第10章_辐射式测温

1、第八章第八章 非接触测量非接触测量第八章第八章 非接触测量非接触测量上一页下一页返 回 高温测量中应用最广泛，主要应用行业为冶金、铸造、热处理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工业生产过程中。 任何物体处于绝对零度以上时，都会以一定波长电磁波的形式向外辐射能量。辐射式测温仪表就是利用物体的辐射能量随其温度而变化的原理制成的。 测量时，只需把温度计光学接收系统对准被测物体，而不必与物体接触，因此可以测量运动物体的温度并不会破坏物体的温度场。此外，由于感温元件只接收辐射能，不必达到被测物体的实际温度，从理论上讲，它没有上限，可以测量高温。 非接触测温仪表分类：光学高温计、辐射式温度计第八章第八章 非接触测

2、量非接触测量1 热辐射基本定理2 光学高温计3 光电高温计4 辐射温度计5 比色温度计上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 辐射换热是三种基本的热交换形式之一波长范围：10-3m10-8m 在低温时，物体辐射能量很小，主要发射的是红外线。随着温度的升高，辐射能量急剧增加，辐射光谱也向短的方向移动，在5000C左右时。辐射光谱包括了部分可见光；到8000C时可见光大大增加，即呈现“红热”；如果到30000C时，辐射光谱包括更多的短波成分，使得物体呈现“白热”。 辐射测温的基本原理：观察灼热物体表面的“颜色”来大致判断物体的温度，这就是上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接

3、触测量(1) 热辐射的重要参数(2) 辐射能的分配(3) 基尔霍夫定律(4) 黑体辐射定律上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量辐射能Q 以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，单位为焦耳(J)。辐射能通量 是辐射能随时间的变化率，又称辐射率： (6.4.1)其单位是瓦特(W)。 辐射强度I 在给定方向上的立体角单元内，离开点辐射源(或辐射源面单元)的辐射功率除以该立体角单元，称为该方向上的辐射强度，其单位为瓦/球面度(W/sr)。dtdQ上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量辐射出射度M 离开辐射源表面一点处的面单元上的辐射能量除以该单元面积，称为该点的辐射

4、出射度，即 (6.4.2)辐射出射度的单位为瓦/米2(W/m2)。辐射亮度L和光谱辐射亮度 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为该方向的辐射亮度L。辐射亮度实际上包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量则称为在此波长下的光谱辐射亮度。dSdM上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 当物体接受到辐射能量以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射 RDAQQQQQQQQQQRDA1吸收率； 透射率； 反射率。 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 黑体（绝对黑体）：照射到物体上的辐射

5、能全部被吸收，既无反射也无透射。 透明体：照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。镜体、白体：照射到物体上的辐射能全部反射出去。若物体表现平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或者简称为“白体”。 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 在自然界中黑体、白体和透明体都是不存在的。一般固体和液体的值很小或等于零，而气体的值较大。对于一般工程材料来讲， 0而+ =1，称为灰体 从传热学角度看，可以人为制造黑体 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，和物体的性质无

6、关，是物体的温度和发射波长的函数 ),(.),(),(),(),(),(),(221100TfTTMTTMTTM式中：M0(,T), M1(,T), M2(,T) 物体的单色()辐射出射度； 0(,T), 2(,T) , 2(,T) 物体的单色()吸收率。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 若物体A0绝对黑体，那么0(,T) ，根据基氏定律 ),(.),(),(),(),(02211TMTTMTTM物体的辐射出射度和吸收率之比等于绝对黑体在同样的温度下，相同波长时的辐射出射度。这是基氏定律的另一种说法。设M(,T)为物体A在波长为 ，温度为T下的辐射出射度。 ),(),(),

7、(),(0TTTMTM式中，称为物体A的单色辐射率，或称为单色黑度系数。它表明了在一定的温度和波长下，物体A的辐射出射度与相同温度和波长下黑体的辐射出射度之比。 基尔霍夫定律说明，物体的辐射能力与它的吸收能力是相同的 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量在全波长内，任何物体的全辐射出射度等于单波长的辐射出射度在全波长内的积分 )()(),()(),(),(),()(000000TMTAdTMTAdTMTdTMTM式中，A(T) 物体A在温度T下的全吸收率， M0(T) 黑体在温度T下的全辐射出射度。基氏定律的积分形式为 TTATMTM)()()(0它表明了在一定的温度T下，物体

8、A的辐射出射度与相同温度下黑体的辐射出射度之比。一般物体的T1， T越接近1,表明它与黑体的辐射能力越接近。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 普朗克定律(单色辐射强度定律) 维恩公式 斯蒂芬波尔兹曼定律 （全辐射强度定律，也称为四次方定律）上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量温度为T的单位面积元的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为的辐射出射度为1511520) 1() 1(2),(2TCTkhceCehcTM式中，c光速； h普朗克常数，6.62617610-34Js； k波尔兹曼常数，1.3806624410-23J/K； C1第一辐射常数，3.7418

9、10-16Wm2； C2第二辐射常数，1.438810-12mK； T绝对温度。公式结构比较复杂，但是它对于低温与高温都是适用的 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 理论上说明了黑体在各种温度下能量、波长分布的规律 TCeCTM2510),(公式简单，但是仅适用于不超过3000K的温度范围 黑体的辐射本领是波长和温度的函数，当波长一定时，黑体的辐射本领就仅仅是温度的函数，即)(),(0TfTM上式就是光学高温计和比色高温计测温的理论根据 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 温度为T的绝对黑体，单位面积元在半球方向上所发射的全部波长的辐射出射度与温度T的四次方

10、成正比。 0443245151000152) 1(),()(2TThckdeCdTMTMTC式中，斯蒂芬波尔兹曼常数，5.6696110-3W/(m2K4)。 上式就是辐射式温度计测温的理论根据。全辐射强度定律是单色辐射强度定律在全波长内积分的结果。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量精密光学高温计用于科学实验中的精密测试；标准光学高温计用于量值的传递，例如，在物质熔点、热容量和相变点的测定中使用。光学高温计可用来测量80032000C的高温。由于采用用肉眼进行色度比较，所以测量误差与人的经验有关。光学高温计测量的温度称为亮度温度(TL)，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到

11、非黑体的真实温度。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量隐丝式利用调节电阻来改变高温灯泡的工作电流，当灯丝的亮度与被测物体的亮度一致时，灯泡的亮度就代表了被测物体的亮度温度。恒定亮度式利用减光楔来改变被测物体的亮度，使它与恒定亮度温度的高温灯泡相比较，当两者亮度相等时，根据减光楔旋转的角度来确定被测物体的亮度温度。由于隐丝式光学高温计的结构和使用方法都优于恒定亮度式，所以应用广泛。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 光学系统红色滤波片，造成一个较窄的有效波长吸收玻璃，目的是扩展量程目镜和物镜是一套光学系统 电测系统 包括指示仪表、灯泡、电源和调节电阻四部分。光学

12、高温灯泡：标准辐射源电源、调节电阻和指示仪表组成测量电路 原理一般有电压表式，电流表式以及不平衡电桥和平衡电桥式四种。 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量1物镜；2吸收玻璃；3灯泡；4红色滤波片；5目镜；6指示仪器；7滑线电阻；E电源；K开关；R1刻线调整电阻上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量为了校正光学高温计测量非黑体的温度比真实温度偏低的偏差。定义：当被测物体为非黑体，在同一波长下的光谱辐射亮度同绝对黑体的光谱辐射亮度相等时，则黑体的温度称为被测物体在波长为时的亮度温度。)(00LTTTTLL左边为非黑体光谱辐射亮度，右边为黑体的光谱辐射亮度 上一页下一

13、页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量根据维恩公式有LTCTCTee22对上式两边取对数，并加以整理，得TLCTT1ln112式中，T被测物体在温度为T，波长为时的单色黑度系数； T被测物体的真实温度； TL被测物体的亮度温度。已知物体的单色黑度系数，就可以通过亮度温度求出物体的真实温度。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 光学高温计是由人工操作来完成亮度平衡工作的，其测量结果带有操作者的主观误差。它不能进行连续测量和记录，当被测温度低于8000C时，光学高温计对亮度无法进行平衡。 光电高温计是在光学高温计测量理论的基础上发展起来的一种新型测温仪表。它采用新型的光电器件，

14、自动进行平衡，达到连续测量的目的。 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量第八章第八章 非接触测量非接触测量采用光敏电阻或者光电池作为感受辐射源的敏感元件来代替人眼的观察；采用一参考辐射源与被测物体进行亮度比较，由光敏元件和电子放大器组成鉴别和调整环节，使参考辐射源在选定的波长范围内的亮度自动跟踪被测物体的辐射亮度，当达到平衡时即可得到测量值；在平衡式测量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有变化，对测量结果影响较小，参考辐射源选用钨丝灯泡，能保持较高的稳定性，因此具有较高的精度和连续测量的特性；设计了手动值修正环节，可显示物体的真实温度；采用新型光敏元件，测量范围宽，约为2

15、0016000C。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量1物镜；2同步信号发生器；3调制镜；4微电机；5反光镜；6聚光镜；7参比灯；8探测元件上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 由物镜对0.5m处被测物体调焦成像在分划板上。通过目镜组可清晰地观察到被测物体的瞄准部位 1调制镜；2微电机；3反光镜；4可变光阑；5聚光镜组； 6参比灯；7-目镜组8、9-保护窗；10物镜；11-入射光瞳；12-衰减玻璃；13探测元件；14-滤光片；15-保护光阑；16-分划板；17透镜玻璃；18-出射光阑；19-保护玻璃上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 为了减少硅

16、光电池性能参数的变化及电源电压波动对测量结果的影响，WDL型光电高温计采用负反馈原理进行工作。 首先利用硅光电池将被测对象与标准灯泡的亮度分别转换为电信号，再经放大或送往检测系统进行测量、比较。当两个电信号之差等于零，即说明被测对象与标准灯泡的光谱辐射亮度LA.和LB相等,则标准灯泡的亮度温度即为被测对象的亮度温度。第八章第八章 非接触测量非接触测量 根据全辐射强度定理，即物体的总辐射强度与物体温度的四次方成正比的关系来进行测量的。组成：辐射感温器和显示仪表两部分可用于测量40020000C的高温，多为现场安装式结构。 为适应现场高温环境的要求，可在辐射感温器外加装水冷夹套。辐射高温计测量的温

17、度称为辐射温度，被测对象为非黑体时，要通过修正才能得到非黑体的真实温度。 上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量第八章第八章 非接触测量非接触测量1物镜；2外壳；3补偿光阑；4座架；5热电堆；6接线柱；7穿线套；8盖；9目镜；10校正片；11小齿轴上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量对于辐射式温度计，它是以绝对黑体的辐射能为基准对仪器进行分度的，所以仪器测出的值称为辐射温度。辐射温度的定义：黑体的总辐射能等于非黑体的总辐射能时，此黑体的温度即为非黑体的辐射温度。根据全辐射强度定理，总辐射能相等，则有：44FTTT41TFTT因为非黑体T 1，则TFT因此用辐射温度

18、计测出的温度要比物体的真实温度低。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量 辐射温度计由辐射感温器、显示仪表及辅助装置构成，其工作原理： 被测物体的热辐射能量，经物镜聚集在热电堆（由一组微细的热电偶串联而成）上并转换成热电势输出，其值与被测物体的表面温度成正比，用显示仪表进行指示记录。第八章第八章 非接触测量非接触测量原理：通过测量热辐射体在两个或两个以上波长的光谱辐射亮度之比来测量温度。特点：准确度高，响应快，可观察小目标(最小可到2mm)。因为实际物体的单色黑度系数和全辐射黑度系数的数值相差很大，但是对同一物体的不同波长的单色黑度系数和来说，其比值的变化却很小。所以用比色温度计

19、测得的温度称为比色温度，它与物体的真实温度很接近，一般可以不进行校正。上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量比色温度计第八章第八章 非接触测量非接触测量上一页下一页返 回第八章第八章 非接触测量非接触测量第八章第八章 非接触测量非接触测量1. 光敏电阻光敏电阻(LDR)When LDR was exposed to light, itgot a lower resistance value, thephenomenon is called Internal photoelectric effect(内光电效应内光电效应)( (当光敏电阻受到光照时，当光敏电阻受到光照时， 阻值减小

20、。阻值减小。)第八章第八章 非接触测量非接触测量 Demo of LDR 当光敏电当光敏电阻阻(LDR)(LDR)受受到光照时到光照时，光生电光生电子子空穴空穴对增加，对增加，阻值减小阻值减小，电流增，电流增大。大。暗电流暗电流(Dark current)（越（越小越好）小越好）第八章第八章 非接触测量非接触测量2. 光敏二极管光敏二极管 将光敏二极管的将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光的正下方，光照射到光敏二极管的敏二极管的PN结时，电结时，电子子-空穴对数量增加空穴对数量增加，光，光电流（电流（light current）与与照度（照度（ill

21、umination intensity) 成正比。成正比。 第八章第八章 非接触测量非接触测量不同的外部形式的光敏二极管不同的外部形式的光敏二极管光敏二极管阵列第八章第八章 非接触测量非接触测量 光敏二极管的光敏二极管的反向反向偏置接法偏置接法 在没有光照时，由于二在没有光照时，由于二极管反向偏置，所以反向电极管反向偏置，所以反向电流很小，这时的电流称为暗流很小，这时的电流称为暗电流，相当于普通二极管的电流，相当于普通二极管的反向饱和漏电流。反向饱和漏电流。 当光照射在二极管的当光照射在二极管的PNPN结（又称耗尽层）上时，在结（又称耗尽层）上时，在PNPN结附近产生的电子结附近产生的电子-

22、-空穴对空穴对数量也随之增加，光电流也数量也随之增加，光电流也相应增大，光电流与照度成相应增大，光电流与照度成正比。正比。 第八章第八章 非接触测量非接触测量演示的反向偏压连接光敏二极管和光电特性演示的反向偏压连接光敏二极管和光电特性 在没有光照时，在没有光照时，由于二极管反向偏置由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流，反向电流（暗电流）很小。）很小。 当当光照增加光照增加时，时，光电流光电流I与光照度成正与光照度成正比关系。比关系。 Backward bias connection of photosensitive diodeUO+ light第八章第八章 非接触测量非接触测量3. Phot

23、osensitive Triode( (光敏三极管光敏三极管) ) 光敏三极管有两光敏三极管有两个个PN结结。与普通三极管。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，多数光敏三极管的基极没有引出线，只有只有正负（正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。二极管相似，从外观上很难区别。) ) 第八章第八章 非接触测量非接触测量External forms of Photosensitive Triodes ( (光敏三极光敏三极管外形管外形 )第八章第八章 非接触

24、测量非接触测量Internal structure of Photosensitive Triodes (光敏三极管内部光敏三极管内部结构结构) a) internal structure b)管芯结构管芯结构 c）结构简化图结构简化图 1pin of collector junction(集电极引脚集电极引脚) 7N-type collector region (N型集电区型集电区) 2管芯管芯 8SiO2保护圈保护圈 3shell(外壳外壳) 9collector junction(集电结集电结) 4collecting glass mirror(玻璃聚光镜玻璃聚光镜) 10P-type

25、base region (P型基区型基区) 5pin of emitter junction(发射极引脚发射极引脚) 11(N-type emitter region) N型发射区型发射区 6N+ substrate (N+衬底衬底) 12emitter junction(发射结发射结) 第八章第八章 非接触测量非接触测量Photoelectric characteristic0Light photocurrent (光电流光电流)Photosensitive Triode(光光敏三极管敏三极管)Photosensitive diode(光光敏二极管敏二极管)3000lx4mA请判断灵敏度的高

26、低请判断灵敏度的高低0.3mA请计算当请计算当E=100lx时，光敏二极管的光电流时，光敏二极管的光电流I IE第八章第八章 非接触测量非接触测量4.Photoelectric component（光电元件（光电元件) )based on photovoltaic effect （光生伏特效应）（光生伏特效应） photocell( (光电池光电池) ) 在在N型衬底型衬底(substrate) (substrate) 上制造一薄层上制造一薄层P型层型层作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射作为光照敏感面，就构成最简单的光电池。当入射光子光子(incident photon) (inci

27、dent photon) 的能量足够大时，的能量足够大时，P型区型区每吸收一个光子就产生一对光生电子每吸收一个光子就产生一对光生电子空穴对，空穴对， 光生电子光生电子空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运空穴对的的扩散运动使电子通过漂移运动被拉到动被拉到N型区，空穴留在型区，空穴留在P区，所以区，所以N区带负电，区带负电，P区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，区带正电。如果光照是连续的，经短暂的时间，PN结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。结两侧就有一个稳定的光生电动势输出。 第八章第八章 非接触测量非接触测量External forms of photocellsPhotosensitiv

28、e surface第八章第八章 非接触测量非接触测量能提供较大电流的大能提供较大电流的大面积光电池面积光电池外形外形第八章第八章 非接触测量非接触测量Other photocells and Application in illumination intensity measuring (其他其他光电池及在照光电池及在照度测量中的应用度测量中的应用) )柔光罩下面为圆形光电池柔光罩下面为圆形光电池第八章第八章 非接触测量非接触测量Photocell -Application in power-related field( (光光电池在动力方面的应用电池在动力方面的应用) )Solar-powe

29、red cars(太阳太阳能赛车）能赛车）A model of solar-powered motor太阳能电动太阳能电动机模型机模型Solar silicon photocell panels(太阳太阳能硅光电池板能硅光电池板)第八章第八章 非接触测量非接触测量Photocell -Application in power-related field( (光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用) )Solar electrical energy generation(太阳能发电）太阳能发电）第八章第八章 非接触测量非接触测量Photocell -Application in power

30、-related field( (光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用) )Application in man-made satellites第八章第八章 非接触测量非接触测量Photoelectric characteristic of photocell光电池的光电特性光电池的光电特性 photoelectric characteristics of a typical silicon photocell(硅光电池）硅光电池） 1curve of open circuit voltage 2curve of short circuit currentOpen circuit vo

31、ltage(开路电开路电压压)being a logarithmic performanceShort circuit current(短路电短路电流流)being a linear performance第八章第八章 非接触测量非接触测量II. Application circuit of photoelectric component (光电元件的基本应用电路光电元件的基本应用电路 )1. Basic application circuit of photosensitive resistor(光敏光敏电阻的基本应用电路电阻的基本应用电路) a）U与光照变化趋势相同的电路与光照变化趋势相同

32、的电路 b）U与光照变化趋势相反的电路与光照变化趋势相反的电路 第八章第八章 非接触测量非接触测量2. Application circuit of photocell short circuit current measuring circuit of photocell (光电池短路电流测量电路光电池短路电流测量电路) ) output voltage Uo is proportional to photocurrent I in I/U change-over circuit. 转换电路转换电路的输出电压的输出电压Uo与光电流与光电流I成正比。若光电池成正比。若光电池用于微光测量时，用于

33、微光测量时，I可能较小，则应增加一级放大电路，可能较小，则应增加一级放大电路，并在第二级使用电位器并在第二级使用电位器RP微调总的放大倍数。微调总的放大倍数。 第八章第八章 非接触测量非接触测量Application of photoelectric sensor( (光电传感器的应用光电传感器的应用) ) 1.1.光源本身是被测物的应用实例光源本身是被测物的应用实例 光的照度光的照度E的单位的单位是是lx（勒克斯），（勒克斯）， 它是常用的光度学它是常用的光度学单位之一，它表示单位之一，它表示受照物体被照亮程受照物体被照亮程度的物理量，可以度的物理量，可以用照度计用照度计（Illuminom

34、eter)来测量。来测量。 光电池光电池（外加柔（外加柔光罩）光罩）第八章第八章 非接触测量非接触测量 Infrared radiation thermometer( (红外线辐射温度计红外线辐射温度计) ) Infrared radiation thermometer can be used for measuring high temperature as well as low temperature below the freezing point, it is the developmental tendency of radiation thermometer. Infrared

35、radiation thermometers on sale can measure the temperature between minus 30 degrees Celsius and 3000 degrees Celsius, many specifications are provided and you can choose the right type according to your request. ( (红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红

36、外辐射温度计的温度范围可以从计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-30-3030003000，中间分成若干，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。）个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。）第八章第八章 非接触测量非接触测量Eternal forms of infrared radiation thermometers ( (红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形) ) laser (激光）激光） is only used for aiming第八章第八章 非接触测量非接触测量Eternal forms of infrared radiation thermome

37、ters ( (红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形) ) used to measure foods temperature第八章第八章 非接触测量非接触测量Infrared radiation thermometer -applications in non-contact body temperature measuring( (非接触体温测量中的应用）非接触体温测量中的应用）耳温仪耳温仪第八章第八章 非接触测量非接触测量 Infrared radiation thermometer - Application in measuring forehead temperature红外辐

38、射温度计红外辐射温度计第八章第八章 非接触测量非接触测量 Infrared radiation thermometer -Application in non-contact temperature measuring( (非接触温度测量中的应用）非接触温度测量中的应用）集成集成IC 温度测量温度测量第八章第八章 非接触测量非接触测量利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）第八章第八章 非接触测量非接触测量利用红色激光瞄准被利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花测物（电控柜、天花板内的布线层）板内的布线层）Temperature acquisition s

39、ystem(温度采集系温度采集系统统)第八章第八章 非接触测量非接触测量(2) (2) Pyroelectricoptical transducer （热释电传感器热释电传感器) ) -Application in body detection and alarm systems 热释电元件在红外线检测中得到广泛的热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等控制等。 热释电元件外形热释电元件外形 第八章第八章 非接触测量非接触测量Pyroelect

40、ricoptical transducer（热释电传热释电传感器感器） 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。除了在楼道自动开仪、红外遥感以及热辐射探测器。

41、除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等数码照相机自动记录动物或人的活动等等 第八章第八章 非接触测量非接触测量Interior circuit of pyroelectricoptical transducer两块反向

42、串联的热释两块反向串联的热释电晶片电晶片)Field-effect tube(场效应管场效应管)第八章第八章 非接触测量非接触测量Operational principle of pyroelectricoptical transducer(热释热释电传感器工作原理电传感器工作原理) 热释电晶片热释电晶片(pyroelectricoptical micro-chips)表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成成菲涅尔透镜菲涅尔透镜(Fresnel lens)，每一透镜单元都只有，每一透镜单元都只有一个不大的视场角一个不大的视场角(angle of

43、field)，当人体在透镜，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号释电单元将输出一串交变脉冲信号(a group of AC pulse signals)。当然，如果人体静止不动地站在热。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是释电元件前面，它是“视而不见视而不见”的。的。 第八章第八章 非接触测量非接触测量External form of Fresnel lens(菲涅尔透镜菲涅尔透镜) 传感器不加菲涅尔传感器不加

44、菲涅尔透镜时，其检测距离透镜时，其检测距离小于小于2m，而加上该透，而加上该透镜后，其检测距离可镜后，其检测距离可增加增加3倍以上。倍以上。第八章第八章 非接触测量非接触测量Pyroelectricoptical kit第八章第八章 非接触测量非接触测量Pyroelectricoptical Alarm(热释电报警器热释电报警器) Fresnel lens设定按钮设定按钮高分贝喇叭高分贝喇叭第八章第八章 非接触测量非接触测量Pyroelectricoptical alarm(热释电报警器热释电报警器) （续）（续） Fresnel lens 5mm接插件接插件第八章第八章 非接触测量非接触测量

45、pyroelectricoptical alarm(热释电报警器热释电报警器)（续（续） ceiling-mounted pyroelectricoptical alarm (吸顶式吸顶式 热释电报警器热释电报警器)第八章第八章 非接触测量非接触测量Application of pyroelectricoptical transducer 热释电热释电传感器用于传感器用于自动亮灯，自动亮灯，当然也可以当然也可以用于防盗用于防盗热释电传感器热释电传感器的感应范围的感应范围第八章第八章 非接触测量非接触测量Pyroelectricoptical sense light(热释电感应热释电感应灯灯)第

46、八章第八章 非接触测量非接触测量Automatic sense light (自动感应灯自动感应灯)（参考施特朗公司资料）（参考施特朗公司资料）第八章第八章 非接触测量非接触测量Pyroelectricoptical transducer - application in intelligent air-conditioner 智能空调能检测智能空调能检测出屋内是否有人，微出屋内是否有人，微处理器据此自动调节处理器据此自动调节空调的出风量，以达空调的出风量，以达到节能的目的。到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内透镜做成球形状，

47、从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。是静止着还是走动着。上下范围上下范围左右范围左右范围第八章第八章 非接触测量非接触测量Operational principle ofOperational principle of photoelectric photoelectric NephelometerNephelometer( (光电式浊度计光电式浊度计) )1constant current source1constant current source( (恒流源恒流源) ) 5water sample to be measure

48、d 5water sample to be measured( (被测水样被测水样) ) 2semiconductor laser2semiconductor laser( (半导体激光器半导体激光器) ) 6 6、9photocell9photocell( (光电池）光电池）33半反半透镜半反半透镜 7 7、10I/U converter10I/U converter( (电流电流/ /电压转换器电压转换器) ) 4reflecting mirror4reflecting mirror( (反射镜反射镜) ) 8standard water sample 8standard water sa

49、mple( (标准水样标准水样) ) 参比通道参比通道 第八章第八章 非接触测量非接触测量 2.smoke detector/alarm2.smoke detector/alarm （参考（参考南京千里通公司南京千里通公司 无线无线烟雾报警器烟雾报警器资料）资料） 无烟雾时，光敏无烟雾时，光敏元件接收到元件接收到LED发射发射的恒定红外光。而在的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，经阀值判断电路后，发出报警信号。，发出报警信号。 smoke报警报警第八

50、章第八章 非接触测量非接触测量Internal structure of wireless smoke detector(无线无线烟雾报警器内部结构烟雾报警器内部结构) ) 可发出高分贝笛鸣可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器声的蜂鸣器(buzzer)第八章第八章 非接触测量非接触测量无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器 无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工微安，报警发射时工作电流为作电流为20毫安。当探测

51、到初期明火或者烟雾达到毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。警信息传递出去。 无线发射器的报警距离在空旷无线发射器的报警距离在空旷地可以达到地可以达到200米，在有阻挡的普通家庭环境中可米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到以达到20米。米。第八章第八章 非接触测量非接触测量3 被测物体反射被测物体反射光通量光通量(Lumi

52、nous flux)的应用实例的应用实例 (1)反射式烟雾报反射式烟雾报警器警器 (reflex smoke detector) 在没有烟雾在没有烟雾时，由于红外对时，由于红外对管相互垂直，烟管相互垂直，烟雾室内又涂有黑雾室内又涂有黑色吸光材料，所色吸光材料，所以红外以红外LED发出发出的红外光无法到的红外光无法到达红外光敏三极达红外光敏三极管。管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（红外光产生漫反射（diffuse reflection)diffuse reflection)（图（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外中只画出几个微

53、粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。光到达光敏三极管，有光电流输出。第八章第八章 非接触测量非接触测量 ( (2)photoelectric tachometer(2)photoelectric tachometer(光电式转速光电式转速表表) ) 光电式转光电式转速表属于反射速表属于反射式光电传感器式光电传感器，它可以在距，它可以在距被测物数十毫被测物数十毫米外非接触地米外非接触地测量其转速。测量其转速。 n =60( f /z ) 第八章第八章 非接触测量非接触测量水泵水泵转速测量转速测量第八章第八章 非接触测量非接触测量External form of photoe

54、lectric tachometer 第八章第八章 非接触测量非接触测量(3)(3)色标传感器色标传感器 色饱和图色饱和图 (color saturation) 色标传感器常用于检测色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直来实现色标检测，而不是直接测量颜色。接测量颜色。 人眼对各色光的敏感程度人眼对各色光的敏感程度第八章第八章 非接触测量非接触测量产品包装色彩检测、分选产品包装色彩检测、分选第八章第八章 非接触测量非接触测量（4）光电自动门）光电自动门Photoelectric sensor o

55、f automatic door(自动门自动门光电传感器光电传感器)放大图放大图有效检测区域有效检测区域第八章第八章 非接触测量非接触测量4 被测物遮挡光通量的应用实例被测物遮挡光通量的应用实例 （1）光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器 光电传感器光电传感器 带材走偏带材走偏时，边缘经常时，边缘经常与传送机械发与传送机械发生碰撞，易出生碰撞，易出现卷边，造成现卷边，造成废品。废品。 当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的

56、方向及大小。材跑偏的方向及大小。 第八章第八章 非接触测量非接触测量光电开关在流水线光电开关在流水线(production line)上的应用上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关Coffee can流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓(bunker)落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（计数）（计数）第八章第八章 非接触测量非接触测量定区域反射式光电开关原理定区域反射式光电开关原理定区域式光电开关有定区域式光电开关有一个非常确定的检测一个非常确定的检测区域（区域（detecting detecting area)area)，不经过该区，不经过该区域的被

57、测物体不会引域的被测物体不会引起光电开关产生开关起光电开关产生开关信号。信号。检测距离检测距离第八章第八章 非接触测量非接触测量反射型光电开关及反射镜外形反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜三角反射镜集发射、接收器集发射、接收器于一身于一身第八章第八章 非接触测量非接触测量反射镜反射镜反射型反射型光电开关工光电开关工作原理作原理 反射镜反射镜反射型反射型光电开光电开关集光发射器和光接受器关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光器发出的光转变成偏振光反射回去，光

58、接收器表面反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏接受反射镜反射回来的偏振光。振光。反射板反射镜反射镜(reflector)被测物体偏振光偏振光(polarized light)发射光发射光(emitted light)第八章第八章 非接触测量非接触测量被测物漫反射型光电开关原理被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线(ray of diffuse reflection)反射光线(Reflection ray)被检测物体光发射器(light emitter)和光接受器(light receiver)发射光线(ray of incident light

59、) 漫反射型漫反射型光电开关光电开关集光集光发射器和光接发射器和光接受器于一体。受器于一体。当被测物体经当被测物体经过该光电开关过该光电开关时，发射器发时，发射器发出的光线经被出的光线经被测物体表面反测物体表面反射由接受器接射由接受器接受，于是产生受，于是产生开关信号。开关信号。额定距离额定距离(nominal distance)第八章第八章 非接触测量非接触测量 智能化光电开关的自学习过程示意图智能化光电开关的自学习过程示意图阈值开关阈值开关学习指示灯学习指示灯设定距离设定距离安装距离安装距离第八章第八章 非接触测量非接触测量表面反射率表面反射率(surface albedo)(surfac

60、e albedo) 对于漫反射式光电开关发出的光对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，被检测物体接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。射光线。第八章第八章 非接触测量非接触测量Application of photoelectric switch(光电开光电开关应用关应用)（续）（续）透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量