测试技术(11) 王伯雄
测试技术(11) 王伯雄
3.10红外辐射检测 红外辐射 红外辐射又称红外光,任何物体的温度只要高于绝对零度 (即-273.16°C)就处于“热状态”。处于热状态的物质分子 和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁,从而产生电磁波。这 些电磁波的波长处于可见光的红光之外,因此称为“红外线” 物体与周围温度失去平衡时,就会发射或吸收红外线,这便是 常说的热辐射,即红外辐射。红外线在电磁波谱中位于可见光 与微波之间,波长为076~1000m(图3.106)。 近中远 10 丙种射线x射线紫外线(见光 红外线!微波}元线电波 10-10-10810710610-310410310-10 ,,。波长 10-1010410 图3.106电磁波谱
3.10 红外辐射检测 一、红外辐射 红外辐射又称红外光，任何物体的温度只要高于绝对零度 （即-273.16℃）就处于“热状态”。处于热状态的物质分子 和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁，从而产生电磁波。这 些电磁波的波长处于可见光的红光之外，因此称为“红外线” 。 物体与周围温度失去平衡时，就会发射或吸收红外线，这便是 常说的热辐射，即红外辐射。红外线在电磁波谱中位于可见光 与微波之间，波长为0.76～1000μm（图3.106）。 图3.106 电磁波谱
物体的温度与辐射功率的关系由斯芯藩—玻尔茨 曼( Stefan- Boltzmann)定律给出,即物体辐射强度 W与其热力学温度的四次方成正比: W=EoT 3.130) W单位面积辐射功率,Wm2; σ—斯芯藩—玻尔茨曼常数,5.67×108W·m2.K4; T热力学温度,K ε—比辐射率(非黑体辐射度/黑体辐射度) ◆黑体:在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射的 物体,E=1 ◆灰体:一般物体的E<1,即它不能全部吸收投射到它 表面的辐射功率,发射热辐射的能力也小于黑体
物体的温度与辐射功率的关系由斯芯藩—玻尔茨 曼（Stefan-Boltzmann）定律给出，即物体辐射强度 W与其热力学温度的四次方成正比： W—单位面积辐射功率，Wm-2； σ—斯芯藩—玻尔茨曼常数，5.67×10-8W·m-2·K -4； T—热力学温度，K； ε—比辐射率（非黑体辐射度/黑体辐射度）。 黑体：在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射的 物体，ε=1。 灰体：一般物体的ε<1，即它不能全部吸收投射到它 表面的辐射功率，发射热辐射的能力也小于黑体。 4 W = T (3.130)
◆普朗克定律: 90K (3.131) W波长为入的黑体光谱辐射通量密 800K 度,Wm2pm C第一辐射系数, 900K C1=37415MWpm4m2; 第 辐射系数 C2=14388umK; alan) T热力学温度,K; 图3.107光谱辐射通量密度对波 入波长,pm 长的分布 ·维恩(Wien)位移定律: 曲线最高点(辐射通量密度最大值),所对应的波长入ma 与物体自身的绝对温度T成正比,即 m=2898/7(mn)(3,132)
普朗克定律 ： Wλ—波长为λ的黑体光谱辐射通量密 度，Wm-2·μm-1； C1—第一辐射系数， C1=374.15MWμm4 /m2； C2— 第二辐射系数 ， C2=14388μmK； T—热力学温度，K； λ—波长，μm。 图3.107 光谱辐射通量密度对波 长的分布 − = 1 2 5 1 T C e C W (3.131) • 维恩（Wien）位移定律 ： 曲线最高点（辐射通量密度最大值），所对应的波长λmax 与物体自身的绝对温度T成正比，即 2898/T (m) max = (3.132)
、红外探测器 ◆红外探测器:能将红外辐射量转化为电量的 装置。 ◆分类: ■热敏探测器; ■光敏探测器。 ◆热敏探测器 ■利用半导体薄膜材料在受到红外辐射时产生的 热效应 响应时间较长,约在10-3s的量级 ■对辐射的各种波长基本上有相同的响应,其光 谱响应曲线平坦,在整个测量波长范围内灵敏一 度基本不变,且能在常温下工作
二、红外探测器 红外探测器：能将红外辐射量转化为电量的 装置。 分类： ◼ 热敏探测器； ◼ 光敏探测器。 热敏探测器 ◼ 利用半导体薄膜材料在受到红外辐射时产生的 热效应。 ◼ 响应时间较长，约在10-3s的量级。 ◼ 对辐射的各种波长基本上有相同的响应，其光 谱响应曲线平坦，在整个测量波长范围内灵敏 度基本不变，且能在常温下工作
◆光电探测器 ■是一种半导体器件,它的核心是光 敏元件。 当光子投射到光敏元件上时,促使 电子一空穴对分离,产生电信号。 光电效应产生很快,光电探测器对 红外辐射的响应时间要比热敏探测2 器的响应时间快得多,可达毫微秒 其对波长的响应率有个峰值,超 过入时响应曲线迅速截止(图3.108)。图3108红外探测器光谱响 其原因是,在大于一定波长的范围 应曲线 内,光子储量不足于激发电子的释 出,电活性消失。 ■光电探测器必须在低温下才能工作
光电探测器 ◼ 是一种半导体器件，它的核心是光 敏元件。 ◼ 当光子投射到光敏元件上时，促使 电子—空穴对分离，产生电信号。 ◼ 光电效应产生很快，光电探测器对 红外辐射的响应时间要比热敏探测 器的响应时间快得多，可达毫微秒。 ◼ 其对波长的响应率有个峰值λp，超 过λp时响应曲线迅速截止(图3.108)。 其原因是，在大于一定波长的范围 内，光子储量不足于激发电子的释 出，电活性消失。 ◼ 光电探测器必须在低温下才能工作。 图3.108 红外探测器光谱响 应曲线
◆对红外探测器性能的要求: ■灵敏度高 在工作波长范围内有较高的探测率; ■时间常数小
对红外探测器性能的要求： ◼ 灵敏度高； ◼ 在工作波长范围内有较高的探测率； ◼ 时间常数小
红外检测应用 1.辐射温度计 物镜 受热板热电偶目镜 被测物体 图3.109辐射温度计工作原理
三、红外检测应用 1. 辐射温度计 图3.109 辐射温度计工作原理
运用斯忒藩——玻尔茨曼定律可进行辐射温度测量 4被测物通常为ε<1的灰体,若以黑体辐射作为基准来定标 当知道了被测物的E值后,则可根据式(3.130)以及E 的定义来求出被测物的温度。假定灰体辐射的总能量全 部为黑体所吸收,则它们的总能量相等,即 coT=8 E一被测物的比辐射率; 黑体的比辐射率,E0=1; T被测物温度; 黑体温度 σ——斯忒藩—玻尔茨曼常数 由此可得 (3.13)
运用斯忒藩——玻尔茨曼定律可进行辐射温度测量。 被测物通常为ε<1的灰体，若以黑体辐射作为基准来定标， 则当知道了被测物的ε值后，则可根据式（3.130）以及ε 的定义来求出被测物的温度。假定灰体辐射的总能量全 部为黑体所吸收，则它们的总能量相等，即 ε—被测物的比辐射率； ε0——黑体的比辐射率，ε0=1； T——被测物温度； T0——黑体温度； σ——斯忒藩—玻尔茨曼常数。 由此可得 4 0 0 4 T = T 4 To T = (3.133)
2.红外测温 辐射温度计一般用于800℃C以上的高温测量,此外所 中讲的红外测温则是指低温及红外光范围的测温。 前置 选频 末级 光栅盘补偿 放大 放大 放大 指示 电阻 光学 检测 系统 电阻 调制 电源 记录 图3.110红外测温装置原理图
2. 红外测温 辐射温度计一般用于800℃以上的高温测量，此外所 讲的红外测温则是指低温及红外光范围的测温。 图3.110 红外测温装置原理图