第16章红外传感器.ppt

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1、第第1616章章 红外传感器红外传感器第十六章第十六章 红外传感器红外传感器 16.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 16.2 16.2 红外传感器红外传感器 16.3 16.3 红外测温红外测温 16.4 16.4 红外成像红外成像 16.5 16.5 红外分析仪红外分析仪 16.6 16.6 红外无损检测红外无损检测 第第1616章章 红外传感器红外传感器16.1 16.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 1、什么是红外辐射？、什么是红外辐射？红外辐射俗称红外线，红外线是位于可见光中红红外辐射俗称红外线，红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为红外线。它的波长范围大致在光以

2、外的光线，故称为红外线。它的波长范围大致在0.750.75 1000m1000m的频谱范围之内。相对应的频率大致在的频谱范围之内。相对应的频率大致在 HzHz之间。之间。14104111032、产生红外光辐射的条件、产生红外光辐射的条件 自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。都能产生红外光辐射。一、关于红外辐射一、关于红外辐射第第1616章章 红外传感器红外传感器红外光在电磁波谱中的位置红外光近红外中红外远红外光极远红外光第第1616章章 红外传感器红外传感器3、红外光的特点、红外光的特点 红外辐射的物理本质是热辐射：红外辐

3、射的物理本质是热辐射：物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。将红外辐射称为热辐射或热射线。第第1616章章 红外传感器红外传感器 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空 间直线传播的。间直线传播的。fc

4、红外辐射的波长（红外辐射的波长（m）红外辐射的频率（红外辐射的频率（Hz）f光在真空中的传播速度，光在真空中的传播速度，cm/s。c101030c第第1616章章 红外传感器红外传感器 红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作 用，使辐射在传输过程中逐渐衰减。用，使辐射在传输过程中逐渐衰减。红外光通过一海里长度的大气透过率曲线 第第1616章章 红外传感器红外传感器 红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即22.

5、6m，35m和和818m，统称为，统称为“大气窗大气窗口口”。第第1616章章 红外传感器红外传感器二、红二、红外辐射术语外辐射术语 辐射能：辐射源以电磁波形式所辐射的能量，辐射能：辐射源以电磁波形式所辐射的能量，符号符号W W,单位是焦耳（单位是焦耳（J J）辐射功率：辐射功率：辐射能传输的速率辐射能传输的速率，符号符号P,单位是单位是瓦（瓦（W）辐射强度辐射强度：点源在单位立体角内的辐射功率点源在单位立体角内的辐射功率，符号符号J J,单位是单位是瓦瓦/球面度（球面度（W/sr）tW/P辐射出射度辐射出射度：辐射源单位面积所发出的辐射功率，辐射源单位面积所发出的辐射功率，符号符号M M,单

6、位是单位是瓦瓦/厘米厘米2（W/cm2）AP /第第1616章章 红外传感器红外传感器面辐射强度面辐射强度：面源在单位投影面积、单位立体角内的面源在单位投影面积、单位立体角内的 辐射功率辐射功率，符号符号N,单位是单位是瓦瓦/球面度球面度厘米（厘米（W/srcm2）)/(cos2AP辐照度辐照度：入射到接受体表面单位面积上的辐射功率，入射到接受体表面单位面积上的辐射功率，符号符号H,单位是单位是瓦瓦/厘米厘米2（W/cm2）AP /光谱辐射功率：在光谱辐射功率：在 附近单位波长间隔内的辐射功率，附近单位波长间隔内的辐射功率，/P，符号，符号 ，单位是瓦，单位是瓦/微米微米（W/m）P光谱辐射强

7、度：在光谱辐射强度：在 附近单位波长间隔内的辐射出射度，附近单位波长间隔内的辐射出射度，符号，符号 ，单位是瓦，单位是瓦/球面度球面度微微 米（米（W/srm）/JJ第第1616章章 红外传感器红外传感器光谱辐射出射度：在光谱辐射出射度：在 附近单位波长间隔内的辐射出射度，附近单位波长间隔内的辐射出射度，符号，符号 ，单位是瓦，单位是瓦/厘米厘米2微米微米 （W/cm2m）/MM光谱辐照度光谱辐照度：在：在 附近单位波长间隔内的辐射出射度，附近单位波长间隔内的辐射出射度，符号，符号 ，单位是瓦，单位是瓦/厘米厘米微米微米 （W/cmm）/HH比辐射率比辐射率：同一温度下，物体的辐射出射度与黑体

8、的辐射：同一温度下，物体的辐射出射度与黑体的辐射 出射度之比出射度之比，符号，符号第第1616章章 红外传感器红外传感器辐射吸收度辐射吸收度 ：物体吸收的辐射功率与入射的辐射功率之：物体吸收的辐射功率与入射的辐射功率之 比比，符号，符号辐射反射率辐射反射率：物体反射的辐射功率与入射的辐射功率之：物体反射的辐射功率与入射的辐射功率之 比比，符号，符号辐射透过率辐射透过率：物体透过的辐射功率与入射的辐射功率之：物体透过的辐射功率与入射的辐射功率之 比比，符号，符号单色比辐射率单色比辐射率：在波长：在波长 处物体的辐射出射度与黑体的辐处物体的辐射出射度与黑体的辐 射出射度之比射出射度之比，符号，符号

9、第第1616章章 红外传感器红外传感器三、三、红外辐射源红外辐射源 根据辐射源几何尺寸的大小，距探测器的远近，根据辐射源几何尺寸的大小，距探测器的远近，分为点源和面源。分为点源和面源。1 1、点源、点源将没有充满红外光学系统瞬时视场的大面源叫做点源。将没有充满红外光学系统瞬时视场的大面源叫做点源。理想的点源被认为是没有面积的几何点 辐射强度辐射强度 是点源在某一指是点源在某一指定方向，单位立体角内发射的辐定方向，单位立体角内发射的辐射功率，即射功率，即 JPJ第第1616章章 红外传感器红外传感器 设点源的辐射强度为设点源的辐射强度为 ，它与被照面上，它与被照面上 处的圆面积处的圆面积 的距离

10、为的距离为 ，圆面积，圆面积 的法线的法线 与与 的夹角为的夹角为 ，则，则 接收到的辐射功率为接收到的辐射功率为JXdAldAnldA2cosldAJJddP第第1616章章 红外传感器红外传感器2 2、面源、面源 辐射强度为辐射强度为 APAPNAcoscoslim2200 面源单位面发射的辐射出射度为面源单位面发射的辐射出射度为 dNAdpMcos半球第第1616章章 红外传感器红外传感器 面源在与它相距面源在与它相距 处的被照面上产生的辐照度为处的被照面上产生的辐照度为 l coscoscos2NlANH小面源的表面积；小面源的表面积；面源表面法线面源表面法线 与与 的夹角；的夹角；被

11、照表面法线被照表面法线 与与 的夹角；的夹角；小面源小面源 对被照面所张的小立体角，且对被照面所张的小立体角，且 AnlnlA2coslA第第1616章章 红外传感器红外传感器3 3、漫辐射体、漫辐射体(也叫朗伯辐射体也叫朗伯辐射体)它的面辐射强度它的面辐射强度 N N 是一个与方向无关的常量是一个与方向无关的常量 半球NdNMcos第第1616章章 红外传感器红外传感器16.2 16.2 红外传感器红外传感器 一、红外传感器（也称为红外探测器）的定义一、红外传感器（也称为红外探测器）的定义 红外传感器是能将红外辐射能转换成电能的光敏器红外传感器是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它是红外探

12、测系统的关键部件，它的性能好坏，将件，它是红外探测系统的关键部件，它的性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。直接影响系统性能的优劣。二、常见红外传感器二、常见红外传感器 1 1、热传感器、热传感器 热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测变化，进而使有关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。外辐射。第第1616章章 红外传感器红外传感器 热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶

13、型、高莱气动型和热释放电型四种。高莱气动型和热释放电型四种。热敏电阻型传感器热敏电阻型传感器 热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成的。成的。第第1616章章 红外传感器红外传感器 当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外减小。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外射物体的温度。辐射的强弱，从而可以判断产生红外射物体的温度。热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料构成热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料构

14、成的。当红外辐射入射到这两种金属材料构成的闭合回路的。当红外辐射入射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐的接点上时，该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射照的接点处于较低的温度，此时回路中产生温差电势射照的接点处于较低的温度，此时回路中产生温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器红外传感器 热电偶型传感器热电偶型传感器 第第1616章章 红外传感器红外传感器 高莱气动型传感器高莱气动型传感器 高莱气动型传感器是利

15、用气体吸收红外辐射后，高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性。来反映红外辐射的强弱。温度升高，体积增大的特性。来反映红外辐射的强弱。结构原理图 第第1616章章 红外传感器红外传感器 它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收的膜，它是低热容量的薄膜。红外辐射通过窗口吸收的膜，它是低热容量的薄膜。红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高，气压增大，从而

16、使柔镜移动。气体温度升高，气压增大，从而使柔镜移动。第第1616章章 红外传感器红外传感器 在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状光栏图像又经过栅状柔镜上，经柔镜反射回来的栅状光栏图像又经过栅状光栏投射红外射到光电管上。光栏投射红外射到光电管上。第第1616章章 红外传感器红外传感器 当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光管上的光量发生改变，光栏发生相对位移，使落到光管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变，这个变化量变反映出入电管的输出信号也发生改变，这个变化量变反映出入射红外辐射的强弱。射红外辐射的强弱。第第1616章章 红外传感器红外传感器 热释电型传感器热释电型传感器 热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称称“铁电体铁电体”。铁电体的极化强度（单位面积上的电。铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体