红外传感器的工作原理与结构

红外传感器由光学系统、红外探测器和转换电路及显示单元组成，如图8.73所示。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。红外探测器是红外传感器的核心，利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射。红外探测器按探测机理不同，可分为热探测器、光子探测器及波探测器三类。

图8.73　红外传感器系统的构成

1）热探测器

热探测器的工作机理是利用红外辐射的热效应。探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。

热探测器的探测机理有热胀冷缩效应、热阻效应、温差电效应和热释电效应等。

（1）热胀冷缩效应

热探测器利用气体、液体或固体的热胀冷缩效应探测红外辐射，即气体、液体或固体吸收红外辐射热，将其转变为可以测量的物理量变化，并最终转换成电信号。

（2）热阻效应

对红外辐射敏感的金属或半导体材料吸收红外辐射热导致温度变化，通过调制材料的电阻率再调制偏置电流形成电信号。

（3）温差电效应

热电探测器利用金属-金属或金属-半导体结的温差电效应探测红外辐射，即热电偶（Thermocouple）-热电堆（Thermocouple Pile）结吸收红外辐射热导致温度变化，直接调制结的温差电势形成电信号。

（4）热释电效应

电石、水晶及钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷，这一现象称为热释电效应，其形成原理如图8.74所示。用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放了一部分电荷，所以叫作热释电效应。如将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上产生电信号输出，输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射红外辐射的强弱。热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。

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图8.74　热释电效应原理

与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器响应波段宽，其响应范围可扩展到整个红外区域，并可在常温下工作。

2）光子探测器

光子探测器是利用红外辐射量子效应工作的，其工作原理是：在窄禁带半导体中红外光子与电子相互作用，直接将红外光子转换成电子生成对应红外辐射的电信号，最重要的光子探测器有光电导（Photoconductive）、光伏（Photovoltaic）探测器等。

光电导红外探测器利用均匀窄禁带半导体材料中的电子直接吸收红外辐射光子，转换为电阻率（电导率）的变化而形成电信号。

光伏红外探测器利用窄禁带半导体材料构成半导体P-N结或异质结，结区中价带电子直接吸收红外光子跃迁至导带并被自建电场分离转换为电压差信号。

3）波探测器

波探测器是利用波相互作用的红外探测器，其工作原理是：改变红外辐射的波长进行探测，或者利用红外辐射电磁波的电场或磁场分量直接与敏感材料中的电子作用进行探测，主要有红外辐射光学外差探测器、超导红外探测器等。

利用本机激光振荡器产生的红外辐射与入射红外辐射在红外光学混频器进行光波的调制，入射红外辐射的频率与本机激光频率差分后成为一个容易探测的频率，从而实现对入射红外辐射的探测。

波探测器的主要特点包括：

①光谱响应可以精确选择波长，由作为本机振荡的激光源和混频器决定。

②差分效应对背景噪声有很高的抑制能力，具有探测单个红外辐射光子的潜力。

③信号在光子-光子-电子之间转换，响应速度快。

④系统复杂，成本高，实现成像探测技术难度大。