红外传感器工作原理共15页

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ε——比辐射率,即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值, 黑体的ε =1;
T——物体的绝对温度。
即物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次 方成正比,并与ε成正比。物体温度越高,其表面所 辐射的能量就越大。
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③ 维恩位移定律。热辐射发射的电磁波中包含着各种
波长。实验证明,物体峰值辐射波长与物体自身的绝
4)气体对其吸收程度各不相同,大气层对不同波长的 红外光存在不同的吸长江收工程带职业;技术学院自动化教研室
5)自然界中任何物体,只要其温度在热力学绝对零度 之上,总是在不断地发射红外辐射; 6)红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的,热 能强度也不一样 ,例如,黑体、镜体、透明体和灰体 将产生不同的光热效应; 7)许多非电量能够影响和改变红外光的特性。利用红 外敏感元件测得红外光的变化,进而可以确定待测非 电量。凡是能感受红外辐射量并转变成另一种便于测 量的物理量的器件称为红外敏感元件,在红外技术领 域里习惯叫红外探测器。
9)红外线:波长780—106nm
波长3μm(即3000nm)以下的称近红外线
波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
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9)红外线:波长780—106nm 波长3μm(即3000nm)以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。
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红外传感器常用于无接触温度测量、气体成分分析和 无损探伤,在医学、军事、空间技术和环境工程等领 域得到广泛应用。
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例如,采用红外传感器远距离测量人体表面温度的热 像仪;利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进 行监视,可实现大范围的天气预报;采用红外线传感 器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展 而形成的一门崭新的传感技术。由于光纤传感器具有 高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、体积小等优点,使用范 围广泛。
对温度成反比。即
分谱辐射出射度
m
2897 T
(m)
(6-10)
从图6-35所示曲线 可知,峰值辐射波 长随温度升高向短 波方向偏移。当温 度不很高时,峰值 辐射波长在红外区 域。
图6-35 峰值辐射波长与温度的关系曲线
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2.热释电型红外传感器
热探测器探测红外辐射的基本原理包含两个主要过程。 第一个过程是热探测器吸收红外辐射能量后温度随之 升高,随着入射辐射功率的变化,元件的温度也要发 生相应的变化;第二个过程是利用元件的某种温度敏 感特性,把辐射能引起的温度变化转换成相应的电信 号。 热释电晶体具有自发的电极化,自发电极化强度与 温度有关,晶体的这种性质被称为热释电效应。
热释电晶体同时又是压电晶体,那么热释电晶体必 定具有压电性,但是压电晶体却未必都有热释电效 应。
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热释电效应形成原理:
由于热释电晶体内部具有自发极化,因此,在与自发 极化强度垂直的晶体的两个表面上出现符号不同的面 束缚电荷。面束缚电荷密度等于自发极化强度PS,但 平时这些面束缚电荷常常被晶体内部和外部的自由电 荷所中和,因此对外显示中性,不能在静态条件下测 量自发极化。只有当晶体经受一定频率的温度变化时, 自发极化强度PS发生变化,其体内的自由电荷和外部 的杂散电荷来不及中和变化着的面束缚电荷时才能测 出自发极化。
热释电效应形成原理示意图
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任务1 自动水龙头电路的设计 任务1分析 自动水龙头电路具有人或物体靠近时,自动产生控制 信号控制电磁阀得电吸合,自动放水的功能 。 自动水龙头电路原理如图6-42所示
图6-42 自动水龙头电路原理图
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任务1设计 自动水龙头开关电路采用发射—接收光电对管的方式。 当有人手或物体接近自动水龙头时,红外线发射头发 出的红外线光经人手或物体反射到接收头,接收头接 收到反射的光信号,转换为电信号经放大、整形,提 取出人体接近的信号,经过驱动电路控制电磁阀动作 打开水源。当人手或物体离开后,延迟几秒后可自动 关闭,使用非常方便。
自动水龙头电路图
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阶段小结
红外传感器是利用红外线的物理性质来进行测量的传 感器。红外线具有反射、折射、散射、干涉、吸收等 性质。任何物质,只要它本身具有一定的温度(高于 绝对零度),都能辐射红外线。红外传感器测量时不 与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有灵敏 度高、响应快等优点。
一、红外传感器概述
1.红外辐射的基本知识
(1)红外辐射的基本特点
1)红外辐射就是红外光,红外光的最大特点就是具有 光热效应,能辐射热量,红外光是一种不可见光;
2)红外光与所有电磁波一样,具有反射、折射、散射、 干涉、吸收等性质;
3)红外光在介质中传播会产生衰减,红外光在金属中 传播衰减很大,但红外辐射能透过大部分半导体和一 些塑料,大部分液体对红外辐射吸收非常大;
(2)红外辐射的基本定律
① 希尔霍夫定律。希尔霍夫定律指出一个物体向周围 辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个 物体处于同一温度场中,各物体的热发射本领正比于 它的吸收本领,这就是希尔霍夫定律。可用下式表示
Er E0
(6-8)
式中 Er——物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能;
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8)红外探测器按其敏感元件可以分成两大类即“热探 测器”和“光电探测器”。热探测器对各种波长都有 响应,光电探测器只对它的长波限以下的一段波长区 间有响应,热探测器工作时不需要冷却,光电探测器 则多数需要冷却,热探测器的响应度一般低于光电探 测器,响应时间一般比光电探测器长,热探测器的性 能与器件尺寸、形状及工艺等有关,因此需要十分讲 究工艺,产品规格常不易稳定。
α ——该物体对辐射能的吸收系数;
E0——等价于黑体在相同温度下发射的能量,它是常数。
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② 斯忒藩—玻尔兹曼定律。物体温度越高,它辐射出 来的能量越大。可用下面公式表示
E T 4ห้องสมุดไป่ตู้
(6-9)
式中 E——某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能 量;
σ——斯忒藩—玻尔兹曼常数(=5.6697×10-12W/cm2K4);
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