传感器与检测技术 光电式传感器 7-6 红外传感器.pptx

第7章 光电式传感器;  红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围大致在0.76～1000μm，对应的频率大致在4×1014~3×1011Hz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外四个部分，如图7.40所示。 红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体的温度只要高于绝对零度（-273℃），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，??射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后将转化成热能。 ; 红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积，即   红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、红外探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。其中，红外探测器是红外传感器的核心器件。红外探测器种类很多，按探测机理的不同，通常可分为两大类：热探测器和光子探测器。;7.6.2 热探测器; 在外加电场作用下，电介质中的带电粒子（电子、原子核等）将受到电场力的作用，总体上讲，正电荷趋向于阴极、负电荷趋向于阳极，其结果使电介质的一个表面带正电、相对的表面带负电，如图7.41所示，把这种现象称为电介质的“电极化”。对于大多数电介质来说，在电压去除后，极化状态随即消失，但是有一类称为“铁电体”的电介质，在外加电压去除后仍保持着极化状态，如图7.42所示。; 一般而言，铁电体的极化强度Ps（单位面积上的电荷）与温度有关，温度升高，极化强度降低。温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度被称为“居里温度”或“居里点”，在居里点以下，极化强度Ps是温度的函数，利用这一关系制成的热敏类探测器称为热释电探测器。 热释电探测器的构造是把敏感元件切成薄片，在研磨成5~50μm的极薄片后，把元件的两个表面做成电极，类似于电容器的构造。为了保证晶体对红外线的吸收，有时也用黑化以后的晶体或在透明电极表面涂上黑色膜。当红外光照射到已经极化了的铁电薄片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强度（单位面积上的电荷）降低，表面的电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫热释电型红外传感器。释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外光继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率，不取决于晶体与辐射是否达到热平衡。 近年来，热释电型红外传感器在家庭自动化、保安系统以及节能领域的需求大幅度增加，热释电型红外传感器常用于根据人体红外感应实现自动电灯开关、自动水龙头开关、自动门开关等。 ;7.6.3 光子探测器; 热释电探测器和光子探测器的区别主要表现为： （1）光子探测器在吸收红外能量后，直接产生电效应；热释电探测器在吸收红外能量后，首先产生温度变化，再产生电效应，温度变化引起的电效应与材料特性有关。 （2）光子探测器的灵敏度高、响应速度快，但二者都会受到光波波长的影响；光子探测器的灵敏度依赖于本身温度，要保持高灵敏度，必须将光子探测器冷却至较低的温度。热释电探测器的特点刚好相反，一般没有光子探测器那么高的灵敏度、响应速度也较慢，但在室温下就有足够好的性能，因此不需要低温冷却，而且热释电探测器的响应频段宽（不受波长的影响），响应范围可以扩展到整个红外区域。