红外辐射与红外探测器 (2).ppt
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1、关于红外辐射与红外关于红外辐射与红外探测器探测器 (2)(2)现在学习的是第1页,共60页 红外探测器,是能将红外辐射能转换为电能的光电器件,它是红外探测系统的关键部件,也称为红外传感器。红外探测器工作的物理过程是当器件吸收辐射通量时产生温升,温升引起材料各种有赖于温度的参数的变化,监测其中一种性能的变化,可以探知辐射的存在和强弱。它在科学研究、军事工程和医学方面有着广泛的应用,例如红外测温、红外成像、红外遥感、红外制导等。现在学习的是第2页,共60页本章内容8.1 8.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识8.2 8.2 红外探测器红外探测器8.38.3 红外探测器的性能参数及使用中红外探
2、测器的性能参数及使用中应注意的事项应注意的事项8.4 8.4 红外测温红外测温8.5 8.5 红外成像红外成像8.6 8.6 红外无损检测红外无损检测8.7 8.7 红外探测技术在军事上的应用红外探测技术在军事上的应用现在学习的是第3页,共60页红外辐射的基本知识8.1.2 8.1.2 红外辐射源红外辐射源返回8.1.1 8.1.1 红外辐射红外辐射现在学习的是第4页,共60页无限连续电磁波谱,如图所示。包括:无线电波 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线 射线 宇宙射线 红红外外辐辐射射现在学习的是第5页,共60页 在红外技术中,一般将红外辐射分为4个区域,即 近红外区(0.73m);中红外
3、区(36m);远红外区(616m);极远红外区(大于16m)。这里所说的远、中、近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离而言。现在学习的是第6页,共60页 红外辐射的物理本质是热辐射。波长在0.761 000m之间的电磁波(红外辐射)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。红外辐射和所有电磁波一样,是以波的形式在空间沿直线传播的。它在真空中的传播速度等于波的频率与波长的乘积,与光在真空中的传播速度相等。现在学习的是第7页,共60页 红外辐射在大气中传播时,由于大气中的气体分子、水蒸气及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用,使某些波长的辐射在传输过程中逐渐衰
4、减。一般把透明的波段称为“大气窗口”,波长从114m共有8个窗口,如图所示。最常用的是 12.6 m、35 m、814 m 三个区间。返回现在学习的是第8页,共60页红外辐射源有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源。根据辐射源几何尺寸的大小、距离探测器或被辐射物体的远近,又分为点源和面源。同一个辐射源,在不同情况下,既可以是点源,又可以是面源。一般情况下,把充满红外光学系统视场的大面积辐射源叫作面源,而将没有充满红外光学系统视场的小面叫作点源。返回现在学习的是第9页,共60页红外探测器红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件,是红外探测系统的关键部件,常常也称为红外传感器。它的性能好坏
5、,直接影响系统性能的优劣。因此,选择合适的、性能良好的红外探测器,对红外探测系统是十分重要的。现在学习的是第10页,共60页常见的红外探测器有两大类:热探测器热探测器;光子探测器光子探测器。返回现在学习的是第11页,共60页热探测器热探测器热探测器是利用探测元件吸收入射的红外辐射能量而引起温升,在此基础上借助各种物理效应把温升转变成电量的一种探测器。热探测器光电转换的过程分为两步:第一步是热探测器吸收红外辐射引起温升,这一步对各种热探测器都一样;第二步利用热探测器某些温度效应把温升转变成电量的变化。现在学习的是第12页,共60页热探测器返回1 1热敏电阻型探测器热敏电阻型探测器2.2.热电偶型
6、红外探测器热电偶型红外探测器3.3.热释电型红外探测器热释电型红外探测器4.4.高莱气动型探测器高莱气动型探测器现在学习的是第13页,共60页热敏电阻型探测器凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值改变,导致负载电阻两端电压的变化,并给出电信号的器件,叫做热敏电阻。热敏电阻有金属和半导体两种。*金属热敏电阻,电阻温度系数多为正的,绝对值比半导体的小,它的电阻与温度的关系基本上是线性的,耐高温能力较强,所以多用于温度的模拟测量。现在学习的是第14页,共60页*半导体热敏电阻绝对值比金属的大十多倍,它的电阻与温度的关系是非线性的,耐高温能力较差,所以多用于辐射探测,如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟
7、踪等。如图所示为半导体材料和金属材料(白金)的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为正值,大约为+0.37%。半导体材料热敏电阻的温度系数为负值,大约为-3%-6%,约为白金的10倍以上。现在学习的是第15页,共60页 热敏电阻一般制成薄片状,当红外辐射照射在热敏电阻上时,其温度升高,内部粒子的无规律运动加剧,自由电子的数目随温度而增加,所以其电阻减小。如图所示为几种常用的热敏电阻外形图。热敏电阻的电路符号入下图所示。现在学习的是第16页,共60页热释电型红外探测器热释电探测器是利用某些晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的。热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变化率,不需
8、要热平衡过程,所以其响应速度比其他热探测器快得多,一般热探测器的时间常数典型值在10.01s范围,而热释电探测器的有效时间常数低达10-43 10-5s。现在学习的是第17页,共60页 热释电晶体是压电晶体中的一种,具有非中心对称的晶体结构。自然状态下,在某个方向上正负电荷中心不重合,在晶体表面形成一定量的极化电荷,称为自发极化。晶体温度变化时,可引起晶体正负电荷中心发生位移,因此表面上的极化电荷即随之变化。如图所示。现在学习的是第18页,共60页 铁电体的极化强度(单位表面积上的束缚电荷)与温度有关。当红外线照射到其表面上时,引起铁电体(薄片)温度迅速升高,极化强度很快下降,束缚电荷急剧减少
9、;而表面浮游电荷变化缓慢,跟不上铁电体内部的变化。从温度变化引起极化强度变化到在表面重新达到电平衡状态的极短时间内,在铁电体表面有多余浮游电荷的出现,这相当于释放出一部分电荷,这种现象称为热释电效应。现在学习的是第19页,共60页高莱气动型探测器高莱气动型探测器又称高莱(Golay)管。它是利用气体吸收红外辐射能量后,温度升高、体积增大的特性,来反映红外辐射的强弱。其结构原理如图所示。它有一个气室,以一个小管道与一块柔性薄片相连。现在学习的是第20页,共60页 高莱气动型探测器的工作过程是:调制辐射通过窗口射到气室的吸收薄膜上,引起薄膜温度的周期变化。温度的变化又引起气室内氙气的膨胀和收缩,从
10、而使气室另一侧的柔镜产生膨胀和收缩;另一方面,可见光光源发出的光通过聚光镜、光栅、新月形透镜的上半边聚焦到柔镜(外部镀反射膜的弹性薄膜)上,再通过它们的下半边聚焦到光电探测器上。现在学习的是第21页,共60页光子探光子探测测器器 光子型红外探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下,产生光电效应,使材料的电学性质发生变化的原理,通过测量电学性质的变化,可以确定红外辐射的强弱。利用光电效应所制成的红外探测器统称光子探测器。光子探测器的主要特点是灵敏度高,响应速度快,响应频率高。但其一般需在低温下工作,探测波段较窄。现在学习的是第22页,共60页红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项红外探测器
11、的性能参数及使用中应注意的事项 8.3.1 8.3.1 红外探测器的性能参数红外探测器的性能参数8.3.2 8.3.2 红外探测器使用中应注意的问题红外探测器使用中应注意的问题返回现在学习的是第23页,共60页红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。由于探测器是能量转换器件,影响其性能的参数很多,也很复杂。为了正确选择和应用红外探测器,掌握与了解这些参数是十分必要的。红外探测器主要的性能参数与光电探测器一样,有电压响应率、光谱响应、等效噪声功率、比探测率和时间常数等。红外探测器的性能参数返回现在学习的是第24页,共60页红外探测器使用中应注意的问题红外探测器使用中应注意以下事项。选用探测器
12、时要注意它的工作温度。一般热探测器能在室温工作;光子探测器需要在低温下工作,甚至需要致冷。若将低温工作的探测器用于室温,不仅比探测率低、噪声大、响应波段窄,而且容易损坏。现在学习的是第25页,共60页应注意调整好探测器的偏流(或偏压),使探测器工作在最佳工作点,如图所示。若偏流较低,探测器的信号电压比噪声电压增长的速率快,因而信噪比增加;当偏流超过最佳工作点电流以后,则信噪比下降。只有工作在最佳 偏流工作点时,红外探测 器的信噪比最大。现在学习的是第26页,共60页辐射源调制频率应与红外探测器的响应频率相匹配。一般探测器有一个最佳调制频率。调制频率过高或过低,都会使探测器的比探测率D*降低,只
13、有将调制频率选取 在合适范围之内,才 能获得最佳探测效 果。例如,硫化铅的 频率特性见图。现在学习的是第27页,共60页还应注意探测器存放时要注意防潮、防振和防腐蚀。最后要注意的是,使用红外探测器时,必须首先了解它的性能指标和应用范围,掌握它的使用条件。特别要注意的是,必须严格地按照产品使用说明书中规定的条件和使用方法,一定要避免盲目乱用,以防损坏。返回现在学习的是第28页,共60页红外测温8.4.1 8.4.1 红外测温原理红外测温原理返回8.4.2 8.4.2 红外测温的特点红外测温的特点8.4.3 8.4.3 热辐射传感器热辐射传感器现在学习的是第29页,共60页红外测温原理是斯忒藩玻耳
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