关于红外传感器的报告要点.pdf
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1、关于红外传感器的报告 摘要:本文主要介绍一些关于红外传感器的一些基本知识和工作原理,从而让我 们能够从一定程度上了解红外传感器这一传感器的种类。对于红外传感器的认 识,能够帮助我们更好的利用红外传感器,让我们的生活或者工作更加方便和愉 快。 关键字:红外辐射、传感器、原理、用途 红外传感器 (也称为红外探测器 )是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件, 它是红外探测系统的关键部件, 其性能好坏,将直接影响系统性能的优劣。 因此, 选择合适的、 性能良好的红外传感器, 对于红外探测系统是十分重要的。而作为 红外传感器的重要组成部分, 红外辐射是不得忽略的重中之重。下面我们先介绍 红外辐射的相关知识
2、和原理。 一、红外辐射的工作原理简介: 红外辐射是一种人眼不可见的光线,俗称红外线,因为它是介于可见光中红 色光和微波之间的光线。 红外线的波长范围大致在0.76- 1000m 之间,对应的频 率大致在 4104 至 31011Hz之间,工程上通常把红外线所占据的波段分成近 红外、中红外、远红外和极远红外4 个部分。 下图是红外线的电磁波谱图: 红外分区:在红外技术中,一般将红外辐射分为4 个区域 (1)近红外区 : 770 nm 1.5 m (2)中红外区 : 1.5 m 6m (3)远红外区 : 6m 40m (4)极远红外区 : 40 m 1000m 注意:这里所说的远近是指红外辐射在电
3、磁波谱中与可见光的距离。 红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体,只要它的温度高于绝对零度 ( -273 ) ,就会向外部空间以红外线的方式辐射能量,一个物体向外辐射的能 量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高,辐射出来的 红外线越多,辐射的能量就越强。另一方面,红外线被物体吸收后可以转化成 热能。 红外线作为电磁波的一种形式, 红外辐射和所有的电磁波一样, 是以波的形 式在空间直线传播的,具有电磁波的一般特性,如反射、折射、散射、干涉和吸 收等。 红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积,即 c = f 。 红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关,能在任何温度下
4、全部吸收投 射到其表面的红外辐射的物体称为黑体,能全部反射红外辐射的物体称为镜体, 能全部透过红外辐射的物体称为透明体,能部分反射或吸收红外辐射的物体称为 灰体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体, 绝大部分物体都属于灰体。 二、红外线的物理特性: 热效应 穿透云雾的能力强 热效应及应用: 一切物体都在不停的辐射红外线。物体的温度越高,辐射的红外线就越多。 红外线照射到物体上最明显的效果就是产生热。冬天烤火,就是因为有大量的红 外线从炉子里射到人身上,才能让我们感觉到热乎乎的。 人体生病的时候, 虽然外面看起来没有什么变化, 但是由于局部皮肤的温度 不正常,如果在照相机里装上对红外感光的胶
5、片,给皮肤拍照再与正常人的照片 对比,可以对疾病作出诊断。这种相机拍出来的照片叫热谱图。 根据红外线的热效应,人们还研究出了红外线夜视仪。红外线夜视仪在漆 黑的夜晚也可以发现人的存在。 夜间人的体温比周围草木或建筑的温度高,人体 辐射出来的红外线就比他们强。可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾 驶车辆等。 物体在辐射红外线的同时,也在吸收红外线。各种物体吸收了红外线以后 温度就会升高。 我们就可以利用红外线的热效应来加热物品。家庭用的红外线烤 箱,浴室用的暖灯, 也就是浴霸等等。 物体加热可以利用红外线烘干汽车表面的 喷漆,烘干稻谷等作物。 在医学上,还可以利用红外线的热效应进行理疗。在
6、红外线照射下,组织 温度升高,血流加快,物质代谢增强,组织细胞活力及再生能力提高。伤口就容 易痊愈。 穿透能力强的应用: 穿透云雾的能力强 ( 波长较长 , 易于衍射 ) ,由于一切物体, 都在不停地辐射 红外线,并且不同物体辐射红外线的强度不同,利用灵敏的红外线探测器接收物 体发出的红外线, 然后用电子仪器对接到的信号进行处理,就可以察知被测物体 的形状和特征, 这种技术叫做红外线遥感技术,可以用在卫星上勘测地热、 寻找 水源、监测森林火情、 估计农作物的长势和收成。 还有我们每天都要关注的天气 预报,也是红外线遥感技术。 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、
7、尘埃等物质的吸收和散射作用, 使辐射能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的 双原于分子,如 N2 、H2、O2不吸收红外辐射,因而不会造成红外辐射在传输过 程中衰减。 红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段,即22.6m ,35m和 814m , 统称为“大气窗口”。这三个大气窗口对红外技术应用特别重要,因为一般红外 仪器都工作在这三个窗口之内。 下图为通过一海里长度的大气透过率曲线: 红外线遥感在战争中, 当敌机飞进我们的阵地时, 红外线望远镜早就接收到 了由它的发动部分发动机辐射来的大量红外线,红外线在望远镜的光电变换器 中产生了电流,再由电流产生可见光。于是黑暗中的飞机在镜中就现原形了。
8、红外线遥控我们每天都用到的电视遥控器也是利用了红外线。遥控器的前段 有一个红外发光二极管, 按下不同的键时, 它可以发射不同的红外线, 来实现电 视机的遥控。 三、下面是红外传感器涉及到的几种定理,大概介绍如下: 1、基尔霍夫定律 1860年,基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现:在任一给定的温度下, 辐射通量密度和吸收系数之比, 对任何材料都是常数。 用一句精练的话表达, 即: “好的吸收体也是好的辐射体” 。 ER=E0 ER 物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能 物体的吸收系数 E0 常数,其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能 2、斯忒藩 - 玻尔兹曼定律 物体温度越高, 发射的红外
9、辐射能越多, 在单位时间内其单位面积辐射的总 能量 E为 E =T 4 T 物体的绝对温度 (K) 斯忒藩 -玻耳兹曼常数, 5.67 10-8W/(m2k) 比辐射率,黑体的 1 3、普朗克定律 绝对温度为 T 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光 谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为 M= C1 -5 (ec2/ T-1)-1 式中 M 为黑体对波长为 的光谱辐射通量密度; C1 、C2 为普朗克辐射常数。 4、维恩位移定律 红外辐射的电磁波中,包含着各种波长,其峰值辐射波长m与物体自身的 绝对温度 T 成反比,即 m 2897/T ( m) 图
10、中虚线表示了峰值辐射波长与温度的关系,可以看出,随着温度的升高其峰值 波长向短 波方向移动,在温度不太高时,峰值辐射波长位于红外区域。 四、红外探测器: 红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。红外传感 器的构成比较简单, 它一般是由光学系统、 探测器、信号调节电路和显示单元等 几部分组成。其中,红外探测器是红外传感器的核心器件。 (一) 、红外探测器的种类: 红外探测器种类很多, 按探测机理的不同, 通常可分为两大类: 热探测器和 光子探测器。 (1)热探测器 红外线被物体吸收后将转变为热能。热探测器正是利用了红外辐射的这一 热效应。当热探侧器的敏感元件吸收红外辐射后将引起温
11、度升高,使敏感元件的 相关物理参数发生变化, 通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定探测器所 吸收的红外辐射。 热探测器的主要优点是:响应波段宽,响应范围为整个红外区域,室温下 工作,使用方便。热探测器主要有 4 种类型:热敏电阻型、热电阻型、高莱气 动型和热释电型。在这4 种类型的探测器中,热释电探测器探测效率最高,频 率响应最宽,所以这种传感器发展得比较快,应用范围也最广。 热释电探测器: 在外加电场作用下, 电介质中的带电粒子 ( 电子、原子核等 ) 将受到电场力 的作用,总体上讲,正电荷趋向于阴极、负电荷趋向于阳极,其结果使电介质的 一个表面带正电、相对的表面带负电,把这种现象称为电
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