《傳感器原理及應(yīng)用》課件1第11章

11.1紅外輻射原理及傳感器類別11.2紅外傳感器的應(yīng)用11.3紅外氣體傳感器思考題第11章紅外傳感器

11.1紅外輻射原理及傳感器類別

最近幾十年紅外技術(shù)隨著它在科技、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用而迅速發(fā)展成一門新興技術(shù)。11.1.1紅外輻射的基本知識(shí)

1.紅外輻射

紅外輻射俗稱紅外線，是位于可見光中紅色光外的光線。它是一種人眼看不見的光線。但實(shí)際上它和其他任何光線一樣，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(duì)零度，就有紅外線向周圍空間輻射。

紅外線的波長范圍大致為0.76~1000μm。紅外線與可見光、紫外線、x射線、微波、無線電一起構(gòu)成了整個(gè)無限連續(xù)的電磁波譜，如圖11-1所示。圖11-1電磁波譜圖在紅外技術(shù)中，一般將紅外輻射分為四個(gè)區(qū)域，即近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠(yuǎn)紅外區(qū)和極遠(yuǎn)紅外區(qū)。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。

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的，物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射能量就越強(qiáng)。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(shí)驗(yàn)表明，波長在0.1~1000μm之間的電磁波被物體吸收時(shí)，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在真空中的傳播速度等于波的頻率與波長的乘積，即等于光在真空中的傳播速度。

c=lf

(11-1)

式中，l——紅外輻射的波長(μm)；

f——紅外輻射的頻率(Hz)；

c——光在真空中的傳播速度，c=3×108m/s。紅外輻射在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，且由于大氣中的氣體分子、水蒸氣以及固體微粒、塵埃等物質(zhì)的吸收和散射作用，輻能在傳輸過程中逐漸衰減。空氣中對(duì)稱的雙原子分子，如N2、H2、O2等不吸收紅外輻射，因而不會(huì)造成紅外輻射在傳輸過程中的衰減。圖11-2為紅外光經(jīng)過一海里長度的大氣透過率曲線。紅外線在通過大氣層時(shí)有三個(gè)波段透過率高，它們是2~2.6μm、3~5μm和8~14μm，統(tǒng)稱為“大氣窗口”。這三個(gè)大氣窗口對(duì)紅外技術(shù)應(yīng)用特別重要，因?yàn)橐话慵t外探測儀都工作在這三個(gè)波段之內(nèi)。圖11-2紅外光經(jīng)過一海里長度的大氣透過率曲線

2.紅外輻射源

根據(jù)紅外輻射源幾何尺寸的大小以及距探測器的遠(yuǎn)近，可將其分為點(diǎn)源和面源。但同一個(gè)輻射源在不同的場合，既可以是點(diǎn)源，又可以是面源。一般情況下，把充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬

時(shí)視場的大面積輻射源叫做面源，而將沒有充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時(shí)視場的大面積輻射源叫做點(diǎn)源。

理想的點(diǎn)源被認(rèn)為是沒有面積的幾何點(diǎn)，如圖11-3所示。其輻射強(qiáng)度J是點(diǎn)源在某一指定方向、單位立體角內(nèi)發(fā)射的輻射功率。點(diǎn)源的輻射強(qiáng)度J僅與方向有關(guān)，而與源面積無關(guān)。圖11-3點(diǎn)源在圖11-3中，設(shè)點(diǎn)源的輻射強(qiáng)度為J，它與被照面上X處的圓面積dA的距離為l，圓面積dA的法線n與l的夾角為θ，則dA接收到的輻射功率為

(11-2)

故點(diǎn)源在被照面上所產(chǎn)生的輻照度與點(diǎn)源輻射強(qiáng)度和被照面法線的夾角的余弦的積成正比，與它們之間距離的平方成反比。

對(duì)于面源，它的輻射強(qiáng)度與被照面在面源表面上的位置、方向及面源的面積有關(guān)。11.1.2紅外傳感器

紅外傳感器(也稱為紅外探測器)按工作原理分為熱電型傳感器和光子傳感器。其目的都是將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電能從而進(jìn)行檢測，其中的光敏器件是紅外探測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其

性能的好壞，將直接影響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，紅外探測系統(tǒng)的重點(diǎn)是選擇合適的、性能良好的紅外傳感器。

1.熱傳感器

熱傳感器的工作原理是入射紅外輻射會(huì)引起傳感器的溫度變化，進(jìn)而引起有關(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)的變化就可以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(diǎn)是使用簡單，在室溫下就可工作。但是，熱傳感器響應(yīng)時(shí)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(dòng)型和熱釋電型四種。

1)熱敏電阻型傳感器

熱敏電阻一般制成薄片狀，是由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒結(jié)而成的。當(dāng)紅外輻射照射在熱敏電阻上時(shí)，其溫度升高，電阻值減小。測量熱敏電阻值變化的大小，即可得知入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射的物體的溫度。熱敏電阻型紅外傳感器的結(jié)構(gòu)如圖11-4所示。圖11-4熱敏電阻型紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

2)熱電偶型傳感器

利用溫差電勢現(xiàn)象反映接點(diǎn)吸收紅外輻射強(qiáng)弱的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器。熱電偶型傳感器因其時(shí)間常數(shù)較大，響應(yīng)時(shí)間較長，動(dòng)態(tài)特性較差，調(diào)制頻率應(yīng)限制在10Hz以下，故應(yīng)用范圍有所限制。

3)高萊氣動(dòng)型傳感器

高萊氣動(dòng)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)弱的。其結(jié)構(gòu)原理如圖11-5所示。它有一個(gè)氣室，氣室的前面附有吸收薄膜，它是低熱容量的薄膜。氣室的后方以一個(gè)小管道與一塊柔性薄片相連(柔鏡)。薄片背向管道的一面是反射鏡。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(dòng)。在室的另一邊，一束可見光通過光柵聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過光柵投射到光電管上。當(dāng)柔鏡因壓力變化而移動(dòng)時(shí)，柵狀圖像與光柵發(fā)生相對(duì)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(hào)也發(fā)生改變，這個(gè)變化量就反映出入射紅外輻射的強(qiáng)弱。這種傳感器的特點(diǎn)是靈敏度高，性能穩(wěn)定，但缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。圖11-5氣動(dòng)探測器的結(jié)構(gòu)

4)熱釋電型傳感器

熱釋電型傳感器是由一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱“鐵電體”組成。鐵電體的極化強(qiáng)度(單位面積上的電荷)與溫度有關(guān)。在溫度長時(shí)間恒定時(shí)，極化產(chǎn)生的表面極化電荷數(shù)目一定。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)，引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷。若與電阻連成回路會(huì)形成電流，在電阻上產(chǎn)生壓降。這種由于溫度變化引起極化值變化的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。如圖11-6所示。圖11-6熱釋電效應(yīng)原理示意圖熱釋電型傳感器就是將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的大小決定薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)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。當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時(shí)，傳感器沒有電信號(hào)輸出。只有當(dāng)鐵電體溫度處于變化過程中時(shí)，才有電信號(hào)輸出。所以，必須對(duì)紅外輻射進(jìn)行調(diào)制(稱為斬光)，使恒定的輻射變成交變輻射，不斷地使傳感器的溫度發(fā)生變化，才能導(dǎo)致熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號(hào)。如圖11-7所示為熱釋電效應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。作為檢測用的熱釋電元件粘在特殊導(dǎo)電性支持臺(tái)上，并和場效應(yīng)管連接進(jìn)行阻抗交換和信號(hào)放大。外部用透紅外線的單晶硅窗的金屬殼封裝。圖11-7熱釋電效應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)

2.光子傳感器

光子傳感器的工作原理是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下將產(chǎn)生光電效應(yīng)，使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化，就能知道紅外輻射的強(qiáng)弱。

按照光子傳感器的工作原理，可將其分為內(nèi)光電傳感器和外光電傳感器兩種。外光電傳感器又分為光電導(dǎo)傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。

1)內(nèi)光電傳感器

內(nèi)光電效應(yīng)概念見第8章，在內(nèi)光電效應(yīng)的基礎(chǔ)上研制、開發(fā)出來的光電傳感器稱為內(nèi)光電傳感器。如現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的太陽能電池和各種以光敏元件為基礎(chǔ)的探測器等。

2)外光電傳感器

如光電二極管、光電倍增管等組成的電子傳感器就是外光電傳感器。這類傳感器的響應(yīng)速度比較快，但電子逸出需要較大的光子能量，只適宜在近紅外輻射或可見光范圍內(nèi)使用。

(1)光電導(dǎo)傳感器。某些半導(dǎo)體材料表面，當(dāng)紅外輻射照射時(shí)，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，利用該現(xiàn)象制成的傳感器稱為光電導(dǎo)傳感器，如硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、銻化銦(InSb)等材料都可制造光電導(dǎo)傳感器。使用光電導(dǎo)傳感器時(shí)，需要制冷和加上一定的偏壓，否則會(huì)使響應(yīng)率降低，噪聲大，響應(yīng)波段窄，甚至使紅外傳感器損壞。

(2)光生伏特傳感器。常用的制造光生伏特傳感器材料為砷化銦(InAs)、銻化銦(InSb)、碲鎘汞(HgCdTe)、碲錫鉛(PbSnTe)等。當(dāng)紅外輻射照射在這些材料的PN結(jié)上時(shí)，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(gè)附加電勢，從而可得到檢測信號(hào)。

(3)光磁電傳感器。當(dāng)紅外輻射照射在某些半導(dǎo)體材料的表面上時(shí)，材料表面的電子和空穴將向內(nèi)部擴(kuò)散，在擴(kuò)散中若受強(qiáng)磁場的作用，電子與空穴則各偏向一邊，因而產(chǎn)生開路電壓，這種現(xiàn)象稱為光磁電效應(yīng)。利用此效應(yīng)制成的紅外傳感器，叫做光磁電傳感器，

光磁電傳感器的時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快，不用加偏壓，不需要制冷，內(nèi)阻極低，噪聲小，有良好的穩(wěn)定性和可靠性，但其靈敏度較低?？傊庾觽鞲衅髂茉诘蜏叵鹿ぷ?，靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但紅外波段較窄。11.1.3紅外傳感器使用中的注意事項(xiàng)

紅外傳感器是紅外探測系統(tǒng)中很重要的部件，但在使用中若稍不注意，就可能導(dǎo)致紅外傳感器損壞。因此，紅外傳感器在使用中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

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

(2)調(diào)整紅外傳感器的合適工作點(diǎn)。通常傳感器有一個(gè)最佳工作點(diǎn)，只有工作在最佳工作點(diǎn)時(shí)，紅外傳感器的信噪比才最大。

(3)選擇傳感器時(shí)要注意它的工作溫度。

(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)部分不能用手去模、擦，以防止損傷與沾污。

(7)傳感器存放時(shí)要注意防水、防潮、防振和防腐蝕。

11.2紅外傳感器的應(yīng)用

11.2.1紅外測溫

紅外傳感器的應(yīng)用廣泛，紅外測溫是眾多溫度測量中比較先進(jìn)的測溫方法之一。

1.紅外測溫的特點(diǎn)

(1)紅外測溫是遠(yuǎn)距離和非接觸的大面積測溫，可作靜、動(dòng)態(tài)目標(biāo)溫度變化的探測，特別適合于高速運(yùn)動(dòng)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。它不需要經(jīng)過與物體達(dá)到熱平衡的過程，只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可定溫，反應(yīng)時(shí)間都在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)。

(3)紅外測溫靈敏度高。因?yàn)槲矬w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(huì)引起輻射能量較大的變化。

(4)紅外測溫溫度分辨率高，其測量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.02～0.1℃，探測變化溫度的精度高。由于是非接觸測量，不會(huì)破壞物體原來溫度的分布狀況，因此測出的溫度比較真實(shí)。

(5)紅外測溫范圍廣泛，可測溫度達(dá)-50～2000℃，應(yīng)用領(lǐng)域廣。

(6)紅外測溫工作環(huán)境廣。因只響應(yīng)紅外線，故白天、黑夜均可以工作。

2.紅外測溫儀

紅外測溫儀結(jié)構(gòu)原理如圖11-8所示。它由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。圖11-8紅外測溫儀的結(jié)構(gòu)原理光學(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，有固定焦距?？筛鶕?jù)紅外波長選擇光學(xué)材料，一般測量高溫(700℃以上)儀器所用的波段主要是0.76~3μm的近紅外區(qū)，可選用一般的光學(xué)玻璃或石英等材料。測量中溫(100~700℃)儀器所用的波段主要是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，所用波段主要在5~14μm的中遠(yuǎn)紅外波段，多采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)交變信號(hào)的處理比較容易，且能取得較高的信噪比，所以切割入射輻射而使投射到紅外傳感器上的輻射信號(hào)成交變信號(hào)。一般通過微電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)把被測的紅外

輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。反射式光學(xué)系統(tǒng)多用凹面玻璃反射鏡，并在其表面鍍金、鋁或鎳鉻等在紅外波段反射率很高的材料。紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視線內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，該信號(hào)再經(jīng)換算轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。選用哪種傳感器要根據(jù)目標(biāo)輻射的波段與能量等實(shí)際情況來確定。紅外測溫電路比較復(fù)雜，隨著智能紅外測溫儀的開發(fā)，利用單片機(jī)結(jié)合軟件，可簡化電路，提高電路的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性。11.2.2紅外成像

紅外成像就是將被測物體輻射出的紅外線，以圖像的形式直觀地顯示出來。下面根據(jù)不同成像器件對(duì)成像原理作簡要介紹。

1.紅外變像管成像

紅外變像管由光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，是直接把物體紅外圖像變成可見圖像的電真空器件，安裝在高度真空的密封玻璃殼內(nèi)，如圖11-9所示。圖11-9紅外變像管示意圖當(dāng)被測物體的紅外輻射通過物鏡照射到光電陰極上時(shí)，光電陰極表面的紅外敏感材料接收輻射后，便發(fā)射光電子。光電陰極發(fā)射的光電子在電場的作用下飛向熒光屏。熒光屏上的熒光物質(zhì)，受到高速電子的轟擊便發(fā)出可見光?？梢姽獾妮x度與轟擊的電子密度的大小成比例，光電子密度的分布又與表面的輻照度的大小成正比，也就是與物體發(fā)射的紅外輻射成正比。這樣物體的紅外圖像便被轉(zhuǎn)換成可見光圖像。

2.紅外攝像管成像

紅外攝像管是將被測物體輻射出的紅外線，通過鏡頭接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過電子信號(hào)處理系統(tǒng)放大處理后轉(zhuǎn)成視頻，在屏幕上顯示出熱像。如光導(dǎo)攝像管、熱釋電攝像管都

屬于紅外攝像管成像。熱釋電攝像管的結(jié)構(gòu)如圖11-10所示。熱釋電靶面為一塊熱釋電材料薄片，在接收輻射的一面覆以一層對(duì)紅外輻射透明的導(dǎo)電膜。當(dāng)經(jīng)過調(diào)制的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在熱釋電靶上時(shí)，靶面吸收紅外輻射，溫度升高并釋放出電荷。靶面各點(diǎn)的熱釋電與靶面各點(diǎn)溫度的變化成正比，而靶面各點(diǎn)的溫度變化又與靶面的輻照度成正比。因此，靶面各點(diǎn)的熱釋電量與靶面的輻照度成正比。當(dāng)電子束在外加偏轉(zhuǎn)磁場和縱向聚焦磁場的作用下掃過靶面時(shí)，就得到與靶面電荷分布相一致的視頻信號(hào)。通過導(dǎo)電膜取出視頻信號(hào)，送視頻放大器放大，再送到控制顯像系統(tǒng)，在顯像系統(tǒng)的屏幕上便可見到與物體紅外輻射相對(duì)應(yīng)的熱像圖。圖11-10熱釋電攝像管的結(jié)構(gòu)簡圖因熱釋電材料是隨溫度變化釋放出電荷的，溫度不變，熱釋電效應(yīng)就消失，所以當(dāng)對(duì)靜止物體成像時(shí)，必須對(duì)物體的輻射進(jìn)行調(diào)制。

3.CCD成像

在第10章介紹的電荷耦合器件(CCD)是比較理想的固體成像器件。目前實(shí)現(xiàn)夜視的紅外CCD成像儀就是利用普通CCD攝像機(jī)感受紅外光的光譜特性，配合紅外燈(輻射紅外光線)

作為“照明源”來感受周圍景物和環(huán)境反射回來的紅外光實(shí)現(xiàn)夜視成像的。

根據(jù)成像原理和成像的對(duì)象不同，紅外成像儀種類很多。其基本工作原理大致相同。紅外探測器探測被測物體，輸出的微弱信號(hào)送入前置放大器進(jìn)行放大。前置放大器的輸出信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大，再去控制顯像管屏上射線的強(qiáng)弱。由于紅外傳感器輸出的信號(hào)大小與其所接收的輻照度成比例，因而顯像熒屏上射線的強(qiáng)弱亦隨傳感器所接收的輻照度成比例變化。

紅外分析儀是根據(jù)物質(zhì)的吸收特性來進(jìn)行工作的。許多化合物的分子在紅外波段都有吸收帶，而且因物質(zhì)的分子不同，吸收帶所在的波長和吸收的強(qiáng)弱也不相同。根據(jù)吸收帶分布的情況與吸收的強(qiáng)弱，可以識(shí)別物質(zhì)分子的類型，從而得出物質(zhì)的組成及百分比。根據(jù)不同的目的與要求，紅外分析儀可設(shè)計(jì)成多種不同的形式，如紅外氣體分析儀、紅外分光光度計(jì)、紅外光譜儀等。

下面以醫(yī)用二氧化碳分析儀來說明紅外分析儀的工作原理。

醫(yī)用二氧化碳?xì)怏w分析儀是利用二氧化碳?xì)怏w對(duì)波長為4.3μm的紅外輻射有強(qiáng)烈的吸收特性來進(jìn)行測量分析的，它主要用來測量分析二氧化碳?xì)怏w的濃度。分析儀包括采氣和測量兩大部分。采氣裝置收集二氧化碳?xì)怏w后，將它送入測量氣室。測量部分對(duì)氣體進(jìn)行測量分析，并顯示其測量結(jié)果。11.2.3紅外無損檢測

紅外無損檢測是20世紀(jì)60年代以后發(fā)展起來的實(shí)用技術(shù)。它是通過測量熱流或熱量來鑒定物質(zhì)材料質(zhì)量、探測內(nèi)部缺陷的。與多種常用的檢測技術(shù)，如超聲波、X射線、磁化等相比，紅外無損檢測技術(shù)具有適用面廣(可用于所有金屬和非金屬材料)，速度快(每個(gè)測量一般只需數(shù)秒鐘)，觀測面積大(根據(jù)被測對(duì)象，一次測量可覆蓋面積近一平方米)，測量結(jié)果用圖象顯示，直觀易懂，不需接觸試件等優(yōu)點(diǎn)。紅外無損檢測分主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。主動(dòng)式是利用物體因其結(jié)構(gòu)或材料不同而導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)特性的不同，人為地采用各式各樣的加熱方法對(duì)試件進(jìn)行加熱用以激發(fā)顯示表面裂

紋和暗藏于表面以下的各種損傷和異常結(jié)構(gòu)變化，探測物體熱量或熱流變化規(guī)律，以此分析判斷物體的質(zhì)量；被動(dòng)式則用物體自身的熱輻射作為輻射源，探測其輻射的強(qiáng)弱或分布情況，

判斷物體內(nèi)部有無缺陷。紅外無損檢測技術(shù)應(yīng)用范圍廣。如用于各種新材料，特別是多層復(fù)合材料的研究；各工業(yè)、制造業(yè)中探測各種承重設(shè)備表面及表面下的疲勞裂紋；各種黏接、焊接質(zhì)量檢測，涂層檢測；用于產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)測；對(duì)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況的監(jiān)測；用于對(duì)產(chǎn)品研發(fā)過程中加載或破壞性試驗(yàn)過程的評(píng)估；用于航空、航天、軍工領(lǐng)域中有關(guān)飛行器安全的檢測等。此外，這項(xiàng)技術(shù)還可以用來做定量測量分析，如測量材料厚度和各種涂層、夾層的厚度以及進(jìn)行表面下的材料和結(jié)構(gòu)的特征識(shí)別。下面是幾種無損檢測實(shí)例：

1)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。

圖11-11為兩塊焊接的金屬板，其中圖(a)焊接區(qū)無缺陷，圖(b)焊接區(qū)有一氣孔。若將一交流電壓加在焊接區(qū)的兩端，在焊口上會(huì)有交流電流通過，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(diǎn)，由此可斷定熱點(diǎn)下面存在著焊接缺陷。圖11-11由于集膚效應(yīng)和焊接缺陷所引起的表面電流密集情況(a)無焊接缺陷;(b)有焊接缺陷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(duì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部深處缺陷有利；高頻電流集膚效應(yīng)強(qiáng)，由于電流的集膚效應(yīng)，靠近表面的電流密度將比下層大，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(dá)到飽和狀態(tài)，它可使電流沿深度方向分布，使近表面產(chǎn)生的電流密度趨向均勻，給探測造成不利。

2)鑄件內(nèi)部缺陷的探測

有些精密鑄件內(nèi)部非常復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的無損探傷方法不能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺點(diǎn)。而用紅外無損探測，就能很方便地解決這些問題。

當(dāng)用紅外無損探測時(shí)，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。然后利用紅外熱成像儀快速掃描鑄件整個(gè)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均勻的白色條紋；假如通道阻塞，冷卻液體受阻，則在阻塞處顯示出黑色條紋。

3)疲勞裂紋探測

飛機(jī)損傷大致有五類：一是起降過程中受異物撞擊(如冰雹、飛沙、飛鳥等)后引起的損傷，特別是采用復(fù)合材料的部分，受撞擊后表面完好，而強(qiáng)度和密封性已被破壞；二是因高低空壓力變化產(chǎn)生的“吹氣球”效應(yīng)，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中處(鉚釘附近)的金屬因疲勞而產(chǎn)生裂紋；三是各種化學(xué)原因造成的銹蝕，特別是內(nèi)表面銹蝕；四是各種原因引起的結(jié)構(gòu)損傷，如各種失效的粘接、焊接、鉚接；五是密封不好引起的機(jī)身蜂窩結(jié)構(gòu)件和泡沫材料件的積水。紅外無損檢測對(duì)于這五類損傷的檢測效果都遠(yuǎn)優(yōu)于其他檢測辦法，同時(shí)還可以對(duì)損傷做定量分析，如探測損傷深度、銹蝕程度以及能區(qū)別是積水還是滲漏的液壓油等。圖11-12為對(duì)飛機(jī)表皮進(jìn)行疲勞裂紋探測示意圖。為了探測出疲勞裂紋位置，采用一個(gè)點(diǎn)輻射源在表皮表面一個(gè)小面積上注入能量。然后用紅外輻射溫度計(jì)測量表面溫度。如圖11-12(b)所示，如果在表面附近存在疲勞裂紋，則熱傳導(dǎo)受到影響，在裂紋附近熱量不能很快傳輸出去，使裂紋附近表面溫度很快升高，由此探測裂紋所在。圖11-12探測疲勞裂紋示意圖

(a)對(duì)樣品掃描示意圖;(b)表面溫度分布曲線

11.3紅外氣體傳感器

20世紀(jì)60年代首次出現(xiàn)了利用氣體在電極上的氧化還原反應(yīng)研制出的氣體傳感器，從此氣體傳感器飛速發(fā)展，應(yīng)用于各種場合，比如氣體泄漏檢測，環(huán)境檢測等。

氣體傳感器主要有半導(dǎo)體傳感器、絕緣體傳感器、電化學(xué)式傳感器、紅外吸收型傳感器等。紅外吸收型氣體傳感器又稱紅外氣體分析儀。當(dāng)紅外光通過待測氣體時(shí)，這些氣體分子對(duì)特定波長的紅外光有吸收，通過光強(qiáng)的變化測出氣體的濃度。許多化合物的分子在紅外波段都有吸收帶，而且因