3第三章-红外探测器

第三章红外探测器3.1红外探测器的分类任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。如何检测它的存在，测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量(多数情况是转变为电能)以便应用，就是红外探测器的主要任务。红外探测器是红外系统中最关键的元件之一。红外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础，没有性能优良的材料就制备不出性能优良的红外探测器。完整的红外探测器的构成一个完整的红外探测器包括红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引出线以及按需要而加的光阑、冷屏、场镜、光锥、浸没透镜和滤光片等，在低温工作的探测器还包括杜瓦瓶，有的还包括前置放大器。按探测器工作机理区分，可将红外探测器分为热探测器和光子探测器两大类。3.1.1热探测器工作原理：热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。常见的类型：常利用的物理性能变化有下列四种，利用其中一种就可以制备一种类型的热探测器。1.热敏电阻热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。热敏电阻常用来测量热辐射，所以又常称为热敏电阻测辐射热器。常见的热敏电阻及其应用形式十分广泛，例如图3-1至3-8所示。图3-1热敏电阻图3-2NTC热敏电阻图3-3常用热敏电阻图3-5常用热敏电阻出现形式图3-6热敏电阻接头和引出线图3-7热敏电阻用作温度传感实验图3-8热敏电阻测试仪热敏电阻器种类繁多，一般按阻值温度系数可分为负电阻温度系数和正电阻温度系数热敏电阻器；按其阻值随温度变化的大小可分为缓变和突变型；按其受热方式可分为直热式和旁热式；按其工作温度范围可分为常温。高温和超低温热敏电阻器；按其结构分类有棒状。圆片。方片。垫圈状。球状。线管状。薄膜以及厚膜等热敏电阻器。热敏电阻器的主要特点是对温度灵敏度高，热惰性小，寿命长，体积小，结构简单，以及可制成各种不同的外形结构。因此，随着工农业生产以及科学技术的发展，这种元件已获得了广泛的应用，如温度测量。温度控制。温度补偿。液面测定。气压测定。火灾报警。气象探空。开关电路。过荷保护。脉动电压抑制。时间延迟。稳定振幅。自动增益调整。微波和激光功率测量等等。电阻测辐射热器，有半导体测辐射热器、金属测辐射热器和超导体测辐射热器。热敏电阻是一种半导体测辐射热器，常用Mn、Co和Ni的氧化物按一定比例混匀烧结成薄片，在吸收红外辐射的表面制备一层吸收层，引出电极，封装好后性能达到要求的即可使用。光敏面积一般为10的-2次平方毫米到几个平方毫米。为了在确保所需视场的情况下提高探测灵敏度，常制备成浸没型热敏电阻探测器。热敏电阻在温度补偿中的应用在仪表电路中，有很多像线绕电阻一样用金属丝做的元件。金属丝一般都具有正温度系数，采用负温度系数的NTC热敏电阻进行补偿，就能抵消由于温度变化所产生的误差。图3-9是一种温度补偿电路。是将NTC热敏电阻与电阻温度系数非常小的锰铜丝电阻并联后再与被补偿的元件串联，达到温度补偿的作用。图3-9热敏电阻在仪表温度补偿中的应用示意图热敏电阻用在晶体管电路中稳定工作点图3-10(a)所示为一个简单晶体管电流放大器，在基极回路中接大了一个NTC热敏电阻RT。在环境温度变化时，线路输出电流也会有变化，加大了NTC后就可自动调整这一级晶体管的集电极直流电流，稳定晶体管的输出增益。图2用NTC稳定晶体管工作点图3-10(b)中将NTC热敏电阻肝与发射极电阻并联，当晶体管发射结电阻随温度升高而阻值增大时，NTC热敏电阻RT就起到补偿作用。图3-10(c)为一晶体管收音机低频功率放大级。在该级的下偏置电阻上并联了一只NTC热敏电阻RT，当温度升高引起集电极电流增加时，由于下偏置电阻减小，基极电流也减小，因而使集电极电流下降，起到了稳定工作点的作用。图3-10三种NTC热敏电阻稳定晶体管工作点的电路用NTC热敏电阻作温度测量装置图3-11为一热敏电阻温度计。图中RT为热敏电阻，由于热敏电阻的阻值随温度变化而变化，因而使接在电桥对角线间的微安表指示也相应地变化。热敏电阻温度计的精确度可以达到0.1℃感温灵敏度在10s以下。图3-11热敏电阻温度计热敏电阻温度采集电路图3-12温度采集电路热敏电阻温度特性曲线图3-13温度特性曲线2.热电偶把两种不同的金属或半导体细丝(也有制成薄膜结构)连成一个封闭环，当一个接头吸热后其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势，这种现象称为温差电现象。利用温差电现象制成的感温元件称为温差电偶(也称热电偶)。温差电动势的大小与接头处吸收的辐射功率或冷热两接头处的温差成正比，因此，测量热电偶温差电动势的大小就能测知接头处所吸收的辐射功率或冷热两接头处的温差。图3-14热电偶原理图图3-15铂铑合金热电偶图3-16直角弯头热电偶图3-17环形热电偶图3-19热电偶表面探头图3-20耐腐蚀热电偶制造温差电偶的材料有纯金属、合金和半导体。常用于直接测温的热电偶一般是纯金属与台金相配而成，如铂锭—铂、镍铬—镍铝和铜—康铜等，它们被广泛用于测量1300℃以下的温度。用半导体材料制成的温差电偶比用金属作成的温差电偶的灵敏度高，响应时间短，常用作红外辐射的接收元件。将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆。在相同的辐照下，热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势。因此，热电堆比单个热电偶应用更广泛。两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成闭环回路时，如果两个接点的温度不相同，环路中就产生温差电动势，这就是温差电效应，也称为塞贝克效应。单个热电偶提供的温差电动势比较小，满足不了某些应用的要求，所以常把几个或几十个热电偶串联起来组成热电堆。热电堆比热电偶可以提供更大的温差电动势，新型的热电堆采用薄膜技术制成，可称为薄膜型热电堆。热电偶的温度补偿及信号解调图3-21热电偶温度冷端补偿电路图3-22热电偶信号放大电路图3-23热电偶信号解调电路热电堆图3-24热电堆示意图3.气体探测器气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后引起温度升高，压强增大。压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比，由此，可测量被吸收的红外辐射功率。利用上述原理制成的红外探测器叫做气体探测器。高莱管就是一种典型的气体探测器。高莱管图3-25高莱管结构示意图工作原理：当辐射通过红外窗口到吸收膜上时，膜吸收辐射并传给气室的气体，气体温度升高，压力增大，柔镜膨胀。为了测出它的移动量，另用一光源将投射到柔镜背面的反射膜上。在没有辐照时，气室内气压稳定，柔镜处于正常状态，由柔镜背面反射的光因被光栅遮挡照射不到光电管上。当有辐照时，辐射透过窗口照射到吸收膜，吸收膜将吸收的能量传给气室，气室温度升高，气压增大，柔镜膜片变形，从而引起反射光线的移动，通过光栅到达光电管的光强发生变化，由此可检测红外辐射的强弱。4.热释电探测器有些晶体，如硫酸三甘肽，钽酸锂和铌酸锶钡等，当受到红外辐射时，温度升高，在某一晶轴方向上产生电压。电压大小与吸收红外辐射的功率成正比。热释电红外传感器在热辐射能量发生改变时，会产生电荷变化。这个效应被用来探测红外辐射的变化。这些热释电传感器应用于人体移动探测器，被动红外防盗报警器，以及自动灯开关。基于同样的原理，热释电传感器通过红外吸收方法，应用于气体探测。热释电探测器的特点·低噪声，高响应度·优异的共模平衡-双单元类型·TO-39，TO-5封装·各种滤波器窗口供宽带或者窄带应用·单通道或者双通道器件·双元或者四元器件应用于防盗产品·单元器件带热补偿典型应用·被动红外防盗报警：Lhi968，对强烈的白光以及电磁辐射具有优异的抗干扰性能。·人体移动探测：·天花板安装人体探测·气体分析·非接触红外测量产品类型介绍1、双元探测器：双元探测器包含两个单元，它们对共同的FET输出是反极性连接的。型号：Lhi954、Lhi968、Lhi778、Lhi958、Lhi874、Lhi8782、四元探测器：四元探测器包含四个单元，两个输出，这两个独立的通道使信号的处理避免错误报警型号：Lhi1448、Lhi1548、Lhi11483、天花板安装类型：这类探测器具备独特的结构适合天花板安装设计，它们包含两个或者四个不同的单元，同一个FET输出通道。型号：Lhi906、Lhi11284、单元探测器：这类带FET输出的探测器，具有不同的尺寸，自带热补偿，专门的窄带红外滤波窗口型号：Lhi807、Lhi807TC、PYS4198、PYS4198TC、PYS3151TC5、双通道探测器：这些特殊的设计包含两个单元探测器，TO-5封装。每个单元探测器具备独立的滤波器合输出通道，各种窄带滤波器可以选择。型号：Lhi814G1/G20、Lhi814G2/G20图3-26LHI778热释电探测器小结：热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异。物体吸收辐射，晶格振动加剧，辐射能转换成热能，温度升高。由于物体温度升高，与温度有关的物理性能发生变化。这种物体吸收辐射使其温度发生从而引起物体的物理、机械等性能相应变化的现象称为热效应。利用热效应制成的探测器称为热探测器。3.2光子探测器光子探测器吸收光子后，发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象。这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效应制成的探测器称为光子探测器。1.光电子发射器件（外光电效应）当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射电子，这种现象统称为光电子发射，属于外光电效应。利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵敏度很高，时间常数较短（约几个毫微秒），所以在激光通讯中常使用特制的光电倍增管。光电倍增管的应用场合将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电管通常用于自动控制、光度学测量和强度调制光的检测。如用于保安与警报系统、计数与分类装置、影片音膜复制与还音、彩色胶片密度测量以及色度学测量等。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200～1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图像传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。图3-27光电倍增管原理图光电管由真空管壳内的光电阴极和阳极所构成（图中a）。阳极相对阴极为正电位。光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子。光电子在电场的作用下到达阳极，在电路中产生光电流。光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增极构成（图中b）。工作时在各电极之间加上规定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下逐级轰击次级发射倍增极，在末级倍增极形成数量为光电子的106～108倍的次级电子。众多的次级电子最后为阳极收集，在阳极电路中产生可观的输出电流。光电倍增管的发展历史第一种实用光电阴极是1929年由L.R.科勒制成的银氧铯阴极，从此出现了光电管。1934年Л.А.库别茨基提出光电倍增管雏形。1939年V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。多碱光电阴极和Ⅲ-Ⅴ族负电子亲和势光电阴极发明后，出现了宽光谱光电倍增管、高灵敏度光电倍增管等品种,采用Ⅲ-Ⅴ族镓磷铯倍增极以后可以制成检测单个光量子的光电倍增管。还出现了快速光电倍增管、异形窗光电倍增管和孪生光电倍增管。70年代末期，采用微通道板电子倍增器,使快速性能达到了新的高度,并出现了位敏光电倍增管。光电管分为真空光电管和充气光电管两类。充气光电管存在不少缺点，限制