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06.7.23 07传感器及应用第10章光学传感器下 06.7.23 07传感器及应用第10章光学传感器下 07传感器及应用讲稿 07传感器及应用 第10章 光学传感器-下 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 波长范围大致在0.75?m到1000 ?m的频谱范围之内，相应于频率在4?1014~3?1011Hz之间 红外线与可见光、紫外线等光线、γ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，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。 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 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 可见，载能电磁波是热辐射传播的主要媒介物 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N2．H2，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 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： 1~2.5μm，3~5μm，8~14μm，统称为“大气窗口” 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 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 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 红外探测器分类 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 （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 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 （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） （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 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*越高，传感器灵敏越高，性能越好 （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τ 表示 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τ一般为微秒级 如锗掺汞τ为10-5s，碲镉汞τ为10-9s ，超导YBCO τ为 10-11s 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 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