红外传感器的原理
2018-09-27袁明昱秦慧娴郭晨晨
袁明昱 秦慧娴 郭晨晨
【摘 要】 红外传感器是将红外辐射能量转换为电量的一种传感器,由于任何温度高于热力学零度(-273.15℃)的物体都会辐射红外线,因此红外技术在现代科技、国防和工农业等多个领域获得了广泛的应用。本文重点介绍红外传感器的性能参数及工作原理。
【关键词】 红外传感器 工作原理 性能参数
红外辐射(红外线)是一种人眼看不见的光线,波长范围大致在0.76~100之间。自然界一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量,其中就包括红外光波。同可见光一样,红外辐射能够进行折射、反射和散射,这样便产生了红外技术。与其他探测技术相比,红外探测技术因其环境适应性好,在夜间和恶劣气象条件下的工作能力高于可见光,可以采用被动式工作,隐蔽性好以及红外系统体积小、质量轻、功耗低等优点,在军事和民用领域都得到了广泛的应用。在军事上,红外技术广泛用于搜索和预警、探测和跟踪、夜视、武器瞄准、红外制导导弹等领域。在民用工程领域,红外技术在气象预报、环境检测、遥感资源调查以及电力、消防、石化等部门发挥着重要作用。
1.红外传感器的综述
1.1红外辐射基本知识
任何物体,只要它的温度高于热力学零度(-273.15℃)时,就会向外辐射能量,故称为热辐射,又称为红外辐射或俗称红外线。红外线是一种人眼看不见的光线,但与其他光线一样具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质,在真空中的传播速度为光速。在电磁辐射波谱中,红外线是位于可见光中红外光以外的光线,波长范围大致在0.76~100μm。
1.2红外传感器的分类
红外传感器是红外探测系统的核心,它的性能好坏,将直接影响系统性能的优劣。因此,选择合适的、性能良好的红外传感器,对于红外探测系统是十分重要的。按照探测机理的不同,红外传感器分为热传感器和光子传感器两大类。红外光子传感器又包括光电导传感器,光生伏特传感器,光电子发射传感器以及光磁电传感器,红外热传感器还包括热电偶型,热敏电阻型以及热释电型。
1.3红外传感器的主要性能参数
1.响应率
3.噪声等效功率
由于探测器存在噪声,所以不能无限小的测量小的辐射信号,当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器的噪声所淹没时,这时探测器就无法肯定是否有辐射信号投射在探测器上,探测器探测辐射的能力就有了一个限度,通常用噪声等效功率NEP来表征这个特征。
当辐射在探测器上产生的信号电压正好等于传感器本身的噪声电压值(即信号噪声比为1)时,所需投射到探测器上的辐射功率称为噪声等效功率,即
式中:Us为红外探测器的输出电压;Po为入射到红外敏感元件单位面积上的功率(W/cm2);Ao为红外敏感元面积(cm2);为红外探测器的综合噪声电压(V);为红外探测器的电压响应率(V/W)。
2.红外传感器的原理
(1)待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行紅外系统的设定。
(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)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。
3.结语
根据红外传感器的性能和原理,我们知道红外传感器具有环境适应性好,不易被干扰,红外系统体积小、质量轻以及功耗低等优点。由于这些优点,使得红外传感器在现代化的生产实践中发挥着巨大的作用,而随着探测设备和其他部分的技术的提高,对它的要求也越来越高。相信红外传感器会随着微电子技术的发展和传感器的应用领域的不断扩大,从单一元件、单一功能向集成化、多功能化方向发展,从而有多类型的红外传感器应用于更加广泛的领域。
【参考文献】
[1] 赵燕.传感器原理及应用[M].北京大学出版社,2010.278-296.
[2] 戴蓉,刘波峰.传感器原理与工程应用[M].电子工业出版社,2014.1-5.
作者简介:袁明昱(1996-)女内蒙古乌兰察布市人,本科在读主要研究方向:电子信息科学与技术,作者单位:北京林业大学理学院北京市海淀区100083。