红外式传感器 ppt课件.ppt

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1、第16章红外式传感器16.1红外传感器一、　红外辐射及红外辐射源1.红外辐射红外辐射俗称红外线，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，故称红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm，红外线在电磁波谱中的位置如图所示。电磁波谱图近红外区:770~1.5×103nm中红外区:1.5×103~6×103nm远红外区:6×103~4×104nm极远红外区:4×104~1×106nm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。工程上把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外

2、、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，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。当红外线在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，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，如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，它

3、们是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段之内。16.2红外传感器红外传感器(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。一、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

4、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。常见红外传感器1、热敏电阻型红外传感器热敏电阻型红外传感器是由锰、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。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

5、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。3、高莱气动型传感器结构它有一个气室，

6、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栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。高莱气动型传感器原理高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。红外辐射通过窗口入射到吸收膜上,吸收膜将吸收的热能传给气体．使气体温度升高．气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光

7、栏投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时．栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变．这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间长，结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。4、热释电型传感器热释电型传感器是一种具有极化现象（见P137）的热晶体或称“铁电体”。铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低、表面电荷减少，这相当

8、于释放一部分电荷，所以叫热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。几点注意当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并