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2013-8-30 閱讀(2132)
按檢測(cè)機(jī)理不同,，通常將紅外傳感器分為熱式和光子式（也稱(chēng)量子式）兩大類(lèi),。熱式是利用紅外輻射的熱效應(yīng),，即當(dāng)熱式傳感器的敏感元件吸收所入射的紅外輻射后,，其溫度隨之變化,，進(jìn)而使敏感元件的相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化,，通過(guò)對(duì)這些物理參數(shù)及其變化的測(cè)量就可確定傳感器所吸收的紅外輻射量。熱式傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是：響應(yīng)波段達(dá)整個(gè)紅外區(qū)域,，可以在常溫下工作,，輕便可靠，成本較低,，使用簡(jiǎn)單方便等,。但其不足之處是響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)（ms級(jí)），靈敏度較低,，一般用于低頻調(diào)制的場(chǎng)合,。常用的熱式紅外傳感器類(lèi)型主要有熱敏電阻/（微）輻射熱計(jì)型、熱電偶/熱電堆型,、高萊氣動(dòng)型和熱釋電型等,。其中，熱釋電型的敏感元件通常采用具有熱釋電效應(yīng)的晶體材料,，具有檢測(cè)效率zui高,，頻率響應(yīng)zui寬，能探測(cè)輻射信號(hào)的快速變化等顯著優(yōu)點(diǎn),，故該類(lèi)傳感器發(fā)展較快,，應(yīng)用范圍也較廣。
光子式紅外傳感器是利用紅外輻射的光子效應(yīng)而進(jìn)行工作的傳感器,。所謂光子效應(yīng),，是指當(dāng)有紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí),，紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài),，從而引起各種電學(xué)現(xiàn)象,。通過(guò)測(cè)量半導(dǎo)體材料中電子性質(zhì)的變化，就可以知道相應(yīng)紅外輻射的強(qiáng)弱,。光子探測(cè)器類(lèi)型主要有內(nèi)光電探測(cè)器,、外光電探測(cè)器、自由載流子式探測(cè)器,、QWIP量子阱式探測(cè)器等,。內(nèi)光電探測(cè)器又細(xì)分為光電導(dǎo)型、光生伏特型和光磁電等類(lèi)型,。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,，但缺點(diǎn)是探測(cè)波段較窄,，一般工作于低溫（為保持高靈敏度，常采用液氮或溫差電制冷等方式,，將光子探測(cè)器冷卻至較低的工作溫度）,。
按照紅外傳感器應(yīng)用功能、場(chǎng)所的不同,，大體可將其應(yīng)用分成以下幾類(lèi)：
（1）輻射量,、光譜測(cè)量：該類(lèi)測(cè)量?jī)x器用途廣泛，如基于中紅外輻射測(cè)量的地面輻射強(qiáng)度計(jì),，可用于如變暖等的氣候變化觀察,；基于遠(yuǎn)紅外輻射測(cè)量的紅外空間望遠(yuǎn)鏡，可用于宇宙天體天文觀察,；配帶紅外光譜掃描輻射儀的氣象衛(wèi)星,，可實(shí)現(xiàn)對(duì)云層等的氣象觀察分析。在工礦企業(yè)中,，應(yīng)用較多的是基于輻射量測(cè)量的紅外溫度計(jì)和基于紅外光譜測(cè)量的紅外分析儀,。
按照斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體紅外輻射的強(qiáng)度與物體的溫度和輻射率相關(guān),。依此制成的紅外溫度計(jì),，屬比較*進(jìn)的測(cè)溫方法，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：適用于遠(yuǎn)距離和非接觸測(cè)量,，可以測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)物體,、帶電物體、腐蝕介質(zhì),、高溫或高壓物體或介質(zhì)的溫度,；因其測(cè)量不需要熱平衡過(guò)程,，故其響應(yīng)速度快，一般在毫秒級(jí),，甚至微秒級(jí),；因?yàn)槲矬w紅外輻射的強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比，因而物體溫度微小變化,，都會(huì)引起輻射能量成倍變化，因而其測(cè)溫靈敏度高,；由于測(cè)量的非接觸性,，故不會(huì)破壞實(shí)測(cè)對(duì)象原先溫度場(chǎng)分布狀況，因而其測(cè)出溫度失真較??；可以測(cè)量從攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度，因而其測(cè)溫范圍非常廣泛,。美國(guó)LumaSense技術(shù)公司所生產(chǎn)的基于紅外溫度傳感器的IS 6和IGA 6系列數(shù)字高溫計(jì),，溫度測(cè)量上限：IS達(dá)3000℃，IGA達(dá)2500℃,；光譜范圍：IS為0.7μm～1.1μm,，IGA為1.45μm～1.8μm響應(yīng)時(shí)間快達(dá)120μs，功耗zui大不超過(guò)3W,，重量?jī)H有0.6kg,。
基于紅外光譜技術(shù)的成分分析儀表，具有“綠色,、快速,、非破壞、在線”等特點(diǎn),，是分析化學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的分析技術(shù)之一,。許多由非對(duì)稱(chēng)雙原子和多原子所構(gòu)成的氣體分子，在紅外輻射波段都有相應(yīng)的吸收帶,，且因其被測(cè)對(duì)象所含分子的不同,，吸收帶所在的波長(zhǎng)和吸收的強(qiáng)弱也不相同。根據(jù)各類(lèi)氣體分子吸收帶分布情況及吸收的強(qiáng)弱,，可以識(shí)別出被測(cè)對(duì)象中所含氣體分子的組成及含量,。紅外氣體分析儀即是采用紅外光照射被測(cè)介質(zhì)，并根據(jù)各類(lèi)分子介質(zhì)的紅外吸收特性,，利用氣體的紅外吸收光譜特征,，通過(guò)對(duì)光譜分析而實(shí)現(xiàn)氣體組分或濃度分析的。日本橫河電機(jī)所生產(chǎn)的IR400型紅外氣體分析儀,，該分析儀采用單光源雙光柱,、NDIR非色散紅外測(cè)量法,，實(shí)現(xiàn)NO、SO2 ,、CO,、CO2 和CH4四種氣體成分的同時(shí)和連續(xù)測(cè)量。其線性度達(dá)±1%滿量程,，重復(fù)性為±0.5%滿量程,，響應(yīng)時(shí)間為60s。
利用近紅外光譜對(duì)羥基,、水,、碳酸鹽以及Al-OH、Mg-OH 和Fe-OH 等分子鍵非常敏感的特性,，通過(guò)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的紅外照射來(lái)獲得其診斷性光譜,，然后對(duì)光譜波長(zhǎng)位置、深度和寬度進(jìn)行測(cè)量分析,，即可獲取其種屬,、組分和主要金屬元素比值等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固體等介質(zhì)的成分分析,。澳大利亞Integrated Spectronics公司生產(chǎn)的PIMA光柵掃描型光譜儀,，即是此類(lèi)典型的用于研究野外巖石礦物的種類(lèi)、豐度,、成分的便攜式近紅外光譜分析儀,，其波長(zhǎng)范圍為1.3μm～2.5μm，光譜取樣間距2nm,，信噪比1/3500～1/4500,，對(duì)于樣品和參考物有32個(gè)識(shí)別級(jí)別，外形大小27cm ×17cm×12cm,，重量?jī)H只有4kg,。
搜索和跟蹤系統(tǒng)：是基于目標(biāo)所發(fā)出的處于紅外光譜范圍內(nèi)的電磁輻射波，來(lái)搜索和跟蹤紅外目標(biāo),，確定其空間位置,，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤的系統(tǒng)。紅外搜索跟蹤器的圖像品質(zhì)取決于與像素大小和像素?cái)?shù)量相關(guān)的空間分辨率,。也就是說(shuō),，若儀器像素?cái)?shù)越高，像素尺寸越小,，則其顯示的圖像越清晰,，可搜索的距離則越遠(yuǎn)。擅長(zhǎng)基于MCT（碲鎘汞）冷卻紅外檢測(cè)器技術(shù)的法國(guó)Sofradir公司，近期推出了高性能的基于10μm像距MWIR中紅外的IRST紅外搜索和跟蹤系統(tǒng),，可用于飛行員或士兵不論白天還是夜晚,，即使是在煙或霧環(huán)境下，仍能有效識(shí)別,、分辨,、定位遠(yuǎn)達(dá)10km以外的小目標(biāo)。
熱成像系統(tǒng)：通過(guò)熱成像儀以非接觸方式探測(cè)被測(cè)目標(biāo)所釋放的紅外輻射能量,，能形成整個(gè)目標(biāo)的紅外輻射分布（即溫度分布）圖像,，以便分析、研究目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu),，探測(cè)其內(nèi)部缺陷或工作狀況,，進(jìn)而進(jìn)行故障診斷分析等。微輻射熱計(jì)熱式紅外技術(shù)是紅外熱成像儀中應(yīng)用zui多的技術(shù),，由其構(gòu)成的熱成像儀的圖像分辨率超過(guò)10000像素。圖為美國(guó)FLIR公司生產(chǎn)的SC8200系列紅外攝像機(jī),，采用1024×1024冷卻銻化銦MWIR中紅外檢測(cè)器,，測(cè)量光譜范圍1.5μm～5.0μm或3.0μm～5.0μm，NETD＜25mK,，像素點(diǎn)距18μm,，幀頻132Hz，標(biāo)準(zhǔn)量程范圍-20℃～500℃,，也可選擇量程上限到1500℃或2000℃,，測(cè)量精度為±2℃或示值的±2%。
紅外通信系統(tǒng)：是采用調(diào)制后的紅外輻射光束傳輸編碼后的數(shù)據(jù),，再由硅光電二極管將收到的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),，實(shí)現(xiàn)近距離通信的一種系統(tǒng)。具有不干擾其它鄰近設(shè)備的正常工作,，特別適用于人口高密度區(qū)域的戶內(nèi)通信的優(yōu)點(diǎn),。此外，該通信系統(tǒng)還具有低功耗,、低成本,、安全可靠的特點(diǎn)。
其它,。紅外傳感技術(shù)還廣泛用于門(mén)禁報(bào)警與控制,、照明控制、火災(zāi)檢測(cè),、有毒有害氣體泄漏檢測(cè),、紅外測(cè)距、采暖通風(fēng)等其它綜合應(yīng)用場(chǎng)合。今年5月份,，在德國(guó)紐倫堡舉辦的“SENSOR+TEST”展覽會(huì)上,，法國(guó)ULIS公司展出了其研制的、采用了的片上（on-chip）創(chuàng)新技術(shù)（如采用I2C標(biāo)準(zhǔn)接口,、低功耗管理等）的紅外熱式傳感器陣列Micro80P產(chǎn)品,。該傳感器陣列基于有著較高可靠性的非晶硅技術(shù)，靈敏度高達(dá)80×80像距,，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了在目前運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器中所用的單元件或四元件熱式傳感器,，大大提升了工業(yè)級(jí)紅外熱檢測(cè)傳感器的能力。該產(chǎn)品不僅可以用于檢測(cè)溫度點(diǎn)或溫度面和探測(cè)運(yùn)動(dòng),，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)或人體活動(dòng)的計(jì)數(shù),、定位和分類(lèi)等功能。如在HVAC場(chǎng)合,，可用于對(duì)房間內(nèi)的人員進(jìn)行計(jì)數(shù),，對(duì)房間墻壁溫度進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)室內(nèi)采暖和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)精細(xì)調(diào)節(jié),，實(shí)現(xiàn)建筑物zui大程度的節(jié)能降耗,。
隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高、計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)的發(fā)展,、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的提升,、新型半導(dǎo)體等材料的推出和加工制造工藝的進(jìn)步，紅外傳感器近年發(fā)展迅猛,。據(jù)國(guó)外某研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),，紅外傳感器銷(xiāo)售額將會(huì)從2010年的$1.52億美元增長(zhǎng)到2016年的2.86億美元。近年來(lái),，紅外傳感器的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：
一是采用新型材料和處理技術(shù),，使得傳感器的紅外探測(cè)率提高，響應(yīng)波長(zhǎng)增大,，響應(yīng)時(shí)間縮短,，像素靈敏度和像素密度更高，抗干擾性能提高,，生產(chǎn)成本降低,。如Pyreos和Irisys公司已推出薄膜和陶瓷混合的新型熱釋電敏感技術(shù)，使得敏感元件可以實(shí)現(xiàn)陣列化,。
二是傳感器的大型化和多功能化,。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，紅外傳感器正從小型,、單一功能,，向大型化,、多功能化方向發(fā)展。如國(guó)外所研制的大型紅外傳感器（16×16到64×64像素）除可進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)量外,，還可獲得*進(jìn)的,、小型紅外傳感器所不具有的人體探測(cè)功能（即可定位個(gè)人在空間中的位置，即使人不活動(dòng),，也可識(shí)別出）或大型區(qū)域的安全監(jiān)視等功能,，十分適宜于家庭自動(dòng)化、醫(yī)療保健,、安全防護(hù)等場(chǎng)合的應(yīng)用,。此外，新型多光譜傳感器的研制,，也大大改善了紅外成像陣列的功能性,。
三是傳感器的智能化。新型的智能紅外傳感器通常內(nèi)置多個(gè)微處理器,，具備傅里葉變換,、小波變換等*進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理或補(bǔ)償功能，自診斷功能,，雙向數(shù)字通信等功能,，使得傳感器的穩(wěn)定性、可靠性,、信噪比,、便利性等性能大大提高,。
四是傳感器的進(jìn)一步微型化,、集成化。采用片上集成技術(shù)（包括盲元替代,、非均勻性校正,、部分圖像處理功能等）和其它新的器件結(jié)構(gòu)及新的制造工藝技術(shù)，在MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）,，甚至基于納米科技的NEMS（納機(jī)電系統(tǒng)）推動(dòng)下,，紅外傳感器尺寸大為縮小，功耗大大降低,，集成度顯著提高,。由于紅外傳感器的*性能，許多主流儀表研究單位和生產(chǎn)制造商對(duì)它的研發(fā)投入也越來(lái)越高,。
