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1、纟传感器原理龙课程读书报皆红外光电传感器测温仪红外测温传感器结构1前置红光学成像夕卜J传感器原理课程读书报吿据基尔霍夫定律、普朗克定律、维恩公式这三大辐射定律，物体的红外辐射能量 的大小及其按波长的分布与其表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体 自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测 温所依据的客观基础。三大辐射定律均是以“黑体”作为研究对象分析得出的。但是，自然界中存在的 实际物体都不是黑体，所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之 外，还与构成物体的材料种类、制备方法以及表面状态和环境条件等因素有关。 因此，为了使黑体辐射定律适用于所有实际物
2、体，必须引入一个与材料性质及表 面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的 接近程度，其值在0-1之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道 了任何物体的红外辐射特性。物体表面发射率主要决定于材料性质和表面状态(如表面氧化情况，涂层材料，粗糙程度及污秽状态等)。当物体的温度高于绝对零度时，山于它内部热运动的存在，就会不断的向四 周辐射电磁波，其中的红外线在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个 最大值，这种物质成为黑体，其他的波段的最大值成为灰体。事实上，自然界中 并不存在黑体，只是为了获得红外线的分布规律才提出的，从而导岀了普朗克黑 体辐射定律。普朗克
3、黑体辐射定律是用于描述在任意温度下从一个黑体中发射的电磁辐 射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。通过对物体自身辐射的红外能量的测 量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础用公 式可表达为：E=5 £ (T-To)E是辐射出射度.单位是W/m3：§是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5. 67xlO-8W/ (m2K4)；£是物体的辐射率：T是物体的温度(K)；To是物体周围的环境温度(K)o红外测温仪电路比较复杂，包括前置放大，选频放大，温度补偿，线性化，发 射率£(比辐射率)调节等。口前已有一种带单片机的智能红外测温仪，利用单片机 与软
4、件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采 用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、铝、银或洛等对红外辐射反射率很高 的金属材料。3红外测温理论基础3. 1红外辐射(红外线、红外光)红外线是电磁波谱中，波长0. 76um-1000 u m范围的电磁辐射，位于红外光与无 线电波之间。与可见光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性相同。同时具有 粒子性。对人的眼睛不敏感，要用对红外敬感的探测器才能接收到。红外辐射的 本质是热辐射，热辐射包括紫外光、可见光辐射，但是在0. 76 u m-40 P m红外辐 射热效应
5、最大。'自然界中一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体，时时刻刻都在不 停地辐射红外线。辐射的量主要山物体的温度和材料本身的性质决定；特别热辐 射的强度及光谱成份取决于辐射体的温度。3. 2黑体辐射规律黑体红外辐射的基本规律揭示的是黑体发射的红外热辐射随温度及波长的定量 关系。黑体一种理想物体，它们在相同的温度下都发出同样的电磁波谱，而与黑 体的具体成分和形状特性无关。斯特藩和玻耳兹曼通过实验和计算得岀黑体辐射 定律：>T?TM?） （o.纟传感器原理课程读书报育TMT时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总一一式中：温 度为）（。匸一一斯特藩玻耳兹曼常量；一一物
6、体温度。辐出度；的辐射定律一般 比较复杂，需借助于黑体）上式是黑体的热辐射定律。实际物体（非黑体 的辐射 定律来研究。TT ,即：时的总辐出度时，总辐出度为M等于黑体在温度为血 设被测物体的温度为f«T?MM?T?, ? F0化简得1TT?4 F?竹值可通过查表或实验得 到，T其中为为发射率，不同物体的发射率不同，具体材料的叮，就可算岀物体 的真实温度。和被测物体的辐射温度，所以已知被测物体的F4红外测温传感器特性当用红外辐射测温仪测量U标的温度时首先要测量出U标在其波段范围内的红 外辐射量，然后山测温仪讣算出被测口标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量 成比例；双色测温仪与两个波段的
7、辐射量之比成比例。红外线波长范圉是0. 78 n m-100 p mo然而，红外辐射自标发射出来，总是要在 大气中传播一段距离才能到达观测仪器,除儿何发散外，红外辐射在大气中传播 会有很大衰减，主要因素是大气中各种气体对辐射的吸收。组成大气的主要气体是氮气氧气氮气，它们占99%以上。有幸的是，它们不吸 收15 um以下的红外线，否则红外技术在野外就无法使用。能引起红外吸收的气 体是水汽，二氧化碳，臭氧（03）,它们在不同波段针对红外线形成吸收带，再加上 甲烷,一氧化碳等吸收作用，造成了红外辐射的衰减。通过1 um-15 um的红外辐射通过一海里长度的大气透射比试验，证明只有处于 红外吸收带之间
8、的红外辐射能够透过大气向远处传输，其中有三个透过大气的红 外波段,1-2. 5 um, 3-5 nm, 8-13 nm,这三个波段被称作“大气窗口”，红外测温 系统常常在这三个窗口内工作。3-5 u m, 8-13 u m两个波段的范围都有不同特性的控制可选用。这两个波段分别 称为“短波”和“长波”窗口。从原理上计，这两个窗口都敬感，但大多数设计者 都选择了短波段,原因是该波段范圉中，能在较宽的范圉内提供最佳功能，达到良 好的测温要求；而长波窗口则更多地用于低温及远距离的检查（AGENA570就有此 功能）。只有对热成像系统的原理及构成有了一定的了解后,才能实现对热像仪的正确操 作，从而进一步
9、实现对温度的精确测量。.传感器原理课程读书报告山于热像仪测温是利用探测器输出的视频信号进行处理后得出的，根据公式：Usoc(woT5/n) f e ( AT) t a (X)R(X)dX式中:Us-探测器输出视频信号的幅度XI, X2热像仪工作波长范围W-一热像仪瞬时视场角.0 -一辐射常数T -一被测目标温度£ (XT)被测目标光谱辐射率t a (X)-一大气透过率R( A)-一热像仪总光谱响应可见，测温精度与很多因素有关，如U标特性，热像仪特性，测量距离等。为了实现所需的温度测量和便于操作，LI前使用的大多数热像仪(如PM290)已 在系统中实现了以下三方面的精度补偿：(1) 热
10、像仪内部的飘移和增溢补偿.(2) 不同操作温度下的补偿如夏天和冬天.(3) 镜头视场外的辐射补偿.其它如发射率，环境温度，距离，湿度等最基本的参数则要求用户根据实际情况自 行设置，以保证测温精度的可黑性。与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比，红外温度汁具有测温范II宽、寿命长、 性能可靠、反应极快和非接触性等诸多优点。另外，红外温度计还特别适合测量 腐蚀性的介质和运动物体的温度，而且不会破坏到被测对象的温度场。两个对应测点之间的温差与其中较热点的温升之比的百分数。相对温差各t,可 用下式求出：5 t= (tl-t2)/t 1X100% = (T1-T2)/(T1-T0) X100%式中：1和T
11、1发热点的温升和温度2和T2正常相对应点的温升和温度T0环境温度参照体的温度与热电偶、热电阻等常规温度传感器相比，红外温度汁具有测温范圉宽、寿命长、 性能可靠、反应极快和非接触性等诸多优点。另外，红外温度计还特别适合测量 腐蚀性的介质和运动物体的温度，而且不会破坏到被测对象的温度场。4. 1红外测温误差的分析山于红外测温仪是非接触式的，其测量结果受很多因素影响，从仪器本身来说, 有以下儿个方面：以不等温黑体作为校准源，仪器发射率的不同，空气介质及仪 器透镜结垢或磨损等；从外界因素来说，测量结果受被测物体的辐射率，测量距 离系数，外界环境温度等儿方面影响。.传感器原理课程读书报育4. 2红外测温
12、误差的解决方法：应用中一般釆用现场比对校准的方法来尽量消除这些影响根据实际校准需要相应选择儿个校准温度，校准顺序山低温向高温依次进行。先 设定物体的辐射率£ =1进行校准，然后调整£值使显示温度与校准温度一致， 读取£二1的示值和调整后的示值。每个校准点反复读取儿次，然后进行数 据处理。对于示值误差和重复性均符合要求的测温仪将其S值标明即可。5小结红外技术已经在现代科技、国防、医疗、工农业等领域获得了广泛的应用。在电 子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价 格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。红外测温技术在产品 质量
13、控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护，以及节约能源等方面发挥着重 要作用。参考文献1 李松林.红外温度模块额温测量系统J.电子测量技术,2005, (01)2 刘树田红外测温的原理是什么.J1.中学科技，2009,第10期：23-24.3 贾海瀛，关代宇，刘明成.J.天津师范大学学报(自然科学版)，2009,第 3 期：34354 倪雪飞.浅谈红外测温及其应用.J.计量与测试技术，2009,第36卷笫 7 期：785 贺振华.红外诊断和紫外检测技术在污秽绝缘子中的应用比较与分析J.大 众科技,2010 (10) : 151-1526 马殿阁.多路红外温度监测仪J.电子测量技术，1993, (03)7 李松林红外温度模块额温测量系统J电子测量技术,2005, (01)8 刘曙光.高性能24位信号调理A/D芯片AD7710及其应用J.国外电子测 量技术，(02), 2000.