红外传感器教材课件.ppt
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1、红外线传感器,主讲 孙召成 学号 2012031002,红外线传感器是利用物体产生红色辐射的特性实现自动检测的传感器红外线又称红外光,它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质,只要它本身具有一定的温度(高于绝对零度),都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有灵敏度高,响应快等优点。,1.1 红外线的基本知识,一、红外辐射的基本特点,1、是一种不可见光。 波长范围大致在0.751000 ,相对应频率大致在 HZ之间。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分, 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。,将各种不同的电磁波按照波长(或频率)排成如图所示的
2、波谱图,称之为电磁波谱从图中可以看出红外线属于不可见光波的范畴,波长一般在0.76600um之间称为红外区,红外区通常分为近红外0.731.5um、中红外1.510um和远红外10um以上,300um以上的区域又称为“亚毫米波”,(1)红外辐射的产生红外辐射是有物体的内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程中是物体受热而引起的,只有在绝对零度时,一切物体的分子才会停滞运动。换言之,在常温下,所有的物体都是红外辐射的发射源。红外线和所有电磁波一样,具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。他的特点是热效应最大,红外线在真空中的传播速度为30万公里/秒,而在介质中传播时,由于介质的吸收和散射作用使
3、他产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律:式中,I为通过介质时的通量;K为与介质性质有关的常数;x为介质的厚度,(2)红外辐射的性质金属对红外辐射衰减非常大,一般金属基本不能透过红外线。气体对红外辐射也有不同程度的吸收。介质不均匀、晶体材料的不纯洁、有杂质或悬浮小颗粒等都会引起对红外辐射的散射。实践证明,温度越低的物体辐射的红外线波长越长。由此在应用中根据需要有选择的接受某一定范围的波长,就可以达到测量的目的。,2.2 红外线探测器,红外线探测器即为红外线传感器,它是一种能探测红外线的器件。从近代测量技术角度来看,能把红外辐射转换成电量变化的装置,称之为红外探测器。1红外探测器的分类按其工作原理可
4、分为两类:热敏探测器和光子探测器,热敏探测器是利用红外辐射的热效应制成的,它采用热敏元件。热敏探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低,相应时间长。 热敏探测器的主要优点是响应波段宽,响应范围可扩展到整个红外区域,可以在室温下工作,使用方便,应用仍相当广泛。热敏探测器的主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器。,在外加电场作用下,电介质中的带电粒子( 电子、原子核等) 将受到电场力的作用,总体上讲,正电荷趋向于阴极、负电荷趋向于阳极,其结果使电介质的一个表面带正电、相对的表面带负电,把这种现象称为电介质的“电极化”。,对于大多数电介质来说,在电压去除后,极化状态随即消失,但是有一
5、类称为“铁电体”的电介质,在外加电压去除后仍保持着极化状态。 一般,铁电体的极化强度度Ps(单位面积上的电荷) 与温度有关,温度升高,极化强度降低。温度升高到一定程度,极化将突然消失,这个温度被称为居里点,在居里点以下,极化强度Ps是温度的函数,利用这一关系制成的热敏类探测器称为热释电探测器。,热释电探测器的构造是把敏感元件切成薄片,在研磨成成5-50m 的极薄片后,把元件的两个表面做成电极,类似于电容器的构造。为了保证晶体对红外线的吸收,有时也用黑化以的晶体或在透明电极表面涂上黑色膜。当红外光照射到已经极化了的铁电薄片上时,引起薄片温度的升高,使其极化强度(单位面积上的电荷) 降低,表面的电
6、荷减少,这相当于释放一部分电荷,所以叫热释电型传感器。,光子探测器是利用红外辐射的光电效应制成的,它采用光电元件。因此它的响应时间一般比热敏探测器的响应时间短得多。能引起光电效应的辐射存在一个最长的波长限度。由于这类探测器是以光子为单元起作用的,只要光子的能量足够,相同数目的光子基本上具有相同的效果,因此这类探测器常被称为“光子探测器”。,光子探测器只要采用光电传感器,分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电伏特元件等几类。光子探测器的主要特点是灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应频率,但探测波段较窄,一般在低温下工作。,飞利浦新开发的光子探测器,红外探测器是由光学系统、敏感元件、前置放大器和调
7、制器等组成。按光学系统的结构,红外探测器可分为透射式和反射式两类。,透射式光学系统的部件是红外光学材料制成的,根据所用的红外波长选择光学材料。一般测700以上高温用波段在0.763um的近红外区,可用一般的光学玻璃和石英的材料;测量100700的中温材料时,用波段在35um的中红外区,多数采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料;测100以下低温度时,用波段在514um的中、远红外区,多数采 用锗、硅、热压硫化锌等材料,此外还常常需要在镜片表面蒸镀外增投层,一方面滤去不需要的波段另一方面增大有波段的透过率。由于红外辐射的透射损失,一般透射系统中包含的透射在两片以上者极少见的。(2)反射式红外探测器采用
8、反射是光学系统主要是因为获得透射红外波段的光学玻璃材料比较困难,因此反射系统还可以做成大口径的镜子。但是在加工方面,反射式比投射式要困难得多。反射式光学系统是多凹面玻璃反射镜,其表面镀金、铝或镍等对红外波段反射率很高的材料。为了减小光学像差或为了使用上的方便,通常再加一次反射镜,使用目标辐射经两次反射聚焦到接收原件上。,3.3红外传感器,应用分类红外传感器按其应用可分为以下几个方面:红外辐射计,用于辐射和光谱辐射测量;搜索和跟踪系统,可用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对其运动进行跟踪热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像,如红外图像仪、多光谱扫描仪等;红外测距和通信系统混合系统,
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