一、熱傳感器
熱傳感器是利用入射紅外輻射引起傳感器的溫度變化,進而使有關物理參數(shù)發(fā)生相應的變化,通過測量有關物理參數(shù)的變化來確定紅外傳感器所吸收的紅外輻射。
熱探測器的主要優(yōu)點是相應波段寬,可以在室溫下工作,使用簡單。但是,熱傳感器相應時間較長,靈敏度較低,一般用于低頻調(diào)制的場合。
熱傳感器主要類型有:熱敏傳感器型,熱電偶型,高萊氣動型和熱釋放電型四種。
1、熱敏電阻型傳感器
熱敏電阻是由錳、鎳、鈷的氧化物混合后燒解而成的,熱敏電阻一般制成薄片狀,當紅外輻射照射在熱敏電阻上,其溫度升高,電阻值減少。測量熱敏電阻值變化的大小,即可得知入射的紅外輻射的強弱,從而可以判斷產(chǎn)生紅外輻射物體的溫度。
2、熱電偶型傳感器
熱電偶是由熱電功率差別較大的兩種材料構(gòu)成。當紅外輻射到這兩種金屬材料構(gòu)成的閉合回路的接點上時,該接點溫度升高。而另一個沒有被紅外輻射輻照的接點處于較低的溫度,此時,在閉合回路中將產(chǎn)生溫差電流。同時回路中產(chǎn)生溫差電勢,溫差電勢的大小,反映了接點吸收紅外輻射的強弱。利用溫差電勢現(xiàn)象制成的紅外傳感器稱為熱電偶型紅外傳感器,因其時間常數(shù)較大,相應時間較長,動態(tài)特性較差,調(diào)制頻率應限制在10HZ以下。
3、萊氣動型傳感器
高萊氣動型傳感器是利用氣體吸收紅外輻射后,溫度升高,體積增大的特性,來反映紅外輻射的強弱。它有一個氣室,以一個小管道與一塊柔性薄片相連。薄片的背向管道一面是反射鏡。氣室的前面附有吸收模,它是低熱容量的薄膜。紅外輻射通過窗口入射到吸收模上,吸收模將吸收的熱能傳給氣體,使氣體溫度升高,氣壓增大,從而使柔鏡移動。在室的另一邊,一束可見光通過柵狀光欄聚焦在柔鏡上,經(jīng)柔鏡反射回來的柵狀圖像又經(jīng)過柵狀光欄投射到光電管上。當柔鏡因壓力變化而移動時,柵狀圖像與柵狀光欄發(fā)生相對位移,使落到光電管上的光量發(fā)生改變,光電管的輸出信號也發(fā)生變化,這個變化量就反映出入射紅外輻射的強弱。這種傳感器的特點是靈敏度高,性能穩(wěn)定。但響應時間性長,結(jié)構(gòu)復雜,強度較差,只適合于實驗室內(nèi)使用。
4、熱釋電型傳感器
熱釋電型傳感器是一種具有極化現(xiàn)象的熱晶體或稱“鐵電體”。鐵電體的極化強度(單位面積上的電荷)與溫度有關。當紅外線輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時,引起薄片溫度升高,使其極化強度降低,表面電荷減少,這相當于釋放一部分電荷,所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連,則負載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出。輸出信號的大小,取決于薄片溫度變化的快慢,從而反映入射的紅外輻射的強弱。由此可見,熱釋電型紅外傳感器的電壓響應率正比于入射輻射變化的速率。當恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時,傳感器沒有電信號輸出。只有鐵電體溫度處于變化過程中,才有電信號輸出。所以,必須對紅外輻射進行調(diào)制(或稱斬光),使恒定的輻射變成交變輻射,不斷的引起傳感器的溫度變化,才能導致熱釋電產(chǎn)生,并輸出交變的信號。
二、光子傳感器
光子傳感器是利用某些半導體材料在入射光的照射下,產(chǎn)生光子效應,使材料電學性質(zhì)發(fā)生變化。通過測量電學性質(zhì)的變化,可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應所制成的紅外傳感器。統(tǒng)稱光子傳感器。光子傳感器的主要特點靈敏度高,響應速度快,具有較高的響應頻率。但其一般須在低溫下工作,探測波段較窄。
按照光子傳感器的工作原理,一般可分為內(nèi)光電和外光電傳感器兩種,后者又分為光電導傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。
1、光電導傳感器
當紅外輻射照射在某些半導體材料表面上時,半導體材料中有些電子和空穴可以從原來不導電的束縛狀態(tài)變?yōu)槟軐щ姷淖杂蔂顟B(tài),使半導體的導電率增加,這種現(xiàn)象叫光電導現(xiàn)象。利用光電導現(xiàn)象制成的傳感器稱為光導傳感器,如硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲隔汞等材料都可制光電導傳感器。使用光電導傳感器時,需要制冷和加一定的偏壓,否則會使響應率降低,噪聲大,響應波段窄,以致使紅外線傳感器損壞。
2、光生伏特傳感器
當紅外輻射照射在某些半導體材料的PN結(jié)上時,在結(jié)內(nèi)電場的作用下,自由電子移向N區(qū),如果PN結(jié)開路,則在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生一個附加電勢,稱為光生電動勢。利用這個效應制成的傳感器或PN結(jié)傳感器。常用的材料為砷化銦、銻化銦、碲化汞、碲錫鉛等幾種。
3、光磁電傳感器
當紅外輻射照射在某些半導體材料表面上時,半導體材料中有些電子和空穴將向內(nèi)部擴散,在擴散中若受強磁場的作用,電子與空穴則各偏向一方,因而產(chǎn)生開路電壓,這種現(xiàn)象稱為光磁電效應。利用此效應制成的紅外傳感器,叫做光磁電傳感器。
光磁電傳感器不需致冷,響應波段可達7μM左右,時間常數(shù)小,響應速度快,不用加偏壓,內(nèi)阻極低,噪聲小,有良好的穩(wěn)定性和可靠性。但其靈敏度低,低噪聲前置放大器制作困難,因而影響了使用。
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