第八章紅外輻射與紅外探測(cè)器

1、8.1 紅外輻紅外輻射的基礎(chǔ)射的基礎(chǔ)知識(shí)知識(shí)8.1.1 紅外紅外輻射輻射紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射-物體的溫度越高、輻射出來的物體的溫度越高、輻射出來的紅外線越多，輻射出的能量就越強(qiáng)紅外線越多，輻射出的能量就越強(qiáng)太陽光譜中各種單色光的熱效應(yīng)從紫外光到紅外光是逐漸增大的，太陽光譜中各種單色光的熱效應(yīng)從紫外光到紅外光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)有紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)有紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為紅外輻射稱為熱輻射熱輻射或或熱射線熱射線。大氣吸收對(duì)紅外線測(cè)量有比較大的影響大氣吸收對(duì)紅外線測(cè)量有比較大的影響8.1.2

2、紅外輻射源紅外輻射源光物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，就有紅外線向周光物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，就有紅外線向周圍空間輻射出來，只要輻射紅外線的物體就叫做圍空間輻射出來，只要輻射紅外線的物體就叫做面源：面源：將充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的輻射源叫作面源將充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的輻射源叫作面源點(diǎn)源：未點(diǎn)源：未滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的小面叫作點(diǎn)源滿紅外光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)的小面叫作點(diǎn)源8.2 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器熱探測(cè)器熱探測(cè)器光子探測(cè)器光子探測(cè)器8.2.1 熱探測(cè)器熱探測(cè)器主要器件可分為：主要器件可分為：熱敏電阻、熱電偶、熱釋電器件、高萊氣動(dòng)熱敏電阻、熱電偶、熱釋電器件、高萊氣動(dòng)型探測(cè)器型探測(cè)器響應(yīng)率與波長(zhǎng)無關(guān)，屬于無選擇

3、性探測(cè)器響應(yīng)率與波長(zhǎng)無關(guān)，屬于無選擇性探測(cè)器受熱時(shí)間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應(yīng)速度比較慢受熱時(shí)間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應(yīng)速度比較慢峰值探測(cè)率低峰值探測(cè)率低可在室溫下工作可在室溫下工作熱探測(cè)器與前述的各種光電探測(cè)器相比，其特點(diǎn)為：熱探測(cè)器與前述的各種光電探測(cè)器相比，其特點(diǎn)為：金屬金屬或或半導(dǎo)體半導(dǎo)體溫度系數(shù)多為正，即有光照溫度升高時(shí)，電阻增大溫度系數(shù)多為正，即有光照溫度升高時(shí)，電阻增大電阻變化量與溫度變化量成線性電阻變化量與溫度變化量成線性可用于模擬測(cè)量可用于模擬測(cè)量溫度系數(shù)是負(fù)的，即溫度系數(shù)是負(fù)的，即有光照溫度升高時(shí)，電阻減小有光照溫度升高時(shí)，電阻減小電阻變化與溫度變化非線性電阻變化與溫度變

4、化非線性-適合于有、無兩種狀態(tài)的判定適合于有、無兩種狀態(tài)的判定 機(jī)機(jī)理理不不同同T/DCeAT)T(RT0T0+TAB溫差電偶溫差電偶接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)溫差電勢(shì)溫差電勢(shì)中間導(dǎo)體定律：中間導(dǎo)體定律：mVRLPN涂黑金箔涂黑金箔溫差電堆：溫差電堆：mV時(shí)間常數(shù)較大，被測(cè)時(shí)間常數(shù)較大，被測(cè)輻射變化頻率一般在輻射變化頻率一般在10HZ以下以下實(shí)體型：多用于測(cè)溫實(shí)體型：多用于測(cè)溫薄膜型：多用于標(biāo)定各薄膜型：多用于標(biāo)定各種光源、測(cè)量各種輻射種光源、測(cè)量各種輻射量特量特(a) 恒溫下恒溫下(b) 溫度變化溫度變化(C) 溫度變化時(shí)溫度變化時(shí)的等效表現(xiàn)的等效表現(xiàn)Uout熱釋熱釋電器電器件件RL極化強(qiáng)度過程的極化

5、強(qiáng)度過程的平均時(shí)間為：平均時(shí)間為：一般要求被測(cè)信一般要求被測(cè)信號(hào)的變化頻率：號(hào)的變化頻率：1f 無線紅外人體探測(cè)器無線紅外人體探測(cè)器靈敏度高，性能穩(wěn)定靈敏度高，性能穩(wěn)定但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度較但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度較差，只適合于實(shí)驗(yàn)室差，只適合于實(shí)驗(yàn)室使用使用8.2.2 光子探測(cè)器光子探測(cè)器光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管光敏電阻光敏電阻同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié) 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié) 肖特基結(jié)肖特基結(jié) 雪崩管雪崩管 量子阱量子阱某些半導(dǎo)體表面受光照，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，它某些半導(dǎo)體表面受光照，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，它們?cè)谙蝮w內(nèi)擴(kuò)散的過程中受外磁場(chǎng)的作用各自們?cè)谙蝮w內(nèi)擴(kuò)散的過程中受外磁場(chǎng)的作用各自偏向一邊形成開路電壓，稱為光磁電效應(yīng)

6、偏向一邊形成開路電壓，稱為光磁電效應(yīng)8.3* 紅外探測(cè)器的性能參數(shù)及使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)紅外探測(cè)器的性能參數(shù)及使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)8.3.1 8.3.1 紅外探測(cè)器的性能參數(shù)紅外探測(cè)器的性能參數(shù)電壓響應(yīng)率、光譜響應(yīng)、等效噪聲功率、比探測(cè)率和時(shí)間常數(shù)等電壓響應(yīng)率、光譜響應(yīng)、等效噪聲功率、比探測(cè)率和時(shí)間常數(shù)等8.3.2 8.3.2 紅外探測(cè)器使用中應(yīng)注意的問題紅外探測(cè)器使用中應(yīng)注意的問題選用探測(cè)器時(shí)要注意它的工作溫度選用探測(cè)器時(shí)要注意它的工作溫度應(yīng)注意調(diào)整好探測(cè)器的偏流、偏壓，使應(yīng)注意調(diào)整好探測(cè)器的偏流、偏壓，使其工作在最佳工作狀態(tài)其工作在最佳工作狀態(tài)輻射源調(diào)制頻率應(yīng)和探輻射源調(diào)制頻率應(yīng)和探測(cè)器的響應(yīng)

7、頻率相匹配測(cè)器的響應(yīng)頻率相匹配探測(cè)器存放時(shí)要注意防探測(cè)器存放時(shí)要注意防潮、防振和防腐蝕潮、防振和防腐蝕了解探測(cè)器的性能指標(biāo)、了解探測(cè)器的性能指標(biāo)、應(yīng)用范圍、和使用條件應(yīng)用范圍、和使用條件8.4 紅外測(cè)溫紅外測(cè)溫8.4.1 8.4.1 紅外測(cè)溫原理紅外測(cè)溫原理40ebebTd)T ,(MM8.4.2 8.4.2 紅外測(cè)溫的特點(diǎn)紅外測(cè)溫的特點(diǎn)反應(yīng)速度快反應(yīng)速度快靈敏度高靈敏度高屬于非接解測(cè)溫屬于非接解測(cè)溫準(zhǔn)確度高。可小于準(zhǔn)確度高?？尚∮?.1可測(cè)攝氏負(fù)幾十度可測(cè)攝氏負(fù)幾十度幾千度的范圍幾千度的范圍8.4.3 8.4.3 熱輻射傳感器熱輻射傳感器-應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例具有響應(yīng)快具有響應(yīng)快熱惰性小等優(yōu)點(diǎn)熱

8、惰性小等優(yōu)點(diǎn)主要用于腐蝕性物體及運(yùn)動(dòng)物體的高溫測(cè)量。測(cè)量范圍在主要用于腐蝕性物體及運(yùn)動(dòng)物體的高溫測(cè)量。測(cè)量范圍在4003200.由于感溫部分不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，因此誤差由于感溫部分不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，因此誤差較大較大最高可測(cè)溫最高可測(cè)溫度為度為200，被測(cè)物體與傳被測(cè)物體與傳感器的距離為感器的距離為10cm10cm左右，其左右，其輻射能量為輻射能量為6mW6mW只適用于近距離只適用于近距離的非接觸測(cè)量的非接觸測(cè)量如：齒輪箱齒輪的溫度，或機(jī)器內(nèi)不能接觸的部件的溫度測(cè)量如：齒輪箱齒輪的溫度，或機(jī)器內(nèi)不能接觸的部件的溫度測(cè)量現(xiàn)代工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)療等場(chǎng)所的輻射量測(cè)量現(xiàn)代工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)療等場(chǎng)所的輻

9、射量測(cè)量8.5 紅外成像紅外成像8.5.1 8.5.1 紅外成像器件紅外成像器件-光導(dǎo)攝像管、硅靶攝像管、熱釋電攝像管光導(dǎo)攝像管、硅靶攝像管、熱釋電攝像管集成紅外電荷耦合器件集成紅外電荷耦合器件-紅外紅外CCD常用的紅外焦平面陣列有：常用的紅外焦平面陣列有：PbSt 和和PbSe陣列、陣列、PtSi陣列、陣列、InSb陣列、陣列、HgCdTe陣列陣列GaAs/AlGaAs陣列、摻雜硅陣列、熱釋電探測(cè)器陣列陣列、摻雜硅陣列、熱釋電探測(cè)器陣列高爐焦平面紅外熱圖像儀高爐焦平面紅外熱圖像儀紅外熱像儀紅外熱像儀8.5.2*紅外成像紅外成像器件的應(yīng)器件的應(yīng)用實(shí)例一用實(shí)例一8.5.38.5.3* * 紅外分

10、析儀紅外分析儀工作依據(jù)：物質(zhì)工作依據(jù)：物質(zhì)的吸收特性的吸收特性很多物質(zhì)在紅外部很多物質(zhì)在紅外部分都有吸收帶，但分都有吸收帶，但不同的物質(zhì)吸收帶不同的物質(zhì)吸收帶的據(jù)體位置不相同，的據(jù)體位置不相同，所以通過測(cè)量物質(zhì)所以通過測(cè)量物質(zhì)在紅外波段的吸收在紅外波段的吸收位置可以確定物質(zhì)位置可以確定物質(zhì)的成分的成分紅外成像紅外成像器件的應(yīng)器件的應(yīng)用實(shí)例一用實(shí)例一8.6 紅外無損檢測(cè)紅外無損檢測(cè)采用電流加熱的方法好處是可以通過改采用電流加熱的方法好處是可以通過改變電流的變化頻率來改變探測(cè)深度變電流的變化頻率來改變探測(cè)深度頻率低：透入深頻率低：透入深頻率高：表面溫度特性比較明顯，但太高時(shí)影響測(cè)量頻率高：表面溫度

11、特性比較明顯，但太高時(shí)影響測(cè)量8.6.1 8.6.1 焊接缺陷處的無損檢測(cè)焊接缺陷處的無損檢測(cè)8.6.2 8.6.2 鑄件內(nèi)部缺陷探測(cè)鑄件內(nèi)部缺陷探測(cè)利用液態(tài)氟利昂冷確，然后測(cè)其圖像利用液態(tài)氟利昂冷確，然后測(cè)其圖像8.6.3 8.6.3 疲勞裂紋探測(cè)疲勞裂紋探測(cè)8.7 紅外探測(cè)在軍事上的應(yīng)用紅外探測(cè)在軍事上的應(yīng)用因紅外輻射具有以下特點(diǎn)，所以在軍事上占有重要地位因紅外輻射具有以下特點(diǎn)，所以在軍事上占有重要地位紅外輻射人眼不能見，所以避開敵方目視觀察。紅外輻射人眼不能見，所以避開敵方目視觀察。白天黑夜均可使用，特別適用于夜戰(zhàn)白天黑夜均可使用，特別適用于夜戰(zhàn)探測(cè)器自身不用發(fā)射光，采用被動(dòng)接收系統(tǒng)，比

12、用無線電雷達(dá)或可見光探測(cè)器自身不用發(fā)射光，采用被動(dòng)接收系統(tǒng)，比用無線電雷達(dá)或可見光更安全、隱蔽，不易受干擾、保密性強(qiáng)。更安全、隱蔽，不易受干擾、保密性強(qiáng)。利用目標(biāo)和背景輻射的差異可較好的識(shí)別各種目標(biāo)，特別可以發(fā)現(xiàn)偽裝利用目標(biāo)和背景輻射的差異可較好的識(shí)別各種目標(biāo)，特別可以發(fā)現(xiàn)偽裝的軍事目標(biāo)，的軍事目標(biāo)，分辨率比微波分辨率比微波 好，比可見光更能適應(yīng)天氣條件好，比可見光更能適應(yīng)天氣條件缺點(diǎn)是：容易受云霧的影響缺點(diǎn)是：容易受云霧的影響8.7.1 8.7.1 紅外偵察紅外偵察主要儀器有：紅外掃描器、紅外主要儀器有：紅外掃描器、紅外觀察儀、紅外夜視儀、紅外低溫觀察儀、紅外夜視儀、紅外低溫測(cè)溫儀測(cè)溫儀紅外夜視紅外夜視8.7