30传感器技术(红外传感器)

南京信息工程大学信息与控制学院仪器系传感器技术传感器技术任课教师：刘佳TelTelTelTel：13951754608139517546081395175460813951754608EmailEmailEmailEmail：[e-mail]@[e-mail]@nuist.edu.cn红外传感器�红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围大致在大致在大致在大致在0.76-10000.76-10000.76-10000.76-1000µµµµmmmm之间之间之间之间，，，，对应的频率大致在对应的频率大致在对应的频率大致在对应的频率大致在4444××××101010104444至至至至3333××××1010101011111111HzHzHzHz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外、中红外、远红外和极远红外、中红外、远红外和极远红外、中红外、远红外和极远红外4444个部分。个部分。个部分。个部分。信息与控制学院仪器系2红外传感器�红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射信息与控制学院仪器系3红外传感器�红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射本质上是一种热辐射红外辐射本质上是一种热辐射红外辐射本质上是一种热辐射红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高。任何物体，只要它的温度高。任何物体，只要它的温度高。任何物体，只要它的温度高于绝对零度于绝对零度于绝对零度于绝对零度((((-273-273-273-273℃))))，就会向外部空间以红外线的方式辐射能，就会向外部空间以红外线的方式辐射能，就会向外部空间以红外线的方式辐射能，就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。式来实现的。式来实现的。式来实现的。物物物物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。的能量就越强。的能量就越强。的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。能。能。能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播红外线在真空中传播红外线在真空中传播红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积，即的速度等于波的频率与波长的乘积，即的速度等于波的频率与波长的乘积，即的速度等于波的频率与波长的乘积，即。。。。信息与控制学院仪器系4cfλ=红外传感器�红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体都属于灰体体都属于灰体体都属于灰体体都属于灰体。。。。信息与控制学院仪器系5�基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律1860186018601860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都是常数。用一句精练的话表达，即：是常数。用一句精练的话表达，即：是常数。用一句精练的话表达，即：是常数。用一句精练的话表达，即：““““好的吸收体也是好的辐好的吸收体也是好的辐好的吸收体也是好的辐好的吸收体也是好的辐射体射体射体射体””””。。。。EEEERRRR————————物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能αααα————————物体的吸收系数物体的吸收系数物体的吸收系数物体的吸收系数EEEE0000————————常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能0REEα=红外传感器�斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩----玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单位面积辐射的总能量位面积辐射的总能量位面积辐射的总能量位面积辐射的总能量EEEE为为为为TTTT————————物体的绝对温度物体的绝对温度物体的绝对温度物体的绝对温度((((KKKK))))σσσσ————————斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩----玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，σσσσ＝5.675.675.675.67××××10101010-8-8-8-8W/(mW/(mW/(mW/(m2222····kkkk4444))))εεεε————————比辐射率，黑体的比辐射率，黑体的比辐射率，黑体的比辐射率，黑体的εεεε＝11114ETσε=红外传感器�普朗克定律普朗克定律普朗克定律普朗克定律绝对温度为绝对温度为绝对温度为绝对温度为TTTT时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐时，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通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量密度与波长的关系为密度与波长的关系为密度与波长的关系为密度与波长的关系为式中式中式中式中为黑体对波长为为黑体对波长为为黑体对波长为为黑体对波长为λλλλ的光谱辐射通量密度；的光谱辐射通量密度；的光谱辐射通量密度；的光谱辐射通量密度；为普朗克辐为普朗克辐为普朗克辐为普朗克辐射常数。射常数。射常数。射常数。2/511(1)cTMCeλλλ−−=−Mλ12CC、红外传感器�维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长λλλλmmmm与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度TTTT成反比，即成反比，即成反比，即成反比，即λλλλmmmm＝2897/T(2897/T(2897/T(2897/T(μμμμm)m)m)m)图中虚线表示了峰值图中虚线表示了峰值图中虚线表示了峰值图中虚线表示了峰值辐射波长与温度的关系辐射波长与温度的关系辐射波长与温度的关系辐射波长与温度的关系，可以看出，随着温度，可以看出，随着温度，可以看出，随着温度，可以看出，随着温度的升高其峰值波长向短的升高其峰值波长向短的升高其峰值波长向短的升高其峰值波长向短波方向移动，在温度不波方向移动，在温度不波方向移动，在温度不波方向移动，在温度不太高时，峰值辐射波长太高时，峰值辐射波长太高时，峰值辐射波长太高时，峰值辐射波长位于红外区域。位于红外区域。位于红外区域。位于红外区域。红外传感器�红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。其中，红外探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。其中，红外探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。其中，红外探测器、信号调节电路和显示单元等几部分组成。其中，红外探测器是红外传感器的核心器件。器是红外传感器的核心器件。器是红外传感器的核心器件。器是红外传感器的核心器件。红外探测器种类很多，按探测机理的不同，通常可分为两大红外探测器种类很多，按探测机理的不同，通常可分为两大红外探测器种类很多，按探测机理的不同，通常可分为两大红外探测器种类很多，按探测机理的不同，通常可分为两大类：热探测器和光子探测器。类：热探测器和光子探测器。类：热探测器和光子探测器。类：热探测器和光子探测器。信息与控制学院仪器系10红外传感器�红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器（（（（1111）热探测器）热探测器）热探测器）热探测器红外线被物体吸收后将转变为热能。热探测器正是利用了红红外线被物体吸收后将转