《传感器》课件-红外检测

一.红外检测的物理基础

红外辐射又称红外光，其频率和波长范围见图16-8所示。从紫光到红光热效应逐渐增大，而热效应最大的为红外光。在自然界中只要物体本身具有一定温度(高于绝对零度)，都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、甚至冰块都能产生红外辐射。红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。电磁波谱大学物理回顾普朗克假说

普朗克(M.Planck)在与实验物理学家鲁本斯讨论热辐射问题中的矛盾后，经过悉心研究提出：对于频率为ν

的电磁辐射，物体只能以hν

为单位发射或吸收它。即物体发射或吸收电磁辐射只能以“能量子”方式进行，每个能量子的能量为

ε=hν

其中

h=6.63×10-34J·s

称为普朗克常数。

1.基尔霍夫定律1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都是常数。用一句精练的话表达，即：“好的吸收体也是好的辐射体”。

式中

ER——物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能；

α——物体的吸收系数；E0——常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。2.斯忒藩-玻尔兹曼定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为式中

T——物体的绝对温度(K)；σ——斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·k4)；ε——比辐射率，黑体的ε＝1。3.维恩位移定律红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即

λm＝2897/T（μm)

(8-22)

图8-9为不同温度的光谱辐射分布曲线，图中虚线表示了由式(8-22)描述的峰值辐射波长λm与温度的关系曲线。从图中可以看到，随着温度的升高其峰值波长向短波方向移动，在温度不很高的情况下，峰值辐射波长在红外区域。

不同温度的光谱辐射分布曲线

(a)

温度为15～200℃；(b)温度为1000～2000K从图中可以看到，随着温度的升高其峰值波长向短波方向移动，在温度不很高的情况下，峰值辐射波长在红外区域。不同温度黑体的辐射谱光的发射与吸收本质上是电子在原子、分子能级间跃迁的结果，处在低能级的电子，吸收适当能量的光子就会跃迁到高能级。在分子中，不但要考虑电子的轨道运动能级，而且要考虑由于分子的振动和转动附加上的振动能级和转动能级。一般情况，电子的能量应为

E＝Ee＋Ev＋Er而能级跃迁所造成的能量变化为

ΔE=ΔEe+ΔEv+ΔEr

物质的分子要发射或吸收红外辐射，必须有合适的振动能级和转动能级，而这些能级的存在实际上是由分子结构决定的。

二.红外探测器

红外探测器是红外检测系统中最重要的器件之一，按工作原理可分为“热探测器”和“光子探测器”两类。

1.热探测器热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。常用的物理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸发现象等。因此，只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红外辐射能大小，从而得到被测非电量值。用这些物理现象制成的热电探测器，在理论上对一切波长的红外辐射具有相同的响应。但实际上仍存在差异。其响应速度取决于热探测器的热容量和热扩散率的大小。

2.光子探测器利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。常用的光子效应有光电效应、光生伏特效应、光电磁效应、光电导效应。热探测器与光子探测器比较：①热探测器对各种波长都能响应，光子探测器只对一段波长区间有响应；②热探测器不需要冷却，光子探测器多数需要冷却；③热探测器响应时间比光子探测器长；④热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关，光子探测器容易实现规格化。目前,在红外成像信号检测领域,世界各国都热衷于二维混合红外焦平面阵列IRFPAs(InfraredFocal-PlaneArrays),阵列尺寸已向1024×1024迈进,如图1所示。IRFPAs可以工作在监视模式和扫描模式。随着IR检测器技术的不断成熟，现在可以生产很大规模的检测器阵列，监视模式的IRFPAs应用日益广泛。

红外探测器的发展史红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。典型的传感器系统各部分工作原理

三.红外辐射检测技术的应用

1.红外测温

图是输电线热接点测温仪原理图。这是一种全辐射测温仪，用热敏电阻、热电堆或热释电探测器作接收辐射的敏感元件，其工作波段为2—15μM，主要用于检测高压线接点发热温度和其他低温目标温度。该类仪器由光学系统、调制器、探测器、电子线路和机械部分组成。光学系统为组合式卡塞格沦结构。带激光导向,光红外手持高温计

红外测温的特点有：①测量过程不影响被测目标的温度分布，可用于对远距离、带电、以及其他不能直接接触的物体进行温度测量；②响应速度快，适宜对高速运动物体进行测量；③灵敏度高，能分辨微小的温度变化；④测温范围宽，能测量-10～+1300℃之间的温度比色温度计是不需要修正读数的红外测温计，

目标识别“库尔斯克”号内装备先进的“花岗岩”远程超音速反舰导弹

红外制导2.红外气体分析只要在红外波段范围内存在吸收带的任何气体，都可用红外辐射进行分析。该法的特点是：灵敏度高、反应速度快、精度高、可连续分析和长期观察气体浓度的瞬时变化。滤光片型

滤光片型主要作专用分析仪器，如粮食水分测定仪。由于滤光片数量有限，很难分析复杂体系的样品。

Fourier变换红外光谱仪工原理示意图：仪器中的Michelson干涉仪的作用是将光源发出的光分成两光束后，再以不同的光程差重新组合，发生干涉现象。当两束光的光程差为

/2的偶数倍时，则落在检测器上的相干光相互叠加，产生明线，其相干光强度有极大值；相反，当两束光的光程差为/2的奇数倍时，则落在检测器上的相干光相互抵消，产生暗线，相干光强度有极小值。由于多色光的干涉图等于所有各单色光干涉图的加合，故得到的是具有中心极大，并向两边迅速衰减的对称干涉图。干涉图包含光源的全部频率和与该频率相对应的强度信息，所以，如有一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品能吸收特征波数的能量，结果所得到的干涉图强度曲线就会相应地产生一些变化。

傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪光源样品室检测器显示器绘图仪计算机干涉图光谱图FTS光纤漫反射采样装置及其示意图3.红外遥测运用红外光电探测器和光学机械扫描成像技术构成的现代遥测装置，可代替空中照相技术，从空中获取地球环境的各种图像资料。在气象卫星上采用的“双通道扫描仪”装有可见光探测器和红外探测器。红外探测还可用于森林资源、矿产资源、水文地质、地图绘制等勘测工作。卫星多光谱传感器LISS-3传感器具有四个光谱波段，分别位于可见光、近红外与短波红外区域。CCD数目每个波段6000个CCD波段频谱波段2（绿）：0.52–0.59μm波段3（红）：0.62–0.68μm波段4（近红外）：0.77–0.86μm波段5（短波红外）：1.55–1.70μm幅宽141公里几何分辨率23.5米波段配准精度<0.25象元重复周期24天

LISS