传感器原理及其应用红外传感器重点.pptx

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1、与其他探测技术相比，红外探测技术有如下主要优点：(1)环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；(2)被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；(3)靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；(4)红外系统的体积小、质量轻、功耗低。绪 论红外传感器是将红外辐射能量转换为电量的一种传感器。红外辐射（红外线）是一种人眼看不见的光线，波长范围大致在0.76100m。任何温度高于热力学零度（-273.15）的物体都会辐射红外线。第1页/共57页近年来，红外技术在军事领域和民用工程上，都得到了广泛应用。军事领域的应用主要包括：(1)侦查、搜索

2、和预警；(2)探测和跟踪；(3)全天候前视和夜视；(4)武器瞄准；(5)红外制导导弹；(6)红外成像相机；(7)水下探潜、探雷技术。在民用工程领域的应用主要是：(1)在气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查等领域的应用；(2)在地下矿井测温和测气中的应用；(3)红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾顶报中的应用。第2页/共57页10.1 红外辐射的基本知识10.1.1 红外辐射任何物体，只要它的温度高于热力学零度(-273.15)时，就会向外辐射能量，故称为热辐射，又称为红外辐射或俗称红外线。它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。在电磁辐射波

3、谱中，红外线是位于可见光中红色光以外的光线，波长范围大致在0.76100，对应的频率大致在4101431011Hz之间。红外线与可见光一样，也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中的传播速度为光速，即c=3108m/s。在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域：波长在0.763为近红外区；波长在36为中红外区；波长在620为中远红外区；波长在20100为远红外区。第3页/共57页红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。但红外辐射在通过大气层时，在以下3个波段区间：22.6、35、814，大气对红外线

4、几乎不吸收，故称之为“大气窗口”。这3个大气窗口对红外技术应用特别重要，红外仪器都工作在这3个窗口之内。10.1.2 红外辐射的重要参数1)辐射能Q以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。单位为焦耳(J)。2)辐射能通量单位时间内发射、传输或接收的辐射能称为辐射能通量，其单位为瓦特(W)：第4页/共57页3)辐射强度I点辐射源向各个方向发出辐射，在某一方向，在单位立体角内发出的辐射能通量为，则辐射强度I为单位：瓦/球面度(W/Sr)。4)辐射出射度M指辐射源单位发射面积发出的辐射能通量，即单位:瓦/米2(W/m2)。5)辐射亮度L和光谱辐射亮度为了表征具有有限尺寸辐射源辐射能通量的空间发

5、布，采用辐射亮度这样一个辐射量。第5页/共57页如图，单位面积为dS的辐射面，在和表面法线N成角方向，在单位立体角内发出的辐射能通量为，则辐射亮度L为单位：瓦/(球面度米2)W/(Srm2)。辐射亮度实际上是包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量，则称为在此波长下的光谱辐射亮度。对于朗伯特辐射体(也称余弦辐射体)，其在各个方向的辐射亮度都相等，且有。实际辐射物体一般都可以看作朗伯特辐射体。第6页/共57页10.1.3 黑体、白体和透明体1.辐射能的分配当物体接收到辐射能以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射的现象，如图所示,有式中：a为吸收率，表示吸收的能

6、量所占的比率；为透射率，表示透射的能量所占的比率；为反射率，表示反射的能量所占的比率。2.黑体当QA/Q=a=1时，则=0，=0。这说明照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射，具有这种性质的物体称为“绝对黑体”或简称为“黑体”。第7页/共57页在自然界中黑体是不存在的，但可以人为制造近似的黑体，如图所示。3.透明体当QD/Q=1时，说明照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。具有这种性质的物体称为透明体。4.白体当QR/Q=1时，说明照射到物体上的辐射能全部被反射出去。若物体表面平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”

7、或简称为“白体”。第8页/共57页10.1.4 红外辐射的基本定律1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律(简称基氏定律)是物体热辐射的基本定律，它建立了理想黑体和实际物体辐射之间的关系。基尔霍夫定律表明：各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，它和物体的性质无关，是物体的温度T和发射波长的函数。即：式中：M0(,T)，M1(,T)，M2(,T)，分别为物体A0，A1，A2，的单色()辐射出射度；0(,T)，1(,T)，2(,T)，分别为物体A0，A1，A2，的单色()吸收率。若物体A0是绝对黑体，则其单色吸收率0(,T)=1，则任意物体A的辐射出射度M(,T)与黑体的辐射出射度M0(,T)之比为单色黑度

8、系数第9页/共57页在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射出射度在全波长内的积分，即基氏定律的积分形式M(T)为物体A在温度T下的全辐射出射度；M0(T)为黑体在温度T下的全辐射出射度；为物体A的全发射率，或称全辐射黑度系数。它表明了在一定的温度T下，物体A的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比。一般物体的1，越接近1，表明它与黑体的辐射能力越接近。比较教材表10-1所列材料的单色发射率和全发射率，你能得出怎样的结论第10页/共57页2.黑体辐射定律1)普朗克定律(单色辐射强度定律)在基尔霍夫定律式(10-6)中，f(,T)的函数形式是怎样的？普朗克用量子学说建立了数学关系式

9、，并得到了实验验证。普朗克建立的黑体的光谱辐射出射度M0(,T)计算公式为式中：C1为第一辐射常数，C1=3.74104W 4/cm2；C2为第二辐射常数，C2=1.44104K；T为黑体绝对温度(K)。由上式可算出不同波长和温度时黑体的光谱辐射出射度M0(,T)，如图10.4所示。从图中曲线可以得出黑体辐射的几个特性：第11页/共57页(1)总的辐射出射度是随温度的升高而迅速增加的，温度越高则光谱辐射出射度越大。(2)当温度一定时，光谱辐射出射度随波长的不同按一定的规律变化，曲线有一个极大值，其波长定义为，当波长小于时，辐射出射度随波长增加而增加，当波长大于 时，变化规律相反。(3)当温度增

10、加时，光谱辐射出射度的峰值波长会向短波方向移动。物体的辐射亮度增加，发光颜色也改变。普朗克公式虽然结构较复杂，但它对于低温与高温段都是适用的。第12页/共57页2)维恩公式当时，则有，可得到维恩公式维恩公式比普朗克公式简单，但仅适用于不超过3000K的温度范围，辐射波长在0.40.75之间。当温度超过3000K时，与实验结果就有较大偏差。从维恩公式可以看出，黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，这就是单色辐射式测温和比色测温的理论依据。第13页/共57页3)斯蒂芬-玻尔兹曼定律(全辐射强度定律，也称为四次方定律)对黑体光谱辐射出射度M0(,T)式在全

11、波长范围(0，)积分可得：为黑体辐射常数或称斯蒂芬-玻尔兹曼常数，=5.6696110-3W/(m2K4)。斯蒂芬-玻尔兹曼定律指出：温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方成正比。上式就是全辐射式测温的理论依据。第14页/共57页10.2 红外传感器红外传感器是将红外辐射能量的变化转换为电量变化的一种传感器，也常称为红外探测器。它是红外探测系统的核心，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。按探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器两大类。第15页/共57页红外光子传感器的工

12、作原理是基于光电效应。其主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但红外光子传感器一般需在低温下才能工作，故需要配备液氦、液氮制冷设备。此外，光子传感器有确定的响应波长范围，探测波段较窄。红外热传感器的工作是利用辐射热效应。探测器件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从而输出电信号。与光子传感器相比，热传感器的探测率比光子传感器的峰值探测率低，响应速度也慢得多。但热传感器光谱响应宽而且平坦，响应范围可扩展到整个红外区域，并且在常温下就能工作，使用方便，应用仍相当广泛。10.2.1 红外光子传感器红外光子传感器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光电效应，使材料

13、的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，就可以确定红外辐射的强弱。第16页/共57页按照红外光子传感器的工作原理，一般分为外光电效应和内光电效应传感器两种。内光电效应传感器又分为光电导传感器、光生伏特(简称光伏)传感器和光磁电传感器3种。(1)大部分外光电传感器只对可见光有响应。可用于红外辐射的光电阴极很少。S-1(Ag-O-Cs)是一种。它的峰值响应波长是0.8，光谱响应扩展到1.2。目前外光电效应探测器只用于可见光和近红外波长范围。(2)光电导探测器利用半导体作材料，可以分为多晶薄膜形式和单晶形式两种类型。薄膜型的光电导探测器品种较少，常用的只有PbS和PbSe两种。PbS适用于13近

14、红外附近的大气窗口。PbSe适用于35的大气窗口。第17页/共57页(3)光伏探测器按使用要求不同可分为两类，一类是用作能量转换和光电控制，如光电池；另一类是主要作为光电信号变换的光伏器件，如光敏二极管、光敏晶体管、雪崩光敏二极管、光伏HgCdTe和PbSnTe红外探测器。单晶型的光电导探测器可再细分为本征型和掺杂型两类。本征型中InSb是35区间最优良的探测器，HgCdTe和PbSnTe探测器适用于814大气窗口。此外还有适用于极近红外的Si与适用于14的Te等探测器。掺杂型主要为适用于814的GeHg。此外，GeCu和GeCd虽能探测波长更长的红外辐射，但工作时必须冷却到4K，使用不方便。

15、此外Si掺杂的探测器近来亦有较大的进展。光电池工作时不必加偏置电压，材料都采用单晶。常用的单晶材料有Si(响应区间约0.51.5微米)、Ge(峰值响应波长约为1.5微米)、室温工作的TnSb(13.8微米)、77K温度工作的InAs(13.5微米)、77K温度工作的InSb(25.8微米)等。第18页/共57页硅光敏二极管是一种常用光电探测器，其光谱范围在0.41.1，峰值波长为0.9，主要用于可见光和近红外探测。Pb1-xSnxTe红外探测器可以通过改变其组分x和器件工作温度来得到不同的光谱响应，通常的工作温度可以有15K、77K等，其光谱响应范围是814。HgCdTe和PbSnTe除了有单

16、元器件外，还可制作线阵和面阵器件，它是当前红外成像系统中重要的光探测器。PIN硅光敏二极管的频率响应很高，达吉赫(GHz)量级，其峰值响应波长在1.041.06之间。目前制作的光伏HgCdTe红外探测器可分别工作于室温(300K)和液氮(77K)温区，其响应波长可覆盖114。工作于77K的HgCdTe工作波段为814，峰值响应波长为10.6左右。第19页/共57页(4)光磁电传感器的工作原理是光磁电效应，如图所示。半导体的上表面吸收光子后在上表面产生的电子-空穴对要向体内扩散。在扩散过程中，因受到强磁场的作用，电子和空穴各偏向一侧，因而产生电位差。这个现象就叫做光磁电效应。利用这个效应测量红外

17、辐射的探测器称为光磁电探测器。常用的材料有InSb与HgTe等。光磁电传感器的主要优点是不需要致冷设备和外加电源，但灵敏度比光导型和光伏型器件低，且需要外加强磁场。第20页/共57页10.2.2 红外热传感器热探测器吸收红外辐射后温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。1.测辐射热电偶和热电堆测辐射热电偶是利用温差电效应制成的红外探测器。所谓温差电效应是指把两种不同的金属或半导体细丝连接成一个封闭环路，当一个接头吸收红外辐射因而它的温度高于另一个接头时，环内就产生电动势，从电动势的大小可以测定接头处所吸

18、收的红外辐射功率。若干个热电偶串接在一起就成为热电堆。第21页/共57页图示为一种热电堆探测器，共有8支串联的热电偶，8支热电偶的热端焊接在镀有一薄层黑色的铂黑受热片上，热电偶的冷端焊在一个金属箔上，金属箔固定在两片绝缘绝热的云母环中间，云母环固定有引出线，从引出线上可以得到8支热电偶热电动势的和。这种热电堆能量损失小，具有较小的热惯性和较高的灵敏度。温差电偶型探测器的探测率可达，响应时间约3050ms，目前生产的红外分光光度计大多采用温差电偶型探测器作为辐射接收器。第22页/共57页2.测辐射热敏电阻测辐射热敏电阻是利用材料的电阻对温度敏感的特性来探测红外辐射的器件。通常采用负温度系数氧化物

19、半导体作为热敏材料。图示为测辐射热敏电阻的结构示意图。热敏电阻薄片的厚度约10，形状呈方形或长方形，边长从0.1mm到10mm，形状和大小根据实际需要确定。电阻值一般在几百千欧到几兆欧之间，电阻值取决于材料的电阻率和元件的几何尺寸。热敏电阻薄片的两端蒸镀电极并接引线，上表面常涂有黑化层，以便增加对入射辐照的吸收，吸收率可以达到90%左右。第23页/共57页典型的测辐射热敏电阻通常将结构和性能相同的两只热敏电阻组装在同一个管壳内，如图所示。其中，一只用来接收红外辐射能量，称为工作元件，另一只被屏蔽起来不接收红外辐射能，称为补偿元件，它能起温度补偿作用。两只元件尽可能靠得近些，以便保证有相同的环境

20、条件。测量电路常用电桥电路。第24页/共57页测辐射热敏电阻技术性能并不高，其探测率在调制频率小于30Hz的低频区一般为，这比热电堆的探测率约低一个数量级，比热释电探测器低一个数量级以上。热敏电阻的时间常数一般为几毫秒几十毫秒，远不如热释电探测器响应快。但测辐射热敏电阻的稳定性好，又比较牢固，容易与放大器匹配，且是一种对各种波长都有相同响应的无选择性探测器件，在115的常用红外波段内响应度基本上与波长无关，这是光子探测器所达不到的。目前热敏电阻在814波段应用很广，所以它在基础科学研究、工业及空间技术等方面仍有相当数量的应用。例如在测辐射计、热成象仪和工业生产的自动控制等若干装置中都可以使用热

21、敏电阻。第25页/共57页3.热释电探测器热释电红外探测器是一种新型的热探测器，它是利用某些材料的热释电效应探测辐射能量的器件。由于热释电信号正比于器件温升随时间的变化率，而不像通常热探测器那样需要有个热平衡过程，因此，热释电探测器的响应速度比其他热探测器快得多。它不但可以工作于低频，而且能工作于高频，目前最好的热释电探测器的探测率可以高达，已经超过了所有的室温热探测器。因而热释电探侧器不仅具有室温工作、光谱响应宽等热探测器的共同优点，而且也是探测率最高、频率响应最宽的热探测器。随着热释电探测器研究的不断深入和发展，其应用也日趋广泛，不仅应用于光谱仪、红外测温仪、热像仪和红外摄像管等方面，而且

22、在快速激光脉冲监测和红外遥感技术中也得到了实际应用。第26页/共57页1)热释电效应热释电探测器所用材料为热电晶体，如硫酸三甘肽(TGS)、铌酸锶钡(SBN)、钽酸锂、铌酸锂等。热电晶体：在具有非中心对称结构的极性晶体中，即使在外电场和应力均为零的情况下，本身也具有自发极化，自发极化强度Ps是温度的函数,即温度升高时，Ps减小，当温度高于居里温度时，Ps=0。具有这种性质的晶体称为热电晶体。热释电效应：由于自发极化，热电晶体的外表面上应出现面束缚电荷，在垂直于Ps的晶体表面上面束缚电荷密度=Ps。但平时这些面束缚电荷常被晶体内部和外来的自由电荷所中和，因此晶体并不显出外电场。但是由于自由电荷中

23、和面束缚电荷所需要的时间很长，大约从数秒到数小时，而晶体的自发极化的弛豫时间很短，约为10-12s，因此，当热电晶体温度以一定频率发生变化时，由于面束缚电荷来不及被中和，晶体的自发极化强度或面束缚电荷密度必然以同样的频率出现周期性变化，并产生一个交变的电场。这种现象就是热释电效应。第27页/共57页工作原理：若用调制频率为f的红外辐射照射热电晶体，则晶体温度、自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷密度均随频率f发生周期性变化。如果1/f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于Ps的两端面间产生交变开路电压。若在这二个端面涂上电极，并通过负载连成闭合回路，在回路中就会有电流流过，而且在

24、负载的两端产生交变的信号电压。这就是热释电探测器工作的基本原理。2)热释电红外传感器的结构第28页/共57页热释电传感器结构示意热释电传感器内部电路结构第29页/共57页热释电传感器按其内部安装敏感元件数量的多少，分为单元件、双元件、四元件及特殊形式等几种。最常用的为双元件型，如图所示。所谓双元件是指在一个传感器中有两个反相串联的敏感元件，双元件传感器有如下优点：(1)当能量顺序地入射到两个元件上时，其输出要比单元件器件高一倍；(2)由于两个元件逆向串联使用，对同时输入的能量会相互抵消，由此可防止太阳的红外线引起的误动作；(3)可以防止由于环境温度变化引起的检测误差。第30页/共57页3)热释

25、电探测器的特点(1)在室温下即可正常工作，无需致冷。(2)使用温度必须低于热释电元件材料的居里点温度。如硫酸三甘肽(TGS)的居里点温度为49、钽酸锂为660、锆钛酸铅(PZT)为360。(3)对恒定辐照无响应。只有在变化辐照下，产生温度变化过程中，才有热释电电流输出。因此使用时必须用调制斩波器将入射辐照变换为交流信号，或使用脉冲光辐射。热释电传感器实物第31页/共57页10.3 红外传感器的主要性能参数1.响应率当经过调制的红外辐射照射到传感器的敏感面上时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比，称为传感器的响应率，记作R，单位为V/W或。式中：Us为红外传感器的输出电压(V)；P0为入射到

26、红外敏感元件单位面积上的功率(W/cm)；A0为红外传感器敏感元件的面积(cm)。2.时间常数时间常数表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率。输出信号滞后于红外辐射的时间，称为传感器的时间常数。第32页/共57页时间常数：式中：fc为响应率下降到最大值的0.707(3dB)时的调制频率。热传感器的热惯性和RC参数较大，其时间常数大于光子传感器，一般为毫秒级或更长，光子传感器的时间常数很小，一般为微秒级。3.响应波长范围响应波长范围或称光谱响应，表示传感器的电压响应率与入射红外辐射波长之间的关系。由于热传感器的电压响应率与波长无关，它的响应曲线是一条平行于横坐标(波长)的直线。而光子传感器

27、的电压响应率是波长的函数，因此是一条随波长变化的曲线，如图所示，存在峰值波长()，把响应率下降到最大值的一半所对应的波长称为截止波长()，截止波长的区间表示了红外传感器响应波长的范围。第33页/共57页4噪声等效功率由于探测器存在噪声，所以不能无限地测量小的辐射信号，当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器的噪声所淹没时，这时探测器就无法肯定是否有辐射信号投射在探测器上，探测器探测辐射的能力就有了一个限度，通常我们用噪声等效功率NEP来表征探测器的这个特征。当辐射在探测器上产生的信号电压正好等于探测器本身的噪声电压值(即信号噪声比为1)时，所需投射到探测器上的辐射功率称为探测器的噪声等效功

28、率，即式中：P0为入射到红外敏感元件单位面积上的功率(W/cm)；A0为红外传感器敏感元件的面积(cm)；Us为红外传感器的输出电压(V)；UN为红外传感器的综合噪声电压(V)；R为红外传感器的电压响应率(V/W)。第34页/共57页5.探测率探测率是噪声等效功率NEP的倒数，以D表示，单位为W-1，即红外传感器的探测率越高，表明传感器所能探测到的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。6.比探测率比探测率又称归一化探测率，或称探测灵敏度。实质上就是当传感器的敏感元件面积为单位面积，放大器的带宽为1Hz时，单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比，通常用符号D*表示，单位是：第35页/共57页由

29、D*的定义可知，比探测率与传感器的敏感元件面积和放大器的带宽无关。这样在不同的传感器对比时，就比较方便了。在一般情况下，D*越高，传感器的灵敏度越高、性能越好。目前已有许多品种的红外探测器可供设计人员选择应用，探测的光谱覆盖区已扩大到1120。图示为常用红外探测器光谱探测率曲线。由图示曲线可以得出红外光子探测器和红外热探测器各有哪些特点第36页/共57页10.4 红外传感器应用举例10.4.1 红外测温温度的测量方法可分为接触式测温和非接触式测温两类，测温传感器种类繁多红外测温是一种比较先进的测温方法，主要特点是：(1)红外测温是远距离和非接触测温，特别适合于运动物体、带电体、高温及高压物体的

30、温度测量。(2)红外测温反应速度快，它不需要与物体达到热平衡的过程，只要接收到目标的红外辐射即可定温。反应时间一般都在毫秒级甚至微秒级。(3)红外测温灵敏度高，因为物体的辐射能量与温度的四次方成正比。物体温度微小的变化，就会引起辐射能量较大的变化，红外探测器即可迅速地检测出来。第37页/共57页(4)红外测温准确度较高，由于是非接触测量，不会破坏物体原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实。测量准确度可达到0.1，甚至更小。(5)红外测温范围广泛，可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围。红外温度测量方法，几乎可以应用于所有温度测量场合。1.红外测温的基本方法基于辐射体的温度与辐射能之间的不同

31、物理定律的函数形式，红外辐射测温方法有3种：全辐射测温、单色辐射式测温、比色测温。1)全辐射测温(辐射温度)全辐射测温的理论依据是斯蒂芬-玻尔兹曼定律，即总辐射强度与物体温度的四次方成正比。第38页/共57页基于全辐射测温原理的辐射温度计测出的温度称为辐射温度TF。辐射温度的定义为：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能时，此黑体之温度即为非黑体的辐射温度。根据式(10-11)，总辐射能相等条件下可得:式中：T为非黑体的真实温度；TF为非黑体的辐射温度；为非黑体的发射率。因此用辐射温度计测量非黑体温度时，必须知道物体的发射率后才能换算成真实温度T。由于非黑体的发射率1，因此，用辐射温度计测出的温度

32、要比物体真实温度低，发射率越小，误差越大。第39页/共57页2)单色辐射式测温(亮度温度)根据维恩公式，黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时，就仅仅与温度有关，这就是单色辐射式测温的理论依据。测量时接收到的实际是目标物体在某方向上的辐射出射度，即光谱辐射亮度，一般将测量物体看作余弦辐射体，则有：单色辐射式测温仪器是以黑体的光谱辐射亮度来刻度的，如果被测物体为非黑体时就会出现偏差。因为在同一温度下非黑体的光谱辐射亮度比黑体低，因此仪器测量的非黑体的温度比真实温度偏低。为了校正这个偏差，引入了亮度温度TL的概念。亮度温度定义为：当被测物体为非黑体，在同一波长下的光谱辐射亮度同绝对黑体的光

33、谱辐射亮度相等时，则黑体的温度称为被测物体在波长为时的亮度温度。第40页/共57页根据亮度温度的定义，则有：上式左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度，TL为亮度温度，T为真实温度，为被测物体在温度为T、波长为时的发射率。结合维恩公式得：对上式两边取对数并整理得：若已知物体的单色发射率，就可以从亮度温度TL求出物体的真实温度T。第41页/共57页3)比色测温(比色温度)比色测温是通过测量辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度的。对于温度为T的黑体，在波长为和时的光谱辐射亮度之比为R，根据维恩公式，则有：对上式取对数并整理得由于比色测温仪是以黑体在和波长的光谱辐射亮度

34、来刻度的，测量非黑体时会出现偏差，为此定义比色温度TS。第42页/共57页比色温度是指：黑体辐射的两个波长和的光谱辐射亮度之比等于非黑体的相应的光谱辐射亮度之比时，黑体的温度即为这个非黑体的比色温度TS。根据比色温度的定义，可进一步求出物体的真实温度与比色温度的关系如下：式中：、分别为物体在和时的单色发射率；T是物体的真实温度；TS是物体的比色温度。由于同一物体的不同波长的单色发射率变化很小，如果所选和很接近，则发射率的影响就非常小，所以用比色测温法测得的比色温度TS与物体的真实温度T很接近，一般可以不进行校正。第43页/共57页2.红外辐射测温仪红外辐射测温仪的基本组成包括光学系统、红外探测

35、器、信号调理电路、显示输出等部分。以WDL-31型光电高温计为例说明辐射测温仪的结构及工作原理。第44页/共57页选择红外测温仪时应主要考虑下列因素：(1)温度范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标，所选型号仪器的温度范围应与具体应用的温度范围相匹配。(2)目标尺寸：对于单色测温仪，测温时，被测目标应大于测温仪的视场，否则测量有误差。建议被测目标尺寸超过测温仪视场的50%为好。对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很小，没有充满视场，以及测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，均不会对测量结果产生影响。(3)光学分辨率(L/D)：即测温

36、仪探头到目标距离与目标直径之比。如果测温仪远离目标，而目标又小，应选择高分辨率的测温仪。第45页/共57页红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准第46页/共57页红外线辐射温度计用于食品温度测量集成IC温度测量第47页/共57页利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）温度采集系统第48页/共57页10.4.2 热释电红外探测器警戒系统热释电人体红外线传感器是20世纪80年代末期出现的一种新型传感器件，并迅速在防盗报警、自动控制、接近开关、遥控等领域广泛应用。人体的温度一般在37C左右，会发出10左右波长的红外线。在红外探测器的警戒区内，当有人体移动时，热释电人体红外线传感器感应到人体温度

37、与背景温度的差异信号，产生输出。热释电人体红外线传感器的结构和滤光窗的波长通带范围(814)决定了它可以抵抗可见光和大部分红外线、环境及自身温度变化的干扰，只对移动的人体敏感。显然，当人体静止或移动很缓慢时，传感器也不敏感。第49页/共57页红外警戒系统工作原理框图传感器前面通常要加菲涅尔透镜。如不使用菲涅尔透镜，热释电传感器的探测半径不足2m，配上菲涅尔透镜后传感器的探测半径可达到10m。第50页/共57页菲涅尔透镜外形第51页/共57页热释电套件热释电报警器菲涅尔透镜设定按钮高分贝喇叭第52页/共57页热释电报警器吸顶式热释电报警器菲涅尔透镜 5mm接插件第53页/共57页热释电传感器应用

38、热释电传感器用于自动亮灯，也可以用于防盗热释电传感器的感应范围第54页/共57页 10.4.3 红外气体浓度检测系统1.红外吸收型气体浓度测量原理气体浓度红外检测的基本原理是依据每种气体分子都具有特定的红外吸收波长，以及朗伯特-比尔(Lambert-Beer)吸收定律。如果气体的吸收波段在红外辐射光谱范围内，那么当红外线通过气体时，在其特征吸收频率处就会发生能量强度衰减，衰减程度与气体浓度符合朗伯特-比尔(Lambert-Beer)吸收定律，即式中：I为气体吸收后的透射光强；I0为通过待测气体前的光强；为吸收系数；C为待测气体浓度；L为光线在待测气体中穿过的有效路径长度。对特定的气体，吸收系数为常数，可见，当入射光强I0和路径L不变时，待测气体浓度是透射光强I的单值函数。CI的关系经实验标定后，测出透射光强I即可知被测气体浓度。第55页/共57页2.吸收型气体浓度测量系统工作时调节干涉滤光镜使其通过波段与被测气体吸收峰的光波波长相吻合，探测器检测出其信号强度为I1k1I0eCL。然后，再调节干涉滤光镜使其通过的光波波段处于不被待测气体吸收的范围，传感器探测出光线在系统内的强度，即参考信号强度为I2k2I0，两个信号的比值显示了气体对光线的吸收，同时也显示了气体的浓度。第56页/共57页谢谢您的观看！第57页/共57页