紅外傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域及測量基礎(chǔ)原理？

宇宙間的任何物體只要其溫度超過零度就能產(chǎn)生紅外輻射，事實上同可見光一樣，其輻射能夠進行折射和反射，這樣便產(chǎn)生了紅外技術(shù)，利用紅外光探測器因其獨有的優(yōu)越性而得到廣泛的重視，并在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。軍事上，紅外探測用于制導(dǎo)、火控跟蹤、警戒、目標偵查、武器熱瞄準器、艦船導(dǎo)航等；在民用領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用與工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、安全監(jiān)視、救災(zāi)、遙感、交通管理以及醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)等。

在科技高度發(fā)達的今天，自動控制和自動檢測在人們的日常生活和工業(yè)控制所占的比例也越來越重，使人們的生活越來越舒適，工業(yè)生產(chǎn)的效率越來越高。而傳感器是自動控制中的重要組成部件，是信息采集系統(tǒng)的重要部件，通過傳感器將感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適合輸送或檢測的信號（一般為電信號），再利用計算機或者電路設(shè)備對傳感器輸出的信號進行處理從而達到自動控制的功能，由于傳感器的響應(yīng)時間一般都比較短，所以可以通過計算機系統(tǒng)對工業(yè)生產(chǎn)進行實時控制。紅外傳感器是傳感器中常見的一類，由于紅外傳感器是檢測紅外輻射的一類傳感器，而自然界中任何物體只要其穩(wěn)定高于絕對零度都將對外輻射紅外能量，所以紅外傳感器稱為非常實用的一類傳感器，利用紅外傳感器可以設(shè)計出很多實用的傳感器模塊，如紅外測溫儀，紅外成像儀，紅外人體探測報警器，自動門控制系統(tǒng)等。

紅外傳感器定義

紅外線傳感器是用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。它是一種不可見光，其光譜位于可見光中紅色以外，所以稱紅外線。

工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中的位置（波段）分為：近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四個波段。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。

紅外傳感器的測量基礎(chǔ)原理

首先了解一下紅外光。紅外光是太陽光譜的一部分，紅外光的最大特點就是具有光熱效應(yīng)，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為300000Km/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。

不同的氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對于波長為1～5μm、 8～14μm區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對不同的物體是各不相同的，熱能強度也不一樣。例如，黑體(能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體)、鏡體(能全部反射紅外輻射的物體)、透明體(能全部穿透紅外輻射的物體)和灰體(能部分反射或吸收紅外輻射的物體)將產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。

嚴格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項目的重要理論依據(jù)。

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。

紅外輻射的基本定律

基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數(shù)，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。

地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。

玻耳茲曼定律：即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。

維恩位移定律：隨著溫度的升高，輻射最大值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動。

紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜，一個典型的傳感器系統(tǒng)各部分的實體分別是：

1、待測目標：根據(jù)待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。

2、大氣衰減：待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。

3、光學(xué)接收器：它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。

4、輻射調(diào)制器：對來自待測目標的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。

5、紅外探測器：這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出來的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

6、探測器制冷器：由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，提高探測靈敏度。

7、信號處理系統(tǒng)：將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

8、顯示設(shè)備：這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。

依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。

熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應(yīng)有外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng))和光電磁效應(yīng)。熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。

熱敏探測器對紅外輻射的響應(yīng)時間比光電探測器的響應(yīng)時間要長得多。前者的響應(yīng)時間一般在ms以上，而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)要冷卻。