辐射式传感器-红外-超声
54页1、Xi anJiaotongUniversity 1 红光以外的光线 波长0 76 1000 m 波长 m 任何温度高于绝对零度 273 15 的物体 都会发射或吸收红外线 即红外辐射 当达到热平衡时 散发和吸收的辐射一样多 物体红外辐射的强度和波长分布取决于物体的温度和辐射率等 红外辐射传感器 Xi anJiaotongUniversity 2 红外辐射规律 1 基尔霍夫定律 物体向外发射的辐射能取决于它的温度和吸收本领 ER 物体在单位面积 单位时间内发出的辐射能 物体对辐射能的吸收系数 黑体的吸收系数为1 E0 常数 等价于黑体在相同温度下发射出的辐射能 红外辐射传感器 Xi anJiaotongUniversity 2 斯蒂芬 玻尔茨曼 Stefan Boltzmann 定律 物体单位面积辐射功率 物体辐射强度W与其热力学温度T四次方成正比 1 黑体 1 在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射 2 物体辐射强度随温度升高而明显增强 红外辐射传感器 Xi anJiaotongUniversity 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
2、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 红外辐射传感器 黑体对波长为 的光谱辐射通量密度 普朗克辐射常数 Xi anJiaotongUniversity a 随温度升高 峰值辐射波长向短波方向移动 强度按指数增长 b 温度不太高时 辐射波长位于红外区域 c 峰值左侧能量约占25 右侧约占75 4 维恩位移定律 光谱辐射通量密度密度峰值波长与物体自身的绝对温度成反比 红外辐射传感器 Xi anJiaotongUniversity 能将红外辐射能转换为电能的装置称为红外传感器 按其工作原理可以分为光敏型 或称光子型 量子型 和热敏型两类 光敏型直接把红外光能转换为电能 其工作原理是光电效应 需要在低温下工作 灵敏度很高 响应速度快 但响应红外光的波长范围较窄 图中曲线2 红外传感器光谱响应曲线 红外辐射传感器 热敏型将吸收的红外光转变为热能 使器件自身的温度发生变化 包括热电偶式 热电阻式和热释电式等 热敏型红外传感器响应的红外光谱范围宽 图中的曲线1 能在常温下工作 价格便宜 它的响应速度和灵敏度较低 Xi anJiaotongUniversity 以红外线为测量介质的系
3、统称为红外传感系统 按照功能可以分成五类 1 温度计和辐射计 用于温度 辐射和光谱测量 2 搜索和跟踪系统 用于搜索和跟踪红外目标 确定其空间位置并对它的运动进行跟踪 3 热成像系统 可产生整个目标红外辐射的分布图像 4 红外测距和通信系统 5 混合系统 由以上各类系统中的两个或者多个组合而成 红外辐射传感器 Xi anJiaotongUniversity 3 光学接收器 接收部分红外辐射并传输给红外传感器 相当于雷达天线 常用的是物镜 4 辐射调制器 将来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光 提供目标方位信息 并且可以滤除大面积的干扰信号 又称调制盘和斩波器 1 待侧目标 具有红外辐射特性 2 大气衰减 由于各种气体分子以及溶胶粒的散射和吸收 使待测目标发出的红外辐射发生衰减 典型的红外传感系统 Xi anJiaotongUniversity 5 红外探测器 它是红外传感系统的核心 利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射 按照工作原理分为光敏探测器和热敏探测器两类 6 探测器制冷器 由于某些探测器必须要在低温下工作 所以相应的系统必须有制冷设备 经过制冷 探测器可以
4、缩短响应时间 提高灵敏度 7 信号处理系统 将探测的信号进行放大 滤波 并从中提取出有用的信息 然后将这些信息转化为适当的格式 传送到控制设备或者显示器中 8 显示设备 它是红外传感系统的终端设备 常用的有示波器 显像管 指示仪器和记录仪等 典型的红外传感系统 Xi anJiaotongUniversity 滤光片采用允许在8 14 m的红外辐射能通过的材料 步进电机带动调制盘转动 将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线 透镜焦点落在红外光敏面上 被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上 并将红外辐射变换为电信号 例1 红外测温 0 700 红外辐射传感器 Xi anJiaotongUniversity 例2 红外测温 800 以上的高温 假定人造黑体吸收了由被测物辐射的全部能量 根据 Stefan Boltzmann 定律 从而得到 红外辐射传感器 Xi anJiaotongUniversity 例3 红外热成像 红外热像仪将红外辐射转换成可见光进行显示 利用物体自身的红外辐射来摄取物体热辐射图像 它能通过快速扫描 精确的摄取反映被测物体温差信息的热图像 红外辐射传感器 Xi a
5、nJiaotongUniversity 热像技术应用 温度分布检测 飞行器表面温度检测 无损探测 安全生产监控 夜间机场状况检测 海岸线检测 临床医学 军事等 红外辐射传感器 防爆型红外热像仪 用于探测地面和井下煤堆自燃温度 矿用本质安全型红外成像生命探测仪 用于井下人员搜救 探测隐性火区分布 探测瞎炮位置分布 采煤机组与液压支架实时工作状态 探测井下各种开关 接头 变压器的事故隐患 各种电器及传动设备的发热状态等 Xi anJiaotongUniversity 红外辐射传感器 红外图像举例 Xi anJiaotongUniversity 红外热像仪应用 a 示出了某一场景的可见光图像 图像背景是山和烟雾 从中可以清晰地看出一部卡车 b 示出该场景的红外图像 红外图像能够穿透烟雾拍摄 从图中可以看出卡车和直升飞机的部分成像 c 为融合图像 a b c Xi anJiaotongUniversity 红外热像仪应用 贮存罐液位检测 内部屋顶检查 微观电路检测 塑料挤压过程温度检测 Xi anJiaotongUniversity 总线节点发热检测 耐火材料设备检测 电脑主板发热量分布 沥青
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