第四章(1) 红外传感器技术

红外传感器技术

第四章 物理量传感器及阵列技术(1)

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红外传感器技术

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目

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一、红外辐射的基本知识 二、红外传感器 三、红外测温

四、红外成像五、红外分析仪

六、红外无损检测本章小结

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一、红外辐射的基本知识1、红外辐射 2、红外辐射术语

3、红外辐射源

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1、红外辐射

红外辐射俗称红外线，它是一种人眼看不见的光线。但实际 上它和其它任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何 物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间 辐射。 红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为红外线。它 的波长范围大致在0.76μm(或0.77μm)到1000μm的频谱范 围之内。相对应的频率大致在4×1014-3×1011Hz之间。

红外线与可见光、紫外线、X射线、γ射线和微波、无线电 波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作

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电磁波谱图

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红外分区：在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域

近红外区:

770 ~ 1.5×103 nm

中红外区:远红外区: 极远红外区:

1.5×103 ~ 6×103 nm6×103 ~ 40×103 nm 40×103 ~ 1000 ×103 nm

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。电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作

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红外辐射的物理本质

红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越 多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应

从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。

实验表明：波长在0.1-1000μm之间的电磁波被物体吸收时，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。

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红外吸收及红外窗口

红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽 以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在 传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原于分子，如N2,H2, O2不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减。

红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即2-2.6μm, 3-5μm和8-14μm,统称为“大气窗口”。这三个大气窗口对 红外技术应用特别重要，因为一般红外仪器都工作在这三个 窗口之内。

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通过一海里长度的大气透过率曲线

为什么2-2.6μm,3-5μm和8-14μm这三个波段 被称为“大气窗口”呢？电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作

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2、红外辐射术语

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红外辐射术语(续)

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3、红外幅射源

当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间辐射出来。 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。

点源：没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源。面源：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。

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二、红外传感器本小节的主要内容： 1、常见红外传感器 2、红外传感器的性能参数

3、红外传感器使用中应注意的问题

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定义： 红外传感器(也称为红外探测器)是能将红外 辐射能转换成电能的光敏器件，它是红外探测系统 的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的 优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，

对于红外探测系统是十分重要的。

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1、常见红外传感器 (1)热传感器 (2)光子传感器

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(1)热传感器

热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进 而使相关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参

数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。

热传感器的主要优点是：响应波段宽、可以在室温下工作、 使用简单。但是，热传感器响应时间较长、灵敏度较低，

一般用于低频调制的场合。

热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、高莱气动 型和热释电型四种。电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作

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(1.1) 热敏电阻型传感器

热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成的。

热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻片上，

其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物 体的温度。

热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。

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热敏电阻型 红外传感器结构

热敏电阻型红外传感器由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结 而制成。 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 电子的数目随温度升高而增

加、电阻减小。电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作

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(1.2) 热电偶型传感器

材料：热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料(如铋/银、 铜/康铜、铋/铋锡合金等)构成。 原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，该接点温度 升高，而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时， 在闭合回路中将产生温差电流，同时回路中产生温差电势。温差电 势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。 利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因 其时间常数较大，响应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制 在10Hz以下。 在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来组成热电堆来检测红外 辐射的强弱。电子科技大学 传感器原理与技术 课程组 制作

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(1.3)高莱气动型传感器

结构

原理

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高莱气动型传感器结构

它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面 是反射镜。气室的前面附有吸收膜,它是低热容量的薄膜。 在室的另一边，一束可见光通过栅状光阑聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来 的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。

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