红外传感器-电子科技大学

电子科技大学传感技术课程组制作1红外传感器电子科技大学传感技术课程组制作2红外辐射的基本知识红外传感器红外测温红外成像红外分析仪红外无损检测本章小结本章主要内容电子科技大学传感技术课程组制作3红外辐射的基本知识本小节的主要内容：1.红外辐射2.红外辐射术语3.红外幅射源电子科技大学传感技术课程组制作4红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其它任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。红外线是位于可见光中红光以外的光线．故称为红外线。它的波长范围大致在0.76μm到1000μm的频谱范围之内。相对应的频率大致在4×1014-3×1011Hz之间红外线与可见光、紫外线、X射线、γ射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。电子科技大学传感技术课程组制作5电磁波谱图电子科技大学传感技术课程组制作6红外分区：在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域近红外区:770nm~1.5μm中红外区:1.5μm~6μm远红外区:6μm~40μm极远红外区:40μm~1000μm注意：这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。电子科技大学传感技术课程组制作7红外辐射的物理本质红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。实验表明：波长在0.1—1000μm之间的电磁波被物体吸收时，可以显著地转变为热能。可见，载能电磁波是热辐射传播的主要媒介物。电子科技大学传感技术课程组制作8红外吸收及红外窗口红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原于分子，如N2，H2，O2不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减。红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即2~2.6μm，3~5μm和8~14μm，统称为“大气窗口”。这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因为一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。电子科技大学传感技术课程组制作9通过一海里长度的大气透过率曲线为什么2-2.6μm，3-5μm和8-14μm这三个波段被称为“大气窗口”呢？电子科技大学传感技术课程组制作10红外辐射术语(1)电子科技大学传感技术课程组制作11红外辐射术语(2)电子科技大学传感技术课程组制作12红外幅射源当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间辐射出来根据辐射源几何尺寸的大小，距探测器的远近，又分为点源和面源点源(没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源)面源(一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的大面辐射源叫做面源)电子科技大学传感技术课程组制作13红外传感器本小节的主要内容：1.常见红外传感器2.红外传感器的性能参数3.红外传感器使用中应注意的问题电子科技大学传感技术课程组制作14红外传感器红外传感器(也称为红外探测器)是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，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。电子科技大学传感技术课程组制作15常见红外传感器一、热传感器二、光子传感器热效应光电效应电子科技大学传感技术课程组制作16一、热传感器热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使相关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。热传感器的主要优点是：响应波段宽、可以在室温下工作、使用简单。但是，热传感器响应时间较长、灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型和热释电型四种。电子科技大学传感技术课程组制作171．热敏电阻型传感器热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成的。热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻片上，其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。电子科技大学传感技术课程组制作18热敏电阻型红外传感器结构热敏电阻型红外传感器是由锰、镍、钴的氧化物混台后烧结而制成。热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上时，其温度升高、内部粒子的无规律运动加剧、自由电子的数目随温度升高而增加、电阻减小。电子科技大学传感技术课程组制作192．热电偶型传感器材料：热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料(如铋/银、铜/康铜、铋/铋锡合金等)构成。原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，该接点温度升高，而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流，同时回路中产生温差电势。温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，响应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10Hz以下。在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来组成热电堆来检测红外辐射的强弱。电子科技大学传感技术课程组制作203．高莱气动型传感器结构原理电子科技大学传感技术课程组制作21高莱气动型传感器结构它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收膜,它是低热容量的薄膜。在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。电子科技大学传感技术课程组制作22高莱气动型传感器原理高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。红外辐射通过窗口入射到吸收膜上,吸收膜将吸收的热能传给气体．使气体温度升高．气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过城状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时．枷状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变．这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间长，结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。电子科技大学传感技术课程组制作234·热释电型传感器热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。原理几点注意电子科技大学传感技术课程组制作24热释电型传感器原理当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低、表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。电子科技大学传感技术课程组制作25几点注意当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。电子科技大学传感技术课程组制作26二、光子传感器光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器。光子传感器的主要特点是：灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率。但一般需在低温下工作，探测波段较窄。按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。电子科技大学传感技术课程组制作271．外光电传感器(PE器件)当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大，就能使材料的电子选出表面，向外发射出电子，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。电子科技大学传感技术课程组制作282．光电导传感器（PC器件）当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。利用光电导现象制成的传感器称为光电导传感器，如PbS、PbSe、InSb、HgCdTe等材料都可制造光电导传感器。使用光电导传感器时，需要制冷和加上一定的偏压，否则会使响应率降低、噪声大、响应波段窄，以致使红外传感器损坏。电子科技大学传感技术课程组制作293．光生伏特传感器（PU器件）当红外辐射照射在某些半导体材料的pn结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向n区，空穴移向P区。如果pn结开路，则在pn结两端便产生一个附加电势，称为光生电动势。利用这个效应制成的传感器称为光生伏特传感器或pn结传感器。常用的材料为InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等几种。电子科技大学传感技术课程组制作304．光磁电传感器（PEM器件）当红外辐射照射在某些半导体材料的表面上时，材料表面的电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一边，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器。光磁电传感器不需要致冷，响应波段可达7μm左右、时间常数小、响应速度快、不用加偏压、内阻极低、噪声小、有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低、低噪声前置放大器制作困难，因而影响了使用。电子科技大学传感技术课程组制作31红外传感器的性能参数APURSV0电子科技大学传感技术课程组制作32二、响应波长范围响应波长范围（或称光谱响应）是表示传感器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系，一般用曲线表示（下页图）。一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长。把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长，它表示着红外传感器使用的波长范围。电子科技大学传感技术课程组制作33红外传感器的电压响应率曲线曲线1：热电传感器的电压响应率曲线（与波长无关）曲线2：光子传感器的电压响应率曲线电子科技大学传感技术课程组制作34三、噪声等效功率VNNSRUUUAPNEP/00如果投射到红外传感器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压，正好等于传感器本身的噪声电压，则这个辐射功率就叫做“噪声等效功率”。通常用符号“NEP”表示其中：Us为红外探测器的输出电压；P0为投射到红外敏感元件单位面积上的功率；A0为红外敏感元面积；UN为红外探测器的综合噪声电压；RV为红外探测器的电压响应率。电子科技大学传感技术课程组制作35四、探测率探测率是噪声等效功率的倒数，即：红外传感器的探测率越高，表明传感器所能探测到的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。NVURNEPD1电子科技大学传感技术课程组制作36五、比探测率比探测率又叫归一化探测率，或者叫探测灵敏度。实质上就是当传感器的敏感元件面积为单位面积，放大器的带宽△f为1Hz时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比。通常用符号D*表示。（式16-12，p.330）电子科技大学传感技术课程组制作37六、时间常数时间常数表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率。输出信号滞后于红外辐射的时间，称为传感器的时间常数，在数值上为：τ＝1／2πfc式中fc为响应率下降到最大值的0.707（3dB）时的调制频率。热传感器的热惯性和RC参数较大，其时间常数大于光子传感器，一般为毫秒级或更长