紅外傳感器的原理

袁明昱 秦慧嫻 郭晨晨

【摘 要】 紅外傳感器是將紅外輻射能量轉換為電量的一種傳感器，由于任何溫度高于熱力學零度（-273.15℃）的物體都會輻射紅外線，因此紅外技術在現代科技、國防和工農業等多個領域獲得了廣泛的應用。本文重點介紹紅外傳感器的性能參數及工作原理。

【關鍵詞】 紅外傳感器 工作原理 性能參數

紅外輻射（紅外線）是一種人眼看不見的光線，波長范圍大致在0.76～100之間。自然界一切溫度高于絕對零度的物體都在以電磁波的形式向外輻射能量，其中就包括紅外光波。同可見光一樣，紅外輻射能夠進行折射、反射和散射，這樣便產生了紅外技術。與其他探測技術相比，紅外探測技術因其環境適應性好，在夜間和惡劣氣象條件下的工作能力高于可見光，可以采用被動式工作，隱蔽性好以及紅外系統體積小、質量輕、功耗低等優點，在軍事和民用領域都得到了廣泛的應用。在軍事上，紅外技術廣泛用于搜索和預警、探測和跟蹤、夜視、武器瞄準、紅外制導導彈等領域。在民用工程領域，紅外技術在氣象預報、環境檢測、遙感資源調查以及電力、消防、石化等部門發揮著重要作用。

1.紅外傳感器的綜述

1.1紅外輻射基本知識

任何物體，只要它的溫度高于熱力學零度（-273.15℃）時，就會向外輻射能量，故稱為熱輻射，又稱為紅外輻射或俗稱紅外線。紅外線是一種人眼看不見的光線，但與其他光線一樣具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質，在真空中的傳播速度為光速。在電磁輻射波譜中，紅外線是位于可見光中紅外光以外的光線，波長范圍大致在0.76～100μm。

1.2紅外傳感器的分類

紅外傳感器是紅外探測系統的核心，它的性能好壞，將直接影響系統性能的優劣。因此，選擇合適的、性能良好的紅外傳感器，對于紅外探測系統是十分重要的。按照探測機理的不同，紅外傳感器分為熱傳感器和光子傳感器兩大類。紅外光子傳感器又包括光電導傳感器，光生伏特傳感器，光電子發射傳感器以及光磁電傳感器，紅外熱傳感器還包括熱電偶型，熱敏電阻型以及熱釋電型。

1.3紅外傳感器的主要性能參數

1.響應率

3.噪聲等效功率

由于探測器存在噪聲，所以不能無限小的測量小的輻射信號，當輻射小到它在探測器上產生的信號完全被探測器的噪聲所淹沒時，這時探測器就無法肯定是否有輻射信號投射在探測器上，探測器探測輻射的能力就有了一個限度，通常用噪聲等效功率NEP來表征這個特征。

當輻射在探測器上產生的信號電壓正好等于傳感器本身的噪聲電壓值（即信號噪聲比為1）時，所需投射到探測器上的輻射功率稱為噪聲等效功率，即

式中：Us為紅外探測器的輸出電壓；Po為入射到紅外敏感元件單位面積上的功率（W/cm2）；Ao為紅外敏感元面積（cm2）；為紅外探測器的綜合噪聲電壓（V）；為紅外探測器的電壓響應率（V/W）。

2.紅外傳感器的原理

（1）待側目標。根據待側目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。

（2）大氣衰減。待測目標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，將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。

（3）光學接收器。它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。

（4）輻射調制器。對來自待測目標的輻射調制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調制盤和斬波器，它具有多種結構。

（5）探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統必須有制冷設備。經過制冷，設備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。

3.結語

根據紅外傳感器的性能和原理，我們知道紅外傳感器具有環境適應性好，不易被干擾，紅外系統體積小、質量輕以及功耗低等優點。由于這些優點，使得紅外傳感器在現代化的生產實踐中發揮著巨大的作用，而隨著探測設備和其他部分的技術的提高，對它的要求也越來越高。相信紅外傳感器會隨著微電子技術的發展和傳感器的應用領域的不斷擴大，從單一元件、單一功能向集成化、多功能化方向發展，從而有多類型的紅外傳感器應用于更加廣泛的領域。

【參考文獻】

[1] 趙燕.傳感器原理及應用[M].北京大學出版社，2010.278-296.

[2] 戴蓉，劉波峰.傳感器原理與工程應用[M].電子工業出版社，2014.1-5.

作者簡介：袁明昱（1996-）女內蒙古烏蘭察布市人，本科在讀主要研究方向：電子信息科學與技術，作者單位：北京林業大學理學院北京市海淀區100083。