红外线传感器及其应用.

红外线传感器及其应用

摘要：红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。因其在使用测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且具有灵敏度高，响应快等优点，并根据其工作原理研究出了红外探测仪、红外测温仪、夜视仪、红外无损探伤仪等等，广泛应用于医学、军事、空间技术和环境工程等领域。

传感器技术是探测与获取外界的重要手段，在当代科学技术中占有十分重要的地位。随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为90年代的关键技术之一受到普遍重视，其应用几乎渗透到每一个角落。由于利用某一原理可以做出检测各种不同对象的传感器，而对于同一物理量又可以用很多不同原理的传感器来检测，故而传感器种类繁杂。正是这么众多的传感器来检测，反映出传感器在当今科学技术中活跃的程度。深入研究传感器的原理和应用，对于社会生产、经济交往、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展，以及人类观测研究自然的深度和广度都有重要的实际意义。

现在，所有以计算机为基础的测控系统，都需要传感器提供赖以做出实时决策的数据。随着系统的自动化程度和复杂性的增加，对传感器的精度、可靠性和响应，要求的越来越高。而许多传统的传感器，在使用上已经很难再做进一步改善来满足对他们的高要求，特别是在缩小体积、减轻重量等方面几乎已无潜力可挖。因此，近些年来，国际上在传感器技术方面，开展了许多探索性的预研工作，也出现了越来越多不同种类和功用的传感器，如温度传感器、生物传感器、智能传感器等等。但是，在这些用途广泛的传感器中，红外线传感器的作用和地位不容小觑。

红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长(或频率)的不同而已。

人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。红外线属于不可见光波的范畴，它的波长一般在0.76—600μm之间(称为红外区)。而红外区通常又可分为近红外(0.73～1.5μm)、中红外(1.5一l0μm)和远红外(10μm以上)，在300μm以上的区域又称为“亚毫米波”。

最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。下面结

合几个实例，简单介绍一下红外线传感器的应用。

一、红外辐射的产生及其性质

红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16℃)时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。

金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5μm，8～14μm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。

实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。

二、红外传感器的组成与分类

1、组成：

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

2、分类：

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

（1）红外线传感器依动作可分为：

1) 将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。

2) 利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN 接合之光电动势效果的量子型。热型的现象俗称为焦热效应。

（2）按照功能能够分成五类：

1）辐射计，用于辐射和光谱测量；

2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；

3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；

4）红外测距和通信系统；

5）混合系统，是指以各类系统中的两个或者多个的组合。

三、红外传感器主要物理量

(1)响应率

所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比。

式中 r — 响应率(V/W)；U0 — 输出电压(V)；P — 红外辐射功率(W)。

(2) 响应波长范围

红外探测器的响应率与

入射辐射的波长有一定的关

系，如右图所示。曲线①为热

敏探测器的特性。热敏红外探

测器响应率r 与波长λ无关。

光电探测器的分谱响应如图

中线②所示。

λp 对应响应峰值rp ，rp /2于

对应为截止波长λc 。

(3) 噪声等效功率(NEP)

若投射到探测器上的红外

辐射功率所产生的输出电压

正好等于探测器本身的噪声

电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率(NEP)。噪声等效功率是一个可测量的量。

设入射辐射的功率为P ，测得的输出电压为U0，然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN ，则按比例计算，要使U0＝UN ，的辐射功率为

(4) 探测率 经过分析，发现NEP 与检测元件的面积S 和放大器带宽Δf 乘积的平方根成正比，比例系数的倒数称为探测率D*。即

D*实质上就是当探测器的敏感元件具有单位面积、放大器的带宽为lHz 时的

辐射所获得的信噪比。

(5)响应时间

红外探测器的响应时间就是加入或去掉辐射源的响应速度响应时间，而且加入或去掉辐射源的响应速度响应时间相等。红外探测器的响应时间是比较短的。

四、红外传感器工作原理：

（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。

（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位r U U U P N

N ==0NEP )/cm (NEP *W Hz f S U r f S D N ∆=∆=P

U r 0

=