(整理)紅外測(cè)溫傳感器.

1、紅外光電傳感器測(cè)溫儀1紅外測(cè)溫傳感器結(jié)構(gòu)紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等局部組成.光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量,視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定.紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào).該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路,并根據(jù)儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值.4紅外測(cè)溫儀電路圖2紅外測(cè)溫傳感器工作原理在自然界中,一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射量.根據(jù)基爾霍夫定律、普朗克定律、維恩公式這三大輻射定律,物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與其外表溫度有著十分密切的關(guān)系.因此,通過(guò)對(duì)物體自身

2、輻射的紅外能量的測(cè)量,便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的外表溫度,這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀根底.三大輻射定律均是以“黑體作為研究對(duì)象分析得出的.但是,自然界中存在的實(shí)際物體都不是黑體,所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外,還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法以及外表狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān).因此,為了使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體,必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及外表狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù),即發(fā)射率.該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度,具值在0-1之間.根據(jù)輻射定律,只要知道了材料的發(fā)射率,就知道了任何物體的紅外輻射特性.物體外表發(fā)射率主要決定于材料性質(zhì)和外表狀態(tài)如外表氧化情況,涂層材料,

3、粗糙程度及污穢狀態(tài)等.當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí),由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在,就會(huì)不斷的向四周輻射電磁波,其中的紅外線在給定的溫度和波長(zhǎng)下,物體發(fā)射的輻射能有一個(gè)最大值,這種物質(zhì)成為黑體,其他的波段的最大值成為灰體.事實(shí)上,自然界中并不存在黑體,只是為了獲得紅外線的分布規(guī)律才提出的,從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射定律.普朗克黑體輻射定律是用于描述在任意溫度下從一個(gè)黑體中發(fā)射的電磁輻射的輻射率與電磁輻射的頻率的關(guān)系公式.通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量,便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的外表溫度,這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀根底用公式可表達(dá)為：E=6£T-ToE是輻射出射度.單位是Wm36是斯蒂芬-波爾茲曼

4、常數(shù),5.67x10-8WJ/m2K4;e是物體的輻射率：T是物體的溫度K;To是物體周圍的環(huán)境溫度K.紅外測(cè)溫儀電路比擬復(fù)雜,包括前置放大,選頻放大,溫度補(bǔ)償,線性化,發(fā)射率e比輻射率調(diào)節(jié)等.目前已有一種帶單片機(jī)的智能紅外測(cè)溫儀,利用單片機(jī)與軟件的功能大大簡(jiǎn)化了硬件電路,提升了儀表的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性.紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)可以是透射式,也可以是反射式.反射式光學(xué)系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡,并在鏡的外表鍍金、鋁、鍥或銘等對(duì)紅外輻射反射率很高的金屬材料.3紅外測(cè)溫理論根底3.1 紅外輻射紅外線、紅外光紅外線是電磁波譜中,波長(zhǎng)0.76m-1000m范圍的電磁輻射,位于紅外光與無(wú)線電波之間.與可見

5、光的反射、折射、干預(yù)、衍射和偏振等特性相同.同時(shí)具有粒子性.對(duì)人的眼睛不敏感,要用對(duì)紅外敏感的探測(cè)器才能接收到.紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射,熱輻射包括紫外光、可見光輻射,但是在0.76仙m-40m紅外輻射熱效應(yīng)最大.自然界中一切溫度高于絕對(duì)零度的有生命和無(wú)生命的物體,時(shí)時(shí)刻刻都在不停地輻射紅外線.輻射的量主要由物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定；特別熱輻射的強(qiáng)度及光譜成份取決于輻射體的溫度.3.2 黑體輻射規(guī)律黑體紅外輻射的根本規(guī)律揭示的是黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長(zhǎng)的定量關(guān)系.黑體一種理想物體,它們?cè)谙嗤臏囟认露及l(fā)出同樣的電磁波譜,而與黑體的具體成分和形狀特性無(wú)關(guān).斯特藩和玻耳茲曼通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)

6、算得出黑體輻射定律：精品文檔Mo(T)T4式中：M0(T)溫度為T時(shí),單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能,稱為總輻出度；仃一一斯特藩玻耳茲曼常量；T一一物體溫度.上式是黑體的熱輻射定律.實(shí)際物體(非黑體)的輻射定律一般比擬復(fù)雜,需借助于黑體的輻射定律來(lái)研究.設(shè)被測(cè)物體的溫度為T時(shí),總輻出度為M等于黑體在溫度為Tf時(shí)的總輻出度Mq即：4M=M,TF4T4化簡(jiǎn)得T="其中*為發(fā)射率,不同物體的發(fā)射率不同,具體材料的名值可通過(guò)查表或?qū)嶒?yàn)得到,T為被測(cè)物體的輻射溫度,所以被測(cè)物體的名和Tf,就可算出物體的真實(shí)溫度.4紅外測(cè)溫傳感器特性當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在

7、其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量,然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度.單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例.紅外線波長(zhǎng)范圍是0.78pm-100Nm然而,紅外輻射自目標(biāo)發(fā)射出來(lái),總是要在大氣中傳播一段距離才能到達(dá)觀測(cè)儀器,除幾何發(fā)散外,紅外輻射在大氣中傳播會(huì)有很大衰減,主要因素是大氣中各種氣體對(duì)輻射的吸收.組成大氣的主要?dú)怏w是氮?dú)?氧氣.氮?dú)?它們占99犯上.有幸的是,它們不吸收15仙m以下的紅外線,否那么紅外技術(shù)在野外就無(wú)法使用.能引起紅外吸收的氣體是水汽,二氧化碳,臭氧(O3),它們?cè)诓煌ǘ吾槍?duì)紅外線形成吸收帶,再加上甲烷,一氧化碳等吸收作用,造成了紅外輻射的衰

8、減.通過(guò)1仙m-15pm的紅外輻射通過(guò)一海里長(zhǎng)度的大氣透射比試驗(yàn),證實(shí)只有處于紅外吸收帶之間的紅外輻射能夠透過(guò)大氣向遠(yuǎn)處傳輸,其中有三個(gè)透過(guò)大氣的紅外波段,1-2.5仙m,3-5m,8-13這三個(gè)波段被稱作“大氣窗口,紅外測(cè)溫系統(tǒng)常常在這三個(gè)窗口內(nèi)工作.3-5pm,8-13pm兩個(gè)波段的范圍都有不同特性的限制可選用.這兩個(gè)波段分別稱為“短波和“長(zhǎng)波窗口.從原理上計(jì),這兩個(gè)窗口都敏感,但大多數(shù)設(shè)計(jì)者都選擇了短波段,原因是該波段范圍中,能在較寬的范圍內(nèi)提供最正確功能,到達(dá)良好的測(cè)溫要求；而長(zhǎng)波窗口那么更多地用于低溫及遠(yuǎn)距離的檢查(AGENA57觥有止匕功能).只有對(duì)熱成像系統(tǒng)的原理及構(gòu)成有了一定的

9、了解后,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱像儀的正確操作,從而精品文檔精品文檔進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確測(cè)量.由于熱像儀測(cè)溫是利用探測(cè)器輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行處理后得出的,根據(jù)公式：U/(w6T5/兀)/e(入T)Pa(入)R(入)d入式中:Us-探測(cè)器輸出視頻信號(hào)的幅度入1,入2-熱像儀工作波長(zhǎng)范圍w-熱像儀瞬時(shí)視場(chǎng)角.(7-輻射常數(shù)T-被測(cè)目標(biāo)溫度e(入T)-被測(cè)目標(biāo)光譜輻射率pa(入)-大氣透過(guò)率R(入)-熱像儀總光譜響應(yīng)可見,測(cè)溫精度與很多因素有關(guān),如目標(biāo)特性,熱像儀特性,測(cè)量距離等.為了實(shí)現(xiàn)所需的溫度測(cè)量和便于操作,目前使用的大多數(shù)熱像儀(如PM290已在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了以下三方面的精度補(bǔ)償：(1)熱像儀內(nèi)部的飄移和

10、增溢補(bǔ)償.(2)不同操作溫度下的補(bǔ)償.如夏天和冬天.鏡頭視場(chǎng)外的輻射補(bǔ)償.其它如發(fā)射率,環(huán)境溫度,距離,濕度等最根本的參數(shù)那么要求用戶根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)置,以保證測(cè)溫精度的可靠性.與熱電偶、熱電阻等常規(guī)溫度傳感器相比,紅外溫度計(jì)具有測(cè)溫范圍寬、壽命長(zhǎng)、性能可靠、反響極快和非接觸性等諸多優(yōu)點(diǎn).另外,紅外溫度計(jì)還特別適合測(cè)量腐蝕性的介質(zhì)和運(yùn)動(dòng)物體的溫度,而且不會(huì)破壞到被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng).兩個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)之間的溫差與其中較熱點(diǎn)的溫升之比的百分?jǐn)?shù).相對(duì)溫差6t,可用下式求出：6t=(t1-t2)/t1X100%=(T1-T2)/(T1-T0)X100%式中：1和T1發(fā)熱點(diǎn)的溫升和溫度2和T2正常相對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫

11、升和溫度T0環(huán)境溫度參照體的溫度與熱電偶、熱電阻等常規(guī)溫度傳感器相比,紅外溫度計(jì)具有測(cè)溫范圍寬、壽命長(zhǎng)、性能可靠、反響極快和非接觸性等諸多優(yōu)點(diǎn).另外,紅外溫度計(jì)還特別適合測(cè)量腐蝕性的介質(zhì)和運(yùn)動(dòng)物體的溫度,而且不會(huì)破壞到被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng).4.1 紅外測(cè)溫誤差的分析由于紅外測(cè)溫儀是非接觸式的,具測(cè)量結(jié)果受很多因素影響,從儀器本身來(lái)說(shuō),有以下幾個(gè)方面：以不等溫黑體作為校準(zhǔn)源,儀器發(fā)射率的不同,空氣介質(zhì)及儀器透鏡結(jié)垢或磨損等；從外界因素來(lái)說(shuō),測(cè)量結(jié)果受被測(cè)物體的輻射率,測(cè)量距離系數(shù),外界環(huán)境溫度等幾方精品文檔精品文檔面影響.4.2 紅外測(cè)溫誤差的解決方法：應(yīng)用中一般采用現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)校準(zhǔn)的方法來(lái)盡量消除這些

12、影響根據(jù)實(shí)際校準(zhǔn)需要相應(yīng)選擇幾個(gè)校準(zhǔn)溫度,校準(zhǔn)順序由低溫向高溫依次進(jìn)行.先設(shè)定物體的輻射率e=1進(jìn)行校準(zhǔn),然后調(diào)整&值使顯示溫度與校準(zhǔn)溫度一致,讀取e=1的示值和調(diào)整后e<1的示值.每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)反復(fù)讀取幾次,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.對(duì)于示值誤差和重復(fù)性均符合要求的測(cè)溫儀將其S值標(biāo)明即可.5小結(jié)紅外技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防、醫(yī)療、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用.在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中,被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛,因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣闊用戶和專業(yè)人士的歡送.紅外測(cè)溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量限制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障診斷、平安保護(hù),以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用.參考文獻(xiàn)1李松林.紅外溫度模塊額溫測(cè)量系統(tǒng)J.電子測(cè)量技術(shù),2005,(01)2劉樹田.紅外測(cè)溫的原理是什么.J.中學(xué)科技,2021,第10期：23-24.3賈海瀛,關(guān)代宇,劉明成.J.天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,第3期：34-354倪雪飛.淺談紅外測(cè)溫及其應(yīng)用.