【正文】 描儀等 。 ④ 紅外測(cè)距和通信系統(tǒng) 。 ⑤ 混合系統(tǒng) , 是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)的組合 。 第 8章 光電式傳感器 一 、 紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線 , 它是一種不可見光 , 由于是位于可見光中紅色光以外的光線 , 故稱紅外線 。 它的波長(zhǎng)范圍大致在 ~1000 μm, 8 33 所示 。 工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分 , 即近紅外 、 中紅外 、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外 。 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射 。 一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的 。 物體的溫度越高 , 輻射出來的紅外線越多 , 輻射的能量就越強(qiáng) 。 而且 , 紅外線被物體吸收時(shí) , 可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 紅外輻射和所有電磁波一樣 , 是以波的形式在空間直線傳播的 。 它在大氣中傳播時(shí) , 大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶 , 紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的 , 空氣中對(duì)稱的雙原子氣體 , 如 N O H2等不吸收紅外線 。 而紅外線在通過大氣層時(shí) , 有三個(gè)波段透過率高 , 它們是 2~ μm、 3~5 μm和 8~14 μm, 統(tǒng)稱它們?yōu)?“ 大氣窗口 ” 。 這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)特別重要 , 因?yàn)榧t外探測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段 （ 大氣窗口 ） 之內(nèi) 。 二 、 紅外探測(cè)器 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng) 、 探測(cè)器 、 信號(hào)調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成 。 紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心 。 紅外探測(cè)器種類很多 , 常見的有兩大類 : 熱探測(cè)器和光子探測(cè)器 。 第 8章 光電式傳感器 1. 熱探測(cè)器 熱探測(cè)器是利用紅外輻射的熱效應(yīng) , 探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高 , 進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化 ， 通過測(cè)量物理參數(shù)的變化 , 便可確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射 。 與光子探測(cè)器相比 , 熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低 , 響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng) 。 但熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬 , 響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域 , 可以在室溫下工作 , 使用方便 , 應(yīng)用仍相當(dāng)廣泛 。 熱探測(cè)器主要類型有熱釋電型 、 熱敏電阻型 、 熱電偶型和氣體型探測(cè)器 。 而熱釋電探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高 , 頻率響應(yīng)最寬 , 所以這種探測(cè)器倍受重視 , 發(fā)展很快 。這里主要介紹熱釋電探測(cè)器 。 第 8章 光電式傳感器 熱釋電紅外探測(cè)器由具有極化現(xiàn)象的熱晶體或被稱為 “ 鐵電體 ” 是的材料制做的 。 “ 鐵電體 ” 的極化強(qiáng)度 （ 單位面積上的電荷 ） 與溫度有關(guān) 。 當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí) , 引起薄片溫度升高 , 使其極化強(qiáng)度降低 , 表面電荷減少 , 這相當(dāng)于釋放一部分電荷 , 所以叫做熱釋電型傳感器 。 如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連 , 則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出 。 輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢 , 從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱 , 熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率 。 第 8章 光電式傳感器 2. 光子探測(cè)器 光子探測(cè)器利用入射紅外輻射的光子流與探測(cè)器材料中電子的相互作用 , 改變電子的能量狀態(tài) , 引起各種電學(xué)現(xiàn)象 。 這稱光子效應(yīng) 。 通過測(cè)量材料電子性質(zhì)的變化 , 可以知道紅外輻射的強(qiáng)弱 。 利用光子效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器 , 統(tǒng)稱光子探測(cè)器 。 光子探測(cè)器有內(nèi)光電和外光電探測(cè)器兩種 , 后者又分為光電導(dǎo) 、 光生伏特和光磁電探測(cè)器等三種 。 光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高 , 響應(yīng)速度快 , 具有較高的響應(yīng)頻率 , 但探測(cè)波段較窄 , 一般需在低溫下工作 。 三 、 1． 第 8章 光電式傳感器 紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測(cè)量溫度的 。 當(dāng)物體的溫度低于 1000℃ 時(shí) , 它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了 , 可用紅外探測(cè)器檢測(cè)溫度 。 如采用分離出所需波段的濾光片 , 可使紅外測(cè)溫儀工作在任意紅外波段 。 圖 8 34是目前常見的紅外測(cè)溫儀方框圖 。 它是一個(gè)包括光 、 機(jī) 、 電一體化的紅外測(cè)溫系統(tǒng) , 圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透射系統(tǒng) , 濾光片一般采用只允許 8~14 μm的紅外輻射能通過的材料 。 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng) , 將被測(cè)的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線 。 紅外探測(cè)器一般為 (鉭酸鋰 ） 熱釋電探測(cè)器 , 透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上 。 被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測(cè)器上 , 紅外探測(cè)器將紅外輻射變換為電信號(hào)輸出 。 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 紅外測(cè)溫儀電路比較復(fù)雜 , 包括前置放大 , 選頻放大 , 溫度補(bǔ)償 , 線性化 , 發(fā)射率 （ ε） 調(diào)節(jié)等 。 目前已有一種帶單片機(jī)的智能紅外測(cè)溫儀 , 利用單片機(jī)與軟件的功能 , 大大簡(jiǎn)化了硬件電路 , 提高了儀表的穩(wěn)定性 、 可靠性和準(zhǔn)確性 。 紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式 , 也可以是反射式 。 反射式光學(xué)系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡 , 并在鏡的表面鍍金 、 鋁 、 鎳或鉻等對(duì)紅外輻射反射率很高的金屬材料 。 第 8章 光電式傳感器 2． 紅外線氣體分析 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性的吸收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的 。 不同氣體的吸收波段（ 吸收帶 ） 不同 , 圖 8 35給出了幾種氣體對(duì)紅外線的透射光譜 , 從圖中可以看出 , CO氣體對(duì)波長(zhǎng)為 有很強(qiáng)的吸收能力 , CO2氣體則在 長(zhǎng)大于 13μm的范圍 ， 對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收能力 。 如分析CO氣體 , 則可以利用 。 圖 8 36是工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖 。 它由紅外線輻射光源 、 氣室 、 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出 3～ 10 μm的紅外線 , 切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線 , 以便于紅外線檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè) 。 測(cè)量氣室中通入被分析氣體 , 參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體 （ 如 N2等 ） 。 紅外檢測(cè)器是薄膜電容型 , 它有兩個(gè)吸收氣室 , 充以被測(cè)氣體 , 當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后 , 氣體溫度升高 , 導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大 。 測(cè)量時(shí) （ 如分析 CO氣體的含量 ） , 兩束紅外線經(jīng)反射 、 切光后射入測(cè)量氣室和參比氣室 。 由于測(cè)量氣室中含有一定量的 CO氣體 , 該氣體對(duì) , 而參比氣室中氣體不吸收紅外線 , 這樣射入紅外探測(cè)器兩個(gè)吸收氣室的紅外線光造成能量差異 , 使兩吸收室壓力不同 , 測(cè)量邊的壓力減小 , 于是薄膜偏向定片方向 , 改變了薄膜電容兩電極間的距離 , 也就改變了電容 C。 第 8章 光電式傳感器 如被測(cè)氣體的濃度愈大 , 兩束光強(qiáng)的差值也愈大 , 則電容的變化也愈大 , 因此電容變化量反映了被分析氣體中被測(cè)氣體的濃度 。 圖 8 36所示結(jié)構(gòu)中還設(shè)置了濾波氣室 。 它是為了消除干擾氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 。 所謂干擾氣體 ， 是指與被測(cè)氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體 , 如 CO氣體和 CO2氣體在4～ 5μm波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊 , 則 CO2的存在對(duì)分析CO氣體帶來影響 , 這種影響稱為干擾 。 為此 ， 在測(cè)量邊和參比邊各設(shè)置了一個(gè)封有干擾氣體的濾波氣室 , 它能將 CO2氣體對(duì)應(yīng)的紅外線吸收波段的能量全部吸收 , 因此左右兩邊吸收氣室的紅外線能量之差只與被測(cè)氣體 （ 如 CO） 的濃度有關(guān) 。 第 8章 光電式傳感器 課間休息 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 0 20 40 60 80 100 4 8 12 16 20 硅 鍺 λ 102（ nm) 圖 88 光敏二極（晶體）管的光譜特性 相對(duì)靈敏度（ %） 第 8章 光電式傳感器 ????????s i ns i ns i ns i n1001nnnn????????s i ns i ns i ns i n2112nnnn第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 PSi 襯底 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － 氧化物 (SiO2) 層 金屬 耗盡層(勢(shì)阱 ) +Ug 圖 8 –18 MOS電容器結(jié)構(gòu) 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 可見光 中紅外 可見光 中紅外 第 8章 光電式傳感器 第 8章 光電式傳感器 L L x I0 I1 I2 等效電路 (2) R1 R2 +V (1) 第 8章 光電式傳感器