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摘要：本文主要介紹一些關于紅外傳感器的一些基本知識和工作原理，從而讓我們能夠從一定程度上了解紅外傳感器這一傳感器的種類。對于紅外傳感器的認識，能夠幫助我們更好的利用紅外傳感器，讓我們的生活或者工作更加方便和愉快。

關鍵字：紅外輻射、傳感器、原理、用途

紅外傳感器(也稱為紅外探測器)是能將紅外輻射能轉換成電能的光敏器件，它是紅外探測系統(tǒng)的關鍵部件，其性能好壞，將直接影響系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。因此，選擇合適的、性能良好的紅外傳感器，對于紅外探測系統(tǒng)是十分重要的。而作為紅外傳感器的重要組成部分，紅外輻射是不得忽略的重中之重。下面我們先介紹紅外輻射的相關知識和原理。

一、紅外輻射的工作原理簡介：

    紅外輻射是一種人眼不可見的光線，俗稱紅外線，因為它是介于可見光中紅色光和微波之間的光線。紅外線的波長范圍大致在0.76-1000μm之間，對應的頻率大致在4×104至3×1011Hz之間，工程上通常把紅外線所占據(jù)的波段分成近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外4 個部分。

下圖是紅外線的電磁波譜圖：

    紅外分區(qū)：在紅外技術中，一般將紅外輻射分為4個區(qū)域

      (1)近紅外區(qū):     770 nm~ 1.5 μm

      (2)中紅外區(qū):    1.5 μm ~ 6μm

      (3)遠紅外區(qū):     6μm ~ 40μm

      (4)極遠紅外區(qū): 40μm ~ 1000μm

 注意：這里所說的遠近是指紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離。

    紅外輻射本質上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對零度( -273 ℃)，就會向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實現(xiàn)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。 另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉化成熱能。

紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。 紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長的乘積，即 c =λf 。紅外輻射的強度及波長與物體的溫度和輻射率有關，能在任何溫度下全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體稱為黑體，能全部反射紅外輻射的物體稱為鏡體，能全部透過紅外輻射的物體稱為透明體，能部分反射或吸收紅外輻射的物體稱為灰體。自然界并不存在理想的黑體、鏡體和透明體，絕大部分物體都屬于灰體 。

二、紅外線的物理特性 ： 

①熱效應           

②穿透云霧的能力強

①熱效應及應用：

    一切物體都在不停的輻射紅外線。物體的溫度越高，輻射的紅外線就越多。紅外線照射到物體上最明顯的效果就是產生熱。冬天烤火，就是因為有大量的紅外線從爐子里射到人身上，才能讓我們感覺到熱乎乎的。

    人體生病的時候，雖然外面看起來沒有什么變化，但是由于局部皮膚的溫度不正常，如果在照相機里裝上對紅外感光的膠片，給皮膚拍照再與正常人的照片對比，可以對疾病作出診斷。這種相機拍出來的照片叫熱譜圖。

     根據(jù)紅外線的熱效應，人們還研究出了紅外線夜視儀。紅外線夜視儀在漆黑的夜晚也可以發(fā)現(xiàn)人的存在。夜間人的體溫比周圍草木或建筑的溫度高，人體輻射出來的紅外線就比他們強?？梢詭椭藗冊谝归g進行觀察、搜索、瞄準和駕駛車輛等。

     物體在輻射紅外線的同時，也在吸收紅外線。各種物體吸收了紅外線以后溫度就會升高。我們就可以利用紅外線的熱效應來加熱物品。家庭用的紅外線烤箱，浴室用的暖燈，也就是浴霸等等。物體加熱可以利用紅外線烘干汽車表面的噴漆，烘干稻谷等作物。

     在醫(yī)學上，還可以利用紅外線的熱效應進行理療。在紅外線照射下，組織溫度升高，血流加快，物質代謝增強，組織細胞活力及再生能力提高。傷口就容易痊愈。

②穿透能力強的應用：

穿透云霧的能力強(波長較長,易于衍射) ，由于一切物體，都在不停地輻射紅外線，并且不同物體輻射紅外線的強度不同，利用靈敏的紅外線探測器接收物體發(fā)出的紅外線，然后用電子儀器對接到的信號進行處理，就可以察知被測物體的形狀和特征，這種技術叫做紅外線遙感技術，可以用在衛(wèi)星上勘測地熱、尋找水源、監(jiān)測森林火情、估計農作物的長勢和收成。還有我們每天都要關注的天氣預報，也是紅外線遙感技術。

紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中的氣體分子、水蒸汽以及固體微粒、塵埃等物質的吸收和散射作用，使輻射能在傳輸過程中逐漸衰減?？諝庵袑ΨQ的雙原于分子，如N2、H2、O2不吸收紅外輻射，因而不會造成紅外輻射在傳輸過程中衰減。

紅外輻射在通過大氣層時被分割成三個波段，即2~2.6μm，3~5μm和8~14μm，統(tǒng)稱為“大氣窗口”。這三個大氣窗口對紅外技術應用特別重要，因為一般紅外儀器都工作在這三個窗口之內。

下圖為通過一海里長度的大氣透過率曲線：

    紅外線遙感在戰(zhàn)爭中，當敵機飛進我們的陣地時，紅外線望遠鏡早就接收到了由它的發(fā)動部分—發(fā)動機輻射來的大量紅外線，紅外線在望遠鏡的光電變換器中產生了電流，再由電流產生可見光。于是黑暗中的飛機在鏡中就現(xiàn)原形了。

    紅外線遙控我們每天都用到的電視遙控器也是利用了紅外線。遙控器的前段有一個紅外發(fā)光二極管，按下不同的鍵時，它可以發(fā)射不同的紅外線，來實現(xiàn)電視機的遙控。

三、下面是紅外傳感器涉及到的幾種定理，大概介紹如下：

1、基爾霍夫定律

      1860年，基爾霍夫在研究輻射傳輸?shù)倪^程中發(fā)現(xiàn)：在任一給定的溫度下，輻射通量密度和吸收系數(shù)之比，對任何材料都是常數(shù)。用一句精練的話表達，即：“好的吸收體也是好的輻射體”。

                  ER=αE0

ER——物體在單位面積和單位時間內發(fā)射出的輻射能

 α——物體的吸收系數(shù)

E0 ——常數(shù)，其值等于黑體在相同條件下發(fā)射出的輻射能

2、斯忒藩-玻爾茲曼定律

物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多，在單位時間內其單位面積輻射的總能量E為

          E =σεT 4

  T——物體的絕對溫度(K)

  σ——斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，σ＝5.67×10-8W/(m2·k)

  ε——比輻射率，黑體的ε＝1

3、普朗克定律

絕對溫度為T時，在單位波長內其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量密度。不同溫度時黑體光譜輻射通量密度與波長的關系為

        Mλ=  C1λ?5 (ec2/λT?1)?1

式中Mλ為黑體對波長為λ的光譜輻射通量密度；    

C1 、C2 為普朗克輻射常數(shù)。

4、維恩位移定律

    紅外輻射的電磁波中，包含著各種波長，其峰值輻射波長λm與物體自身的絕對溫度T成反比，即

            λm＝2897/T (μm)                   

圖中虛線表示了峰值輻射波長與溫度的關系，可以看出，隨著溫度的升高其峰值波長向短

波方向移動，在溫度不太高時，峰值輻射波長位于紅外區(qū)域。

四、紅外探測器：

     紅外傳感器是利用紅外輻射實現(xiàn)相關物理量測量的一種傳感器。紅外傳感器的構成比較簡單，它一般是由光學系統(tǒng)、探測器、信號調節(jié)電路和顯示單元等幾部分組成。其中，紅外探測器是紅外傳感器的核心器件。

（一）、紅外探測器的種類：

    紅外探測器種類很多，按探測機理的不同，通常可分為兩大類：熱探測器和光子探測器。

（1）熱探測器

     紅外線被物體吸收后將轉變?yōu)闊崮堋崽綔y器正是利用了紅外輻射的這一熱效應。當熱探側器的敏感元件吸收紅外輻射后將引起溫度升高，使敏感元件的相關物理參數(shù)發(fā)生變化，通過對這些物理參數(shù)及其變化的測量就可確定探測器所吸收的紅外輻射。

     熱探測器的主要優(yōu)點是：響應波段寬，響應范圍為整個紅外區(qū)域，室溫下工作，使用方便。熱探測器主要有 4 種類型：熱敏電阻型、熱電阻型、高萊氣動型和熱釋電型。在這4 種類型的探測器中，熱釋電探測器探測效率最高，頻率響應最寬，所以這種傳感器發(fā)展得比較快，應用范圍也最廣。

熱釋電探測器：

    在外加電場作用下，電介質中的帶電粒子( 電子、原子核等) 將受到電場力的作用，總體上講，正電荷趨向于陰極、負電荷趨向于陽極，其結果使電介質的一個表面帶正電、相對的表面帶負電，把這種現(xiàn)象稱為電介質的“電極化”。     

    對于大多數(shù)電介質來說，在電壓去除后，極化狀態(tài)隨即消失，但是有一類稱為“鐵電體”的電介質，在外加電壓去除后仍保持著極化狀態(tài)。

    一般，鐵電體的極化強度Ps(單位面積上的電荷) 與溫度有關，溫度升高，極化強度降低。溫度升高到一定程度，極化將突然消失，這個溫度被稱為居里點，在居里點以下，極化強度Ps是溫度的函數(shù)，利用這一關系制成的熱敏類探測器稱為熱釋電探測器。

    熱釋電探測器的構造是把敏感元件切成薄片，在研磨成5-50μm 的極薄片后，把元件的兩個表面做成電極，類似于電容器的構造。為了保證晶體對紅外線的吸收，有時也用黑化以的晶體或在透明電極表面涂上黑色膜。當紅外光照射到已經(jīng)極化了的鐵電薄片上時，引起薄片溫度的升高，使其極化強度(單位面積上的電荷) 降低，表面的電荷減少，這相當于釋放一部分電荷，所以叫熱釋電型傳感器。

    釋放的電荷可以用放大器轉變成輸出電壓。如果紅外光繼續(xù)照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值，表面電荷也就達到新的平衡濃度，不再釋放電荷，也就不再有輸出信號。 這區(qū)別于其他光電類或熱敏類探測器，這些探測器在受輻射后都將經(jīng)過一定的響應時間到達另一個穩(wěn)定狀態(tài)，這時輸出信號最大。而熱釋電探測器則與此相反，在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號下降到零，只有在薄片溫度的升降過程中才有輸出信號。

熱釋電型傳感器常用于根據(jù)人體紅外感應實現(xiàn)自動電燈開關、自動水龍頭開關、自動門開關等領域。

熱釋電紅外探測模塊（HN911）：如圖所示熱釋電紅外探測模塊（HN911）：熱點釋放傳感器，放大器。信號處理電路，延時電路，高低電平輸出電路

平時HN911的輸出端1為低電平，2為高電平。有移動發(fā)熱體進入監(jiān)視區(qū)時，接收到紅外能量、并輸出檢測信號，經(jīng)放大、比較等最終使1斷高電平，2端為低電平。

此模塊的放大器有溫度補償功能，保障整個電路工作的穩(wěn)定性。

（2）光子探測器

    光子探側器型紅外傳感器是利用光子效應進行工作的傳感器。所謂光子效應，是當有紅外線入射到某些半導體材料上，紅外輻射中的光子流與半導體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象。通過測量半導體材料中電子性質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。

    光子探測器主要有內光電探測器和外光電探測器兩種，外光電探測器分為光電導、光生伏特和光磁電探測器三種類型。半導體紅外傳感器廣泛的應用于軍事領域，如紅外制導、響尾蛇空對空及空對地、夜視鏡等設備。

    光子探測器的主要特點是靈敏度高、響應速度快，具有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般工作于低溫。

    光子探測器和熱探測器的主要區(qū)別是：光子探測器在吸收紅外能量后，直接產生電效應；熱探測器在吸收紅外能量后，產生溫度變化，從而產生電效應，溫度變化引起的電效應與材料特性有關。

    光子探測器非常靈敏，其靈敏度依賴于本身溫度。要保持高靈敏度，就必須將光子探測器冷卻至較低的溫度。通常采用的冷卻劑為液氮。熱探測器一般沒有光子探測器那么高的靈敏度，但在室溫下也有足夠好的性能，因此不需要低溫冷卻，而且熱探測器的響應頻段寬，響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域。

五、紅外傳感器的應用：

1、紅外線氣體分析儀：

    紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收的特性來對氣體成分進行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，從圖中可以看出，CO氣體對波長為4.65 μm附近的紅外線具有很強的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78 μm和4.26 μm附近以及波長大于13 μm的范圍對紅外線有較強的吸收能力。如分析CO氣體，則可以利用4.26 μm附近的吸收波段進行分析。

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)的紅外線調制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測器信號的檢測。 測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）。紅外檢測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測氣體，當它吸收了紅外輻射能量后， 氣體溫度升高，導致室內壓力增大。測量時（如分析CO氣體的含量），兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測量氣室和參比氣室， 由于測量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對4.65 μm的紅外線有較強的吸收能力， 而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器的兩個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。如被測氣體的濃度愈大，兩束光強的差值也愈大， 則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。

為了消除干擾氣體對測量結果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2在4～5 μm波段內紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對分析CO氣體帶來影響，這種影響稱為干擾。為此在測量邊和參比邊各設置了一個封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2氣體對應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能量之差只與被測氣體（如CO）的濃度有關。

2、紅外測溫儀

紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。 當物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。

下圖為紅外測溫儀的結構：

3、量子型紅外傳感器

（1）PbS紅外光敏原件其結構如圖所示。它仙子啊玻璃板受傷制成金電極，然后蒸鍍PbS薄膜在引出電極即可。

（2）ZnSb紅外光敏元件

     其結構如圖所示，其結構和具有PN結的光敏二極管相似。它把雜質Zn等用擴散結滲入N型半導體中形成P層結構的PN結在引出引線即成。

3、高萊氣動型傳感器：

    它有一個氣室，以一個小管道與一塊柔性薄片相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收膜,它是低熱容量的薄膜。

    在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光欄投射到光電管上。高萊氣動型傳感器是利用氣體吸收紅外輻射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱。

紅外輻射通過窗口入射到吸收膜上，吸收膜將吸收的熱能傳給氣體，使氣體溫度升高。氣壓增大，從而使柔鏡移動。

    在室的另一邊，一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上，經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光欄投射到光電管上。當柔鏡因壓力變化而移動時，柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對位移，使落到光電管上的光量發(fā)生改變，光電管的輸出信號也發(fā)生改變。這個變化量就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的恃點是靈敏度高，性能穩(wěn)定。但響應時間長，結構復雜、強度較差，只適合于實驗室內使用。

下面是幾種紅外傳感器的應用實物圖片：

六、紅外傳感器使用中應注意的問題：

(1)使用紅外傳感器時，必須首先注意了解它的性能指標和應用范圍，掌握它的使用條件；

(2)選擇傳感器時要注意它的工作溫度。一般要選擇能在室溫工作的紅外傳感器，設備簡單，使用方便，成本低廉，便于維護；

(3)適當調整紅外傳感器的工作點。一般情況下，傳感器有一個最佳工作     點。只有工作在最佳偏流工作點時，紅外傳感器的信噪比最大。實際工 作點最好稍低于最佳工作點；

(4)選用適當?shù)那爸梅糯笃髋c紅外傳感器相配合，以獲得最佳的探測效果；

(5)調制頻率與紅外傳感器的頻率響應相匹配；

(6)傳感器的光學部分不能用手去摸、擦，防止損傷與沾污；

(7)傳感器存放時注意防潮、防振和防腐蝕。

七、總結

紅外傳感器在我們的生活中，尤其在社會生產中，有著非常重要的位置。正因為紅外傳感器的廣泛應用，我們的生活才能夠得到巨大的豐富和改善。然而目前，我們對于在紅外傳感器上的研究開發(fā)還是遠遠不夠的，未來的對于技術的要求是越來越嚴格，越來越高精度的，所以今后我們讓需要投入很大的精力和財力，去研究開發(fā)紅外傳感器這一擁有重要地位的技術產品。