红外辐射传感器研究论文.docx

红外辐射传感器研究论文.docx

《红外辐射传感器研究论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外辐射传感器研究论文.docx（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

红外辐射传感器研究论文

中央民族大学信息工程学院传感器课程期中专业论文

13047035张校铖_红外辐射式传感器最新进展研究

摘要：

红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，红外传感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。

传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术。

许多产品已运用红外线技术能够实现车辆测速、探测等研究。

目前，红外传感器拥有相对成熟的技术和经验，而且未来市场会更加宽阔，尤其是在智能设备方面。

（Abstract:

Infraredisaninfraredsensorsystemforthemeasurementsystemmedia,infraredsensingtechnologyhasbeenwidelyusedinmodernscienceandtechnology,defense,andindustrialandagriculturalfields.Sensortechnologyasoneofthethreebasicinformationtechnology,high-techracetodevelopthecurrentdevelopedcountries.Manyproductshavebeenusinginfraredtechnologyenablesthevehiclespeeddetectionresearch.Currently,theinfraredsensorhasarelativelymaturetechnologyandexperience,butalsothefuturemarketwillbemorebroad,especiallyintermsofsmartdevices.）

关键字：

红外辐射、传感器、发展历史、技术介绍、市场分析

正文

1、发展历史：

红外探测器发展脉络：

1800年：

赫胥尔利用涂黑水银温度计发现红外辐射，作为红外探测器，沿用到1830年。

1821年：

Seebeck发现温差电效应，研制出第一个热电偶。

1829年：

Nobili将几个热电偶串连起来，制作了首个热电堆。

1833年：

梅罗里（Melloni）利用锑化铋作为热电堆材料，大幅提高了热电堆红外探测器的探测灵敏度，它比当时最好的水银温度计至少灵敏40倍。

十九世纪八十年代：

发明了一些高灵敏的新型红外探测器，其中最具有代表意义的是Langley发明的测辐射热计，它比热电堆的灵敏度约高30倍。

1886年：

Langley采用两条细长的铂条作为惠斯顿电桥的两个桥腿，研制成功首个测辐射热计，在随后的20年内，Langley不断改进微测辐射热计的性能。

1917年：

Gase首次利用红外线的光电导效应，研制成功亚硫酸铊光子探测器。

二十世纪七十年代：

研究致冷型红外焦平面阵列，迄今为止，332×240元HgCdTe、InSb、InGaAs和PtSi凝视焦平面阵列技术已经成熟并投入生产，640×480元正在迈向成熟阶段，部分已经投入批量生产。

自二十世纪九十年代：

红外技术正在经历第三次革命，以微测辐射热计和热释电探测器为代表的非致冷红外成像技术获得了重要突破并达到实用化。

它适合采用目前硅大规模集成电路制作技术批量生产，使红外热摄像仪成本低廉化，去除了红外热摄像系统长期以来价格居高不下的问题，搬去了阻碍红外热摄像仪技术广泛推广应用，特别是进入广阔民用市场的障碍，成为当今红外成像技术最引人瞩目的突破之一。

我国从上世纪80年代后期陆续开始了红外焦平面探测器的研制。

尽管国内的第二代、第三代红外焦平面技术在材料、器件工艺、读出电路、杜瓦和致冷等方面取得一些进展，完成了少数器件的研制，但还有许多关键技术还没有完全突破，可靠性、工程化、通用化与标准化水平有待进一步提高；第四代产品还刚开始进行技术突破，到目前为止，只有为数很少的工程化产品提供军方使用。

目前实现批量生产的焦平面探测器组件相当于西方国家较早一段时期的水平。

红外探测器技术总体水平与西方发达国家相比仍有较大差距。

红外辐射技术在最近的40年中已经作为一门新兴技术得到了长足的发展和应用，现在它的技术已经成熟。

它的应用领域特别广泛，尤其是在科学研究、军事工程和医学方面，比如，红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。

红外辐射技术的重要工具就是红外辐射传感器，它是遥感技术、空间成像科学的敏感部件。

下面简要介绍红外辐射的基本特点：

二、红外辐射科学技术

红外辐射就是指波长为1.0-1000微米的红外光。

红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围和在电磁波中的位置如下图所示；研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。

通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。

近红外指波长为0.75～3.0微米；中红外指波长为3.0～20微米；远红外则指波长为20～1000微米。

在光谱学中，波段的划分方法尚不统一，也有人将0.75～3.0微米、3.0～40微米和40～1000微米作为近红外、中红外和远红外波段。

另外，由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的"窗口"区，即1～3微米、3～5微米和8～13微米可让红外辐射通过，因而在军事应用上，又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。

该技术基础原理：

红外光和所有电磁波一样，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300000km/s。

红外光在介质中的传播会产生衰减。

红外光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。

自然界中任何物体只要器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有不同的，热能强度也不一样，例如，黑体、镜体、透明体和灰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，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的重要理论依据。

在红外辐射技术中有三大基本定理，它们分别是1.希尔霍夫定律、2.斯忒藩-玻尔兹曼定律、3.维恩位移定律。

它们共同构成了分析计算红外测量感应技术的基本理论依据，所有的红外探测器（传感器）其基本原理都是由上述这些定理性质构成的。

三、红外传感器

相关测量原理：

能将红外辐射量变化转换成电量变化的装置称为红外探测器。

红外探测器根据热电效应和光子效应制成。

前者为热敏探测器，后者为光子探测器。

从理论上讲，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；一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。

现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。

这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

红外探测器的基本组成：

红外探测器一般由光学元件、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。

光学系统是红外探测器的重要组成部分。

根据光学系统的结构分为反射式光学系统的红外探测器和透射式光学系统的红外两种。

下面是一种常见红外传感器的基本原理图及实物图：

一种红外线探测器，其特征在于，包括：

热电元件；电流-电压变换器，它把来自所述热电元件的电流变换成电压信号；第一放大器，它以具有发送频带中心在第一频率处的第一带通滤波器特征来放大从所述电流-电压变换器接收到的所述电压信号；第二放大器，它以具有发送频带中心在高于第一频率的第二频率处的第二带通滤波器特征来放大从所述电流-电压变换器接收到的所述电压信号；以及爆米花噪声探测器，它把所述第二放大器的输出信号与阈值相比较以输出爆米花检测信号。

所以大部分的红外传感器可以用图形象的表示为

四、应用现状：

就近几年红外传感器的技术发展和市场应用分析而言，传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术，是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。

传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。

传感器是信息系统的源头,在某种程度上是决定系统特性和性能指标的关键部件。

红外传感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。

红外探测技术（传感器）已经广泛的应用在了安防领域、军事领域（比如红外制导，红外侦查）、医疗诊断领域、农业生产等领域，下面举几个例子详细说明：

.在安防领域中，红外探测技术可谓大显身手，比如有：

栅栏技术

　　在科学技术日新月异的发展环境下，许多新的探测技术不断地涌现出来，比如在电站、监狱、军事设施、高风险工业区域等高风险等级的防护场所，探测器需要有高稳定性和高抗漏报功能，因此，红外微波墙探测器是其最好的选择。

红外微波墙包含了独立的发射器单元和接收器单元，面对面安装，防护范围最远不超过允许长度，微波形成一个实体的栅栏，能有效地防止非法入侵。

.光电／红外传感器在军事上的应用主要包括：

 瞄准吊舱；直升机；无人机；预警机；侦察车；舰艇用新型侦察技术等等。

美国空军F-16战斗机，机腹下挂载的狙击手增程型红外瞄准吊舱。

还有比如，“全球鹰”可同时携带光电、红外传感系统和合成孔径雷达。

光电传感器工作在0.4到0.8微米波段，红外传感器在3.6到5微米波段。

光电系统包括第三代红外传感器和一个柯（KODAK）数字式电耦合器（CCD）。

合成孔径雷达具有一个X波段、600MHZ、3.5千瓦峰值的活动目标指示器。

.在农业和粮食生产领域里，应用近红外光谱分析技术的传感器更是得到了充分的应用，它可以测试谷物中的水分、粗蛋白、脂肪；除此之外，遥感技术还可以应用在农林渔牧等的资源调查上，比如观一片草原一段时间内的生长变化，物种分布等；

（4）红外传感器在工业上的应用红外无损探伤仪：

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。

5、市场及发展趋势：

日本和德国是光学方面的先驱，针对传感器自主研发的程度高，且不依赖其他国家或公司的技术专利，可以自己针对应用和实际要求投入传感器开发、制造、行销的高成本，因此技术领先，产品繁多，种类齐全。

中国则起步晚，且山寨之风盛行，国家对于相关的知识产权保护欠缺，大家一窝蜂的上产线，以复制国外知名品牌的传感器为主，且仅限于老旧型号，因为市场占有量够大，成本足够低，以外贸出口为主，赚取山寨品的微薄利润。

基本没有自主开发的芯片，技术落后，对于用户短期的需求、低端的应用需求能够基本满足。

由于红外启动自动化照明和入侵警报系统等成熟市场的热销，2012年红外探测器市场规模超过1.53亿美元。

然而，展望未来，带动红外探测器市场大规模增长的却是内嵌红外感测功能的智能手机。

预计到2018年市场规模可达3.8亿美元。

　　预计红外探测器的增长来源：

　　1、小型红外探测器的应用于消费类移动设备中，例如智能手机和平板电脑内嵌单像素传感器来测量内部温度和现场温度。

如果能采用晶圆级封装技术，则可以生产更便宜、更小巧的传感器。

仅仅是智能手机和平板电脑的市场推动，就可能在2018年贡献3000万美元。

2、中型红外探测器（4x4~16x16像素）已经成功进入建筑物和汽车的空调、暖气及通风系统。

如果未来产品价格能再降低，那么在消费零售及家电应用中也大有可为。

大型红外探测器（32x32像素以上）的未来市场是智能楼宇自动化所需的红外（温度）感测功能，虽然该市场价格定位较高，但是大量普及应用仍有赖于价格的下跌。

从2000年起，由于红外阵列探测器进入市场，成功地将红外探测器推向多元高端市场。

在德国海曼传感器公司的带动下，多家公司踏着“技术带动创新”的脚步，将热释电和热电堆技术加入到生产红外阵列探测器的行列。

未来，红外探测器市场上最为关键的技术演进是：

真空封装或晶圆级封装、像素工艺优化和降低像素间距。

小型红外探测器市场已趋成熟，在走向价格战。

中大型红外阵列探测器还是以性能及品质为第一要素，尚有较大的利润空间。

三大红外感测技术（热释电/热电堆/微测辐射热计）都是基于不同的制造工艺，彼此间的技术障碍不通过并购是无法轻易跨越的。

同样地，站在产品角度看，从小型红外探测器转型生产中大型红外阵列探测也是具有挑战性的。

6、结论总结：

红外传感器是一种技术成熟的传感器，从诞生到现在大约已经过200年的历史，其相对成熟并不断变革的技术使其拥有了广阔的应用领域，现在已被大多数人所熟知，这项技术广泛地应用在军事科技、农业粮食生产、工业生产检测控制、居民安防系统、智能硬件设备等大大小小与我们生产生活息息相关的各个方面。

目前，红外传感器的尖端技术正不断更新，国际上发达国家拥有深厚的相关技术储备和生产条件，我国在这一领域的发展仍旧处于相对低端的技术领域，生产利润并不可观。

未来的市场前景对于红外传感器高端技术仍旧是值得期待的，而且我国也在加大对红外传感器等相关技术的创新研发资金帮扶的投入力度，相信不久的将来我国的企业是可以与国际大公司一较高下的。

参考文献：

（1）2013年火源红外线探测器行业国内外渠道市场发展（投资）比较分析报告

（2）2011-2016年中国红外探测器行业市场研究及发展预测报告

（3）《传感器技术及工程应用》赵凯岐

（4）《红外光学气体传感器及检测系统》谭秋林著机械工业出版社

（5）深圳市新世联科技公司红外传感器资料

（6）MovingobjectcountingwithanInfraredSensorNetwork,ByKI,ChiKeung

（7）红外温度传感器——MLX90614-IR相关资料

（8）Nearinfra-red（NIR）spectroscopy

（9）国外红外探测技术材料最新进展（北方科技信息研究所，北京100089中国兵器科学研究院）

（10）LongwavelengthInAs/InGaSbinfrareddetectors:

Optimizationofcarrierlifetimes

窗体顶端

C.H.Grein1, P.M.Young2, M.E.Flatté2 and H.Ehrenreich2J.Appl.Phys. 78,7143 （1995）; http:

//dx.doi.org/10.1063/1.360422

（11）Photoconductivegainmechanismofquantum‐wellintersubbandinfrareddetectors

窗体顶端

H.C.Liu1 VIEWAFFILIATIONSAppl.Phys.Lett. 60,1507 （1992）; http:

//dx.doi.org/10.1063/1.107286