红外探测器 - 图文

红外探测器

一、简介

红外探测器(Infrared Detector)是能把接收到的红外辐射能转换成一种便于计量的物理量的器件,将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。

红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出

大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

二、发展历史

1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。当时，他使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。

1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应(也称塞贝克效应)， 制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。称作温差电型红外探测器(也称真空温差电偶)。其后，又从单个温差电偶发展成多个电偶串联的温差电堆。

1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器,称为测辐射热计。1947年,M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器（又称高莱管）。

在40年代，又用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计，

使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进。半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。热敏电阻型红外探测器：用氧化物半导体制成很小的薄片，表面涂黑。当薄片吸收红外辐射而温度升高时，电阻发生变化，用电阻的改变量度量红外辐射的强弱。

60年代中期，出现了热释电型探测器。它也是一种热敏型探测器。

三、类别及基本原理

不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的，该波段的红外光处在可见光波段之外。因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。

? 热效应探测器：热效应探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。

(1) 液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用了材料的热胀冷缩效应。气动型红外探测器原理是气体密闭在柔软的室内，室壁的涂黑部分吸收红外辐射，当辐射被薄膜吸收产生温升，气体受热膨胀，使镀银地柔镜弯曲。光源发出地光经光栅聚焦到柔镜上，经此镜反射回地光栅象再经过光栅投射到光电管上。当柔镜受压弯曲光栅象相对于光栅位移，使投射到光电管地光通量发生变化，光电管地输出信号地变化量反映出辐射量地大小。这种探测器时间响应慢，但能探测弱光。

(2)

热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。塞贝克效应 如果两种不同的导体连接成回路，且两接头的温度T1和T2不同时,则回路中产生电动势,会有电流出现。此现象是T.J.塞贝克在1821年发现的。温差电动势与两接头的温度势及两种材料的性质有关，可用温差电动势率S12，即单位温差产生的电动势来描述这一效应

热敏型红外探测器的响应率与波长无关(至少在 1～15微米范围内)。光电型红外探测器有峰值波长和长波限[69-50]。通常取响应率下降到

处的一半所在的波长为[69-50]。光电探测只在≤

[69-50]范围内有响应,

红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系，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)

噪声电压 :如果测量探测器输出的电子系统有足够大的放大倍数，即使没有入射辐射，也可看到有一些毫无规律的、事前无法预测的电压起伏。它的均方根值称为噪声电压 N。此噪声来源于探测器中的某些基本的物理过程，是无法消除的。

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Uo，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Uo＝Un，的辐射功率为

通常用单位带宽时的噪声等效功率(NEP)表征探测器探测弱辐射信号的本领。 (4)探测率

探测器的噪声等效功率值与探测器的面积有关,因而不能用它比较两个不同面积的探测器的优劣。通过分析,大多数红外探测器的噪声等效功率NEP∝

A考虑到带宽,则NEP ∝

。为了比较不同

来源的红外探测器，制定了规一化的探测率

这就是当探测器的响应元面积为1厘米，放大器带宽为1赫时，单位功率所能给出的信噪比。这个数值越大,探测器就越好。 (5)响应时间

当入射辐射突然照射到探测器上时，它的输出需要经过一定时间才能上升到与入射辐射功率相对应的稳定值。当辐射突然撤离时，也需要一定时间才能下降到最初的稳定值。一般说来，上升或下降所需的时间是相等的，称为探测器的响应时间T

七、探测器的比较

? 热敏探测器是在室温条件下能探测到15微米以至远红外波段的器件，与入射辐射的波长无关,可以用作辐射功率的绝对值测量，探测率为（1～2）*

。

? 光子探测器对波长有选择性，探测长波时需要在低温下工作。降低工作温度可提高探测率。几种常用探测器的分谱探测率见图

八、红外探测器的应用举例

红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量，气体成分分析，无损探伤，热像检测，红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔。

1．红外气体分析仪

红外线气体分析仪,是利用红外线进行气体分析\它基于待分析组分的浓度不同,吸收的辐射能不同,剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同,动片薄膜两边所受的压力不同,从而产生一个电容检测器的电信号\这样,就可间接测量出待分析组分的浓度\

根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。

例如，二氧化碳对于波长为2.7μm、4.33μm和14.5μm红外光吸收相当强烈，并且吸收谱相当的宽，即存在吸收带。根据实验分析，只

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