第八章紅外輻射與紅外探測器

1、8.1 紅外輻紅外輻射的基礎射的基礎知識知識8.1.1 紅外紅外輻射輻射紅外輻射的物理本質是熱輻射紅外輻射的物理本質是熱輻射-物體的溫度越高、輻射出來的物體的溫度越高、輻射出來的紅外線越多，輻射出的能量就越強紅外線越多，輻射出的能量就越強太陽光譜中各種單色光的熱效應從紫外光到紅外光是逐漸增大的，太陽光譜中各種單色光的熱效應從紫外光到紅外光是逐漸增大的，而且最大的熱效應出現(xiàn)有紅外輻射的頻率范圍內，因此人們又將而且最大的熱效應出現(xiàn)有紅外輻射的頻率范圍內，因此人們又將紅外輻射稱為紅外輻射稱為熱輻射熱輻射或或熱射線熱射線。大氣吸收對紅外線測量有比較大的影響大氣吸收對紅外線測量有比較大的影響8.1.2

2、紅外輻射源紅外輻射源光物體的溫度高于絕對零度時，就有紅外線向周光物體的溫度高于絕對零度時，就有紅外線向周圍空間輻射出來，只要輻射紅外線的物體就叫做圍空間輻射出來，只要輻射紅外線的物體就叫做面源：面源：將充滿紅外光學系統(tǒng)視場的輻射源叫作面源將充滿紅外光學系統(tǒng)視場的輻射源叫作面源點源：未點源：未滿紅外光學系統(tǒng)視場的小面叫作點源滿紅外光學系統(tǒng)視場的小面叫作點源8.2 紅外探測器紅外探測器熱探測器熱探測器光子探測器光子探測器8.2.1 熱探測器熱探測器主要器件可分為：主要器件可分為：熱敏電阻、熱電偶、熱釋電器件、高萊氣動熱敏電阻、熱電偶、熱釋電器件、高萊氣動型探測器型探測器響應率與波長無關，屬于無選擇

3、性探測器響應率與波長無關，屬于無選擇性探測器受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應速度比較慢受熱時間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應速度比較慢峰值探測率低峰值探測率低可在室溫下工作可在室溫下工作熱探測器與前述的各種光電探測器相比，其特點為：熱探測器與前述的各種光電探測器相比，其特點為：金屬金屬或或半導體半導體溫度系數(shù)多為正，即有光照溫度升高時，電阻增大溫度系數(shù)多為正，即有光照溫度升高時，電阻增大電阻變化量與溫度變化量成線性電阻變化量與溫度變化量成線性可用于模擬測量可用于模擬測量溫度系數(shù)是負的，即溫度系數(shù)是負的，即有光照溫度升高時，電阻減小有光照溫度升高時，電阻減小電阻變化與溫度變化非線性電阻變化與溫度變

4、化非線性-適合于有、無兩種狀態(tài)的判定適合于有、無兩種狀態(tài)的判定 機機理理不不同同T/DCeAT)T(RT0T0+TAB溫差電偶溫差電偶接觸電勢接觸電勢溫差電勢溫差電勢中間導體定律：中間導體定律：mVRLPN涂黑金箔涂黑金箔溫差電堆：溫差電堆：mV時間常數(shù)較大，被測時間常數(shù)較大，被測輻射變化頻率一般在輻射變化頻率一般在10HZ以下以下實體型：多用于測溫實體型：多用于測溫薄膜型：多用于標定各薄膜型：多用于標定各種光源、測量各種輻射種光源、測量各種輻射量特量特(a) 恒溫下恒溫下(b) 溫度變化溫度變化(C) 溫度變化時溫度變化時的等效表現(xiàn)的等效表現(xiàn)Uout熱釋熱釋電器電器件件RL極化強度過程的極化

5、強度過程的平均時間為：平均時間為：一般要求被測信一般要求被測信號的變化頻率：號的變化頻率：1f 無線紅外人體探測器無線紅外人體探測器靈敏度高，性能穩(wěn)定靈敏度高，性能穩(wěn)定但結構復雜、強度較但結構復雜、強度較差，只適合于實驗室差，只適合于實驗室使用使用8.2.2 光子探測器光子探測器光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管光敏電阻光敏電阻同質結同質結 異質結異質結 肖特基結肖特基結 雪崩管雪崩管 量子阱量子阱某些半導體表面受光照，產生電子空穴對，它某些半導體表面受光照，產生電子空穴對，它們在向體內擴散的過程中受外磁場的作用各自們在向體內擴散的過程中受外磁場的作用各自偏向一邊形成開路電壓，稱為光磁電效應

6、偏向一邊形成開路電壓，稱為光磁電效應8.3* 紅外探測器的性能參數(shù)及使用中應注意的事項紅外探測器的性能參數(shù)及使用中應注意的事項8.3.1 8.3.1 紅外探測器的性能參數(shù)紅外探測器的性能參數(shù)電壓響應率、光譜響應、等效噪聲功率、比探測率和時間常數(shù)等電壓響應率、光譜響應、等效噪聲功率、比探測率和時間常數(shù)等8.3.2 8.3.2 紅外探測器使用中應注意的問題紅外探測器使用中應注意的問題選用探測器時要注意它的工作溫度選用探測器時要注意它的工作溫度應注意調整好探測器的偏流、偏壓，使應注意調整好探測器的偏流、偏壓，使其工作在最佳工作狀態(tài)其工作在最佳工作狀態(tài)輻射源調制頻率應和探輻射源調制頻率應和探測器的響應

7、頻率相匹配測器的響應頻率相匹配探測器存放時要注意防探測器存放時要注意防潮、防振和防腐蝕潮、防振和防腐蝕了解探測器的性能指標、了解探測器的性能指標、應用范圍、和使用條件應用范圍、和使用條件8.4 紅外測溫紅外測溫8.4.1 8.4.1 紅外測溫原理紅外測溫原理40ebebTd)T ,(MM8.4.2 8.4.2 紅外測溫的特點紅外測溫的特點反應速度快反應速度快靈敏度高靈敏度高屬于非接解測溫屬于非接解測溫準確度高。可小于準確度高。可小于0.1可測攝氏負幾十度可測攝氏負幾十度幾千度的范圍幾千度的范圍8.4.3 8.4.3 熱輻射傳感器熱輻射傳感器-應用實例應用實例具有響應快具有響應快熱惰性小等優(yōu)點熱

8、惰性小等優(yōu)點主要用于腐蝕性物體及運動物體的高溫測量。測量范圍在主要用于腐蝕性物體及運動物體的高溫測量。測量范圍在4003200.由于感溫部分不與被測介質直接接觸，因此誤差由于感溫部分不與被測介質直接接觸，因此誤差較大較大最高可測溫最高可測溫度為度為200，被測物體與傳被測物體與傳感器的距離為感器的距離為10cm10cm左右，其左右，其輻射能量為輻射能量為6mW6mW只適用于近距離只適用于近距離的非接觸測量的非接觸測量如：齒輪箱齒輪的溫度，或機器內不能接觸的部件的溫度測量如：齒輪箱齒輪的溫度，或機器內不能接觸的部件的溫度測量現(xiàn)代工業(yè)、實驗室、醫(yī)療等場所的輻射量測量現(xiàn)代工業(yè)、實驗室、醫(yī)療等場所的輻

9、射量測量8.5 紅外成像紅外成像8.5.1 8.5.1 紅外成像器件紅外成像器件-光導攝像管、硅靶攝像管、熱釋電攝像管光導攝像管、硅靶攝像管、熱釋電攝像管集成紅外電荷耦合器件集成紅外電荷耦合器件-紅外紅外CCD常用的紅外焦平面陣列有：常用的紅外焦平面陣列有：PbSt 和和PbSe陣列、陣列、PtSi陣列、陣列、InSb陣列、陣列、HgCdTe陣列陣列GaAs/AlGaAs陣列、摻雜硅陣列、熱釋電探測器陣列陣列、摻雜硅陣列、熱釋電探測器陣列高爐焦平面紅外熱圖像儀高爐焦平面紅外熱圖像儀紅外熱像儀紅外熱像儀8.5.2*紅外成像紅外成像器件的應器件的應用實例一用實例一8.5.38.5.3* * 紅外分

10、析儀紅外分析儀工作依據：物質工作依據：物質的吸收特性的吸收特性很多物質在紅外部很多物質在紅外部分都有吸收帶，但分都有吸收帶，但不同的物質吸收帶不同的物質吸收帶的據體位置不相同，的據體位置不相同，所以通過測量物質所以通過測量物質在紅外波段的吸收在紅外波段的吸收位置可以確定物質位置可以確定物質的成分的成分紅外成像紅外成像器件的應器件的應用實例一用實例一8.6 紅外無損檢測紅外無損檢測采用電流加熱的方法好處是可以通過改采用電流加熱的方法好處是可以通過改變電流的變化頻率來改變探測深度變電流的變化頻率來改變探測深度頻率低：透入深頻率低：透入深頻率高：表面溫度特性比較明顯，但太高時影響測量頻率高：表面溫度

11、特性比較明顯，但太高時影響測量8.6.1 8.6.1 焊接缺陷處的無損檢測焊接缺陷處的無損檢測8.6.2 8.6.2 鑄件內部缺陷探測鑄件內部缺陷探測利用液態(tài)氟利昂冷確，然后測其圖像利用液態(tài)氟利昂冷確，然后測其圖像8.6.3 8.6.3 疲勞裂紋探測疲勞裂紋探測8.7 紅外探測在軍事上的應用紅外探測在軍事上的應用因紅外輻射具有以下特點，所以在軍事上占有重要地位因紅外輻射具有以下特點，所以在軍事上占有重要地位紅外輻射人眼不能見，所以避開敵方目視觀察。紅外輻射人眼不能見，所以避開敵方目視觀察。白天黑夜均可使用，特別適用于夜戰(zhàn)白天黑夜均可使用，特別適用于夜戰(zhàn)探測器自身不用發(fā)射光，采用被動接收系統(tǒng)，比

12、用無線電雷達或可見光探測器自身不用發(fā)射光，采用被動接收系統(tǒng)，比用無線電雷達或可見光更安全、隱蔽，不易受干擾、保密性強。更安全、隱蔽，不易受干擾、保密性強。利用目標和背景輻射的差異可較好的識別各種目標，特別可以發(fā)現(xiàn)偽裝利用目標和背景輻射的差異可較好的識別各種目標，特別可以發(fā)現(xiàn)偽裝的軍事目標，的軍事目標，分辨率比微波分辨率比微波 好，比可見光更能適應天氣條件好，比可見光更能適應天氣條件缺點是：容易受云霧的影響缺點是：容易受云霧的影響8.7.1 8.7.1 紅外偵察紅外偵察主要儀器有：紅外掃描器、紅外主要儀器有：紅外掃描器、紅外觀察儀、紅外夜視儀、紅外低溫觀察儀、紅外夜視儀、紅外低溫測溫儀測溫儀紅外夜視紅外夜視8.7