红外光传感器

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1、红外光传感器红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。它已经在科技，国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。红外光传感器按其应用可以分为以下几个方面：1红外辐射计用于辐射和光谱辐射测量；2搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对其运动进行跟踪；3热成像系统，可以产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪，多光谱扫描仪等。4红外测距和通讯系统；5混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。一红外辐射基础红外辐射又称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线故称为红外线。它的波长在0.76um——1000um，红外线在电磁波谱中的位

2、置如图所示：工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外，中红外，远红外和极远红外。红外辐射的物理本质是热辐射。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线就越多，辐射的能量就越强。而且，红外线被物体吸收。可以显著的转变为热能。红外辐射和所有的电磁波一样，是一波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的波带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，N2，O2，H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，他们是2um——2.6um，3um——5um，8um

3、——14um，统称为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因为红外探测器一般都工作在这三个波段之内。二红外光传感器的工作原理与结构红外光传感器按工作原理可以分为光量子型和热电型两大类，其量子型可以直接把红外光能转换成电能，如对红外线敏感的光敏电阻和PN结型光生伏特效应器件，它们能在低温下工作，灵敏度高，响应速度快，但红外光的波长响应范围窄，可以用于遥感成像等方面。热电型吸收红外光后变成热能，使材料的温度上升，电化学特性改变，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。这类器件中应用最广泛的是红外光敏热释电效应器件。有较宽的红外波长响应范围，且价格便宜，所以备受重视，发展

4、很快，这里主要介绍热释电传感器。1热释电效应器件由物理光学可知，光照射在材料上后一部分被吸收，而且光强随着透入材料的深度而指数衰减，距表面x处的光强表示为：Y（x）=Y0e-ax式中，a是吸收系数，也称为相对衰减梯度，它与材料和光的波长有关；Y为照射到材料表面的光强。一些陶瓷材料具有自发极化的特性，而且其自发极化的大小在温度上有少许变化时候有很大的变化。在温度长时间恒定时候由自发极化产生的表面极化电荷数目一定，它吸附空气中的电荷达到平衡，并与吸附的存在于空气中的符号相反的电荷产生中和；若温度因吸收红外光而升高，则极化强度会减少，使得单位面积上的极化电荷相应减少，释放一定量的吸

5、附电荷；若与一个电阻连成回路会形成电流IS，则电阻上可产生一定的压降，这种因温度变化引起的自发极化值变化的现象称为热释电效应。如图所示：为了杀跌光照射引起的整个材料的温度易于达到热平衡，一般采用陶瓷薄片。当连续光照达到热平衡，即吸热等于放热时温度不再变化，则不再释放电荷，R上的压降就变为0，即无信号输出。因此热释电效应只能探测辐射的变化。电阻上的压降的变化表示为：ΔU=S·dp／dt·R=S·dp／dT·R·dT／dt=S·X·R·dT／dt式中，S为电极面积；dT／dt是温度对时间的变化率，即温度的变化率；dp／dT是热释电系数X（10﹣8C·cm－²·K﹣¹）。由于dT／

6、dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，可以得出输出信号U正比于红外线强度的变化。作为检测用时将热释电元件为绝缘体，R约为1012Ω，易于引入外部噪音，用场效应管进行阻抗交换和信号放大，所以一般将场效应管与输入电阻一起装入管壳内，如图所示：通常为了增加热释电元件对红外线等电磁波的吸收，在元件上表面被覆一层黑化膜。实用的热释电材料有LiTaO3,Sr0.48Ba0.52Nb2O6，PbTiO3等。传感器结构示意图：等效电路示意图：2双元型红外传感器双元型红外传感器是一种新型热释电传感器，专门用来检测人体辐射的红外线能量，目前已广泛应用于国际安全防御系统，自动控制，告警系统等。目

7、前，市场上常见的热释电传感器有国产的SD02，PH5324，日本的SCA02-1，美国的P2288等，大多数可以互换。双元型敏感元件的内部结构：SD02热释电传感器由敏感单元，场效应管，高阻抗交换管，滤光窗等组成，并在氦气环境下封装而成。此图为热释电红外传感器内部结构：（1）敏感单元敏感单元用热释电材料PZT（锆钛酸铅）制成。这种材料在外加电场撤销后，仍然保持极化状态，且极化强度随温度升高而下降。制作时先把这些材料制成很薄的薄片，再从薄片两面各引出一根电极，构成有极性的小电容。此结构由于温度的变化而输出