红外气体传感器：红外传感器的基本原理及应用

红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：

（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；

（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；

（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；

（4）红外测距和通信系统；

（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

首先了解一下红外光。红外光是太阳光谱的一部分，红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。研究分析表明，对于波长为1～5μm、 8～14μm区域的红外光具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。例如，黑体(能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体)、镜体(能全部反射红外辐射的物体)、透明体(能全部穿透红外辐射的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效应。严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。

红外辐射的基本定律

(1)基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W。

在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。

地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。

(2)玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann's law ）：即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。

(3)维恩位移定律（Wien's displacement law）：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。

红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分的实体分别是： 

（1）待测目标。根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。

（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、内光电效应(光生伏特效应、光电导效应)和光电磁效应。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多。前者的响应时间一般在ms以上，而后者只有ns量级。热探测器不需要冷却，光子探测器多数要冷却。

红外探测器主要技术参数有下列几项：

(1)响应率

所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比

式中 r — 响应率(V/W)；U0 — 输出电压(V)；P — 红外辐射功率(W)。

(2) 响应波长范围

红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系，如右图所示。曲线①为热敏探测器的特性。热敏红外探测器响应率r与波长λ无关。光电探测器的分谱响应如图中曲线②所示。

λP对应响应峰值rP，rP /2于对应为截止波长λc。 

(3) 噪声等效功率(NEP)

若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率(NEP)。噪声等效功率是一个可测量的量。

设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0，然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN，则按比例计算，要使U0＝UN，的辐射功率为

红外探测器的应用举例

红外探测器应用可以用于非接触式的温度测量，气体成分分析，无损探伤，热像检测，红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔。

1．红外气体分析仪

红外线气体分析仪,是利用红外线进行气体分析"它基于待分析组分的浓度不同,吸收的辐射能不同,剩下的辐射能使得检测器里的温度升高不同,动片薄膜两边所受的压力不同,从而产生一个电容检测器的电信号"这样,就可间接测量出待分析组分的浓度"

根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。例如，二氧化碳对于波长为2.7μm、4.33μm和14.5μm红外光吸收相当强烈，并且吸收谱相当的宽，即存在吸收带。根据实验分析，只有4.33μm吸收带不受大气中其他成分影响，因此可以利用这个吸收带来判别大气中的CO2的含量。

二氧化碳红外气体分析仪由气体(含CO2)的样品室、参比室(无CO2)、斩光调制器、反射镜系统、滤光片、红外检测器和选频放大器等组成。

测量时，使待测气体连续流过样品室，参比室里充满不含CO2的气体（或CO2含量已知的气体）。红外光源发射的红外光分成两束光经反射镜反射到样品室和参比室，经反射镜系统，这两束光可以通过中心波长为4.33μm的红外光滤色片投射到红外敏感元件上。由于斩光调制器的作用，敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射。

若样品室和参比室均无CO2气体，只要两束辐射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射，因此，敏感元件只有直流响应，交流选频放大器输出为零。

若进入样品室的气体中含有CO2气体，对4.33μm的辐射就有吸收，那么两束辐射的通量不等，则敏感元件所接收到的就是交变辐射，这时选频放大器输出不为零。经过标定后，就可以从输出信号的大小来推测CO2的含量。

2．红外无损探伤仪

红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷，对部件结构无任何损伤。例如，检查两块金属板的焊接质量，利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺焊；为了检测金属材料的内部裂缝，也可利用红外探伤仪。

将红外辐射对金属板进行均匀照射，利用金属对红外辐射的吸收与缝隙(含有某种气体或真空) 对红外辐射的吸收所存在的差异，可以探测出金属断裂空隙。

当红外辐射扫描器连续发射一定波长的红外光通过金属板时，在金属板另一侧的红外接收器也同时连续接收到经过金属板衰减的红外光；如果金属板内部无断裂，辐射扫描器在扫描过程中，红外接收器收到的是等量的红外辐射；如果金属板内部存在断裂，红外接收器在辐射扫描器在扫描到断裂处时所接收到的红外辐射值与其他地方不一致，利用图像处形技术，就可以显示出金属板内部缺陷的形状。

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