度 下

32、降 ， 光 譜 特 性 曲 線 的 峰 值 向 波 長(zhǎng) 短 的 方 向 移 動(dòng) 。有 時(shí) 為 了 提 高 靈 敏 度 ， 或 為 了 能 夠 接 收 較 長(zhǎng) 波 段 的 輻 射 ， 將 元 件 降 溫 使 用 。 例 如 ， 可 利 用 制 冷 器 使 光 敏 電 阻 的 溫 度 降 低 。I / A100150200-50 -10 30 5010-30 T / C 204060801000 1.0 2.0 3.0 4.0/mI/mA+20 C -20 C硫 化 鎘 光 敏 電 阻 的 溫 度 特 性 曲 線 (2.3) 光 生 伏 特 傳 感 器 （ PU器 件 ）p 當(dāng) 紅 外 輻 射 照

33、 射 在 某 些 半 導(dǎo) 體 材 料 的 pn結(jié) 上 時(shí) ， 在 結(jié)內(nèi) 電 場(chǎng) 的 作 用 下 ， 自 由 電 子 移 向 n區(qū) ， 空 穴 移 向 p區(qū) 。如 果 pn結(jié) 開(kāi) 路 ， 則 在 pn結(jié) 兩 端 將 產(chǎn) 生 一 個(gè) 附 加 電 勢(shì) ，稱 為 光 生 電 動(dòng) 勢(shì) 。 利 用 這 個(gè) 效 應(yīng) 制 成 的 傳 感 器 稱 為 光生 伏 特 傳 感 器 或 pn結(jié) 傳 感 器 。p 常 用 的 材 料 為 InAs、 InSb、 HgCdTe、 PbSnTe等 幾 種 。 (2.4) 光 磁 電 傳 感 器 （ PEM器 件 ）p 當(dāng) 紅 外 輻 射 照 射 在 某 些 半 導(dǎo) 體 材

34、料 的 表 面 上 時(shí) ， 材 料 表 面的 電 子 和 空 穴 將 向 內(nèi) 部 擴(kuò) 散 ， 在 擴(kuò) 散 中 若 受 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 的 作 用 ，電 子 與 空 穴 則 各 偏 向 一 邊 ， 因 而 產(chǎn) 生 開(kāi) 路 電 壓 ， 這 種 現(xiàn) 象稱 為 光 磁 電 效 應(yīng) 。 利 用 此 效 應(yīng) 制 成 的 紅 外 傳 感 器 ， 叫 做 光磁 電 傳 感 器 。p 光 磁 電 傳 感 器 不 需 要 致 冷 ， 響 應(yīng) 波 段 可 達(dá) 7 m左 右 ， 時(shí) 間常 數(shù) 小 、 響 應(yīng) 速 度 快 、 不 用 加 偏 壓 、 內(nèi) 阻 極 低 、 噪 聲 小 、有 良 好 的 穩(wěn) 定 性 和 可 靠

35、性 。 但 其 靈 敏 度 低 、 低 噪 聲 前 置 放大 器 制 作 困 難 ， 因 而 影 響 了 使 用 。 禪 師 問(wèn) ： “ 你 覺(jué) 得 是 一 粒 金 子 好 ， 還 是 一 堆 爛 泥 好 呢？ ” 求 道 者 答 ： “ 當(dāng) 然 是 金 子 啊 ！ ” 禪 師 笑 曰 ： “ 假如 你 是 一 顆 種 子 呢 ？ 你 還 會(huì) 這 么 選 嗎 ？ ” 其 實(shí) ， 放 對(duì)位 置 最 重 要 。 -轉(zhuǎn) 引 自 闞 治 東 2013年 4月 2日 所 發(fā) 微 博 2、 紅 外 傳 感 器 的 性 能 參 數(shù) APUR SV 0 2.2 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 范 圍p 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 范 圍

36、 （ 或 稱 光 譜 響 應(yīng) ） 是 表 示 傳 感 器 的 電 壓 響應(yīng) 率 與 入 射 的 紅 外 輻 射 波 長(zhǎng) 之 間 的 關(guān) 系 ， 一 般 用 曲 線 表示 （ 見(jiàn) 下 頁(yè) 圖 ） 。p 一 般 將 響 應(yīng) 率 最 大 值 所 對(duì) 應(yīng) 的 波 長(zhǎng) 稱 為 峰 值 波 長(zhǎng) 。p 把 響 應(yīng) 率 下 降 到 響 應(yīng) 值 的 一 半 所 對(duì) 應(yīng) 的 波 長(zhǎng) 稱 為 截 止 波長(zhǎng) ， 它 表 示 著 紅 外 傳 感 器 使 用 的 波 長(zhǎng) 范 圍 。 紅 外 傳 感 器 的 電 壓 響 應(yīng) 率 曲 線曲 線 1： 熱 電 傳 感 器 的 電 壓 響應(yīng) 率 曲 線 （ 與 波 長(zhǎng) 無(wú) 關(guān) ）

37、 。曲 線 2： 光 子 傳 感 器 的 電 壓 響 應(yīng)率 曲 線 。 2.3 噪 聲 等 效 功 率 VNNS RUUU APNEP / 00 如 果 投 射 到 紅 外 傳 感 器 敏 感 元 件 上 的 輻 射 功 率 所 產(chǎn) 生 的 輸出 電 壓 ， 正 好 等 于 傳 感 器 本 身 的 噪 聲 電 壓 ， 則 這 個(gè) 輻 射 功 率就 叫 做 “ 噪 聲 等 效 功 率 ” 。 通 常 用 符 號(hào) “ NEP”表 示其 中 ： Us為 紅 外 探 測(cè) 器 的 輸 出 電 壓 ； P0為 投 射 到 紅 外 敏 感 元 件 單 位 面 積 上 的 功 率 ； A0為 紅 外 敏 感

38、元 面 積 ； UN為 紅 外 探 測(cè) 器 的 綜 合 噪 聲 電 壓 ； RV為 紅 外 探 測(cè) 器 的 電 壓 響 應(yīng) 率 。 2.4 探 測(cè) 率 探 測(cè) 率 是 噪 聲 等 效 功 率 的 倒 數(shù) ， 即 ： 紅 外 傳 感 器 的 探 測(cè) 率 越 高 ， 表 明 傳 感 器 所 能 探 測(cè) 到 的最 小 輻 射 功 率 越 小 ， 傳 感 器 就 越 靈 敏 。 NVURNEPD 1 2.5 比 探 測(cè) 率 比 探 測(cè) 率 又 叫 歸 一 化 探 測(cè) 率 ， 或 者 叫 探 測(cè) 靈 敏度 。 實(shí) 質(zhì) 上 就 是 當(dāng) 傳 感 器 的 敏 感 元 件 面 積 為 單 位 面積 ， 放 大

39、器 的 帶 寬 f為 1Hz時(shí) ， 單 位 功 率 的 輻 射 所獲 得 的 信 號(hào) 電 壓 與 噪 聲 電 壓 之 比 。 通 常 用 符 號(hào) D*表示 。 2.6 時(shí) 間 常 數(shù)p 時(shí) 間 常 數(shù) 表 示 紅 外 傳 感 器 的 輸 出 信 號(hào) 隨 紅 外 輻 射 變 化 的 速 率 。p 輸 出 信 號(hào) 滯 后 于 紅 外 輻 射 的 時(shí) 間 ， 稱 為 傳 感 器 的 時(shí) 間 常 數(shù) ， 在數(shù) 值 上 為 ： 1 2 fcp 式 中 fc為 響 應(yīng) 率 下 降 到 最 大 值 的 0.707（ 3dB） 時(shí) 的 調(diào) 制 頻 率 。p 熱 傳 感 器 的 熱 慣 性 和 RC參 數(shù) 較

40、大 ， 其 時(shí) 間 常 數(shù) 大 于 光 子 傳 感 器 ，一 般 為 毫 秒 級(jí) 或 更 長(zhǎng) ； 而 光 子 傳 感 器 的 時(shí) 間 常 數(shù) 一 般 為 微 秒 級(jí) 。 當(dāng) 目 標(biāo) 溫 差 產(chǎn) 生 的 信 號(hào) 電 壓 與 平 均 噪 聲 電 壓 相 等 時(shí) ， 該 溫差 稱 為 噪 聲 等 效 溫 差 ， 可 以 用 下 式 表 達(dá) ： 2.7 . 噪 聲 等 效 溫 差 （ NETD） 0/S NT TNETD V V其 中 ， T目 標(biāo) 溫 度 ， T0背 景 溫 度 。 3、 紅 外 傳 感 器 使 用 中 應(yīng) 注 意 的 問(wèn) 題(1)使 用 紅 外 傳 感 器 時(shí) ， 必 須 首 先

41、注 意 了 解 它 的 性 能 指 標(biāo) 和 應(yīng) 用 范 圍 ， 掌 握 它的 使 用 條 件 ；(2)選 擇 傳 感 器 時(shí) 要 注 意 它 的 工 作 溫 度 。 一 般 要 選 擇 能 在 室 溫 工 作 的 紅 外 傳 感器 ， 設(shè) 備 簡(jiǎn) 單 、 使 用 方 便 、 成 本 低 廉 、 便 于 維 護(hù) ；(3)適 當(dāng) 調(diào) 整 紅 外 傳 感 器 的 工 作 點(diǎn) 。 一 般 情 況 下 ， 傳 感 器 有 一 個(gè) 最 佳 工 作 點(diǎn) 。只 有 工 作 在 最 佳 偏 流 工 作 點(diǎn) 時(shí) ， 紅 外 傳 感 器 的 信 噪 比 最 大 。 實(shí) 際 工 作 點(diǎn) 最好 稍 低 于 最 佳 工

42、作 點(diǎn) ；(4)選 用 適 當(dāng) 的 前 置 放 大 器 與 紅 外 傳 感 器 相 配 合 ， 以 獲 得 最 佳 的 探 測(cè) 效 果 ；(5)調(diào) 制 頻 率 與 紅 外 傳 感 器 的 頻 率 響 應(yīng) 相 匹 配 ； (6)傳 感 器 的 光 學(xué) 部 分 不 能 用 手 去 摸 、 擦 ， 防 止 損 傷 與 沾 污 ；(7)傳 感 器 存 放 時(shí) 注 意 防 潮 、 防 振 和 防 腐 蝕 。 三 、 非 致 冷 紅 外 傳 感 器v3.1 熱 絕 緣 結(jié) 構(gòu) 的 重 要 性v3.2 基 本 的 熱 探 測(cè) 機(jī) 構(gòu)參 考 書(shū) 籍 ：l 常 本 康 ， 蔡 毅 ， 紅 外 成 像 陣 列 與

43、 系 統(tǒng) ， 科 學(xué) 出 版 社 ， 2006年l 劉 衛(wèi) 國(guó) ， 金 娜 ， 集 成 非 制 冷 熱 成 像 探 測(cè) 陣 列 ， 國(guó) 防 工 業(yè) 出 版社 ， 2004年 4 7 48 3.1 熱 絕 緣 結(jié) 構(gòu) 的 重 要 性l 所 有 的 熱 紅 外 探 測(cè)器 都 表 現(xiàn) 出 隨 著 敏 感 元 ，即 像 素 溫 度 改 變 而 出 現(xiàn)的 某 些 可 測(cè) 量 特 性 的 改變 ， 這 是 由 于 像 元 吸 收紅 外 輻 射 引 起 的 。l 紅 外 輻 射 光 照 在 一個(gè) 探 測(cè) 像 素 上 ， 被 敏 感區(qū) 域 吸 收 ， 引 起 溫 度 升高 ， 熱 量 從 敏 感 區(qū) 流 向周

44、 圍 的 環(huán) 境 。 熱 紅 外 傳 感 器 的 原 理 49 v存 在 三 種 可 能 的 熱 傳 導(dǎo) 機(jī) 理 ： 熱 傳 導(dǎo) ， 熱 對(duì)流 和 熱 輻 射 。1.熱 傳 導(dǎo) 在 陣 列 內(nèi) 部 以 下 幾 種 方 式 出 現(xiàn) ：v 熱 從 敏 感 區(qū) 沿 著 其 支 撐 流 入 襯 底 。v 如 果 敏 感 區(qū) 相 鄰 ， 熱 可 直 接 從 某 一 像 元 的 敏感 區(qū) 進(jìn) 入 鄰 近 像 元 ， 這 叫 做 橫 向 熱 流 ， 由 于這 種 流 向 降 低 了 圖 像 的 分 辨 率 （ 通 常 稱 為 串音 ） ， 因 而 要 予 以 避 免 。v 如 果 陣 列 沒(méi) 有 固 定 在

45、 一 個(gè) 抽 空 的 封 裝 盒 里 ，熱 量 會(huì) 流 向 周 圍 的 大 氣 。（ 1） 熱 傳 導(dǎo) 機(jī) 理 50 2. 熱 對(duì) 流 是 熱 傳 遞 的 第 二 種 方 式 。 這 種 方 式 要 求 要 有 周 圍大 氣 存 在 。 一 般 說(shuō) 來(lái) ， 在 真 空 封 裝 的 熱 陣 列 中 ， 這不 是 一 種 重 要 的 機(jī) 理 。3. 熱 輻 射 從 敏 感 元 輻 射 給 周 圍 ， 周 圍 環(huán) 境 又 輻 射 給 敏 感 元 。這 種 機(jī) 理 對(duì) 熱 紅 外 陣 列 是 最 理 想 的 。為 了 獲 得 高 性 能 ， 熱 陣 列 應(yīng) 封 裝 在 帶 透 紅 外 輻 射 窗 口

46、的真 空 管 殼 中 。 敏 感 元 不 應(yīng) 與 鄰 近 像 元 的 敏 感 元 相 連 以 免出 現(xiàn) 因 熱 擴(kuò) 散 導(dǎo) 致 圖 像 分 辨 率 損 失 （ 串 音 ） 。（ 1） 熱 傳 導(dǎo) 機(jī) 理 51 v 支 撐 結(jié) 構(gòu) 是 高 性 能 陣 列 的 關(guān) 鍵 ， 必 須 具 備 三 種 功 能 ：機(jī) 械 支 撐 、 熱 傳 導(dǎo) 通 道 和 電 學(xué) 傳 導(dǎo) 通 道 （ 假 設(shè) 讀 出是 電 學(xué) 方 式 而 不 是 光 學(xué) 方 式 ） 。（ 2） 支 撐 結(jié) 構(gòu) 圖 2 熱 釋 電 探 測(cè) 器 件 結(jié) 構(gòu)v 倒 裝 焊 方 式l Taxas儀 器 公 司 （ 德 州 儀 器 ， TI） ：

47、凸 緣焊 接 的 熱 釋 電 鐵 電 測(cè) 熱 輻 射 計(jì) 混 合 式陣 列 。l 探 測(cè) 層 是 一 種 較 厚 的 鋇 鍶 鈦 （ BST ） 層（ 約 為 25 m )， Si 襯 底 上 每 個(gè) 像 元都 配 有 多 路 傳 輸 器 電 路 。l 凸 緣 焊 接 把 每 一 像 元 的 二 部 分 連 接 起 來(lái)提 供 機(jī) 械 支 撐 ， 良 好 的 電 學(xué) 傳 導(dǎo) 和 低 的熱 傳 導(dǎo) 。 52 v微 橋 結(jié) 構(gòu)l 霍 尼 韋 爾 ： 單 片 式 測(cè) 熱 輻 射 計(jì) 陣 列l(wèi) 其 探 測(cè) 層 是 一 個(gè) 淀 積 在 Si3N4 隔 板 上 的 薄 層 (1 m ) 。 隔 板 懸空 于

48、 襯 底 之 上 ， 有 兩 個(gè) 相 對(duì) 方 向 的 腿 支 撐 ， 每 個(gè) 探 測(cè) 像 素 的 電子 裝 置 已 嵌 入 襯 底 。l 在 這 種 結(jié) 構(gòu) 中 ， 必 須 小 心 以 免 敏 感 層 歪 斜 和 接 觸 襯 底 ， 消 除 這種 問(wèn) 題 過(guò) 程 叫 做 應(yīng) 力 平 衡 。l 進(jìn) 行 合 理 的 光 學(xué) 設(shè) 計(jì) ， 在 下 層 制 備 紅 外 輻 射 反 射 層 ， 形 成 紅 外吸 收 諧 振 腔 （ 利 用 光 在 多 層 介 質(zhì) 的 干 涉 效 應(yīng) ， 可 以 增 強(qiáng) 在 某 一波 長(zhǎng) 的 吸 收 率 ； 一 般 腔 的 高 度 為 1/4波 長(zhǎng) ） ， 增 加 對(duì) 紅

49、外 輻 射的 吸 收 率 。 圖 3 微 測(cè) 熱 輻 射 計(jì) 結(jié) 構(gòu) 53 怎 樣 才 能 恰 到 好 處 地 設(shè) 計(jì) 出 熱 探 測(cè) 器 陣 列 ？v 第 一 :設(shè) 計(jì) 的 支 撐 結(jié) 構(gòu) 具 有 良 好 的 隔 熱 性 ， 即是 用 W / 表 達(dá) 極 小 的 G （ 熱 導(dǎo) ） 值 。v 第 二 :選 擇 與 支 撐 結(jié) 構(gòu) 相 組 合 提 供 高 響 應(yīng) 率 的探 測(cè) 機(jī) 構(gòu) 和 材 料 。v 第 三 :用 J/ 表 達(dá) 的 敏 感 元 熱 容 C必 須 低 得 足以 滿 足 用 毫 秒 表 示 的 響 應(yīng) 時(shí) 間 要 求 。 54 3.2 基 本 的 熱 探 測(cè) 機(jī) 構(gòu) 電 阻 測(cè)

50、輻 射 熱 計(jì)假 設(shè) 因 紅 外 輻 射 吸 收 產(chǎn) 生 的 測(cè) 熱 輻 射 計(jì) 溫 度 增 加 足 夠小 的 T ， 從 而 使 電 阻 變 化 R 與 T 成 線 性 關(guān) 系 ，即 是 :其 中 ： 為 電 阻 溫 度 系 數(shù)R R T 紅 外 探 測(cè) 器 的 輸 出 信 號(hào) 為 ： b bVs i R i R T 其 中 ： 為 流 過(guò) 探 測(cè) 像 素 的 偏 置 電 流 。bi 5 5 0 i tth thd TC G T edt 探 測(cè) 元 吸 收 能 量 +損 失 能 量 =入 射 能 量設(shè) 探 測(cè) 像 素 有 一 定 的熱 容 C， 主 要 的 熱 傳 導(dǎo)為 支 撐 的 熱 傳

51、導(dǎo) G， 熱輻 射 調(diào) 制 紅 外 光 功 率幅 度 為 P0的 紅 外 輻 射光 照 在 探 測(cè) 像 素 上 ，入 射 光 吸 收 部 分 為 ，讓 調(diào) 制 光 的 角 頻 率 為 w，敏 感 區(qū) 上 像 素 溫 度 增加 為 T， 則 熱 流 量 公式 為 ： 56 3.2 基 本 的 熱 探 測(cè) 機(jī) 構(gòu) 電 阻 測(cè) 輻 射 熱 計(jì)敏 感 區(qū) 上 像 素 溫 度 增 加 T：0 02 2 1/2exp( ) (1 )P jwt PT G jwC G （ 1962年 Kruse給 出 電 阻 測(cè) 輻 射 熱 計(jì) 的 準(zhǔn) 確 的 解 ）則 ： 02 2 1/2(1 )bi R PVs G 57

52、 3.2 基 本 的 熱 探 測(cè) 機(jī) 構(gòu) 電 阻 測(cè) 輻 射 熱 計(jì)定 義 紅 外 探 測(cè) 器 的 響 應(yīng) 率 為 輸 出 信 號(hào) 除 以 輸 入 輻 射能 量 ， 則 響 應(yīng) 率 為 ： 2 2 1/2(1 )bi RG 上 式 表 明 響 應(yīng) 率 正 比 于 電 阻 溫 度 系 數(shù) ， 反 比 于 主 要熱 損 失 機(jī) 構(gòu) 的 熱 導(dǎo) 。 G值 可 在 幾 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) 范 圍 內(nèi) 變換 ， 值 的 變 化 范 圍 很 小 ， 設(shè) 計(jì) 時(shí) 重 點(diǎn) 放 在 隔 熱 裝置 上 。 同 時(shí) 考 慮 偏 置 引 起 的 焦 耳 熱 效 應(yīng) 。 與 普 通 測(cè) 溫 傳 感 器 相 比 ， 紅 外

53、測(cè) 溫 具 有 如 下 優(yōu) 點(diǎn) ： (1)紅 外 測(cè) 溫 是 遠(yuǎn) 距 離 和 非 接 觸 測(cè) 溫 ， 特 別 適 合 于 高 速 運(yùn) 動(dòng) 物 體 、帶 電 體 、 高 溫 及 高 壓 物 體 的 溫 度 測(cè) 量 ； (2)紅 外 測(cè) 溫 反 應(yīng) 速 度 快 。 它 不 需 要 與 物 體 達(dá) 到 熱 平 衡 的 過(guò) 程 。 只要 接 收 到 目 標(biāo) 的 紅 外 輻 射 即 可 定 溫 。 反 映 時(shí) 間 一 般 都 在 毫 秒 級(jí) 甚 至 微秒 級(jí) 。 (3)紅 外 測(cè) 溫 靈 敏 度 高 。 因 為 物 體 的 輻 射 能 量 與 溫 度 的 四 次 方 成 正比 。 物 體 溫 度 微 小

54、 的 變 化 ， 就 會(huì) 引 起 輻 射 能 量 成 倍 的 變 化 ， 紅 外 傳 感器 即 可 檢 測(cè) 出 來(lái) ； (4)紅 外 測(cè) 溫 準(zhǔn) 確 度 較 高 。 由 于 是 非 接 觸 測(cè) 量 ， 不 會(huì) 破 壞 物 體 原 來(lái)溫 度 分 布 狀 況 ， 因 此 測(cè) 出 的 溫 度 比 較 真 實(shí) 。 其 測(cè) 量 準(zhǔn) 確 度 可 達(dá) 到 0.1以 內(nèi) ， 甚 至 更 小 ； (5)紅 外 測(cè) 溫 范 圍 廣 泛 。 可 測(cè) 攝 氏 零 下 幾 十 度 到 零 上 幾 千 度 的 溫 度范 圍 。（ 一 ） 紅 外 測(cè) 溫四 、 紅 外 技 術(shù) 應(yīng) 用 舉 例 紅 外 測(cè) 溫 原 理v 紅

55、外 測(cè) 溫 有 幾 種 方 法 ， 這 里 只 介 紹 全 輻 射 測(cè) 溫 。 全 輻 射 測(cè) 溫是 測(cè) 量 物 體 所 輻 射 出 來(lái) 的 全 波 段 輻 射 能 量 來(lái) 決 定 物 體 的 溫 度。 它 是 斯 蒂 芬 一 玻 爾 茲 曼 定 律 的 應(yīng) 用 ， 定 律 表 達(dá) 式 為 ： 式 中 ：W- 物 體 的 全 波 輻 射 出 射 度 ， 單 位 面 積 所 發(fā) 射 的 輻 射 功 率 ；- 物 體 表 面 的 法 向 比 輻 射 率 ；- 斯 蒂 芬 -玻 爾 茲 曼 常 數(shù) ；T - 物 體 的 絕 村 溫 度 （ K） 。 v 一 般 物 體 的 總 是 在 0與 1之 間

56、 ， =1的 物 體 叫 做 黑 體 。v T越 大 ， 物 體 的 輻 射 功 率 就 愈 大 。 4Tw Black body:完 全 輻 射 體 。 入 射的 電 磁 波 全 部 被 吸 收 ， 既 無(wú) 反 射 ，又 無(wú) 透 射 。 紅 外 輻 射 測(cè) 溫 儀 結(jié) 構(gòu) 由 光 學(xué) 系 統(tǒng) 、 調(diào) 制 器 、 紅 外 傳 感 器 、 放 大 器 和 指 示 器 等 部分 組 成 。 光 學(xué) 系 統(tǒng) 可 以 是 透 射 式 的 、 也 可 以 是 反 射 式 的 。 透 射 式 光學(xué) 系 統(tǒng) 的 部 件 是 用 紅 外 光 學(xué) 材 料 制 成 的 ， 而 光 學(xué) 材 料 根 據(jù) 紅 外波 長(zhǎng)

57、 來(lái) 選 擇 。 光 學(xué) 材 料v 一 般 測(cè) 量 高 溫 （ 700 以 上 ） 儀 器 ， 有 用 波 段 主 要 在 0.76-3m的 近 紅 外 區(qū) ， 可 選 用 一 般 光 學(xué) 玻 璃 或 石 英 等 材 料 。v 測(cè) 量 中 溫 (100-700 )儀 器 ， 有 用 波 段 主 要 在 3-5m的 中 紅 外區(qū) ， 多 采 用 氟 化 鎂 、 氧 化 鎂 等 熱 壓 光 學(xué) 材 料 。 v 測(cè) 量 低 溫 (100 以 下 )儀 器 ， 有 用 波 段 主 要 在 5-14m的 中 遠(yuǎn) 紅外 波 段 ， 多 采 用 鍺 、 硅 、 熱 壓 硫 化 鋅 等 材 料 。 說(shuō) 明v

58、一 般 還 在 鏡 片 表 面 蒸 鍍 紅 外 增 透 層 。 一 方 面 濾 掉 不需 要 的 波 段 ， 另 一 方 面 增 大 有 用 波 段 的 透 射 率 。v 調(diào) 制 器 就 是 把 紅 外 輻 射 調(diào) 制 成 交 變 輻 射 的 裝 置 。 一般 是 用 微 電 機(jī) 帶 動(dòng) 一 個(gè) 齒 輪 盤(pán) 或 等 距 離 孔 盤(pán) ， 通 過(guò)齒 輪 盤(pán) 或 帶 孔 盤(pán) 旋 轉(zhuǎn) ， 切 割 入 射 輻 射 而 使 投 射 到 紅外 傳 感 器 上 的 輻 射 信 號(hào) 成 交 變 信 號(hào) 。 因 為 系 統(tǒng) 對(duì) 交變 信 號(hào) 處 理 比 較 容 易 ， 并 能 取 得 較 高 的 信 噪 比 。

59、v分 類v目 的v原 理（ 二 ） 紅 外 分 析 儀 分 類 根 據(jù) 不 同 的 目 的 與 要 求 ， 紅 外 分 析 儀 可 設(shè) 計(jì) 成多 種 不 同 的 形 式 ， 如 紅 外 氣 體 分 析 儀 、 紅 外 分光 光 度 計(jì) 、 紅 外 光 譜 儀 等 。 目 的 v 識(shí) 別 物 質(zhì) 分 子 的 類 型v 分 析 物 質(zhì) 組 成v 分 析 和 計(jì) 算 物 質(zhì) 組 成 百 分 比 原 理p 紅 外 分 析 儀 是 根 據(jù) 物 質(zhì) 的 吸 收 特 性 來(lái) 進(jìn) 行 工作 的 。p 許 多 化 合 物 的 分 子 在 紅 外 波 段 都 有 吸 收 帶 ，而 且 因 物 質(zhì) 的 分 子 不

60、同 ， 吸 收 帶 所 在 的 波 長(zhǎng)和 吸 收 的 強(qiáng) 弱 也 不 相 同 。p 根 據(jù) 吸 收 帶 分 布 的 情 況 與 吸 收 的 強(qiáng) 弱 ， 可 以識(shí) 別 物 質(zhì) 分 子 的 類 型 ， 從 而 得 出 物 質(zhì) 的 組 成及 百 分 比 。 用 紅 外 光 照 射 化 合 物 時(shí) ， 分 子 吸 收 紅 外 光 的 能 量 ， 使 分 子 中 鍵 的振 動(dòng) 從 低 能 態(tài) 向 高 能 態(tài) 躍 遷 ， 將 這 個(gè) 過(guò) 程 記 錄 下 來(lái) 就 得 到 紅 外 光譜 團(tuán) 。 化 合 物 中 的 官 能 團(tuán) 可 以 吸 收 特 定 波 長(zhǎng) 的 紅 外 光 ， 即 使 這 些官 能 團(tuán) 所 處

61、 的 化 學(xué) 環(huán) 境 略 有 不 同 。 因 此 ， 紅 外 吸 收 光 譜 可 以 用 來(lái)鑒 別 化 合 物 中 存 在 的 官 能 團(tuán) 。傅 立 葉 紅 外 光 譜 （ FT-IR)：1565 cm-1： 醌 環(huán) C=N伸 縮 振 動(dòng) 峰1488 cm-1： 苯 環(huán) C=C伸 縮 振 動(dòng) 峰1291 cm-1： PANI鏈 中 二 級(jí) 胺 的 C-N鍵1240 cm -1： 雙 極 子 結(jié) 構(gòu) 中 的 C-N鍵 伸 縮 峰 醫(yī) 用 二 氧 化 碳 氣 體 分 析 儀 醫(yī) 用 二 氧 化 碳 氣 體 分 析 儀 ， 是 利 用 二 氧 化碳 氣 體 對(duì) 波 長(zhǎng) 為 4.3 m的 紅 外 輻

62、射 有 強(qiáng) 烈的 吸 收 特 性 而 進(jìn) 行 測(cè) 量 分 析 的 ， 主 要 用 來(lái)測(cè) 量 、 分 析 二 氧 化 碳 氣 體 的 濃 度 。 醫(yī) 用 二 氧 化 碳 氣 體 分 析 儀 光 系 統(tǒng) 圖1. 紅 外 光 源 ； 2. 標(biāo) 準(zhǔn) 氣 室 ； 3. 干 涉 濾 光 片 ； 4. 反 射 光 錐 ； 5. 鍺 浸 沒(méi) 透 鏡 ；6. 紅 外 傳 感 器 ； 7. 測(cè) 量 氣 室 ； 8. 調(diào) 制 盤(pán) ； 9. 電 動(dòng) 機(jī) 醫(yī) 用 二 氧 化 碳 分 析 儀 組 成v 由 紅 外 光 源 、 調(diào) 制 系 統(tǒng) 、 標(biāo) 準(zhǔn) 氣 室 、 測(cè) 量 氣 室 、 紅外 傳 感 器 等 部 分 組 成

63、 。v 在 標(biāo) 準(zhǔn) 氣 室 里 充 滿 了 沒(méi) 有 二 氧 化 碳 的 氣 體 （ 或 含 有定 量 二 氧 化 碳 的 氣 體 ） 。v 待 測(cè) 氣 體 經(jīng) 采 氣 裝 置 ， 由 進(jìn) 氣 口 進(jìn) 入 測(cè) 量 氣 室 。v 調(diào) 節(jié) 紅 外 光 源 ， 使 之 分 別 通 過(guò) 標(biāo) 準(zhǔn) 氣 室 和 測(cè) 量 氣 室v 采 用 干 涉 濾 光 片 濾 光 ， 只 允 許 波 長(zhǎng) 4.3 0.15m的紅 外 輻 射 通 過(guò) ， 此 波 段 正 好 是 二 氧 化 碳 的 吸 收 帶 。 醫(yī) 用 二 氧 化 碳 分 析 儀 原 理v 假 設(shè) 標(biāo) 準(zhǔn) 氣 室 中 沒(méi) 有 二 氧 化 碳 氣 體 ， 而 進(jìn)

64、 入 測(cè) 量 氣 室 中 的 被測(cè) 氣 體 也 不 含 二 氧 化 碳 氣 體 時(shí) ， 則 紅 外 光 源 的 輻 射 經(jīng) 過(guò) 兩 個(gè)氣 室 后 ， 射 出 的 兩 束 紅 外 輻 射 完 全 相 等 。 紅 外 傳 感 器 相 當(dāng) 于接 收 一 束 恒 定 不 變 的 紅 外 輻 射 ， 因 此 可 看 成 只 有 直 流 響 應(yīng) ，接 于 傳 感 器 后 面 的 交 流 放 大 器 是 沒(méi) 有 輸 出 的 。v 當(dāng) 進(jìn) 入 測(cè) 量 氣 室 中 的 被 測(cè) 氣 體 里 含 有 二 氧 化 碳 時(shí) ， 射 入 氣 室的 紅 外 輻 射 中 的 4.3 0.15m 波 段 紅 外 輻 射 被 二

65、 氧 化 碳 吸 收 ，使 測(cè) 量 氣 室 中 出 來(lái) 的 紅 外 輻 射 比 標(biāo) 準(zhǔn) 氣 室 中 出 米 的 紅 外 輻 射弱 。 被 測(cè) 氣 室 中 二 氧 化 碳 濃 度 越 大 ， 兩 個(gè) 氣 室 出 來(lái) 的 紅 外 輻射 強(qiáng) 度 差 別 越 大 。 紅 外 傳 感 器 交 替 接 收 兩 束 不 等 的 紅 外 輻 射后 ， 將 輸 出 一 個(gè) 交 變 電 信 號(hào) ， 經(jīng) 過(guò) 電 子 系 統(tǒng) 處 理 與 適 當(dāng) 標(biāo) 定后 ， 就 可 以 根 據(jù) 輸 出 信 號(hào) 的 大 小 來(lái) 判 斷 被 測(cè) 氣 體 中 含 二 氧 化 碳 的 濃 度 。 本 章 小 結(jié)v 概 念 :紅 外 線 、 紅 外 傳 感 器 、 熱 釋 電 效 應(yīng) 、 噪聲 等 效 功 率 v 問(wèn) 題 1:試 說(shuō) 明 熱 傳 感 器 與 光 子 傳 感 器 的 區(qū) 別 ？v 問(wèn) 題 2:電 阻 測(cè) 輻 射 熱 計(jì) 響 應(yīng) 率 主 要 和 哪 些 因 素有 關(guān) ？ 如 何 設(shè) 計(jì) 出 具 有 良 好 性 能 的 熱 探 測(cè) 器陣 列 ？