Secondo la classificazione, i sensori a infrarossi possono essere suddivisi in sensori termici e sensori a fotoni.

Sensore termico

Il rilevatore termico utilizza l'elemento di rilevamento per assorbire la radiazione infrarossa per produrre un aumento di temperatura, accompagnato quindi da cambiamenti in alcune proprietà fisiche. Misurare i cambiamenti in queste proprietà fisiche può misurare l'energia o la potenza che assorbe. Il processo specifico è il seguente: il primo passo consiste nell'assorbire la radiazione infrarossa da parte del rilevatore termico per provocare un aumento della temperatura; il secondo passo consiste nell'utilizzare alcuni effetti della temperatura del rilevatore termico per convertire l'aumento della temperatura in una variazione di elettricità. Esistono quattro tipi di modifiche delle proprietà fisiche comunemente utilizzate: tipo a termistore, tipo a termocoppia, tipo piroelettrico e tipo pneumatico Gaolai.

# Tipo di termistore

Dopo che il materiale sensibile al calore assorbe la radiazione infrarossa, la temperatura aumenta e il valore di resistenza cambia. L'entità della variazione di resistenza è proporzionale all'energia della radiazione infrarossa assorbita. I rilevatori a infrarossi realizzati modificando la resistenza dopo che una sostanza assorbe la radiazione infrarossa sono chiamati termistori. I termistori vengono spesso utilizzati per misurare la radiazione termica. Esistono due tipi di termistori: metallici e semiconduttori.

R(T)=AT−CeD/T

R(T): valore della resistenza; T: temperatura; A, C, D: costanti che variano con il materiale.

Il termistore metallico ha un coefficiente di resistenza alla temperatura positivo e il suo valore assoluto è inferiore a quello di un semiconduttore. La relazione tra resistenza e temperatura è sostanzialmente lineare e ha una forte resistenza alle alte temperature. Viene utilizzato principalmente per la misurazione della simulazione della temperatura;

I termistori a semiconduttore sono esattamente l'opposto, utilizzati per il rilevamento delle radiazioni, come allarmi, sistemi antincendio e ricerca e monitoraggio dei radiatori termici.

# Tipo di termocoppia

La termocoppia, chiamata anche termocoppia, è il primo dispositivo di rilevamento termoelettrico e il suo principio di funzionamento è l'effetto piroelettrico. Una giunzione composta da due materiali conduttori diversi può generare forza elettromotrice nella giunzione. L'estremità della termocoppia che riceve la radiazione è chiamata estremità calda, mentre l'altra estremità è chiamata estremità fredda. Si verifica il cosiddetto effetto termoelettrico, cioè se questi due diversi materiali conduttori vengono collegati in un circuito, quando la temperatura nei due giunti è diversa, nel circuito verrà generata corrente.

Per migliorare il coefficiente di assorbimento, sull'hot end viene installata una lamina d'oro nero per formare il materiale della termocoppia, che può essere metallo o semiconduttore. La struttura può essere un'entità a forma di linea o di striscia, oppure un film sottile realizzato mediante tecnologia di deposizione sotto vuoto o tecnologia di fotolitografia. Le termocoppie di tipo entità vengono utilizzate principalmente per la misurazione della temperatura, mentre le termocoppie di tipo a film sottile (costituite da molte termocoppie in serie) vengono utilizzate principalmente per misurare la radiazione.

La costante di tempo del rilevatore a infrarossi del tipo a termocoppia è relativamente grande, quindi il tempo di risposta è relativamente lungo e le caratteristiche dinamiche sono relativamente scarse. La frequenza della variazione della radiazione sul lato nord dovrebbe generalmente essere inferiore a 10 HZ. Nelle applicazioni pratiche, più termocoppie sono spesso collegate in serie per formare una termopila per rilevare l'intensità della radiazione infrarossa.

# Tipo piroelettrico

I rilevatori piroelettrici a infrarossi sono costituiti da cristalli piroelettrici o “ferroelettrici” con polarizzazione. Il cristallo piroelettrico è un tipo di cristallo piezoelettrico, che ha una struttura non centrosimmetrica. Nello stato naturale, i centri di carica positiva e negativa non coincidono in determinate direzioni e sulla superficie del cristallo si forma una certa quantità di cariche polarizzate, fenomeno chiamato polarizzazione spontanea. Quando la temperatura del cristallo cambia, può causare lo spostamento del centro delle cariche positive e negative del cristallo, quindi la carica di polarizzazione sulla superficie cambia di conseguenza. Di solito la sua superficie cattura le cariche fluttuanti nell'atmosfera e mantiene uno stato di equilibrio elettrico. Quando la superficie del ferroelettrico è in equilibrio elettrico, quando i raggi infrarossi vengono irradiati sulla sua superficie, la temperatura del ferroelettrico (foglio) aumenta rapidamente, l'intensità di polarizzazione diminuisce rapidamente e la carica legata diminuisce bruscamente; mentre la carica fluttuante sulla superficie cambia lentamente. Non vi è alcun cambiamento nel corpo ferroelettrico interno.

In un tempo molto breve dalla variazione dell'intensità di polarizzazione causata dalla variazione di temperatura allo stato di equilibrio elettrico sulla superficie, sulla superficie del ferroelettrico compaiono cariche fluttuanti in eccesso, il che equivale al rilascio di una parte della carica. Questo fenomeno è chiamato effetto piroelettrico. Poiché la carica libera impiega molto tempo a neutralizzare la carica legata sulla superficie, ci vogliono più di pochi secondi, e il tempo di rilassamento della polarizzazione spontanea del cristallo è molto breve, circa 10-12 secondi, quindi il il cristallo piroelettrico può rispondere a rapidi cambiamenti di temperatura.

# Tipo pneumatico Gaolai

Quando il gas assorbe la radiazione infrarossa a condizione di mantenere un certo volume, la temperatura aumenterà e la pressione aumenterà. L'entità dell'aumento di pressione è proporzionale alla potenza della radiazione infrarossa assorbita, pertanto è possibile misurare la potenza della radiazione infrarossa assorbita. I rilevatori a infrarossi realizzati secondo i principi di cui sopra sono chiamati rilevatori di gas e il tubo Gao Lai è un tipico rilevatore di gas.

Sensore fotonico

I rilevatori a infrarossi di fotoni utilizzano determinati materiali semiconduttori per produrre effetti fotoelettrici sotto l'irradiazione della radiazione infrarossa per modificare le proprietà elettriche dei materiali. Misurando i cambiamenti nelle proprietà elettriche, è possibile determinare l'intensità della radiazione infrarossa. I rilevatori a infrarossi realizzati dall'effetto fotoelettrico sono collettivamente chiamati rilevatori di fotoni. Le caratteristiche principali sono l'elevata sensibilità, la velocità di risposta rapida e l'alta frequenza di risposta. Ma generalmente deve funzionare a basse temperature e la banda di rilevamento è relativamente stretta.

Secondo il principio di funzionamento del rilevatore di fotoni, può essere generalmente suddiviso in un fotorilevatore esterno e un fotorilevatore interno. I fotorilevatori interni si dividono in rilevatori fotoconduttivi, rilevatori fotovoltaici e rilevatori fotomagnetoelettrici.

# Fotorilevatore esterno (dispositivo PE)

Quando la luce colpisce la superficie di alcuni metalli, ossidi metallici o semiconduttori, se l'energia dei fotoni è sufficientemente grande, la superficie può emettere elettroni. Questo fenomeno viene collettivamente denominato emissione di fotoelettroni, che appartiene all'effetto fotoelettrico esterno. A questo tipo di rilevatori di fotoni appartengono i fototubi e i tubi fotomoltiplicatori. La velocità di risposta è rapida e, allo stesso tempo, il prodotto del tubo fotomoltiplicatore ha un guadagno molto elevato, che può essere utilizzato per la misurazione di singoli fotoni, ma l'intervallo di lunghezze d'onda è relativamente stretto e il più lungo è di soli 1700 nm.

# Rivelatore fotoconduttivo

Quando un semiconduttore assorbe fotoni incidenti, alcuni elettroni e lacune nel semiconduttore passano da uno stato non conduttivo a uno stato libero che può condurre elettricità, aumentando così la conduttività del semiconduttore. Questo fenomeno è chiamato effetto fotoconduttività. I rilevatori a infrarossi realizzati mediante l'effetto fotoconduttivo dei semiconduttori sono chiamati rilevatori fotoconduttivi. Attualmente è il tipo di rilevatore di fotoni più utilizzato.

# Rilevatore fotovoltaico (dispositivo PU)

Quando la radiazione infrarossa viene irradiata sulla giunzione PN di alcune strutture di materiale semiconduttore, sotto l'azione del campo elettrico nella giunzione PN, gli elettroni liberi nell'area P si spostano nell'area N e le lacune nell'area N si spostano nella zona N. Zona P. Se la giunzione PN è aperta, ad entrambe le estremità della giunzione PN viene generato un potenziale elettrico aggiuntivo chiamato forza fotoelettromotrice. I rilevatori realizzati sfruttando l'effetto della forza fotoelettromotrice sono detti rilevatori fotovoltaici o rilevatori a giunzione a infrarossi.

# Rivelatore magnetoelettrico ottico

Un campo magnetico viene applicato lateralmente al campione. Quando la superficie del semiconduttore assorbe fotoni, gli elettroni e le lacune generati si diffondono nel corpo. Durante il processo di diffusione, gli elettroni e le lacune vengono spostati su entrambe le estremità del campione a causa dell'effetto del campo magnetico laterale. C'è una differenza potenziale tra le due estremità. Questo fenomeno è chiamato effetto opto-magnetoelettrico. I rilevatori realizzati con effetto fotomagnetoelettrico sono chiamati rilevatori fotomagnetoelettrici (denominati dispositivi PEM).