1、8.1 紅外輻射的基本知識 8.1.1.紅外輻射紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，是一種人眼看不見的光線。任何物體，只要它的溫度高 于絕對零度（273），就會有紅外線向周圍空間輻射。紅外輻射的波長范圍大 約在0.76m到1000m的范圍之內，相對應的頻率大致在4101431011Hz之 間。下圖是整個電磁波譜，由圖可見，紅外線是位于可見光中紅色光以外的光線， 故稱紅外線。 這里所說的遠、中、近是指紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離而言 極遠紅外區（大于16 ） 中紅外區（36 ） 遠紅外區（616 ） m 近紅外區（0.73 ）m m m 紅外輻射分為四個區域 紅外輻射的物理本質是熱輻射。物體的溫

2、度越高，輻射出來的紅外線越多， 輻射出的能量就越強。 紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在 真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度。 地球大氣對可見光、紫外線是比較透明的,對一些波長的紅外輻射有較強 的吸收，而對另一些波長來說比較透明。一般把透明的波段稱為“大氣窗口”， 見下圖,從圖可見，波長從114m共有8個窗口。由于紅外探測器一般都工 作在這八個波段（大氣窗口）之內，因此這八個波段對紅外探測技術特別重 要。 8.1.2.紅外輻射源紅外輻射源 當物體溫度高于絕對零度時，就有紅外線向周圍空間輻射出來，有紅外輻射 的物體就可以視為紅外輻射源。根據輻射源幾何尺寸的大小，距

3、離探測器或被輻 射物體的遠近，又分為點源和面源。 8.2紅外探測器 紅外探測器是能將紅外輻射能轉換成電能的一種光敏器件，是紅外探測系統的關 鍵部件，常常也稱為紅外傳感器。常見的紅外探測器有兩大類：熱探測器和光子探 測器。 8.2.1.熱探測器熱探測器 熱探測器是利用探測元件吸收紅外輻射能量而引起溫升，在此基礎上借助各 種物理效應把溫升轉變成電量的一種探測器。 第一步是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升， 第二步利用熱探測器某些溫度效應把溫升轉變成電量的變化。 這一步對各種熱探 測器都一樣； 測輻射熱計 測輻射熱電偶和熱電堆 熱釋電探測器 高萊管（氣動型） 根據熱效應的不同，熱探測器 熱探測器光電轉換

4、的過程分為兩步： 輻射探測:防盜報警、防火系統、熱輻 射體搜索和跟蹤等 熱探測器四特性 （1）響應率與波長無關，屬于無選擇性探測器； （2） 受熱時間常數（熱慣性）的制約，響應速度比較慢； （3） 熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低； （4） 可在室溫下工作。 熱敏電阻型探測器 熱敏電阻有金屬和半導體兩種。 金屬熱敏電阻，電阻溫度系數多為正的，絕對值比半導體的小，它的電阻與 溫度的關系基本上是線性的，耐高溫能力較強，所以多用于溫度的模擬測量。 半導體熱敏電阻，電阻溫度系數多為負的，絕對值比金屬的大十多倍，它的 電阻與溫度的關系是非線性的，耐高溫能力較差，所以多用于輻射探測。 熱敏電阻包

5、括正溫度系數（PTC）、負溫度系數（NTC）和臨界溫度系數 （CTR）等三類. 熱敏電阻型紅外探測器結構如下圖所示。 熱敏電阻的電阻與溫度關系為 R為電阻值；T為溫度；A、C、 D是隨材料而異的常數 這種熱敏電阻是由錳、鎳、鈷的 氧化物混合后燒結而制成的。 常見的是NTC型熱敏電阻. 這個電動勢的大小和方向與該接點處兩種不同的 導體材料的性質和兩接點處的溫差有關。 熱電偶型探測器 熱電偶也叫溫差電偶，是最早出現的一種熱電探測器件，其工作原理是熱電效 應。由兩種不同的導體材料構成的接點，在接點處可產生電動勢。熱電偶接收輻射 的一端稱為熱端，另一端稱為冷端。 為了提高吸收系數 構成熱電偶的材料，既

6、可以是金屬，也可以是半導體。在結構上既可以是線、 條狀的實體，也可以是利用真空沉積技術或光刻技術制成的薄膜。 溫差電偶和溫差電堆的原理性結構如下圖所示。 溫差電偶多用于測溫薄膜型的溫差電堆 （由許多個溫差電 偶串聯而成）多用 于測量輻射 在實際應用中，往往將幾個熱電偶串聯起來組成熱電堆來檢測紅外輻射的強弱。 熱電效應:如果把這兩種不同的導體材料接成回路，當兩個接頭處溫度 不同時，回路中即產生電流。 熱釋電型探測器 熱釋電型紅外探測器是由具有極化現象的熱釋電晶體或稱“鐵電體”制作的。 是晶體中的一種，具有非中 心對稱的晶體結構 自然狀態下，在某個方向上正負電荷中心不重合，在 晶體表面形成一定量的

7、極化電荷，稱為自發極化 晶體溫度變化時，可引起晶體正負電荷中心 發生位移，因此表面上的極化電荷即隨 之變化，如下圖所示 熱釋電晶體的極化強度（單位表面積上的束縛電荷）與溫度有關. 通常其表面俘獲大氣中的浮游電荷而保持電平衡狀態。處于電平衡狀態的鐵電體， 當紅外線照射到其表面上時，引起鐵電體（薄片）溫度迅速升高，極化強度很快下降， 束縛電荷急劇減少；而表面浮游電荷變化緩慢，跟不上鐵電體內部的變化。 熱釋電效應:從溫度變化引起極化強度變化到在表面重新達到電平衡狀態的極短 時間內，在鐵電體表面有多余浮游電荷出現，這相當于釋放出一部分電荷，這種現 象稱為熱釋電效應. 熱釋電型探測器就是依據這個效應工作

8、的探測器稱。 由于自由電荷中和面束縛電荷所需時間較長，大約需要數秒鐘以上，而晶體自發 極化的馳豫時間很短，約為10-12秒，因此熱釋電晶體可響應快速的溫度變化. 示。 高萊氣動型探測器 高萊氣動型探測器又稱高萊(Golay)管，是高萊于1947年發明的。它是利用氣體吸 收紅外輻射能量后，溫度升高、體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱。其結構原 理如下圖所示: 高萊氣動型探測器的設計思想是這樣的，當沒有紅外輻射入射時，上半邊光柵的不 透光的柵線剛好成像到下半邊光柵透光的柵線上，而上半邊的透光柵線剛好成像到下 半邊光柵不透光柵線上，于是沒有光量透過下半光柵射到光電探測器上，因此輸出結 果就是零。

9、它有一個氣室，以一個小管 道與一塊柔性薄片相連 當有調制的紅外輻射入射時，柔鏡將發生周期性的膨脹與收縮，光柵柵線像移位， 于是就有光射到光電探測器上，并且射入光通量的大小與入射輻通量成正比。 調制輻射通過窗口射到氣室的吸收薄膜上，引起薄膜溫度的周期變化。 溫度的變化又引起氣室內氙氣的膨脹和收縮，從而使氣室另一側的柔鏡產生 膨脹和收縮， 高萊管使用的調制頻率比較低，一般小于20Hz 8.2.2.光子探測器光子探測器 光子型紅外探測器是利用某些半導體材料在紅外輻射的照射下，產生光 電效應，使材料的電學性質發生變化,通過測量電學性質的變化，可以確定紅 外輻射的強弱。 主要特點是靈敏度高，響應速度快，

10、響應頻率高。但其一般需在低溫下 工作，探測波段較窄。 利用光電效應所制成的紅外探測器統稱光子探測器。 內光電探測器 外光電探測器 光電導探測器 光生伏特探測器 光磁電探測器光子探測器 1外光電探測器（PE器件） 利用外光電效應或光電子發射效應,只適用于近紅外輻射或可見光范圍內使用。 2光電導探測器（PC器件） 利用光電導效應制成的探測器稱為光電導探測器。 使用光電導探測器時， 需要對其進行致冷和加 上一定偏壓，否則會使 響應率降低，噪聲大， 響應波段窄，以致于使 探測器性能變壞 3光生伏特探測器（PU器件） 利用光生電動勢效應制成的探測器稱為光生伏特探測器或結型紅外探測器。 4光磁電探測器（P

11、EM器件） 利用光磁電效應制成的紅外探測器，稱為光磁電探測器。 8.3 紅外探測器的性能參數及其使用中應注意的事項 8.3.1 紅外探測器的性能參數 紅外探測器的性能參數是衡量其性能好壞的依據。為了正確選擇和應用 紅外探測器，掌握與了解這些參數是十分必要的。紅外探測器主要的性能參 數有電壓響應率、光譜響應、等效噪聲功率、比探測率和時間常數等。 怎么與光電探測器一樣? 8.3.2 紅外探測器使用中應注意的事項 （1）選用探測器時要注意它的工作溫度。一般熱探測器能在室溫工作，光子探測器 需要在低溫下工作，甚至需要致冷。 紅外探測器在使用過程中稍不 注意，就有可能導致損壞 否則比探測率低、噪聲大、響

12、應 波段窄，而且容易損壞。 （2）應注意調整好探測器的偏流（或偏壓）， 使探測器工作在最佳工作點，如下圖所示。 若偏流較低，探測器的信號電壓比噪聲電 壓增長的速率快，信噪比增加；當偏流超過最 佳工作點電流以后，則信噪比下降。 只有工作在最 佳偏流工作點 時，紅外探測 器的信噪比最 大。 一般探測器有一個最佳調制頻率。調制頻率過高過低，都會使探測器 的比探測率D降低，只有將調制頻率選取在合適范圍之內，才能獲得最佳 探測效果. （3）輻射源調制頻率應與紅外探測器的響應頻率相匹配。 （4）還應注意探測器存放時要注意防潮、防振和防腐蝕。 （ (5) 要注意的是使用紅外探測器時，必須首先了解它的性能指標

13、和應用范 圍，掌握它的使用條件。 特別要注意的是必須嚴格地按照產品使用說明書中規 定的條件和使用方法，一定要避免盲目亂用，以防損 壞 8.4 紅外測溫 8.4.1 紅外測溫原理紅外測溫原理 紅外測溫原理是斯蒂芬玻耳茲曼定律。由黑體輻射定律知道，黑體的總 輻射出射度與其溫度的四次方成正比. 8.4.2 紅外測溫的特點紅外測溫的特點 1.紅外測溫反應速度快。測量時間一般為毫秒級甚至微秒級。 溫度是表示物體冷熱程度的一個物理量，溫度測量與控制，在科學研究 與工農業生產中，有著重要實用的意義。紅外測溫特點如下: 5. 紅外探測器測溫可測攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍。 4. 紅外測溫準確度高。由

14、于是非接觸測量，不會影響物體溫度分布狀況與 運動狀態，其測量準確度可達到0.l以內。 3. 紅外測溫屬于非接觸測溫。特別適合于高速運動物體、帶電體、高壓及 高溫物體的溫度測量。 2. 紅外測溫靈敏度高。由測溫原理知物體的輻射能量與溫度的四次方成正比。 8.4.3 熱輻射傳感器熱輻射傳感器 （1）熱輻射高溫計 熱輻射高溫計是根據物體表面發出的熱輻射能量進行非接觸式溫度測 量的. 優點:響應快、熱惰性小等，主要用于腐蝕性物體以及運動物體的高 溫測量。 測溫范圍一般為4003200。 被測物體的熱輻射能通過透鏡匯聚到敏感元件熱電堆上，熱電堆把熱 輻射能轉變為電信號。 熱輻射高溫計工作原理如下圖所示，

15、由于感溫部分不與被測介質直接 接觸，因此測量誤差較大。 自然界的物體，都會放射紅外線，唯一不同的是他們發射的紅外線的波長 不同而已。熱輻射測溫儀由紅外線傳感器和電信號處理電路組成，其中的紅外 線傳感器就是能接收上述紅外波長并將其轉變成電信號的一種裝置。 （2）熱輻射測溫儀 人體溫度是3637，放射波長為910m a.傳感器 傳感器用LN206P型熱釋電傳感器，固定在一個盒子內，前面加遮光 板，遮光板電機帶動旋轉，使傳感器按1Hz的頻率接收被測物體的紅外線。 另外，感溫盒內還需放置溫度補償二極管，盒的開口對準被測物，傳感器的 窗口對準遮光板。其結構如圖8-12所示。 l遮光板 2傳感器 3慢速電

16、機 4用于溫度補 償的二極管 傳感器輸出的信號需要放大器進行放大，然后再經過濾波器濾波，傳感 單元中的二極管進行溫度補償，被測量到的電信號和溫度補償電信號通過加 法器處理后輸出被測物體的溫度信號。 b.測量電路 在現代工業、實驗室、醫療等領域的一些工作人員常年在各種不同輻射 的環境下工作，因此對輻射劑量率的監測是非常必要的。 (3) 輻射劑量率計 下圖所示電路是輻射劑量率計電路圖，圖中經過特別處理的普通二極管 作為輻射傳感器。 處理辦法:是把 普通二極管的 玻璃外殼外面 的涂層刮掉， 或將金屬外殼 頂端用細銼小 心銼掉 半導體 材料對 光射線 較為敏 感 8.5 紅外成像 8.5.1 紅外成像

17、器件紅外成像器件 在許多場合，人們不僅需要知道物體表面的平均溫度，還需要了解物 體的溫度分布情況，以便分析、研究物體的結構，探測物體內部情況。紅 外成像就能將物體的溫度分布以圖像形式直觀地顯示出來。 紅外變像管是一種能將物體紅外圖像變成可見圖像的電真空器件，主 要由光電陰極、電子光學系統和熒光屏三部分組成，并安裝在高真空密封 玻璃殼內。 1. 紅外變像管 集成紅外電荷耦合器件（紅外CCD）是最理想、最有發展前途的 固體成像器 2. 集成紅外電荷耦合器件 紅外攝像管是一種能將物體的紅外輻射轉換成電信號，再經過電子 系統放大處理，然后還原為光學圖像的成像裝置。其種類有光導攝像管、 硅靶攝像管和熱釋

18、電攝像管等. 2. 紅外攝像管 光導攝像管和硅靶攝像管工作在可見光或近紅外區，而熱釋電攝像管 的工作波段較長。 l 鍺透鏡 2 鍺窗口 3 柵網 4 聚焦線圈 5 偏轉線圈 6 電子束 7 陰極 8 柵極 9 第一陰極 10 第二陰極 11 熱釋電靶 12 導電膜 13 斬光板。 熱釋電攝像管結構如下圖所示 根據成像原理和成像對象的不同，紅外成像儀可以有很多種類。其中 熱像儀的工作原理如下圖所示。 8.5.2. 紅外熱像儀紅外熱像儀 熱像儀的光學系統為全折射式。通過更換物鏡可對不同距離和大 小的物體掃描成像。光學系統中垂直掃描和水平掃描均采用具有高折 射率的多面平行棱鏡，掃描棱鏡由電動機帶動旋

19、轉，掃描速度和相位 由掃描觸發器、脈沖發生器和有關控制電路控制。 前置放大器的工作 原理如圖 紅外分析儀是根據物質的吸收特性來進行工作的。許多化合物的分子 在紅外波段都有吸收帶，而且因物質的分子不同，吸收帶所在的波長和吸收 的強弱也不相同。根據吸收帶分布的情況與吸收的強弱，可以識別物質分子 的類型，從而得出物質的組成及百分比。 8.5.3. 紅外分析儀紅外分析儀 根據不同的目的與要求，紅外分析儀可設計成:紅外氣體分析儀、紅外分 光光度計、紅外光譜儀等。 醫用二氧化碳分析儀，是利用二氧化碳氣體對波長為4.3m的紅外輻 射有強烈的吸收特性而進行測量和分析二氧化碳氣體的濃度。醫用二氧化 碳分析儀的系

20、統結構如下圖所示。 它由紅外光源、調制系統、標準氣室、測 量氣室、紅外探測器等部分組成。 調節紅外光源，使之分別通過標準氣室 和測量氣室，并采用紅外濾光片，只允 許波長4.30.15m的紅外輻射通過； 此波段正好是二氧化碳的吸收帶。 標準氣室充滿沒有二氧化碳的氣體 待測氣體經采氣裝置，由進氣口進入測 量氣室。 紅外無損檢測是上世紀60年代以后發展起來的新技術。它是通過測量熱 流或熱量來鑒定金屬或非金屬材料質量、探測內部缺陷的。對于某些采用X射 線、超聲波等無法探測的局部缺陷，用紅外無損檢測可取得較好的效果。 8.6紅外無損檢測 紅外無損檢測分主動式和被動式兩類: 主動式是人為地在被測物體上注入

21、（或移出）固定熱量，探測物體表面熱 量或熱流變化規律，并以此分析判斷物體的質量。 被動式則是用物體自身的熱輻射作為輻射源，探測其輻射的強弱或分布情 況，判斷物體內部有無缺陷。 當用紅外無損探測時，只需在鑄件內部通以液態氟利昂冷卻，使冷卻 通道內有最好的冷卻效果，然后利用紅外熱像儀快速掃描鑄件整個表面。 如果通道內有殘余型芯或者壁厚不勻，在熱圖中即可明顯地看出。冷卻通 道暢通，冷卻效果良好，熱圖上顯示出一系列均勻的白色條紋；假如通道 阻塞，冷卻液體受阻，則在阻塞處顯示出黑色條紋。 8.6.1.鑄件內部缺陷探測鑄件內部缺陷探測 有些精密鑄件內部非常復雜，采用傳統的無損探傷方法，不能準確 地發現內部

22、缺陷,用紅外無損探測就能很方便地解決這些問題。 由于電流的集膚效應，靠近表面的電流 密度將比下層大。由于電流的作用，焊口將 產生一定的熱量，熱量的大小正比于材料的 電阻率和電流密度的平方。 8.6.2. 焊接缺陷的無損檢測焊接缺陷的無損檢測 焊口表面起伏不平，采用X射線、超聲波、渦流等方法難于發現缺陷。 而紅外無損檢測則不受表面形狀限制，能方便和快速地發現焊接區域的各 種缺陷。 下圖為兩塊焊接的金屬板，其中圖（a）焊接區無缺陷，圖（b）焊接區 有一氣孔。 若將一交流電壓加在焊接區的兩端，在焊口上會有交流電流通過 沒有缺陷的焊接區內，電流分布 是均勻的，各處產生的熱量大致 相等，焊接區的表面溫度

23、分布是 均勻的。 存在缺陷的焊接區，由于缺陷（氣孔）的電阻很大，使這一區域損耗增加，溫度升 高。應用紅外測溫設備即可清楚地測量出熱點，由此可斷定熱點下面存在著焊接缺 陷。 8.6.3.疲勞裂紋探測疲勞裂紋探測 下圖為對飛機或導彈蒙皮進行疲勞裂紋探測示意圖。 如果在蒙皮表面或表面附近存在疲勞裂紋，則熱傳導受到影響，在裂 紋附近熱量不能很快傳輸出去，使裂紋附近表面溫度很快升高。如右上圖 所示，虛線表示裂紋兩邊理論上的溫度分布曲線。即當輻射源分別移到裂 紋兩邊時，由于裂紋不讓熱流通過，因而兩邊溫度都很高。當熱源移到裂 紋上時，表面溫度下降到正常溫度。 為了探測出疲勞裂紋位置，采用一個點輻射源在蒙皮表面一個小面 積上注入能量。然后，用紅外輻射溫度計測量表面溫度。 然而在實際測量中，由于受輻射源尺寸的限制，輻射源和紅外探測器 位置的影響，以及高速掃描速度的影響，從而使溫度曲線呈現出實線的形 狀。 紅外技術首先是在軍事應用中發展起來的，至今其在軍事應用中仍占重 要地位。 8.7 紅外探測技術在軍事上的應用 紅外探測的缺點是工作時受云霧影