四紅外成像器件

光電成像技術(shù)

2010/2011第二學期王燁wangye35@參考教材：《光電成像原理》

作

者

編著:鄒異松劉玉鳳白廷柱出版社

北京理工大學出版社書

號

81045-231-2第四章紅外成像器件紅外輻射技術(shù)作為一門新興技術(shù)科學，在科學研究、軍事工程和醫(yī)學方面起著極其重要的作用。應用領(lǐng)域十分廣闊，例如紅外制導火箭、紅外成像、紅外遙感等。紅外輻射就是紅外光，其波長從1～1000μm。紅外光是太陽光譜的一部分，其波長范圍及在電磁波譜中的位置如圖所示。

紅外光的最大特點就是具有光熱效應，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應區(qū)。紅外光一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。不同的氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對于波長為1～5μm、8～14μm區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應對不同的物體是各不相同的，熱能強度也不一樣。例如，黑體(能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體)、鏡體(能全部反射紅外輻射的物體)、透明體(能全部穿透紅外輻射的物體)和灰體(能部分反射或吸收紅外輻射的物體)將產(chǎn)生不同的光熱效應。嚴格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。

上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學研究項目的重要理論依據(jù)。

紅外探測器

對紅外波段的入射電磁輻射產(chǎn)生電輸出的探測器件。（單元器件，成像器件）類型：光子探測器（光電效應）熱（輻射）探測器（熱電效應）光子探測器與熱探測器的比較光子探測器內(nèi)光子效應外光子效應光電導效應（光敏電阻）光生伏特效應（光電池，光敏二極管，光敏三極管）光陰級發(fā)射光電子（光電管）光電子倍增（光電倍增管，像增強器）光電效應特點：具有頻率選擇性，響應速度快光電導效應：由光照引起半導體電導率增加的現(xiàn)象（體效應）。光生伏特效應：光照零偏PN結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應。（結(jié)效應）光電發(fā)射效應：在光照下，物體向表面以外空間發(fā)射電子的現(xiàn)象。熱探測器光熱效應：探測元件吸收光輻射能量后，并不能直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升，進而使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生改變。特點：原則上對光波頻率沒有選擇性，響應速度一般較慢1

溫差電效應結(jié)論：當兩個結(jié)點溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生電動勢。熱電極A右端稱為：自由端（參考端、冷端）左端稱為：測量端（工作端、熱端）熱電極B熱電勢AB將兩種不同的導體（或半導體）A、B組合成閉合回路。若兩結(jié)點處溫度不同，則回路中將有電流流動，這種電流稱為溫差電流，產(chǎn)生這種電流的電動勢稱為溫差電動勢。此電動勢的大小除了與材料本身的性質(zhì)有關(guān)以外,還決定于結(jié)點處的溫差，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應或塞貝克效應。應用：溫差發(fā)電器，熱電偶，熱電堆光傳感器2.熱釋電效應概念：晶體在沒有外加電場和應力的情況下，具有自發(fā)的或永久的電極化強度，且這種電極化強度（面電荷密度）隨晶體本身溫度的變化而變化。特點：工作波段為8－14um，且是一種交流式瞬時響應器件應用：熱成像技術(shù)，紅外遙感技術(shù)，快速激光脈沖監(jiān)測等

熱電晶體在自發(fā)極化強度Ps的作用下，垂直于Ps的兩個晶面上會分別出現(xiàn)等量、異號的面束縛電荷。當熱電晶體因吸收光輻射而使其溫度由T1上升到T2時，自發(fā)極化強度Ps減小，導致晶面上的束縛電荷減少，這相當于晶體表面“釋放”了電荷，因此稱為熱釋電效應熱電系數(shù)：其中，表示應力與電場保持不變熱釋電器件完成熱電轉(zhuǎn)換的條件

面電荷密度常被內(nèi)部或外來的自由電荷所中和，因此不能維持較長時間，其時間常數(shù)為：只要在該時間內(nèi)使熱釋電晶體的溫度發(fā)生變化，晶體的自發(fā)電極化強度將隨溫度的變化而變化，從而相應的束縛電荷也隨之變化。鐵電體：具有熱釋電效應的晶體（硫酸三甘肽TGS，鉭酸鋰LiTaO3-LT，鈮酸鍶鋇SBN）居里溫度：使電極化強度降低到零時的溫度。單疇化：通過外電場的瞬間作用使鐵電體產(chǎn)生較強自發(fā)極化強度的過程。單疇化的熱釋電晶體，在垂直極化方向的表面上將由表面層的電偶極子構(gòu)成相應的靜電束縛電荷，且：

其中：：面電荷密度；S，d：晶體的表面積和厚度熱釋電晶體的表面束縛面電荷密度等于它的自發(fā)電極化強度。紅外變像管紅外攝像管——熱釋電攝像管1-鍺透鏡；2-鍺窗口；3-柵網(wǎng)；4-聚焦線圈；5-偏轉(zhuǎn)線圈；6-電子束；7-陰極；8-柵極；9-第一陽極；10-第二陽極；11-熱釋電靶；12-導電膜；13-斬光器基于熱釋電效應，物體的紅外輻射經(jīng)光學系統(tǒng)成像在用熱釋電材料薄片制作的靶面上，靶面吸收紅外輻射，溫度升高釋放出電荷。即：

物體表面紅外輻射分布靶面的輻照度靶面的溫度分布靶面的熱釋電荷分布掃描視頻信號熱像圖。

特點：工作波段長；不用制冷；結(jié)構(gòu)簡單可靠；價格低廉；靜止物體成像時，必須對物體的輻射進行調(diào)制；對于運動物體成像毋須調(diào)制，適合于動態(tài)物體紅外成像，應用廣泛。熱釋電攝像管工作原理：兩大特殊問題：熱釋電靶是利用熱釋電效應來工作的，而熱釋電效應僅對隨時間變化的熱輻射有響應，所以，熱釋電靶工作時需要交變的入射輻射，即要對入射輻射進行調(diào)制。由于熱釋電靶是近乎完美的絕緣體，容易積累電荷而使電子束不能連續(xù)工作，為此要設(shè)法消除靶面上的負電荷積累。熱釋電靶電荷圖像的形成與讀出1.圖像入射方式

平移式，攝全景式，斬光式2.熱釋電靶的單疇化3.靶面電荷圖像的形成4熱釋電靶電荷圖像的讀出熱釋電靶面的信號電荷是由掃描電子束的負電荷著靶后才形成視頻信號的，所以，靶面的信號電荷必須是正電荷?；纂姾桑簽榉乐篃後岆姅z像管中靶面上產(chǎn)生的負電荷沉積，所提供給靶面的正電荷。熱釋電靶可以將所接收的熱輻射圖像轉(zhuǎn)換為靶面的電位圖像，即完成了攝像的寫入過程。靶面電荷圖像的形成特點：電子束掃描面上產(chǎn)生的電荷可正可負。問題：掃描電子束中只有帶負電荷的電子，對靶面上的負電荷圖像不能進行中和，無法讀出電荷圖像。解決方法：1.電荷圖像形成前，使靶面穩(wěn)定在高電位上，在積累電荷時不至于形成負的靶面電位。2.對靶面提供基底正電荷，中和靶面積累的負電荷。熱釋電靶電荷圖像的讀出兩種讀出靶面電荷圖像的方法1.陽極電位穩(wěn)定法APS2.陰極電位穩(wěn)定法CPS第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理第二節(jié)活塞式空壓機的結(jié)構(gòu)和自動控制第三節(jié)活塞式空壓機的管理復習思考題單擊此處輸入你的副標題，文字是您思想的提煉，為了最終演示發(fā)布的良好效果，請盡量言簡意賅的闡述觀點。第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor壓縮空氣在船舶上的應用：

1.主機的啟動、換向；

2.輔機的啟動；

3.為氣動裝置提供氣源；

4.為氣動工具提供氣源；

5.吹洗零部件和濾器。

排氣量:單位時間內(nèi)所排送的相當?shù)谝患壩鼩鉅顟B(tài)的空氣體積。單位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor空壓機分類：按排氣壓力分：低壓0.2～1.0MPa；中壓1～10MPa；高壓10～100MPa。按排氣量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空氣壓縮機

piston-aircompressor第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理容積式壓縮機按結(jié)構(gòu)分為兩大類：往復式與旋轉(zhuǎn)式兩級活塞式壓縮機單級活塞壓縮機活塞式壓縮機膜片式壓縮機旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機最長的使用壽命-

----低轉(zhuǎn)速（1460RPM），動件少（軸承與滑片），潤滑油在機件間形成保護膜，防止磨損及泄漏，使空壓機能夠安靜有效運作；平時有按規(guī)定做例行保養(yǎng)的JAGUAR滑片式空壓機，至今使用十萬小時以上，依然完好如初，按十萬小時相當于每日以十小時運作計算，可長達33年之久。因此，將滑片式空壓機比喻為一部終身機器實不為過?；?葉)片式空壓機可以365天連續(xù)運轉(zhuǎn)并保證60000小時以上安全運轉(zhuǎn)的空氣壓縮機1.進氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.轉(zhuǎn)子及機殼間成為壓縮空間，當轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動時，空氣由機體進氣端進入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時停止進氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，氣密范圍變小，空氣被壓縮。4.被壓縮的空氣壓力升高達到額定的壓力后由排氣端排出進入油氣分離器內(nèi)。4.被壓縮的空氣壓力升高達到額定的壓力后由排氣端排出進入油氣分離器內(nèi)。1.進氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.凸凹轉(zhuǎn)子及機殼間成為壓縮空間，當轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動時，空氣由機體進氣端進入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時停止進氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，氣密范圍變小，空氣被壓縮。螺桿式氣體壓縮機是世界上最先進、緊湊型、堅實、運行平穩(wěn)，噪音低，是值得信賴的氣體壓縮機。螺桿式壓縮機氣路系統(tǒng)：

A

進氣過濾器

B

空氣進氣閥

C

壓縮機主機

D

單向閥

E

空氣/油分離器

F

最小壓力閥

G

后冷卻器

H

帶自動疏水器的水分離器油路系統(tǒng)：

J

油箱

K

恒溫旁通閥

L

油冷卻器

M

油過濾器

N

回油閥

O

斷油閥冷凍系統(tǒng)：

P

冷凍壓縮機

Q

冷凝器

R

熱交換器

S

旁通系統(tǒng)

T

空氣出口過濾器螺桿式壓縮機渦旋式壓縮機

渦旋式壓縮機是20世紀90年代末期開發(fā)并問世的高科技壓縮機，由于結(jié)構(gòu)簡單、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪聲、長壽命等諸方面大大優(yōu)于其它型式的壓縮機，已經(jīng)得到壓縮機行業(yè)的關(guān)注和公認。被譽為“環(huán)保型壓縮機”。由于渦旋式壓縮機的獨特設(shè)計，使其成為當今世界最節(jié)能壓縮機。渦旋式壓縮機主要運動件渦卷付，只有磨合沒有磨損，因而壽命更長，被譽為免維修壓縮機。

由于渦旋式壓縮機運行平穩(wěn)、振動小、工作環(huán)境安靜，又被譽為“超靜壓縮機”。

渦旋式壓縮機零部件少，只有四個運動部件,壓縮機工作腔由相運動渦卷付形成多個相互封閉的鐮形工作腔，當動渦卷作平動運動時，使鐮形工作腔由大變小而達到壓縮和排出壓縮空氣的目的?；钊娇諝鈮嚎s機的外形第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）工作循環(huán)：4—1—2—34—1吸氣過程

1—2壓縮過程

2—3排氣過程第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）

壓縮分類：絕熱壓縮：1—2耗功最大等溫壓縮：1—2''耗功最小多變壓縮：1—2'耗功居中功＝P×V（PV圖上的面積）加強對氣缸的冷卻，省功、對氣缸潤滑有益。二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）1.不存在假設(shè)條件2.與理論循環(huán)不同的原因：1）余隙容積Vc的影響Vc不利的影響—殘存的氣體在活塞回行時，發(fā)生膨脹，使實際吸氣行程（容積）減小。Vc有利的好處—

（1）形成氣墊，利于活塞回行；（2）避免“液擊”（空氣結(jié)露）；（3）避免活塞、連桿熱膨脹，松動發(fā)生相撞。第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理表征Vc的參數(shù)—相對容積C、容積系數(shù)λv合適的C：低壓0.07-0.12

中壓0.09-0.14

高壓0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容積Vc的影響C越大或壓力比越高，則λv越小。保證Vc正常的措施：余隙高度見表6-1壓鉛法—保證要求的氣缸墊厚度2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理2）進排氣閥及流道阻力的影響吸氣過程壓力損失使排氣量減少程度，用壓力系數(shù)λp表示：保證措施：合適的氣閥升程及彈簧彈力、管路圓滑暢通、濾器干凈。λp

（0.90-0.98）2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理3）吸氣預熱的影響由于壓縮過程中機件吸熱，所以在吸氣過程中，機件放熱使吸入的氣體溫度升高，使吸氣的比容減小，造成吸氣量下降。預熱損失用溫度系數(shù)λt來衡量（0.90-0.95）。保證措施：加強對氣缸、氣缸蓋的冷卻，防止水垢和油污的形成。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理4）漏泄的影響內(nèi)漏：排氣閥（回漏）；外漏：吸氣閥、活塞環(huán)、氣缸墊。漏泄損失用氣密系數(shù)λl來衡量（0.90-0.98）。保證措施：氣閥的嚴密閉合，氣缸與活塞、氣缸與缸蓋等部件的嚴密配合。5）氣體流動慣性的影響當吸氣管中的氣流慣性方向與活塞吸氣行程相反時，造成氣缸壓力較低，氣體比容增大，吸氣量下降。保證措施：合理的設(shè)計進氣管長度，不得隨意增減進氣管的長度，保證濾器的清潔。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理上述五條原因使實際與理論循環(huán)不同。4）漏泄的影響5）氣體流動慣性的影響1）余隙容積Vc的影響2）進排氣閥及流道阻力的影響3）吸氣預熱的影響2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理3.排氣量和輸氣系數(shù)理論排氣量Vt----單位時間內(nèi)活塞所掃過的氣缸容積。實際排氣量Q：Q=Vt

λ輸氣系數(shù)λ

：λ＝λtλv

λ

pλl漏泄的影響余隙容積Vc的影響進排氣閥及流道阻力的影響吸氣預熱的影響二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機的工作原理指示功率pi

：按示功圖計算的功率理論功率Ps、PT：按理論循環(huán)計算的功率

Ps(PT