紅外線，實(shí)質(zhì)上是一種電磁輻射波，其波長范圍大致在0.78μm～1000μm頻譜范圍內(nèi)，因其是位于可見光中紅光以外的光線，故而得名為紅外線。 

任何溫度高于零度的物體，都會(huì)向外部空間以紅外線的方式輻射能量。利用紅外輻射實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理量測量的傳感技術(shù)，即為紅外傳感技術(shù)。紅外傳感技術(shù)是近年來發(fā)展zui快的技術(shù)之一，紅外傳感器目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、天文、氣象、軍事、工業(yè)和民用等眾多領(lǐng)域，起著不可替代的重要作用。 

按檢測機(jī)理不同，通常將紅外傳感器分為熱式和光子式（也稱量子式）兩大類。熱式是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，即當(dāng)熱式傳感器的敏感元件吸收所入射的紅外輻射后，其溫度隨之變化，進(jìn)而使敏感元件的相關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過對這些物理參數(shù)及其變化的測量就可確定傳感器所吸收的紅外輻射量。熱式傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是：響應(yīng)波段達(dá)整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，輕便可靠，成本較低，使用簡單方便等。但其不足之處是響應(yīng)時(shí)間相對較長（ms級），靈敏度較低，一般用于低頻調(diào)制的場合。常用的熱式紅外傳感器類型主要有熱敏電阻/(微)輻射熱計(jì)型、熱電偶/熱電堆型、高萊氣動(dòng)型和熱釋電型等。其中，熱釋電型的敏感元件通常采用具有熱釋電效應(yīng)的晶體材料，具有檢測效率zui高，頻率響應(yīng)zui寬，能探測輻射信號的快速變化等顯著優(yōu)點(diǎn)，故該類傳感器發(fā)展較快，應(yīng)用范圍也較廣。 

光子式紅外傳感器是利用紅外輻射的光子效應(yīng)而進(jìn)行工作的傳感器。所謂光子效應(yīng)，是指當(dāng)有紅外線入射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，紅外輻射中的光子流與半導(dǎo)體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)，從而引起各種電學(xué)現(xiàn)象。通過測量半導(dǎo)體材料中電子性質(zhì)的變化，就可以知道相應(yīng)紅外輻射的強(qiáng)弱。光子探測器類型主要有內(nèi)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(nèi)光電探測器又細(xì)分為光電導(dǎo)型、光生伏特型和光磁電等類型。光子探測器的主要特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但缺點(diǎn)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）。 

按照紅外傳感器應(yīng)用功能、場所的不同，大體可將其應(yīng)用分成以下幾類： 

（1）輻射量、光譜測量：該類測量儀器用途廣泛，如基于中紅外輻射測量的地面輻射強(qiáng)度計(jì)，可用于如變暖等的氣候變化觀察；基于遠(yuǎn)紅外輻射測量的紅外空間望遠(yuǎn)鏡，可用于宇宙天體天文觀察；配帶紅外光譜掃描輻射儀的氣象衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)對云層等的氣象觀察分析。在工礦企業(yè)中，應(yīng)用較多的是基于輻射量測量的紅外溫度計(jì)和基于紅外光譜測量的紅外分析儀。 

按照斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體紅外輻射的強(qiáng)度與物體的溫度和輻射率相關(guān)。依此制成的紅外溫度計(jì)，屬比較先進(jìn)的測溫方法，具有諸多優(yōu)點(diǎn)：適用于遠(yuǎn)距離和非接觸測量，可以測量高速運(yùn)動(dòng)物體、帶電物體、腐蝕介質(zhì)、高溫或高壓物體或介質(zhì)的溫度；因其測量不需要熱平衡過程，故其響應(yīng)速度快，一般在毫秒級，甚至微秒級；因?yàn)槲矬w紅外輻射的強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比，因而物體溫度微小變化，都會(huì)引起輻射能量成倍變化，因而其測溫靈敏度高；由于測量的非接觸性，故不會(huì)破壞實(shí)測對象原先溫度場分布狀況，因而其測出溫度失真較小；可以測量從攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度，因而其測溫范圍非常廣泛。美國LumaSense技術(shù)公司所生產(chǎn)的基于紅外溫度傳感器的IS 6和IGA 6系列數(shù)字高溫計(jì)，溫度測量上限：IS達(dá)3000℃，IGA達(dá)2500℃；光譜范圍：IS為0.7μm～1.1μm，IGA為1.45μm～1.8μm響應(yīng)時(shí)間快達(dá)120μs，功耗zui大不超過3W，重量僅有0.6kg。 

基于紅外光譜技術(shù)的成分分析儀表，具有“綠色、快速、非破壞、在線"等特點(diǎn)，是分析化學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的高新分析技術(shù)之一。許多由非對稱雙原子和多原子所構(gòu)成的氣體分子，在紅外輻射波段都有相應(yīng)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(qiáng)弱也不相同。根據(jù)各類氣體分子吸收帶分布情況及吸收的強(qiáng)弱，可以識(shí)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(zhì)，并根據(jù)各類分子介質(zhì)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(shí)現(xiàn)氣體組分或濃度分析的。日本橫河電機(jī)所生產(chǎn)的IR400型紅外氣體分析儀，該分析儀采用單光源雙光柱、NDIR非色散紅外測量法，實(shí)現(xiàn)NO、SO2 、CO、CO2 和CH4四種氣體成分的同時(shí)和連續(xù)測量。其線性度達(dá)±1%滿量程，重復(fù)性為±0.5%滿量程，響應(yīng)時(shí)間為60s。 

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(biāo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對固體等介質(zhì)的成分分析。澳大利亞Integrated Spectronics公司生產(chǎn)的PIMA光柵掃描型光譜儀，即是此類典型的用于研究野外巖石礦物的種類、豐度、成分的便攜式近紅外光譜分析儀，其波長范圍為1.3μm～2.5μm，光譜取樣間距2nm，信噪比1/3500～1/4500，對于樣品和參考物有32個(gè)識(shí)別級別，外形大小27cm ×17cm×12cm，重量僅只有4kg。 

搜索和跟蹤系統(tǒng)：是基于目標(biāo)所發(fā)出的處于紅外光譜范圍內(nèi)的電磁輻射波，來搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置，并對其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤的系統(tǒng)。紅外搜索跟蹤器的圖像品質(zhì)取決于與像素大小和像素?cái)?shù)量相關(guān)的空間分辨率。也就是說，若儀器像素?cái)?shù)越高，像素尺寸越小，則其顯示的圖像越清晰，可搜索的距離則越遠(yuǎn)。擅長基于MCT（碲鎘汞）冷卻紅外檢測器技術(shù)的法國Sofradir公司，近期推出了高性能的基于10μm像距MWIR中紅外的IRST紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)，可用于飛行員或士兵不論白天還是夜晚，即使是在煙或霧環(huán)境下，仍能有效識(shí)別、分辨、定位遠(yuǎn)達(dá)10km以外的小目標(biāo)。

熱成像系統(tǒng)：通過熱成像儀以非接觸方式探測被測目標(biāo)所釋放的紅外輻射能量，能形成整個(gè)目標(biāo)的紅外輻射分布（即溫度分布）圖像，以便分析、研究目標(biāo)物體的結(jié)構(gòu)，探測其內(nèi)部缺陷或工作狀況，進(jìn)而進(jìn)行故障診斷分析等。微輻射熱計(jì)熱式紅外技術(shù)是紅外熱成像儀中應(yīng)用zui多的技術(shù)，由其構(gòu)成的熱成像儀的圖像分辨率超過10000像素。圖為美國FLIR公司生產(chǎn)的SC8200系列紅外攝像機(jī)，采用1024×1024冷卻銻化銦MWIR中紅外檢測器，測量光譜范圍1.5μm～5.0μm或3.0μm～5.0μm，NETD＜25mK，像素點(diǎn)距18μm，幀頻132Hz，標(biāo)準(zhǔn)量程范圍-20℃～500℃，也可選擇量程上限到1500℃或2000℃，測量精度為±2℃或示值的±2%。 

紅外通信系統(tǒng)：是采用調(diào)制后的紅外輻射光束傳輸編碼后的數(shù)據(jù)，再由硅光電二極管將收到的紅外輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號，實(shí)現(xiàn)近距離通信的一種系統(tǒng)。具有不干擾其它鄰近設(shè)備的正常工作，特別適用于人口高密度區(qū)域的戶內(nèi)通信的優(yōu)點(diǎn)。此外，該通信系統(tǒng)還具有低功耗、低成本、安全可靠的特點(diǎn)。 

其它。紅外傳感技術(shù)還廣泛用于門禁報(bào)警與控制、照明控制、火災(zāi)檢測、有毒有害氣體泄漏檢測、紅外測距、采暖通風(fēng)等其它綜合應(yīng)用場合。今年5月份，在德國紐倫堡舉辦的“SENSOR+TEST"展覽會(huì)上，法國ULIS公司展出了其研制的、采用了的片上（on-chip）創(chuàng)新技術(shù)（如采用I2C標(biāo)準(zhǔn)接口、低功耗管理等）的紅外熱式傳感器陣列Micro80P產(chǎn)品。該傳感器陣列基于有著較高可靠性的非晶硅技術(shù)，靈敏度高達(dá)80×80像距，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了在目前運(yùn)動(dòng)檢測器中所用的單元件或四元件熱式傳感器，大大提升了工業(yè)級紅外熱檢測傳感器的能力。該產(chǎn)品不僅可以用于檢測溫度點(diǎn)或溫度面和探測運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)或人體活動(dòng)的計(jì)數(shù)、定位和分類等功能。如在HVAC場合，可用于對房間內(nèi)的人員進(jìn)行計(jì)數(shù)，對房間墻壁溫度進(jìn)行測量，從而對室內(nèi)采暖和空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)精細(xì)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)建筑物zui大程度的節(jié)能降耗。 

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高、計(jì)算機(jī)微處理器技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的提升、新型半導(dǎo)體等材料的推出和加工制造工藝的進(jìn)步，紅外傳感器近年發(fā)展迅猛。據(jù)國外某研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，紅外傳感器銷售額將會(huì)從2010年的$1.52億美元增長到2016年的2.86億美元。近年來，紅外傳感器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面： 

一是采用新型材料和處理技術(shù)，使得傳感器的紅外探測率提高，響應(yīng)波長增大，響應(yīng)時(shí)間縮短，像素靈敏度和像素密度更高，抗干擾性能提高，生產(chǎn)成本降低。如Pyreos和Irisys公司已推出薄膜和陶瓷混合的新型熱釋電敏感技術(shù)，使得敏感元件可以實(shí)現(xiàn)陣列化。 

二是傳感器的大型化和多功能化。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展和傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，紅外傳感器正從小型、單一功能，向大型化、多功能化方向發(fā)展。如國外所研制的大型紅外傳感器（16×16到64×64像素）除可進(jìn)行溫度場測量外，還可獲得先進(jìn)的、小型紅外傳感器所不具有的人體探測功能（即可定位個(gè)人在空間中的位置，即使人不活動(dòng)，也可識(shí)別出）或大型區(qū)域的安全監(jiān)視等功能，十分適宜于家庭自動(dòng)化、醫(yī)療保健、安全防護(hù)等場合的應(yīng)用。此外，新型多光譜傳感器的研制，也大大改善了紅外成像陣列的功能性。 

三是傳感器的智能化。新型的智能紅外傳感器通常內(nèi)置多個(gè)微處理器，具備傅里葉變換、小波變換等先進(jìn)數(shù)字信號處理或補(bǔ)償功能，自診斷功能，雙向數(shù)字通信等功能，使得傳感器的穩(wěn)定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提高。 
四是傳感器的進(jìn)一步微型化、集成化。采用片上集成技術(shù)（包括盲元替代、非均勻性校正、部分圖像處理功能等）和其它新的器件結(jié)構(gòu)及新的制造工藝技術(shù)，在MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)），甚至基于納米科技的NEMS（納機(jī)電系統(tǒng)）推動(dòng)下，紅外傳感器尺寸大為縮小，功耗大大降低，集成度顯著提高。由于紅外傳感器的*性能，許多主流儀表研究單位和生產(chǎn)制造商對它的研發(fā)投入也越來越高。(end)