第10章

輻射式傳感器

隨著波動(dòng)理論和量子物理的深入發(fā)展和工程應(yīng)用，20世紀(jì)中期以來(lái)，相繼出現(xiàn)了一類利用各種波動(dòng)特性（為不同頻率的聲波或不同波長(zhǎng)的電磁波等）實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量進(jìn)行感測(cè)的傳感技術(shù)。這類傳感技術(shù)都是將被測(cè)參量經(jīng)過(guò)某種聲波或電磁波的中介作用和一系列轉(zhuǎn)換，最后變?yōu)殡娏枯敵鰜?lái)反映被測(cè)量的。從功能上講，這與通常的傳感器是相同的；但從結(jié)構(gòu)上講，他們又不像通常的傳感器那樣，是單個(gè)器件，而是由若干個(gè)不同作用的器件集合而成。而且，這類傳感技術(shù)應(yīng)用具有顯著的特點(diǎn)：都是非接觸測(cè)量。因而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)以及海洋和空間探測(cè)等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應(yīng)用，尤其在環(huán)境惡劣、高溫、高壓、高速度和遠(yuǎn)距離測(cè)量與控制場(chǎng)合，更有其優(yōu)越性。

紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。10.1紅外輻射傳感器10.1.1紅外輻射的基本原理紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜，一個(gè)典型的傳感器系統(tǒng)各部分的實(shí)體分別是：（1）待測(cè)目標(biāo)。根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。（2）大氣衰減。待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過(guò)地球大氣層時(shí)，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。（3）光學(xué)接收器。它接收目標(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。（4）輻射調(diào)制器。對(duì)來(lái)自待測(cè)目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。10.1紅外輻射傳感器（5）紅外探測(cè)器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來(lái)的物理效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)效應(yīng)。此類探測(cè)器可分為光子探測(cè)器和熱敏感探測(cè)器兩大類型。（6）探測(cè)器制冷器。由于某些探測(cè)器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過(guò)制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高探測(cè)靈敏度。（7）信號(hào)處理系統(tǒng)。將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號(hào)中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。（8）顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測(cè)量。10.1紅外輻射傳感器10.1紅外輻射傳感器10.1.2紅外輻射的物理基礎(chǔ)

紅外輻射又稱紅外線(光)，指太陽(yáng)光中波長(zhǎng)比紅光長(zhǎng)的那部分不可見(jiàn)光。任何物體，當(dāng)其溫度高于絕對(duì)零度()時(shí)，都會(huì)向外輻射電磁波。物體的溫度越高，輻射的能量越多。現(xiàn)實(shí)世界所輻射的各種電磁波波譜很寬，可從幾微米到幾千米，包括射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線直至無(wú)線電波,見(jiàn)圖10-1。紅外輻射是其中一部分,紅外線的波長(zhǎng)為，相對(duì)應(yīng)的頻率為。圖10-1電磁波波譜

10.1紅外輻射傳感器通常根據(jù)紅外線中不同的波長(zhǎng)范圍又分為近紅外線()、中紅外線()遠(yuǎn)紅外線()三個(gè)區(qū)域，紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、干涉、吸收等性質(zhì)。它在真空(或空氣)中的傳播速度為。紅外輻射在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衰減，主要影響因素是介質(zhì)的吸收和散射作用。1.基爾霍夫定律物體向周圍發(fā)射紅外輻射能時(shí)，同時(shí)還吸收周圍物體發(fā)射的紅外輻射能，即

(10-1)2.維恩位移定律紅外輻射的電磁波中，包含著各種波長(zhǎng)其峰值輻射波長(zhǎng)與物體自身的絕對(duì)溫度成反比，即（10-2）

隨著溫度的升高，輻射最大值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。10.1紅外輻射傳感器3.斯蒂芬—波爾茲曼定律物體的溫度與輻射功率的關(guān)系由斯蒂芬—玻耳茲曼定律給出，即物體的輻射強(qiáng)度M與其熱力學(xué)溫度的4次方成正比（10-3）式中——單位面積的輻射功率（）；

——斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，等于；

——熱力學(xué)溫度（）；

——比輻射率（非黑體輻射度/黑體輻射度）。常用材料的比輻射率見(jiàn)表10-1

研究物體熱輻射的一個(gè)主要模型是黑體。黑體即為在任何溫度下能夠全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體。處于熱平衡下的理想黑體在熱力學(xué)溫度T(K)時(shí)，均勻向四面八方輻射，在單位波長(zhǎng)內(nèi)，沿半球方向上，自單位面積所輻射出的功率稱為黑體輻射通量密度，記為，單位。

10.1紅外輻射傳感器(10-4)式中——波長(zhǎng)為的黑體光譜輻射通量密度，()；——第一輻射系數(shù)，；——第二輻射系數(shù)，；——熱力學(xué)溫度()；——波長(zhǎng)()。

10.1紅外輻射傳感器表10-1比輻射率

10.1紅外輻射傳感器

普朗克定律揭示了不同溫度下黑體輻射通量按波長(zhǎng)分布的規(guī)律見(jiàn)圖10-2。

圖10-2黑體輻射通量密度對(duì)波長(zhǎng)的分布10.1紅外輻射傳感器由圖可見(jiàn)，輻射的峰值點(diǎn)隨物體的溫度降低而轉(zhuǎn)向波長(zhǎng)較長(zhǎng)的一邊，絕對(duì)溫度2000K以下的光譜曲線峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是紅外線。就是說(shuō)，低溫或常溫狀態(tài)下的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射。此性質(zhì)使紅外測(cè)試技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、宇航等各領(lǐng)域，獲得了廣泛的應(yīng)用。在運(yùn)用紅外技術(shù)時(shí)要考慮到大氣對(duì)紅外輻射的影響。物體的紅外輻射都要在大氣中進(jìn)行。不同波長(zhǎng)的紅外輻射對(duì)大氣有著不同的穿透程度，這是因?yàn)榇髿庵械囊恍┧肿尤缢羝?、二氧化碳、臭氧、甲烷、一氧化碳和水均?duì)紅外輻射存在不同程度的吸收作用。在整個(gè)紅外波段上，某些波長(zhǎng)的輻射對(duì)大氣有較好的透過(guò)作用。實(shí)驗(yàn)表明，、的紅外輻射對(duì)大氣有較好的透過(guò)效果。斯蒂芬—玻耳茲曼定律是紅外檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。

熱探測(cè)器是利用紅外輻射引起探測(cè)元件的溫度變化，進(jìn)而測(cè)定所吸收的紅外輻射量。通常有熱電偶型、熱敏電阻型、氣動(dòng)型、熱釋電型等。(1)熱電偶型

將熱電偶置于環(huán)境溫度下，將結(jié)點(diǎn)涂上黑層置于輻射中，可根據(jù)產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)來(lái)測(cè)量入射輻射功率的大小。這種熱電偶多用半導(dǎo)體測(cè)量。為了提高熱電偶探測(cè)器的探測(cè)率，通常采用熱電堆型，如圖10-3所示。其結(jié)構(gòu)由數(shù)對(duì)熱電偶以串聯(lián)形式相接，冷端彼此靠近且被分別屏蔽起來(lái)，熱端分離但相聯(lián)接構(gòu)成熱電偶，用來(lái)接收輻射能。熱電堆可由銀—鉍或錳—康銅等金屬材料制成塊狀熱電堆；也可用真空鍍膜和光刻技術(shù)，常用材料為銻和鉍。10.1紅外輻射傳感器1.熱探測(cè)器

10.1.3紅外探測(cè)器（傳感器）

紅外探測(cè)器是將輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種傳感器。按其工作原理可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器。

10.1紅外輻射傳感器(2)氣動(dòng)型

氣動(dòng)型探測(cè)器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高、體積增大的特性來(lái)反映紅外輻射的強(qiáng)弱。其結(jié)構(gòu)原理如圖10-4所示。紅外輻射通過(guò)透鏡11、紅外窗口2照射到吸收薄膜3上，此薄膜將吸收的能量傳送到氣室4內(nèi)，氣體溫度升高，氣壓增大，致使柔性鏡5膨脹。在氣室的另一邊，來(lái)自光源8的可見(jiàn)光通過(guò)透鏡12、柵狀光闌6、反射鏡9透射到光電管10上。當(dāng)柔性鏡因氣體壓力增大而移動(dòng)時(shí)，柵狀圖像與柵狀光闌發(fā)生相對(duì)位移，使落到光電管上的光量發(fā)生變化，光電管的輸出信號(hào)反映了紅外輻射的強(qiáng)弱。氣動(dòng)型探測(cè)器的光譜響應(yīng)波段很寬，從可見(jiàn)光到微波，其探測(cè)率約為，響應(yīng)時(shí)間為，一般用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，作為其他紅外器件的標(biāo)定基準(zhǔn)。

圖10-4氣動(dòng)探測(cè)器1—紅外輻射2—透紅外窗口3—吸收薄膜4—?dú)馐?—柔性鏡6—柵狀光闌7—光柵圖像

8—可見(jiàn)光源9—反射鏡10—光電管11—紅外透鏡12—光學(xué)透鏡10.1紅外輻射傳感器

(3)熱釋電型

熱釋電探測(cè)器的工作原理是基于物質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。某些晶體(如硫酸三甘鈦、鈮酸鍶鋇、鉭酸鋰()等)是具有極化現(xiàn)象的鐵電體，在適當(dāng)外電場(chǎng)作用下，這種晶體可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆驑O化單疇。在紅外輻射下，由于溫度升高，引起極化強(qiáng)度下降，即表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，此現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。通常沿某一特定方向，將熱釋電晶體切割為薄片，再在垂直于極化方向的兩端面鍍以透明電極，并用負(fù)載電阻將電極聯(lián)接。在紅外輻射下，負(fù)載電阻兩端就有信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的大小取決于晶體溫度的變化，從而反映出紅外輻射的強(qiáng)弱。通常對(duì)紅外輻射進(jìn)行調(diào)制，使恒定的輻射變成交變的輻射，不斷引起探測(cè)器的溫度變化，導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變信號(hào)。熱釋電型探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)約如下：響應(yīng)波段：探測(cè)率：響應(yīng)時(shí)間：工作溫度：熱釋電型探測(cè)器一般用于測(cè)溫儀、光譜儀及紅外攝像等。10.1紅外輻射傳感器2.光子探測(cè)器

光子探測(cè)器的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。一般有光電、光電導(dǎo)及光生伏特等探測(cè)器。制造光子探測(cè)器的材料有硫化鉛、銻化銦、碲鎘汞等。由于光子探測(cè)器是利用入射光子直接與束縛電子相互作用，所以靈敏度高、響應(yīng)速度快。又因?yàn)楣庾幽芰颗c波長(zhǎng)有關(guān)，所以光子探測(cè)器只對(duì)具有足夠能量的光子有響應(yīng)，存在著對(duì)光譜響應(yīng)的選擇性。光子探測(cè)器通常在低溫條件下工作，因此需要制冷設(shè)備。光子探測(cè)器的性能指標(biāo)一般為：響應(yīng)波段：；探測(cè)率：；響應(yīng)時(shí)間：；工作溫度：；光子探測(cè)器一般用于測(cè)溫儀、航空掃描儀、熱像儀等。1．輻射溫度計(jì)

運(yùn)用斯蒂芬一玻耳茲曼定律可進(jìn)行輻射溫度測(cè)量。圖10-5為一輻射溫度計(jì)原理圖。圖中被測(cè)物的輻射線經(jīng)物鏡聚焦在受熱板——人造黑體上，該人造黑體通常為涂黑的鉑片，吸熱后溫度升高，該溫度便被裝在受熱板上的熱敏電阻或熱電偶測(cè)到。

輻射溫度計(jì)一般用于以上的高溫測(cè)量，通常所講的紅外測(cè)溫是指低溫及紅外光范圍的測(cè)溫。

10.1紅外輻射傳感器10.1.4紅外輻射測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用2．紅外測(cè)溫儀

圖10-6為紅外測(cè)溫裝置原理框圖。圖中被測(cè)物的熱輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦在光柵盤上，經(jīng)光柵盤調(diào)制成一定頻率的光能入射到熱敏電阻傳感器上。熱敏電阻接在電橋的一個(gè)橋臂上。該信號(hào)經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為交流電信號(hào)輸出，經(jīng)放大后進(jìn)行顯示或記錄。光柵盤是兩塊扇形的光柵片，一塊為定片，另一塊為動(dòng)片。動(dòng)片受光柵調(diào)制電路控制，按一定的頻率雙向轉(zhuǎn)