第八章 红外辐射与红外探测器

第八章红外辐射与红外探测器8.1红外辐射的基础知识8.1.1红外辐射红外辐射的物理本质是热辐射----物体的温度越高、辐射出来的红外线越多，辐射出的能量就越强太阳光谱中各种单色光的热效应从紫外光到红外光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现有红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。大气吸收对红外线测量有比较大的影响8.1.2红外辐射源红外辐射源：光物体的温度高于绝对零度时，就有红外线向周围空间辐射出来，只要辐射红外线的物体就叫做……面源：将充满红外光学系统视场的辐射源叫作面源点源：未满红外光学系统视场的小面叫作点源8.2红外探测器红外探测器（红外传感器）热探测器光子探测器8.2.1热探测器光热电主要器件可分为：热敏电阻、热电偶、热释电器件、高莱气动型探测器①响应率与波长无关，属于无选择性探测器②受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢③峰值探测率低④可在室温下工作热探测器与前述的各种光电探测器相比，其特点为：1.热敏电阻探测器材料：金属或半导体金属：温度系数多为正，即有光照温度升高时，电阻增大电阻变化量与温度变化量成线性—可用于模拟测量半导体：温度系数是负的，即有光照温度升高时，电阻减小电阻变化与温度变化非线性---适合于有、无两种状态的判定机理不同2.热电偶型红外探测器T0T0+ΔTAB温差电偶接触电势温差电势中间导体定律：mVRLPN涂黑金箔温差电堆：mV时间常数较大，被测辐射变化频率一般在10HZ以下实体型：多用于测温薄膜型：多用于标定各种光源、测量各种辐射量特3.热释电型红外探测器热释电效应：(a)恒温下(b)温度变化(C)温度变化时的等效表现Uout热释电器件RL极化强度过程的平均时间为：一般要求被测信号的变化频率：无线红外人体探测器4.高莱气动型探测器特点：灵敏度高，性能稳定但结构复杂、强度较差，只适合于实验室使用8.2.2光子探测器1.外光电探测器（PE器件）光电管、光电倍增管2.光电导探测器（PC器件）光敏电阻3.光生伏特探测器（PU器件）---结型红外探测器①同质结②异质结③肖特基结④雪崩管⑤量子阱4.光磁电探测器（PEM器件）某些半导体表面受光照，产生电子空穴对，它们在向体内扩散的过程中受外磁场的作用各自偏向一边形成开路电压，称为光磁电效应8.3*红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项8.3.1红外探测器的性能参数电压响应率、光谱响应、等效噪声功率、比探测率和时间常数等8.3.2红外探测器使用中应注意的问题①选用探测器时要注意它的工作温度②应注意调整好探测器的偏流、偏压，使其工作在最佳工作状态③辐射源调制频率应和探测器的响应频率相匹配④探测器存放时要注意防潮、防振和防腐蚀⑤了解探测器的性能指标、应用范围、和使用条件8.4红外测温8.4.1红外测温原理斯忒藩-玻耳兹曼定律8.4.2红外测温的特点①反应速度快②灵敏度高③属于非接解测温④准确度高。可小于0.1℃⑤可测摄氏负几十度~几千度的范围8.4.3热辐射传感器---应用实例1.热辐射高温计具有响应快热惰性小等优点主要用于腐蚀性物体及运动物体的高温测量。测量范围在400℃~3200℃.由于感温部分不与被测介质直接接触，因此误差较大2.热辐射测温仪1）结构最高可测温度为200℃，被测物体与传感器的距离为10cm左右，其辐射能量为6mW只适用于近距离的非接触测量如：齿轮箱齿轮的温度，或机器内不能接触的部件的温度测量2）测量电路3.辐射剂量率计现代工业、实验室、医疗等场所的辐射量测量8.5红外成像1.红外变像管8.5.1红外成像器件2.红外摄像管热释电红外摄像管---光导摄像管、硅靶摄像管、热释电摄像管可见光或近红外区工作波长范围较大2.集成红外电荷耦合器件集成红外电荷耦合器件---红外CCD常用的红外焦平面阵列有：PbSt和PbSe阵列、PtSi阵列、InSb阵列、HgCdTe阵列GaAs/AlGaAs阵列、掺杂硅阵列、热释电探测器阵列高炉焦平面红外热图像仪红外热像仪8.5.2*原理图：红外成像器件的应用实例一前置放大器电路：8.5.3*红外分析仪工作依据：物质的吸收特性很多物质在红外部分都有吸收带，但不同的物质吸收带的据体位置不相同，所以通过测量物质在红外波段的吸收位置可以确定物质的成分医用二氧化碳分析仪光系统图红外成像器件的应用实例一电子线路框图8.6红外无损检测采用电流加热的方法好处是可以通过改变电流的变化频率来改变探测深度频率低：透入深频率高：表面温度特性比较明显，但太高时影响测量8.6.1焊接缺陷处的无损检测8.6.2铸件内部缺陷探测利用液态氟利昂冷确，然后测其图像8.6.3疲劳裂纹探测8.7红外探测在军事上的应用因红外辐射具有以下特点，所以在军事上占有重要地位红外辐射人眼不能见，所以避开敌方目视观察。白天黑夜均可使用，特别适用于夜战探测器自身不用发射光，采用被动接收系统，比用无线电雷达或可见光更安全、隐蔽，不易受干扰、保密性强。利用目标和背景辐射的差异可较好的识别各种目标，特别可以发现伪装的军事目标，分辨率比微波好，比可见光更能适应天气条件缺点是：容易受云雾的影响8.7.1红外侦察主要仪器有：红外扫描器、