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摘要：本文主要介紹一些關(guān)于紅外傳感器的一些基本知識和工作原理，從而讓我們能夠從一定程度上了解紅外傳感器這一傳感器的種類。對于紅外傳感器的認(rèn)識，能夠幫助我們更好的利用紅外傳感器，讓我們的生活或者工作更加方便和愉快。

關(guān)鍵字：紅外輻射、傳感器、原理、用途

紅外傳感器(也稱為紅外探測器)是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏器件，它是紅外探測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞，將直接影響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，選擇合適的、性能良好的紅外傳感器，對于紅外探測系統(tǒng)是十分重要的。而作為紅外傳感器的重要組成部分，紅外輻射是不得忽略的重中之重。下面我們先介紹紅外輻射的相關(guān)知識和原理。

一、紅外輻射的工作原理簡介：

    紅外輻射是一種人眼不可見的光線，俗稱紅外線，因為它是介于可見光中紅色光和微波之間的光線。紅外線的波長范圍大致在0.76-1000μm之間，對應(yīng)的頻率大致在4×104至3×1011Hz之間，工程上通常把紅外線所占據(jù)的波段分成近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外4 個部分。

下圖是紅外線的電磁波譜圖：

    紅外分區(qū)：在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為4個區(qū)域

      (1)近紅外區(qū):     770 nm~ 1.5 μm

      (2)中紅外區(qū):    1.5 μm ~ 6μm

      (3)遠(yuǎn)紅外區(qū):     6μm ~ 40μm

      (4)極遠(yuǎn)紅外區(qū): 40μm ~ 1000μm

 注意：這里所說的遠(yuǎn)近是指紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離。

    紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度( -273 ℃)，就會向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實現(xiàn)的。 物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。 另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。

紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。 紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長的乘積，即 c =λf 。紅外輻射的強(qiáng)度及波長與物體的溫度和輻射率有關(guān)，能在任何溫度下全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體稱為黑體，能全部反射紅外輻射的物體稱為鏡體，能全部透過紅外輻射的物體稱為透明體，能部分反射或吸收紅外輻射的物體稱為灰體。自然界并不存在理想的黑體、鏡體和透明體，絕大部分物體都屬于灰體 。

二、紅外線的物理特性 ： 

①熱效應(yīng)           

②穿透云霧的能力強(qiáng)

①熱效應(yīng)及應(yīng)用：

    一切物體都在不停的輻射紅外線。物體的溫度越高，輻射的紅外線就越多。紅外線照射到物體上最明顯的效果就是產(chǎn)生熱。冬天烤火，就是因為有大量的紅外線從爐子里射到人身上，才能讓我們感覺到熱乎乎的。

    人體生病的時候，雖然外面看起來沒有什么變化，但是由于局部皮膚的溫度不正常，如果在照相機(jī)里裝上對紅外感光的膠片，給皮膚拍照再與正常人的照片對比，可以對疾病作出診斷。這種相機(jī)拍出來的照片叫熱譜圖。

     根據(jù)紅外線的熱效應(yīng)，人們還研究出了紅外線夜視儀。紅外線夜視儀在漆黑的夜晚也可以發(fā)現(xiàn)人的存在。夜間人的體溫比周圍草木或建筑的溫度高，人體輻射出來的紅外線就比他們強(qiáng)?？梢詭椭藗冊谝归g進(jìn)行觀察、搜索、瞄準(zhǔn)和駕駛車輛等。

     物體在輻射紅外線的同時，也在吸收紅外線。各種物體吸收了紅外線以后溫度就會升高。我們就可以利用紅外線的熱效應(yīng)來加熱物品。家庭用的紅外線烤箱，浴室用的暖燈，也就是浴霸等等。物體加熱可以利用紅外線烘干汽車表面的噴漆，烘干稻谷等作物。

     在醫(yī)學(xué)上，還可以利用紅外線的熱效應(yīng)進(jìn)行理療。在紅外線照射下，組織溫度升高，血流加快，物質(zhì)代謝增強(qiáng)，組織細(xì)胞活力及再生能力提高。傷口就容易痊愈。

②穿透能力強(qiáng)的應(yīng)用：

穿透云霧的能力強(qiáng)(波長較長,易于衍射) ，由于一切物體，都在不停地輻射紅外線，并且不同物體輻射紅外線的強(qiáng)度不同，利用靈敏的紅外線探測器接收物體發(fā)出的紅外線，然后用電子儀器對接到的信號進(jìn)行處理，就可以察知被測物體的形狀和特征，這種技術(shù)叫做紅外線遙感技術(shù)，可以用在衛(wèi)星上勘測地?zé)帷ふ宜?、監(jiān)測森林火情、估計農(nóng)作物的長勢和收成。還有我們每天都要關(guān)注的天氣預(yù)報，也是紅外線遙感技術(shù)。

紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中的氣體分子、水蒸汽以及固體微粒、塵埃等物質(zhì)的吸收和散射作用，使輻射能在傳輸過程中逐漸衰減?？諝庵袑ΨQ的雙原于分子，如N2、H2、O2不吸收紅外輻射，因而不會造成紅外輻射在傳輸過程中衰減。

紅外輻射在通過大氣層時被分割成三個波段，即2~2.6μm，3~5μm和8~14μm，統(tǒng)稱為“大氣窗口”。這三個大氣窗口對紅外技術(shù)應(yīng)用特別重要，因為一般紅外儀器都工作在這三個窗口之內(nèi)。

下圖為通過一海里長度的大氣透過率曲線：

    紅外線遙感在戰(zhàn)爭中，當(dāng)敵機(jī)飛進(jìn)我們的陣地時，紅外線望遠(yuǎn)鏡早就接收到了由它的發(fā)動部分—發(fā)動機(jī)輻射來的大量紅外線，紅外線在望遠(yuǎn)鏡的光電變換器中產(chǎn)生了電流，再由電流產(chǎn)生可見光。于是黑暗中的飛機(jī)在鏡中就現(xiàn)原形了。

    紅外線遙控我們每天都用到的電視遙控器也是利用了紅外線。遙控器的前段有一個紅外發(fā)光二極管，按下不同的鍵時，它可以發(fā)射不同的紅外線，來實現(xiàn)電視機(jī)的遙控。

三、下面是紅外傳感器涉及到的幾種定理，大概介紹如下：

1、基爾霍夫定律

      1860年，基爾霍夫在研究輻射傳輸?shù)倪^程中發(fā)現(xiàn)：在任一給定的溫度下，輻射通量密度和吸收系數(shù)之比，對任何材料都是常數(shù)。用一句精練的話表達(dá)，即：“好的吸收體也是好的輻射體”。

                  ER=αE0

ER——物體在單位面積和單位時間內(nèi)發(fā)射出的輻射能

 α——物體的吸收系數(shù)

E0 ——常數(shù)，其值等于黑體在相同條件下發(fā)射出的輻射能

2、斯忒藩-玻爾茲曼定律

物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多，在單位時間內(nèi)其單位面積輻射的總能量E為

          E =σεT 4

  T——物體的絕對溫度(K)

  σ——斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，σ＝5.67×10-8W/(m2·k)

  ε——比輻射率，黑體的ε＝1

3、普朗克定律

絕對溫度為T時，在單位波長內(nèi)其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量密度。不同溫度時黑體光譜輻射通量密度與波長的關(guān)系為

        Mλ=  C1λ?5 (ec2/λT?1)?1

式中Mλ為黑體對波長為λ的光譜輻射通量密度；    

C1 、C2 為普朗克輻射常數(shù)。

4、維恩位移定律

    紅外輻射的電磁波中，包含著各種波長，其峰值輻射波長λm與物體自身的絕對溫度T成反比，即

            λm＝2897/T (μm)                   

圖中虛線表示了峰值輻射波長與溫度的關(guān)系，可以看出，隨著溫度的升高其峰值波長向短

波方向移動，在溫度不太高時，峰值輻射波長位于紅外區(qū)域。

四、紅外探測器：

     紅外傳感器是利用紅外輻射實現(xiàn)相關(guān)物理量測量的一種傳感器。紅外傳感器的構(gòu)成比較簡單，它一般是由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)節(jié)電路和顯示單元等幾部分組成。其中，紅外探測器是紅外傳感器的核心器件。

（一）、紅外探測器的種類：

    紅外探測器種類很多，按探測機(jī)理的不同，通常可分為兩大類：熱探測器和光子探測器。

（1）熱探測器

     紅外線被物體吸收后將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。熱探測器正是利用了紅外輻射的這一熱效應(yīng)。當(dāng)熱探側(cè)器的敏感元件吸收紅外輻射后將引起溫度升高，使敏感元件的相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生變化，通過對這些物理參數(shù)及其變化的測量就可確定探測器所吸收的紅外輻射。

     熱探測器的主要優(yōu)點是：響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍為整個紅外區(qū)域，室溫下工作，使用方便。熱探測器主要有 4 種類型：熱敏電阻型、熱電阻型、高萊氣動型和熱釋電型。在這4 種類型的探測器中，熱釋電探測器探測效率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種傳感器發(fā)展得比較快，應(yīng)用范圍也最廣。

熱釋電探測器：

    在外加電場作用下，電介質(zhì)中的帶電粒子( 電子、原子核等) 將受到電場力的作用，總體上講，正電荷趨向于陰極、負(fù)電荷趨向于陽極，其結(jié)果使電介質(zhì)的一個表面帶正電、相對的表面帶負(fù)電，把這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的“電極化”。     

    對于大多數(shù)電介質(zhì)來說，在電壓去除后，極化狀態(tài)隨即消失，但是有一類稱為“鐵電體”的電介質(zhì)，在外加電壓去除后仍保持著極化狀態(tài)。

    一般，鐵電體的極化強(qiáng)度Ps(單位面積上的電荷) 與溫度有關(guān)，溫度升高，極化強(qiáng)度降低。溫度升高到一定程度，極化將突然消失，這個溫度被稱為居里點，在居里點以下，極化強(qiáng)度Ps是溫度的函數(shù)，利用這一關(guān)系制成的熱敏類探測器稱為熱釋電探測器。

    熱釋電探測器的構(gòu)造是把敏感元件切成薄片，在研磨成5-50μm 的極薄片后，把元件的兩個表面做成電極，類似于電容器的構(gòu)造。為了保證晶體對紅外線的吸收，有時也用黑化以的晶體或在透明電極表面涂上黑色膜。當(dāng)紅外光照射到已經(jīng)極化了的鐵電薄片上時，引起薄片溫度的升高，使其極化強(qiáng)度(單位面積上的電荷) 降低，表面的電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫熱釋電型傳感器。

    釋放的電荷可以用放大器轉(zhuǎn)變成輸出電壓。如果紅外光繼續(xù)照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值，表面電荷也就達(dá)到新的平衡濃度，不再釋放電荷，也就不再有輸出信號。 這區(qū)別于其他光電類或熱敏類探測器，這些探測器在受輻射后都將經(jīng)過一定的響應(yīng)時間到達(dá)另一個穩(wěn)定狀態(tài)，這時輸出信號最大。而熱釋電探測器則與此相反，在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號下降到零，只有在薄片溫度的升降過程中才有輸出信號。

熱釋電型傳感器常用于根據(jù)人體紅外感應(yīng)實現(xiàn)自動電燈開關(guān)、自動水龍頭開關(guān)、自動門開關(guān)等領(lǐng)域。

熱釋電紅外探測模塊（HN911）：如圖所示熱釋電紅外探測模塊（HN911）：熱點釋放傳感器，放大器。信號處理電路，延時電路，高低電平輸出電路

平時HN911的輸出端1為低電平，2為高電平。有移動發(fā)熱體進(jìn)入監(jiān)視區(qū)時，接收到紅外能量、并輸出檢測信號，經(jīng)放大、比較等最終使1斷高電平，2端為低電平。

此模塊的放大器有溫度補(bǔ)償功能，保障整個電路工作的穩(wěn)定性。

（2）光子探測器

    光子探側(cè)器型紅外傳感器是利用光子效應(yīng)進(jìn)行工作的傳感器。所謂光子效應(yīng)，是當(dāng)有紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上，紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。通過測量半導(dǎo)體材料中電子性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱。

    光子探測器主要有內(nèi)光電探測器和外光電探測器兩種，外光電探測器分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測器三種類型。半導(dǎo)體紅外傳感器廣泛的應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如紅外制導(dǎo)、響尾蛇空對空及空對地、夜視鏡等設(shè)備。

    光子探測器的主要特點是靈敏度高、響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般工作于低溫。

    光子探測器和熱探測器的主要區(qū)別是：光子探測器在吸收紅外能量后，直接產(chǎn)生電效應(yīng)；熱探測器在吸收紅外能量后，產(chǎn)生溫度變化，從而產(chǎn)生電效應(yīng)，溫度變化引起的電效應(yīng)與材料特性有關(guān)。

    光子探測器非常靈敏，其靈敏度依賴于本身溫度。要保持高靈敏度，就必須將光子探測器冷卻至較低的溫度。通常采用的冷卻劑為液氮。熱探測器一般沒有光子探測器那么高的靈敏度，但在室溫下也有足夠好的性能，因此不需要低溫冷卻，而且熱探測器的響應(yīng)頻段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個紅外區(qū)域。

五、紅外傳感器的應(yīng)用：

1、紅外線氣體分析儀：

    紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收的特性來對氣體成分進(jìn)行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，從圖中可以看出，CO氣體對波長為4.65 μm附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78 μm和4.26 μm附近以及波長大于13 μm的范圍對紅外線有較強(qiáng)的吸收能力。如分析CO氣體，則可以利用4.26 μm附近的吸收波段進(jìn)行分析。

光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3～10 μm的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測器信號的檢測。 測量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。紅外檢測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測氣體，當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后， 氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。測量時（如分析CO氣體的含量），兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測量氣室和參比氣室， 由于測量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對4.65 μm的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力， 而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器的兩個吸收氣室的紅外線光造成能量差異，使兩吸收室壓力不同，測量邊的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向， 改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。如被測氣體的濃度愈大，兩束光強(qiáng)的差值也愈大， 則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。

為了消除干擾氣體對測量結(jié)果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2在4～5 μm波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對分析CO氣體帶來影響，這種影響稱為干擾。為此在測量邊和參比邊各設(shè)置了一個封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2氣體對應(yīng)的紅外線吸收波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外能量之差只與被測氣體（如CO）的濃度有關(guān)。

2、紅外測溫儀

紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。 當(dāng)物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。

下圖為紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)：

3、量子型紅外傳感器

（1）PbS紅外光敏原件其結(jié)構(gòu)如圖所示。它仙子啊玻璃板受傷制成金電極，然后蒸鍍PbS薄膜在引出電極即可。

（2）ZnSb紅外光敏元件

     其結(jié)構(gòu)如圖所示，其結(jié)構(gòu)和具有PN結(jié)的光敏二極管相似。它把雜質(zhì)Zn等用擴(kuò)散結(jié)滲入N型半導(dǎo)體中形成P層結(jié)構(gòu)的PN結(jié)在引出引線即成。

3、高萊氣動型傳感器：

    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。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(qiáng)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(dāng)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(qiáng)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(qiáng)度較差，只適合于實驗室內(nèi)使用。

下面是幾種紅外傳感器的應(yīng)用實物圖片：

六、紅外傳感器使用中應(yīng)注意的問題：

(1)使用紅外傳感器時，必須首先注意了解它的性能指標(biāo)和應(yīng)用范圍，掌握它的使用條件；

(2)選擇傳感器時要注意它的工作溫度。一般要選擇能在室溫工作的紅外傳感器，設(shè)備簡單，使用方便，成本低廉，便于維護(hù)；

(3)適當(dāng)調(diào)整紅外傳感器的工作點。一般情況下，傳感器有一個最佳工作     點。只有工作在最佳偏流工作點時，紅外傳感器的信噪比最大。實際工 作點最好稍低于最佳工作點；

(4)選用適當(dāng)?shù)那爸梅糯笃髋c紅外傳感器相配合，以獲得最佳的探測效果；

(5)調(diào)制頻率與紅外傳感器的頻率響應(yīng)相匹配；

(6)傳感器的光學(xué)部分不能用手去摸、擦，防止損傷與沾污；

(7)傳感器存放時注意防潮、防振和防腐蝕。

七、總結(jié)

紅外傳感器在我們的生活中，尤其在社會生產(chǎn)中，有著非常重要的位置。正因為紅外傳感器的廣泛應(yīng)用，我們的生活才能夠得到巨大的豐富和改善。然而目前，我們對于在紅外傳感器上的研究開發(fā)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，未來的對于技術(shù)的要求是越來越嚴(yán)格，越來越高精度的，所以今后我們讓需要投入很大的精力和財力，去研究開發(fā)紅外傳感器這一擁有重要地位的技術(shù)產(chǎn)品。