07传感器及应用第10章光学传感器下.ppt

1、2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,1,07传感器及应用 第10章 光学传感器-下,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,2,10.5 红外传感器 10.5.1红外基础知识 1.红外辐射概述 俗称红外线，位于可见光中红光以外，是一种人眼看不见的光线 任何温度高于绝对零度的物体，都有红外线向周围空间辐射,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,3,波长范围大致在0.75m到1000 m的频谱范围之内，相应于频率在4101431011Hz之间 红外线与可见光、紫外线等光线、射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱 在红外技术中

2、，一般将红外辐射分为近红外区、中红外区、远红外区和极远红外区四个区域。,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,4,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,5,2.红外辐射的物理本质,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，红外辐射的能量就越强 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 因此又将红外辐射称为热辐射或热射线,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,6,实验表明，波长在0.11000m之间的电磁波被物体吸收时，可以显著地转变为热能 可见，载能电磁

3、波是热辐射传播的主要媒介物,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,7,3.红外吸收及红外窗口,红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减 空气中对称的双原于分子，如N2H2，O2不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,8,右图为通过一海里长度的大气透过率曲线 红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段： 12.5m，35m，814m，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，因为一般红外仪器都工作在这三个窗口之内

4、,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,9,4.红外辐射源,当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间辐射出来 有一种材料，在任何温度下能吸收任何波长的电磁辐射，称黑体（绝对黑体） 根据辐射源几何尺寸的大小，距探测器的远近，又分为面和源点源,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,10,面源 一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的大面辐射源叫做面源 点源 没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源 太阳,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,11,10.5.2 红外探测器,1.红外探测器的分类与特点 红外探测器有多种分类方法 温

5、度：低温 中温和高温 响应波长 ：近红外、中红外和远红外 用途：单元型、多元阵列型和成像探测 探测机理：热探测型与光电探测型,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,12,红外探测器分类,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,13,2.红外传感器的性能参数,（1）响应率 当(经过调制的)红外辐射照射到传感器的敏感面上时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比,叫做传感器的电压响应率，记作R USC 红外传感器的输出电压， P 投射到红外敏感元件上的功率， R的单位为V/W。给出响应率时应说明工作温度，和工作面积,2020/8/28,07传感器及应用第10章

6、光学传感器下,14,（2）光谱响应,表示传感器的电压响应与入射的红外辐射波长之间的关系，一般用曲线表示 通常将响应率最大值Rm所对应的波长称为峰值波长m 把响应率下降到响应值Rm的一半所对应的波长称为截止波长c，它表示红外传感器使用的波长范围,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,15,红外传感器的电压响应率曲线 1:热电传感器的电压响应率曲线 2:光子传感器的电压响应率曲线,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,16,（3）噪声等效功率NEP,如果投射到红外敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压，正好等于传感器本身的噪声电压，则这个辐射功率就叫做“噪声等

7、效功率” 为了表明使用条件，常写成NEP（，f，f） 如测量条件为：黒体500K，斩波频率400Hz，测量带宽1Hz，记为NEP（500K， 400Hz ，1Hz）,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,17,（4）探测率D和比探测率D*,探测率是噪声等效功率的倒数，即 红外传感器的探测率越高，表明传感器所能探测到的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,18,比探测率又叫归一化探测率、或者叫探测灵敏度 实质上就是当传感器的敏感元件面积为单位面积，放大器的带宽f为1Hz时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比 D*

8、越高，传感器灵敏越高，性能越好,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,19,（5）响应时间,响应时间表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率 输出信号滞后于红外辐射的时间，称为传感器的时间常数，其值为探测器受辐射照射时输出信号上升到稳定值的63%时所需的时间常用 表示,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,20,热传感器的热惯性参数较大，其时间常数大于光子传感器，一般为毫秒级或更长 光子传感器的时间常数一般为微秒级 如锗掺汞为10-5s，碲镉汞为10-9s ，超导YBCO 为 10-11s,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,2

9、1,10.5.3 红外传感器的基本类型,红外传感器(也称为红外探测器)是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件 它是红外探测系统的关键部件，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣 选择合适的、性能良好的红外传感器、对于红外探测系统十分重要,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,22,1.热传感器 热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使相关物理参数发生相应的变化 通过测量热引起的有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,23,热探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用简单 但是，热传感

10、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： 热释电型 高莱气动型 热电偶型 热敏电阻型,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,24,2. 光子型红外传感器,利用某些半导体材料与入射光作用后电学性质的变化 通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱 利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器 光子型红外传感器比热传感器型来得直接，所以有许多优点,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,25,主要特点是灵敏度高，响应速度快、具有较高的响应频率 但其一般需在低温下工作探测波段较窄 按照光子传感器的工作原理，一般可分为：内光电

11、和外光电传感器 后者又分为光电导传感器、光生伏特传感 和光磁电传感器 外光电传感器（PE）采用光电二极管、光电倍增管等外光电效应器件。它们的响应速度比较快，一般只需几个毫秒,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,26,由于电子出射需要较大能量，只适合在近红外和可见光范围 光电导传感器（PC）用内光电效应。常用硫化铅、硒化铅、锑化铟等化合物半导体材料制作的光电导传感器（光敏电阻）。这种光传感器在工作时需要低温 利用砷化铟、锑化铟、碲镉汞和碲锡铅等制作的光生伏特PN结也是光子型传感器,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,27,10.5.4 主要的热传感器1

12、.热释电型传感器,是一种具有极化现象的热晶体（铁电体） 铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关 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，所以叫做热释电型传感器,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,28,热释电传感器的结构与等效电路见图10.39所示 在垂直于极化轴方向，将具有热释电性的晶体切片，并研磨成550m的薄片，两边蒸金属电极，就成为一红外热释电元件,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,29,如果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

13、出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱 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,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,30,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 只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出 必须对红外辐射进行调制(或称斩光)，使恒定的辐射变成交变辐射，不断地引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,31,2.高莱气动型传感器,它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连 薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附

14、有吸收膜，它是低热容量的薄膜,在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,32,高莱气动型传感器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 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，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,33,当柔镜因压力变化而移动时栅状图像与栅状光栏发

15、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 变化量反映出入射红外辐射的强弱 特点是灵敏度高，性能稳定 但响应时间长（20ms左右），结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,34,3.测辐射热电偶和势电堆,热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料(如铋一银、铜一康铜、铋一铋锡合金等)构成的 当红外辐射入射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，将产生温差电势,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,35,2020/8/28

16、,07传感器及应用第10章光学传感器下,36,温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱 利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器 热电偶红外传感器的D*约为109cmHz1/2W-9，R值为520V/W响应时间长达几十毫秒 动态特性较差，调制频率应在10Hz以下,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,37,热电堆是把多个热电偶进行串联，这样可以获得较大的信号，使响应时间减小 图10.43为Sb-Bi热电堆,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,38,4.热敏电阻型传感器 由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成 一般制成薄片状，当红外辐射照射

17、在热敏电阻上，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物体的温度,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,39,热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,40,也用金属热电阻，其受光面积为110mm2 半导体热热敏电阻受光面积为0.110mm2 为了补偿在传感器壳体中通常使用两个温度传感器，它们组成桥路输出,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,41,热敏电阻的D*约为2108cmHz1/2W-1，响应时间长达几十毫秒。,2020/8/28

18、,07传感器及应用第10章光学传感器下,42,5.光磁电探测器,如图10.45所示，半导体表面经光照后会产生电子-空穴光生载流子,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,43,它们会向体内扩散，受到一横向磁场作用后，电子空穴各扩散到一边，因而产生电位差 这种现象称光磁电效应。利用这种效应制作的红外探测器称光磁电探测器 用锑化铟，碲镉汞等材料制作,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,44,光磁电传感器不需要致冷，响应波段可达7m左右，时间常数小，响应速度快，不需加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性 其不足之处是灵敏度较低，低噪音前置放大器制作困

19、难，而且还要较强的磁场,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,45,5.红外传感器使用中应注意的问题,使用红外传感器时，必须首先注意了解它的性能指标和应用范围，掌握它的使用条件 选择传感器时要注意它的工作温度。一般要选择能在室温工作的红外传感器，设备简单，使用方便，成本低廉，便于维护,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,46,10.5.5 红外测温,1. 红外测温的特点 红外测温是远距离和非接触测温，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 红外测温反应速度快 它不需要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。反映时间一

20、般都在毫秒级甚至微秒级,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,47,红外测温灵敏度高 物体的辐射能与温度的四次方成正比。温度的微小变化，会引起辐射能变化放大，红外传感器即可迅速地检测出来 红外测温准确度较高 由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。其测量准确度可达到0.1以内，甚至更； 红外测温范围广泛 摄氏零下几十度到零上几千度的范围,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,48,2. 红外测温原理,红外测温有几种方法，我们介绍全辐射测温 全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度,2020/8/28,

21、07传感器及应用第10章光学传感器下,49,它是应用斯蒂芬-玻尔兹曼定律 W= T4 W- 物体的全波辐射时单位面积所发射的辐射功率 - 物体表面的法向比辐射率 - 斯蒂芬一玻尔兹曼常数 T- 物体的绝对温度 物体的总是在0与1之间， =1的物体叫做黑体 T越大，物体的辐射功率就愈大,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,50,3.红外辐射测温仪,它由光学系统、调制器、红外传感器、放大器和指示器等组成 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,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,51,2020/8/28,07

22、传感器及应用第10章光学传感器下,52,10.6 激光传感器,10.6.1激光概述 材料中的电子通常处于E1低能的稳定状态 当受到外界的激发（光、电场或射线）进入高能状态E2，称受激 当外界条件除去后电子将回到其稳定态，它的多余能量主要以光的形式释放，称发光,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,53,电子从高能到稳定态发射光子的频率为 一般，材料中处于高能的电子数目非常少，如果用特殊方法，使材料中的电子大部分处于受激态，称粒子数反转 处于高能的电子在外来光的诱发下集体回复到低能级而发光，称受激发光,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,54,只有外来光

23、子的频率等于激发态原子的某一频率时，才能发生受激发光（辐射） 受激辐射发出的光子与外来光子有完全相同的特征：频率相同，光的传播方向相同，光的振动方向相同 这意味着受激辐射能起着放大的作用，如下图所示,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,55,这种发射出来的光就是激光。 其发生过程如下： 用特殊方法，使工作物中离子数反转，外来光子并附合,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,56,将两块平行的反射镜面对面放置，构成一个“谐振腔”。工作物放在谐振腔中间 原子中发出的光沿谐振腔传播时，光子碰到镜面，被反射折回，经过两镜面的不断往复反射，在运行过程中光子不断的

24、与受激原子碰撞，形成雪崩式的放大，最后形成了激光 与普通光比，激光有以下特点：,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,57,高方向性 激光具有高平行度，它的光束发散角非常小。激光在很窄的范围内，向特定方向发射 高单色性 激光的频率宽度比普通光的频率宽度小10倍以上 高亮度 也就是激光的强度非常高。如一台高性能的红宝石激光器的激光束可以产生几百万摄氏度的高温,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,58,10.6.2 激光器,要产生激光必需要有工作物质、激励能源和谐振腔三个部分，将这三部分结合在一起的装置就是激光器 从1960年第一台红宝石激光器问世以来，已

25、经有数百种各种各样的激光器研制成功，其波长从0.24m到远红外 按照工作物的性质，激光器可分为固体激光器、气体激光器和液体激光器,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,59,10.6.3 激光检测的应用,利用激光技术，可以对长度、位移、速度、转动及振动进行测量 1.激光测长 精密测长的精密机械制造工业和光学加工的重要技术,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,60,现代长度计利用光波干涉现象进行的，故光的单色性非常重要 由光学原理，某种单色光可测长度L与单色光源波长与谱线宽度关系为 L=2/ 普通光的较大，可测长度小于0.5m， 而激光的非常小可测长度为几十公里 对于一个数米的工件，用激光测长，精度可在0.1m,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,61,2.激光测距与激光雷达 激光测距的原理与无线电雷达一样，将激光对准目标发出以后，测量它返回时间，从而得知距离 若发出信号到接受信号的时间为t，因光速为c是一定值，固距离d为 d=1/2ct 由于激光具有方向性、高单色性和高功率等优良性能，这对于测远距离、判定目标方位、提高系统的信噪比保证测量的精确性都提供了保证,2020/8/28,07传感器及应用第10章光学传感器下,62,激光雷达不仅能测量目标距离，还可以测出目标的方位和目标的速度和加速度等 激光雷