红外传感器-电子科技大学课件.ppt
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- 红外传感器 电子科技大学 课件
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1、 1红外传感器红外传感器 2v红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识v红外传感器红外传感器v红外测温红外测温v红外成像红外成像v红外分析仪红外分析仪v红外无损检测红外无损检测v本章小结 3红外辐射的基本知识本小节的主要内容:本小节的主要内容:1.红外辐射红外辐射2.红外辐射术语红外辐射术语3.红外幅射源红外幅射源 4红外辐射红外辐射v红外辐射俗称红外线,它是一种人眼看不见的红外辐射俗称红外线,它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其它任何光线一样,也是光线。但实际上它和其它任何光线一样,也是一种客观存在的物质。任何物体,只要它的温一种客观存在的物质。任何物体,只要它的温度高于绝对零度,就有红外线
2、向周围空间辐射。度高于绝对零度,就有红外线向周围空间辐射。v红外线是位于可见光中红光以外的光线故称红外线是位于可见光中红光以外的光线故称为红外线。它的波长范围大致在为红外线。它的波长范围大致在0.76m到到1000m的频谱范围之内。相对应的频率大致在的频谱范围之内。相对应的频率大致在41014-31011Hz之间之间v红外线与可见光、紫外线、红外线与可见光、紫外线、X射线、射线、射线和微射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱波谱。5电磁波谱图 6红外分区:在红外技术中,一般将红 外辐射分为4个区域 近近红外区红外区:770nm 1.5 m
3、中中红外区红外区:1.5 m 6m 远远红外区红外区:6m 40m 极远极远红外区红外区:40m 1000m 注意:这里所说的远近是指红外辐射在注意: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。电磁波谱中与可见光的距离。7红外辐射的物理本质v红外辐射的物理本质是热辐射红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高,辐射出。物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,红外辐射的能量就越强。研究发现来的红外线越多,红外辐射的能量就越强。研究发现,太太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的,而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内,
4、因的,而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内,因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。v实验表明:波长在实验表明:波长在0.11000m之间的电磁波被物体吸收之间的电磁波被物体吸收时,可以显著地转变为热能。可见,时,可以显著地转变为热能。可见,载能电磁波是热辐射载能电磁波是热辐射传播的主要媒介物传播的主要媒介物。8红外吸收及红外窗口v红外辐射在大气中传播时,由于大气中的气体分子、红外辐射在大气中传播时,由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用,水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用,使辐能在传输过程中逐渐衰减。空气中
5、对称的双原于使辐能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原于分子,如分子,如N2,H2,O2不吸收红外辐射,因而不会造不吸收红外辐射,因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减。成红外辐射在传输过程中衰减。v红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段,即红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段,即22.6m,35m和和814m,统称为统称为“大气窗口大气窗口”。这三个大气窗口对红外技术应用特别重要,因为一般这三个大气窗口对红外技术应用特别重要,因为一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。红外仪器都工作在这三个窗口之内。9通过一海里长度的大气透过率曲线为什么为什么2-2.6m,3-5m和和8-14m这三个波段这三
6、个波段被称为被称为“大气窗口大气窗口”呢?呢?10红外辐射术语(1)11红外辐射术语(2)12红外幅射源v当物体温度高于绝对零度时,都有红外线向周围空间当物体温度高于绝对零度时,都有红外线向周围空间辐射出来辐射出来v根据辐射源几何尺寸的大小,距探测器的远近,又分根据辐射源几何尺寸的大小,距探测器的远近,又分为点源和面源为点源和面源v点源点源(没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源点源)v面源面源(一般情况下,把充满红外光学系统瞬时视场的一般情况下,把充满红外光学系统瞬时视场的大面辐射源叫做面源大面辐射源叫做面源)13红外传感器本小节的主要内容:本小
7、节的主要内容:1.常见红外传感器常见红外传感器2.红外传感器的性能参数红外传感器的性能参数3.红外传感器使用中应注意的问题红外传感器使用中应注意的问题 14 红外传感器 红外红外传感器传感器(也称为红外也称为红外探测器探测器)是能将红是能将红外辐射能转换成电能的外辐射能转换成电能的光敏器件光敏器件,它是红外,它是红外探测系统的关键部件,其性能好坏,将直接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、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,对于红外探测系统性能良好的红外传感器,对于红外探测系统是十分重要的。是十分重要的。15常见红外传感器一、热传
8、感器一、热传感器二、光子传感器二、光子传感器热效应热效应光电效应光电效应 16一、热传感器v热传感器是利用热传感器是利用入射红外辐射入射红外辐射引起引起传感器的温度变传感器的温度变化化,进而使,进而使相关物理参数发生相应的变化相关物理参数发生相应的变化,通过测,通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。红外辐射。v热传感器的主要优点是:响应波段宽、可以在室温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、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。灵敏度
9、较低,一般用于低频调制的场合。v热传感器主要类型有:热传感器主要类型有:热敏电阻型热敏电阻型、热电偶型热电偶型、高莱气动型高莱气动型和和热释电型热释电型四种。四种。17 1热敏电阻型传感器v热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成的。的。v热敏电阻一般制成薄片状,当红外辐射照射在热敏热敏电阻一般制成薄片状,当红外辐射照射在热敏电阻片上,其温度升高,电阻值减小。测量热敏电电阻片上,其温度升高,电阻值减小。测量热敏电阻值变化的大小,即可得知入射红外辐射的强弱,阻值变化的大小,即可得知入射红外辐射的强弱,从而可以判断产生红外辐射物体的温度。从而可以判断
10、产生红外辐射物体的温度。v热敏电阻型红外传感器热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。结构如下图所示。18热敏电阻型红外传感器结构v热敏电阻型红外传感器热敏电阻型红外传感器是由锰、镍、钴的氧化是由锰、镍、钴的氧化物混台后烧结而制成。物混台后烧结而制成。v热敏电阻一般制成薄片热敏电阻一般制成薄片状,当红外辐射照射在状,当红外辐射照射在热敏电阻上时,其温度热敏电阻上时,其温度升高、内部粒子的无规升高、内部粒子的无规律运动加剧、自由电子律运动加剧、自由电子的数目随温度升高而增的数目随温度升高而增加、电阻减小。加、电阻减小。19 2热电偶型传感器v材料材料:热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料是由热电
11、功率差别较大的两种金属材料(如铋如铋/银、铜银、铜/康铜、铋康铜、铋/铋锡合金等铋锡合金等)构成。构成。v原理原理:当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时,该接: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。的强弱。v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利用温差
12、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,调制频率应限制在制频率应限制在10Hz以下。以下。v在实际应用中,往往将在实际应用中,往往将几个热电偶串联起来组成热电堆几个热电偶串联起来组成热电堆来检来检测红外辐射的强弱。测红外辐射的强弱。203高莱气动型传感器v结构结构v原理原理 21高莱气动型传感器结构v它有一个气室,以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的它有一个气室,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背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收膜,它
13、是低热容它是低热容量的薄膜。量的薄膜。v在室的另一边,一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上,经在室的另一边,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。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。22高莱气动型传感器原理v高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后,温度升高,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。体积增大的特性,来反映红外辐射的强弱。v红外辐射通过窗口入射到吸收膜上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
14、动。给气体使气体温度升高气压增大,从而使柔镜移动。v在室的另一边,一束可见光通过城状光栏聚焦在柔镜上,在室的另一边,一束可见光通过城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。上。v当柔镜因压力变化而移动时枷状图像与栅状光栏发生相当柔镜因压力变化而移动时枷状图像与栅状光栏发生相对位移,使落到对位移,使落到光电管上的光量光电管上的光量发生改变,光电管的输出发生改变,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。这种传感器的恃点是灵敏度高,性能稳定。但响
15、应时弱。这种传感器的恃点是灵敏度高,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。间长,结构复杂、强度较差,只适合于实验室内使用。234热释电型传感器v热释电型传感器是一种具有极化现象的热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称热晶体或称“铁电体铁电体”。铁电体的极化。铁电体的极化强度强度(单位面积上的电荷单位面积上的电荷)与温度有关。与温度有关。v原理原理v几点注意几点注意 24热释电型传感器原理 当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面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、上时,引起薄片温度升高,使其极化强度降低、表面电荷减
16、少,这相当于释放一部分电荷,所以表面电荷减少,这相当于释放一部分电荷,所以叫叫热释电热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄型传感器。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。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,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,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。射变化的速率。25几点注意v当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时,传感当恒定的红外辐射照射
17、在热释电传感器上时,传感器没有电信号输出。器没有电信号输出。v只有铁电体温度处于变化过程中,才有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中,才有电信号输出。v必须对红外辐射进行调制(或称斩光),使恒定的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,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,并输出交变的信号。才能导致热释电产生,并输出交变的信号。26 二、光子传感器v光子传感器光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射是利用某些半导体材料在入射光的照射下,产生下,产生光子效应,使,使材料电学性质发生变化。通。通过测量电学性质的变化,
18、可以知道红外辐射的强弱。过测量电学性质的变化,可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外传感器,统称光子传感利用光子效应所制成的红外传感器,统称光子传感器器。v光子传感器的主要特点光子传感器的主要特点是:灵敏度高、响应速度快、是:灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率。具有较高的响应频率。但一般需在低温下工作,探但一般需在低温下工作,探测波段较窄测波段较窄。v按照光子传感器的工作原理,一般可分为内光电和按照光子传感器的工作原理,一般可分为内光电和外光电传感器两种,后者又分为光电导传感器、光外光电传感器两种,后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。生伏特传感器和光磁电
19、传感器等三种。27 1外光电传感器(PE器件)当光辐射照在某些材料的表面上时,若入当光辐射照在某些材料的表面上时,若入射光的光子能量足够大,就能使材料的电子射光的光子能量足够大,就能使材料的电子选出表面,向外发射出电子,这种现象叫外选出表面,向外发射出电子,这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快,一般只需几个毫微秒。它的响应速度比较快,一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量,只适宜于但电子逸出需要较大的光子能量,只适宜于近红外辐射或可见光
20、范围内使用。近红外辐射或可见光范围内使用。282光电导传感器(PC器件)v当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时,半导当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时,半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态,使半导体的导电率增状态变为能导电的自由状态,使半导体的导电率增加,这种现象叫加,这种现象叫光电导现象光电导现象。利用光电导现象制成。利用光电导现象制成的传感器称为光电导传感器,如的传感器称为光电导传感器,如PbS、PbSe、InSb、HgCdTe等材料都可制造光电导传感器。等材料都可制造光电导传感器。v使用光电导传感器时,
21、需要使用光电导传感器时,需要制冷制冷和加上一定的偏压,和加上一定的偏压,否则会使响应率降低、噪声大、响应波段窄,以致否则会使响应率降低、噪声大、响应波段窄,以致使红外传感器损坏。使红外传感器损坏。29 3光生伏特传感器(PU器件)v当红外辐射照射在某些半导体材料的当红外辐射照射在某些半导体材料的pn结上时,结上时,在结内电场的作用下,自由电子移向在结内电场的作用下,自由电子移向n区,空穴区,空穴移向移向P区。如果区。如果pn结开路,则在结开路,则在pn结两端便产生结两端便产生一个附加电势,称为光生电动势。利用这个效应一个附加电势,称为光生电动势。利用这个效应制成的传感器称为光生伏特传感器或制成
22、的传感器称为光生伏特传感器或pn结传感器。结传感器。v常用的材料为常用的材料为InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等几种。等几种。30 4光磁电传感器(PEM器件)v当红外辐射照射在某些半导体材料的表面上时,材当红外辐射照射在某些半导体材料的表面上时,材料表面的电子和空穴将向内部扩散,在扩散中若受料表面的电子和空穴将向内部扩散,在扩散中若受强磁场的作用,电子与空穴则各偏向一边,因而产强磁场的作用,电子与空穴则各偏向一边,因而产生开路电压,这种现象称为生开路电压,这种现象称为光磁电效应光磁电效应。利用此效。利用此效应制成的红外传感器,叫做光磁电传感器。应制成的红外传感器,叫做光磁电传感
23、器。v光磁电传感器光磁电传感器不需要致冷不需要致冷,响应波段可达,响应波段可达7m左右、左右、时间常数小、响应速度快、不用加偏压、内阻极低、时间常数小、响应速度快、不用加偏压、内阻极低、噪声小、有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低、噪声小、有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低、低噪声前置放大器制作困难,因而影响了使用。低噪声前置放大器制作困难,因而影响了使用。31红外传感器的性能参数APURSV0 32二、响应波长范围v响应波长范围(或称光谱响应)是表示传感器的电响应波长范围(或称光谱响应)是表示传感器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系,一般压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系,一般
24、用曲线表示(下页图)。用曲线表示(下页图)。v一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长。一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长。v把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长,它表示着红外传感器使用的波长范围。止波长,它表示着红外传感器使用的波长范围。33红外传感器的电压响应率曲线v曲线曲线1:热电传感:热电传感器的电压响应率器的电压响应率曲线(与波长无曲线(与波长无关)关)v曲线曲线2:光子传感:光子传感器的电压响应率器的电压响应率曲线曲线 34 三、噪声等效功率VNNSRUUUAPNEP/00 如果投射到红外传感器敏感元件上的辐射功率
25、所产生的如果投射到红外传感器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压,正好等于传感器本身的噪声电压,则这个辐射功输出电压,正好等于传感器本身的噪声电压,则这个辐射功率就叫做率就叫做“噪声等效功率噪声等效功率”。通常用符号。通常用符号“NEP”表示表示其中:其中:Us为红外探测器的输出电压;为红外探测器的输出电压;P0为投射到红外敏感元件为投射到红外敏感元件单位面积上的功率;单位面积上的功率;A0为红外敏感元面积;为红外敏感元面积;UN为红外探测器的为红外探测器的综合噪声电压;综合噪声电压;RV为红外探测器的电压响应率。为红外探测器的电压响应率。35四、探测率探测率是噪声等效功率的倒数,即:探测率是
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