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1、燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器第 10章 紅 外 傳 感 器 Infrared sensors 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器與 其 他 探 測(cè) 技 術(shù) 相 比 ， 紅 外 探 測(cè) 技 術(shù) 有 如 下 主 要 優(yōu) 點(diǎn) ：(1) 環(huán) 境 適 應(yīng) 性 好 ， 在 夜 間 和 惡 劣 氣 象 條 件 下 的 工 作 能 力 優(yōu) 于可 見(jiàn) 光 ；(2) 被 動(dòng) 式 工 作 ， 隱 蔽 性 好 ， 不 易 被 干 擾 ；(3) 靠 目 標(biāo) 和 背 景 之 間 各 部 分 的 溫 度 和 發(fā) 射 率 形 成 的 紅 外 輻 射

2、差 進(jìn) 行 探 測(cè) ， 因 而 識(shí) 別 偽 裝 目 標(biāo) 的 能 力 優(yōu) 于 可 見(jiàn) 光 ； (4) 紅 外 系 統(tǒng) 的 體 積 小 、 質(zhì) 量 輕 、 功 耗 低 。緒 論 紅 外 傳 感 器 是 將 紅 外 輻 射 能 量 轉(zhuǎn) 換 為 電 量 的 一 種 傳 感 器 。 紅 外輻 射 （ 紅 外 線 ） 是 一 種 人 眼 看 不 見(jiàn) 的 光 線 ， 波 長(zhǎng) 范 圍 大 致 在0.76 100 m。 任 何 溫 度 高 于 熱 力 學(xué) 零 度 （ -273.15 ） 的 物 體都 會(huì) 輻 射 紅 外 線 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 近 年 來(lái)

3、， 紅 外 技 術(shù) 在 軍 事 領(lǐng) 域 和 民 用 工 程 上 ， 都 得 到 了 廣泛 應(yīng) 用 。 軍 事 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 主 要 包 括 ：(1) 偵 查 、 搜 索 和 預(yù) 警 ；(2) 探 測(cè) 和 跟 蹤 ；(3) 全 天 候 前 視 和 夜 視 ；(4) 武 器 瞄 準(zhǔn) ；(5) 紅 外 制 導(dǎo) 導(dǎo) 彈 ；(6) 紅 外 成 像 相 機(jī) ；(7) 水 下 探 潛 、 探 雷 技 術(shù) 。在 民 用 工 程 領(lǐng) 域 的 應(yīng) 用 主 要 是 ：(1) 在 氣 象 預(yù) 報(bào) 、 地 貌 學(xué) 、 環(huán) 境 監(jiān) 測(cè) 、 遙 感 資 源 調(diào) 查 等 領(lǐng) 域 的應(yīng) 用 ；(2) 在 地 下 礦 井

4、測(cè) 溫 和 測(cè) 氣 中 的 應(yīng) 用 ； (3) 紅 外 熱 像 儀 在 電 力 、 消 防 、 石 化 以 及 醫(yī) 療 和 森 林 火 災(zāi) 頂 報(bào)中 的 應(yīng) 用 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器10.1 紅 外 輻 射 的 基 本 知 識(shí)10.1.1 紅 外 輻 射 任 何 物 體 ， 只 要 它 的 溫 度 高 于 熱 力 學(xué) 零 度 (-273.15 )時(shí) ， 就會(huì) 向 外 輻 射 能 量 ， 故 稱 為 熱 輻 射 ， 又 稱 為 紅 外 輻 射 或 俗 稱 紅 外 線 。它 是 一 種 人 眼 看 不 見(jiàn) 的 光 線 ， 但 實(shí) 際 上 它 與

5、 其 他 任 何 光 線 一 樣 ，也 是 一 種 客 觀 存 在 的 物 質(zhì) 。 在 電 磁 輻 射 波 譜 中 ， 紅 外 線 是 位 于 可見(jiàn) 光 中 紅 色 光 以 外 的 光 線 ， 波 長(zhǎng) 范 圍 大 致 在 0.76 100 ， 對(duì) 應(yīng)的 頻 率 大 致 在 4 1014 3 1011 Hz之 間 。 m紅 外 線 與 可 見(jiàn) 光 一 樣 ， 也 具 有 反 射 、 折 射 、 散 射 、 干 涉 、 吸 收等 特 性 ， 它 在 真 空 中 的 傳 播 速 度 為 光 速 ， 即 c =3 10 8m/s。 在 紅 外 技 術(shù) 中 ， 一 般 將 紅 外 輻 射 分 為 4個(gè)

6、區(qū) 域 ： 波 長(zhǎng) 在 0.763 為 近 紅 外 區(qū) ； 波 長(zhǎng) 在 3 6 為 中 紅 外 區(qū) ； 波 長(zhǎng) 在 6 20 為 中 遠(yuǎn) 紅 外 區(qū) ； 波 長(zhǎng) 在 20 100 為 遠(yuǎn) 紅 外 區(qū) 。mm mm 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 紅 外 輻 射 在 大 氣 中 傳 播 時(shí) ， 由 于 大 氣 中 的 氣 體 分 子 、 水 蒸氣 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 。 但 紅 外 輻 射 在 通 過(guò) 大 氣 層 時(shí) ， 在 以 下 3個(gè)波

7、 段 區(qū) 間 ： 2 2.6 、 3 5 、 8 14 ， 大 氣 對(duì) 紅 外 線 幾乎 不 吸 收 ， 故 稱 之 為 “ 大 氣 窗 口 ” 。 這 3個(gè) 大 氣 窗 口 對(duì) 紅 外 技 術(shù)應(yīng) 用 特 別 重 要 ， 紅 外 儀 器 都 工 作 在 這 3個(gè) 窗 口 之 內(nèi) 。mmm10.1.2 紅 外 輻 射 的 重 要 參 數(shù) 1) 輻 射 能 Q以 輻 射 的 形 式 發(fā) 射 、 傳 播 或 接 收 的 能 量 稱 為 輻 射 能 。 單 位 為 焦耳 (J)。 2) 輻 射 能 通 量單 位 時(shí) 間 內(nèi) 發(fā) 射 、 傳 輸 或 接 收 的 輻 射 能 稱 為 輻 射 能 通 量 ，

8、 其 單 位 為 瓦 特 (W)： ddQt 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 3) 輻 射 強(qiáng) 度 I點(diǎn) 輻 射 源 向 各 個(gè) 方 向 發(fā) 出 輻 射 ， 在 某 一 方 向 ， 在 單 位 立 體 角 內(nèi)發(fā) 出 的 輻 射 能 通 量 為 ， 則 輻 射 強(qiáng) 度 I為ddI 單 位 ： 瓦 /球 面 度 (W/Sr)。 4) 輻 射 出 射 度 M指 輻 射 源 單 位 發(fā) 射 面 積 發(fā) 出 的 輻 射 能 通 量 ， 即d dM S 單 位 :瓦 /米 2(W/m2)。 5) 輻 射 亮 度 L和 光 譜 輻 射 亮 度為 了 表 征 具 有 有

9、 限 尺 寸 輻 射 源 輻 射 能 通 量 的 空 間 發(fā) 布 ， 采 用 輻 射亮 度 這 樣 一 個(gè) 輻 射 量 。 L 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 如 圖 ， 單 位 面 積 為 dS的 輻 射 面 ， 在和 表 面 法 線 N成 角 方 向 ， 在 單 位 立 體 角 內(nèi) 發(fā) 出 的 輻 射 能 通 量 為 ， 則 輻 射 亮 度L為 dddcos d dL S 單 位 ： 瓦 /(球 面 度 米 2)W/(Sr m2)。 輻 射 亮 度 實(shí) 際 上 是 包 括 所 有 波 長(zhǎng) 的 輻 射 能 量 。 如 果 是 輻 射 光 譜中 某 一

10、波 長(zhǎng) 的 輻 射 能 量 ， 則 稱 為 在 此 波 長(zhǎng) 下 的 光 譜 輻 射 亮 度 。 L對(duì) 于 朗 伯 特 輻 射 體 (也 稱 余 弦 輻 射 體 )， 其 在 各 個(gè) 方 向 的 輻 射 亮度 都 相 等 ， 且 有 。 實(shí) 際 輻 射 物 體 一 般 都 可 以 看 作 朗 伯特 輻 射 體 。 M L 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器10.1.3 黑 體 、 白 體 和 透 明 體 1. 輻 射 能 的 分 配當(dāng) 物 體 接 收 到 輻 射 能 以 后 ， 根 據(jù) 物 體 本 身 的性 質(zhì) ， 會(huì) 發(fā) 生 部 分 能 量 吸 收 、 透

11、射 和 反 射 的現(xiàn) 象 ， 如 圖 所 示 ,有 A D R 1Q Q QQ Q Q 式 中 ： a為 吸 收 率 ， 表 示 吸 收 的 能 量 所 占 的 比 率 ； 為 透 射 率 ，表 示 透 射 的 能 量 所 占 的 比 率 ； 為 反 射 率 ， 表 示 反 射 的 能 量 所占 的 比 率 。 2. 黑 體當(dāng) QA/Q=a=1時(shí) ， 則 =0， =0。 這 說(shuō) 明 照 射 到 物 體 上 的 輻 射能 全 部 被 吸 收 ， 既 無(wú) 反 射 也 無(wú) 透 射 ， 具 有 這 種 性 質(zhì) 的 物 體 稱為 “ 絕 對(duì) 黑 體 ” 或 簡(jiǎn) 稱 為 “ 黑 體 ” 。 燕 山 大 學(xué)

12、 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器在 自 然 界 中 黑 體 是 不 存 在 的 ， 但 可 以人 為 制 造 近 似 的 黑 體 ， 如 圖 所 示 。 3. 透 明 體當(dāng) QD/Q= =1時(shí) ， 說(shuō) 明 照 射 到 物 體 上 的 輻射 能 全 部 透 射 過(guò) 去 ， 既 無(wú) 吸 收 又 無(wú) 反 射 。具 有 這 種 性 質(zhì) 的 物 體 稱 為 透 明 體 。 4. 白 體當(dāng) Q R/Q= =1時(shí) ， 說(shuō) 明 照 射 到 物 體 上 的 輻 射 能 全 部 被 反 射 出 去 。若 物 體 表 面 平 整 光 滑 ， 反 射 具 有 一 定 規(guī) 律 ， 則 該 物 體

13、 稱 之 為“ 鏡 體 ” ； 若 反 射 無(wú) 一 定 規(guī) 律 ， 則 該 物 體 稱 為 “ 絕 對(duì) 白 體 ”或 簡(jiǎn) 稱 為 “ 白 體 ” 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器10.1.4 紅 外 輻 射 的 基 本 定 律 1. 基 爾 霍 夫 定 律基 爾 霍 夫 定 律 (簡(jiǎn) 稱 基 氏 定 律 )是 物 體 熱 輻 射 的 基 本 定 律 ， 它 建立 了 理 想 黑 體 和 實(shí) 際 物 體 輻 射 之 間 的 關(guān) 系 。 基 爾 霍 夫 定 律 表 明 ：各 物 體 的 輻 射 出 射 度 和 吸 收 率 的 比 值 都 相 同 ， 它 和

14、 物 體 的 性 質(zhì)無(wú) 關(guān) ， 是 物 體 的 溫 度 T和 發(fā) 射 波 長(zhǎng) 的 函 數(shù) 。 即 ： 0 1 20 1 2( , ) ( , ) ( , ) ( , )( , ) ( , ) ( , )M T M T M T f TT T T 式 中 ： M0( ,T)， M1( ,T)， M2( ,T)， 分 別 為 物 體 A0， A1，A2， 的 單 色 ( )輻 射 出 射 度 ； 0( ,T)， 1( ,T)， 2( ,T)， 分 別 為 物 體 A0， A1， A2， 的 單 色 ( )吸 收 率 。 若 物 體 A0是 絕 對(duì) 黑 體 ， 則 其 單 色 吸 收 率 0( ,T)

15、=1， 則 任 意 物體 A的 輻 射 出 射 度 M( ,T)與 黑 體 的 輻 射 出 射 度 M0( ,T)之 比 為 0( , ) ( , ) ( , )( , )M T T TM T 單 色 黑 度 系 數(shù) 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器在 全 波 長(zhǎng) 內(nèi) ， 任 何 物 體 的 全 輻 射 出 射 度 等 于 單 波 長(zhǎng) 的 輻 射出 射 度 在 全 波 長(zhǎng) 內(nèi) 的 積 分 ， 即 基 氏 定 律 的積 分 形 式 0 00 00 , d( ) , d( ) , d TM TM T TM T M T M(T)為 物 體 A在 溫 度 T下 的

16、 全 輻 射 出 射 度 ； M0(T)為 黑 體 在 溫 度 T下的 全 輻 射 出 射 度 ； 為 物 體 A的 全 發(fā) 射 率 ， 或 稱 全 輻 射 黑 度 系 數(shù) 。它 表 明 了 在 一 定 的 溫 度 T下 ， 物 體 A的 輻 射 出 射 度 與 相 同 溫 度 下 黑體 的 輻 射 出 射 度 之 比 。 一 般 物 體 的 1， 越 接 近 1， 表 明 它 與黑 體 的 輻 射 能 力 越 接 近 。 T T T比 較 教 材 表 10-1所 列 材 料 的 單 色 發(fā) 射 率 和 全 發(fā) 射 率 ， 你 能 得 出怎 樣 的 結(jié) 論 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué)

17、院 第 10章 紅 外 傳 感 器2. 黑 體 輻 射 定 律 1) 普 朗 克 定 律 (單 色 輻 射 強(qiáng) 度 定 律 )在 基 爾 霍 夫 定 律 式 (10-6)中 ， f( ,T)的 函 數(shù) 形 式 是 怎 樣 的 ？ 普朗 克 用 量 子 學(xué) 說(shuō) 建 立 了 數(shù) 學(xué) 關(guān) 系 式 ， 并 得 到 了 實(shí) 驗(yàn) 驗(yàn) 證 。 普 朗克 建 立 的 黑 體 的 光 譜 輻 射 出 射 度 M0( ,T)計(jì) 算 公 式 為 25 10 1( , ) (e 1)CTM T C 式 中 ： C1為 第 一 輻 射 常 數(shù) ， C1=3.74 104 W 4/cm2； C2為 第 二輻 射 常 數(shù)

18、， C2=1.44 104 K； T為 黑 體 絕 對(duì) 溫 度 (K)。mm由 上 式 可 算 出 不 同 波 長(zhǎng) 和 溫 度 時(shí) 黑 體 的 光 譜 輻 射 出 射 度M0( ,T)， 如 圖 10.4所 示 。 從 圖 中 曲 線 可 以 得 出 黑 體 輻 射 的幾 個(gè) 特 性 ： 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 (1) 總 的 輻 射 出 射 度 是 隨 溫 度 的 升 高而 迅 速 增 加 的 ， 溫 度 越 高 則 光 譜 輻 射 出射 度 越 大 。 (2) 當(dāng) 溫 度 一 定 時(shí) ， 光 譜 輻 射 出 射 度隨 波 長(zhǎng) 的 不 同 按

19、一 定 的 規(guī) 律 變 化 ， 曲 線有 一 個(gè) 極 大 值 ， 其 波 長(zhǎng) 定 義 為 ， 當(dāng) 波長(zhǎng) 小 于 時(shí) ， 輻 射 出 射 度 隨 波 長(zhǎng) 增 加 而增 加 ， 當(dāng) 波 長(zhǎng) 大 于 時(shí) ， 變 化 規(guī) 律 相 反 。(3) 當(dāng) 溫 度 增 加 時(shí) ， 光 譜 輻 射 出 射 度 的峰 值 波 長(zhǎng) 會(huì) 向 短 波 方 向 移 動(dòng) 。 物 體 的 輻射 亮 度 增 加 ， 發(fā) 光 顏 色 也 改 變 。普 朗 克 公 式 雖 然 結(jié) 構(gòu) 較 復(fù) 雜 ， 但 它 對(duì) 于 低 溫 與 高 溫 段 都 是 適 用 的 。 mm m 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外

20、傳 感 器 2) 維 恩 公 式當(dāng) 時(shí) ， 則 有 ， 可 得 到 維 恩 公 式2T C 2e 1CT 250 1( , ) e CTM T C -維 恩 公 式 比 普 朗 克 公 式 簡(jiǎn) 單 ， 但 僅 適 用 于 不 超 過(guò) 3000 K的 溫 度范 圍 ， 輻 射 波 長(zhǎng) 在 0.4 0.75 之 間 。 當(dāng) 溫 度 超 過(guò) 3000 K時(shí) ，與 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 就 有 較 大 偏 差 。 m從 維 恩 公 式 可 以 看 出 ， 黑 體 的 輻 射 本 領(lǐng) 是 波 長(zhǎng) 和 溫 度 的 函 數(shù) ，當(dāng) 波 長(zhǎng) 一 定 時(shí) ， 黑 體 的 輻 射 本 領(lǐng) 就 僅 僅 是 溫 度 的 函

21、數(shù) ， 這 就 是單 色 輻 射 式 測(cè) 溫 和 比 色 測(cè) 溫 的 理 論 依 據(jù) 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 3) 斯 蒂 芬 -玻 爾 茲 曼 定 律 (全 輻 射 強(qiáng) 度 定 律 ， 也 稱 為 四 次方 定 律 )對(duì) 黑 體 光 譜 輻 射 出 射 度 M0( ,T)式 在 全 波 長(zhǎng) 范 圍 (0， )積 分可 得 ： 2 5 45 1 4 40 0 1 2 30 0 2( )= ( , )d (e 1) d 15CT kM T M T C T Tc h 為 黑 體 輻 射 常 數(shù) 或 稱 斯 蒂 芬 - 玻 爾 茲 曼 常 數(shù) ，

22、=5.66961 10-3 W/(m2K4)。 斯 蒂 芬 -玻 爾 茲 曼 定 律 指 出 ： 溫 度 為 T的 絕 對(duì) 黑 體 ， 單 位 面 積元 在 半 球 方 向 所 發(fā) 射 的 全 部 波 長(zhǎng) 的 輻 射 出 射 度 與 溫 度 T的 四次 方 成 正 比 。 上 式 就 是 全 輻 射 式 測(cè) 溫 的 理 論 依 據(jù) 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器10.2 紅 外 傳 感 器 紅 外 傳 感 器 是 將 紅 外 輻 射 能 量 的 變 化 轉(zhuǎn) 換 為 電 量 變 化 的 一 種傳 感 器 ， 也 常 稱 為 紅 外 探 測(cè) 器 。 它

23、是 紅 外 探 測(cè) 系 統(tǒng) 的 核 心 ， 它的 性 能 好 壞 ， 將 直 接 影 響 系 統(tǒng) 性 能 的 優(yōu) 劣 。 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 。 按 探 測(cè) 機(jī) 理 的 不 同 ， 紅 外 傳 感 器 分 為 熱 傳 感 器 和 光 子 傳 感 器兩 大 類 。 光 電 導(dǎo) 傳 感 器光 生 伏 特 傳 感 器紅 外 光 子 傳 感 器 光 電 子 發(fā) 射 傳 感 器光 磁 電 傳 感 器紅 外 傳 感 器 熱 電 偶 型紅 外 熱 傳 感 器 熱 敏 電 阻 型熱 釋 電 型 燕 山 大 學(xué)

24、 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 紅 外 光 子 傳 感 器 的 工 作 原 理 是 基 于 光 電 效 應(yīng) 。 其 主 要 特 點(diǎn)是 靈 敏 度 高 ， 響 應(yīng) 速 度 快 ， 響 應(yīng) 頻 率 高 。 但 紅 外 光 子 傳 感 器 一般 需 在 低 溫 下 才 能 工 作 ， 故 需 要 配 備 液 氦 、 液 氮 制 冷 設(shè) 備 。 此外 ， 光 子 傳 感 器 有 確 定 的 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 范 圍 ， 探 測(cè) 波 段 較 窄 。 紅 外 熱 傳 感 器 的 工 作 是 利 用 輻 射 熱 效 應(yīng) 。 探 測(cè) 器 件 接 收 輻 射能 后 引 起 溫 度 升 高

25、 ， 再 由 接 觸 型 測(cè) 溫 元 件 測(cè) 量 溫 度 改 變 量 ， 從而 輸 出 電 信 號(hào) 。 與 光 子 傳 感 器 相 比 ， 熱 傳 感 器 的 探 測(cè) 率 比 光 子傳 感 器 的 峰 值 探 測(cè) 率 低 ， 響 應(yīng) 速 度 也 慢 得 多 。 但 熱 傳 感 器 光 譜響 應(yīng) 寬 而 且 平 坦 ， 響 應(yīng) 范 圍 可 擴(kuò) 展 到 整 個(gè) 紅 外 區(qū) 域 ， 并 且 在 常溫 下 就 能 工 作 ， 使 用 方 便 ， 應(yīng) 用 仍 相 當(dāng) 廣 泛 。10.2.1 紅 外 光 子 傳 感 器 紅 外 光 子 傳 感 器 是 利 用 某 些 半 導(dǎo) 體 材 料 在 紅 外 輻 射

26、 的 照 射 下 ， 產(chǎn) 生 光 電 效 應(yīng) ， 使 材 料 的 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 ， 就 可 以 確 定 紅 外 輻 射 的 強(qiáng) 弱 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 按 照 紅 外 光 子 傳 感 器 的 工 作 原 理 ， 一 般 分 為 外 光 電 效 應(yīng) 和內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 傳 感 器 兩 種 。 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 傳 感 器 又 分 為 光 電 導(dǎo) 傳 感器 、 光 生 伏 特 (簡(jiǎn) 稱 光 伏 )傳 感 器 和 光 磁 電 傳 感 器 3種 。 (1) 大 部 分 外 光 電

27、 傳 感 器 只 對(duì) 可 見(jiàn) 光 有 響 應(yīng) 。 可 用 于 紅 外 輻射 的 光 電 陰 極 很 少 。 S-1(Ag-O-Cs)是 一 種 。 它 的 峰 值 響 應(yīng) 波 長(zhǎng)是 0.8 ， 光 譜 響 應(yīng) 擴(kuò) 展 到 1.2 。 目 前 外 光 電 效 應(yīng) 探 測(cè) 器 只用 于 可 見(jiàn) 光 和 近 紅 外 波 長(zhǎng) 范 圍 。m m (2) 光 電 導(dǎo) 探 測(cè) 器 利 用 半 導(dǎo) 體 作 材 料 ， 可 以 分 為 多 晶 薄 膜 形式 和 單 晶 形 式 兩 種 類 型 。 薄 膜 型 的 光 電 導(dǎo) 探 測(cè) 器 品 種 較 少 ，常 用 的 只 有 PbS和 PbSe兩 種 。 PbS適

28、 用 于 1 3 近 紅 外 附 近 的大 氣 窗 口 。 PbSe適 用 于 3 5 的 大 氣 窗 口 。 mm 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 (3) 光 伏 探 測(cè) 器 按 使 用 要 求 不 同 可 分 為 兩 類 ， 一 類 是 用 作 能量 轉(zhuǎn) 換 和 光 電 控 制 ， 如 光 電 池 ； 另 一 類 是 主 要 作 為 光 電 信 號(hào) 變換 的 光 伏 器 件 ， 如 光 敏 二 極 管 、 光 敏 晶 體 管 、 雪 崩 光 敏 二 極 管 、光 伏 HgCdTe和 PbSnTe紅 外 探 測(cè) 器 。 單 晶 型 的 光 電 導(dǎo) 探

29、測(cè) 器 可 再 細(xì) 分 為 本 征 型 和 摻 雜 型 兩 類 。 本征 型 中 InSb是 3 5 區(qū) 間 最 優(yōu) 良 的 探 測(cè) 器 ， HgCdTe和 PbSnTe探測(cè) 器 適 用 于 8 14 大 氣 窗 口 。 此 外 還 有 適 用 于 極 近 紅 外 的 Si與 適 用 于 1 4 的 Te等 探 測(cè) 器 。摻 雜 型 主 要 為 適 用 于 8 14 的 Ge Hg。 此 外 ， Ge Cu和 GeCd雖 能 探 測(cè) 波 長(zhǎng) 更 長(zhǎng) 的 紅 外 輻 射 ， 但 工 作 時(shí) 必 須 冷 卻 到 4 K， 使用 不 方 便 。 此 外 Si摻 雜 的 探 測(cè) 器 近 來(lái) 亦 有 較

30、 大 的 進(jìn) 展 。mmm m光 電 池 工 作 時(shí) 不 必 加 偏 置 電 壓 ， 材 料 都 采 用 單 晶 。 常 用 的 單 晶 材 料有 Si(響 應(yīng) 區(qū) 間 約 0.5 1.5微 米 )、 Ge(峰 值 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 約 為 1.5微 米 )、 室 溫 工 作 的 TnSb(1 3.8微 米 )、 77K溫 度 工 作 的 InAs(1 3.5微 米 )、77 K溫 度 工 作 的 InSb(2 5.8微 米 )等 。m 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 硅 光 敏 二 極 管 是 一 種 常 用 光 電 探 測(cè) 器 ， 其 光 譜 范 圍

31、在 0.41.1 ， 峰 值 波 長(zhǎng) 為 0.9 ， 主 要 用 于 可 見(jiàn) 光 和 近 紅 外 探 測(cè) 。m mPb 1-xSnxTe紅 外 探 測(cè) 器 可 以 通 過(guò) 改 變 其 組 分 x和 器 件 工 作 溫 度 來(lái)得 到 不 同 的 光 譜 響 應(yīng) ， 通 常 的 工 作 溫 度 可 以 有 15 K、 77 K等 ，其 光 譜 響 應(yīng) 范 圍 是 8 14 。HgCdTe和 PbSnTe除 了 有 單 元 器 件 外 ， 還 可 制 作 線 陣 和 面 陣 器 件 ，它 是 當(dāng) 前 紅 外 成 像 系 統(tǒng) 中 重 要 的 光 探 測(cè) 器 。m PIN硅 光 敏 二 極 管 的 頻

32、率 響 應(yīng) 很 高 ， 達(dá) 吉 赫 (GHz)量 級(jí) ， 其 峰值 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 在 1.04 1.06 之 間 。m 目 前 制 作 的 光 伏 HgCdTe紅 外 探 測(cè) 器 可 分 別 工 作 于 室 溫 (300 K)和 液 氮 (77 K)溫 區(qū) ， 其 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 可 覆 蓋 1 14 。 工 作 于 77 K的 HgCdTe工 作 波 段 為 8 14 ， 峰 值 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 為 10.6 左 右 。mm m 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 (4) 光 磁 電 傳 感 器 的 工 作 原 理 是光 磁 電 效 應(yīng) ， 如 圖 所

33、示 。 半 導(dǎo) 體 的 上表 面 吸 收 光 子 后 在 上 表 面 產(chǎn) 生 的 電 子 -空 穴 對(duì) 要 向 體 內(nèi) 擴(kuò) 散 。 在 擴(kuò) 散 過(guò) 程 中 ，因 受 到 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 的 作 用 ， 電 子 和 空 穴 各偏 向 一 側(cè) ， 因 而 產(chǎn) 生 電 位 差 。 這 個(gè) 現(xiàn)象 就 叫 做 光 磁 電 效 應(yīng) 。 利 用 這 個(gè) 效 應(yīng)測(cè) 量 紅 外 輻 射 的 探 測(cè) 器 稱 為 光 磁 電 探測(cè) 器 。 常 用 的 材 料 有 InSb與 HgTe等 。 光 磁 電 傳 感 器 的 主 要 優(yōu) 點(diǎn) 是 不 需 要 致 冷 設(shè) 備 和 外 加 電 源 ，但 靈 敏 度 比 光 導(dǎo) 型

34、和 光 伏 型 器 件 低 ， 且 需 要 外 加 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 10.2.2 紅 外 熱 傳 感 器 熱 探 測(cè) 器 吸 收 紅 外 輻 射 后 溫 度 升 高 ， 可 以 使 探 測(cè) 材 料 產(chǎn) 生 溫差 電 動(dòng) 勢(shì) 、 電 阻 率 變 化 、 自 發(fā) 極 化 強(qiáng) 度 變 化 等 ， 測(cè) 量 這 些 物 理性 能 的 變 化 就 可 以 測(cè) 定 被 吸 收 的 紅 外 輻 射 能 量 或 功 率 。 1. 測(cè) 輻 射 熱 電 偶 和 熱 電 堆 測(cè) 輻 射 熱 電 偶 是 利 用 溫 差 電 效 應(yīng) 制 成 的 紅

35、外 探 測(cè) 器 。 所 謂 溫差 電 效 應(yīng) 是 指 把 兩 種 不 同 的 金 屬 或 半 導(dǎo) 體 細(xì) 絲 連 接 成 一 個(gè) 封 閉環(huán) 路 ， 當(dāng) 一 個(gè) 接 頭 吸 收 紅 外 輻 射 因 而 它 的 溫 度 高 于 另 一 個(gè) 接 頭時(shí) ， 環(huán) 內(nèi) 就 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì) ， 從 電 動(dòng) 勢(shì) 的 大 小 可 以 測(cè) 定 接 頭 處 所 吸收 的 紅 外 輻 射 功 率 。 若 干 個(gè) 熱 電 偶 串 接 在 一 起 就 成 為 熱 電 堆 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 圖 示 為 一 種 熱 電 堆 探 測(cè) 器 ， 共有 8支 串 聯(lián) 的

36、熱 電 偶 ， 8支 熱 電 偶 的熱 端 焊 接 在 鍍 有 一 薄 層 黑 色 的 鉑 黑受 熱 片 上 ， 熱 電 偶 的 冷 端 焊 在 一 個(gè)金 屬 箔 上 ， 金 屬 箔 固 定 在 兩 片 絕 緣絕 熱 的 云 母 環(huán) 中 間 ， 云 母 環(huán) 固 定 有引 出 線 ， 從 引 出 線 上 可 以 得 到 8支熱 電 偶 熱 電 動(dòng) 勢(shì) 的 和 。 這 種 熱 電 堆能 量 損 失 小 ， 具 有 較 小 的 熱 慣 性 和較 高 的 靈 敏 度 。 溫 差 電 偶 型 探 測(cè) 器 的 探 測(cè) 率 可 達(dá) ， 響 應(yīng) 時(shí)間 約 30 50 ms， 目 前 生 產(chǎn) 的 紅 外 分 光

37、 光 度 計(jì) 大 多 采 用 溫 差 電偶 型 探 測(cè) 器 作 為 輻 射 接 收 器 。 9 1 2 11.4 10 cmHz W 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 2. 測(cè) 輻 射 熱 敏 電 阻測(cè) 輻 射 熱 敏 電 阻 是 利 用 材 料 的 電 阻 對(duì) 溫 度 敏 感 的 特 性 來(lái) 探 測(cè) 紅外 輻 射 的 器 件 。 通 常 采 用 負(fù) 溫 度 系 數(shù) 氧 化 物 半 導(dǎo) 體 作 為 熱 敏 材料 。 圖 示 為 測(cè) 輻 射 熱 敏 電 阻 的 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 。熱 敏 電 阻 薄 片 的 厚 度 約 10 ， 形 狀 呈 方 形 或 長(zhǎng)

38、 方 形 ， 邊 長(zhǎng) 從0.1 mm到 10 mm， 形 狀 和 大 小 根 據(jù) 實(shí) 際 需 要 確 定 。 電 阻 值 一 般 在幾 百 千 歐 到 幾 兆 歐 之 間 ， 電 阻 值 取 決 于 材 料 的 電 阻 率 和 元 件 的幾 何 尺 寸 。 熱 敏 電 阻 薄 片 的 兩 端 蒸 鍍 電 極 并 接 引 線 ， 上 表 面 常 涂 有 黑 化 層 ， 以 便 增 加 對(duì) 入 射 輻 照 的 吸 收 ， 吸 收 率 可 以 達(dá) 到90%左 右 。 m 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 典 型 的 測(cè) 輻 射 熱 敏 電 阻 通 常 將 結(jié) 構(gòu)

39、 和 性 能 相 同 的 兩 只 熱 敏電 阻 組 裝 在 同 一 個(gè) 管 殼 內(nèi) ， 如 圖 所 示 。 其 中 ， 一 只 用 來(lái) 接 收紅 外 輻 射 能 量 ， 稱 為 工 作 元 件 ， 另 一 只 被 屏 蔽 起 來(lái) 不 接 收 紅外 輻 射 能 ， 稱 為 補(bǔ) 償 元 件 ， 它 能 起 溫 度 補(bǔ) 償 作 用 。 兩 只 元 件盡 可 能 靠 得 近 些 ， 以 便 保 證 有 相 同 的 環(huán) 境 條 件 。 測(cè) 量 電 路 常用 電 橋 電 路 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 測(cè) 輻 射 熱 敏 電 阻 技 術(shù) 性 能 并 不 高

40、， 其 探 測(cè) 率 在 調(diào) 制 頻 率小 于 30 Hz的 低 頻 區(qū) 一 般 為 ， 這 比 熱 電 堆 的 探測(cè) 率 約 低 一 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) ， 比 熱 釋 電 探 測(cè) 器 低 一 個(gè) 數(shù) 量 級(jí) 以 上 。熱 敏 電 阻 的 時(shí) 間 常 數(shù) 一 般 為 幾 毫 秒 幾 十 毫 秒 ， 遠(yuǎn) 不 如 熱 釋電 探 測(cè) 器 響 應(yīng) 快 。 但 測(cè) 輻 射 熱 敏 電 阻 的 穩(wěn) 定 性 好 ， 又 比 較 牢固 ， 容 易 與 放 大 器 匹 配 ， 且 是 一 種 對(duì) 各 種 波 長(zhǎng) 都 有 相 同 響 應(yīng)的 無(wú) 選 擇 性 探 測(cè) 器 件 ， 在 1 15 的 常 用 紅 外 波 段

41、內(nèi) 響 應(yīng) 度基 本 上 與 波 長(zhǎng) 無(wú) 關(guān) ， 這 是 光 子 探 測(cè) 器 所 達(dá) 不 到 的 。 目 前 熱 敏電 阻 在 8 14 波 段 應(yīng) 用 很 廣 ， 所 以 它 在 基 礎(chǔ) 科 學(xué) 研 究 、 工業(yè) 及 空 間 技 術(shù) 等 方 面 仍 有 相 當(dāng) 數(shù) 量 的 應(yīng) 用 。 例 如 在 測(cè) 輻 射 計(jì) 、熱 成 象 儀 和 工 業(yè) 生 產(chǎn) 的 自 動(dòng) 控 制 等 若 干 裝 置 中 都 可 以 使 用 熱敏 電 阻 。 m 8 1 2 12 10 cmHz W m 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 3. 熱 釋 電 探 測(cè) 器 熱 釋 電 紅

42、外 探 測(cè) 器 是 一 種 新 型 的 熱 探 測(cè) 器 ， 它 是 利 用 某 些材 料 的 熱 釋 電 效 應(yīng) 探 測(cè) 輻 射 能 量 的 器 件 。 由 于 熱 釋 電 信 號(hào) 正比 于 器 件 溫 升 隨 時(shí) 間 的 變 化 率 ， 而 不 像 通 常 熱 探 測(cè) 器 那 樣 需要 有 個(gè) 熱 平 衡 過(guò) 程 ， 因 此 ， 熱 釋 電 探 測(cè) 器 的 響 應(yīng) 速 度 比 其 他熱 探 測(cè) 器 快 得 多 。 它 不 但 可 以 工 作 于 低 頻 ， 而 且 能 工 作 于 高頻 ， 目 前 最 好 的 熱 釋 電 探 測(cè) 器 的 探 測(cè) 率 可 以 高達(dá) ， 已 經(jīng) 超 過(guò) 了 所

43、有 的 室 溫 熱 探 測(cè) 器 。 因 而 熱釋 電 探 側(cè) 器 不 僅 具 有 室 溫 工 作 、 光 譜 響 應(yīng) 寬 等 熱 探 測(cè) 器 的 共同 優(yōu) 點(diǎn) ， 而 且 也 是 探 測(cè) 率 最 高 、 頻 率 響 應(yīng) 最 寬 的 熱 探 測(cè) 器 。隨 著 熱 釋 電 探 測(cè) 器 研 究 的 不 斷 深 入 和 發(fā) 展 ， 其 應(yīng) 用 也 日 趨 廣泛 ， 不 僅 應(yīng) 用 于 光 譜 儀 、 紅 外 測(cè) 溫 儀 、 熱 像 儀 和 紅 外 攝 像 管等 方 面 ， 而 且 在 快 速 激 光 脈 沖 監(jiān) 測(cè) 和 紅 外 遙 感 技 術(shù) 中 也 得 到 了 實(shí) 際 應(yīng) 用 。 9 12 15 1

44、0 cmHz W 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 1) 熱 釋 電 效 應(yīng) 熱 釋 電 探 測(cè) 器 所 用 材 料 為 熱 電 晶 體 ， 如 硫 酸 三 甘 肽 (TGS)、鈮 酸 鍶 鋇 (SBN)、 鉭 酸 鋰 、 鈮 酸 鋰 等 。熱 電 晶 體 ： 在 具 有 非 中 心 對(duì) 稱 結(jié) 構(gòu) 的 極 性 晶 體 中 ， 即 使 在 外 電 場(chǎng) 和應(yīng) 力 均 為 零 的 情 況 下 ， 本 身 也 具 有 自 發(fā) 極 化 ， 自 發(fā) 極 化 強(qiáng) 度 Ps是 溫度 的 函 數(shù) ,即 溫 度 升 高 時(shí) ， Ps減 小 ， 當(dāng) 溫 度 高 于 居 里 溫

45、 度 時(shí) ， Ps=0。具 有 這 種 性 質(zhì) 的 晶 體 稱 為 熱 電 晶 體 。 熱 釋 電 效 應(yīng) ： 由 于 自 發(fā) 極 化 ， 熱 電 晶 體 的 外 表 面 上 應(yīng) 出 現(xiàn) 面 束 縛電 荷 ， 在 垂 直 于 P s的 晶 體 表 面 上 面 束 縛 電 荷 密 度 =Ps。 但 平 時(shí) 這 些面 束 縛 電 荷 常 被 晶 體 內(nèi) 部 和 外 來(lái) 的 自 由 電 荷 所 中 和 ， 因 此 晶 體 并 不顯 出 外 電 場(chǎng) 。 但 是 由 于 自 由 電 荷 中 和 面 束 縛 電 荷 所 需 要 的 時(shí) 間 很 長(zhǎng) ，大 約 從 數(shù) 秒 到 數(shù) 小 時(shí) ， 而 晶 體 的

46、自 發(fā) 極 化 的 弛 豫 時(shí) 間 很 短 ， 約 為10-12 s， 因 此 ， 當(dāng) 熱 電 晶 體 溫 度 以 一 定 頻 率 發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 由 于 面 束縛 電 荷 來(lái) 不 及 被 中 和 ， 晶 體 的 自 發(fā) 極 化 強(qiáng) 度 或 面 束 縛 電 荷 密 度 必然 以 同 樣 的 頻 率 出 現(xiàn) 周 期 性 變 化 ， 并 產(chǎn) 生 一 個(gè) 交 變 的 電 場(chǎng) 。 這 種 現(xiàn)象 就 是 熱 釋 電 效 應(yīng) 。 s s 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 工 作 原 理 ： 若 用 調(diào) 制 頻 率 為 f的 紅 外 輻 射 照 射 熱 電 晶

47、體 ，則 晶 體 溫 度 、 自 發(fā) 極 化 強(qiáng) 度 以 及 由 此 引 起 的 面 束 縛 電 荷 密 度均 隨 頻 率 f發(fā) 生 周 期 性 變 化 。 如 果 1/f小 于 自 由 電 荷 中 和 面 束 縛電 荷 所 需 要 的 時(shí) 間 ， 那 么 在 垂 直 于 Ps的 兩 端 面 間 產(chǎn) 生 交 變 開(kāi)路 電 壓 。 若 在 這 二 個(gè) 端 面 涂 上 電 極 ， 并 通 過(guò) 負(fù) 載 連 成 閉 合 回路 ， 在 回 路 中 就 會(huì) 有 電 流 流 過(guò) ， 而 且 在 負(fù) 載 的 兩 端 產(chǎn) 生 交 變的 信 號(hào) 電 壓 。 這 就 是 熱 釋 電 探 測(cè) 器 工 作 的 基 本

48、原 理 。2) 熱 釋 電 紅 外 傳 感 器 的 結(jié) 構(gòu) 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器熱 釋 電 傳 感 器 結(jié) 構(gòu) 示 意 熱 釋 電 傳 感 器 內(nèi) 部 電 路 結(jié) 構(gòu) 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 熱 釋 電 傳 感 器 按 其 內(nèi) 部 安 裝 敏 感 元 件 數(shù) 量 的 多 少 ， 分 為 單元 件 、 雙 元 件 、 四 元 件 及 特 殊 形 式 等 幾 種 。 最 常 用 的 為 雙 元 件型 ， 如 圖 所 示 。 所 謂 雙 元 件 是 指 在 一 個(gè) 傳 感 器 中 有 兩 個(gè) 反 相 串

49、聯(lián) 的 敏 感 元 件 ， 雙 元 件 傳 感 器 有 如 下 優(yōu) 點(diǎn) ：(1) 當(dāng) 能 量 順 序 地 入 射 到 兩 個(gè)元 件 上 時(shí) ， 其 輸 出 要 比 單 元 件器 件 高 一 倍 ；(2) 由 于 兩 個(gè) 元 件 逆 向 串 聯(lián) 使用 ， 對(duì) 同 時(shí) 輸 入 的 能 量 會(huì) 相 互抵 消 ， 由 此 可 防 止 太 陽(yáng) 的 紅 外線 引 起 的 誤 動(dòng) 作 ；(3) 可 以 防 止 由 于 環(huán) 境 溫 度 變化 引 起 的 檢 測(cè) 誤 差 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 3) 熱 釋 電 探 測(cè) 器 的 特 點(diǎn)(1) 在 室 溫 下 即

50、 可 正 常 工 作 ，無(wú) 需 致 冷 。(2) 使 用 溫 度 必 須 低 于 熱 釋 電元 件 材 料 的 居 里 點(diǎn) 溫 度 。 如 硫酸 三 甘 肽 (TGS)的 居 里 點(diǎn) 溫 度 為49 、 鉭 酸 鋰 為 660 、 鋯 鈦 酸鉛 (PZT)為 360 。(3) 對(duì) 恒 定 輻 照 無(wú) 響 應(yīng) 。 只 有在 變 化 輻 照 下 ， 產(chǎn) 生 溫 度 變 化過(guò) 程 中 ， 才 有 熱 釋 電 電 流 輸 出 。因 此 使 用 時(shí) 必 須 用 調(diào) 制 斬 波 器 將 入 射 輻 照 變 換 為 交 流 信 號(hào) ，或 使 用 脈 沖 光 輻 射 。 熱 釋 電 傳 感 器 實(shí) 物 燕 山

51、 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器10.3 紅 外 傳 感 器 的 主 要 性 能 參 數(shù) 1. 響 應(yīng) 率 當(dāng) 經(jīng) 過(guò) 調(diào) 制 的 紅 外 輻 射 照 射 到 傳 感 器 的 敏 感 面 上 時(shí) ， 傳 感器 的 輸 出 電 壓 與 輸 入 紅 外 輻 射 功 率 之 比 ， 稱 為 傳 感 器 的 響 應(yīng)率 ， 記 作 R ， 單 位 為 V/W或 。V/ W s0 0UR P A 式 中 ： Us為 紅 外 傳 感 器 的 輸 出 電 壓 (V)； P0為 入 射 到 紅 外 敏 感元 件 單 位 面 積 上 的 功 率 (W/cm)； A0為 紅 外 傳

52、感 器 敏 感 元 件 的面 積 (cm)。 2. 時(shí) 間 常 數(shù) 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 。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) 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 c12t f 時(shí) 間 常 數(shù) ：式 中 ： fc為 響 應(yīng) 率 下 降 到 最 大 值 的 0.707(3 dB)時(shí) 的 調(diào) 制 頻 率 。熱 傳 感 器 的 熱 慣 性 和 RC參 數(shù) 較 大 ， 其 時(shí) 間 常 數(shù) 大 于 光 子 傳 感 器 ，

53、 一般 為 毫 秒 級(jí) 或 更 長(zhǎng) ， 光 子 傳 感 器 的 時(shí) 間 常 數(shù) 很 小 ， 一 般 為 微 秒 級(jí) 。 3. 響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 范 圍響 應(yīng) 波 長(zhǎng) 范 圍 或 稱 光 譜 響 應(yīng) ， 表 示 傳 感 器 的電 壓 響 應(yīng) 率 與 入 射 紅 外 輻 射 波 長(zhǎng) 之 間 的 關(guān) 系 。由 于 熱 傳 感 器 的 電 壓 響 應(yīng) 率 與 波 長(zhǎng) 無(wú) 關(guān) ， 它的 響 應(yīng) 曲 線 是 一 條 平 行 于 橫 坐 標(biāo) (波 長(zhǎng) )的 直線 。 而 光 子 傳 感 器 的 電 壓 響 應(yīng) 率 是 波 長(zhǎng) 的 函數(shù) ， 因 此 是 一 條 隨 波 長(zhǎng) 變 化 的 曲 線 ， 如 圖 所示

54、， 存 在 峰 值 波 長(zhǎng) ( )， 把 響 應(yīng) 率 下 降 到 最大 值 的 一 半 所 對(duì) 應(yīng) 的 波 長(zhǎng) 稱 為 截 止 波 長(zhǎng) ( )， 截 止 波 長(zhǎng) 的 區(qū) 間 表 示 了 紅 外 傳 感 器 響 應(yīng) 波 長(zhǎng)的 范 圍 。 mc 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 4 噪 聲 等 效 功 率 由 于 探 測(cè) 器 存 在 噪 聲 ， 所 以 不 能 無(wú) 限 地 測(cè) 量 小 的 輻 射 信 號(hào) ， 當(dāng)輻 射 小 到 它 在 探 測(cè) 器 上 產(chǎn) 生 的 信 號(hào) 完 全 被 探 測(cè) 器 的 噪 聲 所 淹 沒(méi) 時(shí) ，這 時(shí) 探 測(cè) 器 就 無(wú) 法 肯 定

55、 是 否 有 輻 射 信 號(hào) 投 射 在 探 測(cè) 器 上 ， 探 測(cè) 器探 測(cè) 輻 射 的 能 力 就 有 了 一 個(gè) 限 度 ， 通 常 我 們 用 噪 聲 等 效 功 率 NEP來(lái) 表 征 探 測(cè) 器 的 這 個(gè) 特 征 。 當(dāng) 輻 射 在 探 測(cè) 器 上 產(chǎn) 生 的 信 號(hào) 電 壓 正 好 等 于 探 測(cè) 器 本 身 的 噪 聲電 壓 值 (即 信 號(hào) 噪 聲 比 為 1)時(shí) ， 所 需 投 射 到 探 測(cè) 器 上 的 輻 射 功 率 稱為 探 測(cè) 器 的 噪 聲 等 效 功 率 ， 即 0 0 Ns NNEP P A UU U R 式 中 ： P0為 入 射 到 紅 外 敏 感 元 件

56、 單 位 面 積 上 的 功 率 (W/cm)； A0為紅 外 傳 感 器 敏 感 元 件 的 面 積 (cm)； Us為 紅 外 傳 感 器 的 輸 出 電 壓 (V)；UN為 紅 外 傳 感 器 的 綜 合 噪 聲 電 壓 (V)； R 為 紅 外 傳 感 器 的 電 壓 響 應(yīng)率 (V/W)。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 5. 探 測(cè) 率探 測(cè) 率 是 噪 聲 等 效 功 率 NEP的 倒 數(shù) ， 以 D表 示 ， 單 位 為 W-1， 即N1NEP RD U 紅 外 傳 感 器 的 探 測(cè) 率 越 高 ， 表 明 傳 感 器 所 能 探 測(cè)

57、到 的 最 小 輻 射功 率 越 小 ， 傳 感 器 就 越 靈 敏 。 6. 比 探 測(cè) 率 比 探 測(cè) 率 又 稱 歸 一 化 探 測(cè) 率 ， 或 稱 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 器 的 帶 寬 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 ， 單 位 是 ：1 2 1cmHz W0* 0 0NNEPA f RD D A f A fU 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 由

58、 D*的 定 義 可 知 ， 比 探 測(cè) 率 與 傳 感 器 的 敏 感 元 件 面 積 和 放大 器 的 帶 寬 無(wú) 關(guān) 。 這 樣 在 不 同 的 傳 感 器 對(duì) 比 時(shí) ， 就 比 較 方 便 了 。在 一 般 情 況 下 ， D*越 高 ， 傳 感 器 的 靈 敏 度 越 高 、 性 能 越 好 。目 前 已 有 許 多 品 種 的 紅 外 探 測(cè) 器可 供 設(shè) 計(jì) 人 員 選 擇 應(yīng) 用 ， 探 測(cè) 的光 譜 覆 蓋 區(qū) 已 擴(kuò) 大 到 1 120 。 m圖 示 為 常 用 紅 外 探 測(cè) 器 光 譜 探測(cè) 率 曲 線 。 由 圖 示 曲 線 可 以 得出 紅 外 光 子 探 測(cè) 器

59、 和 紅 外 熱 探測(cè) 器 各 有 哪 些 特 點(diǎn) 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器10.4 紅 外 傳 感 器 應(yīng) 用 舉 例10.4.1 紅 外 測(cè) 溫溫 度 的 測(cè) 量 方 法 可 分 為 接 觸 式 測(cè) 溫 和 非 接 觸 式 測(cè) 溫 兩 類 ， 測(cè) 溫傳 感 器 種 類 繁 多 紅 外 測(cè) 溫 是 一 種 比 較 先 進(jìn) 的 測(cè) 溫 方 法 ， 主 要 特點(diǎn) 是 ： (1) 紅 外 測(cè) 溫 是 遠(yuǎn) 距 離 和 非 接 觸 測(cè) 溫 ， 特 別 適 合 于 運(yùn) 動(dòng) 物 體 、帶 電 體 、 高 溫 及 高 壓 物 體 的 溫 度 測(cè) 量 。 (2)

60、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 應(yīng) 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 的 變 化 ， 就 會(huì) 引 起 輻 射 能 量 較 大 的 變 化 ， 紅 外 探 測(cè) 器 即 可 迅 速 地 檢 測(cè) 出 來(lái) 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 (4) 紅 外

61、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) 。 測(cè) 量 準(zhǔn)確 度 可 達(dá) 到 0.1 ， 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 。 紅 外 溫 度 測(cè) 量 方 法 ， 幾 乎 可 以 應(yīng) 用 于 所 有 溫度 測(cè) 量 場(chǎng) 合 。 1. 紅 外 測(cè) 溫 的 基 本 方 法基 于 輻 射 體 的 溫 度 與 輻 射 能 之 間 的 不 同 物 理 定 律 的 函 數(shù) 形

62、式 ，紅 外 輻 射 測(cè) 溫 方 法 有 3種 ： 全 輻 射 測(cè) 溫 、 單 色 輻 射 式 測(cè) 溫 、 比色 測(cè) 溫 。 1) 全 輻 射 測(cè) 溫 (輻 射 溫 度 ) 全 輻 射 測(cè) 溫 的 理 論 依 據(jù) 是 斯 蒂 芬 -玻 爾 茲 曼 定 律 ， 即 總 輻 射強(qiáng) 度 與 物 體 溫 度 的 四 次 方 成 正 比 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 基 于 全 輻 射 測(cè) 溫 原 理 的 輻 射 溫 度 計(jì) 測(cè) 出 的 溫 度 稱 為 輻 射 溫度 TF。 輻 射 溫 度 的 定 義 為 ： 黑 體 的 總 輻 射 能 等 于 非 黑 體

63、的 總 輻射 能 時(shí) ， 此 黑 體 之 溫 度 即 為 非 黑 體 的 輻 射 溫 度 。根 據(jù) 式 (10-11)， 總 輻 射 能 相 等 條 件 下 可 得 : F4 TTT 式 中 ： T為 非 黑 體 的 真 實(shí) 溫 度 ； TF為 非 黑 體 的 輻 射 溫 度 ； 為 非黑 體 的 發(fā) 射 率 。 T因 此 用 輻 射 溫 度 計(jì) 測(cè) 量 非 黑 體 溫 度 時(shí) ， 必 須 知 道 物 體 的 發(fā) 射率 后 才 能 換 算 成 真 實(shí) 溫 度 T。 由 于 非 黑 體 的 發(fā) 射 率 1，因 此 ， 用 輻 射 溫 度 計(jì) 測(cè) 出 的 溫 度 要 比 物 體 真 實(shí) 溫 度 低

64、 ， 發(fā) 射率 越 小 ， 誤 差 越 大 。 T T 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 2) 單 色 輻 射 式 測(cè) 溫 (亮 度 溫 度 ) 根 據(jù) 維 恩 公 式 ， 黑 體 的 輻 射 本 領(lǐng) 是 波 長(zhǎng) 和 溫 度 的 函 數(shù) ， 當(dāng) 波長(zhǎng) 一 定 時(shí) ， 就 僅 僅 與 溫 度 有 關(guān) ， 這 就 是 單 色 輻 射 式 測(cè) 溫 的 理 論依 據(jù) 。測(cè) 量 時(shí) 接 收 到 的 實(shí) 際 是 目 標(biāo) 物 體 在 某 方 向 上 的 輻 射 出 射 度 ， 即光 譜 輻 射 亮 度 ， 一 般 將 測(cè) 量 物 體 看 作 余 弦 輻 射 體 ， 則

65、有 ： 0 0, , /L T M T 單 色 輻 射 式 測(cè) 溫 儀 器 是 以 黑 體 的 光 譜 輻 射 亮 度 來(lái) 刻 度 的 ， 如 果被 測(cè) 物 體 為 非 黑 體 時(shí) 就 會(huì) 出 現(xiàn) 偏 差 。 因 為 在 同 一 溫 度 下 非 黑 體 的光 譜 輻 射 亮 度 比 黑 體 低 ， 因 此 儀 器 測(cè) 量 的 非 黑 體 的 溫 度 比 真 實(shí) 溫度 偏 低 。 為 了 校 正 這 個(gè) 偏 差 ， 引 入 了 亮 度 溫 度 TL的 概 念 。 亮 度 溫 度 定 義 為 ： 當(dāng) 被 測(cè) 物 體 為 非 黑 體 ， 在 同 一 波 長(zhǎng) 下 的 光譜 輻 射 亮 度 同 絕 對(duì)

66、黑 體 的 光 譜 輻 射 亮 度 相 等 時(shí) ， 則 黑 體 的 溫 度稱 為 被 測(cè) 物 體 在 波 長(zhǎng) 為 時(shí) 的 亮 度 溫 度 。 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器根 據(jù) 亮 度 溫 度 的 定 義 ， 則 有 ： 0 0 L, ( , )TL T L T 上 式 左 邊 為 非 黑 體 光 譜 輻 射 亮 度 ， 右 邊 為 黑 體 的 光 譜 輻 射 亮 度 ，TL為 亮 度 溫 度 ， T為 真 實(shí) 溫 度 ， 為 被 測(cè) 物 體 在 溫 度 為 T、 波 長(zhǎng)為 時(shí) 的 發(fā) 射 率 。 T結(jié) 合 維 恩 公 式 得 ： 22e e LCC TTT -對(duì) 上 式 兩 邊 取 對(duì) 數(shù) 并 整 理 得 ： 21 1 ln TLT T C 若 已 知 物 體 的 單 色 發(fā) 射 率 ， 就 可 以 從 亮 度 溫 度 TL求 出 物體 的 真 實(shí) 溫 度 T。 T 燕 山 大 學(xué) 電 氣 工 程 學(xué) 院 第 10章 紅 外 傳 感 器 3) 比 色 測(cè) 溫 (比 色 溫 度 )比 色 測(cè) 溫 是 通 過(guò) 測(cè) 量 輻 射 體 在 兩 個(gè) 或