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类型光电检测c10.ppt

  • 上传人:yjrm16270
  • 文档编号:7226805
  • 上传时间:2019-05-10
  • 格式:PPT
  • 页数:46
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    光电检测c10.ppt
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    1、光电检测技术,红外辐射与红外探测器,红外技术的起源,威廉姆赫胥尔于1800年发现了红外线。赫胥尔设计了一个巧妙的实验。他将直射的太阳光穿过一个玻璃棱镜,生成光谱,然后用温度计测量每种颜色的温度。赫胥尔发现从紫色到红色的光谱波段,温度会逐渐升高,而且在红色光谱以上的区域竟然是所有光谱中温度最高的一部分。这部分区域由于其热量辐射,是无法被人类肉眼探测到的,属于不可见光区域。赫胥尔将这种不可见辐射命名为“发热的射线”。现在我们将其称之为红外辐射。,红外辐射俗称红外线,它是一种不可见光, 由于是位于可见光中红色光以外的光线,故称红外线。 它的波长范围大致在0.761000 m。工程上又把红外线所占据的

    2、波段分为四部分, 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。,红外辐射,红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体,只要它的温度高于绝对零度(273),就会向外部空间以红外线的方式辐射能量,一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,辐射的能量就越强。另一方面,红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线作为电磁波的一种形式,红外辐射和所有的电磁波一样,是以波的形式在空间直线传播的,具有电磁波的一般特性,如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积 。,1斯忒藩一玻耳兹曼定律:黑体单位表面积在单位时间发出的热辐射总

    3、能量,即辐出度Mb(T)(含所有波长)和它的热力学温度T的四次方成正比,即: = 5.670x 10-8 W(m2K4),为斯忒藩常量。,Mb(T) =T4,概念和规律:,黑体辐射能量最强的波长(峰值波长m )与热力学温度成反比,即:b = 2.898 x 10-3mK, 此式表明:T增大时,最大辐射处的波长向短波方向移动。,上述两条规律也是红外技术研究和应用的理论依据。,m T = b,2维恩位移定律:, 维恩因为他在红外辐射方面的研究贡献 1911年Nobel物理奖,红外探测器红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显示单元等组成。 红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用

    4、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的。红外探测器的种类很多,按探测机理的不同,分为热探测器和光子探测器两大类。,热探测器是利用探测元件吸收入射的红外辐射能量而引起的温升,在此基础上借助各种物理效应把温升转变为电量的一种探测器。热探测器光电转换分为两步:,热 探 测 器,热探测器吸收红外辐射引起温升, 利用热探测器某些温度效应把温升转变为电量的变化。,热探测器主要有四类:热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中,热释电型探测器在热探测器中探测率最高, 频率响应最宽,所以这种探测器倍受重视,发展很快。,热 探 测 器,热探测器主要优点是响应波段宽, 响应范围可扩展到整个红外区

    5、域, 可以在常温下工作,使用方便, 应用相当广泛。 但与光子探测器相比,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。,热 探 测 器 特 点,温 差 电 偶,温差电偶也叫热电偶,是最早出现的一种热电探测器件。其工作原理是温差电效应。例如,由两种不同的导体材料构成的接点,在接点处可产生电动势。这个电动势的大小和方向与该接点处两种不同的导体材料的性质和两接点处的温差有关。如果把这两种不同的导体材料接成回路,当两个接头处温度不同时,回路中即产生电流。这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。,Thomas Johann Seebeck(17801831),1821年,塞贝克将两种不同的金属导线

    6、连接在一起,构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成一个结点,他突然发现,如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话,电路周围存在磁场。,托马斯约翰塞贝克,塞贝克效应发现之后,人们就为它找到了应用场所。利用塞贝克效应,可制成温差电偶(thermocouple,即热电偶)来测量温度。只要选用适当的金属作热电偶材料,就可轻易测量到从180到2000的温度,如此宽泛的测量范围,令酒精或水银温度计望尘莫及。现在,通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计,甚至可以测量高达2800的温度!,温差电偶接收辐射一端称为热瑞,另一端称为冷端。为了提高吸收系数,在热端都装有涂黑的金箔。,由于不同的金属

    7、材料所具有的自由电子密度不同,当两种不同的金属导体接触时,在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB,且有NANB,电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电,导体B则因获得电子而带负电,在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散,达到动态平衡时,在接触区形成一个稳定的电位差,即接触电势,其大小可表示为式中 eAB(T):为导体A和B的结点在温度T时形成的接触电势;e :为电子电荷,e1.6x10-19C;k : 玻尔兹曼常数,k1.38x10-23J/K;NA,NB :分别为导体A、B的自由电子密度。,热敏电阻

    8、(测辐射热计),热敏电阻有金属的和半导体的两种。制作热敏电阻灵敏面的材料,金属的多为金、镍、铋等薄膜; 半导体的多为金属氧化物,例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等; 金属的热敏电阻,电阻温度系数多为正的,绝对值比半导体的小,它的电阻与温度的关系基本上是线性的,耐高温能力较强,所以多用于温度的模拟测量; 而半导体的热敏电阻,电阻温度系数多为负的,绝对值比金属的大十多倍,它的电阻与温度的关系是非线性的,耐高温能力较差,所以多用于辐射探测,例如,防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等.,对于由半导体材料制成的热敏电阻可定性地解释为,吸收辐射后,材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此,其中部分电子能

    9、够从价带跃迁到导带成为自由电子,从而使电阻减小,电阻温度系数是负的。对于由金属材料制成的热敏电阻,因其内部有大量的自由电子,在能带结构上无禁带,吸收辐射产生温升后,自由电子浓度的增加是微不足道的。相反,因晶格振动的加剧,却妨碍了电子的自由运动,从而电阻温度系数是正的,而且其绝对值比半导体的小。,热释电器件,热释电器件是一个以热电晶体为电介质的平板电容器。因热电晶体具有自发极化性质,自发极化矢量能够随着温度变化,所以入射辐射可引起电容器电容的变化,从而可利用这一特性来探测变化的辐射。,热电晶体具有非中心对称的晶体结构。自然状态下,在某个方向上正负电荷中心不重合,从而晶体表面存在着一定量的极化电荷

    10、,称为自发极化。,晶体温度变化时,可引起晶体的正负电荷中心发生位移,因此表面上的极化电荷即随之变化。,热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图a) 恒温下 b) 温度变化时 c) 温度变化时的等效表现,温度恒定时,因晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷,而观察不到它的自发极化现象。当温度变化时,晶体表面的极化电荷则随之变化,而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化,失去电的平衡,这时即显现出晶体的自发极化现象。,这一过程的平均作用时间为 / 式中,为晶体的介电系数,为晶体的电导率。所以,所探测的辐射必须是变化的,而且只有辐射的调制频率f1/时才有输出。,制作热释电器件的常用材料有,硫酸三甘肽(

    11、TGS)晶体,掺丙胺酸改性后的硫酸三甘肽(LATGS)晶体,钽酸锂(LiTaO3)晶体,锆钛酸铅(PZT)类陶瓷,聚氟乙烯(PVF)和聚二氟乙烯(PVF2)聚合物薄膜等。但不论那种材料,都有一个特定温度,称居里温度。当温度高于居里温度时,自发极化矢量为零,只有低于居里温度时,材料才有自发极化性质。正常使用时,都是使器件工作于离居里温度稍远一点的温区。,光子探测器的工作机理是:利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用,从而改变电子的能量状态,引起光子效应。 根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。 通过光子探测器测量材料电子性质的变化,可以确定红外辐射的强弱。,光 子 探 测 器,

    12、外光电探测器,当红外辐射照射到某些材料的表面上,若光辐射能量足够强,就能使材料电子逸出表面,向外发出电子,即产生外光电效应。光电管和光电倍增管属于这种类型的器件,由于电子逸出需要交大的光子能量,只适用于近红外和可见光。,光电导探测器,当红外辐射照射到某些半导体表面上,若光辐射能量足够强,半导体材料价带上的电子将被激发到导带上去,使光导体的电导率变大。常用的光电导探测器有本征硫化铅、碲化汞、掺杂型的锗和硅。,光生伏特探测器,当红外辐射照射到某些半导体材料构成的PN结,在PN结内电场的作用下,P区的自由电子移向N区,N区的空穴移向P区,若PN结开路,则在PN结两端产生光生电动势。,红外测温原理全辐

    13、射测温是测量物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬玻尔兹曼定律的应用,定律表达式为W物体单位面积所发射的辐射功率,数值上等于物体的全波辐射出射度;物体表面的法向比辐射率;斯蒂芬玻尔兹曼常数;T物体的绝对温度(K)。,红外辐射测温仪结构原理,红外辐射测温仪HY-303,红外辐射测温仪HY-303,详细信息 采用红外技术,测量时无需接触被测物体,可以安全地检测难以接触的物体的温度,如带电设备,运动物体等,对被测物体无污染和损坏。具有测量速度快,带激光瞄准,携带方便,操作简单等特点。 测量范围:-15500 发射率:0.31.0数字可调 分辩率:1 电源L一节6F22电池,大气、

    14、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对35微米和814微米的热红外线却是透明的。因此,这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口,使人们在完全无光的夜晚,或是在烟云密布的战场,清晰地观察到前方的情况。由于这个特点,热红外成像技术在军事上提供了先进的夜视装备,并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在现代战争中发挥了非常重要的作用。,红外成像测温仪,红外成像原理 红外摄像管:将物体的红外辐射转换成电信号,经过电子系统放大处理,再还原为光学像的成像装置。,红外变像管:把物体红外图像变成可见图像的电真空器件,主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成,均安装在高度真空的密封玻

    15、璃壳内。固态图像变换器:由许多小单元(称为像元或像素)组成的受光面,各像素将感受的光像转换为电信号后顺序输出的一种大规模集成光电器件。,I R 热 成 像 过 程,可见像 IR 像,红外热成像效果,利用红外线检测人体的健康状态,本图片是人体的背部热图,透过图片可以根据不同颜色判断病变区域,3. 红外线气体分析仪红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段(吸收带)不同,从图中可以看出,CO气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力,CO2气体则发生在2.78 m和4.26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力

    16、。如分析CO气体,则可以利用4.26 m附近的吸收波段进行分析。,图11.6 几种气体对红外线的透射光谱,光源由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线,切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线,以便于红外线检测器信号的检测。,测量气室中通入被分析气体,参比气室中封入不吸收红外线的气体(如N2等)。红外检测器是薄膜电容型,它有两个吸收气室,充以被测气体,当它吸收了红外辐射能量后, 气体温度升高,导致室内压力增大。,两吸收室压力不同,测量边的压力减小,于是薄膜偏向定片方向, 改变了薄膜电容两电极间的距离,也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大,两束光强的差值也愈大, 则电容的变化量也愈大,因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。,

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