传感器与自动检测技术（第二版）光电式传感器

4.1光电效应与光电元件4.2光电式传感器4.3光纤传感器4.4红外传感器

光电元件是把光信号转变为电信号的器件。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得了广泛应用。

光电式传感器是以光电元件作为转换器件的传感器。可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。罐装生产流水线动画演示光的特性光波是波长为10～106nm的电磁波。紫蓝绿黄橙红380nm780nm

光电效应：指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。包括外光电效应、内光电效应。内光电效应又分为光电导效应、光生伏特效应。4.1光电效应与光电元件4.1.1光电效应1.外光电效应（光电发射效应）在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电元件有光电管等。外光电效应动画演示1905年德国物理

学家爱因斯坦用光量

子学说解释了光电发

射效应，并为此而获

得1921年诺贝尔物理

学奖。他的研究推动

了量子力学的发展。光电管基于外光电效应的光电元件光电倍增管当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。2.内光电效应根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类，它多发生于半导体内。光电导效应动画演示（1）在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻。基于光电导效应的光电元件有光敏电阻（2）在光线作用下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电元件有光敏晶体管和光电池。基于光生伏特效应的光电元件光敏二极管光敏三极管光电池4.1.2光电元件1.光电管

由真空管、光电阴极K和光电阳极A组成

当一定频率光照射到光电阴极时，阴极发射的电子在电场作用下被阳极所吸引，光电管电路中形成电流，称为光电流。

不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是红外光、可见光或紫外光而选择阴极材料不同的光电管。

在光通量不太大时，光电特性基本是一条直线。光通量φ：人眼所能感觉到的辐射功率。单位：lm（流明）

适用场合：分光光度计、光电比色计等分析仪器和各种自动装置。现在使用较少。I0/μAΦ/lm02.光敏电阻光敏电阻具有很高的灵敏度及很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内，而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。（1）光敏电阻的符号和结构（2）光敏电阻的主要参数和基本特性①暗电阻、亮电阻、光电流光敏电阻的暗电阻越大而亮电阻越小,则灵敏度越高、性能越好。暗电阻：置于室温、全暗条件（1～100MΩ）亮电阻：置于室温、一定光照条件（几百到数千欧）暗电流亮电流光电流是亮电流与暗电流之差②光照特性表示在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。光照度：被摄主体表面单位面积上受到的的光通量。单位：勒克斯（lux或lx）③光谱特性

光谱特性与光敏电阻的材料有关。硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硫化铊的峰值在可见光区域。在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑。④伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系。曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。⑤频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。不同材料的光敏电阻时延特性不同，频率特性也不同。多数光敏电阻的时延都比较大，响应时间：10-1～10-3s。不能用在要求快速响应的场合。⑥温度特性随着温度升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度下降。硫化镉的光电流I和温度T的关系如下图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。

适用场合：不宜作线性测量元件，一般用作开关式的光电转换器。使用在要求不高的场合。3.光敏晶体管光敏晶体管是光敏二极管、光敏三极管和光敏晶闸管的统称。（1）光敏晶体管的结构和工作原理

光敏二极管在电路中一般加反偏电压，不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。光敏二极管

光敏三极管有NPN型和PNP型两种。

光敏三极管在光照作用下，产生基极电流，即光电流，与普通三极管的放大作用相似，在集电极上则产生是光电流β倍的集电极电流，所以光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。（2）光敏晶体管的基本特性

光敏晶闸管也称光控晶闸管，它由PNPN四层半导体构成，其工作原理是由光敏二极管与普通晶闸管的工作原理组合而成。①光谱特性硅管峰值波长为0.9μm——可见光或赤热状态物体锗管峰值波长为1.5μm——红外光②伏安特性右图所示为锗光敏三极管的伏安特性曲线。光敏三极管在不同照度Ee下的伏安特性，就像一般三极管在不同的基极电流时的输出特性一样，只要将入射光在发射极与基极之间的PN结附近所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看成一般的三极管。③光电特性光敏晶体管的输出电流Ie和光照度Ee之间关系可近似地看作线性关系。④温度特性锗光敏晶体管的温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定，而暗电流随温度变化很大。所以在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。⑤响应时间硅和锗光敏二极管的响应时间分别为l0-6s和l0-4s左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级，因此，在要求快速响应或入射光调制频率较高时选用硅光敏二极管较合适。（3）特点：

光电特性线性好、受温度影响小、响应时间短、灵敏度高、可靠性高。适用场合：

用于模拟量、数字量的测量及要求快速响应的场合，广泛应用于可见光和远红外探测，及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。4.光电池光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件，又称为太阳能电池，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。（1）光电池的符号、结构和工作原理（2）光电池基本特性①光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们和光照度之间的关系就是光照特性。

光电池作为测量元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式使用。②负载特性（输出特性）光电池作为电池使用。在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。我们可改变负载电阻的值来测定硅光电池的负载特性。③光谱特性一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生短路电流与入射光波长之间的关系。下图所示为硅光电池的光谱特性曲线。曲线1为硒光电池，曲线2为硅光电池。（3）特点：

适用场合：

短路电流的光照特性线性好，受温度影响较小，硅光电池频率响应较好。

可用于模拟量、数字量的测量及响应较快的场合。太阳能手机充电器硅光电池太阳能电池光电传感器的组成

光源光学元件光电元件测量转换电路光路光路光电元件：将光量变为电量的元件。

光源：各种白炽灯和发光二极管。光学元件：多种反射镜、透镜和半透半反镜等。光路：空气---光电传感器；光纤---光纤传感器。4.2光电传感器

按输出量性质可分为：

模拟输出型（模拟式）光电传感器和数字输出型（脉冲式）光电传感器光电传感器属于非接触式测量方式。

按被测物与光电元件和光源之间的关系，光电式传感器的应用分为以下四种基本类型：4.2.1光电传感器的类型1.辐射型光源本身是被测物，由被测物发出的光通量到达光电元件上。光电元件的输出反映了光源的某些物理参数。如：光电比色温度计、光照度计等。被测物光电元件例：光电高温计和比色高温计的传感器光通量和光谱密集度分布是温度的函数2.吸收型恒定光源发出的光通量穿过被测物，部分被吸收后到达光电元件上。吸收量决定于被测物的某些参数。

如：测液体、气体的透明度或混浊度的光电比色计或混浊度计、烟尘浓度计等。被测物光电元件恒光源3.遮挡型恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后照射到光电元件上。光电元件的输出反映了被测物尺寸等参数。如：测元件尺寸、运动状态等。被测物光电元件恒光源4.反射型恒定光源发出的光通量到达被测物被反射出来投射到光电元件上。光电元件的输出反映了被测物的某些参数。如：测纸张白度、零件表面粗糙度、光电转速表、激光测距等。被测物光电元件恒光源注意：恒定光源特指辐射强度和波谱分布都不随时间变化的光源。

对于模拟量的检测，一般要有参比信号和温度补偿措施，用来消除或削弱背景光及温度等因素对光电元件的影响。1.光电比色温度计问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波与温度有关。扫描式光电比色温度计（光源本身是被测物，即辐射型）哪一种应用类型？4.2.2光电传感器的应用

原理：根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温。根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的辐射强度Iλ1、Iλ2之比与该物体的温度成指数关系。

、—与、及物体的黑度有关的常数黑度：物体的实际辐射能力与同温度下绝对黑体的辐射能力之比值。绝对白体：凡是将辐射热全部反射的物体。绝对黑体：凡是将辐射热全部吸收的物体。绝对透明体（热透体）：凡是将辐射热全部透过的物体。光阑：光具组件中对光束起限制作用的光学元件。主要用于调节通过的光束的强弱等。光电比色温度计光路原理图被测对象物镜半透半反镜光阑反射镜目镜观察者的眼睛硅光电池1光导棒分光镜滤光片硅光电池2光线λ1光线λ2分光镜的功能：使红外光通过，可见光反射。光电比色温度计电路原理框图硅光电池1RfRf运算电路显示器I1I2U1U2硅光电池2而I1正比于Iλ1所以U1正比于Iλ1λ1Iλ1λ2Iλ22.光电式烟尘浓度计

问题的提出：为了控制和减少烟尘的排放量或及时发现楼宇火灾，对烟尘的监测是必须的。

原理：恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物吸收一部分后到达光电元件上。（吸收型）

哪一种应用类型？光电式烟尘浓度检测动画演示光电式烟尘浓度计原理图光源聚光透镜半透半反镜反射镜被测烟尘光电池1光电池2RfRf运算电路显示器I1I2U1U2光源聚光透镜半透半反镜反射镜被测烟尘光电池1光电池2RfRf运算电路显示器I1I2U1U2

提问：1、有参比信号吗？如何获得？

2、采用参比通道获得参比信号的好处？参比通道参比信号好处：当光源的光通量由于种种原因有所变化或因环境温度变化引起光电池灵敏度改变时，由于两个通道结构完全一样，在最后运算U1/U2值时，上述误差可自动抵消，减小了测量误差。光源聚光透镜半透半反镜反射镜被测烟尘光电池1光电池2RfRf运算电路显示器I1I2U1U2参比通道参比信号3.光电式边缘位置检测器

问题的提出：带型材料在生产过程中偏离正确的位置如何进行纠偏控制。

原理：恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后，另一部分照射到光电元件上。（遮挡型）哪一种应用类型？光电式边缘位置检测器光路图

光源透镜光敏电阻被测带材暗亮光电式边缘位置检测器测量电路图

R2R1R3RPRRRfRfUoUcc测量用光敏电阻补偿用光敏电阻遮光罩温度补偿注意问题：（2）桥路及运算放大器组成，接入参比光敏电阻；（1）起始时，光路一半遮挡一半透过；（3）光敏电阻一般不能作模拟量测量，这里对测量精确度要求不高（Uo用于控制）。若要求精确测量呢？光敏电阻线性较差

光控小夜灯在居室周围环境灯光很暗或没有灯光的情况下，晚上起夜若开灯会感到灯光比较刺眼。因此市场上出现了一种“小夜灯”，采用简单的电子整流器和日光灯管制成，亮度跟月光差不多。但缺点是耗电比较大，寿命短。下图所示的光控小夜灯采用LED制作，极大地延长了使用寿命，并且减少了耗电量。4.2.3光电传感器的应用实例4.3光纤传感器

光（导）纤（维）是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。

目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤传感器。当光纤受到外界环境因素的影响，如温度、压力、电场、磁场等条件变化时，光纤的传输特性将随之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此便研制出光纤传感器。用光纤作为功能材料的传感器

工作原理：通过被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的振幅、波长、相位、频率或偏振态等发生变化，再对被调制的光信号进行检测，从而得出相应的被测量。（4）可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动(陀螺)、位移、液位、流量、电流、辐射等；（5）便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制；（6）可用于高温、高压、强电磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境；（7）结构简单、体积小、重量轻、耗能少。优点：（1）具有很高的灵敏度；（2）频带宽、动态范围大；（3）可根据实际需要做成各种形状；4.3.1光纤及其传光原理

1.光纤的结构中心圆柱体称为纤芯，由某种玻璃或塑料制成。纤芯外围的圆筒形外壳称为包层，通常也是由玻璃或塑料制成。包层外面有涂敷层，之外是一层塑料保护外套。n1n2n2n1n2纤芯包层涂覆层护套光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1＞n2）。光疏介质折射率n2光密介质折射率n1n1>n2

2.光纤的传光原理当光线由光密媒质(折射率为n1)射入光疏媒质(折射率为n2，n1＞n2)时，若入射角大于等于临界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒质界面上会发生全反射现象。

——基于光的全反射

光线在光纤端面入射角θi减小到某一角度θmax时，光线全部反射。只要θi＜θmax，光在纤芯和包层界面上反复地发生全反射而向前传播，最后从另一端面射出。3.光纤的主要参数1）数值孔径光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯中，此光锥半角（qC）的正弦称为数值孔径。数值孔径NA反映了光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率，只有入射光处于2qC的光锥内,光纤才能导光。2）光纤的传输模式（1）单模光纤传输性能好，常用于功能型光纤传感器，制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但由于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。只允许一束光传播（2）多模光纤性能较差，但纤芯截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤常用于非功能型光纤传感器。允许许多束光在光纤中同时传播3）传输损耗光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。4）色散光纤的色散是由于光信号中的不同频率成分或不同的模式，在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时间不同，从而产生波形畸变的现象。当输入光束是光脉冲时，随着光的传输，光脉冲的宽度可被展宽，如果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧失。这种光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。表4-1常用光纤类型及参数类

型折射率分布纤芯直径/μm包层直径/mm数值孔径单

模2～880～1250.10～0.15多模阶跃光纤(玻璃)80～200100～2500.1～0.3多模阶跃光纤(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50多模梯度光纤50～100125～1500.1～0.2利用全反射原理制成的光纤灯饰光纤装饰玩具专用的光纤连接头及光纤插座光纤中继转换器

精密光纤耦合器

1.光纤传感器的基本组成主要包括光纤、光源、光探测器三个重要部件。4.3.2光纤传感器的组成及分类

（1）光源：分为相干光源(各种激光器)和非相干光源(白炽灯、发光二极管)。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。（2）光探测器：包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。光的干涉：振动频率和方向相同、相位差恒定的两列光相遇时，某些地方振动加强（显得明亮），而另一些地方振动减弱（显得暗淡）的现象。两束满足相干条件的光称为相干光。2.光纤传感器的分类光纤传感器一般可分为功能型和非功能型两大类。（1）功能型光纤传感器

又称传感型光纤传感器，主要使用单模光纤。光纤在这类传感器中不仅是传光元件，而且利用光纤本身的某些特性来感知外界因素的变化，所以它又是敏感元件。——按光纤的作用（2）非功能型光纤传感器又称传光型光纤传感器，主要使用多模光纤。它是利用在两根光纤中间或光纤端面放置敏感元件来感受被测量的变化，光纤仅起传光作用。1.光纤温度传感器4.3.3光纤式传感器应用技术

保护管内为高温光纤低温光纤光纤温度传感器按调制原理分为相干型和非相干型两类。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式温度传感器等；在非相干型中有辐射温度计、半导体吸收式温度计以及荧光温度计等。（1）半导体吸收式温度传感器半导体材料的光吸收和温度的关系曲线半导体材料的吸收边波长λg(T)随温度增加而向较长波长方向位移。若能适当选择发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，即可做成透射式光纤温度传感器。透过半导体的光强随温度升高而减少。光源为发光二极管，测温介质为测量光纤上的半导体材料。参考光纤上面没有敏感材料，采用除法器消除外界干扰，提高测量精度。测温范围在40℃～120℃之间，精度为±1℃。双光纤参考基准通道法半导体吸收式光纤温度传感器电路原理图非功能型即传光型光纤传感器的类型？参比信号（2）干涉型光纤温度传感器温度变化引起光纤中传输的光的相位变化，利用光纤干涉仪检测相位变化即可测得温度。马赫-曾特尔干涉仪测温原理图功能型即传感型光纤传感器的类型？参比信号

2.光纤位移传感器（1）反射强度调制型位移传感器通过改变反射面与光纤端面之间的距离来调制反射光的强度。Y形光纤束由几百根至几千根直径为几十mm的阶跃型多模光纤集束而成。它被分成纤维数目大致相等、长度相同的两束。非功能型即传光型发送光纤束和接收光纤束在汇集处端面的分布有多种，如随机分布、对半分布、同轴分布(分为接收光纤在外层和接收光纤在内层两类)。发送光纤束和接收光纤束的汇集处端面可知，随机分布时传感器的灵敏度和线性都较好。AB段的灵敏度和线性好，但测量范围小，CD段的斜率小即灵敏度低，但线性范围宽。1-随机分布；2-对半分布；3-同轴分布；4-同轴分布反射光强与位移的关系曲线光纤位移传感器一般用来测量小位移。最小能检测零点几mm的位移量。已在镀层不平度、零件椭圆度、锥度、偏斜度等测量中得到应用，还可以用来测量微弱振动，而且是非接触测量。1-随机分布；2-对半分布；3-同轴分布；4-同轴分布反射光强与位移的关系曲线（2）干涉型光纤位移传感器和反射强度调制型位移传感器相比，测量范围大，测量精度高。物光和参考光干涉，在全息干板上形成干涉条纹。如因被测物体位移变化引起四面体移动时，由于光程差变化而使干涉条纹移动，从干涉条纹的移动量可以确定位移的大小。测量位移的迈克尔逊干涉仪基本原理图1-氦氖激光器；2-分束器；3-扩束镜；4-反射镜；5-可移动四面体棱镜；6-全息照片；7-光纤参考臂；8-光探测器；9-可逆计数器；10-光阑非功能型即传光型3.光纤流量、流速传感器（1）光纤涡流流量计采用一根横贯液流管的大数值孔径的多模光纤作为传感元件。光纤受到液体涡流的作用而振动，振动频率与液体的流速有关。当光通过未受扰动的光纤时，如果光纤直径为200mm～300mm，在距离光纤端面约15～20cm的地方可以观察到清晰而稳定的斑图，但它的分布是无规则的。当光纤振动时，这些斑图就会不断地振动，如用光探测器接收斑图的一个小区域，即可通过频谱仪读出光纤振动的频率。由公式算出流速，得出流量。这种流量计结构简单而且安全可靠，可用于易燃、易爆及有腐蚀性的液体测量。因为光纤直径很细，对流体的流阻小，对流场几乎没有影响，不足之处是对低速流体不敏感。功能型即传感型（2）光纤多普勒血流传感器

利用多普勒效应可构成光纤速度传感器。由于光纤很细(外径约几十mm)，能装在注射器针头内，插入血管中。又由于光纤速度传感器没有触电的危险，所以用于测量心脏内的血流十分安全。光纤多普勒血流传感器原理图光纤液位检测功能型即传感型非功能型即传光型光纤放大传感器光纤传感器.光电眼4.4红外传感器

红外传感器是以红外线为介质将被测量转换为电信号的传感器，可实现红外热成像、红外搜索（跟踪目标、确定位置、红外制导）、红外辐射测量、通信、测距和红外测温等。红外传感器主要由红外辐射源和红外探测器两部分组成。有红外辐射的物体能将红外辐射能转换为电能的器件或装置红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波，是一种不可见光，其光谱位于可见光中的红色以外，所以俗称红外线，波长约0.75～1000μm。按照与可见光的距离，通常将红外辐射分为近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。4.4.1红外辐射自然界中任何物体，只要温度高于绝对零度，都会有一部分能量以电磁波形式向外辐射，温度越高，红外辐射的能量越强。由于散射作用及介质的吸收，红外线不具有穿过遮挡物去控制被控对象的能力，辐射距离一般为几米到几十米或更远一些。红外线的特点：（1）红外线易于产生，容易接收；（2）红外发光二极管结构简单，易于小型化且成本低；（3）红外线调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制；（4）红外线不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作；（5）功率消耗小，反应速度快；（6）对环境无污染，对人、物无损害；（7）抗干扰能力强。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，可分为热探测器和光子探测器两大类。4.4.２

红外探测器１.热探测器热探测器是利用红外辐射的热效应制成，当器件吸收辐射能时温度上升，温升引起材料各种有赖于温度的参数变化（如热释电电荷、热敏电阻阻值、热电偶电势、气体压强变化等），检测其变化，即可探知辐射的存在和强弱。热探测器主要有四种类型：热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型。探测率最高，频率响应最宽（1）热释电效应热释电晶体是把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极（类似电容），将透明电极涂上黑色膜使晶体吸收红外线。晶体本身具有一定极化强度（单位面积上的电荷）P，并与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的晶体薄片表面时，薄片温度升高，使极化强度降低，表面电荷减少，相当于释放一部分电荷，所以称为热释电。调制光使温度变化热释电元件的温度一定时，因极化产生的电荷被附集在外表面的自由电荷慢慢中和掉，不显电特性，要让热释电元件显现出电特性，必须用光调制器使其温度变化。调制器的入射光频率必须大于电荷中和时间的频率。。热释电元件表面电荷随温度变化的过程铁电体在温度变化时，极化强度发生变化，无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个中和时间，为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来，表面才能产生电荷。（2）热释电元件的等效电路热释电元件是电荷存储元件，传感器可视为电流源，电流大小与温度随时间的变化率有关，即S：元件面积；P：极化强度；g：热释电系数热释电元件只有在温度变化时才产生电流、电压，其输出电压为Z：热释电元件的等效阻抗元件结构等效电路市场购买的普通热释电元件已经将前极的VF和输入电阻Rd安装在管壳中，VF起到阻抗变换的作用。T为热释电晶体，Rd是输入绝缘电阻，RL为外接负载电阻。由于热释电元件绝缘电阻很高，高达几十至几百兆欧，容易引入噪声，使用时要求有较高的输入电阻。窗口选用不同材料做滤光器，使器件具有一定波长选择范围2.光子探测器（量子型）光子探测器是利用红外辐射的光电效应制成，通过改变电子能量的状态引起电学现象。光子探测器主要有：（1）光电导型(PC)。利用光敏电阻受光照后引起电阻变化；（2）光电型(PV)。由于光照产生光生电子-空穴对，形成光生电动势；（3）光电磁型(PEM)。器件利用光电磁效应，加电场和磁场的同时产生与光照成正比的感应电荷；（4）肖特基型(ST)。利用金属与半导体接触形成肖特基势垒随光照而变化。表4-2热探测器与光子探测器的性能比较4.4.3红外传感器的应用

红外传感器普遍用于红外测温、遥控器、红外摄像机、夜视镜等，红外摄像管成像，电荷耦合器件(CCD)成像是目前较为成熟的红外成像技术。许多场合人们不仅需要知道物体表面平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，以便分析研究物体的结构内部缺陷和状况，红外成像技术就是将物体的温度分布以图像的形式直观地显示出来。1．工业红外热成像仪工业现场利用热成像技术进行实时检测是最新的测量技术之一，通过测量热流或热量来检测鉴定金属或非金属材料的质量和内部缺陷，称为红外无损检测。特点是非接触测量，可用于安全距离检测；可快速扫描设备及时发现故障；可测量移动中目标物体。（1）高炉炉衬检测

高炉是钢铁冶金行业的重要设备，运行的好坏直接关乎整个钢铁厂全部流程的运行，而高炉炉衬严重损毁会造成高炉无法继续生产。红外热成像仪可以快速、安全的检测炉衬磨损，保证设备的维护和长久运行。（1）高炉炉衬检测

当耐火材料出现裂缝、脱落、局部缺陷时，高炉表面的温度场分布不均匀，造成安全隐患。利用红外热像仪可以测量出过热（缺陷）区的温度、位置以及分布面积的大小。（2）检查轴承