而傳感器是自動控制中的重要組成部件，是信息采集系統(tǒng)的重要部件，通過傳感器將感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適合輸送或檢測的信號（一般為電信號），再利用計算機或者電路設(shè)備對傳感器輸出的信號進行處理從而達到自動控制的功能，由于傳感器的響應(yīng)時間一般都比較短，所以可以通過計算機系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)進行實時控制。

 

 

紅外傳感器是傳感器中常見的一類，由于紅外傳感器是檢測紅外輻射的一類傳感器，而自然界中任何物體只要其穩(wěn)定高于絕對零度都將對外輻射紅外能量，所以紅外傳感器稱為非常實用的一類傳感器，利用紅外傳感器可以設(shè)計出很多實用的傳感器模塊，如紅外測溫儀，紅外成像儀，紅外人體探測報警器，自動門控制系統(tǒng)等。

 

 

宇宙間的任何物體只要其溫度超過零度就能產(chǎn)生紅外輻射，事實上同可見光一樣，其輻射能夠進行折射和反射，這樣便產(chǎn)生了紅外技術(shù)，利用紅外光探測器因其獨有的優(yōu)越性而得到廣泛的重視，并在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。軍事上，紅外探測用于制導(dǎo)、火控跟蹤、警戒、目標偵查、武器熱瞄準器、艦船導(dǎo)航等；在民用領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用與工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、安全監(jiān)視、救災(zāi)、遙感、交通管理以及醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)等。

 

紅外傳感器定義

 

 

紅外線傳感器是用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。它是一種不可見光，其光譜位于可見光中紅色以外，所以稱紅外線。

 

工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中的位置（波段）分為：近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四個波段。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。

 

紅外傳感器的測量基礎(chǔ)原理

 

首先了解一下紅外光。紅外光是太陽光譜的一部分，紅外光的最大特點就是具有光熱效應(yīng)，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為300000Km/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。

 

 

不同的氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對于波長為1——5μm、 8——14μm區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對不同的物體是各不相同的，熱能強度也不一樣。例如，黑體（能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體）、鏡體（能全部反射紅外輻射的物體）、透明體（能全部穿透紅外輻射的物體）和灰體（能部分反射或吸收紅外輻射的物體）將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。

 

嚴格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項目的重要理論依據(jù)。

 

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。

 

紅外輻射的基本定律

 

基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。

 

地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。

 

玻耳茲曼定律：即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。

 

維恩位移定律：隨著溫度的升高，輻射最大值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動。

 

紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜，一個典型的傳感器系統(tǒng)各部分的實體分別是：

 

1、待測目標：根據(jù)待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。

 

2、大氣衰減：待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，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：它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。

 

4、輻射調(diào)制器：對來自待測目標的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。

 

5、紅外探測器：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)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出來的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

 

6、探測器制冷器：由于某些探測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)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，提高探測靈敏度。

 

7、信號處理系統(tǒng)：將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。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)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。

 

熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)）和光電磁效應(yīng)。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。

 

熱敏探測器對紅外輻射的響應(yīng)時間比光電探測器的響應(yīng)時間要長得多。前者的響應(yīng)時間一般在ms以上，而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)要冷卻。

 

紅外線傳感器的分類

 

常見紅外傳感器可分為熱傳感器和光子傳感器。

 

熱傳感器

 

熱傳感器是利用入射紅外輻射引起傳感器的溫度變化，進而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測量有關(guān)物理參數(shù)的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。

 

熱探測器的主要優(yōu)點是相應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作，使用簡單。但是，熱傳感器相應(yīng)時間較長，靈敏度較低，一般用于低頻調(diào)制的場合。

 

熱傳感器主要類型有：熱敏傳感器型，熱電偶型，高萊氣動型和熱釋放電型四種。

 

1、熱敏電阻型傳感器

 

熱敏電阻是由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒解而成的，熱敏電阻一般制成薄片狀，當紅外輻射照射在熱敏電阻上，其溫度升高，電阻值減少。測量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射的紅外輻射的強弱，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射物體的溫度。

 

2、熱電偶型傳感器

 

熱電偶是由熱電功率差別較大的兩種材料構(gòu)成。當紅外輻射到這兩種金屬材料構(gòu)成的閉合回路的接點上時，該接點溫度升高。而另一個沒有被紅外輻射輻照的接點處于較低的溫度，此時，在閉合回路中將產(chǎn)生溫差電流。同時回路中產(chǎn)生溫差電勢，溫差電勢的大小，反映了接點吸收紅外輻射的強弱。利用溫差電勢現(xiàn)象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器，因其時間常數(shù)較大，相應(yīng)時間較長，動態(tài)特性較差，調(diào)制頻率應(yīng)限制在10HZ以下。

 

3、萊氣動型傳感器

 

高萊氣動型傳感器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱。它有一個氣室，以一個小管道與一塊柔性薄片相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收模，它是低熱容量的薄膜。紅外輻射通過窗口入射到吸收模上，吸收模將吸收的熱能傳給氣體，使氣體溫度升高，氣壓增大，從而使柔鏡移動。在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光欄投射到光電管上。當柔鏡因壓力變化而移動時，柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對位移，使落到光電管上的光量發(fā)生改變，光電管的輸出信號也發(fā)生變化，這個變化量就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的特點是靈敏度高，性能穩(wěn)定。但響應(yīng)時間性長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，強度較差，只適合于實驗室內(nèi)使用。

 

4、熱釋電型傳感器

 

熱釋電型傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當紅外線輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時，引起薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出。輸出信號的大小，取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映入射的紅外輻射的強弱。由此可見，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變化的速率。當恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時，傳感器沒有電信號輸出。只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號輸出。所以，必須對紅外輻射進行調(diào)制（或稱斬光），使恒定的輻射變成交變輻射，不斷的引起傳感器的溫度變化，才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號。

 

光子傳感器

 

光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應(yīng)所制成的紅外傳感器。統(tǒng)稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率。但其一般須在低溫下工作，探測波段較窄。

 

按照光子傳感器的工作原理，一般可分為內(nèi)光電和外光電傳感器兩種，后者又分為光電導(dǎo)傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。

 

1、外光電傳感器

 

當光輻射在某些材料的表面上時，若入射光的光子能量足夠大時，就能使材料的電子逸出表面，這種現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)。光電二極管、光電倍增管等便屬于這種類型的電子傳感器。它的響應(yīng)速度比較快，一般只需幾個毫微秒。但電子逸出需要較大的光子能量，只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內(nèi)使用。

 

2、光電導(dǎo)傳感器

 

當紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時，半導(dǎo)體材料中有些電子和空穴可以從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐?dǎo)電的自由狀態(tài)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率增加，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)現(xiàn)象。利用光電導(dǎo)現(xiàn)象制成的傳感器稱為光導(dǎo)傳感器，如硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲隔汞等材料都可制光電導(dǎo)傳感器。使用光電導(dǎo)傳感器時，需要制冷和加一定的偏壓，否則會使響應(yīng)率降低，噪聲大，響應(yīng)波段窄，以致使紅外線傳感器損壞。

 

3、光生伏特傳感器

 

當紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)上時，在結(jié)內(nèi)電場的作用下，自由電子移向N區(qū)，如果PN結(jié)開路，則在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生一個附加電勢，稱為光生電動勢。利用這個效應(yīng)制成的傳感器或PN結(jié)傳感器。常用的材料為砷化銦、銻化銦、碲化汞、碲錫鉛等幾種。

 

4、光磁電傳感器

 

當紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時，半導(dǎo)體材料中有些電子和空穴將向內(nèi)部擴散，在擴散中若受強磁場的作用，電子與空穴則各偏向一方，因而產(chǎn)生開路電壓，這種現(xiàn)象稱為光磁電效應(yīng)。利用此效應(yīng)制成的紅外傳感器，叫做光磁電傳感器。

 

光磁電傳感器不需致冷，響應(yīng)波段可達7μM左右，時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快，不用加偏壓，內(nèi)阻極低，噪聲小，有良好的穩(wěn)定性和可靠性。但其靈敏度低，低噪聲前置放大器制作困難，因而影響了使用。

 

紅外傳感器結(jié)構(gòu)及測量原理

 

紅外輻射測溫儀結(jié)構(gòu)

 

它由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外傳感器、放大器和指示器等部分組成；

 

光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式的、也可以是反射式的。透射式光學(xué)系統(tǒng)的部件是用紅外光學(xué)材料制成的。

 

紅外測溫儀方框圖：

 

高溫（700℃以上）測量儀器，有用波段主要在0.76-3μm的近紅外區(qū)，可選用一般光學(xué)玻璃或石英等材料。

 

中溫（100-700℃）測量儀器，有用波段主要在3-5μm的中紅外區(qū)，多采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學(xué)材料。

 

測量低溫（100℃以下）儀器，有用波段主要在5-14μm的中遠紅外波段，多采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。

 

調(diào)制器就是把紅外輻射調(diào)制成交變輻射的裝置。一般是用微電機帶動一個齒輪盤或等距離孔盤，通過齒輪盤或帶孔盤旋轉(zhuǎn)，切割入射輻射而使投射到紅外傳感器上的輻射信號成交變的。因為系統(tǒng)對交變信號處理比較容易，并能取得較高的信噪比。

 

高萊氣動型傳感器結(jié)構(gòu)

 

它有一個氣室，以一個小管道與一塊柔性薄片相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收膜，它是低熱容量的薄膜。

 

在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光闌聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光闌投射到光電管上。

 

 

高萊氣動型傳感器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱。

 

紅外輻射通過窗口入射到吸收膜上，吸收膜將吸收的熱能傳給氣體，使氣體溫度升高氣壓增大，從而使柔鏡移動。

 

在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光闌聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光闌投射到光電管上。

 

當柔鏡因壓力變化而移動時，柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對位移，使落到光電管上的光量發(fā)生改變，光電管的輸出信號也發(fā)生改變。這個變化量就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的恃點是靈敏度高，性能穩(wěn)定。但響應(yīng)時間長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強度較差，只適合于實驗室內(nèi)使用。

 

紅外傳感器的性能參數(shù)

 

1、電壓響應(yīng)

 

 

當（經(jīng)過調(diào)制的）紅外輻射照射到傳感器的敏感面上時，傳感器的輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比，叫做傳感器的電壓響應(yīng)率，記作 RV。

 

式中：

 

US：紅外傳感器的輸出電壓

 

P0：投射到紅外敏感元件單位面積上的功率

 

A：紅外傳感器敏感元件的面積

 

2、響應(yīng)波長范圍：

 

 

曲線1：熱電傳感器的電壓響應(yīng)率曲（與波長無關(guān)）。

 

曲線2：光子傳感器的電壓響應(yīng)率曲線。

 

（1）響應(yīng)波長范圍（或稱光譜響應(yīng)）是表示傳感器的電壓響應(yīng)率與入射的紅外輻射波長之間的關(guān)系，一般用曲線表示（見上圖）。

 

（2）一般將響應(yīng)率最大值所對應(yīng)的波長稱為峰值波長。

 

（3）把響應(yīng)率下降到響應(yīng)值的一半所對應(yīng)的波長稱為截止波長，它表示著紅外傳感器使用的波長范圍。

 

3、噪聲等效功率

 

如果投射到紅外傳感器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓，正好等于傳感器本身的噪聲電壓，則這個輻射功率就叫做“噪聲等效功率”。通常用符號“NEP”表示。

 

 

其中：Us為紅外探測器的輸出電壓；P0為投射到紅外敏感元件單位面積上的功率；A0為紅外敏感元面積；UN為紅外探測器的綜合噪聲電壓；RV為紅外探測器的電壓響應(yīng)率。

 

4、探測率

 

探測率是噪聲等效功率的倒數(shù)，即：

 

 

紅外傳感器的探測率越高，表明傳感器所能探測到的最小輻射功率越小，傳感器就越靈敏。

 

5、比探測率

 

比探測率又叫歸一化探測率，或者叫探測靈敏度。實質(zhì)上就是當傳感器的敏感元件面積為單位面積，放大器的帶寬△f為1Hz時，單位功率的輻射所獲得的信號電壓與噪聲電壓之比。通常用符號D*表示。

 

D* 的物理量綱：cmHz1/2W-1 （300 K）

 

6、時間常數(shù)

 

時間常數(shù)表示紅外傳感器的輸出信號隨紅外輻射變化的速率。

 

輸出信號滯后于紅外輻射的時間，稱為傳感器的時間常數(shù)，在數(shù)值上為：

 

τ＝1／2πfc

 

式中fc為響應(yīng)率下降到最大值的0.707（3dB）時的調(diào)制頻率。

 

熱傳感器的熱慣性和RC參數(shù)較大，其時間常數(shù)大于光子傳感器，一般為毫秒級或更長；而光子傳感器的時間常數(shù)一般為微秒級。

 

紅外傳感器的應(yīng)用及前景

 

紅外傳感器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

 

1、紅外輻射計：用于輻射和光譜輻射測量。

 

2、搜索和跟蹤系統(tǒng)：用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對其運動進行跟蹤。

 

3、熱成像系統(tǒng)：能形成整個目標的紅外輻射分布圖像。

 

4、紅外測距系統(tǒng)：實現(xiàn)物體間距離的測量。（利用的是紅外線傳播時的不擴散原理，因為紅外線在穿越其它物質(zhì)時折射率很小，所以長距離的測距儀都會考慮紅外線）

 

5、通訊系統(tǒng)：紅外線通信作為無線通信的一種方式。

 

6、混合系統(tǒng)：是指以上各類系統(tǒng)中的兩個活多個組合。

 

 

紅外傳感器應(yīng)用可以用于非接觸式的溫度測量，氣體成分分析，無損探傷，熱像檢測，紅外遙感以及軍事目標的偵察、搜索、跟蹤和通信等。紅外傳感器的應(yīng)用前景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會更加廣闊。在將來的發(fā)展中，主要在紅外傳感器的性能和靈敏度將會二較大的提高。

 

發(fā)展趨勢主要有：

 

1、智能化：目前的紅外傳感器主要結(jié)合外圍設(shè)備來使用，而智能傳感器內(nèi)置微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與控制單元的雙向通信，具有小型化、數(shù)字通信、維護簡單等優(yōu)點，能夠單獨作為一個模塊獨立工作。

 

2、微型化：傳感器微型化一個必然趨勢?，F(xiàn)在應(yīng)用中，由于紅外傳感器的體積問題，導(dǎo)致其使用程度遠不如熱電隅來的好。所以紅外傳感器微型化便攜與否對其發(fā)展前途的影響是不可忽略的。

 

3、高靈敏度及高性能：在醫(yī)學(xué)上，人體體溫測試方面，紅外傳感器因測量的快速性而得到了相當?shù)膽?yīng)用，但局限于其準確度不高而沒辦法取代現(xiàn)有的體溫測量方法。因此，紅外傳感器高靈敏度及高性是其未來發(fā)展的必然趨勢。

 

 

雖然現(xiàn)階段的紅外傳感器還有很多的不足，但紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著它的巨大作用，隨著探測設(shè)備和其他部分的技術(shù)的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度，也將有更廣闊的應(yīng)用范圍。

 

 

推薦閱讀：