《電氣測試技術(shù)第5版》 課件 3.13 紅外式傳感器

02December20243.13紅外式傳感器3.13.1紅外檢測的基本定律3.13.2紅外探測器的類型3.13.3紅外探測器的應(yīng)用及實例02December2024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0.5~103μm。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)。02December20243.13.1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。02December20242.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T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。02December20243.維恩位移定律

物體熱輻射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μm）與物體自身的熱力學(xué)溫度成反比，即：

（3-148）此式稱為維恩位移定律。

由式（3-148）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。02December20243.13.2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0.8μm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3-137。

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3-137。僅用紅外光電池替代圖3-137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3-137紅外光導(dǎo)探測器原理02December2024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3-138。圖3-138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02December20243.13.3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(yuǎn)距離小目標(biāo)進(jìn)行快速非接觸式表面溫度測量的儀器，量程我0～400℃，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3-139。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3-139b為電子線路框圖。圖3-139H2W-4紅外測溫儀原理a）光學(xué)系統(tǒng)b