传感器原理及其应用 第10章 红外传感器

武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器第10章红外传感器Infraredsensors武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器与其他探测技术相比，红外探测技术有如下主要优点：(1)环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；(2)被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；(3)靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；(4)红外系统的体积小、质量轻、功耗低。绪论红外传感器是将红外辐射能量转换为电量的一种传感器。红外辐射（红外线）是一种人眼看不见的光线，波长范围大致在0.76～100μm。任何温度高于热力学零度（-273.15℃）的物体都会辐射红外线。武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器近年来，红外技术在军事领域和民用工程上，都得到了广泛应用。军事领域的应用主要包括：(1)侦查、搜索和预警；(2)探测和跟踪；(3)全天候前视和夜视；(4)武器瞄准；(5)红外制导导弹；(6)红外成像相机；(7)水下探潜、探雷技术。在民用工程领域的应用主要是：(1)在气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查等领域的应用；(2)在地下矿井测温和测气中的应用；(3)红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾顶报中的应用。武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器10.1红外辐射的基本知识10.1.1红外辐射任何物体，只要它的温度高于热力学零度(-273.15℃)时，就会向外辐射能量，故称为热辐射，又称为红外辐射或俗称红外线。它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。在电磁辐射波谱中，红外线是位于可见光中红色光以外的光线，波长范围大致在0.76～100，对应的频率大致在4×1014～3×1011Hz之间。m红外线与可见光一样，也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中的传播速度为光速，即c=3×108m/s。在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域：波长在0.76～3为近红外区；波长在3～6为中红外区；波长在6～20为中远红外区；波长在20～100为远红外区。mmmm武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。但红外辐射在通过大气层时，在以下3个波段区间：2～2.6、3～5、8～14，大气对红外线几乎不吸收，故称之为“大气窗口”。这3个大气窗口对红外技术应用特别重要，红外仪器都工作在这3个窗口之内。mmm10.1.2红外辐射的重要参数1)辐射能Q以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。单位为焦耳(J)。2)辐射能通量单位时间内发射、传输或接收的辐射能称为辐射能通量，其单位为瓦特(W)：ddQt武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器3)辐射强度I点辐射源向各个方向发出辐射，在某一方向，在单位立体角内发出的辐射能通量为，则辐射强度I为ddI单位：瓦/球面度(W/Sr)。4)辐射出射度M指辐射源单位发射面积发出的辐射能通量，即ddMS单位:瓦/米2(W/m2)。5)辐射亮度L和光谱辐射亮度为了表征具有有限尺寸辐射源辐射能通量的空间发布，采用辐射亮度这样一个辐射量。L武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器如图，单位面积为dS的辐射面，在和表面法线N成角方向，在单位立体角内发出的辐射能通量为，则辐射亮度L为dddcosddLS单位：瓦/(球面度·米2)[W/(Sr·m2)]。辐射亮度实际上是包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量，则称为在此波长下的光谱辐射亮度。L对于朗伯特辐射体(也称余弦辐射体)，其在各个方向的辐射亮度都相等，且有。实际辐射物体一般都可以看作朗伯特辐射体。ML武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器10.1.3黑体、白体和透明体1.辐射能的分配当物体接收到辐射能以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射的现象，如图所示,有ADR1QQQQQQ式中：a为吸收率，表示吸收的能量所占的比率；为透射率，表示透射的能量所占的比率；为反射率，表示反射的能量所占的比率。2.黑体当QA/Q=a=1时，则=0，=0。这说明照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射，具有这种性质的物体称为“绝对黑体”或简称为“黑体”。武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器在自然界中黑体是不存在的，但可以人为制造近似的黑体，如图所示。3.透明体当QD/Q==1时，说明照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。具有这种性质的物体称为透明体。4.白体当QR/Q==1时，说明照射到物体上的辐射能全部被反射出去。若物体表面平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或简称为“白体”。武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器10.1.4红外辐射的基本定律1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律(简称基氏定律)是物体热辐射的基本定律，它建立了理想黑体和实际物体辐射之间的关系。基尔霍夫定律表明：各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，它和物体的性质无关，是物体的温度T和发射波长的函数。即：012012(,)(,)(,)(,)(,)(,)(,)MTMTMTfTTTT式中：M0(,T)，M1(,T)，M2(,T)，…分别为物体A0，A1，A2，…的单色()辐射出射度；α0(,T)，α1(,T)，α2(,T)，…分别为物体A0，A1，A2，…的单色()吸收率。若物体A0是绝对黑体，则其单色吸收率α0(,T)=1，则任意物体A的辐射出射度M(,T)与黑体的辐射出射度M0(,T)之比为0(,)(,)(,)(,)MTTTMT单色黑度系数武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射出射度在全波长内的积分，即基氏定律的积分形式00000,d(),d(),dTMTMTTMTMTM(T)为物体A在温度T下的全辐射出射度；M0(T)为黑体在温度T下的全辐射出射度；为物体A的全发射率，或称全辐射黑度系数。它表明了在一定的温度T下，物体A的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比。一般物体的＜1，越接近1，表明它与黑体的辐射能力越接近。TTT比较教材表10-1所列材料的单色发射率和全发射率，你能得出怎样的结论武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器2.黑体辐射定律1)普朗克定律(单色辐射强度定律)在基尔霍夫定律式(10-6)中，f(,T)的函数形式是怎样的？普朗克用量子学说建立了数学关系式，并得到了实验验证。普朗克建立的黑体的光谱辐射出射度M0(,T)计算公式为25101(,)(e1)CTMTC式中：C1为第一辐射常数，C1=3.74×104W·4/cm2；C2为第二辐射常数，C2=1.44×104·K；T为黑体绝对温度(K)。mm由上式可算出不同波长和温度时黑体的光谱辐射出射度M0(,T)，如图10.4所示。从图中曲线可以得出黑体辐射的几个特性：武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器(1)总的辐射出射度是随温度的升高而迅速增加的，温度越高则光谱辐射出射度越大。(2)当温度一定时，光谱辐射出射度随波长的不同按一定的规律变化，曲线有一个极大值，其波长定义为，当波长小于时，辐射出射度随波长增加而增加，当波长大于时，变化规律相反。(3)当温度增加时，光谱辐射出射度的峰值波长会向短波方向移动。物体的辐射亮度增加，发光颜色也改变。普朗克公式虽然结构较复杂，但它对于低温与高温段都是适用的。mmm武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器2)维恩公式当时，则有，可得到维恩公式2TC2e1CT2501(,)eCTMTC-维恩公式比普朗克公式简单，但仅适用于不超过3000K的温度范围，辐射波长在0.4～0.75之间。当温度超过3000K时，与实验结果就有较大偏差。m从维恩公式可以看出，黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，这就是单色辐射式测温和比色测温的理论依据。武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器3)斯蒂芬-玻尔兹曼定律(全辐射强度定律，也称为四次方定律)对黑体光谱辐射出射度M0(,T)式在全波长范围(0，∞)积分可得：254514400123002()=(,)d(e1)d15CTkMTMTCTTch为黑体辐射常数或称斯蒂芬-玻尔兹曼常数，=5.66961×10-3W/(m2·K4)。斯蒂芬-玻尔兹曼定律指出：温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。上式就是全辐射式测温的理论依据。武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器10.2红外传感器红外传感器是将红外辐射能量的变化转换为电量变化的一种传感器，也常称为红外探测器。它是红外探测系统的核心，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。按探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器两大类。光电导传感器光生伏特传感器红外光子传感器光电子发射传感器光磁电传感器红外传感器热电偶型红外热传感器热敏电阻型热释电型武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器红外光子传感器的工作原理是基于光电效应。其主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但红外光子传感器一般需在低温下才能工作，故需要配备液氦、液氮制冷设备。此外，光子传感器有确定的响应波长范围，探测波段较窄。红外热传感器的工作是利用辐射热效应。探测器件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从而输出电信号。与光子传感器相比，热传感器的探测率比光子传感器的峰值探测率低，响应速度也慢得多。但热传感器光谱响应宽而且平坦，响应范围可扩展到整个红外区域，并且在常温下就能工作，使用方便，应用仍相当广泛。10.2.1红外光子传感器红外光子传感器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光电效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，就可以确定红外辐射的强弱。武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器按照红外光子传感器的工作原理，一般分为外光电效应和内光电效应传感器两种。内光电效应传感器又分为光电导传感器、光生伏特(简称光伏)传感器和光磁电传感器3种。(1)大部分外光电传感器只对可见光有响应。可用于红外辐射的光电阴极很少。S-1(Ag-O-Cs)是一种。它的峰值响应波长是0.8，光谱响应扩展到1.2。目前外光电效应探测器只用于可见光和近红外波长范围。mm(2)光电导探测器利用半导体作材料，可以分为多晶薄膜形式和单晶形式两种类型。薄膜型的光电导探测器品种较少，常用的只有PbS和PbSe两种。PbS适用于1～3近红外附近的大气窗口。PbSe适用于3～5的大气窗口。mm武汉理工大学机电工程学院第10章红外传感器(3)光伏探测器按使用要求不同可分为两类，一类是用作能量转换和光电控制，如光电池；另一类是主要作为光电信号变换的光伏器件，如光敏二极管、光敏晶体管、雪崩光敏二极管、光伏HgCdTe和PbSnTe红外探测器。单晶型的光电导探测器可再细分为本征型和掺杂型两类。本征型中InSb是3～5区间最优良的探测器，HgCdTe和PbSnTe探测器适用于8～14大气窗口。此外还有适用于极近红外的Si与适用于1～4的Te等探测器。掺杂型主要为适用于8～14的Ge︰Hg。此外，Ge︰Cu和Ge︰Cd虽能探测波长更长的红外辐射，但工作时必须冷却到4K，使用不方便。此外Si掺杂的探测器近来亦有较大的进展。mmmm光电池工