第12章热电式传感器详解.ppt

* 红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是能将红外辐射能转换为电能的热电或光电器件。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。 1）热探测器（热电型） 有：热释电、热敏电阻、热电偶等； 2）光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化； 有:光敏电阻、光电管、光电池等。 量子型光子探测器与光电传感器原理相同， 本节主要介绍热释电型红外探测器。 1.热释电效应 热探测器主要是利用红外辐射的热效应，当探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其材料的物理量变化，如热释电电荷、热敏电阻阻值、热电偶电势、气体浓度变化等。 热释电效应首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号。 热释电元件温度特性如图所示。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，不显电性，要让热释电显现出电特性，必须用光调制器使温度变化，如下图所示。 已知热释电元件电荷中和的平均时间为： 调制器的入射光频率f 必须大于电荷中和的时间频率，即 热释电材料表面电荷极化随温度变化状况如图所示。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。由图可见，当温度上升或下降时，电荷极性相反。 2.热释电元件等效电路 热释电元件是电荷储存元件，传感器可视为电流源，电流大小与温度随时间的变化率有 式中，S是元件面积，P为极化强度；g为热释电系数。 说明，热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压，其输出电压为 式中，Z为热释电元件的等效阻抗。 热释电元件结构如图所示，市场购买的普通热释电元件已经将前级的FET场效应管和输入电阻Rd安装在管壳中，FET场效应管起到阻抗变换的作用。热释电传感器等效电路如下图。T为热释电晶体，Rd是输入绝缘电阻，RL为外接负载电阻。由于热释电传感器绝缘电阻很高，容易引入噪声，使用时要求有较高的输入电阻。 3.红外光子探测器 光量子型是利用光电效应，通过改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型红外传感器主要有： 光电导型（PC） —— 利用光敏电阻受光照后引起电阻变化； 光导电型（PV） —— 由于光照产生光生电子—空穴对，形成光生电动势； 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于 光照成正比的感应电荷； 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 光子探测器与热释电传感器在性能上最大的区别是，光量子型红外光电探测器探测的波长较窄，而热探测器几乎可以探测整个红外波长范围。 * 1.红外测温仪 2.红外线气体分析仪 3.热成像 1.红外测温仪 红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。 2.红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65 μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 μm和4.26 μm附近以及波长大于13 μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26 μm附近的吸收波段进行分析。 几种气体对红外线的透射光谱 如CO气体和CO2在4～5 μm波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。 3.热成像 在中、长波红外探测领域，现在多采用了碲镉汞红外光子探测器。 热成像元件 红外热像仪将红外辐射转换成可见光进行显示，利用物体自身的红外辐射来摄取物体热辐射图像。它能通过快速扫描，精确的摄取反映被测物体温差信息的热图像。 总线节点发热检测 耐火材料设备检测 电脑主板发热量分布 沥青铺路温度分布 不同的颜色和亮度代表不同的温度 任何物体只要温度高于绝对零度，内部原子就会作无规则运动，并不断地辐射出热红外能量。红外探测器可将物体辐射的红外功率信号转换成电信号，在计