四红外成像器件

光电成像技术

2010/2011第二学期王烨wangye35@参考教材：《光电成像原理》

作

者

编著:邹异松刘玉凤白廷柱出版社

北京理工大学出版社书

号

81045-231-2第四章红外成像器件红外辐射技术作为一门新兴技术科学，在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。应用领域十分广阔，例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射就是红外光，其波长从1～1000μm。红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示。

红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。研究分析表明，对于波长为1～5μm、8～14μm区域的红外光具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。例如，黑体(能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体)、镜体(能全部反射红外辐射的物体)、透明体(能全部穿透红外辐射的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效应。严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。

上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。

红外探测器

对红外波段的入射电磁辐射产生电输出的探测器件。（单元器件，成像器件）类型：光子探测器（光电效应）热（辐射）探测器（热电效应）光子探测器与热探测器的比较光子探测器内光子效应外光子效应光电导效应（光敏电阻）光生伏特效应（光电池，光敏二极管，光敏三极管）光阴级发射光电子（光电管）光电子倍增（光电倍增管，像增强器）光电效应特点：具有频率选择性，响应速度快光电导效应：由光照引起半导体电导率增加的现象（体效应）。光生伏特效应：光照零偏PN结产生开路电压的效应。（结效应）光电发射效应：在光照下，物体向表面以外空间发射电子的现象。热探测器光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不能直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，进而使探测元件的电学性质或其他物理性质发生改变。特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般较慢1

温差电效应结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合回路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，这种电流称为温差电流，产生这种电流的电动势称为温差电动势。此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以外,还决定于结点处的温差，这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。应用：温差发电器，热电偶，热电堆光传感器2.热释电效应概念：晶体在没有外加电场和应力的情况下，具有自发的或永久的电极化强度，且这种电极化强度（面电荷密度）随晶体本身温度的变化而变化。特点：工作波段为8－14um，且是一种交流式瞬时响应器件应用：热成像技术，红外遥感技术，快速激光脉冲监测等

热电晶体在自发极化强度Ps的作用下，垂直于Ps的两个晶面上会分别出现等量、异号的面束缚电荷。当热电晶体因吸收光辐射而使其温度由T1上升到T2时，自发极化强度Ps减小，导致晶面上的束缚电荷减少，这相当于晶体表面“释放”了电荷，因此称为热释电效应热电系数：其中，表示应力与电场保持不变热释电器件完成热电转换的条件

面电荷密度常被内部或外来的自由电荷所中和，因此不能维持较长时间，其时间常数为：只要在该时间内使热释电晶体的温度发生变化，晶体的自发电极化强度将随温度的变化而变化，从而相应的束缚电荷也随之变化。铁电体：具有热释电效应的晶体（硫酸三甘肽TGS，钽酸锂LiTaO3-LT，铌酸锶钡SBN）居里温度：使电极化强度降低到零时的温度。单畴化：通过外电场的瞬间作用使铁电体产生较强自发极化强度的过程。单畴化的热释电晶体，在垂直极化方向的表面上将由表面层的电偶极子构成相应的静电束缚电荷，且：

其中：：面电荷密度；S，d：晶体的表面积和厚度热释电晶体的表面束缚面电荷密度等于它的自发电极化强度。红外变像管红外摄像管——热释电摄像管1-锗透镜；2-锗窗口；3-栅网；4-聚焦线圈；5-偏转线圈；6-电子束；7-阴极；8-栅极；9-第一阳极；10-第二阳极；11-热释电靶；12-导电膜；13-斩光器基于热释电效应，物体的红外辐射经光学系统成像在用热释电材料薄片制作的靶面上，靶面吸收红外辐射，温度升高释放出电荷。即：

物体表面红外辐射分布靶面的辐照度靶面的温度分布靶面的热释电荷分布扫描视频信号热像图。

特点：工作波段长；不用制冷；结构简单可靠；价格低廉；静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制；对于运动物体成像毋须调制，适合于动态物体红外成像，应用广泛。热释电摄像管工作原理：两大特殊问题：热释电靶是利用热释电效应来工作的，而热释电效应仅对随时间变化的热辐射有响应，所以，热释电靶工作时需要交变的入射辐射，即要对入射辐射进行调制。由于热释电靶是近乎完美的绝缘体，容易积累电荷而使电子束不能连续工作，为此要设法消除靶面上的负电荷积累。热释电靶电荷图像的形成与读出1.图像入射方式

平移式，摄全景式，斩光式2.热释电靶的单畴化3.靶面电荷图像的形成4热释电靶电荷图像的读出热释电靶面的信号电荷是由扫描电子束的负电荷着靶后才形成视频信号的，所以，靶面的信号电荷必须是正电荷。基底电荷：为防止热释电摄像管中靶面上产生的负电荷沉积，所提供给靶面的正电荷。热释电靶可以将所接收的热辐射图像转换为靶面的电位图像，即完成了摄像的写入过程。靶面电荷图像的形成特点：电子束扫描面上产生的电荷可正可负。问题：扫描电子束中只有带负电荷的电子，对靶面上的负电荷图像不能进行中和，无法读出电荷图像。解决方法：1.电荷图像形成前，使靶面稳定在高电位上，在积累电荷时不至于形成负的靶面电位。2.对靶面提供基底正电荷，中和靶面积累的负电荷。热释电靶电荷图像的读出两种读出靶面电荷图像的方法1.阳极电位稳定法APS2.阴极电位稳定法CPS第一节活塞式空压机的工作原理第二节活塞式空压机的结构和自动控制第三节活塞式空压机的管理复习思考题单击此处输入你的副标题，文字是您思想的提炼，为了最终演示发布的良好效果，请尽量言简意赅的阐述观点。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor压缩空气在船舶上的应用：

1.主机的启动、换向；

2.辅机的启动；

3.为气动装置提供气源；

4.为气动工具提供气源；

5.吹洗零部件和滤器。

排气量:单位时间内所排送的相当第一级吸气状态的空气体积。单位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor空压机分类：按排气压力分：低压0.2～1.0MPa；中压1～10MPa；高压10～100MPa。按排气量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor第一节活塞式空压机的工作原理容积式压缩机按结构分为两大类：往复式与旋转式两级活塞式压缩机单级活塞压缩机活塞式压缩机膜片式压缩机旋转叶片式压缩机最长的使用寿命-

----低转速（1460RPM），动件少（轴承与滑片），润滑油在机件间形成保护膜，防止磨损及泄漏，使空压机能够安静有效运作；平时有按规定做例行保养的JAGUAR滑片式空压机，至今使用十万小时以上，依然完好如初，按十万小时相当于每日以十小时运作计算，可长达33年之久。因此，将滑片式空压机比喻为一部终身机器实不为过。滑(叶)片式空压机可以365天连续运转并保证60000小时以上安全运转的空气压缩机1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.凸凹转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。螺杆式气体压缩机是世界上最先进、紧凑型、坚实、运行平稳，噪音低，是值得信赖的气体压缩机。螺杆式压缩机气路系统：

A

进气过滤器

B

空气进气阀

C

压缩机主机

D

单向阀

E

空气/油分离器

F

最小压力阀

G

后冷却器

H

带自动疏水器的水分离器油路系统：

J

油箱

K

恒温旁通阀

L

油冷却器

M

油过滤器

N

回油阀

O

断油阀冷冻系统：

P

冷冻压缩机

Q

冷凝器

R

热交换器

S

旁通系统

T

空气出口过滤器螺杆式压缩机涡旋式压缩机

涡旋式压缩机是20世纪90年代末期开发并问世的高科技压缩机，由于结构简单、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪声、长寿命等诸方面大大优于其它型式的压缩机，已经得到压缩机行业的关注和公认。被誉为“环保型压缩机”。由于涡旋式压缩机的独特设计，使其成为当今世界最节能压缩机。涡旋式压缩机主要运动件涡卷付，只有磨合没有磨损，因而寿命更长，被誉为免维修压缩机。

由于涡旋式压缩机运行平稳、振动小、工作环境安静，又被誉为“超静压缩机”。

涡旋式压缩机零部件少，只有四个运动部件,压缩机工作腔由相运动涡卷付形成多个相互封闭的镰形工作腔，当动涡卷作平动运动时，使镰形工作腔由大变小而达到压缩和排出压缩空气的目的。活塞式空气压缩机的外形第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）工作循环：4—1—2—34—1吸气过程

1—2压缩过程

2—3排气过程第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）

压缩分类：绝热压缩：1—2耗功最大等温压缩：1—2''耗功最小多变压缩：1—2'耗功居中功＝P×V（PV图上的面积）加强对气缸的冷却，省功、对气缸润滑有益。二、实际工作循环（单级压缩）1.不存在假设条件2.与理论循环不同的原因：1）余隙容积Vc的影响Vc不利的影响—残存的气体在活塞回行时，发生膨胀，使实际吸气行程（容积）减小。Vc有利的好处—

（1）形成气垫，利于活塞回行；（2）避免“液击”（空气结露）；（3）避免活塞、连杆热膨胀，松动发生相撞。第一节活塞式空压机的工作原理表征Vc的参数—相对容积C、容积系数λv合适的C：低压0.07-0.12

中压0.09-0.14

高压0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容积Vc的影响C越大或压力比越高，则λv越小。保证Vc正常的措施：余隙高度见表6-1压铅法—保证要求的气缸垫厚度2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理2）进排气阀及流道阻力的影响吸气过程压力损失使排气量减少程度，用压力系数λp表示：保证措施：合适的气阀升程及弹簧弹力、管路圆滑畅通、滤器干净。λp

（0.90-0.98）2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3）吸气预热的影响由于压缩过程中机件吸热，所以在吸气过程中，机件放热使吸入的气体温度升高，使吸气的比容减小，造成吸气量下降。预热损失用温度系数λt来衡量（0.90-0.95）。保证措施：加强对气缸、气缸盖的冷却，防止水垢和油污的形成。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理4）漏泄的影响内漏：排气阀（回漏）；外漏：吸气阀、活塞环、气缸垫。漏泄损失用气密系数λl来衡量（0.90-0.98）。保证措施：气阀的严密闭合，气缸与活塞、气缸与缸盖等部件的严密配合。5）气体流动惯性的影响当吸气管中的气流惯性方向与活塞吸气行程相反时，造成气缸压力较低，气体比容增大，吸气量下降。保证措施：合理的设计进气管长度，不得随意增减进气管的长度，保证滤器的清洁。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理上述五条原因使实际与理论循环不同。4）漏泄的影响5）气体流动惯性的影响1）余隙容积Vc的影响2）进排气阀及流道阻力的影响3）吸气预热的影响2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3.排气量和输气系数理论排气量Vt----单位时间内活塞所扫过的气缸容积。实际排气量Q：Q=Vt

λ输气系数λ

：λ＝λtλv

λ

pλl漏泄的影响余隙容积Vc的影响进排气阀及流道阻力的影响吸气预热的影响二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理指示功率pi

：按示功图计算的功率理论功率Ps、PT：按理论循环计算的功率

Ps(PT