紅外傳感器原理和應(yīng)用

紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：

（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；

（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進(jìn)行跟蹤；

（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；

（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；

（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。

首先了解一下紅外光。紅外光是太陽光譜的一部分，紅外光的最大特點就是具有光熱效應(yīng)，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。不同的氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。

研究分析表明，對于波長為1～5μm、 8～14μm區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對不同的物體是各不相同的，熱能強度也不一樣。例如，黑體(能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體)、鏡體(能全部反射紅外輻射的物體)、透明體(能全部穿透紅外輻射的物體)和灰體(能部分反射或吸收紅外輻射的物體)將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。嚴(yán)格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項目的重要理論依據(jù)。

（1）待測目標(biāo)。根據(jù)待測目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。

（2）大氣衰減。待測目標(biāo)的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。

（3）光學(xué)接收器。它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。

（4）輻射調(diào)制器。對來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。    

（5）紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出來的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

（6）探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，提高探測靈敏度。

（7）信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

（8）顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。

依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。

熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng))和光電磁效應(yīng)。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。熱敏探測器對紅外輻射的響應(yīng)時間比光電探測器的響應(yīng)時間要長得多。前者的響應(yīng)時間一般在ms以上，而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)要冷卻。

紅外探測器主要技術(shù)參數(shù)有下列幾項：

 (1)響應(yīng)率

所謂紅外探測器的響應(yīng)率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比

式中r — 響應(yīng)率(V/W);U0 — 輸出電壓(V);P — 紅外輻射功率(W)

(2) 響應(yīng)波長范圍

紅外探測器的響應(yīng)率與入射輻射的波長有一定的關(guān)系，如右圖所示。曲線①為熱敏探測器的特性。熱敏紅外探測器響應(yīng)率r與波長λ無關(guān)。光電探測器的分譜響應(yīng)如圖中曲線②所示。  

λP對應(yīng)響應(yīng)峰值rP,rP /2于對應(yīng)為截止波長λc。

 (3) 噪聲等效功率(NEP)

若投射到探測器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓，這個輻射功率就叫做噪聲等效功率(NEP)。噪聲等效功率是一個可測量的量。

設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0，然后除去輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN，則按比例計算，要使U0＝UN，的輻射功率為

紅外探測器的應(yīng)用舉例

紅外探測器應(yīng)用可以用于非接觸式的溫度測量，氣體成分分析，無損探傷，熱像檢測，紅外遙感以及軍事目標(biāo)的偵察、搜索、跟蹤和通信等。紅外傳感器的應(yīng)用前景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會更加廣闊。

1．紅外氣體分析儀

紅外線氣體分析儀,是利用紅外線進(jìn)行氣體分析"它基于待分析組分的濃度不同,吸收的輻射能不同,剩下的輻射能使得檢測器里的溫度升高不同,動片薄膜兩邊所受的壓力不同,從而產(chǎn)生一個電容檢測器的電信號"這樣,就可間接測量出待分析組分的濃度"    根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對氣體成分進(jìn)行分析。例如，二氧化碳對于波長為2.7μm、4.33μm和14.5μm紅外光吸收相當(dāng)強烈，并且吸收譜相當(dāng)?shù)膶?，即存在吸收帶。根?jù)實驗分析，只有4.33μm吸收帶不受大氣中其他成分影響，因此可以利用這個吸收帶來判別大氣中的CO2的含量。 

二氧化碳紅外氣體分析儀由氣體(含CO2)的樣品室、參比室(無CO2)、斬光調(diào)制器、反射鏡系統(tǒng)、濾光片、紅外檢測器和選頻放大器等組成。    測量時，使待測氣體連續(xù)流過樣品室，參比室里充滿不含CO2的氣體（或CO2含量已知的氣體）。紅外光源發(fā)射的紅外光分成兩束光經(jīng)反射鏡反射到樣品室和參比室，經(jīng)反射鏡系統(tǒng)，這兩束光可以通過中心波長為4.33μm的紅外光濾色片投射到紅外敏感元件上。由于斬光調(diào)制器的作用，敏感元件交替地接收通過樣品室和參比室的輻射。 若樣品室和參比室均無CO2氣體，只要兩束輻射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一個通量恒定不變的輻射，因此，敏感元件只有直流響應(yīng)，交流選頻放大器輸出為零。 若進(jìn)入樣品室的氣體中含有CO2氣體，對4.33μm的輻射就有吸收，那么兩束輻射的通量不等，則敏感元件所接收到的就是交變輻射，這時選頻放大器輸出不為零。經(jīng)過標(biāo)定后，就可以從輸出信號的大小來推測CO2的含量。

2．紅外無損探傷儀

紅外無損探傷儀可以用來檢查部件內(nèi)部缺陷，對部件結(jié)構(gòu)無任何損傷。例如，檢查兩塊金屬板的焊接質(zhì)量，利用紅外輻射探傷儀能十分方便地檢查漏焊或缺焊；為了檢測金屬材料的內(nèi)部裂縫，也可利用紅外探傷儀。