招募： 光學鏡頭設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計；市場銷售人員

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現(xiàn)在，紅外技術(shù)已經(jīng)廣為人知，在現(xiàn)代科技、國防、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是以紅外線為媒介的測量系統(tǒng)，按功能可分為五類:

(1)輻射和光譜測量輻射計；

(2)搜索和跟蹤系統(tǒng)用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其在空之間的位置并跟蹤其運動；

(3)熱成像系統(tǒng)，可以生成整個目標的紅外輻射分布圖像；

(4)紅外測距通信系統(tǒng)；

(5)混合系統(tǒng)是指上述兩種或兩種以上系統(tǒng)的組合。

首先，了解紅外光。紅外光是太陽光譜的一部分。紅外光最大的特點是有光熱效應(yīng)，輻射熱量。它是光譜中最大的光熱效應(yīng)區(qū)域。紅外光和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉和吸收的性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為3× 108m/s，紅外光在介質(zhì)中傳播時衰減，在金屬中傳播時衰減很大。但是紅外輻射可以穿過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體非常吸收紅外輻射。不同的氣體有不同的吸收程度，大氣對不同波長的紅外光有不同的吸收帶。研究分析表明，波長為1 ~ 5微米和8 ~ 14微米的紅外光具有很大的透明度。也就是這些波長的紅外光可以很好的穿透大氣層。自然界的任何物體，只要溫度在絕對零度以上，都可以產(chǎn)生紅外輻射。紅外光對不同物體的光熱效果不同，熱能強度也不同。比如黑體(能完全吸收投射在其表面的紅外輻射)、鏡體(能完全反射紅外輻射)、透明體(能完全穿透紅外輻射)和灰體(能部分反射或吸收紅外輻射)會產(chǎn)生不同的光熱效應(yīng)。嚴格來說，黑體、鏡體、透明體在自然界是不存在的，但大部分物體都屬于灰體。這些特性是紅外輻射技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星遙感、紅外跟蹤等軍事科研項目的重要理論基礎(chǔ)。

紅外輻射基本定律

(1)基爾霍夫定律:在一定溫度下，地物單位面積的輻射通量w與吸收率之比對于任何物體都是一個常數(shù)，等于黑體在該溫度下同一面積的輻射通量w。

給定溫度下，發(fā)射率=物體吸收率(同波段)；吸收率越大，發(fā)射率越大。

地面物體的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以地面物體的微小溫差會引起紅外輻射能量的明顯變化。這一特征構(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。

(2)斯特凡-玻爾茲曼定律:黑體的總輻射通量隨著溫度的升高而迅速增加，與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化會引起輻射通量密度的巨大變化。它是紅外測溫的理論基礎(chǔ)。

(3)維恩位移定律:隨著溫度的升高，最大輻射值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動。

紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜。典型傳感器系統(tǒng)各部分的實體有:

(1)待測目標。根據(jù)待測目標的紅外輻射特性，可以設(shè)置紅外系統(tǒng)。

(2)大氣衰減。當被測目標的紅外輻射穿過地球大氣層時，由于氣體分子、各種氣體和各種溶膠粒子的散射和吸收，紅外源發(fā)出的紅外輻射會被衰減。

(3)光接收機。它接收目標的部分紅外輻射，并將其傳輸?shù)郊t外傳感器。相當于雷達天線，常用物鏡。

(4)輻射調(diào)制器。對來自待測目標的輻射進行調(diào)制和轉(zhuǎn)換，以提供目標方位信息，并且可以濾除大面積干擾信號。也被稱為調(diào)制面板和斬波器，它有多種結(jié)構(gòu)。

(5)紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是一種傳感器，通過利用紅外輻射和物質(zhì)之間的相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來檢測紅外輻射，并且在大多數(shù)情況下，它利用這種相互作用所呈現(xiàn)的電效應(yīng)。這類探測器可分為光子探測器和熱敏探測器。

(6)檢測器冷卻器。因為有些探測器必須在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。制冷后，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，提高檢測靈敏度。

(7)信號處理系統(tǒng)。檢測到的信號被放大和濾波，并且從這些信號中提取信息。然后這種信息被轉(zhuǎn)換成所需的格式，最后傳輸?shù)娇刂圃O(shè)備或顯示器。

(8)顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外敏感材料、指示儀器、記錄儀等。

根據(jù)上述過程，紅外系統(tǒng)可以測量相應(yīng)的物理量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，根據(jù)探測機理的不同可分為熱探測器和光子探測器。

熱探測器吸收所有不同波長的入射輻射能量。它是一種紅外傳感器，對紅外光波沒有選擇。光子探測器中常用的光子效應(yīng)包括外部光電效應(yīng)、內(nèi)部光電效應(yīng)(光伏效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng))和光電磁效應(yīng)。熱探測器利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后溫度升高，進而使探測器的性能隨溫度變化?？梢酝ㄟ^檢測其中一種性質(zhì)的變化來檢測輻射。在大多數(shù)情況下，輻射是通過熱電變化來探測的。當元件受到輻射，引起非電量的物理變化時，經(jīng)過適當?shù)淖儞Q，就可以測出相應(yīng)的電量變化。熱探測器對紅外輻射的響應(yīng)時間比光電探測器長得多。前者的響應(yīng)時間一般在ms以上，后者只有ns。熱探測器不需要冷卻，光子探測器大多需要冷卻。

紅外探測器的主要技術(shù)參數(shù)如下:

(1)回應(yīng)率

紅外探測器的響應(yīng)速度是其輸出電壓與輸入紅外輻射功率之比

其中r-反應(yīng)率(v/w)；U0—輸出電壓(v)；p-紅外輻射功率(w)。

(2)響應(yīng)波長范圍

紅外探測器的響應(yīng)速度與入射輻射的波長有一定的關(guān)系，如下圖所示。曲線①是熱探測器的特性。熱紅外探測器的響應(yīng)度r與波長λ無關(guān)。光電探測器的光譜響應(yīng)如圖中曲線②所示。

λP對應(yīng)響應(yīng)峰值rP，rP /2對應(yīng)截止波長λ c。

(3)噪聲等效功率

如果投射到探測器上的紅外輻射功率產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓，這個輻射功率就稱為噪聲等效功率(NEP)。噪聲等效功率是一個可測量的量。

設(shè)入射輻射功率為P，測得的輸出電壓為U0，然后去掉輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN，然后按比例計算，使U0 = UN，輻射功率為

紅外探測器應(yīng)用實例

紅外探測器可用于非接觸測溫、氣體成分分析、無損檢測、熱成像檢測、紅外遙感、偵察、搜索、跟蹤和軍事目標通信等。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，紅外傳感器的應(yīng)用前景將更加廣闊。

1.紅外氣體分析儀

紅外氣體分析儀利用紅外線進行氣體分析。“是基于待分析成分的濃度不同，吸收的輻射能也不同。剩余的輻射能使探測器內(nèi)的溫升不同，運動薄膜兩側(cè)的壓力也不同，從而產(chǎn)生一個電容探測器的電信號?！蓖ㄟ^這種方式，可以間接測量待分析成分的濃度。"

根據(jù)氣體中紅外輻射的不同吸收帶，可以分析氣體的成分。比如二氧化碳對波長分別為2.7μm、4.33μm和14.5μm的紅外光有很強的吸收，其吸收光譜相當寬，即存在一個吸收帶。根據(jù)實驗分析，只有4.33μm的吸收帶不受大氣中其他成分的影響，因此這個吸收帶可以用來判斷大氣中CO2的含量。

CO2紅外氣體分析儀由含CO2的樣品室、不含CO2的參比室、斬波調(diào)制器、反射鏡系統(tǒng)、濾光片、紅外探測器和選頻放大器組成。

在測量過程中，待測氣體連續(xù)流過樣品室，參比室充滿不含CO2的氣體(或已知CO2含量的氣體)。紅外光源發(fā)出的紅外光被分成兩束，通過反射鏡系統(tǒng)反射到樣品室和參比室，兩束光可以通過中心波長為4.33 μ m的紅外濾光片投射到紅外傳感器上，由于斬波調(diào)制器的作用，傳感器交替接收通過樣品室和參比室的輻射。

如果樣品室和參比室中沒有CO2氣體，只要兩束輻射完全相等，傳感器就接收到一束恒定通量的輻射，所以傳感器只有DC響應(yīng)，交流選頻放大器的輸出為零。

如果進入樣品室的氣體中含有CO2氣體，可以吸收4.33μm的輻射，那么兩束輻射的通量不相等，那么傳感元件接收到交變輻射，那么選頻放大器的輸出就不為零。校準后，可根據(jù)輸出信號估算CO2含量。

2.紅外無損探傷儀

紅外無損探傷儀可用于檢查部件的內(nèi)部缺陷，而不會對部件的結(jié)構(gòu)造成任何損壞。比如檢查兩塊金屬板的焊接質(zhì)量，用紅外輻射探傷儀檢查漏焊或漏焊非常方便；為了檢測金屬材料的內(nèi)部裂紋，也可以使用紅外探傷儀。

用紅外輻射均勻照射金屬板，利用金屬對紅外輻射的吸收與間隙(含有某種氣體或真空)對紅外輻射的吸收之差，可以檢測出金屬斷口空間隙。

當紅外輻射掃描儀通過金屬板連續(xù)發(fā)射一定波長的紅外光時，金屬板另一側(cè)的紅外接收器也連續(xù)接收被金屬板衰減的紅外光。如果金屬板內(nèi)部沒有斷裂，紅外接收器在輻射掃描儀的掃描過程中接收相同量的紅外輻射；如果金屬板內(nèi)部有裂縫，則紅外接收器在輻射掃描儀掃描裂縫時接收到的紅外輻射值與其他地方不一致，可以利用圖像形狀技術(shù)顯示金屬板內(nèi)部缺陷的形狀。

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