傳感器及實用檢測技術(shù)（第三版）紅外傳感器

紅外傳感器紅外輻射的基本知識紅外傳感器紅外測溫紅外無損檢測本章小結(jié)本章主要內(nèi)容一、紅外輻射的基本知識1.

紅外輻射2.紅外輻射術(shù)語3.

紅外幅射源紅外輻射（infraredradiation）紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。但實際上它和其它任何光線一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度，就有紅外線向周圍空間輻射。紅外線是位于可見光中紅光以外的光線，故稱為紅外線。它的波長范圍大致在0.76μm到1000μm的頻譜范圍之內(nèi)，相對應(yīng)的頻率大致在4×1014-3×1011Hz之間紅外線與可見光、紫外線、X射線、γ射線和微波、無線電波一起構(gòu)成了整個無限連續(xù)的電磁波譜。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

近紅外區(qū):770nm~1.5μm

中紅外區(qū):1.5μm

~6μm

遠紅外區(qū):6μm~40μm

極遠紅外區(qū):40μm~1000μm

注意：這里所說的遠近是指紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離。紅外輻射的物理本質(zhì)紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。實驗表明：波長在0.1—1000μm之間的電磁波被物體吸收時，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。可見，載能電磁波是熱輻射傳播的主要媒介物。紅外吸收及紅外窗口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。空氣中對稱的雙原于分子，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)。通過一海里長度的大氣透過率曲線為什么2-2.6μm、3-5μm和8-14μm這三個波段被稱為“大氣窗口”呢？“生命光波”紅外輻射術(shù)語(1)紅外輻射術(shù)語(2)紅外幅射源當物體溫度高于絕對零度時，都有紅外線向周圍空間輻射出來。根據(jù)輻射源幾何尺寸的大小和距探測器的遠近，又分為點源和面源。點源(沒有充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時現(xiàn)場的大面源叫做點源)面源(一般情況下，把充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時視場的大面輻射源叫做面源)二、紅外傳感器1.常見紅外傳感器2.紅外傳感器的性能參數(shù)3.紅外傳感器使用中應(yīng)注意的問題

紅外傳感器（infraredsensor）

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。常見紅外傳感器一、熱傳感器二、光子傳感器熱效應(yīng)光電效應(yīng)（一）熱傳感器熱傳感器是利用入射紅外輻射引起傳感器的溫度變化，進而使相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測量有關(guān)物理參數(shù)的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。熱傳感器的主要優(yōu)點是：響應(yīng)波段寬、可以在室溫下工作、使用簡單。但是，熱傳感器響應(yīng)時間較長、靈敏度較低，一般用于低頻調(diào)制的場合。熱傳感器主要類型有：熱敏電阻型、熱電偶型、高萊氣動型和熱釋電型四種。1．熱敏電阻型傳感器熱敏電阻是由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒結(jié)而成。熱敏電阻一般制成薄片狀，當紅外輻射照射在熱敏電阻片上，其溫度升高，電阻值減小。測量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射紅外輻射的強弱，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射物體的溫度。熱敏電阻型紅外傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。熱敏電阻型

紅外傳感器結(jié)構(gòu)

熱敏電阻一般制成薄片狀，當紅外輻射照射在熱敏電阻上時，其溫度升高、內(nèi)部粒子的無規(guī)律運動加劇、自由電子的數(shù)目隨溫度升高而增加、電阻減小。2．熱電偶型傳感器材料：熱電偶是由熱電功率差別較大的兩種金屬材料（如鉍/銀、銅/康銅、鉍/鉍錫合金等）構(gòu)成。原理：當紅外輻射入射到熱電偶回路的測溫接點上時，該接點溫度升高，而另一個沒有被紅外輻射輻照的接點處于較低的溫度，此時，在閉合回路中將產(chǎn)生溫差電流，同時回路中產(chǎn)生溫差電勢。溫差電勢的大小，反映了接點吸收紅外輻射的強弱。利用溫差電勢現(xiàn)象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器，因其時間常數(shù)較大，響應(yīng)時間較長，動態(tài)特性較差，調(diào)制頻率應(yīng)限制在10Hz以下。在實際應(yīng)用中，往往將幾個熱電偶串聯(lián)起來組成熱電堆來檢測紅外輻射的強弱。3·熱釋電型傳感器(pyroelectric)熱釋電型傳感器用具有熱釋電效應(yīng)的材料制作的敏感元件。熱釋電材料是一種具有自發(fā)極化特性的晶體材料。自發(fā)極化是指由于物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)在某個方向上正負電荷中心不重合而固有的極化。一般情況下，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的表面束縛電荷被吸附在晶體表面上的自由電荷所屏蔽；當溫度變化時，自發(fā)極化發(fā)生改變，從而釋放出表面吸附的部分電荷。

熱釋電型傳感器原理

當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時，引起薄片溫度升高，使其極化強度降低、表面電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫熱釋電型傳感器。將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出。輸出信號的大小，取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強弱。由此可見，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變化的速率。幾點注意當恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時，傳感器沒有電信號輸出；只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號輸出。必須對紅外輻射進行調(diào)制（或稱斬光），使恒定的輻射變成交變輻射，不斷引起傳感器的溫度變化，才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號。熱釋電型與其它熱敏型紅外探測器的根本區(qū)別：后者利用響應(yīng)元的溫度升高值來測量紅外輻射，響應(yīng)時間取決于新的平衡溫度的建立過程，時間比較長，不能測量快速變化的輻射信號；熱釋電型探測器所利用的是溫度變化率，因而能探測快速變化的輻射信號。

二、光子傳感器光子傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應(yīng)所制成的紅外傳感器，統(tǒng)稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點是：靈敏度高、響應(yīng)速度快、具有較高的響應(yīng)頻率。但一般需在低溫下工作，探測波段較窄。按照光子傳感器的工作原理，一般可分為內(nèi)光電和外光電傳感器兩種，后者又分為光電導(dǎo)傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。1．外光電傳感器(PE器件)

當光輻射照在某些材料的表面上時，若入射光的光子能量足夠大，就能使材料的電子逸出表面，向外發(fā)射出電子，這種現(xiàn)象叫外光電效應(yīng)或光電子發(fā)射效應(yīng)。光電二極管、光電倍增管等便屬于這種類型的電子傳感器。它的響應(yīng)速度比較快，一般只需幾個毫微秒。電子逸出需要較大的光子能量，只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內(nèi)使用。2．光電導(dǎo)傳感器（PC器件）當紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料表面上時，半導(dǎo)體材料中有些電子和空穴可以從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐?dǎo)電的自由狀態(tài)，使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率增加，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)現(xiàn)象。利用光電導(dǎo)現(xiàn)象制成的傳感器稱為光電導(dǎo)傳感器，如PbS、PbSe、InSb、HgCdTe等材料都可制造光電導(dǎo)傳感器。使用光電導(dǎo)傳感器時，需要制冷和加上一定的偏壓，否則會使響應(yīng)率降低、噪聲大、響應(yīng)波段窄，以致使紅外傳感器損壞。

3．光生伏特傳感器（PU器件）當紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料的pn結(jié)上時，在結(jié)內(nèi)電場的作用下，自由電子移向n區(qū)，空穴移向P區(qū)。如果pn結(jié)開路，則在pn結(jié)兩端便產(chǎn)生一個附加電勢，稱為光生電動勢。利用這個效應(yīng)制成的傳感器稱為光生伏特傳感器或pn結(jié)傳感器。常用的材料為InAs、InSb、HgCdTe、PbSnTe等幾種。二、響應(yīng)波長范圍響應(yīng)波長范圍（或稱光譜響應(yīng)）是表示傳感器的電壓響應(yīng)率與入射的紅外輻射波長之間的關(guān)系，一般用曲線表示（下頁圖）。一般將響應(yīng)率最大值所對應(yīng)的波長稱為峰值波長。把響應(yīng)率下降到響應(yīng)值的一半所對應(yīng)的波長稱為截止波長，它表示著紅外傳感器使用的波長范圍。紅外傳感器的電壓響應(yīng)率曲線曲線1：熱電傳感器的電壓響應(yīng)率曲線（與波長無關(guān)）曲線2：光子傳感器的電壓響應(yīng)率曲線峰值波長截止波長

三、噪聲等效功率

如果投射到紅外傳感器敏感元件上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓，正好等于傳感器本身的噪聲電壓，則這個輻射功率就叫做“噪聲等效功率”。通常用符號“NEP(noiseequivalentpower)”表示：其中：Us為紅外探測器的輸出電壓；P0為投射到紅外敏感元件單位面積上的功率；A0為紅外敏感元面積；UN為紅外探測器的綜合噪聲電壓；RV為紅外探測器的電壓響應(yīng)率。四、探測率探測率是噪聲等效功率的倒數(shù)，即：紅外傳感器的探測率越高，表明傳感器所能探測到的最小輻射功率越小，傳感器就越靈敏。

五、比探測率

比探測率又叫歸一化探測率，或者叫探測靈敏度。實質(zhì)上就是當傳感器的敏感元件面積為單位面積，放大器的帶寬△f為1Hz時，單位功率的輻射所獲得的信號電壓與噪聲電壓之比。通常用符號D*表示。

六、時間常數(shù)時間常數(shù)表示紅外傳感器的輸出信號隨紅外輻射變化的速率。輸出信號滯后于紅外輻射的時間，稱為傳感器的時間常數(shù)，在數(shù)值上為：

τ＝1／2πfc

式中fc為響應(yīng)率下降到最大值的0.707時的調(diào)制頻率。熱傳感器的熱慣性和RC參數(shù)較大，其時間常數(shù)大于光子傳感器，一般為毫秒級或更長；而光子傳感器的時間常數(shù)一般為微秒級。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；(3)適當調(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?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。紅外測溫紅外測溫的特點紅外測溫原理紅外測溫的特點(1)紅外測溫是遠距離和非接觸測溫，特別適合于高速運動物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測量；(2)紅外測溫反應(yīng)速度快。它不需要與物體達到熱平衡的過程。只要接收到目標的紅外輻射即可定溫。反映時間一般都在毫秒級甚至微秒級。(3)紅外測溫靈敏度高。因為物體的輻射能量與溫度的四次方成正比。物體溫度微小的變化，就會引起輻射能量成倍的變化，紅外傳感器即可迅速地檢測出來；(4)紅外測溫準確度較高。由于是非接觸測量，不會破壞物體原來溫度分布狀況，因此測出的溫度比較真實。其測量準確度可達到0.1℃以內(nèi)，甚至更??；(5)紅外測溫范圍廣泛。可測攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍。紅外測溫原理紅外測溫有幾種方法，這里只介紹全輻射測溫。全輻射測溫是測量物體所輻射出來的全波段輻射能量來決定物體的溫度。它是斯蒂芬一玻爾茲曼定律的應(yīng)用，定律表達式為：

式中：W-物體的全波輻射出射度，單位面積所發(fā)射的輻射功率；ε-物體表面的法向比輻射率；δ-斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；T-物體的絕村溫度（K）。一般物體的ε總是在0與1之間，ε=1的物體叫做黑體。

T越大，物體的輻射功率就愈大。Blackbody:完全輻射體。入射的電磁波全部被吸收，既無反射，又無透射。紅外輻射測溫儀它由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外傳感器、放大器和指示器等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式的、也可以是反射式的。透射式光學(xué)系統(tǒng)的部件是用紅外光學(xué)材料制成的。紅外測溫儀方框圖光學(xué)材料一般測量高溫（700℃以上）儀器，有用波段主要在0.76-3μm的近紅外區(qū)，可選用一般光學(xué)玻璃或石英等材料。測量中溫(100-700℃)儀器，有用波段主要在3-5μm的中紅外區(qū)，多采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學(xué)材料。測量低溫(100℃以下)儀器，有用波段主要在5-14μm的中遠紅外波段，多采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。說明一般還在鏡片表面蒸鍍紅外增透層。一方面濾掉不需要的波段，另一方面增大有用波段的透射率。調(diào)制器就是把紅外輻射調(diào)制成交變輻射的裝置。一般是用微電機帶動一個齒輪盤或等距離孔盤，通過齒輪盤或帶孔盤旋轉(zhuǎn)，切割入射輻射而使投射到紅外傳感器上的輻射信號成交變的。因為系統(tǒng)對交變信號處理比較容易，并能取得較高的信噪比。紅外無損檢測前言金屬材料焊接缺陷的無損檢測金屬鑄件內(nèi)部缺陷探測金屬材料疲勞裂紋探測前言紅外無損檢測（Non-destructivetesting）是上世紀60年代后發(fā)展起來的新技術(shù)，通過測量熱流或熱量來鑒定金屬或非金屬材料質(zhì)量、探測內(nèi)部缺陷。對于某些采用x射線、超聲波等無法探測的局部缺陷，用紅外無損檢可取得較好的效果。紅外無損檢測分主動式和被動式兩類：主動式是人為地在被測物體上注入(或移出)固定熱量，探測物體表面熱量或熱流變化規(guī)律，并以此分析判斷物體的質(zhì)量。被動式則是用物體自身的熱輻射作為輻射源，探測其輻射的強弱或分布情況，判斷物體內(nèi)部有無缺陷。1、金屬材料焊接缺陷的無損檢測

焊口表面起伏不平，采用x射線、超聲波、渦流等方法難于發(fā)現(xiàn)缺陷。而紅外無損檢測則不受表面形狀限制，能方便和快速地發(fā)現(xiàn)焊接區(qū)域的各種缺陷。焊接缺陷的無損檢測焊接缺陷的無損檢測的原理若將一交流電壓加在焊接區(qū)的兩端，在焊口上會有交流電流通過。由于電流的集膚效應(yīng)(skineffect)，靠近表面的電流密度將比下層大。由于電流的作用，焊口將產(chǎn)生一定的熱量，熱量的大小正比于材料的電阻率和電流密度的平方。在沒有缺陷的焊接區(qū)內(nèi)，電流分布是均勻的，各處產(chǎn)生的熱量大致相等，焊接區(qū)的表面溫度分布是均勻的。而存在缺陷的焊接區(qū)，由于缺陷（氣孔）的電阻很大，使這一區(qū)域損耗增加，溫度升高。應(yīng)用紅外測溫設(shè)備即可清楚地測量出熱點，由此可斷定熱點下面存在著焊接缺陷。交流電加熱的優(yōu)勢

（焊接缺陷的無損檢測）采用交流電加熱的好處是可通過改變電源頻率來控制電流的透入深度。低頻電流透入較深，對發(fā)現(xiàn)內(nèi)部深處缺陷有利；高頻電流集膚效應(yīng)強，表面溫度特性比較明顯。但表面電流密度增加后，材料可能達到飽和狀態(tài)，可變更電流沿深度方分布，使近表面產(chǎn)生的電流密度趨向均勻，給探測造成不利。2、金屬鑄件內(nèi)部缺陷探測當用紅外無損探測時，只需在鑄件內(nèi)部通以液態(tài)氟利昂冷卻，使冷卻通道內(nèi)有最好的冷卻效果，然后利用紅外熱像儀快速掃描鑄件整個表面，如果通道內(nèi)有殘余型芯或者壁厚不勻，在熱圖中即可明顯地看出。冷卻通道暢通，冷卻效果良好，熱圖上顯示出一系列