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紅外氣體傳感器：紅外傳感器的基本原理及應(yīng)用
紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：
（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；
（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進(jìn)行跟蹤；
（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；
（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；
（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。
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3×108m/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(yán)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)。
紅外輻射的基本定律
(1)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)。
(2)玻耳茲曼定律（Stefan-Boltzmann's law ）：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)。
(3)維恩位移定律（Wien's displacement law）：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(biāo)。根據(jù)待測目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。
（2）大氣衰減。待測目標(biāo)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(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。
（4）輻射調(diào)制器。對來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?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。
紅外探測器主要技術(shù)參數(shù)有下列幾項：
(1)響應(yīng)率
所謂紅外探測器的響應(yīng)率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比
式中 r — 響應(yīng)率(V/W)；U0 — 輸出電壓(V)；P — 紅外輻射功率(W)。
(2) 響應(yīng)波長范圍
紅外探測器的響應(yīng)率與入射輻射的波長有一定的關(guān)系，如右圖所示。曲線①為熱敏探測器的特性。熱敏紅外探測器響應(yīng)率r與波長λ無關(guān)。光電探測器的分譜響應(yīng)如圖中曲線②所示。
λP對應(yīng)響應(yīng)峰值rP，rP /2于對應(yīng)為截止波長λc。
(3) 噪聲等效功率(NEP)
若投射到探測器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓，這個輻射功率就叫做噪聲等效功率(NEP)。噪聲等效功率是一個可測量的量。
設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0，然后除去輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN，則按比例計算，要使U0＝UN，的輻射功率為
紅外探測器的應(yīng)用舉例
紅外探測器應(yīng)用可以用于非接觸式的溫度測量，氣體成分分析，無損探傷，熱像檢測，紅外遙感以及軍事目標(biāo)的偵察、搜索、跟蹤和通信等。紅外傳感器的應(yīng)用前景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會更加廣闊。
1．紅外氣體分析儀
紅外線氣體分析儀,是利用紅外線進(jìn)行氣體分析"它基于待分析組分的濃度不同,吸收的輻射能不同,剩下的輻射能使得檢測器里的溫度升高不同,動片薄膜兩邊所受的壓力不同,從而產(chǎn)生一個電容檢測器的電信號"這樣,就可間接測量出待分析組分的濃度"
根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對氣體成分進(jìn)行分析。例如，二氧化碳對于波長為2.7μm、4.33μm和14.5μm紅外光吸收相當(dāng)強烈，并且吸收譜相當(dāng)?shù)膶挘创嬖谖諑А８鶕?jù)實驗分析，只有4.33μm吸收帶不受大氣中其他成分影響，因此可以利用這個吸收帶來判別大氣中的CO2的含量。
二氧化碳紅外氣體分析儀由氣體(含CO2)的樣品室、參比室(無CO2)、斬光調(diào)制器、反射鏡系統(tǒng)、濾光片、紅外檢測器和選頻放大器等組成。
測量時，使待測氣體連續(xù)流過樣品室，參比室里充滿不含CO2的氣體（或CO2含量已知的氣體）。紅外光源發(fā)射的紅外光分成兩束光經(jīng)反射鏡反射到樣品室和參比室，經(jīng)反射鏡系統(tǒng)，這兩束光可以通過中心波長為4.33μm的紅外光濾色片投射到紅外敏感元件上。由于斬光調(diào)制器的作用，敏感元件交替地接收通過樣品室和參比室的輻射。
若樣品室和參比室均無CO2氣體，只要兩束輻射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一個通量恒定不變的輻射，因此，敏感元件只有直流響應(yīng)，交流選頻放大器輸出為零。
若進(jìn)入樣品室的氣體中含有CO2氣體，對4.33μm的輻射就有吸收，那么兩束輻射的通量不等，則敏感元件所接收到的就是交變輻射，這時選頻放大器輸出不為零。經(jīng)過標(biāo)定后，就可以從輸出信號的大小來推測CO2的含量。
2．紅外無損探傷儀
紅外無損探傷儀可以用來檢查部件內(nèi)部缺陷，對部件結(jié)構(gòu)無任何損傷。例如，檢查兩塊金屬板的焊接質(zhì)量，利用紅外輻射探傷儀能十分方便地檢查漏焊或缺焊；為了檢測金屬材料的內(nèi)部裂縫，也可利用紅外探傷儀。
將紅外輻射對金屬板進(jìn)行均勻照射，利用金屬對紅外輻射的吸收與縫隙(含有某種氣體或真空) 對紅外輻射的吸收所存在的差異，可以探測出金屬斷裂空隙。
當(dāng)紅外輻射掃描器連續(xù)發(fā)射一定波長的紅外光通過金屬板時，在金屬板另一側(cè)的紅外接收器也同時連續(xù)接收到經(jīng)過金屬板衰減的紅外光；如果金屬板內(nèi)部無斷裂，輻射掃描器在掃描過程中，紅外接收器收到的是等量的紅外輻射；如果金屬板內(nèi)部存在斷裂，紅外接收器在輻射掃描器在掃描到斷裂處時所接收到的紅外輻射值與其他地方不一致，利用圖像處形技術(shù)，就可以顯示出金屬板內(nèi)部缺陷的形狀。
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