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仪器仪表基础常识:红外线基本概念

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仪器仪表基础常识:红外线基本概念

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【摘要】:

仪器仪表基础常识:红外线基本概念

 

太阳以红外线方式把热量输送到地球,使得自然界中存在的任何实际物体,几乎都是具有能量的反射和透过,其表面的发射率为1的黑体,均含热能。

任何物体的分子和原子都会自身的进行无规则的热运动,并以红外线方式不间断地向外辐射出热能量,也被称为电磁波辐射。不同物质其吸收太阳光能不同,其分子和原子的运动也不同,运动愈剧烈,辐射的能量愈大,反之,辐射的能量也愈小。因此,凡是高于绝对零度(-273.15℃)的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。

什么是红外线

红外线(Infrared)也是一种电磁波,是波长介于可见光与微波(无线电波)之间的电磁波,单位常用微米(μm)表示,范围为0.761000微米,即760纳米(nm)到1毫米(mm)之间。红外线按波长分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类,其波长分别为0.76μm1.1μm2.526μm25μm以上。实际上,通常用于红外测温的一般在0.76微米-14微米的近红外波段。红外线在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域,是比红光更长的非可见光。

研究发现,太阳光谱中从紫色光到红色光的热效应是逐渐增大的,而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围之内,因此,红外辐射又被称为热辐射或者热射线。由此可见,红外辐射的物理本质就是热辐射。物体的温度越高,向四周辐射能量就越强,辐射出来的红外线就越多。

红外线的医学等应用

医用红外线一般可分为两类:近红外线与远红外线。波段为4-14μm 范围,被称为生育光线,对人体活化细胞组织,促进细胞生长;强化肝脏功能,提高肝脏解毒、排毒作用;促进血液循环,提高组织再生能力和免疫力,加强人体的新陈代谢;改善血液循环,解决失眠乏力,四肢冰冷,增加细胞的吞噬功能,消除肿胀,促进炎症消散,治疗慢性炎症等等都有积极作用。

当然,红外线在日常生活中应用也非常广泛,红外光波炉能够迅速产生高温高热,加热效率极高,冷却速度也快,而且保证食物色泽,不会烤焦。在高温杀菌、监控设备、手机的红外接口、宾馆的房门卡、电视机遥控器等,都有红外线的影子。在军事上的应用更为普遍,红外夜视器材在现代化战争中发挥着重要作用。夜视望远镜加个滤光镜,就可透视了,不仅可应用于夜间望远而且还可以透过人的衣服看到身体。随着我国技术不断创新,红外线在人造卫星以及工业、卫生、科研、日常生活等方面的应用将日益广泛。

红外热像技术

由于各种物体比如人、动物、车辆、飞机等吸收与含存的热能量强度不同,向外辐射的热红外能量自然不同,都能展示出其各自不同的红外辐射能量强度分布图形。当接受被测目标物体的红外辐射能量分布图形并反映到红外探测器的光敏元件上,通过对物体的红外热像进行光扫描后,并聚焦在单元或分光探测器上,再由探测器将红外辐射能转换成电信号,经放大、转换或标准视频信号处理,显示出与被测物体表面的热分布场相对应的红外热像图。由于热像分布图信号非常弱,与可见光图像相比,缺少层次和立体感。为更有效地判断被测目标的红外热分布场,通常采用图像亮度调节、对比度控制、实标校准、伪色彩描绘与标定等技术来达到实用效果。因此,一种由红外探测器、光学成像物镜和光扫描系统构成的红外热像仪悠然而生。一切物体不受烟、雾及树木等障碍物的影响,不论白天和夜晚都能清晰地被观察到,这是目前人类掌握的最先进的物体(夜视)观测器材。

热成像的应用范围非常广泛,电力、地下管道、消防医疗、救灾、工业检测等方面都有巨大的市场需求,由于价格特别昂贵,目前只能被应用于军事上。人们已通过减少扫描速度来提高图像分辨率、运用新材料等技术创新措施降低成本。随着社会经济发展与科技进步,红外热成像这项技术必将大规模地应用于民用市场领域。(来源:中国智能化网

 

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人体红外温度传感器

 

一切温度高于零度(-273.15℃)的物体都在不停地向周围空间发射红外能量。其辐射特性、辐射能量的大小、波长分布等都与物体表面温度密切相关。反过来,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温的机理。

人体与其他生物体一样,自身也在向四周辐射释放红外能量,其波长一般为9-13μm,是处在0.76-100μm 的近红外波段。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,也就是说,人体向外辐射的红外大小与环境影响无关,只是与人体含存与释放能量大小有关,因此,只要通过对人体自身辐射红外能量的测量就能准确地测定人体表面温度。人体红外温度传感器就是根据这一原理,设计制作而成的。

非接触红外测温技术不需要接触被测物,避免传染、烫伤等危险或无法触碰的物体,特别是像卫生设施、医用物品等不会被污染或损坏。快速、准确地测量出物体的表面温度,具有响应快、精度高、低成本、寿命长、使用安全等优点,在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护等方面发挥了重要作用。

红外温度传感器类型

根据红外线波长、功能、应用需求,红外传感器一般分为红外气体、红外图像、红外温度传感器三大门类。用于气体检测的红外气体传感器种类最为繁多,用于红外测温的传感器,按机理与使用环境划分为制冷、非制冷,接触、非接触四大类别。制冷的用于军事装备与设施、大型工程设施、工业过程、环境保护与监控等超远距离、高清晰系统;接触用于特殊物体常态化连续温度检测以及医用诊疗设备、测温电子皮肤等。而目前红外温度传感器根据能量转换所用材料不同,可分为以下几种类型:

(1)热释电型:硫酸三甘肽、钽酸锂等

(2)热电堆型:N型和P型的多晶硅

(3)二极管型:单晶或多晶PN结

(4)热电容型:双材料薄膜

(5)热敏电阻型:氧化钒、非晶硅等

其实,这些类型都只是在接收红外能量后,转换方式和材料能效比不同而已。

红外热电堆式温度传感器

目前耳、额温枪采用的红外传感器均为热电堆式,基本物理原理是塞贝克效应。红外热电堆式温度传感器类似于热电偶,由可透过特定波长范围的红外滤光片和红外接收的热电堆芯片组成。外加一个腔内环境比对温度基准(陶瓷热敏电阻等校准温度用)。热电堆芯片常用的材料有Poly Si/Al、N-Poly Si/P-Poly Si。

热电堆温度传感器的工作原理、内部结构及外形封装结构:

(1)红外滤光片是能够过滤不同波长的光敏感元件。其结构简单但工艺复杂,通常采用半导体材料和工艺,结合MEMS技术,形成精确度极高的透光窗口。不同规格的窗口,可以透过设计范围或特定波长的红外线,其他波长的则不能通过。由于不同物体释放的红外能不同,不同环境下测量方式不同,一般需要设计不同窗口作为检测该物体红外温度传感器的特定光敏感元件。

(2)热电堆芯片是通过热隔离支撑层、Poly Si参杂、背腔刻蚀(干法或湿法)或正面释放(XeF)等关键工艺制作而成,用于吸收红外热能。当被测物体特定波长红外辐射给热电堆吸收体吸收后,瞬间热电堆焦变体的电荷发生变化,积累后形成电动势,即电压值。热电堆芯片阻值通常在50-100KΩ、响应率通常在50-200V/W;芯片尺寸一般在1×1mm-2×2mm之间,国外一般为1.05×1.05mm。

(3)热电堆式温度传感器参数指标:

测量范围:-50℃-100℃;测量精度:0.1℃以内,±0.1%以内;

工作温度:-20℃- 85℃;最大测量距离:≦0-50mm(加透镜300-500mm)

输出电压:0-10mV

热电堆温度传感器最大量程范围可以做到-60℃到1200℃范围。

(4)封装形式与应用范围。热电堆式温度传感器即可以是模拟量输出,也可作为开关量输出。因此,可广泛应用于空调、微波炉等智能家电,大型复印机、烘干机等各种工业智能设备,以及电力控制系统的各种设备温度监控。还可用在红外气体测量、工业环境、安防控制、可穿戴设备、人体感应开关等各种配套使用。

红外热电堆传感器成品图主要封装形式有两种:TO46(TO18)/TO39(TO5)

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