紅外式傳感器

1、4.13 紅外式傳感器4.13.1 紅外檢測的基本定律4.13.2 紅外探測器的類型4.13.3 紅外探測器的應(yīng)用及實例1紅外式傳感器任何物體的溫度不是熱力學(xué)零度時，均不斷向外輻射紅外線。紅外線的波長為0.5103m。通過檢測紅外線特性的變化，并轉(zhuǎn)換成各種便于測量的物理量，可以測量各種非電量。目前，紅外敏感元件大致可分為兩類：紅外熱探測器和紅外光電探測器。前者對整個紅外波段均有響應(yīng)，后者僅對長波段有響應(yīng)。24.13.1 紅外檢測的基本定律 1.基爾霍夫定律 物體向周圍輻射能量的同時也吸收周圍物體輻射的能量。處于同一溫度下各種物體的輻射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)，稱為基爾霍夫定律，即： 式中， 為物

2、體在單位時間內(nèi)單位面積輻射的能量，即輻射本領(lǐng)； 為吸收系數(shù)； 為同一溫度下，黑體輻射本領(lǐng)。 由物理學(xué)可知，絕對黑體的輻射本領(lǐng) （同時也是吸收本領(lǐng)），其余物體稱為灰體，其輻射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)均小于1。不同物體的輻射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)不同。3 2.斯忒藩玻爾茲曼定律 物體溫度愈高，其輻射的能量愈多。設(shè) 為某物體在熱力學(xué)溫度 時單位面積和單位時間內(nèi)輻射的總能量，由物理學(xué)可知 式中， 為斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)， ； 為比輻射率。 上式稱為斯忒藩玻爾茲曼定律。由此可見，物體的紅外輻射能量與T4和 成正比。 比輻射率 是指物體的輻射本領(lǐng)與絕對黑體的輻射本領(lǐng)之比值。絕對黑體 ，灰體 。4 3.維恩位移定律 物體熱輻射

3、的能量包括各種波長的電磁波。由物理學(xué)可知，物體的峰值輻射波長 （單位為m）與物體自身的熱力學(xué)溫度成反比，即： （4-148） 此式稱為維恩位移定律。由式（4-148）可見，隨著溫度的升高，峰值輻射波長向短波方向移動，即溫度愈高 愈小，反之亦然。54.13.2 紅外探測器的類型紅外光電探測器 1.紅外光導(dǎo)探測器 根據(jù)光導(dǎo)效應(yīng)制成的紅外光敏電阻作為檢測元件，其響應(yīng)的波長為 從0.8m至幾百微米的紅外光，其工作原理與前述的光電阻相同。它將紅外光能量的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化。紅外光導(dǎo)探測器的原理見圖4-137。 2.紅外光生伏特探測器 根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的紅外光電池作為檢測元件，其組成原理見圖4-13

4、7。僅用紅外光電池替代圖4-137中的光敏電阻。由于紅外光電池是發(fā)電式檢測元件，其輸出為光電流，不需測量電路，僅以前置放大器的輸入電阻作為其負(fù)載電阻即可。圖4-137 紅外光導(dǎo)探測器原理6紅外熱探測器 紅外熱探測器首先將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，使其本身的溫度變化，然后將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號。其典型產(chǎn)品是紅外熱敏電阻，其結(jié)構(gòu)及測量電路見圖4-138。圖4-138 紅外熱敏電阻的結(jié)構(gòu)及測量電路a）結(jié)構(gòu) b）測量電路 1粘合劑 2發(fā)黑材料 3吸光材料 4電極引線 5熱敏薄片 6襯底 7導(dǎo)熱基體74.13.3 紅外探測器的應(yīng)用及實例紅外探測器可用于熱工量、機械量、成分量以及開關(guān)量的檢測，其應(yīng)用日益廣泛。HW-4紅外測溫儀是一種便攜式對遠距離小目標(biāo)進行快速非接觸式表面溫度測量的儀器，量程我0400，精度1.0%，分辨率為1。它由光學(xué)系統(tǒng)及電子線路組成，見圖4-139。光學(xué)系統(tǒng)由次鏡、主鏡、濾光片。分劃板和目鏡組成。通過目鏡可觀察被測目標(biāo)是否成像于熱敏電阻3上，否則，可調(diào)節(jié)次鏡使被測目標(biāo)恰好成像于熱敏電阻3上，以提高系統(tǒng)的靈敏度。圖4-139b為電子線路框圖。圖4-139 H2W-4紅外測溫儀原理a）光學(xué)系統(tǒng) b）電子線