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紅外技術及應用
外線,，實質上是一種電磁輻射波,，其波長范圍大致在0.78μm～1000μm頻譜范圍內，因其是位于可見光中紅光以外的光線,，故而得名為紅外線,。
任何溫度高于零度的物體，都會向外部空間以紅外線的方式輻射能量,。利用紅外輻射實現相關物理量測量的傳感技術,，即為紅外傳感技術。紅外傳感技術是近年來發(fā)展zui快的技術之一,，紅外傳感器目前已廣泛應用于航空航天,、天文、氣象,、軍事,、工業(yè)和民用等眾多領域，起著不可替代的重要作用,。
按檢測機理不同,，通常將紅外傳感器分為熱式和光子式（也稱量子式）兩大類。熱式是利用紅外輻射的熱效應,，即當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，進而使敏感元件的相關物理參數發(fā)生相應變化,，通過對這些物理參數及其變化的測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)點是：響應波段達整個紅外區(qū)域，可以在常溫下工作,，輕便可靠,，成本較低，使用簡單方便等,。但其不足之處是響應時間相對較長（ms級）,，靈敏度較低，一般用于低頻調制的場合,。常用的熱式紅外傳感器類型主要有熱敏電阻/(微)輻射熱計型、熱電偶/熱電堆型,、高萊氣動型和熱釋電型等,。其中，熱釋電型的敏感元件通常采用具有熱釋電效應的晶體材料,，具有檢測效率zui高,，頻率響應zui寬，能探測輻射信號的快速變化等顯著優(yōu)點,，故該類傳感器發(fā)展較快,，應用范圍也較廣,。
光子式紅外傳感器是利用紅外輻射的光子效應而進行工作的傳感器。所謂光子效應,，是指當有紅外線入射到某些半導體材料上時,，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),，從而引起各種電學現象,。通過測量半導體材料中電子性質的變化，就可以知道相應紅外輻射的強弱,。光子探測器類型主要有內光電探測器,、外光電探測器、自由載流子式探測器,、QWIP量子阱式探測器等,。內光電探測器又細分為光電導型、光生伏特型和光磁電等類型,。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,，但缺點是探測波段較窄,，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,，將光子探測器冷卻至較低的工作溫度）,。
按照紅外傳感器應用功能、場所的不同,，大體可將其應用分成以下幾類：
（1）輻射量,、光譜測量：該類測量儀器用途廣泛，如基于中紅外輻射測量的地面輻射強度計,，可用于如變暖等的氣候變化觀察,；基于遠紅外輻射測量的紅外空間望遠鏡，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,，可實現對云層等的氣象觀察分析。在工礦企業(yè)中,，應用較多的是基于輻射量測量的紅外溫度計和基于紅外光譜測量的紅外分析儀,。
按照斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體紅外輻射的強度與物體的溫度和輻射率相關,。依此制成的紅外溫度計,，屬比較*的測溫方法，具有諸多優(yōu)點：適用于遠距離和非接觸測量,，可以測量高速運動物體,、帶電物體,、腐蝕介質、高溫或高壓物體或介質的溫度,；因其測量不需要熱平衡過程,，故其響應速度快，一般在毫秒級,，甚至微秒級,；因為物體紅外輻射的強度與物體溫度的四次方成正比，因而物體溫度微小變化,，都會引起輻射能量成倍變化,，因而其測溫靈敏度高；由于測量的非接觸性,，故不會破壞實測對象原先溫度場分布狀況,，因而其測出溫度失真較小,；可以測量從攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度,，因而其測溫范圍非常廣泛。美國LumaSense技術公司所生產的基于紅外溫度傳感器的IS 6和IGA 6系列數字高溫計,，溫度測量上限：IS達3000℃,，IGA達2500℃；光譜范圍：IS為0.7μm～1.1μm,，IGA為1.45μm～1.8μm響應時間快達120μs,，功耗zui大不超過3W，重量僅有0.6kg,。
基于紅外光譜技術的成分分析儀表,，具有“綠色、快速,、非破壞,、在線"等特點，是分析化學領域迅猛發(fā)展的高新分析技術之一,。許多由非對稱雙原子和多原子所構成的氣體分子,，在紅外輻射波段都有相應的吸收帶，且因其被測對象所含分子的不同,，吸收帶所在的波長和吸收的強弱也不相同,。根據各類氣體分子吸收帶分布情況及吸收的強弱，可以識別出被測對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介質，并根據各類分子介質的紅外吸收特性,，利用氣體的紅外吸收光譜特征,，通過對光譜分析而實現氣體組分或濃度分析的,。日本橫河電機所生產的IR400型紅外氣體分析儀，該分析儀采用單光源雙光柱,、NDIR非色散紅外測量法,，實現NO、SO2 ,、CO,、CO2 和CH4四種氣體成分的同時和連續(xù)測量。其線性度達±1%滿量程,，重復性為±0.5%滿量程,，響應時間為60s。
利用近紅外光譜對羥基,、水,、碳酸鹽以及Al-OH、Mg-OH 和Fe-OH 等分子鍵非常敏感的特性,，通過對目標對象的紅外照射來獲得其診斷性光譜,，然后對光譜波長位置、深度和寬度進行測量分析,，即可獲取其種屬,、組分和主要金屬元素比值等，從而實現對固體等介質的成分分析,。澳大利亞Integrated Spectronics公司生產的PIMA光柵掃描型光譜儀,，即是此類典型的用于研究野外巖石礦物的種類、豐度,、成分的便攜式近紅外光譜分析儀,，其波長范圍為1.3μm～2.5μm，光譜取樣間距2nm,，信噪比1/3500～1/4500,，對于樣品和參考物有32個識別級別，外形大小27cm ×17cm×12cm,，重量僅只有4kg,。
搜索和跟蹤系統：是基于目標所發(fā)出的處于紅外光譜范圍內的電磁輻射波，來搜索和跟蹤紅外目標,，確定其空間位置,，并對其運動軌跡進行跟蹤的系統。紅外搜索跟蹤器的圖像品質取決于與像素大小和像素數量相關的空間分辨率,。也就是說,，若儀器像素數越高，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,。擅長基于MCT（碲鎘汞）冷卻紅外檢測器技術的法國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,，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，仍能有效識別,、分辨,、定位遠達10km以外的小目標。