《电气测试技术第5版》 课件 3.13 红外式传感器

02December20243.13红外式传感器3.13.1红外检测的基本定律3.13.2红外探测器的类型3.13.3红外探测器的应用及实例02December2024红外式传感器任何物体的温度不是热力学零度时，均不断向外辐射红外线。红外线的波长为0.5~103µm。通过检测红外线特性的变化，并转换成各种便于测量的物理量，可以测量各种非电量。目前，红外敏感元件大致可分为两类：红外热探测器和红外光电探测器。前者对整个红外波段均有响应，后者仅对长波段有响应。02December20243.13.1红外检测的基本定律1.基尔霍夫定律

物体向周围辐射能量的同时也吸收周围物体辐射的能量。处于同一温度下各种物体的辐射本领正比于它的吸收本领，称为基尔霍夫定律，即：式中，为物体在单位时间内单位面积辐射的能量，即辐射本领；为吸收系数；为同一温度下，黑体辐射本领。由物理学可知，绝对黑体的辐射本领（同时也是吸收本领），其余物体称为灰体，其辐射本领和吸收本领均小于1。不同物体的辐射本领和吸收本领不同。02December20242.斯忒藩－玻尔兹曼定律

物体温度愈高，其辐射的能量愈多。设为某物体在热力学温度T时单位面积和单位时间内辐射的总能量，由物理学可知：式中，为斯忒藩－玻尔兹曼常数。为比辐射率。上式称为斯忒藩－玻尔兹曼定律。由此可见，物体的红外辐射能量与T4和成正比。

比辐射率是指物体的辐射本领与绝对黑体的辐射本领之比值。绝对黑体，灰体。02December20243.维恩位移定律

物体热辐射的能量包括各种波长的电磁波。由物理学可知，物体的峰值辐射波长（单位为µm）与物体自身的热力学温度成反比，即：

（3-148）此式称为维恩位移定律。

由式（3-148）可见，随着温度的升高，峰值辐射波长向短波方向移动，即温度愈高愈小，反之亦然。02December20243.13.2红外探测器的类型红外光电探测器1.红外光导探测器

根据光导效应制成的红外光敏电阻作为检测元件，其响应的波长为

从0.8µm至几百微米的红外光，其工作原理与前述的光电阻相同。它将红外光能量的变化转换成电阻的变化。红外光导探测器的原理见图3-137。

2.红外光生伏特探测器根据光生伏特效应制成的红外光电池作为检测元件，其组成原理见图3-137。仅用红外光电池替代图3-137中的光敏电阻。由于红外光电池是发电式检测元件，其输出为光电流，不需测量电路，仅以前置放大器的输入电阻作为其负载电阻即可。图3-137红外光导探测器原理02December2024红外热探测器红外热探测器首先将红外辐射能转换成热能，使其本身的温度变化，然后将温度的变化转换成电信号。其典型产品是红外热敏电阻，其结构及测量电路见图3-138。图3-138红外热敏电阻的结构及测量电路a）结构b）测量电路

1－粘合剂2－发黑材料3－吸光材料4－电极引线5－热敏薄片6－衬底7－导热基体02December20243.13.3红外探测器的应用及实例红外探测器可用于热工量、机械量、成分量以及开关量的检测，其应用日益广泛。HW-4红外测温仪是一种便携式对远距离小目标进行快速非接触式表面温度测量的仪器，量程我0～400℃，精度±1.0%，分辨率为±1℃。它由光学系统及电子线路组成，见图3-139。光学系统由次镜、主镜、滤光片。分划板和目镜组成。通过目镜可观察被测目标是否成像于热敏电阻3上，否则，可调节次镜使被测目标恰好成像于热敏电阻3上，以提高系统的灵敏度。图3-139b为电子线路框图。图3-139H2W-4红外测温仪原理a）光学系统b