传感器技术(红外传感器)

南京信息工程大学

传感器技术

任课教师：刘佳Tel:13951754608 Email:liujia@http://信息与控制学院仪器系

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红外辐射

红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它 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之间，对应的频率大致在4×104 至

之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外3×1011HzHz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外

4 个部分。、中红外、远红外和极远红外、中红外、远红外和极远红外4 4 个部分。

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红外辐射

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红外辐射

红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度( -273 ℃)，就会向外部空间以红外线的方式辐射能于绝对零度(

量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。 物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射式来实现的。

的能量就越强。 另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热的能量就越强。

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 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

红外线在真空中传播，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。

c=λ。f 的速度等于波的频率与波长的乘积，即的速度等于波的频率与波长的乘积，即 。

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红外辐射

红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在 红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物

。体都属于灰体体都属于灰体

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基尔霍夫定律

1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一 1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都

“好的吸收体也是好的辐是常数。用一句精练的话表达，即：是常数。用一句精练的话表达，即：“

”。 射体射体”

ER=αE0

ER——物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能——物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能 α ——物体的吸收系数——物体的吸收系数

常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能 E0————常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能

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-玻尔兹曼定律 斯忒藩斯忒藩-

物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单 物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量E为

E=σεT

物体的绝对温度(K) T————物体的绝对温度物体的绝对温度(4

斯忒藩-玻耳兹曼常数，σ＝5.67×10-8W/(m2·k4) σ————斯忒藩斯忒藩-5.67×

比辐射率，黑体的ε＝1 ε————比辐射率，黑体的

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普朗克定律

绝对温度为T时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐 绝对温度为

射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为

Mλ=C1λ(e 5c2/λT 1) 1

C、C式中 M 式中式中 为黑体对波长为的光谱辐射通量密度； 为普朗克辐λ为黑体对波长为λ的光谱辐射通量密度；12为普朗克辐

射常数。

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维恩位移定律

红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长λm 红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长与物体自身的绝对温度T成反比，即

μm) λm＝2897/T (2897/T (μ

图中虚线表示了峰值 图中虚线表示了峰值

辐射波长与温度的关系

，可以看出，随着温度

的升高其峰值波长向短

波方向移动，在温度不

太高时，峰值辐射波长

位于红外区域。

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红外探测器

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 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、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 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。

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红外探测器

（1）热探测器

红外线被物体吸收后将转变为热能。热探测器正是利用了红 红外线被物体吸收后将转变为热能。热探测器正是利用了红外辐射的这一热效应。当热探侧器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温度升高，使敏感元件的相关物理参数发生变化，通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定探测器所吸收的红外辐射。

热探测器的主要优点是：响应波段宽，响应范围为整个红外 热探测器的主要优点是：响应波段宽，响应范围为整个红外区域，室温下工作，使用方便。热探测器主要有 4 种类型：热区域，室温下工作，使用方便。热探测器主要有 4 4 种类型：热

4 种类型敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型。在这敏电阻型、热电阻型、高莱气动型和热释电型。在这4 4 种类型

的探测器中，热释电探测器探测效率最高，频率响应最宽，所

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红外探测器

热释电探测器 热释电探测器

在外加电场作用下，电介质中的带电粒子( 电子、原子核等 在外加电场作用下，电介质中的带电粒子在外加电场作用下，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) ) 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，把这种现象称为电介质的“电极化”。 面带负电，把这种现象称为电介质的“电极化”

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红外探测器

热释电探测器 热释电探测器

对于大多数电介质来说，在电压去除后，极化状态随即消 对于大多数电介质来说，在电压去除后，极化状态随即消

“铁电体”的电介质，在外加电压去除后失，但是有一类称为失，但是有一类称为“铁电体”

仍保持着极化状态。

一般，铁电体的极化强度Ps(单位面积上的电荷) 与温度有 一般，铁电体的极化强度一般，铁电体的极化强度Ps(Ps(单位面积上的电荷单位面积上的电荷) ) 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。

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红外探测器

热释电探测器 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- 热释电探测器的构造是把敏感元件切成薄片，在研磨成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m 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(单位面的铁电薄片上时，引起薄片温度的升高，使其极化强度(

) 降低，表面的电荷减少，这相当于释放一部分电积上的电荷积上的电荷) ) 降低，表面的电荷减少，这相当于释放一部分电

荷，所以叫热释电型传感器。

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红外探测器

热释电探测器 热释电探测器

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 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

这区到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。

别于其他光电类或热敏类探测器，这些探测器在受辐射后都将经过一定的响应时间到达另一个稳定状态，这时输出信号最大。而热释电探测器则与此相反，在稳定状态下，输出信号下降

。到零，只有在薄片温度的升降过程中才有输出信号到零，只有在薄片温度的升降过程中才有输出信号。

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红外探测器

热释电探测器 热释电探测器

热释电型传感器常用于根据人体红外感应实现自动电灯开关 热释电型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、自动门开关等领域。