第10章-輻射式測(cè)溫

傳感與檢測(cè)技術(shù)非接觸式測(cè)溫§8.1

非接觸式測(cè)溫上一頁(yè)下一頁(yè)返回

高溫測(cè)量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。 任何物體處于絕對(duì)零度以上時(shí)，都會(huì)以一定波長(zhǎng)電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測(cè)溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。 測(cè)量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物體，而不必與物體接觸，因此可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并不會(huì)破壞物體的溫度場(chǎng)。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測(cè)物體的實(shí)際溫度，從理論上講，它沒(méi)有上限，可以測(cè)量高溫。 非接觸測(cè)溫儀表分類(lèi)：光學(xué)高溫計(jì)、輻射式溫度計(jì)常用非接觸式測(cè)溫方法1熱輻射基本定理2光學(xué)高溫計(jì)3光電高溫計(jì)4輻射溫度計(jì)5比色溫度計(jì)上一頁(yè)下一頁(yè)返回一、

熱輻射基本定理

輻射換熱是三種基本的熱交換形式之一

波長(zhǎng)范圍：10-3m～10-8m在低溫時(shí)，物體輻射能量很小，主要發(fā)射的是紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增加，輻射光譜也向短的方向移動(dòng)，在5000C左右時(shí)。輻射光譜包括了部分可見(jiàn)光；到8000C時(shí)可見(jiàn)光大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果到30000C時(shí)，輻射光譜包括更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。輻射測(cè)溫的基本原理：觀察灼熱物體表面的“顏色”來(lái)大致判斷物體的溫度，這就是上一頁(yè)下一頁(yè)返回?zé)彷椛浠径ɡ?1)熱輻射的重要參數(shù)(2)輻射能的分配(3)基爾霍夫定律(4)黑體輻射定律上一頁(yè)下一頁(yè)返回(1)熱輻射的重要參數(shù)①輻射能Q

以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱(chēng)為輻射能，單位為焦耳(J)。②輻射能通量是輻射能隨時(shí)間的變化率，又稱(chēng)輻射率：

(6.4.1)

其單位是瓦特(W)。③輻射強(qiáng)度I

在給定方向上的立體角單元內(nèi)，離開(kāi)點(diǎn)輻射源(或輻射源面單元)的輻射功率除以該立體角單元，稱(chēng)為該方向上的輻射強(qiáng)度，其單位為瓦/球面度(W/sr)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(1)熱輻射的重要參數(shù)④輻射出射度M

離開(kāi)輻射源表面一點(diǎn)處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱(chēng)為該點(diǎn)的輻射出射度，即

(6.4.2)

輻射出射度的單位為瓦/米2(W/m2)。⑤輻射亮度L和光譜輻射亮度表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射強(qiáng)度，除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱(chēng)為該方向的輻射亮度L。輻射亮度實(shí)際上包括所有波長(zhǎng)的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長(zhǎng)的輻射能量則稱(chēng)為在此波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(2)輻射能的分配當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會(huì)發(fā)生部分能量吸收、透射和反射α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。上一頁(yè)下一頁(yè)返回物體分類(lèi)：

黑體（絕對(duì)黑體）： 照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無(wú)反射也無(wú)透射。 透明體： 照射到物體上的輻射能全部透射過(guò)去，既無(wú)吸收又無(wú)反射。 鏡體、白體： 照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱(chēng)之為“鏡體”；若反射無(wú)一定規(guī)律，則該物體稱(chēng)為“絕對(duì)白體”或者簡(jiǎn)稱(chēng)為“白體”。上一頁(yè)下一頁(yè)返回在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的τ值很小或等于零，而氣體的τ值較大。對(duì)于一般工程材料來(lái)講，τ＝0而α+ρ=1，稱(chēng)為灰體

從傳熱學(xué)角度看，可以人為制造黑體上一頁(yè)下一頁(yè)返回(3)基爾霍夫定律各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，是物體的溫度和發(fā)射波長(zhǎng)的函數(shù)式中：M0(λ,T),M1(λ,T),M2(λ,T)―物體的單色(λ)輻射出射度；

α0(λ,T),α2(λ,T),α2(λ,T)―物體的單色(λ)吸收率。上一頁(yè)下一頁(yè)返回若物體A0絕對(duì)黑體，那么α0(λ,T)，根據(jù)基氏定律物體的輻射出射度和吸收率之比等于絕對(duì)黑體在同樣的溫度下，相同波長(zhǎng)時(shí)的輻射出射度。這是基氏定律的另一種說(shuō)法。設(shè)M(λ,T)為物體A在波長(zhǎng)為λ

，溫度為T(mén)下的輻射出射度。式中，ε稱(chēng)為物體A的單色輻射率，或稱(chēng)為單色黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度和波長(zhǎng)下，物體A的輻射出射度與相同溫度和波長(zhǎng)下黑體的輻射出射度之比?；鶢柣舴蚨烧f(shuō)明，物體的輻射能力與它的吸收能力是相同的上一頁(yè)下一頁(yè)返回在全波長(zhǎng)內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長(zhǎng)的輻射出射度在全波長(zhǎng)內(nèi)的積分式中，A(T)－物體A在溫度T下的全吸收率，

M0(T)－黑體在溫度T下的全輻射出射度?；隙傻姆e分形式為它表明了在一定的溫度T下，物體A的輻射出射度與相同溫度下黑體的輻射出射度之比。一般物體的εT<1，εT越接近1,表明它與黑體的輻射能力越接近。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(4)黑體輻射定律①普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)②維恩公式③斯蒂芬－波爾茲曼定律（全輻射強(qiáng)度定律，也稱(chēng)為四次方定律）上一頁(yè)下一頁(yè)返回①普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)溫度為T(mén)的單位面積元的絕對(duì)黑體，在半球面方向所輻射的波長(zhǎng)為λ的輻射出射度為式中，c―光速；

h―普朗克常數(shù)，6.626176×10-34J·s；

k―波爾茲曼常數(shù)，1.38066244×10-23J/K；

C1―第一輻射常數(shù)，＝3.7418×10-16W·m2；

C2―第二輻射常數(shù)，＝1.4388×10-12m·K；

T―絕對(duì)溫度。公式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是它對(duì)于低溫與高溫都是適用的上一頁(yè)下一頁(yè)返回②維恩公式理論上說(shuō)明了黑體在各種溫度下能量、波長(zhǎng)分布的規(guī)律公式簡(jiǎn)單，但是僅適用于不超過(guò)3000K的溫度范圍黑體的輻射本領(lǐng)是波長(zhǎng)和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，即上式就是光學(xué)高溫計(jì)和比色高溫計(jì)測(cè)溫的理論根據(jù)

上一頁(yè)下一頁(yè)返回③斯蒂芬－波爾茲曼定律

（全輻射強(qiáng)度定律，四次方定律）溫度為T(mén)的絕對(duì)黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長(zhǎng)的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。式中，σ―斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，5.66961×10-3W/(m2·K4)。上式就是輻射式溫度計(jì)測(cè)溫的理論根據(jù)。全輻射強(qiáng)度定律是單色輻射強(qiáng)度定律在全波長(zhǎng)內(nèi)積分的結(jié)果。上一頁(yè)下一頁(yè)返回二、光學(xué)高溫計(jì)

精密光學(xué)高溫計(jì)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密測(cè)試；

標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)用于量值的傳遞，例如，在物質(zhì)熔點(diǎn)、熱容量和相變點(diǎn)的測(cè)定中使用。 光學(xué)高溫計(jì)可用來(lái)測(cè)量800～32000C的高溫。 由于采用用肉眼進(jìn)行色度比較，所以測(cè)量誤差與人的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。 光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱(chēng)為亮度溫度(TL)，被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)分類(lèi)隱絲式 利用調(diào)節(jié)電阻來(lái)改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏?，?dāng)燈絲的亮度與被測(cè)物體的亮度一致時(shí)，燈泡的亮度就代表了被測(cè)物體的亮度溫度。恒定亮度式 利用減光楔來(lái)改變被測(cè)物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫?zé)襞菹啾容^，當(dāng)兩者亮度相等時(shí)，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來(lái)確定被測(cè)物體的亮度溫度。由于隱絲式光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。上一頁(yè)下一頁(yè)返回隱絲式光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng) 紅色濾波片，造成一個(gè)較窄的有效波長(zhǎng) 吸收玻璃，目的是擴(kuò)展量程 目鏡和物鏡是一套光學(xué)系統(tǒng)電測(cè)系統(tǒng)包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學(xué)高溫?zé)襞荩簶?biāo)準(zhǔn)輻射源 電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測(cè)量電路原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。上一頁(yè)下一頁(yè)返回WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)1－物鏡；2－吸收玻璃；3－燈泡；4－紅色濾波片；5－目鏡；6－指示儀器；7－滑線電阻；E－電源；K－開(kāi)關(guān)；R1－刻線調(diào)整電阻上一頁(yè)下一頁(yè)返回亮度溫度

為了校正光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低的偏差。定義：當(dāng)被測(cè)物體為非黑體，在同一波長(zhǎng)下的光譜輻射亮度同絕對(duì)黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，則黑體的溫度稱(chēng)為被測(cè)物體在波長(zhǎng)為λ時(shí)的亮度溫度。左邊為非黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度上一頁(yè)下一頁(yè)返回根據(jù)維恩公式有對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)，并加以整理，得式中，ελT―被測(cè)物體在溫度為T(mén)，波長(zhǎng)為時(shí)的單色黑度系數(shù)；

T―被測(cè)物體的真實(shí)溫度；

TL―被測(cè)物體的亮度溫度。已知物體的單色黑度系數(shù)，就可以通過(guò)亮度溫度求出物體的真實(shí)溫度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回三、

光電高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來(lái)完成亮度平衡工作的，其測(cè)量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差。它不能進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和記錄，當(dāng)被測(cè)溫度低于8000C時(shí)，光學(xué)高溫計(jì)對(duì)亮度無(wú)法進(jìn)行平衡。光電高溫計(jì)是在光學(xué)高溫計(jì)測(cè)量理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型測(cè)溫儀表。它采用新型的光電器件，自動(dòng)進(jìn)行平衡，達(dá)到連續(xù)測(cè)量的目的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回主要特點(diǎn)：①采用光敏電阻或者光電池作為感受輻射源的敏感元件來(lái)代替人眼的觀察；②采用一參考輻射源與被測(cè)物體進(jìn)行亮度比較，由光敏元件和電子放大器組成鑒別和調(diào)整環(huán)節(jié)，使參考輻射源在選定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的亮度自動(dòng)跟蹤被測(cè)物體的輻射亮度，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)即可得到測(cè)量值；③在平衡式測(cè)量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小，參考輻射源選用鎢絲燈泡，能保持較高的穩(wěn)定性，因此具有較高的精度和連續(xù)測(cè)量的特性；④設(shè)計(jì)了手動(dòng)值修正環(huán)節(jié)，可顯示物體的真實(shí)溫度；⑤采用新型光敏元件，測(cè)量范圍寬，約為200～16000C。上一頁(yè)下一頁(yè)返回WDL-31型光電高溫計(jì)的工作原理1－物鏡；2－同步信號(hào)發(fā)生器；3－調(diào)制鏡；4－微電機(jī)；5－反光鏡；6－聚光鏡；7－參比燈；8－探測(cè)元件上一頁(yè)下一頁(yè)返回(1)瞄準(zhǔn)光路由物鏡對(duì)0.5m～處被測(cè)物體調(diào)焦成像在分劃板上。通過(guò)目鏡組可清晰地觀察到被測(cè)物體的瞄準(zhǔn)部位1－調(diào)制鏡；2－微電機(jī)；3－反光鏡；4－可變光闌；5－聚光鏡組；6－參比燈；7-目鏡組8、9-保護(hù)窗；10－物鏡；11-入射光瞳；12-衰減玻璃；13－探測(cè)元件；14-濾光片；15-保護(hù)光闌；16-分劃板；17－透鏡玻璃；18-出射光闌；19-保護(hù)玻璃上一頁(yè)下一頁(yè)返回(2)工作原理為了減少硅光電池性能參數(shù)的變化及電源電壓波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，WDL型光電高溫計(jì)采用負(fù)反饋原理進(jìn)行工作。

首先利用硅光電池將被測(cè)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)燈泡的亮度分別轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)放大或送往檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量、比較。當(dāng)兩個(gè)電信號(hào)之差等于零，即說(shuō)明被測(cè)對(duì)象與標(biāo)準(zhǔn)燈泡的光譜輻射亮度LA.和LB相等,則標(biāo)準(zhǔn)燈泡的亮度溫度即為被測(cè)對(duì)象的亮度溫度。四、

輻射溫度計(jì)根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。

組成：輻射感溫器和顯示儀表兩部分 可用于測(cè)量400～20000C的高溫，多為現(xiàn)場(chǎng)安裝式結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。輻射高溫計(jì)測(cè)量的溫度稱(chēng)為輻射溫度，被測(cè)對(duì)象為非黑體時(shí)，要通過(guò)修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu)1－物鏡；2－外殼；3－補(bǔ)償光闌；4－座架；5－熱電堆；6－接線柱；7－穿線套；8－蓋；9－目鏡；10－校正片；11－小齒軸上一頁(yè)下一頁(yè)返回輻射溫度

對(duì)于輻射式溫度計(jì)，它是以絕對(duì)黑體的輻射能為基準(zhǔn)對(duì)儀器進(jìn)行分度的，所以?xún)x器測(cè)出的值稱(chēng)為輻射溫度。 輻射溫度的定義：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能時(shí)，此黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，總輻射能相等，則有：因?yàn)榉呛隗wεT<1，則TF<T因此用輻射溫度計(jì)測(cè)出的溫度要比物體的真實(shí)溫度低。上一頁(yè)下一頁(yè)返回輻射溫度計(jì)由輻射感溫器、顯示儀表及輔助裝置構(gòu)成，其工作原理：被測(cè)物體的熱輻射能量，經(jīng)物鏡聚集在熱電堆（由一組微細(xì)的熱電偶串聯(lián)而成）上并轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)輸出，其值與被測(cè)物體的表面溫度成正比，用顯示儀表進(jìn)行指示記錄。五、

比色溫度計(jì)

原理：通過(guò)測(cè)量熱輻射體在兩個(gè)或兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光譜輻射亮度之比來(lái)測(cè)量溫度。

特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，可觀察小目標(biāo)(最小可到2mm)。 因?yàn)閷?shí)際物體的單色黑度系數(shù)和全輻射黑度系數(shù)的數(shù)值相差很大，但是對(duì)同一物體的不同波長(zhǎng)的單色黑度系數(shù)和來(lái)說(shuō)，其比值的變化卻很小。所以用比色溫度計(jì)測(cè)得的溫度稱(chēng)為比色溫度，它與物體的真實(shí)溫度很接近，一般可以不進(jìn)行校正。上一頁(yè)下一頁(yè)返回比色溫度計(jì)比色溫度計(jì)原理結(jié)構(gòu)上一頁(yè)下一頁(yè)返回§8.2光電檢測(cè)技術(shù)1.光敏電阻(LDR)WhenLDRwasexposedtolight,itgotalowerresistancevalue,thephenomenoniscalledInternalphotoelectriceffect(內(nèi)光電效應(yīng))(當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。)

DemoofLDR當(dāng)光敏電阻(LDR)受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流(Darkcurrent)（越小越好）2.光敏二極管

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對(duì)數(shù)量增加，光電流（lightcurrent）與照度（illuminationintensity)成正比。不同的外部形式的光敏二極管光敏二極管陣列

光敏二極管的反向偏置接法

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱(chēng)為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱(chēng)耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

演示的反向偏壓連接光敏二極管和光電特性

在沒(méi)有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

BackwardbiasconnectionofphotosensitivediodeUO+—

light3.PhotosensitiveTriode(光敏三極管)

光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。)

ExternalformsofPhotosensitiveTriodes

(光敏三極管外形

)InternalstructureofPhotosensitiveTriodes(光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu))

a)

internalstructureb)管芯結(jié)構(gòu)c）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

1—pinofcollectorjunction(集電極引腳)7—N-typecollectorregion(N型集電區(qū))

2—管芯8—SiO2保護(hù)圈

3—shell(外殼)9—collectorjunction(集電結(jié))4—collectingglassmirror(玻璃聚光鏡)10—P-typebaseregion(P型基區(qū))5—pinofemitterjunction(發(fā)射極引腳)11—(N-typeemitterregion)N型發(fā)射區(qū)

6—N+substrate(N+襯底)12—emitterjunction(發(fā)射結(jié))

Photoelectriccharacteristic0Light

photocurrent(光電流)PhotosensitiveTriode(光敏三極管)Photosensitivediode(光敏二極管)3000lx4mA請(qǐng)判斷靈敏度的高低0.3mA請(qǐng)計(jì)算當(dāng)E=100lx時(shí)，光敏二極管的光電流IΦ

IΦE4.Photoelectriccomponent（光電元件)basedonphotovoltaiceffect

（光生伏特效應(yīng)）

——photocell(光電池)

在N型襯底(substrate)上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡(jiǎn)單的光電池。當(dāng)入射光子(incidentphoton)的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)光生電子—空穴對(duì)，光生電子—空穴對(duì)的的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過(guò)漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個(gè)穩(wěn)定的光生電動(dòng)勢(shì)輸出。

ExternalformsofphotocellsPhotosensitivesurface能提供較大電流的大面積光電池外形OtherphotocellsandApplicationinilluminationintensitymeasuring(其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用)柔光罩下面為圓形光電池Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用)Solar-poweredcars(太陽(yáng)能賽車(chē)）Amodelofsolar-poweredmotor太陽(yáng)能電動(dòng)機(jī)模型Solarsiliconphotocellpanels(太陽(yáng)能硅光電池板)Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用)Solarelectricalenergygeneration(太陽(yáng)能發(fā)電）Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用)Applicationinman-madesatellitesPhotoelectriccharacteristicofphotocell

光電池的光電特性

photoelectriccharacteristicsofatypicalsiliconphotocell(硅光電池）

1—curveofopencircuitvoltage2—curveofshortcircuitcurrentOpencircuitvoltage(開(kāi)路電壓)beingalogarithmicperformanceShortcircuitcurrent(短路電流)beinga

linearperformanceII.Applicationcircuitofphotoelectriccomponent

(光電元件的基本應(yīng)用電路

)1.Basicapplicationcircuitofphotosensitiveresistor(光敏電阻的基本應(yīng)用電路)

a）UＯ與光照變化趨勢(shì)相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢(shì)相反的電路

2.Applicationcircuitofphotocell

——shortcircuitcurrentmeasuringcircuitof

photocell(光電池短路電流測(cè)量電路)

outputvoltageUoisproportionaltophotocurrentIΦinI/Uchange-overcircuit.

轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo與光電流IΦ成正比。若光電池用于微光測(cè)量時(shí)，IΦ可能較小，則應(yīng)增加一級(jí)放大電路，并在第二級(jí)使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。

Applicationofphotoelectricsensor

(光電傳感器的應(yīng)用)

1.光源本身是被測(cè)物的應(yīng)用實(shí)例光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計(jì)（Illuminometer)來(lái)測(cè)量。光電池（外加柔光罩）

Infraredradiationthermometer

(紅外線輻射溫度計(jì))

Infraredradiationthermometercanbeusedformeasuringhightemperatureaswellaslowtemperaturebelowthefreezingpoint,itisthedevelopmentaltendencyofradiationthermometer.Infraredradiationthermometersonsalecanmeasurethetemperaturebetweenminus30degreesCelsiusand3000degreesCelsius,manyspecificationsareprovidedandyoucanchoosetherighttypeaccordingtoyourrequest.(紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測(cè)量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測(cè)量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個(gè)不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號(hào)。）Eternalformsofinfraredradiationthermometers

(紅外線輻射溫度計(jì)外形)

laser

(激光）

is

onlyusedforaimingEternalformsofinfraredradiationthermometers

(紅外線輻射溫度計(jì)外形)

usedtomeasurefoodstemperatureInfraredradiationthermometer

--applicationsinnon-contactbodytemperature

measuring(非接觸體溫測(cè)量中的應(yīng)用）耳溫儀

Infraredradiationthermometer

--Applicationinmeasuringforehead

temperature紅外輻射溫度計(jì)

Infraredradiationthermometer--Applicationin

non-contacttemperature

measuring(非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用）集成IC溫度測(cè)量利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測(cè)物（冷藏牛奶和面食）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測(cè)物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）Temperatureacquisitionsystem(溫度采集系統(tǒng))(2)Pyroelectricopticaltransducer

（熱釋電傳感器)

---Applicationinbodydetectionandalarm

systems熱釋電元件在紅外線檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測(cè)，如防盜門(mén)、賓館大廳自動(dòng)門(mén)、自動(dòng)燈的控制等。

熱釋電元件外形Pyroelectricopticaltransducer（熱釋電傳感器）

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。早在1938年，有人提出過(guò)利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器。除了在樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)；電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的電路；開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等……

InteriorcircuitofpyroelectricopticaltransducerSeries-opposingconnection(反向串聯(lián)）

oftwopyroelectricopticalmicro-chips.(兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片)Field-effecttube(場(chǎng)效應(yīng)管)Operationalprincipleofpyroelectricopticaltransducer(熱釋電傳感器工作原理)熱釋電晶片(pyroelectricopticalmicro-chips)表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡(Fresnellens)，每一透鏡單元都只有一個(gè)不大的視場(chǎng)角(angleoffield)，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動(dòng)時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場(chǎng)，晶片上的兩個(gè)反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號(hào)(agroupofACpulsesignals)。當(dāng)然，如果人體靜止不動(dòng)地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見(jiàn)”的。

ExternalformofFresnellens(菲涅爾透鏡)

傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)，其檢測(cè)距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測(cè)距離可增加3倍以上。PyroelectricopticalkitPyroelectricopticalAlarm(熱釋電報(bào)警器)

Fresnellens設(shè)定按鈕高分貝喇叭Pyroelectricopticalalarm(熱釋電報(bào)警器)

（續(xù)）

FresnellensΦ5mm接插件pyroelectricopticalalarm(熱釋電報(bào)警器)（續(xù)）

ceiling-mountedpyroelectricopticalalarm(吸頂式熱釋電報(bào)警器)Applicationofpyroelectricopticaltransducer熱釋電傳感器用于自動(dòng)亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍Pyroelectricopticalsenselight(熱釋電感應(yīng)燈)PyroelectricopticaltransducerAutomaticsenselight(自動(dòng)感應(yīng)燈)

（參考施特朗公司資料）Pyroelectricopticaltransducer---applicationin

intelligentair-conditioner

智能空調(diào)能檢測(cè)出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動(dòng)著。上下范圍左右范圍OperationalprincipleofphotoelectricNephelometer(光電式濁度計(jì))1—constantcurrentsource(恒流源)5—watersampletobemeasured(被測(cè)水樣)

2—semiconductorlaser(半導(dǎo)體激光器)6、9—photocell(光電池）3—半反半透鏡

7、10—I/Uconverter(電流/電壓轉(zhuǎn)換器)

4—reflectingmirror(反射鏡)8—standardwatersample(標(biāo)準(zhǔn)水樣)

參比通道

2.smokedetector/alarm

（參考南京千里通公司無(wú)線煙霧報(bào)警器資料）

無(wú)煙霧時(shí)，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧進(jìn)入檢測(cè)室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號(hào)減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

smoke報(bào)警Internalstructureofwirelesssmokedetector

(無(wú)線煙霧報(bào)警器內(nèi)部結(jié)構(gòu))

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器(buzzer)無(wú)線火災(zāi)煙霧傳感器無(wú)線火災(zāi)煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。它內(nèi)部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時(shí)，工作電流僅為15微安，報(bào)警發(fā)射時(shí)工作電流為20毫安。當(dāng)探測(cè)到初期明火或者煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，傳感器的報(bào)警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報(bào)警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無(wú)線發(fā)射器發(fā)出無(wú)線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。無(wú)線發(fā)射器的報(bào)警距離在空曠地可以達(dá)到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達(dá)到20米。3被測(cè)物體反射光通量(Luminousflux)的應(yīng)用實(shí)例

(1)反射式煙霧報(bào)警器

(reflexsmokedetector)在沒(méi)有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無(wú)法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射（diffusereflection)（圖中只畫(huà)出幾個(gè)微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。

(2)photoelectrictachometer(光電式轉(zhuǎn)速表)

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米外非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。

n=60(f/z)

水泵轉(zhuǎn)速測(cè)量Externalformofphotoelectrictachometer(3)色標(biāo)傳感器

色飽和圖(colorsaturation)色標(biāo)傳感器常用于檢測(cè)特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過(guò)與非色標(biāo)區(qū)相比較來(lái)實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測(cè)，而不是直接測(cè)量顏色。人眼對(duì)各色光的敏感程度產(chǎn)品包裝色彩檢測(cè)、分選（4）光電自動(dòng)門(mén)Photoelectricsensorofautomaticdoor(自動(dòng)門(mén)光電傳感器)放大圖有效檢測(cè)區(qū)域4被測(cè)物遮擋光通量的應(yīng)用實(shí)例

（1）光電式帶材跑偏檢測(cè)器

光電傳感器帶材走偏時(shí)，邊緣經(jīng)常與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。

當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時(shí)，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。

光電開(kāi)關(guān)在流水線(productionline)上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)Coffeecan流水線運(yùn)行方向罐裝高度檢測(cè)儲(chǔ)料倉(cāng)(bunker)落料口遮斷式光電開(kāi)關(guān)（計(jì)數(shù)）定區(qū)域反射式光電開(kāi)關(guān)原理定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)有一個(gè)非常確定的檢測(cè)區(qū)域（detectingarea)，不經(jīng)過(guò)該區(qū)域的被測(cè)物體不會(huì)引起光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。檢測(cè)距離檢測(cè)距離反射型光電開(kāi)關(guān)及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)工作原理反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對(duì)安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來(lái)的偏振光。反射板反射鏡(reflector)被測(cè)物體偏振光(polarizedlight)發(fā)射光(emittedlight)被測(cè)物漫反射型光電開(kāi)關(guān)原理漫反射光線(rayofdiffusereflection)反射光線(Reflectionray)被檢測(cè)物體光發(fā)射器(lightemitter)和光接受器(lightreceiver)發(fā)射光線(rayofincidentlight)

漫反射型光電開(kāi)關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測(cè)物體經(jīng)過(guò)該光電開(kāi)關(guān)時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測(cè)物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。額定距離(nominaldistance)智能化光電開(kāi)關(guān)的自學(xué)習(xí)過(guò)程示意圖閾值開(kāi)關(guān)學(xué)習(xí)指示燈設(shè)定距離安裝距離表面反射率(surfacealbedo)對(duì)于漫反射式光電開(kāi)關(guān)發(fā)出的光線需要被檢測(cè)物表面將足夠的光線反射回接收器，所以檢測(cè)距離和被檢測(cè)物體的表面反射率及粗糙程度將決定接收器接收到光線強(qiáng)度，被檢測(cè)物體的表面還應(yīng)盡量垂直于光電開(kāi)關(guān)的發(fā)射光線。Applicationofphotoelectricswitch(光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用)（續(xù)）透明度測(cè)量、控制質(zhì)量檢測(cè)Applicationofphotoelectricswitch(光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用)（續(xù)）加工控制Applicationofphotoelectricswitch(光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用)（續(xù)）機(jī)械手定位Applicationofphotoelectricswitch(光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用)（續(xù)）商標(biāo)方向檢測(cè)（4）光電斷續(xù)器(photoelectricinterrupter)光電斷續(xù)器可分為遮斷型和反射型兩種。遮斷型光電斷續(xù)器也稱(chēng)為槽式光電開(kāi)關(guān)，通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)。其發(fā)射器和接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，兩者能可靠地對(duì)準(zhǔn)，為安裝和使用提供了方便。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生表示檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。槽式光電開(kāi)關(guān)比較可靠，較適合高速檢測(cè)。反射式光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器是較便宜、簡(jiǎn)單、可靠的光電器件。它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、機(jī)電一體化設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器中。光電斷續(xù)器的發(fā)光二極管可以直接用直流電驅(qū)動(dòng)，亦可用40kHz尖脈沖電流驅(qū)動(dòng)；紅外LED的正向壓降約為1.1~1.3V，驅(qū)動(dòng)電流控制在20mA以?xún)?nèi)。光電斷續(xù)器外形光電斷續(xù)器外形（續(xù)）紅色光柱

齒盤(pán)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，光電斷續(xù)器就輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)脈沖頻率的測(cè)量或脈沖計(jì)數(shù)，即可獲得齒盤(pán)轉(zhuǎn)速和角位移。Applicationofphotoelectricinterruptern

當(dāng)工件經(jīng)過(guò)光電斷續(xù)器時(shí)，接收器即產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。Applicationofphotoelectricinterrupter（續(xù)）光電傳感器的其他用途（續(xù)）斷裂檢測(cè)電梯自動(dòng)運(yùn)行條件判斷一、Halleffectsensor

Inthischapter,wewilllearntheworkingtheoryofHalleffectsensor,thecharacteristicofHalleffectsensoranditsapplications.A4-portHalleffectcomponent§8.3霍爾檢測(cè)技術(shù)Structureandworkingtheory

ofHalleffectcomponent

TheHalleffectconsistsofthegenerationofadifferenceinelectricpotentialacrossacurrent-carryingconductororsemiconductorwhileinamagneticfieldperpendiculartothecurrent.EdwinH.Halldiscoveredthiseffectingoldin1879.

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdabUH=0

IncreasetheappliedmagneticfieldB,theHallvoltageUHincreases.UH=KHIB

i:primarycurrent.

UHDemoofHalleffect當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力(LorentzForce)的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)(Hallelectricpotential)cdabUH磁場(chǎng)不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時(shí)的霍爾電勢(shì)為

UH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢(shì)與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的方向也隨之改變。如果所施加的磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)，則霍爾電勢(shì)為同頻率的交變電勢(shì)。

霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？（1T=10000G）線性區(qū)霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)）

最大激勵(lì)電流IM:由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

II.HalleffectIC(霍爾集成電路)

霍爾集成電路可分為線性型(linear)和開(kāi)關(guān)型(on-off)兩大類(lèi)。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。請(qǐng)畫(huà)出線性范圍開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門(mén)重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開(kāi)關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門(mén)施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.VccCharacteristicofOn-offHallIC(開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性)

磁滯（回差）（hysteresis)越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。

當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？IIIApplicationofHalleffectsensor

(霍爾傳感器的應(yīng)用)