第13章-红外传感器解析

2019/10/141第13章红外传感器2019/10/14213.1红外基础知识1.红外辐射概述•俗称红外线，位于可见光中红光以外，是一种人眼看不见的光线•任何温度高于绝对零度的物体，都有红外线向周围空间辐射2019/10/143•波长范围大致在0.75m到1000m的频谱范围之内，相应于频率在41014~31011Hz之间•红外线与可见光、紫外线等光线、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•在红外技术中，一般将红外辐射分为近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区四个区域。2019/10/1442019/10/1452.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•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•因此又将红外辐射称为热辐射或热射线2019/10/146•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2019/10/147利用微波炉工作时，发出的微波，在穿透含水分子的物品时，使水分子产生“共振”现象，水分子之间发生激烈的摩擦和碰撞，所以产生了热量，加热了含水的物品。微波炉工作波长0.12m左右。要注意的是：用于盛装物品或者食物的容器，绝对不可以用金属的制品或者含有金属物的“组件”或是“组合品”，否则金属物或是金属制品会对微波产生“不正常的反射”或阻挡，轻则使加热不均或者无法加热，严重者则出现金属物表面因电磁效应而出现“电晕”现象，重则使微波炉损坏。微波炉的工作原理2019/10/148电磁炉工作原理商用电磁炉工作原理图电涡流原理图交变磁场在锅底产生涡电流，利用涡电流的热效应来加热食物。2019/10/1493.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，使辐射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2019/10/1410•右图为通过一海里长度的大气透过率曲线•红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段：1~2.5μm，3~5μm，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2019/10/14114.红外辐射源•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•有一种材料，在任何温度下能吸收任何波长的电磁辐射，称黑体（绝对黑体）•根据辐射源几何尺寸的大小，距探测器的远近，又分为面和点源2019/10/1412•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•点源–没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源–太阳2019/10/141313.1红外传感系统和光学系统13.1红外传感系统各部分的工作原理或作用分别是怎样的呢？2019/10/141413.2红外探测器1.红外探测器的分类与特点红外探测器有多种分类方法•温度：低温中温和高温•响应波长：近红外、中红外和远红外•用途：单元型、多元阵列型和成像探测•探测机理：热探测型与光电探测型将红外辐射能转换成电能的光敏器件称为红外探测器，也称为红外传感器。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。2019/10/1415红外探测器分类2019/10/14162.红外传感器的性能参数（1）响应率•当(经过调制的)红外辐射照射到传感器的敏感面上时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比,叫做传感器的电压响应率，记作RUSC红外传感器的输出电压，P投射到红外敏感元件上的功率，R的单位为V/W。给出响应率时应说明工作温度，和工作面积PURSC2019/10/1417（2）光谱响应•表示传感器的电压响应与入射的红外辐射波长之间的关系，一般用曲线表示•通常将响应率最大值Rm所对应的波长称为峰值波长m•把响应率下降到响应值Rm的一半所对应的波长称为截止波长c，它表示红外传感器使用的波长范围2019/10/1418•红外传感器的电压响应率曲线•1:热电传感器的电压响应率曲线•2:光子传感器的电压响应率曲线2019/10/1419（3）噪声等效功率NEP•如果投射到红外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”•为了表明使用条件，常写成NEP（，f，f）•如测量条件为：黒体500K，斩波频率400Hz，测量带宽1Hz，记为NEP（500K，400Hz，1Hz）WRUUUPNEPSNSC/2019/10/1420（4）探测率D和比探测率D*•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PUUNEPDNSC12019/10/1421•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•D*越高，传感器灵敏越高，性能越好WHzcmfAPUUfADNSC21NEP*2019/10/1422（5）响应时间•响应时间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，其值为探测器受辐射照射时输出信号上升到稳定值的63%时所需的时间,常用τ表示2019/10/1423•热传感器的热惯性参数较大，其时间常数大于光子传感器，一般为毫秒级或更长•光子传感器的时间常数τ一般为微秒级•如锗掺汞τ为10-5s，碲镉汞τ为10-9s，超导YBCOτ为10-11s2019/10/142413.3红外传感器的基本类型•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，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、对于红外探测系统十分重要2019/10/14251.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•通过测量热引起的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2019/10/1426•热探测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：–热释电型–高莱气动型–热电偶型–热敏电阻型2019/10/14272.光子型红外传感器•利用某些半导体材料与入射光作用后电学性质的变化•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•光子型红外传感器比热传感器型来得直接，所以有许多优点2019/10/1428•主要特点是灵敏度高，响应速度快、具有较高的响应频率•但其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–后者又分为光电导传感器、光生伏特传感和光磁电传感器•外光电传感器（PE）采用光电二极管、光电倍增管等外光电效应器件。它们的响应速度比较快，一般只需几个毫秒2019/10/1429•由于电子出射需要较大能量，只适合在近红外和可见光范围•光电导传感器（PC）--内光电效应。常用硫化铅、硒化铅、锑化铟等化合物半导体材料制作的光电导传感器（光敏电阻）。这种光传感器在工作时需要低温•利用砷化铟、锑化铟、碲镉汞和碲锡铅等制作的光生伏特PN结也是光子型传感器2019/10/143013.4主要的热传感器1.热释电型传感器•是一种具有极化现象的热晶体（铁电体）•铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关•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，所以叫做热释电型传感器2019/10/1431•热释电传感器的结构与等效电路如图所示•在垂直于极化轴方向，将具有热释电性的晶体切片，并研磨成5~50m的薄片，两边蒸金属电极，就成为一红外热释电元件2019/10/1432•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•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2019/10/1433•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，不断地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2019/10/14342.高莱气动型传感器•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2019/10/1435•高莱气动型传感器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2019/10/1436•当柔镜因压力变化而移动时．栅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•变化量反映出入射红外辐射的强弱•特点是灵敏度高，性能稳定•但响应时间长（20ms左右），结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用2019/10/14373.测辐射热电偶和势电堆•热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料(如铋一银、铜一康铜、铋一铋锡合金等)构成的•当红外辐射入射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，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，将产生温差电势2019/10/14382019/10/1439•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•热电偶红外传感器的D*约为109cm·Hz1/2·W-9，R值为5~20V/W响应时间长达几十毫秒•动态特性较差，调制频率应在10Hz以下2019/10/1440•热电堆是把多个热电偶进行串联，这样可以获得较大的信号，使响应时间减小•图13-15为Sb-Bi热电堆2019/10/14414.热敏电阻型传感器•利用固体材料的电阻率随温度变化的特性设计的•由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成•一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减小•测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度2019/10/1442•热敏电阻型红外传感器结构如下图所示2019/10/1443•也用金属热电阻，其受光面积为1~10mm2•半导体热热敏电阻受光面积为0.1~10mm2•为了补偿在传感器壳体中通常使用两个温度传感器，它们组成桥路输出2019/10/1444•热敏电阻的D*约为2×108cm·Hz1/2·W-1，响应时间长达几十毫秒。2019/10/14455.光磁电探测器•如图所示，半导体表面经光照后会产生电子-空穴光生载流子2019/10/1446•它们会向体内扩散，受到一横向磁场作用后，电子空穴各扩散到一边，因而产生电位差•这种现象称光磁电效应。利用这种效应制作的红外探测器称光磁电探测器•用锑化铟，碲镉汞等材料制作2019/10/1447•光磁电传感器不需要致冷，响应波段可达7m左右，时间常数小，响应速度快，不需加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性•其不足之处是灵敏度较低，低噪音前置放大器制作困难，而且还要较强的磁场201