紅外傳感器原理、分類、性能參數(shù)、應(yīng)用及前景

     宇宙間的任何物體只要其溫度超過零度就能產(chǎn)生紅外輻射，事實(shí)上同可見光一樣，其輻射能夠進(jìn)行折射和反射，這樣便產(chǎn)生了紅外技術(shù)，利用紅外光探測(cè)器因其獨(dú)有

的優(yōu)越性而得到廣泛的重視，并在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。軍事上，紅外探測(cè)用于制導(dǎo)、火控跟蹤、警戒、目標(biāo)偵查、武器熱瞄準(zhǔn)器、艦船導(dǎo)航等；在民用領(lǐng)

域，廣泛應(yīng)用與工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、安全監(jiān)視、救災(zāi)、遙感、交通管理以及醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)等。在科技高度發(fā)達(dá)的今天，自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)在人們的日常生活和工業(yè)控制所占的

比例也越來越重，使人們的生活越來越舒適，工業(yè)生產(chǎn)的效率越來越高。而傳感器是自動(dòng)控制中的重要組成部件，是信息采集系統(tǒng)的重要部件，通過傳感器將感受或響應(yīng)的被

測(cè)量轉(zhuǎn)換成適合輸送或檢測(cè)的信號(hào)（一般為電信號(hào)），再利用計(jì)算機(jī)或者電路設(shè)備對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行處理從而達(dá)到自動(dòng)控制的功能，由于傳感器的響應(yīng)時(shí)間一般都比較

短，所以可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。紅外傳感器是傳感器中常見的一類，由于紅外傳感器是檢測(cè)紅外輻射的一類傳感器，而自然界中任何物體只要其穩(wěn)定

高于絕對(duì)零度都將對(duì)外輻射紅外能量，所以紅外傳感器稱為非常實(shí)用的一類傳感器，利用紅外傳感器可以設(shè)計(jì)出很多實(shí)用的傳感器模塊，如紅外測(cè)溫儀，紅外成像儀，紅外人

體探測(cè)報(bào)警器，自動(dòng)門控制系統(tǒng)等。不同的氣體對(duì)其吸收程度各不相同，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對(duì)于波長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光

熱效應(yīng)對(duì)不同的物體是各不相同的，熱能強(qiáng)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(cè)、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項(xiàng)目的重要理論依據(jù)。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外

線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且適合大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將

紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。

紅外輻射的基本定律

基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。地物的熱輻射強(qiáng)度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會(huì)引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。

玻耳茲曼定律：即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會(huì)引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測(cè)定溫度的理論基礎(chǔ)。

維恩位移定律：隨著溫度的升高，輻射適合大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。

紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜，一個(gè)典型的傳感器系統(tǒng)各部分的實(shí)體分別是：

1、待測(cè)目標(biāo)：根據(jù)待測(cè)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(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過地球大氣層時(shí)，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(duì)來自待測(cè)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(hào)。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。

5、紅外探測(cè)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(cè)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(cè)器可分為光子探測(cè)器和熱敏感探測(cè)器兩大類型。

6、探測(cè)器制冷器：由于某些探測(cè)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(shí)間，提高探測(cè)靈敏度。

7、信號(hào)處理系統(tǒng)：將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號(hào)中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，適合后輸送到控制設(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(cè)量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測(cè)器，按照探測(cè)的機(jī)理的不同，可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。

熱探測(cè)器對(duì)入射的各種波長(zhǎng)的輻射能量全部吸收，它是一種對(duì)紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測(cè)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(cè)器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測(cè)元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測(cè)器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測(cè)其中某一性能的變化，便可探測(cè)出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測(cè)輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時(shí)，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測(cè)量相應(yīng)的電量變化。

熱敏探測(cè)器對(duì)紅外輻射的響應(yīng)時(shí)間比光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)得多。前者的響應(yīng)時(shí)間一般在ms以上，而后者只有ns量級(jí)。熱探測(cè)器不需要冷卻，光子探測(cè)器多數(shù)要冷卻。

紅外線傳感器的分類

常見紅外傳感器可分為熱傳感器和光子傳感器。

熱傳感器

熱傳感器是利用入射紅外輻射引起傳感器的溫度變化，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測(cè)量有關(guān)物理參數(shù)的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。

熱探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是相應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作，使用簡(jiǎn)單。但是，熱傳感器相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，靈敏度較低，一般用于低頻調(diào)制的場(chǎng)合。

熱傳感器主要類型有：熱敏傳感器型，熱電偶型，高萊氣動(dòng)型和熱釋放電型四種。

1、熱敏電阻型傳感器

熱敏電阻是由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒解而成的，熱敏電阻一般制成薄片狀，當(dāng)紅外輻射照射在熱敏電阻上，其溫度升高，電阻值減少。測(cè)量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射物體的溫度。

2、熱電偶型傳感器

熱電偶是由熱電功率差別較大的兩種材料構(gòu)成。當(dāng)紅外輻射到這兩種金屬材料構(gòu)成的閉合回路的接點(diǎn)上時(shí)，該接點(diǎn)溫度升高。而另一個(gè)沒有被紅外輻射輻照的接點(diǎn)處于較低的溫度，此時(shí)，在閉合回路中將產(chǎn)生溫差電流。同時(shí)回路中產(chǎn)生溫差電勢(shì)，溫差電勢(shì)的大小，反映了接點(diǎn)吸收紅外輻射的強(qiáng)弱。利用溫差電勢(shì)現(xiàn)象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器，因其時(shí)間常數(shù)較大，相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)特性較差，調(diào)制頻率應(yīng)限制在10HZ以下。

3、萊氣動(dòng)型傳感器

高萊氣動(dòng)型傳感器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅外輻射的強(qiáng)弱。它有一個(gè)氣室，以一個(gè)小管道與一塊柔性薄片相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收模，它是低熱容量的薄膜。紅外輻射通過窗口入射到吸收模上，吸收模將吸收的熱能傳給氣體，使氣體溫度升高，氣壓增大，從而使柔鏡移動(dòng)。在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光欄投射到光電管上。當(dāng)柔鏡因壓力變化而移動(dòng)時(shí)，柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對(duì)位移，使落到光電管上的光量發(fā)生改變，光電管的輸出信號(hào)也發(fā)生變化，這個(gè)變化量就反映出入射紅外輻射的強(qiáng)弱。這種傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，性能穩(wěn)定。但響應(yīng)時(shí)間性長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，強(qiáng)度較差，只適合于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用。

4、熱釋電型傳感器

熱釋電型傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外線輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)，引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的大小，取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映入射的紅外輻射的強(qiáng)弱。由此可見，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變化的速率。當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時(shí)，傳感器沒有電信號(hào)輸出。只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號(hào)輸出。所以，必須對(duì)紅外輻射進(jìn)行調(diào)制（或稱斬光），使恒定的輻射變成交變輻射，不斷的引起傳感器的溫度變化，才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號(hào)。

光子傳感器

光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過測(cè)量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。利用光子效應(yīng)所制成的紅外傳感器。統(tǒng)稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點(diǎn)靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率。但其一般須在低溫下工作，探測(cè)波段較窄。

按照光子傳感器的工作原理，一般可分為內(nèi)光電和外光電傳感器兩種，后者又分為光電導(dǎo)傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。

1、外光電傳感器

當(dāng)光輻射在某些材料的表面上時(shí)，若入射光的光子能量足夠大時(shí)，就能使材料的電子逸出表面，這種現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)。光電二極管、光電倍增管等便屬于這種類型的電子傳感器。它的響應(yīng)速度比較快，一般只需幾個(gè)毫微秒。但電子逸出需要較大的光子能量，只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內(nèi)使用。

2、光電導(dǎo)傳感器

當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時(shí)，半導(dǎo)體材料中有些電子和空穴可以從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐?dǎo)電的自由狀態(tài)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率增加，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)現(xiàn)象。利用光電導(dǎo)現(xiàn)象制成的傳感器稱為光導(dǎo)傳感器，如硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲隔汞等材料都可制光電導(dǎo)傳感器。使用光電導(dǎo)傳感器時(shí)，需要制冷和加一定的偏壓，否則會(huì)使響應(yīng)率降低，噪聲大，響應(yīng)波段窄，以致使紅外線傳感器損壞。