第16章红外传感器.ppt

第十六章 红外传感器,16.1 红外辐射的基本知识,16.2 红外传感器,16.3 红外测温,16.4 红外成像,16.5 红外分析仪,16.6 红外无损检测,16.1 红外辐射的基本知识,1、什么是红外辐射？,红外辐射俗称红外线，红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为红外线。它的波长范围大致在0.751000m的频谱范围之内。相对应的频率大致在 Hz之间。,2、产生红外光辐射的条件,自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。,一、关于红外辐射,3、红外光的特点,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。,红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空 间直线传播的。,红外辐射的波长（m）,红外辐射的频率（Hz）,光在真空中的传播速度，cm/s。,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，使辐射在传输过程中逐渐衰减。,红外光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，即22.6m，35m和818m，统称为“大气窗口”。,二、红外辐射术语,辐射能：辐射源以电磁波形式所辐射的能量，符号W,单位是焦耳（J）,辐射功率：辐射能传输的速率，符号P,单位是瓦（W）,辐射强度：点源在单位立体角内的辐射功率，符号J,单位是瓦/球面度（W/sr）,辐射出射度：辐射源单位面积所发出的辐射功率，符号M,单位是瓦/厘米2（W/cm2）,面辐射强度：面源在单位投影面积、单位立体角内的 辐射功率，符号N,单位是瓦/球面度厘米（W/srcm2）,辐照度：入射到接受体表面单位面积上的辐射功率，符号H,单位是瓦/厘米2（W/cm2）,光谱辐射功率：在 附近单位波长间隔内的辐射功率，,，符号，单位是瓦/微米（W/m）,光谱辐射强度：在 附近单位波长间隔内的辐射出射度，符号，单位是瓦/球面度微 米（W/srm）,光谱辐射出射度：在 附近单位波长间隔内的辐射出射度，符号，单位是瓦/厘米2微米（W/cm2m）,光谱辐照度：在 附近单位波长间隔内的辐射出射度，符号，单位是瓦/厘米微米（W/cmm）,比辐射率：同一温度下，物体的辐射出射度与黑体的辐射 出射度之比，符号,辐射吸收度：物体吸收的辐射功率与入射的辐射功率之 比，符号,辐射反射率：物体反射的辐射功率与入射的辐射功率之 比，符号,辐射透过率：物体透过的辐射功率与入射的辐射功率之 比，符号,单色比辐射率：在波长处物体的辐射出射度与黑体的辐 射出射度之比，符号,三、红外辐射源,根据辐射源几何尺寸的大小，距探测器的远近，分为点源和面源。,1、点源,将没有充满红外光学系统瞬时视场的大面源叫做点源。,理想的点源被认为是没有面积的几何点,辐射强度 是点源在某一指定方向，单位立体角内发射的辐射功率，即,设点源的辐射强度为，它与被照面上 处的圆面积 的距离为，圆面积 的法线 与 的夹角为，则 接收到的辐射功率为,2、面源,辐射强度为,面源单位面发射的辐射出射度为,面源在与它相距 处的被照面上产生的辐照度为,小面源的表面积；面源表面法线 与 的夹角；被照表面法线 与 的夹角；小面源 对被照面所张的小立体角，且,3、漫辐射体(也叫朗伯辐射体),它的面辐射强度 N 是一个与方向无关的常量,16.2 红外传感器,一、红外传感器（也称为红外探测器）的定义,红外传感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。,二、常见红外传感器,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，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量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。,热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型和热释放电型四种。,热敏电阻型传感器,热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成的。,当红外辐射照射在热敏电阻上，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射物体的温度。,热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料构成的。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照的接点处于较低的温度，此时回路中产生温差电势的大小，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,热电偶型传感器,高莱气动型传感器,高莱气动型传感器是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。,结构原理图,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。气室的前面附有吸收的膜，它是低热容量的薄膜。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光栏图像又经过栅状光栏投射红外射到光电管上。,当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变，这个变化量变反映出入射红外辐射的强弱。,热释电型传感器,热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“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。,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变化的速率。当恒定的红外辐射照射在热释电传感上时，传感器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒不定期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。,2、光子传感器,利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器。,按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电传感器两种，内光电传感器又分光电导传感器，光生伏特感器和光磁电传感器等三种。,当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大，就能使材料的电子，逸出表面，向外发射出电子，这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜在近红外辐射或可见光范转内使用。,外光电传感（PF器件）,光电导传感器（PC器件）,当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使半导体的导电率增加，这种现象叫光电导现象。利用光电导现象制成的传感器称为光电导传感器，如硫化铅（Pbs）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）等材料都可制造光电导传感器。使用光电导传感器时，需要制冷和加上一定的偏压，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄，以致使红外传感器损坏。,光生伏特传感器（PU器件）,当红外辐射照射在某些半导体材料的pn结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向N区，空穴移向P区。如果结开路，则在结两端便产生一个附加电势，称为光生电动势。利用这个效应制成的传感器称为光生伏特传感器或结传感器。,光磁电传感器（PEM器件）,当红外辐射照在某些半导体材料的表面上时，材料表面的电子和空穴将向内部扩散，在扩散中若受强磁场的作用，电子与空穴则各偏向一边，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用此效应制成的红外传感器，叫做光磁电传感器。,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，不用加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低，低噪声前置放大器制作困难，因而影响了使用。,三、红外传感器的性能参数,1、电压响应率,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。,（V/W或,）,红外传感器的输出电压（V）；,投射到红外敏感元件单位面积上的功率（W/cm2）,红外传感器敏感元件的面积（cm2）,2、响应波长范围,响应波长范围（或称光谱响应），是表示传感器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系，一般用曲线表示。,由于热电传感器的电压响应率与波长无关，它的响应率曲线是一条平行于横坐标（波长）的直线，如曲线1所示。,光子传感器的电压响应率是波长的函数，它的响应率是一条随波长变化而变化的曲线，如曲线2所示。一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长（），而把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长（），它表示红外传感器使用的波长范围。,3、噪声等效功率,如果投射到红外传感器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”。通常用符号“NEP”表示,投射到传感器敏感元件单位面积上的辐射功率（W/cm2）；红外传感器敏感元件的面积（cm2）,4、探测率,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。,5、比探测率,比探测率又叫归一化探测率，或者叫探测灵敏度。通常用符号 表示,为响应率下降到最大值的0.707（3dB）时间的调制频率。,6、时间常数,时间常数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，在数值上为,1、红外测温是远距离和非接触测量，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；2、红外测量反应速度快。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 映时间一般都在毫秒级甚至微秒级；3、红外测温灵敏度高。因为物体的辐射能量与温度的 四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐 射能量较大的变化，红外传感器可迅速地检测出来；,16.3 红外测温,一、红外测温的特点,4、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，因此测的温度比较真实。其 测量准确度可达到0.1以内，甚至更小；5、红外测量范围广泛。可测摄氏零下几十度到零上几千 度的温度范围。红外温度测量方法，几乎可在所有温 度测量场合使用。,二、红外测温原理,红外测温有几种方法，这里只介绍全辐射测温。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。它是斯蒂芬-玻尔兹曼定律的应用，定律表达式为,W _ 某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量；_ 斯蒂芬-玻尔兹曼常数；_ 物体表面的法向比辐射率；T _ 物体的绝对温度(K)。,1、斯蒂芬-玻尔兹曼定律,物体温度越高，它辐射出来的能量越大。,2、红外探测器的一般结构,红外探测器一般由光学系统、调制器、敏感元件、前置放大器和指示器等部分组成。根据光学系统的结构分为反射式光学系统的红外探测器和透射式光学系统的红外探测器两种。,反射式光学系统的红外探测器的结构图,透射式光学系统的红外控测器图,16.4 红外成像,一、红外成像原理,人们不仅需要知道物体表面的平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，以便分析、研究物体的结构，控测内部缺陷。红外成像就能将物体的温度分布以图像的形式直观地显示出来。,1、红外变像管成像,红外变像管是直接把物体红外图像变成可见图像的电真空器件，主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，并安装在高度真空的密封玻璃壳内。,当物体的红外辐射通过物镜射到光电阴极上时，光电阴极表面的红外敏感材料蒸涂的半透明银氧铯，接收辐射后，便发射光电子。光电阴极表面发射的光电子密度的分布，与表面的辐照度的大小成正比，也就是与物体发射的红外辐射成正比。,光电阴极发射的光电子在电场的作用下飞向荧光屏。荧光屏上的荧光物质，受到高速电子的轰击便发出可见光。可见光辉度与轰击的电子密度的大小成比例。这样，物体的红外图像便被转换成可见光图像。人们通过观察荧光屏的上的辉度明暗，便可知道物体各部位温度的高低。,2、红外摄像管,红外摄像管是将物体的红外辐射转换成电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。如光导摄像管、硅靶摄像管和热释电摄像管等。,热释电摄像管结构图,靶面为一块热释电材料薄片，在接收辐射的一面覆以一层对红外辐射透明的导电膜。当经过调制的红外辐射经光学系统成像在靶上时，靶面吸收红外辐射，温度升高并释放出电荷。,靶面各点的热释电与靶面各点温度的变化成正比，而靶面各点的温度变化又与靶面辐照度成正比。因而，靶面各点的热释电量与靶面的辐照度成正比。,光电子束在外加偏转磁场和纵向聚焦磁场的作用下扫过靶面时，就得到与靶面电荷分布相一致的视频信号。通过导电膜取出视频信号，送视频放大器放大，再送到控制显像系统，在显像系统的屏幕上便可见到与物体红外辐射相对应的热像图。,电荷耦合器件（CCD）是比较理想的固态成像器件。,3、电荷耦合器件,二、红外成像仪,16.5 红外分析仪,一、红外分析仪的工作原理,红外分析仪是根据物质的吸收特性来进行工作的。许多化合物的分子在红外波段都有吸收带，而且因物质的分子不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。根据吸收带分布的情况与吸收的强弱，可以识别物质分子的类型，从而得出物质的组成及百分比。,CO2气体对红外线的透射光谱,从图中可以看出,CO2气体则在2.7m和4.3m附近以及波长大于14m的范围，对红外线有较强的吸收能力。根据实验分析，4.3m吸收带不受大气中其它成份影响，那么可以利用这个吸收带来判别大气中的CO2气体成份。,二、医用二氧化碳气体分析仪,医用二氧化碳分析仪光学系统图,在标准气室里充满了没有二氧化碳的气体（或含有固定量二氧化碳的气体）。待测气体经采气装置，由进气口进入测量气室。,调节红外光源，使之分别通过标准气室和测量气室。采用干涉光片滤光，只允许波长 的红外辐射通过，此波段正好是二氧化碳的吸收带。,假设标准气室中没有二氧化碳气体，而进入测量气室中的被测气体也不含二氧化碳气体时，则红外光源的辐射经过两个气室后，射出的两束红外辐射完全相等。红外传感器相当于接收一束恒定不变的红外辐射，因此可以看成只有直流响应，接于传感器后面的交流放大器是没有输出的。,当进入测量气室小的被测气体里含有二氧化碳时，射人气室的红外辐射中的 波段红外辐射被二氧化碳吸收，使测量气室中出来的红外辐射比标准气室中出来的红外辐射弱。被测气室中二氧化碳浓度越大，两个气室出来的红外辐射强度差别越大。,红外传感器交替接收两束不等的红外辐射后，将输出一个交变电信号，经过电子系统处理与适当标定后，就可以根据输出信号的大小来判断被测气体中含二氧化碳的浓度。,16.6 红外无损检测,一、红外无损检测的特点,红外无损检测是通过测量热流或热量来鉴定金属或非金属材料质量、探测内部缺陷的。对于某些采用x射线、超声波等无法探测的局部缺陷，用红外无损检可测取得较好的效果。,二、红外无损检测的方法,红外无损检测分主动式和被动式两类。,主动式是人为地在被测物体上主入（或移出）固定热量，控测物本表面热量或热流变化规律，并以此分析判断物体的质量。被动式是用物体自身的热辐射作为辐射源，探测其辐射的强弱或分布情况，判断物体内部有无缺陷。,三、焊接缺陷的无损检测,图中焊接区无缺陷。若将一交流电压加在焊接区的两端，在焊口上会有交流电流通过。由于电流的集肤效应，靠近表面的电流密度将比下层大。由于电流的作用，焊口将产生一定的热量，热量的大小正比于材料的电阻率和电流密度的平方。在没有缺陷的焊接区内，电流分布是均匀的，各处产生的热量大致相等，焊接区的表面温度分布是均匀的。,电流,图中焊接区有一气孔，存在缺陷的焊接区，由于缺陷（气孔）的电阻很大，使这一区域损耗增加，温度升高。应用红外测温设备即可清楚地测量出热点，由此可断定热点下面存在着焊接缺陷。,四、铸件内部缺陷探测,当用红外无损探测时，只需在铸件内部通以液态氟利昂冷却，使冷却通道内有最好的冷却效果。然后利用红外热像仪快速扫描铸件整个表面，如果通道内有残余型芯或者壁厚不匀，在热图中即可明显地看出。冷却通道畅通，冷却效果良好，热图上显示出一系列均匀的白色条纹；假如通道阻塞，冷却液体受阻，则在阻塞处显示出黑色条纹。,五、疲劳裂纹探测,为了探测出疲劳裂纹位置，采用一个点辐射源在飞机或导弹蒙皮表面一个小面积上注入能量。然后，用红外辐射温度计测量表面温度。如果在蒙皮表面或表面附近存在疲劳裂纹，则热传导受到影响，在裂纹附近热量不能很快传输出来，使裂纹附近表面温度很快升高。,