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    红外温度传感器测温基础

    任何物体只要它的温度高于绝对零度(-273℃),就有热辐射向外部发射,物体温度不同,其辐射出的能量也不同,且辐射波的波长也不同,但总是包含着红外辐射在内,千摄氏度以下的物体,其热辐射中最强的电磁波是红外波,所以对物体自身红外辐射的测量,便能准确测定它的表面温度,这就是红外测温仪测温依据的客观基础。红外测温仪可捕捉从所有物体辐射出的红外能量。红外辐射是电磁频谱的一部分,电磁频谱中包括无线电波、微波、可见光、紫外线、伽玛射线和X光。红外线介于频谱可见光和无线电波之间。红外线波长通常以微米表示,红外频谱范围从0.7至1000微米。实践中,红外温度测量使用的波段范围为0.7至14微米。

    科学家Wilhelm Wien(1864-1928)通过以下公式描述了物体温度与其发射峰值波长之间的关系:
    λmax= 2898 / T.
    T =以K为单位的温度(开尔文)
    λ=波长(μm)

    使用这个定律,我们可以计算出任何物质或物体的特定峰值发射波长:人体,表面温度约为35°C或308K 计算出峰值波长为9.4μm,一只38°C温度的猫波长为9.3μm。

    根据Max Planck(1858-1947),物体的所有发射波长的强度曲线相当宽,对于我们上面的例子,这表明我们无法通过红外光谱区分人类和猫。

    对于理想黑体辐射器的各种温度,辐射能量与波长的强度曲线如下所示:

    2000 K的热体散发出大量能量,一些在可见光范围内,一些在红外线中(发红光或白热);500 K的物体在光谱的不可见部分发射辐射,红外线范围,我们可以感觉到,但看不到。

    红外温度探测器

    对于红外光谱探测器,其物理原理有两大类:

    光子探测器和热探测器。光子探测器将辐射直接转换为电子,热探测器接收辐射,将其转移到传感材料的升高温度,从而改变其响应温度升高的电特性。光电二极管和光电晶体管等光子探测器的范围从可见光到近红外,热探测器具有从低于100微米的可见光以下的广泛响应。

    滤光片

    红外温度探测器配有特殊的红外窗作为光谱滤光片,可在中远红外范围内工作,不会产生环境可见光干扰。红外温度传感器滤波器探测器的光谱敏感范围由滤波器窗口定义,红外参考波长的常见应用范围为2至20μm。用于高温应用的红外窗口定义为5-14μm的大气窗口,这是我们的标准滤光窗口。根据下图,远程高温计应用9-14μm(G9)的锋利切割/切割窗口。

    对于通过红外吸收的气体传感的特殊应用,红外温度传感器提供窄带滤波器来检测特定的气体吸收线。适当的窄带光学滤波器可以检测一氧化碳,二氧化碳,天然气和其他环境气体,以及一些技术气体。

    显示了标准红外窗口和高温窗口“G9”的图表。 对于窄带红外滤光片,可用滤光片和规格的范围见下表:

    红外温度传感器光学特性

    关于探测器和传感器的光学参数,有一些有趣的项目需要提及:光学滤波器的光学带宽,传输和阻挡特性,以及作为主要选择标准的传感器视场,以及探测器的性能。视场 给出了各种传感器和类型的相应图表。

    热释电红外温度传感器

    热电效应
    一直以来,已知热电效应是铁电材料的特性,它基于特定的行为介电材料的永久电极化现象。当改变这种材料的温度时,这个极化会增加或减少,我们观察到电荷位移,这种热电效应是能够识别温度变化的探测器的基本原理。永久极化的特征值,称为热电系数,消失在居里点以上, 居里温度限制了这种探测器的工作温度范围,热释电探测器不需要冷却。

    探测器设计
    在探测器设计中,一片薄薄的热电材料配有电极以形成电容器,入射辐射将产生极低水平的热能,因此热电流的流动相当小,它需要一个电路将这个小电流转换成方便的信号。传统的模拟探测器采用高欧姆电阻和特殊的低漏电流FET,将探测器材料的高阻抗转换为共同的输出电阻,FET的热电元件的电容和高栅极电阻形成RC电路,其时间常数约为1秒,这使探测器适用于非常低的频率。

    红外温度传感器构造

    探测器构造
    热电材料放置在特殊的印刷电路板上,为精密的热电材料提供热隔离和机械隔离,并为栅极电阻和FET提供空间。 通过引线键合或导电键合进行连接,将整个印刷电路板放置在TO接头上,并用TO盖封闭,该盖具有相关的光学滤波器窗口,窗口具有特殊的红外传输特性,为探测器应用选择。

    红外传感器最重要的电气数据是响应度,平衡和噪音,有时引用NEP或D *也很有用。

    响应

    响应度显示带通特性,最大值约为0.1 Hz辐射调制,典型的曲线“响应度与频率”在下面如图所示。响应度通过定义的黑体辐射器以V / W测量,响应度是指有源传感器区域,通常以1 Hz调制频率进行测试,除非另有说明。

    平衡

    双元素检测器的平衡表示共模抑制也称为两个元件之间的匹配。 对于运动应用中应用的双元素探测器的性能来说,它是一个重要的价值,因为它是一种区分移动和固定物体的措施,它可以用V / W或响应%表示。

    噪声

    传感器的噪声由三部分组成:传感材料的基本热噪声,高欧姆电阻的(约翰逊)噪声和FET的输入噪声。 在低于40°C的温度下,这些部件的总产量相当稳定,高于此温度,噪声随温度呈指数增加,这可以通过典型的有源电子元件观察到。 噪声以μV峰峰值或零峰值给出,类似于响应度对频率的依赖性,噪声值随着频率从大约减小 0.15 Hz至50 Hz。

    NEP,D *

    NEP值是信噪比的一种形式。 NEP值指定传感器可以检测到的最小辐射功率,导致输出刚刚超过噪声。 NEP指的是信号和噪声的RMS值以及电气带宽。 NEP越低,传感器越好。

    有时也用于比较传感器,特定检测(D *)允许表征传感材料。 它被定义为NEP的倒数,指的是传感器区域。这些参数的详细信息与电频率的关系如下图所示:

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