紅外線，實質(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，都會向外部空間以紅外線的方式輻射能量。利用紅外輻射實現(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)點是：響應(yīng)波段達(dá)整個紅外區(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)輻射熱計型、熱電偶/熱電堆型、高萊氣動型和熱釋電型等。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，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，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是靈敏度高、響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)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）。 

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度計，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，物體紅外輻射的強度與物體的溫度和輻射率相關(guān)。依此制成的紅外溫度計，屬比較先進(jìn)的測溫方法，具有諸多優(yōu)點：適用于遠(yuǎn)距離和非接觸測量，可以測量高速運動物體、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；因為物體紅外輻射的強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，故不會破壞實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，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，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(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現(xiàn)氣體組分或濃度分析的。日本橫河電機所生產(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，實現(xiàn)NO、SO2 、CO、CO2 和CH4四種氣體成分的同時和連續(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個識別級別，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，并對其運動軌跡進(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數(shù)量相關(guān)的空間分辨率。也就是說，若儀器像素數(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，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。此外，該通信系統(tǒng)還具有低功耗、低成本、安全可靠的特點。 

其它。紅外傳感技術(shù)還廣泛用于門禁報警與控制、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)超越了在目前運動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或溫度面和探測運動，也可以實現(xiàn)對目標(biāo)或人體活動的計數(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)行自動精細(xì)調(diào)節(jié)，實現(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、計算機微處理器技術(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)國外某研究機構(gòu)預(yù)測，紅外傳感器銷售額將會從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（即可定位個人在空間中的位置，即使人不活動，也可識別出）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（微機電系統(tǒng)），甚至基于納米科技的NEMS（納機電系統(tǒng)）推動下，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)