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红外传感器的工作原理及实际应用

引言：

宇宙间的任何物体只要其温度超过零度就能产生红外辐射，事实

上同可见光一样，其辐射能够进行折射和反射，这样便产生了红外技

术，利用红外光探测器因其独有的优越性而得到广泛的重视，并在军

事和民用领域得到了广泛的应用。军事上，红外探测用于制导、火控

跟踪、警戒、目标侦查、武器热瞄准器、舰船导航等；在民用领域，

广泛应用与工业设备监控、安全监视、救灾、遥感、交通管理以及医

学诊断技术等。红外探测就是用仪器接受被探测物发出或者反射的红

外线，从而掌握被测物所处位置的技术。作为红外探测系统的核心期

间，红外传感器（也称为红外探测器）的研究成为一个热点。

红外传感器的测量原理的理论依据

定义：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。

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）有哪些信誉好的足球投注网站和跟踪系统，用于有哪些信誉好的足球投注网站和跟踪红外目标，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像；（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。

首先了解一下红外光。红外光是太阳光谱的一部分，红外光的最大

特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红

外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干

涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。红外光

在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透

过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。

不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光

存在不同的吸收带。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。研究发现，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，因此人们又将红外辐射称为热

辐射或热射线。

红外线传感器的工作原理

红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分

的实体分别是：

（1）待测目标。根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设

定。（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气

体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出

的红外辐射发生衰减。（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射

并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。（4）辐射调制

器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，

并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质

相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下

是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子

探测器和热敏感探测器两大类型。（6）探测器制冷器。由于某些探测

器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，

设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。（7）信号处理系统。将探

测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类

信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。（8）

显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像

管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。依照上面的流程，红外系

统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，

按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光

波无选择的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、

内光电效应(光生伏特效应、光电导效应)和光电磁效应。热探测器是

利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使

探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便

可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接

收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应

的电量变化。热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应

时间要长得多。前者的响应时间一般在ms以上，而后者只有ns量级。

热探测器不需要冷却，光子探测器多数要冷却。

测量原理图

(1)各种波长的红外线射入传感

器。

(2)组件顶端之入射窗以滤光镜

(Filter)覆盖着，只让必要的红外

线通过，而将不要