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光學工程
紅外傳感器的發展

任何溫度高于絕對零度的物體,都會向外部空間以紅外線的方式輻射能量。利用紅外輻射實現相關物理量測量的傳感技術,即為紅外傳感技術。

紅外傳感器技術是近年來發展最快的技術之一,紅外傳感器目前已廣泛應用于航空航天、天文、氣象、軍事、工業和民用等眾多領域,起著不可替代的重要作用。紅外線,實質上是一種電磁輻射波,其波長范圍大致在0.78m~1000m頻譜范圍內,因其是位于可見光中紅光以外的光線,故而得名為紅外線。任何溫度高于絕對零度的物體,都會向外部空間以紅外線的方式輻射能量。利用紅外輻射實現相關物理量測量的傳感技術,即為紅外傳感技術。

光子式紅外傳感器是利用紅外輻射的光子效應而進行工作的傳感器。所謂光子效應,是指當有紅外線入射到某些半導體材料上時,紅外輻射中的光子流與半導體材料中的電子相互作用,改變了電子的能量狀態,從而引起各種電學現象。通過測量半導體材料中電子性質的變化,就可以知道相應紅外輻射的強弱。光子探測器類型主要有內光電探測器、外光電探測器、自由載流子式探測器、QWIP量子阱式探測器等。內光電探測器又細分為光電導型、光生伏特型和光磁電等類型。光子探測器的主要特點是靈敏度高、響應速度快,具有較高的響應頻率,但缺點是探測波段較窄,一般工作于低溫(為保持高靈敏度,常采用液氮或溫差電制冷等方式,將光子探測器冷卻至較低的工作溫度)。

基于紅外光譜技術的成分分析儀表,具有綠色、快速、非破壞、在線等特點,是分析化學領域迅猛發展的高新分析技術之一。許多由非對稱雙原子和多原子所構成的氣體分子,在紅外輻射波段都有相應的吸收帶,且因其被測對象所含分子的不同,吸收帶所在的波長和吸收的強弱也不相同。根據各類氣體分子吸收帶分布情況及吸收的強弱,可以識別出被測對象中所含氣體分子的組成及含量。紅外氣體分析儀即是采用紅外光照射被測介質,并根據各類分子介質的紅外吸收特性,利用氣體的紅外吸收光譜特征,通過對光譜分析而實現氣體組分或濃度分析的。

利用近紅外光譜對羥基、水、碳酸鹽以及Al-OH、Mg-OH和Fe-OH等分子鍵非常敏感的特性,通過對目標對象的紅外照射來獲得其診斷性光譜,然后對光譜波長位置、深度和寬度進行測量分析,即可獲取其種屬、組分和主要金屬元素比值等,從而實現對固體等介質的成分分析。



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