第7章 红外传感器.ppt

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1、电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外传感器红外传感器1电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 v红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识v红外传感器红外传感器v红外测温红外测温v红外成像红外成像v红外分析仪红外分析仪v红外无损检测红外无损检测v本章小结本章小结本本章章主主要要内内容容2电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 一、红外辐射

2、的基本知识1.红外辐射红外辐射2.红外辐射术语红外辐射术语3.红外幅射源红外幅射源3电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外辐射（红外辐射（infrared radiation）v红红外外辐辐射射俗俗称称红红外外线线，它它是是一一种种人人眼眼看看不不见见的的光光线线。但但实实际际上上它它和和其其它它任任何何光光线线一一样样，也也是是一一种种客客观观存存在在的的物物质质。任任何何物物体体，只只要要它它的的温温度度高高于于绝绝对对零零度度，就有红外线向周围空间辐射。就有红外线向周围空间辐射。v红红外外线线是是

3、位位于于可可见见光光中中红红光光以以外外的的光光线线，故故称称为为红红外外线线。它它的的波波长长范范围围大大致致在在0.76m到到1000m的的频频谱谱范范围围之之内内，相相对对应应的的频频率率大大致致在在41014-31011 Hz之间之间v红红外外线线与与可可见见光光、紫紫外外线线、X射射线线、射射线线和和微微波波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。4电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 电磁波谱图5电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技

4、术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外分区：红外分区：在红外技术中，一般将红外辐射分为在红外技术中，一般将红外辐射分为4 4个区域个区域 近近红外区红外区:770 nm 1.5 m 中中红外区红外区:1.5 m 6m 远远红外区红外区:6m 40m 极远极远红外区红外区:40m 1000m 注意：这里所说的远近是指红外辐射在电磁注意：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。波谱中与可见光的距离。6电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外辐射的物理本质v红红

5、外外辐辐射射的的物物理理本本质质是是热热辐辐射射。物物体体的的温温度度越越高高，辐辐射射出出来来的的红红外外线线越越多多，红红外外辐辐射射的的能能量量就就越越强强。研研究究发发现现，太太阳阳光光谱谱各各种种单单色色光光的的热热效效应应从从紫紫色色光光到到红红色色光光是是逐逐渐渐增增大大的的，而而且且最最大大的的热热效效应应出出现现在在红红外外辐辐射射的的频频率率范范围围内内，因因此此人人们们又又将红外辐射称为将红外辐射称为热辐射或热射线热辐射或热射线。v实实验验表表明明：波波长长在在0.11000m之之间间的的电电磁磁波波被被物物体体吸吸收收时时，可可以以显显著著地地转转变变为为热热能能。可可

6、见见，载载能能电电磁磁波波是是热热辐辐射射传传播的主要媒介物播的主要媒介物。7电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外吸收及红外窗口v红红外外辐辐射射在在大大气气中中传传播播时时，由由于于大大气气中中的的气气体体分分子子、水水蒸蒸汽汽以以及及固固体体微微粒粒、尘尘埃埃等等物物质质的的吸吸收收和和散散射射作作用用，使使辐辐射射能能在在传传输输过过程程中中逐逐渐渐衰衰减减。空空气气中中对对称称的的双双原原于于分分子子，如如N2、H2、O2不不吸吸收收红红外外辐辐射射，因因而而不不会会造成红外辐射在传输过程中衰

7、减。造成红外辐射在传输过程中衰减。v红红外外辐辐射射在在通通过过大大气气层层时时被被分分割割成成三三个个波波段段，即即22.6m，35m和和814m，统统称称为为“大大气气窗窗口口”。这这三三个个大大气气窗窗口口对对红红外外技技术术应应用用特特别别重重要要，因因为为一一般般红外仪器都工作在这三个窗口之内。红外仪器都工作在这三个窗口之内。8电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 通过一海里长度的大气透过率曲线通过一海里长度的大气透过率曲线为什么为什么2-2.6m、3-5m和和8-14m这三个波段被称这三个波段被

8、称为为“大气窗口大气窗口”呢？呢？“生命光波生命光波”9电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外辐射术语红外辐射术语(1)(1)10电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外辐射术语红外辐射术语(2)(2)11电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外幅射源v当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间当物体温度高于绝对零度时，都

9、有红外线向周围空间辐射出来。辐射出来。v根据辐射源几何尺寸的大小和距探测器的远近，又分根据辐射源几何尺寸的大小和距探测器的远近，又分为点源和面源。为点源和面源。v点源点源(没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源点源)v面源面源(一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的大面辐射源叫做面源大面辐射源叫做面源)12电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 二、红外传感器1.常见红外传感器常见红外传感器2.红外传感器的性能参数红外传感

10、器的性能参数3.红外传感器使用中应注意的问题红外传感器使用中应注意的问题13电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外传感器红外传感器（infrared sensor）红红外外传传感感器器(也也称称为为红红外外探探测测器器)是是能能将将红红外外辐辐射射能能转转换换成成电电能能的的光光敏敏器器件件，它它是是红红外外探探测测系系统统的的关关键键部部件件，其其性性能能好好坏坏，将将直直接接影影响响系系统统性性能能的的优优劣劣。因因此此，选选择择合合适适的的、性性能能良良好好的的红红外外传传感感器器，对对于于红红外

11、外探探测测系系统统是十分重要的。是十分重要的。14电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 常见红外传感器一、热传感器一、热传感器二、光子传感器二、光子传感器热效应热效应光电效应光电效应15电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 （一）热传感器v热热传传感感器器是是利利用用入入射射红红外外辐辐射射引引起起传传感感器器的的温温度度变变化化，进进而而使使相相关关物物理理参参数数发发生生相相应应的的变变化化，通通过过测测量量有有关关

12、物物理理参参数数的的变变化化来来确确定定红红外外传传感感器器所所吸吸收收的的红外辐射。红外辐射。v热热传传感感器器的的主主要要优优点点是是：响响应应波波段段宽宽、可可以以在在室室温温下下工工作作、使使用用简简单单。但但是是，热热传传感感器器响响应应时时间间较较长长、灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。v热传感器主要类型有：热传感器主要类型有：热敏电阻型热敏电阻型、热电偶型热电偶型、高莱气动型高莱气动型和和热释电型热释电型四种。四种。16电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作

13、 1 1热敏电阻型传感器热敏电阻型传感器v热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。v热热敏敏电电阻阻一一般般制制成成薄薄片片状状，当当红红外外辐辐射射照照射射在在热热敏敏电电阻阻片片上上，其其温温度度升升高高，电电阻阻值值减减小小。测测量量热热敏敏电电阻阻值值变变化化的的大大小小，即即可可得得知知入入射射红红外外辐辐射射的的强强弱弱，从从而而可可以判断产生红外辐射物体的温度。以判断产生红外辐射物体的温度。v热敏电阻型红外传感器热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。结构如下图所示。17电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程

14、组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 热敏电阻型热敏电阻型红外传感器结构红外传感器结构 热热敏敏电电阻阻一一般般制制成成薄薄片片状状，当当红红外外辐辐射射照照射射在在热热敏敏电电阻阻上上时时，其其温温度度升升高高、内内部部粒粒子子的的无无规规律律运运动动加加剧剧、自自由由电电子子的的数数目目随随温温度度升升高高而而增增加加、电电阻阻减小。减小。18电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 2 2热电偶型传感器热电偶型传感器v材材料料：热热电电偶偶是是由由热热电电功功率率差差别别较较大大

15、的的两两种种金金属属材材料料（如如铋铋/银、铜银、铜/康铜、铋康铜、铋/铋锡合金等）构成。铋锡合金等）构成。v原原理理：当当红红外外辐辐射射入入射射到到热热电电偶偶回回路路的的测测温温接接点点上上时时，该该接接点点温温度度升升高高，而而另另一一个个没没有有被被红红外外辐辐射射辐辐照照的的接接点点处处于于较较低低的的温温度度，此此时时，在在闭闭合合回回路路中中将将产产生生温温差差电电流流，同同时时回回路路中中产产生生温温差差电电势势。温温差差电电势势的的大大小小，反反映映了了接接点点吸吸收收红红外外辐辐射射的强弱。的强弱。v利利用用温温差差电电势势现现象象制制成成的的红红外外传传感感器器称称为为

16、热热电电偶偶型型红红外外传传感感器器，因因其其时时间间常常数数较较大大，响响应应时时间间较较长长，动动态态特特性性较较差差，调调制频率应限制在制频率应限制在10 Hz以下。以下。v在在实实际际应应用用中中，往往往往将将几几个个热热电电偶偶串串联联起起来来组组成成热热电电堆堆来来检检测红外辐射的强弱。测红外辐射的强弱。19电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 3 3高莱气动型传感器高莱气动型传感器v结构结构v原理原理20电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程

17、组传感技术课程组 制作制作制作制作 高莱气动型传感器结构高莱气动型传感器结构v它它有有一一个个气气室室，以以一一个个小小管管道道与与一一块块柔柔性性薄薄片片相相连连。薄薄片片的的背背向向管管道道一一面面是是反反射射镜镜。气气室室的的前前面面附附有有吸吸收收膜膜,它它是是低低热热容容量的薄膜。量的薄膜。v在在室室的的另另一一边边，一一束束可可见见光光通通过过栅栅状状光光栏栏聚聚焦焦在在柔柔镜镜上上，经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。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。21电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课

18、程组传感技术课程组 制作制作制作制作 高莱气动型传感器原理高莱气动型传感器原理v高高莱莱气气动动型型传传感感器器是是利利用用气气体体吸吸收收红红外外辐辐射射后后，温温度度升升高高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。v红红外外辐辐射射通通过过窗窗口口入入射射到到吸吸收收膜膜上上，吸吸收收膜膜将将吸吸收收的的热热能能传传给气体，使气体温度升高。气压增大，从而使柔镜移动。给气体，使气体温度升高。气压增大，从而使柔镜移动。v在在室室的的另另一一边边，一一束束可可见见光光通通过过栅栅状状光光栏栏聚聚焦焦在在柔柔镜镜上上，经经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投

19、射到光电管上。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。v当当柔柔镜镜因因压压力力变变化化而而移移动动时时，栅栅状状图图像像与与栅栅状状光光栏栏发发生生相相对对位位移移，使使落落到到光光电电管管上上的的光光量量发发生生改改变变，光光电电管管的的输输出出信信号号也也发发生生改改变变。这这个个变变化化量量就就反反映映出出入入射射红红外外辐辐射射的的强强弱弱。这这种种传传感感器器的的恃恃点点是是灵灵敏敏度度高高，性性能能稳稳定定。但但响响应应时时间间长长，结结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。22电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学

20、 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 44热释电型传感器热释电型传感器 (pyroelectric)v热热释释电电型型传传感感器器用用具具有有热热释释电电效效应应的的材材料料制制作作的的敏敏感感元件。元件。v热释电材料是一种具有热释电材料是一种具有自发极化特性自发极化特性的晶体材料。的晶体材料。v自自发发极极化化是是指指由由于于物物质质本本身身的的结结构构在在某某个个方方向向上上正正负负电电荷荷中中心心不不重重合合而而固固有有的的极极化化。一一般般情情况况下下，晶晶体体自自发发极极化化所所产产生生的的表表面面束束缚缚电电荷荷被被吸吸附附在在晶晶体体表表面

21、面上上的的自自由由电电荷荷所所屏屏蔽蔽；当当温温度度变变化化时时，自自发发极极化化发发生生改改变变，从而释放出表面吸附的部分电荷。从而释放出表面吸附的部分电荷。23电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 热释电型传感器原理 当当红红外外辐辐射射照照射射到到已已经经极极化化的的铁铁电电体体薄薄片片表表面面上上时时，引引起起薄薄片片温温度度升升高高，使使其其极极化化强强度度降降低低、表表面面电电荷荷减减少少，这这相相当当于于释释放放一一部部分分电电荷荷，所所以以叫叫热热释释电电型型传感器。传感器。将将负负载载电电

22、阻阻与与铁铁电电体体薄薄片片相相连连，则则负负载载电电阻阻上上便便产产生生一一个个电电信信号号输输出出。输输出出信信号号的的大大小小，取取决决于于薄薄片片温温度度变变化化的的快快慢慢，从从而而反反映映出出入入射射的的红红外外辐辐射射的的强强弱弱。由由此此可可见见，热热释释电电型型红红外外传传感感器器的的电电压压响响应应率率正比于入射辐射变化的速率。正比于入射辐射变化的速率。24电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 几点注意几点注意v当当恒恒定定的的红红外外辐辐射射照照射射在在热热释释电电传传感感器器上上时时

23、，传传感感器器没没有有电电信信号号输输出出；只只有有铁铁电电体体温温度度处处于于变变化化过过程程中，才有电信号输出。中，才有电信号输出。v必必须须对对红红外外辐辐射射进进行行调调制制（或或称称斩斩光光），使使恒恒定定的的辐辐射射变变成成交交变变辐辐射射，不不断断引引起起传传感感器器的的温温度度变变化化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。才能导致热释电产生，并输出交变的信号。25电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 热释电型与其它热敏型红外探测器的根本区别：热释电型与其它热敏型红外探测器的根本区别：后者利

24、用响应元的温度升高值来测量红外辐射，后者利用响应元的温度升高值来测量红外辐射，响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比较长，不能测量快速变化的辐射信号；较长，不能测量快速变化的辐射信号；热释电型探测器所利用的是温度变化率，因而能热释电型探测器所利用的是温度变化率，因而能探测快速变化的辐射信号探测快速变化的辐射信号。26电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 二、光子传感器v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是利用某些半导体材料在入射光的照射下

25、，产生下，产生光子效应光子效应，使，使材料电学性质发生变化材料电学性质发生变化。通。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。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，统称光子传感利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器器。v光子传感器的主要特点光子传感器的主要特点是：灵敏度高、响应速度快、是：灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率。具有较高的响应频率。但一般需在低温下工作，探但一般需在低温下工作，探测波段较窄测波段较窄。v按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和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

26、传感器、光外光电传感器两种，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。生伏特传感器和光磁电传感器等三种。27电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 1 1外光电传感器外光电传感器(PEPE器件器件)当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射光的光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，就能使材料的电子逸出表面，向外子能量足够大，就能使材料的电子逸出表面，向外发射出电子，这种现象叫外光电效应或光电子发射发射出电子，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。效应。光电二极管、光电倍增管

27、等便属于这种类型的电子光电二极管、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，一般只需几个毫微传感器。它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。秒。电子逸出需要较大的光子能量，电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用射或可见光范围内使用。28电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 2 2光电导传感器（光电导传感器（PCPC器件）器件）v当当红红外外辐辐射射照照射射在在某某些些半半导导体体材材料料表表面面上上时时，半半导导体体材材料料中中有有些些电电子子和和

28、空空穴穴可可以以从从原原来来不不导导电电的的束束缚缚状状态态变变为为能能导导电电的的自自由由状状态态，使使半半导导体体的的导导电电率率增增加加，这这种种现现象象叫叫光光电电导导现现象象。利利用用光光电电导导现现象象制制成成的的传传感感器器称称为为光光电电导导传传感感器器，如如PbS、PbSe、InSb、HgCdTe等材料都可制造光电导传感器。等材料都可制造光电导传感器。v使使用用光光电电导导传传感感器器时时，需需要要制制冷冷和和加加上上一一定定的的偏偏压压，否否则则会会使使响响应应率率降降低低、噪噪声声大大、响响应应波波段段窄窄，以以致致使红外传感器损坏。使红外传感器损坏。29电子科技大学电子

29、科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 3 3光生伏特传感器（光生伏特传感器（PUPU器件）器件）v当当红红外外辐辐射射照照射射在在某某些些半半导导体体材材料料的的pn结结上上时时，在在结结内内电电场场的的作作用用下下，自自由由电电子子移移向向n区区，空空穴穴移移向向P区区。如如果果pn结结开开路路，则则在在pn结结两两端端便便产产生生一一个个附附加加电电势势，称称为为光光生生电电动动势势。利利用用这这个个效效应应制制成的传感器称为光生伏特传感器或成的传感器称为光生伏特传感器或pn结传感器。结传感器。v常常用用的的材材料料为

30、为InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等几种。等几种。30电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 Man must look just as ridiculous to the crab when it sees him walk forward.31电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 4 4光磁电传感器（光磁电传感器（PEMPEM器件）器件）v当当红红外外辐辐射射照照射射在在某某些些半半导导体体材材料料的的表

31、表面面上上时时，材材料料表表面面的的电电子子和和空空穴穴将将向向内内部部扩扩散散，在在扩扩散散中中若若受受强强磁磁场场的的作作用用，电电子子与与空空穴穴则则各各偏偏向向一一边边，因因而而产产生生开开路路电电压压，这这种种现现象象称称为为光光磁磁电电效效应应。利利用用此此效效应应制制成成的的红红外外传传感感器，叫做光磁电传感器。器，叫做光磁电传感器。v常用的材料包括常用的材料包括Ge、InSb、InAs和和PbS等。等。v光光磁磁电电传传感感器器不不需需要要致致冷冷，响响应应波波段段可可达达7m左左右右，时时间间常常数数小小、响响应应速速度度快快、不不用用加加偏偏压压、内内阻阻极极低低、噪噪声声

32、小小、有有良良好好的的稳稳定定性性和和可可靠靠性性。但但其其灵灵敏敏度度低低、低低噪噪声声前置放大器制作困难，因而影响了使用。前置放大器制作困难，因而影响了使用。PEM：Photo-Magneto-Electric霍尔效应？霍尔效应？32电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外传感器的性能参数33电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 二、响应波长范围v响响应应波波长长范范围围（或或称称光光谱谱响响应应）是是表表示示传传

33、感感器器的的电电压压响响应应率率与与入入射射的的红红外外辐辐射射波波长长之之间间的的关关系系，一一般般用曲线表示（下页图）。用曲线表示（下页图）。v一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长。一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长。v把把响响应应率率下下降降到到响响应应值值的的一一半半所所对对应应的的波波长长称称为为截截止波长，它表示着红外传感器使用的波长范围。止波长，它表示着红外传感器使用的波长范围。34电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外传感器的电压响应率曲线红外传感器的电压响应率曲线v曲线曲

34、线1：热电传感：热电传感器的电压响应率曲器的电压响应率曲线（与波长无关）线（与波长无关）v曲线曲线2：光子传感：光子传感器的电压响应率曲器的电压响应率曲线线峰值波长峰值波长截止波长截止波长35电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 三、噪声等效功率三、噪声等效功率 如果投射到红外传感器敏感元件上的辐射功率所产生的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，则这个辐射功率率 就就 叫叫 做做“噪噪 声声 等等 效效

35、功功 率率”。通通 常常 用用 符符 号号“NEP(noise equivalent power)”表示：表示：其中：其中：Us为红外探测器的输出电压；为红外探测器的输出电压；P0为投射到红外敏感元件为投射到红外敏感元件单位面积上的功率；单位面积上的功率；A0为红外敏感元面积；为红外敏感元面积；UN为红外探测器的为红外探测器的综合噪声电压；综合噪声电压；RV为红外探测器的电压响应率。为红外探测器的电压响应率。36电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 四、探测率四、探测率探测率是噪声等效功率的倒数，即：探测率

36、是噪声等效功率的倒数，即：红红外外传传感感器器的的探探测测率率越越高高，表表明明传传感感器器所所能能探探测测到到的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。37电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 五、比探测率 比比探探测测率率又又叫叫归归一一化化探探测测率率，或或者者叫叫探探测测灵灵敏敏度度。实实质质上上就就是是当当传传感感器器的的敏敏感感元元件件面面积积为为单单位位面面积积，放放大大器器的的带带宽宽f为为1Hz时时，单单位位功功率率的的辐辐射射所所获获得得的的信信号号电电压压

37、与与噪噪声声电电压压之之比比。通常用符号通常用符号D*表示。表示。38电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 六、时间常数v时时间间常常数数表表示示红红外外传传感感器器的的输输出出信信号号随随红红外外辐辐射射变变化化的速率。的速率。v输输出出信信号号滞滞后后于于红红外外辐辐射射的的时时间间，称称为为传传感感器器的的时时间间常数，在数值上为：常数，在数值上为：12fc 式中式中fc为响应率下降到最大值的为响应率下降到最大值的0.707时的调制频率。时的调制频率。v热热传传感感器器的的热热惯惯性性和和RC参参数数

38、较较大大，其其时时间间常常数数大大于于光光子子传传感感器器，一一般般为为毫毫秒秒级级或或更更长长；而而光光子子传传感感器器的的时间常数一般为微秒级。时间常数一般为微秒级。39电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外传感器使用中应注意的问题红外传感器使用中应注意的问题(1)使使用用红红外外传传感感器器时时，必必须须首首先先注注意意了了解解它它的的性性能能指指标标和和应应用用范范围围，掌掌握握它的使用条件它的使用条件；(2)选选择择传传感感器器时时要要注注意意它它的的工工作作温温度度。一一般般要要选选择择能能

39、在在室室温温工工作作的的红红外外传传感器，设备简单，使用方便，成本低廉，便于维护；感器，设备简单，使用方便，成本低廉，便于维护；(3)适适当当调调整整红红外外传传感感器器的的工工作作点点。一一般般情情况况下下，传传感感器器有有一一个个最最佳佳工工作作 点点。只只有有工工作作在在最最佳佳偏偏流流工工作作点点时时，红红外外传传感感器器的的信信噪噪比比最最大大。实实际际工工 作点最好稍低于最佳工作点；作点最好稍低于最佳工作点；(4)选用适当的选用适当的前置放大器前置放大器与红外传感器相配合，以获得最佳的探测效果；与红外传感器相配合，以获得最佳的探测效果；(5)调制频率与红外传感器的调制频率与红外传感

40、器的频率响应相匹配频率响应相匹配；(6)传感器的传感器的光学部分光学部分不能用手去摸、擦，防止损伤与沾污；不能用手去摸、擦，防止损伤与沾污；(7)传感器存放时注意传感器存放时注意防潮、防振和防腐蚀防潮、防振和防腐蚀。40电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外测温红外测温v红外测温的特点红外测温的特点v红外测温原理红外测温原理41电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外测温的特点红外测温的特点(1)红红外外测测温温是

41、是远远距距离离和和非非接接触触测测温温，特特别别适适合合于于高高速速运运动动物物体、带电体、高温及高压物体的温度测量；体、带电体、高温及高压物体的温度测量；(2)红红外外测测温温反反应应速速度度快快。它它不不需需要要与与物物体体达达到到热热平平衡衡的的过过程程。只只要要接接收收到到目目标标的的红红外外辐辐射射即即可可定定温温。反反映映时时间间一一般般都都在在毫秒级甚至微秒级毫秒级甚至微秒级。(3)红红外外测测温温灵灵敏敏度度高高。因因为为物物体体的的辐辐射射能能量量与与温温度度的的四四次次方方成成正正比比。物物体体温温度度微微小小的的变变化化，就就会会引引起起辐辐射射能能量量成成倍倍的的变化，

42、红外传感器即可迅速地检测出来；变化，红外传感器即可迅速地检测出来；(4)红红外外测测温温准准确确度度较较高高。由由于于是是非非接接触触测测量量，不不会会破破坏坏物物体体原原来来温温度度分分布布状状况况，因因此此测测出出的的温温度度比比较较真真实实。其其测测量量准准确度可达到确度可达到0.1以内，甚至更小；以内，甚至更小；(5)红红外外测测温温范范围围广广泛泛。可可测测摄摄氏氏零零下下几几十十度度到到零零上上几几千千度度的的温度范围。温度范围。42电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外测温原理红外测温原理

43、v红红外外测测温温有有几几种种方方法法，这这里里只只介介绍绍全全辐辐射射测测温温。全全辐辐射射测测温温是是测测量量物物体体所所辐辐射射出出来来的的全全波波段段辐辐射射能能量量来来决决定定物物体体的的温温度度。它是它是斯蒂芬一玻尔兹曼定律斯蒂芬一玻尔兹曼定律的应用，定律表达式为：的应用，定律表达式为：式中：式中：W-W-物体的全波辐射出射度，单位面积所发射的辐射功率；物体的全波辐射出射度，单位面积所发射的辐射功率；-物体表面的法向比辐射率；物体表面的法向比辐射率；-斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；T-T-物体的绝村温度（物体的绝村温度（K K）。）。v 一般物体的一般物体的总是在总是在

44、0 0与与1 1之间，之间，=1=1的物体叫做黑体。的物体叫做黑体。v T T越大，物体的越大，物体的辐射功率就愈大。辐射功率就愈大。Black body:完全辐射体。入射完全辐射体。入射的电磁波全部被吸收，既无反射，的电磁波全部被吸收，既无反射，又无透射。又无透射。43电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外辐射测温仪红外辐射测温仪v它它由由光光学学系系统统、调调制制器器、红红外外传传感感器器、放放大大器器和和指指示器等部分组成。示器等部分组成。v光光学学系系统统可可以以是是透透射射式式的的、也也可可以

45、以是是反反射射式式的的。透透射式光学系统的部件是用红外光学材料制成的。射式光学系统的部件是用红外光学材料制成的。44电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外测温仪方框图45电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 光学材料v一一般般测测量量高高温温（700 以以上上）仪仪器器，有有用用波波段段主主要要在在0.76-3m的近红外区，可选用一般光学玻璃或石英等材料。的近红外区，可选用一般光学玻璃或石英等材料。v测测量量中中温温

46、(100-700)仪仪器器，有有用用波波段段主主要要在在3-5m的的中中红红外外区，多采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料。区，多采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料。v测测量量低低温温(100以以下下)仪仪器器，有有用用波波段段主主要要在在5-14m的的中中远远红外波段，多采用锗、硅、热压硫化锌等材料。红外波段，多采用锗、硅、热压硫化锌等材料。46电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 说明v一一般般还还在在镜镜片片表表面面蒸蒸镀镀红红外外增增透透层层。一一方方面面滤滤掉掉不不需需要的波段，另一方面增大有用波段的透

47、射率。要的波段，另一方面增大有用波段的透射率。v调调制制器器就就是是把把红红外外辐辐射射调调制制成成交交变变辐辐射射的的装装置置。一一般般是是用用微微电电机机带带动动一一个个齿齿轮轮盘盘或或等等距距离离孔孔盘盘，通通过过齿齿轮轮盘盘或或带带孔孔盘盘旋旋转转，切切割割入入射射辐辐射射而而使使投投射射到到红红外外传传感感器器上上的的辐辐射射信信号号成成交交变变的的。因因为为系系统统对对交交变变信信号号处处理理比较容易，并能取得较高的信噪比。比较容易，并能取得较高的信噪比。47电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作

48、 红外成像v红外成像原理红外成像原理v红外成像仪红外成像仪48电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 红外成像原理v简介简介v红外变像管成像红外变像管成像v红外摄像管红外摄像管49电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 简介简介 在在许许多多场场合合，人人们们不不仅仅需需要要知知道道物物体体表表面面的的平平均均温温度度，更更需需要要了了解解物物体体的的温温度度分分布布情情况况，以以便便分分析析、研研究究物物体体的的结结构构，

49、探探测测内内部部缺缺陷陷。红红外外成成像像就就能能将将物物体体的的温温度度分分布布以以图像的形式直观地显示出来。图像的形式直观地显示出来。50电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组传感技术课程组 制作制作制作制作 一、红外变像管成像一、红外变像管成像v当当物物体体的的红红外外辐辐射射通通过过物物镜镜照照射射到到光光电电阴阴极极上上时时，光光电电阴阴极极表表面面的的红红外外敏敏感感材材料料-蒸蒸涂涂的的半半透透明明银银氧氧铯铯接接收收辐辐射射后后，便便发发射射光光电电子子。光光电电阴阴极极表表面面发发射射的的光光电电子子密密度度的的分分布布，

50、与与表表面面的的辐照度的大小辐照度的大小成正比，也就是与物体发射的红外辐射成正比。成正比，也就是与物体发射的红外辐射成正比。v光光电电阴阴极极发发射射的的光光电电子子在在电电场场的的作作用用下下飞飞向向荧荧光光屏屏，荧荧光光屏屏上上的的荧荧光光物物质质受受到到高高速速电电子子的的轰轰击击后后便便发发出出可可见见光光。可可见见光光辉辉度度与与轰轰击击的的电电子子密密度度的的大大小小成成比比例例，即即与与物物体体红红外外辐辐射射的的分分布布成成比比例例。这这样样，物物体体的的红红外外图图像像便便被被转转换换成成可可见见光光图图像像。人人们们通通过过观观察察荧荧光光屏屏上上的的辉辉度度明明暗暗，便便