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红外探测器的原理

文章出处:博大精科网责任编辑:bdjk-gongyecheng作者:bdjk-gongyecheng 人气:-发表时间:2012-10-08 17:14:00

工作原理:

 不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的,该波段的红外光处在可见光波段之外。因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。从目前应用的情况来看,红外探测有如下几个优点:环境适应性优于可见光,尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力;隐蔽性好,一般都是被动接收目标的信号,比雷达和激光探测安全且保密性强,不易被干扰;由于是*目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测,因而识别伪装目标的能力优于可见光;与雷达系统相比,红外系统的体积小,重量轻,功耗低;探测器的光谱响应从短波扩展到长波;探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面;发展了种类繁多的探测器和系统;从单波段探测向多波段探测发展;从制冷型探测器发展到室温探测器;由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用,尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下,作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛,地位更加重要。红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器,作为红外整机系统的核心关键部件,红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。自1800年Herschel发现太阳光谱中的红外线时所用的涂黑水银温度计为最早的红外探测器以来,随着红外实验和理论的发展,新器件不断涌现。红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科,是一门综合科学。  

 ⒈2.1热探测器热探测器吸收红外辐射后,温度升高,可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化,自发极化强度变化,或者气体体积与压强变化等,测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器:  

 ⑴ 液态的水银温度计及气动的高莱池:利用了材料的热胀冷缩效应。  

 ⑵ 热电偶和热电堆:利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。  

 ⑶ 石英共振器非制冷红外成像列阵:利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。  

 ⑷测辐射热计:利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多,测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外,由于高温超导材料出现,利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实,将是21世纪最引人注目的一类探测器;  

 ⑸ 热释电探测器:有些晶体,如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等,当受到红外辐射照射温度升高时,引起自发极化强度变化,结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压,由此能测量红外辐射的功率。  

 ⒈2.2光子探测器光子探测器吸收光子后,本身发生电子状态的改变,从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应,从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。  

 ⑴光电导探测器:又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后,体内一些载流子从束缚态转变为自由态,从而使半导体电导率增大,这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。  

 ⑵光伏探测器:主要利用p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区,电子进入n区,两部分出现电位差,外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器比较,光伏探测器背景限探测率大40%,不需要外加偏置电场和负载电阻,不消耗功率,有高的阻抗。  

 ⑶光发射-Schottky势垒探测器:金属和半导体接触,形成Schottky势垒,红外光子透过Si层被PtSi吸收,使电子获得能量跃迁至费米能级,留下空穴越过势垒进入Si衬底,PtSi层的电子被收集,完成红外探测。  

 ⑷量子阱探测器(QWIP):将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格,在其界面有能带突变,使得电子和空穴被限制在低势能阱内,从而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用,光子利用率低;量子阱中基态电子浓度受掺杂限制,量子效率不高;响应光谱区窄;低温要求苛刻。  

 怎样减少被动红外探测器误报漏报  

 报警设备故障引起的误报警  

 产品在规定的条件下、规定的时间内,不能完成规定的功能,称为故障。故障的类型有损坏性故障和漂移性故障。

 损坏性故障包括性能全部失效和突然失效。这类故障通常是由元器件的损坏或生产工艺不良(如虚焊等)造成。  

 漂移性故障是指元器件的参数和电源电压的漂移所造成的故障。例如:温度过高会导致电阻阻值的变化,此时设备表现为时好时坏。事实上,环境温度、元件制造工艺、设备制造工艺、使用时间、储存时间及电源负载等因素都可能导致元器件参数的变化,产生漂移性故障。  

 无论是损坏性故障还是漂移性故障都将使系统误报警,要减少由此产生的误报警应从以下方面努力。  

 ⑴报警设备的生产企业,必须提高产品的设计水平和工艺水平,在作系统设计的同时,还需作可靠性设计,如冗余设计、电磁兼容设计、三防设计(防潮、防盐雾、防霉菌)、漂移可靠性设计等。在此基础上,提高产品制造过程的可靠性,如对元器件质量的严格筛选;对生产过程进行严格的质量监督管理等,保证产品质量符合有关标准的要求。  

 销售报警设备的单位或个人,应进行严格的进货检验,检验内容为:产品质量检验合格证明;生产企业的工业生产许可证书或安全认证证书或生产登记批准书。 

 ⑵管理部门应定期或不定期组织安防市场的检查、抽查,发现生产、销售安防产品活动中的违法行为应严格按照《安全技术防范产品管理办法》的规定处理。 

 ⑶报警系统建设单位(用户)应在相应的工程文件中明确要求施工单位选用经授权检测机构检验合格的产品;国外设备要选用正规渠道进口的、按国际先进标准检验合格的产品。   

 ⑷为了保证报警系统的良好工作状态,必须建立定期检查、维修制度。顺便提一句,目前中国报警系统的维修方式有待解决,最好是变工程承建单位的维修为专业维修公司的维修,这样不仅有利于维修资源(维修人员、维修设备、维修备件等)的利用和维修水平的提高,更重要的是能提高安全防范系统的可靠性。  

 报警系统设计、施工不当引起的误报警  

 系统设计不当引起的误报警设备选择是系统设计的关键,而报警器材种类繁多,又各有自己的特点、适用范围和局限性,选用不当就会引起误报警。例如,靠近震源(飞机场、铁路旁)选用震动探测器就很容易引起系统的误报警;在蝙蝠经常出没的地方选用超声波探测器亦使系统误报警,这是因为蝙蝠发出超声波的缘故;电铃声、金属撞击声等高频声均可引起单技术玻璃破碎探测器的误报警……,因此,要减少由于器材选择不当引起的误报警,系统设计人员要十分熟悉各种报警器材的原理、特点、适用范围和局限性。同时还必须掌握现场环境情况、气候情况、电磁场强度以及照度变化等,以便因地制宜选择报警器材。  

 除设备器材选择之外,系统设计不当还表现在设备器材安装位置、安装角度、防护措施以及系统布线等方面。例如:将被动红外入侵探测器对着空调、换气扇安装时,将会引起系统的误报警;室外用主动红外探测器如果不作适当的遮阳防护(有遮阳罩的最好也作防护),势必会引起系统的误报警;报警线路与动力线、照明线等强电线路间距小于1.5m时,而未加防电磁干扰措施,系统亦将产生误报警……。  

 施工不当引起的误报警  

 这部分问题主要表现在以下方面:  

 ⑴没有严格按设计要求施工。  

 ⑵设备安装不牢固或倾角不合适。  

 ⑶焊点有虚焊、毛刺现象,或是屏蔽措施不得当。  

 ⑷设备的灵敏度调整不佳。  

 ⑸施工用检测设备不符合计量要求。  

 解决上述问题的办法是加强施工过程的监督与管理,尽快实行安防工程监理制,这很有利于提高工程质量,减少由于施工环节造成的误报警。  

 环境噪扰引起的误报警  

 由于环境噪扰引起的误报警是指报警系统在正常工作状态下产生的,从原理上讲是不可避免的,而事实又是不需要的,属于误报警。例如:热气流引起被动红外入侵探测器的误报警;高频声响引起单技术玻璃破碎探测器的误报警;超声源引起超声波探测器的误报警等。减少此类误报警较为有效的措施就是采用双鉴探测器(两种不同原理的探测器同时探测到“目标”,报警器才发出报警信号)。现行的产品有:微波-被动红外双鉴器、声控-振动玻璃破碎双鉴器、超声波-被动红外双鉴器等。但是有些环境噪扰双鉴探测器却无能为力,例如:老鼠在防范区出没;宠物在居室内走动等。为此,科技人员又将微处理技术引进报警系统,使其具备一定的鉴别和思考能力,能在一定程度上判断是入侵者还是环境噪扰引起的报警。综上所述,误报与防盗报警器、探测器本身的因素外,还与安装施工布线,及周围的环境有很大的关系,而环境的变化,如噪音,稳定,气流等往往无法解决,因此选择一款具有抗干扰的产品才是关键

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