2红外传感器课件.ppt

1、红外传感器1红外辐射红外辐射：红光以外的光线，波长：红光以外的光线，波长0.761000m。任何温度高于绝对零度（-273.16）的物体，都会发射或吸收红外线，即红外辐射。当达到热平衡时，散发和吸收的辐射一样多。物体红外辐射的强度和波长分布取决于物体的温度和辐射率等。2红外辐射规律红外辐射规律：1）基尔霍夫定律：）基尔霍夫定律：物体向外发射辐射能取决于它的吸收本物体向外发射辐射能取决于它的吸收本领。领。ER 物体在单位面积、单位时间内发出的辐射能；物体在单位面积、单位时间内发出的辐射能；物体对辐射能的吸收系数；物体对辐射能的吸收系数；E0 常数，等价于黑体在相同温度下发射出的辐射能。常数，等价

2、于黑体在相同温度下发射出的辐射能。2）斯蒂芬玻尔茨曼斯蒂芬玻尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律定律：物体单位面积辐射功率、物体辐射强度物体单位面积辐射功率、物体辐射强度 W 与其热力学温与其热力学温度度 T 四次方成正比：四次方成正比：4WT/比辐射率，非黑体辐射度 黑体辐射度斯蒂芬玻尔兹曼常数（1）黑体）黑体=1，在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射；，在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射；（2）物体辐射强度随温度升高而明显增强；）物体辐射强度随温度升高而明显增强；（3）大气对不同波长的红外辐射有不同的穿透程度。）大气对不同波长的红外辐射有不同的穿透程度。3）普朗克定律普朗克定律

3、：绝对温度为：绝对温度为 T 时，在单位波长内其时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐射的能量称为单位面积沿半球方向所辐射的能量称为光谱辐射通量光谱辐射通量密度密度。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为：系为：a.随温度升高，峰值辐射波随温度升高，峰值辐射波长向短波方向移动，强度长向短波方向移动，强度按指数增长；按指数增长；b.温度不太高时，辐射波长温度不太高时，辐射波长位于红外区域；位于红外区域；c.峰值左侧能量约占峰值左侧能量约占25，右侧约占右侧约占75。4）维恩位移定律维恩位移定律：光谱辐射通量密度密度峰值波长：光谱辐射通量密度密度峰

4、值波长与物体自身的绝对温度成反比。与物体自身的绝对温度成反比。红外传感器 能能将红外辐射能转换为电能将红外辐射能转换为电能的装置称为的装置称为红外传感器红外传感器，按，按其工作原理可以分为其工作原理可以分为光敏型光敏型（或称光子型、量子型）和（或称光子型、量子型）和热敏热敏型型两类。两类。光敏型光敏型直接把红外光能转换为电能直接把红外光能转换为电能，其工作原理是光电效应。需要在低温下工其工作原理是光电效应。需要在低温下工作、灵敏度很高，响应速度快，但响应红作、灵敏度很高，响应速度快，但响应红外光的波长范围较窄（图中曲线外光的波长范围较窄（图中曲线2）。）。红外传感器光谱红外传感器光谱响应曲线响

5、应曲线 热敏型将热敏型将吸收的红外光转变为热能吸收的红外光转变为热能，使，使器件自身的温度发生变化，包括热电偶器件自身的温度发生变化，包括热电偶式、电阻式和热释电式等。热敏型红外式、电阻式和热释电式等。热敏型红外传感器响应的红外光谱范围宽，（图中传感器响应的红外光谱范围宽，（图中的曲线的曲线1），能在常温下工作，价格便宜。），能在常温下工作，价格便宜。它的响应速度和灵敏度较低。它的响应速度和灵敏度较低。以以红外线为测量介质红外线为测量介质的系统称为红外传感系统，按照的系统称为红外传感系统，按照功能可以分成五类：功能可以分成五类：（1）温度计和辐射计温度计和辐射计，用于温度、辐射和光谱测量；，用

6、于温度、辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统红外测距和通信系统；（5）混合系统混合系统，由以上各类系统中的两个或者多个组合，由以上各类系统中的两个或者多个组合而成。而成。（3）光学接收器光学接收器：接收部分红外辐射并传输给红外传感器。相当：接收部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用的是物镜。于雷达天线，常用的是物镜。（4）辐

7、射调制器辐射调制器：将来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，：将来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并且可以滤除大面积的干扰信号。又称提供目标方位信息，并且可以滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器。调制盘和斩波器。（1）待侧目标待侧目标：具有红外：具有红外辐射特性。辐射特性。（2）大气衰减大气衰减：由于各种：由于各种气体分子以及溶胶粒气体分子以及溶胶粒的散射和吸收，使待的散射和吸收，使待测目标发出的红外辐测目标发出的红外辐射发生衰减。射发生衰减。（5）红外探测器红外探测器：它是红外传感系统的核心，利用红外辐：它是红外传感系统的核心，利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的

8、物理效应探测红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射，按照工作原理分为光敏探测器和热敏探测器两类。射，按照工作原理分为光敏探测器和热敏探测器两类。（6）探测器制冷器探测器制冷器：由于某些探测器必须要在低温下工作，：由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，探测器所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，探测器可以缩短响应时间，提高灵敏度。可以缩短响应时间，提高灵敏度。（7）信号处理系统信号处理系统：将探测的信号进行放大、滤波，并从：将探测的信号进行放大、滤波，并从中提取出有用的信息。然后将这些信息转化为适当的中提取出有用的信息。然后将这些信息转化为适

9、当的格式，传送到控制设备或者显示器中。格式，传送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备显示设备：它是红外传感系统的终端设备，常用的有：它是红外传感系统的终端设备，常用的有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。等。滤光片滤光片采用允许在采用允许在8 814m14m的红外辐射能通的红外辐射能通过的材料，步进电机带动过的材料，步进电机带动调制盘调制盘转动，将被测的红转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外外辐射调制成交变的红外辐射线，透镜焦点落在辐射线，透镜焦点落在红红外光敏面外光敏面上，被测目标的上，被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外辐射通

10、过透镜聚焦在红外探测器上，并将红外红外探测器上，并将红外辐射变换为电信号。辐射变换为电信号。例例1 1：红外测温：红外测温 （0-7000-700）例例2 2：红外测温：红外测温 （800800以上的高温）以上的高温）假定人造黑体吸收了由被测物辐射的全部能量，则有：假定人造黑体吸收了由被测物辐射的全部能量，则有：4400TT 从而得到：从而得到：04TT例例3 3：红外热成像：红外热成像 红外热像仪红外热像仪将红外辐射转换成可见光进行显示，利用物体自将红外辐射转换成可见光进行显示，利用物体自身的红外辐射来摄取物体热辐射图像。它能通过快速扫描，精确身的红外辐射来摄取物体热辐射图像。它能通过快速扫

11、描，精确的摄取反映被测物体温差信息的热图像。的摄取反映被测物体温差信息的热图像。热像技术应用热像技术应用：温度分布检测、飞行器表面温度检测、：温度分布检测、飞行器表面温度检测、无损探测、安全生产监控、夜间机场状况检测、海岸线检测、无损探测、安全生产监控、夜间机场状况检测、海岸线检测、临床医学、军事等。临床医学、军事等。红外传感器 防爆型红外热像仪防爆型红外热像仪 用于探测地面和井下煤堆自燃温度。用于探测地面和井下煤堆自燃温度。矿用本质安全型红外成像生命探测仪矿用本质安全型红外成像生命探测仪 用于井下人员搜救、探测隐性火区分布、探用于井下人员搜救、探测隐性火区分布、探测瞎炮位置分布、采煤机组与液

12、压支架实时测瞎炮位置分布、采煤机组与液压支架实时工作状态、探测井下各种开关、接头、变压工作状态、探测井下各种开关、接头、变压器的事故隐患、各种电器及传动设备的发热器的事故隐患、各种电器及传动设备的发热状态等。状态等。红外热像仪应用 贮存罐液位检测贮存罐液位检测内部屋顶检查内部屋顶检查 微观电路检测微观电路检测 塑料挤压过程塑料挤压过程 温度检测温度检测 总线节点发热检测总线节点发热检测 耐火材料设备检测耐火材料设备检测 电脑主板发热量分布电脑主板发热量分布 沥青铺路温度分布沥青铺路温度分布 红外热像仪应用 红外分析仪红外分析仪l分分 类类l目目 的的l原原 理理分分 类类 根据不同的目的与要求

13、，红外分析仪可根据不同的目的与要求，红外分析仪可设计成多种不同的形式，如设计成多种不同的形式，如红外气体分红外气体分析仪析仪、红外分光光度计红外分光光度计、红外光谱仪红外光谱仪等等。目目 的的l 识别物质分子的类型识别物质分子的类型l 分析物质组成分析物质组成l 分析和计算物质组成百分比分析和计算物质组成百分比原原 理理p红外分析仪是根据红外分析仪是根据物质的吸收特性物质的吸收特性来进来进行工作的。行工作的。p许多化合物的分子在红外波段都有许多化合物的分子在红外波段都有吸收吸收带带，而且因物质的分子不同，吸收带所，而且因物质的分子不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。在的波长和吸收的强弱

14、也不相同。p根据根据吸收带分布的情况与吸收的强弱吸收带分布的情况与吸收的强弱，可以识别物质分子的类型，从而得出物可以识别物质分子的类型，从而得出物质的组成及百分比。质的组成及百分比。用红外光（照射化合物时，分子吸收红外光的能量，使分子中用红外光（照射化合物时，分子吸收红外光的能量，使分子中键键的振动的振动从低能态向高能态跃迁，将这个过程记录下来就得到红外从低能态向高能态跃迁，将这个过程记录下来就得到红外光谱团。化合物中的官能团可以吸收特定波长的红外光，即使这光谱团。化合物中的官能团可以吸收特定波长的红外光，即使这些官能团所处的化学环境略有不同。因此，红外吸收光谱可以用些官能团所处的化学环境略有

15、不同。因此，红外吸收光谱可以用来鉴别化合物中存在的官能团。来鉴别化合物中存在的官能团。傅立叶红外光谱（傅立叶红外光谱（FT-IR)：1565 cm-1：醌环：醌环C=N伸缩振动峰伸缩振动峰1488 cm-1：苯环：苯环C=C伸缩振动峰伸缩振动峰1291 cm-1：PANI链中二级胺的链中二级胺的C-N键键1240 cm-1：双极子结构中的：双极子结构中的C-N键伸缩峰键伸缩峰医用二氧化碳气体分析仪医用二氧化碳气体分析仪 医用二氧化碳气体分析仪，是利用医用二氧化碳气体分析仪，是利用二氧化碳气体对波长为二氧化碳气体对波长为4.34.3mm的红的红外辐射有强烈的吸收特性外辐射有强烈的吸收特性而进行测

16、而进行测量分析的，主要用来测量、分析二量分析的，主要用来测量、分析二氧化碳气体的浓度。氧化碳气体的浓度。对比通过一海里长度的大气透过对比通过一海里长度的大气透过率曲线率曲线,同学们又发现了什么呢同学们又发现了什么呢?医用二氧化碳气体分析仪光系统图医用二氧化碳气体分析仪光系统图医用二氧化碳气体分析仪电子线路图医用二氧化碳气体分析仪电子线路图医用二氧化碳分析仪组成医用二氧化碳分析仪组成l由红外光源、调制系统、由红外光源、调制系统、标准气室标准气室、测量气测量气室室、红外传感器等部分组成。、红外传感器等部分组成。l在在标准气室标准气室里充满了没有二氧化碳的气体（里充满了没有二氧化碳的气体（或含有定量

17、二氧化碳的气体）。或含有定量二氧化碳的气体）。l待测气体经采气装置，由进气口进入待测气体经采气装置，由进气口进入测量气测量气室室。l调节红外光源，使之分别通过标准气室和测调节红外光源，使之分别通过标准气室和测量气室。量气室。l采 用采 用 干 涉 滤 光 片 滤 光干 涉 滤 光 片 滤 光，只 允 许 波 长，只 允 许 波 长4.30.15m的红外辐射通过，此波段正好是的红外辐射通过，此波段正好是二氧化碳的吸收带。二氧化碳的吸收带。医用二氧化碳分析仪原理医用二氧化碳分析仪原理l假设标准气室中没有二氧化碳气体，而进入测量气室中的被假设标准气室中没有二氧化碳气体，而进入测量气室中的被测气体也不

18、含二氧化碳气体时，则红外光源的辐射经过两个测气体也不含二氧化碳气体时，则红外光源的辐射经过两个气室后，射出的两束红外辐射完全相等。红外传感器相当于气室后，射出的两束红外辐射完全相等。红外传感器相当于接收一束恒定不变的红外辐射，因此可看成只有直流响应，接收一束恒定不变的红外辐射，因此可看成只有直流响应，接于传感器后面的交流放大器是没有输出的。接于传感器后面的交流放大器是没有输出的。l当进入测量气室中的被测气体里含有二氧化碳时，射入气室当进入测量气室中的被测气体里含有二氧化碳时，射入气室的红外辐射中的的红外辐射中的4.30.15m 波段红外辐射被二氧化碳吸收，波段红外辐射被二氧化碳吸收，使测量气室中出来的红外辐射比标准气室中出米的红外辐射使测量气室中出来的红外辐射比标准气室中出米的红外辐射弱。被测气室中二氧化碳浓度越大，两个气室出来的红外辐弱。被测气室中二氧化碳浓度越大，两个气室出来的红外辐射强度差别越大。射强度差别越大。红外传感器交替接收红外传感器交替接收两束不等的红外辐射两束不等的红外辐射后，将输出一个交变电信号，后，将输出一个交变电信号，经过电子系统处理与适当标定经过电子系统处理与适当标定后后，就可以根据输出信号的大小来判断被测气体中含二氧化，就可以根据输出信号的大小来判断被测气体中含二氧化碳的浓度。碳的浓度。