第12講 紅外傳感器課件

紅外傳感器1．紅外輻射：紅光以外的光線，波長0.76～1000μm。

任何溫度高于絕對(duì)零度（-273.16℃）的物體，都會(huì)發(fā)射或吸收紅外線，即紅外輻射。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，散發(fā)和吸收的輻射一樣多。物體紅外輻射的強(qiáng)度和波長分布取決于物體的溫度和輻射率等。第12講2紅外傳感器2．紅外輻射規(guī)律：1）基爾霍夫定律：物體向外發(fā)射輻射能取決于它的吸收本領(lǐng)。ER——物體在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能；α——物體對(duì)輻射能的吸收系數(shù)；E0

——常數(shù)，等價(jià)于黑體在相同溫度下發(fā)射出的輻射能。紅外傳感器第12講2紅外傳感器2）斯蒂芬－玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律：

物體單位面積輻射功率、物體輻射強(qiáng)度W

與其熱力學(xué)溫度T四次方成正比：（1）黑體ε=1，在任何溫度下能全部吸收任何波長的輻射；（2）物體輻射強(qiáng)度隨溫度升高而明顯增強(qiáng)；（3）大氣對(duì)不同波長的紅外輻射有不同的穿透程度。紅外傳感器第12講2紅外傳感器3）普朗克定律：絕對(duì)溫度為T時(shí)，在單位波長內(nèi)其單位面積沿半球方向所輻射的能量稱為光譜輻射通量密度。不同溫度時(shí)黑體光譜輻射通量密度與波長的關(guān)系為：紅外傳感器第12講2紅外傳感器a.隨溫度升高，峰值輻射波長向短波方向移動(dòng)，強(qiáng)度按指數(shù)增長；b.溫度不太高時(shí)，輻射波長位于紅外區(qū)域；c.峰值左側(cè)能量約占25％，右側(cè)約占75％。 4）維恩位移定律：光譜輻射通量密度密度峰值波長與物體自身的絕對(duì)溫度成反比。紅外傳感器第12講2紅外傳感器能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱為紅外傳感器，按其工作原理可以分為光敏型（或稱光子型、量子型）和熱敏型兩類。光敏型直接把紅外光能轉(zhuǎn)換為電能，其工作原理是光電效應(yīng)。需要在低溫下工作、靈敏度很高，響應(yīng)速度快，但響應(yīng)紅外光的波長范圍較窄（圖中曲線2）。紅外傳感器光譜響應(yīng)曲線紅外傳感器熱敏型將吸收的紅外光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使器件自身的溫度發(fā)生變化，包括熱電偶式、電阻式和熱釋電式等。熱敏型紅外傳感器響應(yīng)的紅外光譜范圍寬，（圖中的曲線1），能在常溫下工作，價(jià)格便宜。它的響應(yīng)速度和靈敏度較低。第12講2紅外傳感器以紅外線為測量介質(zhì)的系統(tǒng)稱為紅外傳感系統(tǒng)，按照功能可以分成五類：（1）溫度計(jì)和輻射計(jì)，用于溫度、輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5）混合系統(tǒng)，由以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)組合而成。紅外傳感器第12講2紅外傳感器（3）光學(xué)接收器：接收部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用的是物鏡。（4）輻射調(diào)制器：將來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并且可以濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤和斬波器。（1）待側(cè)目標(biāo)：具有紅外輻射特性。（2）大氣衰減：由于各種氣體分子以及溶膠粒的散射和吸收，使待測目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。典型的紅外傳感系統(tǒng)第12講2紅外傳感器（5）紅外探測器：它是紅外傳感系統(tǒng)的核心，利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射，按照工作原理分為光敏探測器和熱敏探測器兩類。（6）探測器制冷器：由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，探測器可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度。（7）信號(hào)處理系統(tǒng)：將探測的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從中提取出有用的信息。然后將這些信息轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)母袷?，傳送到控制設(shè)備或者顯示器中。（8）顯示設(shè)備：它是紅外傳感系統(tǒng)的終端設(shè)備，常用的有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。典型的紅外傳感系統(tǒng)第12講2紅外傳感器

濾光片采用允許在8～14μm的紅外輻射能通過的材料，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線，透鏡焦點(diǎn)落在紅外光敏面上，被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，并將紅外輻射變換為電信號(hào)。

例1：紅外測溫（0-700℃）紅外傳感器第12講2紅外傳感器例2：紅外測溫（800℃以上的高溫）假定人造黑體吸收了由被測物輻射的全部能量，則有：從而得到：紅外傳感器第12講2紅外傳感器例3：紅外熱成像

紅外熱像儀將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行顯示，利用物體自身的紅外輻射來攝取物體熱輻射圖像。它能通過快速掃描，精確的攝取反映被測物體溫差信息的熱圖像。紅外傳感器第12講2紅外傳感器熱像技術(shù)應(yīng)用：溫度分布檢測、飛行器表面溫度檢測、無損探測、安全生產(chǎn)監(jiān)控、夜間機(jī)場狀況檢測、海岸線檢測、臨床醫(yī)學(xué)、軍事等。紅外傳感器防爆型紅外熱像儀

用于探測地面和井下煤堆自燃溫度。礦用本質(zhì)安全型紅外成像生命探測儀

用于井下人員搜救、探測隱性火區(qū)分布、探測瞎炮位置分布、采煤機(jī)組與液壓支架實(shí)時(shí)工作狀態(tài)、探測井下各種開關(guān)、接頭、變壓器的事故隱患、各種電器及傳動(dòng)設(shè)備的發(fā)熱狀態(tài)等。第12講2紅外傳感器紅外熱像儀應(yīng)用貯存罐液位檢測內(nèi)部屋頂檢查微觀電路檢測塑料擠壓過程溫度檢測第12講2紅外傳感器總線節(jié)點(diǎn)發(fā)熱檢測耐火材料設(shè)備檢測電腦主板發(fā)熱量分布瀝青鋪路溫度分布紅外熱像儀應(yīng)用第12講2紅外傳感器紅外分析儀分類目的原理第12講2紅外傳感器分類

根據(jù)不同的目的與要求，紅外分析儀可設(shè)計(jì)成多種不同的形式，如紅外氣體分析儀、紅外分光光度計(jì)、紅外光譜儀等。第12講2紅外傳感器目的

識(shí)別物質(zhì)分子的類型分析物質(zhì)組成分析和計(jì)算物質(zhì)組成百分比第12講2紅外傳感器原理紅外分析儀是根據(jù)物質(zhì)的吸收特性來進(jìn)行工作的。許多化合物的分子在紅外波段都有吸收帶，而且因物質(zhì)的分子不同，吸收帶所在的波長和吸收的強(qiáng)弱也不相同。根據(jù)吸收帶分布的情況與吸收的強(qiáng)弱，可以識(shí)別物質(zhì)分子的類型，從而得出物質(zhì)的組成及百分比。第12講2紅外傳感器用紅外光（照射化合物時(shí)，分子吸收紅外光的能量，使分子中鍵的振動(dòng)從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷，將這個(gè)過程記錄下來就得到紅外光譜團(tuán)?；衔镏械墓倌軋F(tuán)可以吸收特定波長的紅外光，即使這些官能團(tuán)所處的化學(xué)環(huán)境略有不同。因此，紅外吸收光譜可以用來鑒別化合物中存在的官能團(tuán)。傅立葉紅外光譜（FT-IR)：1565cm-1：醌環(huán)C=N伸縮振動(dòng)峰1488cm-1：苯環(huán)C=C伸縮振動(dòng)峰1291cm-1：PANI鏈中二級(jí)胺的C-N鍵1240cm-1：雙極子結(jié)構(gòu)中的C-N鍵伸縮峰第12講2紅外傳感器醫(yī)用二氧化碳?xì)怏w分析儀醫(yī)用二氧化碳?xì)怏w分析儀，是利用二氧化碳?xì)怏w對(duì)波長為4.3μm的紅外輻射有強(qiáng)烈的吸收特性而進(jìn)行測量分析的，主要用來測量、分析二氧化碳?xì)怏w的濃度。對(duì)比通過一海里長度的大氣透過率曲線,同學(xué)們又發(fā)現(xiàn)了什么呢?第12講2紅外傳感器第12講2紅外傳感器醫(yī)用二氧化碳?xì)怏w分析儀光系統(tǒng)圖第12講2紅外傳感器醫(yī)用二氧化碳?xì)怏w分析儀電子線路圖第12講2紅外傳感器醫(yī)用二氧化碳分析儀組成由紅外光源、調(diào)制系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)氣室、測量氣室、紅外傳感器等部分組成。在標(biāo)準(zhǔn)氣室里充滿了沒有二氧化碳的氣體（或含有定量二氧化碳的氣體）。待測氣體經(jīng)采氣裝置，由進(jìn)氣口進(jìn)入測量氣室。調(diào)節(jié)紅外光源，使之分別通過標(biāo)準(zhǔn)氣室和測量氣室。采用干涉濾光片濾光，只允許波長4.3±0.15μm的紅外輻射通過，此波段正好是二氧化碳的吸收帶。第12講2紅外傳感器醫(yī)用二氧化碳分析儀原理假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)氣室中沒有二氧化碳?xì)怏w，而進(jìn)入測量氣室中的被測氣體也不含二氧化碳?xì)怏w時(shí)，則紅外光源的輻射經(jīng)過兩個(gè)氣室后，射出的兩束紅外輻射完全相等。紅外傳感器相當(dāng)于接收一束恒定不變的紅外輻射，因此可看成只有直流響應(yīng)，接于傳感器后面的交流放大器是沒有輸出的。當(dāng)進(jìn)入測量氣室中的被測氣體里含有二氧化碳時(shí)，射入氣室的紅外輻射中的4.3±0.