1、第10章辐射式传感器 随着波动理论和量子物理的深入发展和工程应用，20世纪中期以来，相继出现了一类利用各种波动特性（为不同频率的声波或不同波长的电磁波等）实现对被测量进行感测的传感技术。这类传感技术都是将被测参量经过某种声波或电磁波的中介作用和一系列转换，最后变为电量输出来反映被测量的。从功能上讲，这与通常的传感器是相同的；但从结构上讲，他们又不像通常的传感器那样，是单个器件，而是由若干个不同作用的器件集合而成。而且，这类传感技术应用具有显著的特点：都是非接触测量。因而在工农业生产、环境保护、国防、生物医学以及海洋和空间探测等领域得到越来越多的应用，尤其在环境恶劣、高温、高压、高速度和远距离测
2、量与控制场合，更有其优越性。红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。10.1 红外辐射传感器10.1.1 10.1.1 红外辐射的基本原理红外辐射的基本原理 红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分的实体分别是：（
3、1）待测目标。根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。10.1 红外辐射传感器（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来
4、的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。10.1 红外辐射传感器 10.1 红外辐射传感器 10.1.2 10.1.2 红外辐射的物理基础红外辐射
5、的物理基础 红外辐射又称红外线(光)，指太阳光中波长比红光长的那部分不可见光。任何物体，当其温度高于绝对零度()时，都会向外辐射电磁波。物体的温度越高，辐射的能量越多。现实世界所辐射的各种电磁波波谱很宽，可从几微米到几千米，包括 射线、X射线、紫外线、可见光、红外线直至无线电波,见图10-1。红外辐射是其中一部分,红外线的波长为 ，相对应的频率为 。图10-1 电磁波波谱273.15 C0.76 1000 m4114 10 3 10 Hz 10.1 红外辐射传感器 通常根据红外线中不同的波长范围又分为近红外线()、中红外线()远红外线()三个区域，红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、干涉、
6、吸收等性质。它在真空(或空气)中的传播速度为 。红外辐射在介质中传播时，会产生衰减，主要影响因素是介质的吸收和散射作用。1.1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律 物体向周围发射红外辐射能时，同时还吸收周围物体发射的红外辐射能，即 (10-1)2.2.维恩位移定律维恩位移定律 红外辐射的电磁波中，包含着各种波长其峰值辐射波长 与物体自身的绝对温度 成反比，即 （10-2）随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。0.76 2.5 m2.5 25 m251000 m83 10/m s0REE2897/mTmT 10.1 红外辐射传感器 3.3.斯蒂芬斯蒂芬波尔兹曼定律波尔兹曼定律 物体的温度
7、与辐射功率的关系由斯蒂芬玻耳兹曼定律给出，即物体的辐射强度M与其热力学温度的4次方成正比 （10-3）式中 单位面积的辐射功率（）；斯蒂芬波尔兹曼常数，等于 ；热力学温度（）；比辐射率（非黑体辐射度/黑体辐射度）。常用材料的比辐射率见表10-1 研究物体热辐射的一个主要模型是黑体。黑体即为在任何温度下能够全部吸收任何波长的辐射的物体。处于热平衡下的理想黑体在热力学温度T(K)时，均匀向四面八方辐射，在单位波长内，沿半球方向上，自单位面积所辐射出的功率称为黑体辐射通量密度，记为 ，单位 。4MTM2W m8245.67 10 W mKTKM2Wmm 10.1 红外辐射传感器 (10-4)式中 波
8、长为的黑体光谱辐射通量密度，()；第一辐射系数，；第二辐射系数，；热力学温度()；波长()。21/5(1)CTCMeM2Wmm1C16213.7415 10CW m2C221.4388 10Cm KTKm 10.1 红外辐射传感器表 10-1 比辐射率 10.1 红外辐射传感器 普朗克定律揭示了不同温度下黑体辐射通量按波长分布的规律见图10-2。图10-2 黑体辐射通量密度对波长的分布 10.1 红外辐射传感器 由图可见，辐射的峰值点随物体的温度降低而转向波长较长的一边，绝对温度2000K以下的光谱曲线峰值点所对应的波长是红外线。就是说，低温或常温状态下的物体都会产生红外辐射。此性质使红外测试
9、技术在工业、农业、军事、宇航等各领域，获得了广泛的应用。在运用红外技术时要考虑到大气对红外辐射的影响。物体的红外辐射都要在大气中进行。不同波长的红外辐射对大气有着不同的穿透程度，这是因为大气中的一些水分子如水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷、一氧化碳和水均对红外辐射存在不同程度的吸收作用。在整个红外波段上，某些波长的辐射对大气有较好的透过作用。实验表明，、的红外辐射对大气有较好的透过效果。斯蒂芬玻耳兹曼定律是红外检测技术应用的理论基础。1 2.5 m3 5 m 热探测器是利用红外辐射引起探测元件的温度变化，进而测定所吸收的红外辐射量。通常有热电偶型、热敏电阻型、气动型、热释电型等。(1)(1)热电偶
10、型热电偶型 将热电偶置于环境温度下，将结点涂上黑层置于辐射中，可根据产生的热电动势来测量入射辐射功率的大小。这种热电偶多用半导体测量。为了提高热电偶探测器的探测率，通常采用热电堆型，如图10-3所示。其结构由数对热电偶以串联形式相接，冷端彼此靠近且被分别屏蔽起来，热端分离但相联接构成热电偶，用来接收辐射能。热电堆可由银铋或锰康铜等金属材料制成块状热电堆；也可用真空镀膜和光刻技术，常用材料为锑和铋。10.1 红外辐射传感器 1.1.热探测器热探测器 10.1.3 10.1.3 红外探测器（传感器）红外探测器（传感器）红外探测器是将辐射能转换成电能的一种传感器。按其工作原理可分为热探测器和光子探测
11、器。10.1 红外辐射传感器 (2)(2)气动型气动型 气动型探测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。其结构原理如图10-4所示。红外辐射通过透镜11、红外窗口2照射到吸收薄膜3上，此薄膜将吸收的能量传送到气室4内，气体温度升高，气压增大，致使柔性镜5膨胀。在气室的另一边，来自光源8的可见光通过透镜12、栅状光阑6、反射镜9透射到光电管10上。当柔性镜因气体压力增大而移动时，栅状图像与栅状光阑发生相对位移，使落到光电管上的光量发生变化，光电管的输出信号反映了红外辐射的强弱。气动型探测器的光谱响应波段很宽，从可见光到微波，其探测率约为 ，响应时间为 ，一般用
12、于实验室内，作为其他红外器件的标定基准。图10-4 气动探测器1红外辐射 2透红外窗口 3吸收薄膜 4气室 5柔性镜 6栅状光阑 7光栅图像 8可见光源 9反射镜 10光电管 11红外透镜 12光学透镜101/211 10 cm HzW15ms 10.1 红外辐射传感器 (3)(3)热释电型热释电型 热释电探测器的工作原理是基于物质的热释电效应。某些晶体(如硫酸三甘钛、铌酸锶钡、钽酸锂()等)是具有极化现象的铁电体，在适当外电场作用下，这种晶体可以转变为均匀极化单畴。在红外辐射下，由于温度升高，引起极化强度下降，即表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，此现象被称为热释电效应。通常沿某一特定方向
13、，将热释电晶体切割为薄片，再在垂直于极化方向的两端面镀以透明电极，并用负载电阻将电极联接。在红外辐射下，负载电阻两端就有信号输出。输出信号的大小取决于晶体温度的变化，从而反映出红外辐射的强弱。通常对红外辐射进行调制，使恒定的辐射变成交变的辐射，不断引起探测器的温度变化，导致热释电产生，并输出交变信号。热释电型探测器的技术指标约如下：响应波段：探测率：响应时间：工作温度：热释电型探测器一般用于测温仪、光谱仪及红外摄像等。3LiTaO138 m21/21(3 5)10 cm HzW210300K 10.1 红外辐射传感器 2.2.光子探测器光子探测器 光子探测器的工作原理是基于半导体材料的光电效应
14、。一般有光电、光电导及光生伏特等探测器。制造光子探测器的材料有硫化铅、锑化铟、碲镉汞等。由于光子探测器是利用入射光子直接与束缚电子相互作用，所以灵敏度高、响应速度快。又因为光子能量与波长有关，所以光子探测器只对具有足够能量的光子有响应，存在着对光谱响应的选择性。光子探测器通常在低温条件下工作，因此需要制冷设备。光子探测器的性能指标一般为：响应波段：；探测率：；响应时间：；工作温度：；光子探测器一般用于测温仪、航空扫描仪、热像仪等。2 4 m101/21(0.1 5)10 cm HzW510 s70 300K 1 1辐射温度计辐射温度计 运用斯蒂芬一玻耳兹曼定律可进行辐射温度测量。图10-5为一
15、辐射温度计原理图。图中被测物的辐射线经物镜聚焦在受热板人造黑体上，该人造黑体通常为涂黑的铂片，吸热后温度升高，该温度便被装在受热板上的热敏电阻或热电偶测到。辐射温度计一般用于 以上的高温测量，通常所讲的红外测温是指低温及红外光范围的测温。10.1 红外辐射传感器800oC10.1.4 10.1.4 红外辐射测试技术的应用红外辐射测试技术的应用 2 2红外测温仪红外测温仪 图10-6为红外测温装置原理框图。图中被测物的热辐射经光学系统聚焦在光栅盘上，经光栅盘调制成一定频率的光能入射到热敏电阻传感器上。热敏电阻接在电桥的一个桥臂上。该信号经电桥转换为交流电信号输出，经放大后进行显示或记录。光栅盘是
16、两块扇形的光栅片，一块为定片，另一块为动片。动片受光栅调制电路控制，按一定的频率双向转动，实现开(光通过)、关(光不通过)，将入射光调制成具有一定频率的辐射信号作用于光敏传感器上。这种红外测温装置的测温范围为 ，时间常数为10.1 红外辐射传感器0 700oC4 8ms3 3红外热像仪红外热像仪 红外热像仪的工作原理如图10-7所示，热像仪的光学系统将辐射线收集起来，经过滤波处理之后，将景物热图像聚焦在探测器上。光学机械扫描镜包括两个扫描镜组，一个垂直扫描，一个水平扫描，扫描器位于光学系统和探测器之间。通过扫描器摆动实现对景物进行逐点扫描的目的，从而收集到物体温度的空间分布情况。然后由探测器将光学系统逐点扫描所依次搜集的景物温度空间分布信息，变换为按时间排列的电信号，经过信号处理之后，由显示器显示出可见图像。10.1 红外辐射传感器 10.1 红外辐射传感器 红外热像仪无需外部红外光源，使用方便，能精确地摄取反映被测物温差信息的热图像，因而已称为红外技术的一个重要发展方向。红外热像仪及红外热成像技术在工业上已获得广泛应用。如对机器工作中因温升对零部件产生热变形的检测、电子电路的热分布检测、超音速风洞中的温度检测等等。热像技术还被广泛用于无损检测的探查。对不同的材料如金属、陶瓷、塑料、多层纤维板等的裂痕、气孔、异质、截面异变等缺陷均可方便地探查。
