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红外辐射探测器

发布日期:2017-12-07 09:46:29 【关闭】
摘要:红外辐射探测器主要由光学系统和红外接收器两部分组成

   1.红外辐射原理

   红外光和可见光一样,也是一种电磁波,具有反射,折射、散射、干涉等性质,在真空中的传播速度为3×108 m/s,所不同的只是波长不同。红外光的波长范围为0.76~1000μm,最小波长比可见红光波长长0.7μm。由于它在可见红光之外,因此得名红外光。红外光有以下几个重要特点:

   (1)红外光 是 看 不 见 的 辐 射 光。自 然 界 中 的 一 切 物 体,只 要 它 的 温 度 高 于 绝 对 零 度(-273.16℃)都有红外辐射。物体的温度越高,红外辐射出来的能量越强。红外测温就是利用这种性能对物体测温的。

   (2)当物体辐射时,辐射波的波长范围很宽,但是热效应主要集中在红外光范围内,红外光有高的热效应是它的特点,因此红外常和热辐射概念连在一起。

   热体的辐射规律是设计各种红外探测器的基础,下面介绍三个重要热辐射基本定律

  普朗克定律:单位面积物体在半球面方向发射的光谱辐射功率W(λT)是波长λ和物体温度T 的函数,其表达式如下:

  

gooxian-普朗克定律

   式中 W(λT)——— 单位面积上物体发射的辐射功率,或称为光谱辐射通量密度;  

          λ——— 波长;  

           ε——— 比辐射率;

         T——— 物体表面的绝对温度;

      c1,c2 ——— 第一、第二辐射常数

   图4.26为光谱辐射通量密度曲线,从曲线可看到以下几个特性:① 光谱辐射通量密度不仅与绝对温度有关,还和波长λ有关。在同一温度下,W(λT)对于波长λ有一个峰值。 ② 当幅射体温度升高时,光谱辐射通量密度 W(λT)迅速增大,且曲线峰值向波长短的方向移动。

 

gooxian-光谱辐射通量密度曲线

   斯忒藩 玻耳兹曼定律:此定律又称全辐射发射定律。它表示绝对温度为T 的物体,每单位面积上全部波长辐射的总功率 W 与绝对温度T 的四次方成正比,即

gooxian-光谱辐射

   式中 W ——— 辐射总功率;

           λ ——— 斯忒藩 玻耳兹曼常数;

          T ——— 物体的绝对温度;

          ε ——— 比辐射率。

   维恩位移定律:从图4.26可见,在任一温度下,光谱辐射通量密度曲线有一个最大值,此最大值所对应的波长称为峰值波长λm,它与对应温度T 的乘积为常数。即

gooxian-维恩位移定律

   式(4.36)即为维恩位移定律,由该定律可知,只要测定峰值λm,就能得知物体的温度T。

   2.红外辐射探测器的构成

   红外辐射探测器主要由光学系统和红外接收器两部分组成,如图4.27所示。

  

gooxian-红外辐射探测器原理

   (1)光学系统主要用来产生某一波段范围内的红外光。光学系统由光源和透镜组成,不同的光源,辐射能力不同。选择不同的辐射光源,能得到不同情况的辐射密度。

   (2)根据材料的不同,透镜有选择性的让某一定波段范围内的红外光透过,而吸收其他波段范围内的红外光。二者结合起来,就能使光学系统产生某一波段范围内的红外光,一般光学玻璃和石英材料允许0.75~3μm的红外光透过;氟化镁、氧化镁等热压光学材料,则允许3~5μm的红外光通过;5~14μm的红外光容易穿透锗、硅、热压硫化锌等光学材料。这些材料给确定λm 提供了方便,为利用不同的辐射光构成各种红外辐射器打下了物质基础。

   (3)红外接受器主要有两种形式:① 热敏类。利用热敏电阻接受红外辐射。由热效应引起电阻变化,使红外辐射能量转变为电信号。② 光电类。利用光电元件接受红外辐射产生光电效应,从而使红外辐射能量转变为电信号。光电效应比热效应的过程快的多,因光电传感器的响应时间比热敏传感器要短的多。热敏类对任何波长的辐射能量都能全部吸收,而光电类有波长限制。

  根据辐射的三条基本定律和各种不同的测量对象,可选取不同的光学系统和红外接受器,并可根据具体情况,构成各种不同的红外光学测温传感器系统。

 

  

  

  

  

  

 

  

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