《传感器原理及应用》课件1第11章

11.1红外辐射原理及传感器类别11.2红外传感器的应用11.3红外气体传感器思考题第11章红外传感器

11.1红外辐射原理及传感器类别

最近几十年红外技术随着它在科技、国防、工农业生产等领域获得应用而迅速发展成一门新兴技术。11.1.1红外辐射的基本知识

1.红外辐射

红外辐射俗称红外线，是位于可见光中红色光外的光线。它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。

红外线的波长范围大致为0.76~1000μm。红外线与可见光、紫外线、x射线、微波、无线电一起构成了整个无限连续的电磁波谱，如图11-1所示。图11-1电磁波谱图在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区。这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。

红外辐射的物理本质是热辐射。物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的，物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在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。实验表明，波长在0.1~1000μm之间的电磁波被物体吸收时，可以显著地转变为热能。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在真空中的传播速度等于波的频率与波长的乘积，即等于光在真空中的传播速度。

c=lf

(11-1)

式中，l——红外辐射的波长(μm)；

f——红外辐射的频率(Hz)；

c——光在真空中的传播速度，c=3×108m/s。红外辐射在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，且由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，辐能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原子分子，如N2、H2、O2等不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中的衰减。图11-2为红外光经过一海里长度的大气透过率曲线。红外线在通过大气层时有三个波段透过率高，它们是2~2.6μm、3~5μm和8~14μm，统称为“大气窗口”。这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因为一般红外探测仪都工作在这三个波段之内。图11-2红外光经过一海里长度的大气透过率曲线

2.红外辐射源

根据红外辐射源几何尺寸的大小以及距探测器的远近，可将其分为点源和面源。但同一个辐射源在不同的场合，既可以是点源，又可以是面源。一般情况下，把充满红外光学系统瞬

时视场的大面积辐射源叫做面源，而将没有充满红外光学系统瞬时视场的大面积辐射源叫做点源。

理想的点源被认为是没有面积的几何点，如图11-3所示。其辐射强度J是点源在某一指定方向、单位立体角内发射的辐射功率。点源的辐射强度J仅与方向有关，而与源面积无关。图11-3点源在图11-3中，设点源的辐射强度为J，它与被照面上X处的圆面积dA的距离为l，圆面积dA的法线n与l的夹角为θ，则dA接收到的辐射功率为

(11-2)

故点源在被照面上所产生的辐照度与点源辐射强度和被照面法线的夹角的余弦的积成正比，与它们之间距离的平方成反比。

对于面源，它的辐射强度与被照面在面源表面上的位置、方向及面源的面积有关。11.1.2红外传感器

红外传感器(也称为红外探测器)按工作原理分为热电型传感器和光子传感器。其目的都是将红外辐射能量转换成电能从而进行检测，其中的光敏器件是红外探测系统的关键部件，其

性能的好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，红外探测系统的重点是选择合适的、性能良好的红外传感器。

1.热传感器

热传感器的工作原理是入射红外辐射会引起传感器的温度变化，进而引起有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化就可以确定红外传感器所吸收的红外辐射。

热传感器的主要优点是使用简单，在室温下就可工作。但是，热传感器响应时间较长，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型和热释电型四种。

1)热敏电阻型传感器

热敏电阻一般制成薄片状，是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成的。当红外辐射照射在热敏电阻上时，其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射的物体的温度。热敏电阻型红外传感器的结构如图11-4所示。图11-4热敏电阻型红外传感器的结构

2)热电偶型传感器

利用温差电势现象反映接点吸收红外辐射强弱的红外传感器称为热电偶型红外传感器。热电偶型传感器因其时间常数较大，响应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10Hz以下，故应用范围有所限制。

3)高莱气动型传感器

高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后温度升高、体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱的。其结构原理如图11-5所示。它有一个气室，气室的前面附有吸收薄膜，它是低热容量的薄膜。气室的后方以一个小管道与一块柔性薄片相连(柔镜)。薄片背向管道的一面是反射镜。红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过光栅聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过光栅投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与光栅发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变，这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的特点是灵敏度高，性能稳定，但缺点是响应时间长，结构复杂。图11-5气动探测器的结构

4)热释电型传感器

热释电型传感器是由一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”组成。铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。在温度长时间恒定时，极化产生的表面极化电荷数目一定。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷。若与电阻连成回路会形成电流，在电阻上产生压降。这种由于温度变化引起极化值变化的现象称为热释电效应。如图11-6所示。图11-6热释电效应原理示意图热释电型传感器就是将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小决定薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出。只有当铁电体温度处于变化过程中时，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制(称为斩光)，使恒定的辐射变成交变辐射，不断地使传感器的温度发生变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。如图11-7所示为热释电效应传感器的结构示意图。作为检测用的热释电元件粘在特殊导电性支持台上，并和场效应管连接进行阻抗交换和信号放大。外部用透红外线的单晶硅窗的金属壳封装。图11-7热释电效应传感器的结构

2.光子传感器

光子传感器的工作原理是利用某些半导体材料在入射光的照射下将产生光电效应，使材料的电学性质发生变化，通过测量电学性质的变化，就能知道红外辐射的强弱。

按照光子传感器的工作原理，可将其分为内光电传感器和外光电传感器两种。外光电传感器又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。

1)内光电传感器

内光电效应概念见第8章，在内光电效应的基础上研制、开发出来的光电传感器称为内光电传感器。如现在广泛应用的太阳能电池和各种以光敏元件为基础的探测器等。

2)外光电传感器

如光电二极管、光电倍增管等组成的电子传感器就是外光电传感器。这类传感器的响应速度比较快，但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜在近红外辐射或可见光范围内使用。

(1)光电导传感器。某些半导体材料表面，当红外辐射照射时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，利用该现象制成的传感器称为光电导传感器，如硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb)等材料都可制造光电导传感器。使用光电导传感器时，需要制冷和加上一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，甚至使红外传感器损坏。

(2)光生伏特传感器。常用的制造光生伏特传感器材料为砷化铟(InAs)、锑化铟(InSb)、碲镉汞(HgCdTe)、碲锡铅(PbSnTe)等。当红外辐射照射在这些材料的PN结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向N区，空穴移向P区。如果PN结开路，则在PN结两端便产生一个附加电势，从而可得到检测信号。

(3)光磁电传感器。当红外辐射照射在某些半导体材料的表面上时，材料表面的电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一边，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器，

光磁电传感器的时间常数小，响应速度快，不用加偏压，不需要制冷，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性，但其灵敏度较低。总之光子传感器能在低温下工作，灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但红外波段较窄。11.1.3红外传感器使用中的注意事项

红外传感器是红外探测系统中很重要的部件，但在使用中若稍不注意，就可能导致红外传感器损坏。因此，红外传感器在使用中应注意以下几个问题：

(1)使用红外传感器时，必须首先了解它的性能指标和应用范围，掌握它的使用条件。

(2)调整红外传感器的合适工作点。通常传感器有一个最佳工作点，只有工作在最佳工作点时，红外传感器的信噪比才最大。

(3)选择传感器时要注意它的工作温度。

(4)选用适当的前置放大器与红外传感器相配合，以获得最佳的探测效果。

(5)调制频率与红外传感器的频率响应相匹配。

(6)传感器的光学部分不能用手去模、擦，以防止损伤与沾污。

(7)传感器存放时要注意防水、防潮、防振和防腐蚀。

11.2红外传感器的应用

11.2.1红外测温

红外传感器的应用广泛，红外测温是众多温度测量中比较先进的测温方法之一。

1.红外测温的特点

(1)红外测温是远距离和非接触的大面积测温，可作静、动态目标温度变化的探测，特别适合于高速运动物体、带电体、高温及高压物体的温度测量。

(2)红外测温反应速度快。它不需要经过与物体达到热平衡的过程，只要接收到目标的红外辐射即可定温，反应时间都在毫秒级甚至微秒级。

(3)红外测温灵敏度高。因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量较大的变化。

(4)红外测温温度分辨率高，其测量准确度可达到0.02～0.1℃，探测变化温度的精度高。由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度的分布状况，因此测出的温度比较真实。

(5)红外测温范围广泛，可测温度达-50～2000℃，应用领域广。

(6)红外测温工作环境广。因只响应红外线，故白天、黑夜均可以工作。

2.红外测温仪

红外测温仪结构原理如图11-8所示。它由光学系统、红外探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。图11-8红外测温仪的结构原理光学系统可以是透射式的，也可以是反射式的。透射式光学系统的部件是用红外光学材料制成的，有固定焦距。可根据红外波长选择光学材料，一般测量高温(700℃以上)仪器所用的波段主要是0.76~3μm的近红外区，可选用一般的光学玻璃或石英等材料。测量中温(100~700℃)仪器所用的波段主要是3~5μm的中红外区，多采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料。测量低温(100℃以下)仪器，所用波段主要在5~14μm的中远红外波段，多采用锗、硅、热压硫化锌等材料。因为系统对交变信号的处理比较容易，且能取得较高的信噪比，所以切割入射辐射而使投射到红外传感器上的辐射信号成交变信号。一般通过微电机带动调制盘转动把被测的红外

辐射调制成交变的红外辐射线。反射式光学系统多用凹面玻璃反射镜，并在其表面镀金、铝或镍铬等在红外波段反射率很高的材料。红外测温仪由光学系统汇聚其视线内的目标红外辐射能量，红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号，该信号再经换算转变为被测目标的温度值。选用哪种传感器要根据目标辐射的波段与能量等实际情况来确定。红外测温电路比较复杂，随着智能红外测温仪的开发，利用单片机结合软件，可简化电路，提高电路的准确性、可靠性和稳定性。11.2.2红外成像

红外成像就是将被测物体辐射出的红外线，以图像的形式直观地显示出来。下面根据不同成像器件对成像原理作简要介绍。

1.红外变像管成像

红外变像管由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，是直接把物体红外图像变成可见图像的电真空器件，安装在高度真空的密封玻璃壳内，如图11-9所示。图11-9红外变像管示意图当被测物体的红外辐射通过物镜照射到光电阴极上时，光电阴极表面的红外敏感材料接收辐射后，便发射光电子。光电阴极发射的光电子在电场的作用下飞向荧光屏。荧光屏上的荧光物质，受到高速电子的轰击便发出可见光。可见光的辉度与轰击的电子密度的大小成比例，光电子密度的分布又与表面的辐照度的大小成正比，也就是与物体发射的红外辐射成正比。这样物体的红外图像便被转换成可见光图像。

2.红外摄像管成像

红外摄像管是将被测物体辐射出的红外线，通过镜头接收，转换成电信号，经过电子信号处理系统放大处理后转成视频，在屏幕上显示出热像。如光导摄像管、热释电摄像管都

属于红外摄像管成像。热释电摄像管的结构如图11-10所示。热释电靶面为一块热释电材料薄片，在接收辐射的一面覆以一层对红外辐射透明的导电膜。当经过调制的红外辐射经光学系统成像在热释电靶上时，靶面吸收红外辐射，温度升高并释放出电荷。靶面各点的热释电与靶面各点温度的变化成正比，而靶面各点的温度变化又与靶面的辐照度成正比。因此，靶面各点的热释电量与靶面的辐照度成正比。当电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时，就得到与靶面电荷分布相一致的视频信号。通过导电膜取出视频信号，送视频放大器放大，再送到控制显像系统，在显像系统的屏幕上便可见到与物体红外辐射相对应的热像图。图11-10热释电摄像管的结构简图因热释电材料是随温度变化释放出电荷的，温度不变，热释电效应就消失，所以当对静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制。

3.CCD成像

在第10章介绍的电荷耦合器件(CCD)是比较理想的固体成像器件。目前实现夜视的红外CCD成像仪就是利用普通CCD摄像机感受红外光的光谱特性，配合红外灯(辐射红外光线)

作为“照明源”来感受周围景物和环境反射回来的红外光实现夜视成像的。

根据成像原理和成像的对象不同，红外成像仪种类很多。其基本工作原理大致相同。红外探测器探测被测物体，输出的微弱信号送入前置放大器进行放大。前置放大器的输出信号经视频放大器放大，再去控制显像管屏上射线的强弱。由于红外传感器输出的信号大小与其所接收的辐照度成比例，因而显像荧屏上射线的强弱亦随传感器所接收的辐照度成比例变化。

红外分析仪是根据物质的吸收特性来进行工作的。许多化合物的分子在红外波段都有吸收带，而且因物质的分子不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。根据吸收带分布的情况与吸收的强弱，可以识别物质分子的类型，从而得出物质的组成及百分比。根据不同的目的与要求，红外分析仪可设计成多种不同的形式，如红外气体分析仪、红外分光光度计、红外光谱仪等。

下面以医用二氧化碳分析仪来说明红外分析仪的工作原理。

医用二氧化碳气体分析仪是利用二氧化碳气体对波长为4.3μm的红外辐射有强烈的吸收特性来进行测量分析的，它主要用来测量分析二氧化碳气体的浓度。分析仪包括采气和测量两大部分。采气装置收集二氧化碳气体后，将它送入测量气室。测量部分对气体进行测量分析，并显示其测量结果。11.2.3红外无损检测

红外无损检测是20世纪60年代以后发展起来的实用技术。它是通过测量热流或热量来鉴定物质材料质量、探测内部缺陷的。与多种常用的检测技术，如超声波、X射线、磁化等相比，红外无损检测技术具有适用面广(可用于所有金属和非金属材料)，速度快(每个测量一般只需数秒钟)，观测面积大(根据被测对象，一次测量可覆盖面积近一平方米)，测量结果用图象显示，直观易懂，不需接触试件等优点。红外无损检测分主动式和被动式两类。主动式是利用物体因其结构或材料不同而导致的热传导特性的不同，人为地采用各式各样的加热方法对试件进行加热用以激发显示表面裂

纹和暗藏于表面以下的各种损伤和异常结构变化，探测物体热量或热流变化规律，以此分析判断物体的质量；被动式则用物体自身的热辐射作为辐射源，探测其辐射的强弱或分布情况，

判断物体内部有无缺陷。红外无损检测技术应用范围广。如用于各种新材料，特别是多层复合材料的研究；各工业、制造业中探测各种承重设备表面及表面下的疲劳裂纹；各种黏接、焊接质量检测，涂层检测；用于产品质量的监测；对设备运转情况的监测；用于对产品研发过程中加载或破坏性试验过程的评估；用于航空、航天、军工领域中有关飞行器安全的检测等。此外，这项技术还可以用来做定量测量分析，如测量材料厚度和各种涂层、夹层的厚度以及进行表面下的材料和结构的特征识别。下面是几种无损检测实例：

1)焊接缺陷的无损检测

焊口表面起伏不平，采用x射线、超声波、涡流等方法难于发现缺陷。而红外无损检测则不受表面形状限制，能方便和快速地发现焊接区域的各种缺陷。

图11-11为两块焊接的金属板，其中图(a)焊接区无缺陷，图(b)焊接区有一气孔。若将一交流电压加在焊接区的两端，在焊口上会有交流电流通过，焊口将产生一定的热量，热量的大小正比于材料的电阻率和电流密度的平方。在没有缺陷的焊接区内，电流分布是均匀的，各处产生的热量大致相等，焊接区的表面温度分布是均匀的。而存在缺陷的焊接区，由于缺陷(气孔)的电阻很大，使这一区域损耗增加，温度升高。应用红外测温设备即可清楚地测量出热点，由此可断定热点下面存在着焊接缺陷。图11-11由于集肤效应和焊接缺陷所引起的表面电流密集情况(a)无焊接缺陷;(b)有焊接缺陷采用交流电加热的好处是可通过改变电源频率来控制电流的透入深度。低频电流透入较深，对发现内部深处缺陷有利；高频电流集肤效应强，由于电流的集肤效应，靠近表面的电流密度将比下层大，表面温度特性比较明显。但表面电流密度增加后，材料可能达到饱和状态，它可使电流沿深度方向分布，使近表面产生的电流密度趋向均匀，给探测造成不利。

2)铸件内部缺陷的探测

有些精密铸件内部非常复杂，采用传统的无损探伤方法不能准确地发现内部缺点。而用红外无损探测，就能很方便地解决这些问题。

当用红外无损探测时，只需在铸件内部通以液态氟利昂冷却，使冷却通道内有最好的冷却效果。然后利用红外热成像仪快速扫描铸件整个表面，如果通道内有残余型芯或者壁厚不匀，在热图中即可明显地看出。冷却通道畅通，冷却效果良好，热图上显示出一系列均匀的白色条纹；假如通道阻塞，冷却液体受阻，则在阻塞处显示出黑色条纹。

3)疲劳裂纹探测

飞机损伤大致有五类：一是起降过程中受异物撞击(如冰雹、飞沙、飞鸟等)后引起的损伤，特别是采用复合材料的部分，受撞击后表面完好，而强度和密封性已被破坏；二是因高低空压力变化产生的“吹气球”效应，从而导致应力集中处(铆钉附近)的金属因疲劳而产生裂纹；三是各种化学原因造成的锈蚀，特别是内表面锈蚀；四是各种原因引起的结构损伤，如各种失效的粘接、焊接、铆接；五是密封不好引起的机身蜂窝结构件和泡沫材料件的积水。红外无损检测对于这五类损伤的检测效果都远优于其他检测办法，同时还可以对损伤做定量分析，如探测损伤深度、锈蚀程度以及能区别是积水还是渗漏的液压油等。图11-12为对飞机表皮进行疲劳裂纹探测示意图。为了探测出疲劳裂纹位置，采用一个点辐射源在表皮表面一个小面积上注入能量。然后用红外辐射温度计测量表面温度。如图11-12(b)所示，如果在表面附近存在疲劳裂纹，则热传导受到影响，在裂纹附近热量不能很快传输出去，使裂纹附近表面温度很快升高，由此探测裂纹所在。图11-12探测疲劳裂纹示意图

(a)对样品扫描示意图;(b)表面温度分布曲线

11.3红外气体传感器

20世纪60年代首次出现了利用气体在电极上的氧化还原反应研制出的气体传感器，从此气体传感器飞速发展，应用于各种场合，比如气体泄漏检测，环境检测等。

气体传感器主要有半导体传感器、绝缘体传感器、电化学式传感器、红外吸收型传感器等。红外吸收型气体传感器又称红外气体分析仪。当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，通过光强的变化测出气体的浓度。许多化合物的分子在红外波段都有吸收带，而且因