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yi文读懂红外(必xu收cang)

guan键词:接近kaiguan 光电kaiguan 发布时间:2020-06-10 13:58:53 点击:


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在了解红外之前,蕑i龋Ω昧私鈟i下,什么shi红外线,或者叫红外光。

 

知道,光线也蕅ie恢址鴖he电磁bo,襶un死嗟膉ing验而言,通常指的shi肉眼可见的光boyushi从400nm(zi光)dao700nm(红光)可以被人类眼睛感觉dedao的fan围。

 

 

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如图所示把红光之外、bo长760nmdao1mm之间辐she叫做红外光,红外光shi肉眼看不dao的,但通过yi些特殊光学设备,依然可以感受dao。

 

红外线蕅ie恢秩死嗳庋劭床患墓猓裕哂泄獾膟i切光线的所有特性。但同蔮ao焱庀呋褂衴i种还具有fei常显著的热效应。所有gao于绝对零du即-273℃的wu质都可以产生红外线。

 

yin此,简dan地shuo,红外线shi利用红外线为jie謘hi磈in行数据chu理的yi种。

 

 

 

红外的种类

 

 

红外线蕅ie恢秩死嗳庋劭床患墓猓裕哂泄獾膟i切光线的所有特性。但同蔮ao焱庀呋褂衴i种还具有fei常显著的热效应。所有gao于绝对零du即-273℃的wu质都可以产生红外线。

 

 

根据发出方式不同,红外可分为主动式和被动式两种。

 

1、主动红外的工作原理及特性

 

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主动红外的发she机发出yi束jingdiao制的红外光束,被红外接收机接收,从而形成yi条红外光束组成的警戒线。dang遇daoshu叶、雨、小动wu、xue、沙chen、雾遮dang则不应报警,人或相dang体积的wu品遮礲u⑸ňⅫ/span>


主动红外探测器技术主要采用yi发yi收,属于线形防fan,现在已jing从最初的dan光束发zhandao多光束,而qie还可襶un⑺埽畲笙辒u的降低wu报率,从而增强该产品的稳ding性,可靠性。

 

 

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由于红外线属于环境yin素不相干性良好(秡a诨肪chi械纳臁⒗椎纭hen动、各类人工光源及电磁干扰源,具有良好的不相干性)的探测jie质;同时也shi目标yin素相干性好的产品(只有阻断红外she束的目标,才huichu发报警),所以主动式红外器将huidedaojinyibu的推广和应用。

 

 

2、被动红外器的工作原理及特性

 

被动红外shi靠探测人体发she的红外线来jin行工作的。收集外界的红外辐shejin而聚集dao红外上。红外通常采用热释电yuanjian,这种yuanjian在接收了红外辐she温du发出bian化时就huixiang外释fang电荷,检测chu理后产生报警。

 

 

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这种蕅ie蕴讲馊颂宸鴖he为目标的。所以辐shemin感yuanjian对bo长为10μm左you的红外辐she必xufei常min感。为了秠un颂宓暮焱夥鴖hemin感,在它的辐she照面通常覆盖有特殊的滤光片,蔳ou肪车母扇攀躣aoming蟳uan目刂谱饔谩Ⅻ/span>

 

 

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被动红外包han两个hu相串联或并联的热释电yuan。而qie制成的两个电极化方xiangzheng好相反,环境眂hen胺鴖he对两个热释电yuan糵u蹙哂邢嗤淖饔茫蛊洳偷缧вο鄅u抵消,于shi探测器无信号输出。


yi旦入侵人jin入探测区yu内,人体红外辐she通过部分镜而聚焦,从而被热释电yuan接收,但shi两片热释电yuan接收dao的热量不同,热释电也不同,不能抵消,jing信号chu理而报警。

 

 

 

根据能量转换方式的不同,红外线又可分为光子式和热释电式两种。

 

 

1、光子式红外

 

 

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光子式红外shi利用红外辐she的光子效应而jin行工作的。所谓光子效应,shi指dang有红外线入shedao某些ban导体材liao上蔮ao焱夥鴖he中的光子liu与ban导体材liao中的电子相hu作用,改bian羢huo缱拥哪芰孔刺佣齫i各种电学现象。


通过测量ban导体材liao中电子性质的bian化,就可以知道相应红外辐she的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、zi由载liu子式探测器、QWIP量子jing式探测器等。

 

 

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光子探测器的主要特点shi灵mindugao、响应速du快,具有较gao祅an煊ζ德剩钡鉺hi探测bo段较窄,yi般工作于低温(为baochigao灵mindu,常采用液dan或温差电制ling等方式,将光子探测器lingque至较低的工作温du)。

 

 

2热释电式红外

 

 

热释电式红外shi利用红外辐she的热效应引qiyuanjian本身的温dubian化来实现某些参数的检测的,其探测率、响应速du都不如光子型。


但由于其可在室温下使用,灵mindu与bo长无guan,所襷aτ胠ingyu很广。利用铁电体热释电效应的热释电型红外灵mindu很gao,获de了广泛应用。

 

 

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热释电效应某些绝yuanwu质受热蔮ao孀盼耫u的上升,在晶体两端将hui产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热bian化而产生的电极化现象称为热释电效应。热释电效应在近十年被用于热释电红外中。能产生热释电效应的晶体称为热释电体,又称为热电yuanjian。热电yuanjian常用的材liao有dan晶、压电陶ci及gao分子bomo等。

 

热释电红外的jie构热释电红外由以下四个主要部穤hi钩桑裹/span>

 

① 构成电路的lv基板、chang效应晶体管(FET);

② 具有热释电效应的陶ci材liao;

③ 限制入she红外bo长的窗口材liao;

④ 外壳TO—5型管帽和管zuo。

 

 

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由于探测器yuanjiandan独使用蔮ao嬖谧盘讲饩嗬虢隙獭⒒馾e的信号后续电路不yichu理的不足,所以目前多xuan用红外组合jian来探测。红外组合jian由热释电红外、tou镜、测量转换电路和密封管壳构成]。tou镜可以扩大探测fan围,提gao测量的灵mindu;测量转换电路可以完成滤bo、fang大等信号chu理过程;密封管壳能防zhiyin外界噪声引qi的错wu动作。这种组合jian体积小、成本低、功能多样,所襷aτ霉惴骸Ⅻ/span>

 

 

 

红外的应用

 

 

从目前应用的情况来看,红外有如下几个you点:

 

1、环境适应衵a庞诳杉猓绕鋝hi在夜间簍ou窳觮ian候下的工作能力;


2、yin蔽性好,yi般都shi被动接收目标的信号,比雷达和激光探测安全qiebao密性强,不yi被干扰;


3、由于目标和眂hen爸涞奈虏詈头he率差形成的红外辐she特性jin行探测,yin而识别伪装目标的能力you于可见光;


4、与雷达系统相比,红外系统的体积小,重量轻,功耗低;

 

 

 

根据红外上述的性能特点,可以发zhan出多种不种的红外探测器。

 

 

 

 

利用其光效应:

 

1、光电导探测器:又称光min电阻。ban导体xi收能量足gou大的光子后,体内yi些载liu子从束缚态转bian为zi觭hang佣筨an导体电导率增大,这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶bomo型和dan晶型两种。

 

2、光伏探测器:主要利用p-njie的光生伏特效应。能量大于jin带宽du的红外光子在jie区及其附近激发电子空穴对。存在的jie电chang使空穴jin入p区,电子jin入n区,两部分出现电位差,外电路就有电裧ou虻鏻iu信号。与光电导探测器比较,光伏探测器眂hen跋尢讲饴蚀?0%,不需要外加偏zhi电chang簍ou涸氐缱瑁幌墓β剩術ao的阻抗。

 

3、光发she-Schottkyshilei探测器:金属和ban导体接chu,形成Schottkyshilei,红外光子tou过Siceng被PtSixi收,使电子获de能量跃qian至fei米能ji,liu下空穴越过shileijin入Si衬di,PtSiceng的电子被收集,完成红外探测。

 

4、量子jing探测器(QWIP):将两种ban导体材liao用人工方法boceng交替生长形成超晶格,在其界面有能带突bian,使de电子和空穴被限制在低shi能jing内,从而能量量子化形成量子jing。

 

利用量子jing中能ji电子跃qian原理可以做红外探测器。yin入she辐she中只有chuizhi于超晶格生长面的电极化矢量qi作用,光子利用率低;量子jing中基态电讁ou╠u受掺za限制,量子效率不gao;响应光谱区窄;低温要求苛刻。

 

 

利用其热效应:

 

1、液态的shui银温du计及气动的gao莱池(Golay cell):利用了材liao的热胀ling缩效应。

 

2、热电ou和热电堆:利用了温du梯du可使不同材liao间产生温差电动shi的温差电效应。

 

3、shi英共zhen器fei制ling红外成xianglie阵:利用共zhen频率对温dumin感的原理来实现红外探测。

 

4、测辐she热计:利用材liao的电阻或jie电常数的热min效应—辐she引qi温升改bian材liao电阻—用以探测热辐she。yinban导体电阻有gao的温du系数而应用最多,测温辐she热计常称“热min电阻”。

 

另外,由于gao温超导材liao出现,利用转bian温du附近电阻陡bian的超导探测器引qi重视。如guo室温超导成为现实,将shi21shi纪最引人zhu目的yi类探测器;

 

5、热释电探测器:有些晶体,如硫suan三甘酞、nisuan锶钡等,dang受dao红外辐she照she温du升gao蔮ao齫izi发极化强dubian化,jieguo在chuizhi于zi发极化方xiang的晶体两个外表面之间产生微小电压,由此能测量红外辐she的功率。

 

 

 

an照应用功能、chang所的不同,红外应用大体上可分成以下几类:


 

 

辐she量、光谱测量

 

竚ei嗖饬恳瞧饔胻u广泛,如基于中红外辐she测量的地面辐she强du计,可用于如全球biannuan等的气候bian化观察;基于yuan红外辐she测量的红外空间望yuan镜,可用于yu宙tian体tian文观察;配带红外光谱扫描辐she仪的气象卫xing,可实现对云ceng等的气象观察分xi。在工kuang企业中,应用较多的shi基于辐she量测量的红外温du计和基于红外光谱测量的红外分xi仪。

 

 

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 搜索和gen踪系统

 

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熟知战斗机携带的近距格斗空空导弹就shi使用了红外gen踪系统,它shi基于目标所发出的chu于红外光谱fan围内的电磁辐shebo,来搜索和gen踪红外目标,萬anㄆ淇占湮粃hi,并对其yun动gui迹jin行gen踪祅an低changⅫ/p>

 

红外搜索gen踪器的图xiang品质取决于与xiang素大小和xiang素数量相guan的空间穤hi媛省R簿蛃hishuo,ruo仪器xiang素数越gao,xiang素尺寸越小,则其显示的图xiang越清晰,可搜索的距离则越yuan。

 

擅长基于MCT(碲镉汞)lingque红外检测器技术的法国Sofradir公司,近期推出了gao性能的基于10μmxiang距MWIR中红外的IRST红外搜索和gen踪系统,可用于飞行员或士兵不论白tian还蕅ie雇恚词箂hi在烟或雾环境下,仍能有效识别、穤hi妗ing位yuan达10km以外的小目标。

 

 

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热成xiang系统

 

热成xiang仪shi利用红外探测器和光学成xiangwu綿ao邮鼙徊饽勘甑暮焱夥鴖he能量分布图形反映dao红外探测器的光minyuanjian上,从而获de红外热xiang图,这种热xiang图与wu体表面的热分布chang相秡aΑMㄋ椎亟踩葂iang仪就shi将wu体发出的不可见红外能量转bian为可见的热图xiang。热图xiang的上面的不同颜se代表被测wu体的不同温du。

 

 

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任何有温du的wu体都hui发出红外线,热xiang仪就shi接收wu体发出的红外线,通过有颜se的图片来显示被测量wu表面的温du分布,根据温du的微小差异来找出温du的异常点,从而qidao与wei护的作用。yi般也称作红外热xiang仪。

 

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热xiang仪在最早蕅ie蛭履康亩鴇e以kai发,近年来迅速xiang民用工业lingyu扩zhan。热xiang仪的应用fei常广泛,只要有温du差异的地方都有应用。

 

比如:在建筑lingyu,检查縵han摹⑷毕荨i砖脱luo、受砨o⑷萹iao等;在消防lingyu可以查誽i鹪矗衐ing事故的qiyin,查找烟雾中的受伤者;公安系统可以找夜间cang匿的人;汽车生产lingyu可以检测轮胎的行走性能、空diao发热si、发动机、排气喉等性能;医学可以检测zhen灸效guo、早期发蟴hi茄拾⑷橄侔┑燃膊。坏缌觳榈缦摺ian接chu、快guan闸、bian电柜等。

 

 

红外通信系统

 

shi采用diao制后的红外辐she光束传输bian码后的数据,zai由硅光电er极管将收dao的红外辐she信号转换成电信号,实现近距离通信的yi种系蚦hang>哂胁桓扇牌渌诮璞傅膠heng常工作,特别适用于萻i趃ao密du区yu的户内通信的you点。此外,该通信系统还具有低功耗、低成本、安全可靠的特点。

 

 

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其它

 

红外传感技术还广泛用于门jin报警与控制、照ming控制、火灾检测、有毒有hai气体泄漏检测、红外测距、采nuan通风等其它综合应用chang合。在德国纽伦堡举办的“SENSOR+TEST”zhan览hui上,法国ULIS公司zhan出了其最新研制的、采用了最新的片上(on-chip)创新技术(如采用I2C标准接口、低功耗管理等)的红外热式阵lieMicro80P产品。

 

该阵lie基于有着较gao可靠衴uan膄ei晶硅技术,灵mindugao达80×80xiang距,其性能yuanyuan超越了在目前yun动检测器中所用的danyuanjian或四yuanjian热式,大大提升了工业ji红外热检测的能力。

 

该产品不仅可襷a糜诩觳馕耫u点或温du面和探测yun动,也可以实现对目标或人体活动的计数、ding位和分类等功能。如在HVACchang合,可用于对房间内的人员jin行计数,对房间墙bi温dujin行测量,从而对室内采nuan和空diao系统jin行zi动精细diao节,实现建筑wu最大程du的节能降耗。

 

 

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红外的发zhan

 

 

 

随着ke学技术shui平的提gao、计算机微chu理器技术的发zhan、现代数字信号chu理技术的提升、新型ban导体等材liao的推出和加工制造工艺的jinbu,红外近年发zhan迅猛。据国外某研jiu机构预测,红外全球销售e将hui从2010年的$1.52亿meiyuan增长dao2016年的2.86亿meiyuan。

 

近年来,红外的发zhan趋shi主要体现在以下四个方面:

 

yishi采用新型材liao和chu理技术,使de的红外探测率提gao,响应bo长增大,响应时间缩短,xiang素灵mindu和xiang素密du更gao,抗干扰性能提gao,生产成本降低。如Pyreos和Irisys公司已推出bomo和陶ci混合的新型热释电min感技术,使demin感yuanjian可以实现阵lie化。

 

ershi的大型化簍ou喙δ芑Ⅻ/span>随着微电子技术的发誫ou偷挠τ胠ingyu的不断扩大,红外zheng从小型、danyi功能,xiang大型化、多功能化方xiang发zhan。

 

如国外所研制的大型红外(16×16dao64×64xiang素)除可jin行温duchang测羕e猓箍苫馾e先jin的、小型红外所不具有的人体探测功能(即可精萬anㄎ桓鋈嗽诳占渲械奈粃hi,即使人不活动,也可识别出)或大型区yu的安全jian视等功能,十分适宜于家庭zi动化、医疗baojian、安全防护等chang合的应用。

 

此外,新衪ou喙馄椎难兄疲泊蟠蟾膕han了红外成xiang阵lie的功能性。

 

三shi的zhi能化。新型的zhi能红外通常内zhi多个微chu理器,具备傅li叶bian换、小bobian换等先jin数字信号chu理或补偿功能,zi诊断功能,双xiang数字通信等功能,使de的稳ding性、可靠性、信噪比、便利衴uan刃阅艽蟠筇醙ao。

 

四shi的jinyibu微型化、集成化。采用片上集成技术(包括盲yuan替代、fei均yun性校zheng、部分图xiangchu理功能等)和其它新的器jianjie构及新的制造工艺技术,在MEMS(微机电系统),shen至基于纳米ke技的NEMS(纳机电系统)推动下,红外尺寸大为缩小,功耗大大降低,集成du显著提gao。

 

由于红外的you越性能,许多主liu仪表研jiudan位和生产制造shang秠un难蟹ou入也越来越gao。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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