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[摘 要]红外传感器是将红外辐射能量转换为电量的一种传感器，由于任何温度高于热力学零度（-273.15℃）的物体都会辐射红外线，因此红外技术在现代科技、国防和工农业等多个领域获得了广泛的应用。本文重点介绍红外传感器的性能参数及工作原理。
[关键词]红外传感器；工作原理；性能参数
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0378-01
红外辐射（红外线）是一种人眼看不见的光线，波长范围大致在0.76～100 之间。自然界一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，其中就包括红外光波。同可见光一样，红外辐射能够进行折射、反射和散射，这样便产生了红外技术。与其他探测技术相比，红外探测技术因其环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力高于可见光，可以采用被动式工作，隐蔽性好以及红外系统体积小、质量轻、功耗低等优点，在军事和民用领域都得到了广泛的应用。在军事上，红外技术广泛用于搜索和预警、探测和跟踪、夜视、武器瞄准、红外制导导弹等领域。在民用工程领域，红外技术在气象预报、环境检测、遥感资源调查以及电力、消防、石化等部门发挥着重要作用。
1红外传感器的综述
1.1 红外辐射基本知识
任何物体，只要它的温度高于热力学零度（-273.15℃）时，就会向外辐射能量，故称为热辐射，又称为红外辐射或俗称红外线。红外线是一种人眼看不见的光线，但与其他光线一样具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质，在真空中的传播速度为光速。在电磁辐射波谱中，红外线是位于可见光中红外光以外的光线，波长范围大致在0.76～100 。
在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域：波长在0.76～3 为近红外区；波长在3～6 为中红外区；波长在6～20 为中远红外区；波长在20～100 为远红外区。红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体颗粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。但红外辐射在通过大气层时，在以下三个波段区间：2～2.6 ，3～5 ，8～14 ，大气对红外线几乎不吸收，故称之为“大气窗口”，这三个大气窗口对红外技术应用非常重要，红外仪器都工作在这三个工作窗口之内。
1.2 红外传感器的分类
红外传感器是红外探测系统的核心，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。按照探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器两大类。红外光子传感器又包括光电导传感器，光生伏特传感器，光电子发射传感器以及光磁电传感器，红外热传感器还包括热电偶型，热敏电阻型以及热释电型。
1.3 红外传感器的主要性能参数
（1）响应率
当经过调制的红外辐射照到传感器的敏感表面上时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比，称为传感器的响应率，单位为 或 。
（1）
式中， 为红外传感器的输出电压（V）； 为入射到红外敏感元件单位面积上的功率（ ）； 为红外传感器敏感元件的面积（ ）。
（2）时间常数
时间常数表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率。输出信号滞后于红外辐射的时间，称为红外传感器的时间常数，其值为：
（2）
式中， 为频率下降到最大值的0.707（3dB）时的调制频率。
（3）响应波长范围
响应波长范围或称光谱响应，表示传感器的电压响应率与入射红外辐射波长之间的关系。由于传感器的电压响应率与波长无关，它的响应曲线是一条平行于横坐标（波长）的直线。而光子传感器的电压响应频率是波长的函数，因此是一条随波长变化的曲线，如图1所示，存在峰值波长（ ），把响应率下降到最大值的一半所对应的波长称为截止频率（ ），截止波长的区间表示了红外传感器的响应波长范围。
（4）噪声等效功率
由于探测器存在噪声，所以不能无限小的测量小的辐射信号，当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器的噪声所淹没时，这时探测器就无法肯定是否有辐射信号投射在探测器上，探测器探测辐射的能力就有了一个限度，通常用噪声等效功率NEP来表征这个特征。
当辐射在探测器上产生的信号电压正好等于传感器本身的噪声电压值（即信号噪声比为1）时，所需投射到探测器上的辐射功率称为噪声等效功率，即 （3）
式中： 为红外探测器的输出电压； 为入射到红外敏感元件单位面积上的功率（ / ）； 为红外敏感元面积（ ）； 为红外探测器的综合噪声电压（V）； 为红外探测器的电压响应率（V/W）。
2红外传感器的原理
（1）待侧目标。根据待侧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、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。
3结语
根据红外传感器的性能和原理，我们知道红外传感器具有环境适应性好，不易被干扰，红外系统体积小、质量轻以及功耗低等优点。由于这些优点，使得红外传感器在现代化的生产实践中发挥着巨大的作用，而随着探测设备和其他部分的技术的提高，对它的要求也越来越高。相信红外传感器会随着微电子技术的发展和传感器的应用领域的不断扩大，从单一元件、單一功能向集成化、多功能化方向发展，从而有多类型的红外传感器应用于更加广泛的领域。
参考文献：
[1]赵燕. 传感器原理及应用[M]. 北京大学出版社， 2010. 278-296.
[2]戴蓉， 刘波峰. 传感器原理与工程应用[M]. 电子工业出版社， 2014. 1-5.
作者简介：
袁明昱（1996-）女 内蒙古乌兰察布市人，本科在读 主要研究方向：电子信息科学与技术。
[关键词]红外传感器；工作原理；性能参数
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0378-01
红外辐射（红外线）是一种人眼看不见的光线，波长范围大致在0.76～100 之间。自然界一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，其中就包括红外光波。同可见光一样，红外辐射能够进行折射、反射和散射，这样便产生了红外技术。与其他探测技术相比，红外探测技术因其环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力高于可见光，可以采用被动式工作，隐蔽性好以及红外系统体积小、质量轻、功耗低等优点，在军事和民用领域都得到了广泛的应用。在军事上，红外技术广泛用于搜索和预警、探测和跟踪、夜视、武器瞄准、红外制导导弹等领域。在民用工程领域，红外技术在气象预报、环境检测、遥感资源调查以及电力、消防、石化等部门发挥着重要作用。
1红外传感器的综述
1.1 红外辐射基本知识
任何物体，只要它的温度高于热力学零度（-273.15℃）时，就会向外辐射能量，故称为热辐射，又称为红外辐射或俗称红外线。红外线是一种人眼看不见的光线，但与其他光线一样具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质，在真空中的传播速度为光速。在电磁辐射波谱中，红外线是位于可见光中红外光以外的光线，波长范围大致在0.76～100 。
在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域：波长在0.76～3 为近红外区；波长在3～6 为中红外区；波长在6～20 为中远红外区；波长在20～100 为远红外区。红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体颗粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。但红外辐射在通过大气层时，在以下三个波段区间：2～2.6 ，3～5 ，8～14 ，大气对红外线几乎不吸收，故称之为“大气窗口”，这三个大气窗口对红外技术应用非常重要，红外仪器都工作在这三个工作窗口之内。
1.2 红外传感器的分类
红外传感器是红外探测系统的核心，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。按照探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器两大类。红外光子传感器又包括光电导传感器，光生伏特传感器，光电子发射传感器以及光磁电传感器，红外热传感器还包括热电偶型，热敏电阻型以及热释电型。
1.3 红外传感器的主要性能参数
（1）响应率
当经过调制的红外辐射照到传感器的敏感表面上时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比，称为传感器的响应率，单位为 或 。
（1）
式中， 为红外传感器的输出电压（V）； 为入射到红外敏感元件单位面积上的功率（ ）； 为红外传感器敏感元件的面积（ ）。
（2）时间常数
时间常数表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率。输出信号滞后于红外辐射的时间，称为红外传感器的时间常数，其值为：
（2）
式中， 为频率下降到最大值的0.707（3dB）时的调制频率。
（3）响应波长范围
响应波长范围或称光谱响应，表示传感器的电压响应率与入射红外辐射波长之间的关系。由于传感器的电压响应率与波长无关，它的响应曲线是一条平行于横坐标（波长）的直线。而光子传感器的电压响应频率是波长的函数，因此是一条随波长变化的曲线，如图1所示，存在峰值波长（ ），把响应率下降到最大值的一半所对应的波长称为截止频率（ ），截止波长的区间表示了红外传感器的响应波长范围。
（4）噪声等效功率
由于探测器存在噪声，所以不能无限小的测量小的辐射信号，当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器的噪声所淹没时，这时探测器就无法肯定是否有辐射信号投射在探测器上，探测器探测辐射的能力就有了一个限度，通常用噪声等效功率NEP来表征这个特征。
当辐射在探测器上产生的信号电压正好等于传感器本身的噪声电压值（即信号噪声比为1）时，所需投射到探测器上的辐射功率称为噪声等效功率，即 （3）
式中： 为红外探测器的输出电压； 为入射到红外敏感元件单位面积上的功率（ / ）； 为红外敏感元面积（ ）； 为红外探测器的综合噪声电压（V）； 为红外探测器的电压响应率（V/W）。
2红外传感器的原理
（1）待侧目标。根据待侧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、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。
3结语
根据红外传感器的性能和原理，我们知道红外传感器具有环境适应性好，不易被干扰，红外系统体积小、质量轻以及功耗低等优点。由于这些优点，使得红外传感器在现代化的生产实践中发挥着巨大的作用，而随着探测设备和其他部分的技术的提高，对它的要求也越来越高。相信红外传感器会随着微电子技术的发展和传感器的应用领域的不断扩大，从单一元件、單一功能向集成化、多功能化方向发展，从而有多类型的红外传感器应用于更加广泛的领域。
参考文献：
[1]赵燕. 传感器原理及应用[M]. 北京大学出版社， 2010. 278-296.
[2]戴蓉， 刘波峰. 传感器原理与工程应用[M]. 电子工业出版社， 2014. 1-5.
作者简介：
袁明昱（1996-）女 内蒙古乌兰察布市人，本科在读 主要研究方向：电子信息科学与技术。