第10章红外传感器精选文档.ppt

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1、第10章红外传感器本讲稿第一页，共五十七页与其他探测技术相比，红外探测技术有如下主要与其他探测技术相比，红外探测技术有如下主要优点优点：(1)(1)环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；(2)(2)被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；(3)(3)靠靠目目标标和和背背景景之之间间各各部部分分的的温温度度和和发发射射率率形形成成的的红红外外辐辐射射差差进进行行探探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；(4)(4)红外系统的体积小、质量轻、功耗低。红外系

2、统的体积小、质量轻、功耗低。绪绪 论论 红红外外传传感感器器是是将将红红外外辐辐射射能能量量转转换换为为电电量量的的一一种种传传感感器器。红红外外辐辐射射（红红外外线线）是是一一种种人人眼眼看看不不见见的的光光线线，波波长长范范围围大大致致在在0.760.76100m100m。任何温度高于热力学零度（任何温度高于热力学零度（-273.15-273.15）的物体都会辐射红外线）的物体都会辐射红外线 。本讲稿第二页，共五十七页 近近年年来来，红红外外技技术术在在军军事事领领域域和和民民用用工工程程上上，都都得得到到了了广广泛泛应应用用。军事领域的应用主要包括：军事领域的应用主要包括：(1)(1)侦

3、查、搜索和预警；侦查、搜索和预警；(2)(2)探测和跟踪；探测和跟踪；(3)(3)全天候前视和夜视；全天候前视和夜视；(4)(4)武器瞄准；武器瞄准；(5)(5)红外制导导弹；红外制导导弹；(6)(6)红外成像相机；红外成像相机；(7)(7)水下探潜、探雷技术。水下探潜、探雷技术。在民用工程领域的应用主要是：在民用工程领域的应用主要是：(1)(1)在在气气象象预预报报、地地貌貌学学、环环境境监监测测、遥遥感感资资源源调调查查等等领领域域的的应应用；用；(2)(2)在地下矿井测温和测气中的应用；在地下矿井测温和测气中的应用；(3)(3)红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾顶报中的应用。

4、红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾顶报中的应用。本讲稿第三页，共五十七页10.1 10.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识10.1.1 10.1.1 红外辐射红外辐射 任任何何物物体体，只只要要它它的的温温度度高高于于热热力力学学零零度度(-273.15(-273.15)时时，就就会会向向外外辐辐射射能能量量，故故称称为为热热辐辐射射，又又称称为为红红外外辐辐射射或或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与与其其他他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。在在电电磁磁辐辐射射波波谱谱中中，红

5、红外外线线是是位位于于可可见见光光中中红红色色光光以以外外的的光光线线，波波长长范范围围大大致致在在0.760.76100 100 ，对对应应的频率大致在的频率大致在41041014143103101111HzHz之间。之间。红红外外线线与与可可见见光光一一样样，也也具具有有反反射射、折折射射、散散射射、干干涉涉、吸吸收收等等特特性性，它它在在真空中的传播速度为光速，即真空中的传播速度为光速，即c c=310=3108 8m/sm/s。在在红红外外技技术术中中，一一般般将将红红外外辐辐射射分分为为4 4个个区区域域：波波长长在在0.763 为为近近红红外外区区；波波长长在在3 36 6 为为中

6、中红红外外区区；波波长长在在6 620 20 为为中远红外区；波长在中远红外区；波长在2020100 100 为远红外区。为远红外区。本讲稿第四页，共五十七页 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、水水蒸蒸气气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。但但红红外外辐辐射射在在通通过过大大气气层层时时，在在以以下下3 3个个波波段段区区间间：2 22.6 2.6 、3 35 5 、8 814 14 ，大大气气对对红红外外线线几几乎乎不不吸吸收收，故故称

7、称之之为为“大大气气窗窗口口”。这这3 3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重要，红外仪器都工作在这别重要，红外仪器都工作在这3 3个窗口之内。个窗口之内。10.1.2 10.1.2 红外辐射的重要参数红外辐射的重要参数 1)1)辐射能辐射能Q Q以以辐辐射射的的形形式式发发射射、传传播播或或接接收收的的能能量量称称为为辐辐射射能能。单单位位为为焦焦耳耳(J)(J)。2)2)辐射能通量辐射能通量单单位位时时间间内内发发射射、传传输输或或接接收收的的辐辐射射能能称称为为辐辐射射能能通通量量，其其单单位为瓦特位为瓦特(W)(W)：本讲稿第五页，共五十七页 3)3)辐射强度辐射强

8、度I I点点辐辐射射源源向向各各个个方方向向发发出出辐辐射射，在在某某一一方方向向，在在单单位位立立体体角角内内发出的辐射能通量为，则辐射强度发出的辐射能通量为，则辐射强度I I为为单位：瓦单位：瓦/球面度球面度(W(W/Sr)Sr)。4)4)辐射出射度辐射出射度M M指辐射源单位发射面积发出的辐射能通量，即指辐射源单位发射面积发出的辐射能通量，即单位单位:瓦瓦/米米2 2(W(W/m m2 2)。5)5)辐射亮度辐射亮度L L和光谱辐射亮度和光谱辐射亮度为为了了表表征征具具有有有有限限尺尺寸寸辐辐射射源源辐辐射射能能通通量量的的空空间间发发布布，采采用用辐辐射射亮度这样一个辐射量。亮度这样一

9、个辐射量。本讲稿第六页，共五十七页 如如图图，单单位位面面积积为为d dS S的的辐辐射射面面，在在和和表表面面法法线线N N成成 角角方方向向，在在单单位位立立体体角角 内内发发出出的的辐辐射射能能通通量量为为 ，则则辐辐射射亮亮度度L L为为单位：瓦单位：瓦/(/(球面度球面度米米2 2)W/(Sr)W/(Srm m2 2)。辐辐射射亮亮度度实实际际上上是是包包括括所所有有波波长长的的辐辐射射能能量量。如如果果是是辐辐射射光光谱谱中中某某一一波波长长的的辐辐射射能能量量，则则称称为为在在此此波波长长下下的的光光谱谱辐辐射射亮亮度度 。对对于于朗朗伯伯特特辐辐射射体体(也也称称余余弦弦辐辐射

10、射体体)，其其在在各各个个方方向向的的辐辐射射亮亮度度都都相相等等，且且有有 。实实际际辐辐射射物物体体一一般般都都可可以以看看作作朗朗伯伯特辐射体。特辐射体。本讲稿第七页，共五十七页10.1.3 10.1.3 黑体、白体和透明体黑体、白体和透明体 1.1.辐射能的分配辐射能的分配当当物物体体接接收收到到辐辐射射能能以以后后，根根据据物物体体本本身身的的性性质质，会会发发生生部部分分能能量量吸吸收收、透透射射和和反反射射的的现现象象，如如图图所所示示,有有式式中中：a为为吸吸收收率率，表表示示吸吸收收的的能能量量所所占占的的比比率率；为为透透射射率率，表表示示透透射射的的能能量量所所占占的的比

11、比率率；为为反反射射率率，表表示示反反射射的的能能量量所所占的比率。占的比率。2.2.黑体黑体当当QA/Q=a=1时时，则则 =0，=0。这这说说明明照照射射到到物物体体上上的的辐辐射射能能全全部部被被吸吸收收，既既无无反反射射也也无无透透射射，具具有有这这种种性性质质的的物物体体称称为为“绝对黑体绝对黑体”或简称为或简称为“黑体黑体”。本讲稿第八页，共五十七页在在自自然然界界中中黑黑体体是是不不存存在在的的，但但可可以以人人为为制制造近似的黑体，如图所示。造近似的黑体，如图所示。3.3.透明体透明体当当QD/Q=1时时，说说明明照照射射到到物物体体上上的的辐辐射射能能全全部部透透射射过过去去

12、，既既无无吸吸收收又又无无反反射射。具有这种性质的物体称为透明体。具有这种性质的物体称为透明体。4.4.白体白体当当Q QR R/Q Q=1=1时时，说说明明照照射射到到物物体体上上的的辐辐射射能能全全部部被被反反射射出出去去。若若物物体体表表面面平平整整光光滑滑，反反射射具具有有一一定定规规律律，则则该该物物体体称称之之为为“镜镜体体”；若若反反射射无无一一定定规规律律，则则该该物物体体称称为为“绝绝对对白白体体”或简称为或简称为“白体白体”。本讲稿第九页，共五十七页10.1.4 10.1.4 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律 1.1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律基基尔尔霍霍夫夫定定律律(简

13、简称称基基氏氏定定律律)是是物物体体热热辐辐射射的的基基本本定定律律，它它建建立立了了理理想想黑黑体体和和实实际际物物体体辐辐射射之之间间的的关关系系。基基尔尔霍霍夫夫定定律律表表明明：各各物物体体的的辐辐射射出出射射度度和和吸吸收收率率的的比比值值都都相相同同，它它和和物物体体的的性性质质无无关关，是物体的温度是物体的温度T T和发射波长的函数。即：和发射波长的函数。即：式式中中：M0(,T)，M1(,T)，M2(,T)，分分别别为为物物体体A0，A1，A2，的的单单色色()辐辐射射出出射射度度；0(,T)，1(,T)，2(,T)，分别为物体分别为物体A0，A1，A2，的单色的单色()()吸

14、收率。吸收率。若若物物体体A A0 0是是绝绝对对黑黑体体，则则其其单单色色吸吸收收率率0 0(,T T)=1)=1，则则任任意意物物体体A A的辐射出射度的辐射出射度M M(,(,T T)与黑体的辐射出射度与黑体的辐射出射度M M0 0(,(,T T)之比为之比为单色黑度系数单色黑度系数 本讲稿第十页，共五十七页在在全全波波长长内内，任任何何物物体体的的全全辐辐射射出出射射度度等等于于单单波波长长的的辐辐射射出出射射度度在在全波长内的积分，即全波长内的积分，即 基氏定律的基氏定律的积分形式积分形式 M M(T T)为为物物体体A A在在温温度度T T下下的的全全辐辐射射出出射射度度；M M0

15、 0(T T)为为黑黑体体在在温温度度T T下下的的全全辐辐射射出出射射度度；为为物物体体A A的的全全发发射射率率，或或称称全全辐辐射射黑黑度度系系数数。它它表表明明了了在在一一定定的的温温度度T T下下，物物体体A A的的辐辐射射出出射射度度与与相相同同温温度度下下黑黑体体的的辐辐射射出出射射度度之之比比。一一般般物物体体的的 1 1，越越接接近近1 1，表表明明它它与与黑体的辐射能力越接近。黑体的辐射能力越接近。比比较较教教材材表表10-110-1所所列列材材料料的的单单色色发发射射率率和和全全发发射射率率，你你能能得得出出怎样的结论怎样的结论 本讲稿第十一页，共五十七页2.2.黑体辐射

16、定律黑体辐射定律 1)1)普朗克定律普朗克定律(单色辐射强度定律单色辐射强度定律)在在基基尔尔霍霍夫夫定定律律式式(10-6)(10-6)中中，f(,T)的的函函数数形形式式是是怎怎样样的的？普普朗朗克克用用量量子子学学说说建建立立了了数数学学关关系系式式，并并得得到到了了实实验验验验证证。普普朗朗克克建建立立的的黑体的光谱辐射出射度黑体的光谱辐射出射度M0(,T)计算公式为计算公式为式式中中：C C1 1为为第第一一辐辐射射常常数数，C C1 1=3.7410=3.74104 4W W 4 4/cm/cm2 2；C C2 2为为第第二二辐射常数，辐射常数，C C2 2=1.4410=1.44

17、104 4 K K；T T为黑体绝对温度为黑体绝对温度(K)(K)。由由上上式式可可算算出出不不同同波波长长和和温温度度时时黑黑体体的的光光谱谱辐辐射射出出射射度度M M0(0(,T T)，如如图图10.410.4所所示示。从从图图中中曲曲线线可可以以得得出出黑黑体体辐辐射射的的几几个个特特性：性：本讲稿第十二页，共五十七页 (1)(1)总总的的辐辐射射出出射射度度是是随随温温度度的的升升高高而而迅迅速速增增加加的的，温温度度越越高高则则光光谱谱辐辐射射出出射度越大。射度越大。(2)(2)当当温温度度一一定定时时，光光谱谱辐辐射射出出射射度度随随波波长长的的不不同同按按一一定定的的规规律律变变

18、化化，曲曲线线有有一一个个极极大大值值，其其波波长长定定义义为为 ，当当波波长长小小于于 时时，辐辐射射出出射射度度随随波波长长增增加加而而增加，当波长大于增加，当波长大于 时，变化规律相反。时，变化规律相反。(3)(3)当当温温度度增增加加时时，光光谱谱辐辐射射出出射射度度的的峰峰值值波波长长会会向向短短波波方方向向移移动动。物物体体的的辐辐射亮度增加，发光颜色也改变。射亮度增加，发光颜色也改变。普普朗朗克克公公式式虽虽然然结结构构较较复复杂杂，但但它它对对于于低温与高温段都是适用的。低温与高温段都是适用的。本讲稿第十三页，共五十七页 2)2)维恩公式维恩公式当当 时，则有时，则有 ，可得到

19、维恩公式，可得到维恩公式维维恩恩公公式式比比普普朗朗克克公公式式简简单单，但但仅仅适适用用于于不不超超过过30003000K K的的温温度度范范围围，辐辐射射波波长长在在0.40.40.75 0.75 之之间间。当当温温度度超超过过30003000K K时，与实验结果就有较大偏差。时，与实验结果就有较大偏差。从从维维恩恩公公式式可可以以看看出出，黑黑体体的的辐辐射射本本领领是是波波长长和和温温度度的的函函数数，当当波波长长一一定定时时，黑黑体体的的辐辐射射本本领领就就仅仅仅仅是是温温度度的的函函数数，这这就就是是单单色色辐辐射射式式测测温温和和比比色测温色测温的理论依据。的理论依据。本讲稿第十

20、四页，共五十七页 3)3)斯蒂芬斯蒂芬-玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律(全辐射强度定律，也称为四次方定律全辐射强度定律，也称为四次方定律)对黑体光谱辐射出射度对黑体光谱辐射出射度M M0 0(,(,T T)式在全波长范围式在全波长范围(0(0，)积分可得：积分可得：为为 黑黑 体体 辐辐 射射 常常 数数 或或 称称 斯斯 蒂蒂 芬芬-玻玻 尔尔 兹兹 曼曼 常常 数数，=5.6696110=5.6696110-3-3W/(mW/(m2 2K K4 4)。斯斯蒂蒂芬芬-玻玻尔尔兹兹曼曼定定律律指指出出：温温度度为为T T的的绝绝对对黑黑体体，单单位位面面积积元元在在半半球球方方向向所所发发射射的的全

21、全部部波波长长的的辐辐射射出出射射度度与与温温度度T T的的四四次次方方成成正正比比。上式就是上式就是全辐射式测温全辐射式测温的理论依据。的理论依据。本讲稿第十五页，共五十七页10.2 10.2 红外传感器红外传感器 红红外外传传感感器器是是将将红红外外辐辐射射能能量量的的变变化化转转换换为为电电量量变变化化的的一一种种传传感感器器，也也常常称称为为红红外外探探测测器器。它它是是红红外外探探测测系系统统的的核核心心，它它的的性性能能好好坏坏，将将直直接接影影响响系系统统性性能能的的优优劣劣。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器，对于红外探测系统是十分重要的。感器，对于红外

22、探测系统是十分重要的。按探测机理的不同，红外传感器分为按探测机理的不同，红外传感器分为热传感器热传感器和和光子传感器光子传感器两大类。两大类。本讲稿第十六页，共五十七页 红红外外光光子子传传感感器器的的工工作作原原理理是是基基于于光光电电效效应应。其其主主要要特特点点是是灵灵敏敏度度高高，响响应应速速度度快快，响响应应频频率率高高。但但红红外外光光子子传传感感器器一一般般需需在在低低温温下下才才能能工工作作，故故需需要要配配备备液液氦氦、液液氮氮制制冷冷设设备备。此此外外，光光子子传传感感器有确定的响应波长范围，探测波段较窄。器有确定的响应波长范围，探测波段较窄。红红外外热热传传感感器器的的工

23、工作作是是利利用用辐辐射射热热效效应应。探探测测器器件件接接收收辐辐射射能能后后引引起起温温度度升升高高，再再由由接接触触型型测测温温元元件件测测量量温温度度改改变变量量，从从而而输输出出电电信信号号。与与光光子子传传感感器器相相比比，热热传传感感器器的的探探测测率率比比光光子子传传感感器器的的峰峰值值探探测测率率低低，响响应应速速度度也也慢慢得得多多。但但热热传传感感器器光光谱谱响响应应宽宽而而且且平平坦坦，响响应应范范围围可可扩扩展展到整个红外区域，并且在常温下就能工作，使用方便，应用仍相当广泛。到整个红外区域，并且在常温下就能工作，使用方便，应用仍相当广泛。10.2.1 10.2.1 红

24、外光子传感器红外光子传感器 红红外外光光子子传传感感器器是是利利用用某某些些半半导导体体材材料料在在红红外外辐辐射射的的照照射射下下，产产生生光光电电效效应应，使使材材料料的的电电学学性性质质发发生生变变化化。通通过过测测量量电电学学性性质的变化，就可以确定红外辐射的强弱。质的变化，就可以确定红外辐射的强弱。本讲稿第十七页，共五十七页 按按照照红红外外光光子子传传感感器器的的工工作作原原理理，一一般般分分为为外外光光电电效效应应和和内内光光电电效效应应传传感感器器两两种种。内内光光电电效效应应传传感感器器又又分分为为光光电电导导传传感感器器、光光生生伏伏特特(简称光伏简称光伏)传感器和传感器和

25、光磁电光磁电传感器传感器3 3种。种。(1)(1)大大部部分分外外光光电电传传感感器器只只对对可可见见光光有有响响应应。可可用用于于红红外外辐辐射射的的光光电电阴阴极极很很少少。S S-1 1(AgAg-O O-CsCs)是是一一种种。它它的的峰峰值值响响应应波波长长是是0.8 0.8 ，光光谱谱响响应应扩扩展展到到1.2 1.2 。目目前前外外光光电电效效应应探探测测器器只只用于可见光和用于可见光和近红外近红外波长范围。波长范围。(2)(2)光光电电导导探探测测器器利利用用半半导导体体作作材材料料，可可以以分分为为多多晶晶薄薄膜膜形形式式和和单单晶晶形形式式两两种种类类型型。薄薄膜膜型型的的

26、光光电电导导探探测测器器品品种种较较少少，常常用用的的只只有有PbSPbS和和PbSePbSe两两种种。PbSPbS适适用用于于1 13 3 近近红红外外附附近近的的大大气窗口。气窗口。PbSePbSe适用于适用于3 35 5 的大气窗口。的大气窗口。本讲稿第十八页，共五十七页 (3)(3)光光伏伏探探测测器器按按使使用用要要求求不不同同可可分分为为两两类类，一一类类是是用用作作能能量量转转换换和和光光电电控控制制，如如光光电电池池；另另一一类类是是主主要要作作为为光光电电信信号号变变换换的的光光伏伏器器件件，如如光光敏敏二二极极管管、光光敏敏晶晶体体管管、雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管、光光伏

27、伏HgCdTeHgCdTe和和PbSnTePbSnTe红外探测器。红外探测器。单单晶晶型型的的光光电电导导探探测测器器可可再再细细分分为为本本征征型型和和掺掺杂杂型型两两类类。本本征征型型中中InSbInSb是是3 35 5 区区间间最最优优良良的的探探测测器器，HgCdTeHgCdTe和和PbSnTePbSnTe探探测测器器适适用用于于8 814 14 大大气气窗窗口口。此此外外还还有有适适用用于于极极近近红红外外的的SiSi与与适用于适用于1 14 4 的的TeTe等探测器。等探测器。掺掺杂杂型型主主要要为为适适用用于于8 814 14 的的GeGeHgHg。此此外外，GeGeCuCu和和

28、GeGeCdCd虽虽能能探探测测波波长长更更长长的的红红外外辐辐射射，但但工工作作时时必必须须冷冷却却到到4 4K K，使使用用不方便。此外不方便。此外SiSi掺杂的探测器近来亦有较大的进展。掺杂的探测器近来亦有较大的进展。光光电电池池工工作作时时不不必必加加偏偏置置电电压压，材材料料都都采采用用单单晶晶。常常用用的的单单晶晶材材料料有有Si(Si(响响应应区区间间约约0.50.51.51.5微微米米)、Ge(Ge(峰峰值值响响应应波波长长约约为为1.51.5微微米米)、室室温温工工作作的的TnSb(1TnSb(13.83.8微微米米)、77K77K温温度度工工作作的的InAs(1InAs(1

29、3.53.5微微米米)、7777K K温温度度工工作作的的InSb(2InSb(25.85.8微微米米)等。等。本讲稿第十九页，共五十七页 硅硅光光敏敏二二极极管管是是一一种种常常用用光光电电探探测测器器，其其光光谱谱范范围围在在0.40.41.1 1.1 ，峰值波长为，峰值波长为0.9 0.9 ，主要用于可见光和近红外探测。，主要用于可见光和近红外探测。PbPb1-x1-xSnSnx xTeTe红红外外探探测测器器可可以以通通过过改改变变其其组组分分x x和和器器件件工工作作温温度度来来得得到到不不同同的的光光谱谱响响应应，通通常常的的工工作作温温度度可可以以有有1515 K K、7777

30、K K等等，其光谱响应范围是其光谱响应范围是8 814 14 。HgCdTeHgCdTe和和PbSnTePbSnTe除除了了有有单单元元器器件件外外，还还可可制制作作线线阵阵和和面面阵阵器器件件，它是当前红外成像系统中重要的光探测器。它是当前红外成像系统中重要的光探测器。PINPIN硅硅光光敏敏二二极极管管的的频频率率响响应应很很高高，达达吉吉赫赫(GHz)(GHz)量量级级，其其峰峰值响应波长在值响应波长在1.041.041.06 1.06 之间。之间。目目前前制制作作的的光光伏伏HgCdTeHgCdTe红红外外探探测测器器可可分分别别工工作作于于室室温温(300(300K)K)和和液液氮氮

31、(77(77K)K)温温区区，其其响响应应波波长长可可覆覆盖盖1 114 14 。工工作作于于7777K K的的HgCdTeHgCdTe工工作作波波段段为为8 814 14 ，峰峰值值响响应应波波长长为为10.6 10.6 左左右。右。本讲稿第二十页，共五十七页 (4)(4)光光磁磁电电传传感感器器的的工工作作原原理理是是光光磁磁电电效效应应，如如图图所所示示。半半导导体体的的上上表表面面吸吸收收光光子子后后在在上上表表面面产产生生的的电电子子-空空穴穴对对要要向向体体内内扩扩散散。在在扩扩散散过过程程中中，因因受受到到强强磁磁场场的的作作用用，电电子子和和空空穴穴各各偏偏向向一一侧侧，因因而

32、而产产生生电电位位差差。这这个个现现象象就就叫叫做做光光磁磁电电效效应应。利利用用这这个个效效应应测测量量红红外外辐辐射射的的探探测测器器称称为为光光磁磁电电探探测测器器。常常用的材料有用的材料有InSbInSb与与HgTeHgTe等。等。光光磁磁电电传传感感器器的的主主要要优优点点是是不不需需要要致致冷冷设设备备和和外外加加电电源源，但但灵灵敏敏度度比光导型和光伏型器件低，且需要外加强磁场。比光导型和光伏型器件低，且需要外加强磁场。本讲稿第二十一页，共五十七页 10.2.2 10.2.2 红外热传感器红外热传感器 热热探探测测器器吸吸收收红红外外辐辐射射后后温温度度升升高高，可可以以使使探探

33、测测材材料料产产生生温温差差电电动动势势、电电阻阻率率变变化化、自自发发极极化化强强度度变变化化等等，测测量量这这些些物物理理性性能能的的变变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。1.1.测辐射热电偶和热电堆测辐射热电偶和热电堆 测测辐辐射射热热电电偶偶是是利利用用温温差差电电效效应应制制成成的的红红外外探探测测器器。所所谓谓温温差差电电效效应应是是指指把把两两种种不不同同的的金金属属或或半半导导体体细细丝丝连连接接成成一一个个封封闭闭环环路路，当当一一个个接接头头吸吸收收红红外外辐辐射射因因而而它它的的温温度度高高于于另另一一个个接接头头时时，环环内

34、内就就产产生电动势，从电动势的大小可以测定接头处所吸收的红外辐射功率。生电动势，从电动势的大小可以测定接头处所吸收的红外辐射功率。若干个热电偶串接在一起就成为热电堆。若干个热电偶串接在一起就成为热电堆。本讲稿第二十二页，共五十七页 图图示示为为一一种种热热电电堆堆探探测测器器，共共有有8 8支支串串联联的的热热电电偶偶，8 8支支热热电电偶偶的的热热端端焊焊接接在在镀镀有有一一薄薄层层黑黑色色的的铂铂黑黑受受热热片片上上，热热电电偶偶的的冷冷端端焊焊在在一一个个金金属属箔箔上上，金金属属箔箔固固定定在在两两片片绝绝缘缘绝绝热热的的云云母母环环中中间间，云云母母环环固固定定有有引引出出线线，从从

35、引引出出线线上上可可以以得得到到8 8支支热热电电偶偶热热电电动动势势的的和和。这这种种热热电电堆堆能能量量损损失失小小，具具有有较较小小的的热惯性和较高的灵敏度。热惯性和较高的灵敏度。温温差差电电偶偶型型探探测测器器的的探探测测率率可可达达 ，响响应应时时间间约约303050 50 msms，目目前前生生产产的的红红外外分分光光光光度度计计大大多多采采用用温温差差电电偶型探测器作为辐射接收器。偶型探测器作为辐射接收器。本讲稿第二十三页，共五十七页 2.2.测辐射热敏电阻测辐射热敏电阻测测辐辐射射热热敏敏电电阻阻是是利利用用材材料料的的电电阻阻对对温温度度敏敏感感的的特特性性来来探探测测红红外

36、外辐辐射射的的器器件件。通通常常采采用用负负温温度度系系数数氧氧化化物物半半导导体体作作为为热热敏敏材材料料。图图示示为为测测辐辐射射热热敏敏电阻的结构示意图。电阻的结构示意图。热热敏敏电电阻阻薄薄片片的的厚厚度度约约10 10 ，形形状状呈呈方方形形或或长长方方形形，边边长长从从0.10.1mmmm到到1010mmmm，形形状状和和大大小小根根据据实实际际需需要要确确定定。电电阻阻值值一一般般在在几几百百千千欧欧到到几几兆兆欧欧之之间间，电电阻阻值值取取决决于于材材料料的的电电阻阻率率和和元元件件的的几几何何尺尺寸寸。热热敏敏电电阻阻薄薄片片的的两两端端蒸蒸镀镀电电极极并并接接引引线线，上上

37、表表面面常常涂涂有有黑黑化化层层，以以便便增增加加对对入入射射辐辐照照的的吸吸收收，吸吸收收率率可可以以达达到到90%90%左右。左右。本讲稿第二十四页，共五十七页 典典型型的的测测辐辐射射热热敏敏电电阻阻通通常常将将结结构构和和性性能能相相同同的的两两只只热热敏敏电电阻阻组组装装在在同同一一个个管管壳壳内内，如如图图所所示示。其其中中，一一只只用用来来接接收收红红外外辐辐射射能能量量，称称为为工工作作元元件件，另另一一只只被被屏屏蔽蔽起起来来不不接接收收红红外外辐辐射射能能，称称为为补补偿偿元元件件，它它能能起起温温度度补补偿偿作作用用。两两只只元元件件尽尽可可能能靠靠得得近近些些，以以便便

38、保保证证有有相相同同的的环环境境条条件件。测量电路常用电桥电路。测量电路常用电桥电路。本讲稿第二十五页，共五十七页 测测辐辐射射热热敏敏电电阻阻技技术术性性能能并并不不高高，其其探探测测率率在在调调制制频频率率小小于于3030HzHz的的低低频频区区一一般般为为 ，这这比比热热电电堆堆的的探探测测率率约约低低一一个个数数量量级级，比比热热释释电电探探测测器器低低一一个个数数量量级级以以上上。热热敏敏电电阻阻的的时时间间常常数数一一般般为为几几毫毫秒秒几几十十毫毫秒秒，远远不不如如热热释释电电探探测测器器响响应应快快。但但测测辐辐射射热热敏敏电电阻阻的的稳稳定定性性好好，又又比比较较牢牢固固，容

39、容易易与与放放大大器器匹匹配配，且且是是一一种种对对各各种种波波长长都都有有相相同同响响应应的的无无选选择择性性探探测测器器件件，在在1 115 15 的的常常用用红红外外波波段段内内响响应应度度基基本本上上与与波波长长无无关关，这这是是光光子子探探测测器器所所达达不不到到的的。目目前前热热敏敏电电阻阻在在8 814 14 波波段段应应用用很很广广，所所以以它它在在基基础础科科学学研研究究、工工业业及及空空间间技技术术等等方方面面仍仍有有相相当当数数量量的的应应用用。例例如如在在测测辐辐射射计计、热热成成象象仪仪和和工工业业生生产产的的自自动动控控制制等等若若干干装装置置中中都都可可以以使使用

40、用热热敏电阻。敏电阻。本讲稿第二十六页，共五十七页 3.3.热释电探测器热释电探测器 热热释释电电红红外外探探测测器器是是一一种种新新型型的的热热探探测测器器，它它是是利利用用某某些些材材料料的的热热释释电电效效应应探探测测辐辐射射能能量量的的器器件件。由由于于热热释释电电信信号号正正比比于于器器件件温温升升随随时时间间的的变变化化率率，而而不不像像通通常常热热探探测测器器那那样样需需要要有有个个热热平平衡衡过过程程，因因此此，热热释释电电探探测测器器的的响响应应速速度度比比其其他他热热探探测测器器快快得得多多。它它不不但但可可以以工工作作于于低低频频，而而且且能能工工作作于于高高频频，目目前

41、前最最好好的的热热释释电电探探测测器器的的探探测测率率可可以以高高达达 ，已已经经超超过过了了所所有有的的室室温温热热探探测测器器。因因而而热热释释电电探探侧侧器器不不仅仅具具有有室室温温工工作作、光光谱谱响响应应宽宽等等热热探探测测器器的的共共同同优优点点，而而且且也也是是探探测测率率最最高高、频频率率响响应应最最宽宽的的热热探探测测器器。随随着着热热释释电电探探测测器器研研究究的的不不断断深深入入和和发发展展，其其应应用用也也日日趋趋广广泛泛，不不仅仅应应用用于于光光谱谱仪仪、红红外外测测温温仪仪、热热像像仪仪和和红红外外摄摄像像管管等等方方面面，而而且且在在快快速速激激光光脉脉冲冲监监测

42、测和红外遥感技术中也得到了实际应用。和红外遥感技术中也得到了实际应用。本讲稿第二十七页，共五十七页 1)1)热释电效应热释电效应 热热释释电电探探测测器器所所用用材材料料为为热热电电晶晶体体，如如硫硫酸酸三三甘甘肽肽(TGS)(TGS)、铌铌酸酸锶钡锶钡(SBN)(SBN)、钽酸锂、铌酸锂等。、钽酸锂、铌酸锂等。热热电电晶晶体体：在在具具有有非非中中心心对对称称结结构构的的极极性性晶晶体体中中，即即使使在在外外电电场场和和应应力力均均为为零零的的情情况况下下，本本身身也也具具有有自自发发极极化化，自自发发极极化化强强度度P Ps s是是温温度度的的函函数数,即即温温度度升升高高时时，P Ps

43、s减减小小，当当温温度度高高于于居居里里温温度度时时，P Ps s=0=0。具具有有这这种种性性质质的的晶晶体体称为热电晶体。称为热电晶体。热热释释电电效效应应：由由于于自自发发极极化化，热热电电晶晶体体的的外外表表面面上上应应出出现现面面束束缚缚电电荷荷，在在垂垂直直于于P Ps s的的晶晶体体表表面面上上面面束束缚缚电电荷荷密密度度 =P Ps s。但但平平时时这这些些面面束束缚缚电电荷荷常常被被晶晶体体内内部部和和外外来来的的自自由由电电荷荷所所中中和和，因因此此晶晶体体并并不不显显出出外外电电场场。但但是是由由于于自自由由电电荷荷中中和和面面束束缚缚电电荷荷所所需需要要的的时时间间很很

44、长长，大大约约从从数数秒秒到到数数小小时时，而而晶晶体体的的自自发发极极化化的的弛弛豫豫时时间间很很短短，约约为为1010-1212s s，因因此此，当当热热电电晶晶体体温温度度以以一一定定频频率率发发生生变变化化时时，由由于于面面束束缚缚电电荷荷来来不不及及被被中中和和，晶晶体体的的自自发发极极化化强强度度或或面面束束缚缚电电荷荷密密度度 必必然然以以同同样样的的频频率率出出现现周周期期性性变变化化，并并产产生生一一个个交交变变的的电电场场。这这种种现现象象就是热释电效应。就是热释电效应。本讲稿第二十八页，共五十七页 工工作作原原理理：若若用用调调制制频频率率为为f的的红红外外辐辐射射照照射

45、射热热电电晶晶体体，则则晶晶体体温温度度、自自发发极极化化强强度度以以及及由由此此引引起起的的面面束束缚缚电电荷荷密密度度均均随随频频率率f发发生生周周期期性性变变化化。如如果果1/f小小于于自自由由电电荷荷中中和和面面束束缚缚电电荷荷所所需需要要的的时时间间，那那么么在在垂垂直直于于Ps的的两两端端面面间间产产生生交交变变开开路路电电压压。若若在在这这二二个个端端面面涂涂上上电电极极，并并通通过过负负载载连连成成闭闭合合回回路路，在在回回路路中中就就会会有有电电流流流流过过，而而且且在在负负载载的的两两端端产产生生交交变变的的信信号号电电压压。这这就就是是热热释释电电探探测测器器工工作作的的

46、基基本本原原理。理。2)2)热释电红外传感器的结构热释电红外传感器的结构本讲稿第二十九页，共五十七页热释电传感器结构示意热释电传感器结构示意 热释电传感器内部电路结构热释电传感器内部电路结构 本讲稿第三十页，共五十七页 热热释释电电传传感感器器按按其其内内部部安安装装敏敏感感元元件件数数量量的的多多少少，分分为为单单元元件件、双双元元件件、四四元元件件及及特特殊殊形形式式等等几几种种。最最常常用用的的为为双双元元件件型型，如如图图所所示示。所所谓谓双双元元件件是是指指在在一一个个传传感感器器中中有有两两个个反反相相串串联联的的敏敏感感元元件件，双双元元件件传传感感器有如下优点：器有如下优点：(

47、1)(1)当当能能量量顺顺序序地地入入射射到到两两个个元元件件上上时时，其其输输出出要要比比单单元元件件器器件件高一倍；高一倍；(2)(2)由由于于两两个个元元件件逆逆向向串串联联使使用用，对对同同时时输输入入的的能能量量会会相相互互抵抵消消，由由此此可可防防止止太太阳阳的的红红外外线线引引起起的的误误动动作；作；(3)(3)可可以以防防止止由由于于环环境境温温度度变变化化引引起的检测误差。起的检测误差。本讲稿第三十一页，共五十七页 3)3)热释电探测器的特点热释电探测器的特点(1)(1)在在室室温温下下即即可可正正常常工工作作，无无需需致冷。致冷。(2)(2)使使用用温温度度必必须须低低于于

48、热热释释电电元元件件材材料料的的居居里里点点温温度度。如如硫硫酸酸三三甘甘肽肽(TGS)(TGS)的的居居里里点点温温度度为为4949、钽钽酸酸锂锂为为660660、锆锆钛钛酸酸铅铅(PZT)(PZT)为为360360。(3)(3)对对恒恒定定辐辐照照无无响响应应。只只有有在在变变化化辐辐照照下下，产产生生温温度度变变化化过过程程中中，才才有有热热释释电电电电流流输输出出。因因此此使使用用时时必必须须用用调调制制斩斩波波器器将将入入射射辐辐照照变变换换为为交交流流信信号号，或或使使用用脉脉冲光辐射。冲光辐射。热释电传感器实物热释电传感器实物 本讲稿第三十二页，共五十七页10.3 10.3 红外

49、传感器的主要性能参数红外传感器的主要性能参数 1.1.响应率响应率 当当经经过过调调制制的的红红外外辐辐射射照照射射到到传传感感器器的的敏敏感感面面上上时时，传传感感器器的的输输出出电电压压与与输输入入红红外外辐辐射射功功率率之之比比，称称为为传传感感器器的的响响应应率，记作率，记作R R，单位为，单位为V/WV/W或或 。式式中中：U Us s为为红红外外传传感感器器的的输输出出电电压压(V)(V)；P P0 0为为入入射射到到红红外外敏敏感感元元件件单单位位面面积积上上的的功功率率(W/cm(W/cm)；A A0 0为为红红外外传传感感器器敏敏感感元元件件的的面积面积(cm(cm)。2.2

50、.时间常数时间常数 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的速速率率。输输出出信号滞后于红外辐射的时间，称为传感器的时间常数。信号滞后于红外辐射的时间，称为传感器的时间常数。本讲稿第三十三页，共五十七页时间常数：时间常数：式式中中：f fc c为为响响应应率率下下降降到到最最大大值值的的0.707(30.707(3dB)dB)时时的的调调制制频频率。率。热热传传感感器器的的热热惯惯性性和和RCRC参参数数较较大大，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更长，光子传感器的时间常数很小，一般为微秒级。或更