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一文讀懂熱釋電紅外探測(cè)器原理

發(fā)布時(shí)間:2019-11-26 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】熱釋電紅外探測(cè)器簡(jiǎn)稱熱釋電探測(cè)器,是近十年來(lái)在熱探測(cè)領(lǐng)域得到重要發(fā)展的一種新型熱探測(cè)器。據(jù)報(bào)道這種探測(cè)器可以廣泛地用于輻射溫度測(cè)量、紅外光譜測(cè)量等領(lǐng)域。
 
熱釋電紅外探測(cè)器簡(jiǎn)稱熱釋電探測(cè)器,是近十年來(lái)在熱探測(cè)領(lǐng)域得到重要發(fā)展的一種新型熱探測(cè)器。據(jù)報(bào)道這種探測(cè)器可以廣泛地用于輻射溫度測(cè)量、紅外光譜測(cè)量等領(lǐng)域。
 
紅外線的輻射波長(zhǎng)約 0.77~1000pm,紅外輻射的不同波段有不同的應(yīng)用。從軍事上的紅外線制導(dǎo)導(dǎo)彈、紅外成像夜視儀,到包含高新尖端技術(shù)的紅外氣象衛(wèi)星,從工業(yè)上普遍應(yīng)用的紅外光電計(jì)數(shù)器、紅外測(cè)溫儀、紅外氣體分析儀,到民用的波動(dòng)式紅外防盜報(bào)警器、人體紅外自動(dòng)照明開(kāi)關(guān)等,紅外傳感技術(shù)已在空間、工農(nóng)業(yè)、民用等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱釋電紅外探測(cè)器簡(jiǎn)稱熱釋電探測(cè)器,是近十年來(lái)在熱探測(cè)領(lǐng)域得到重要發(fā)展的一種新型熱探測(cè)器。據(jù)報(bào)道這種探測(cè)器可以廣泛地用于輻射溫度測(cè)量、紅外光譜測(cè)量、激光參數(shù)測(cè)量、非接觸式溫度測(cè)量、T 業(yè)過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控、安全警戒、紅外攝像與空間技術(shù)等方面。我國(guó)在這方面的研究,雖然起步晚些,但近年來(lái)也有重要研究成果報(bào)道,這種探測(cè)器和以往常用的測(cè)輻射熱計(jì)、溫差熱電堆等熱探測(cè)器比較,具有以下特點(diǎn):
 
頻率特性好。其他熱探測(cè)器都是在熱平衡后輸出最大,工作時(shí)輻照時(shí)間必須大于熱平衡的時(shí)間常數(shù)(一般為數(shù) ms 至數(shù)十 ms)。而熱釋電探測(cè)器,是在非熱平衡狀態(tài)下工作的,熱平衡時(shí)反而沒(méi)有輸出,因此工作時(shí)輻照時(shí)間必須小于熱平衡時(shí)間常數(shù)(一般為 0.1~1s)。也就是說(shuō)它的工作速度不受熱平衡的限制,其頻率的上限主要取決于其等效電容和后續(xù)電路。

一文讀懂熱釋電紅外探測(cè)器原理 
 
而在室溫下工作,不需制冷即能獲得很高的靈敏度,可與低溫下高靈敏度的測(cè)輻射熱計(jì)相媲美。
 
輸出阻抗是純電容性的,直流阻抗極高。
 
體積小、重量輕、堅(jiān)固。
 
因此,熱釋電探測(cè)器是一種很理想的紅外輻射探測(cè)器,在熱探測(cè)領(lǐng)域中占有十分重要的位置。
 
1. 測(cè)量原理
 
紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫原理是黑體輻射定律。眾所周知,自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量,物體向外輻射能量的大小及其波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系,物體的溫度越高,所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體處于溫度 T 時(shí),在波長(zhǎng)為λ處的單色輻射出度由普朗克公式確定。
 
熱釋電紅外傳感器由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成,元件兩個(gè)表面做成電極,當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有 T 的變化時(shí),熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷,即在兩電極之間產(chǎn)生微弱電壓 V。熱釋電探測(cè)器檢測(cè)到變化的溫度,經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后,變成一個(gè)交流電壓信號(hào)供信號(hào)處理電路進(jìn)行處理??捎善绽士斯酵茖?dǎo)出輻射體溫度的公式:
 
其中,T1 為測(cè)目標(biāo)的溫度;T2 為環(huán)境溫度;ε1 為被測(cè)目標(biāo)輻射率;ε2 為環(huán)境的輻射率;σ為斯忒藩 - 玻耳茲曼常數(shù),且σ=5.6703×10-8W·m-2·K-4;K 為表示探測(cè)器的靈敏度,且有
 
K=R·α·ε·σ1R
 
其中,R 表示揮測(cè)器的靈敏度;ε為輻射體的輻射率,定標(biāo)時(shí)一般取 1;α為與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù)。
 
2. 測(cè)溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
 
紅外測(cè)溫儀的系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成視場(chǎng)大小的確定,熱釋電探測(cè)器用將聚焦在探測(cè)器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)過(guò)放大、濾波后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,并送至單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理,液晶顯示單元顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度值。
 
3. 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
 
當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過(guò)熱釋電傳感器后,就變?yōu)榻蛔兊拿}沖信號(hào),熱釋電傳感器接收到的人體輻射信號(hào)很微弱,只有微伏或納微伏數(shù)量級(jí),故需要放大后才能進(jìn)行信號(hào)處理。
 
本系統(tǒng)把信號(hào)的放大電路分為前置放大電路和后級(jí)放大電路進(jìn)行處理。前置放大器必須是高增益和低噪聲的,高增益是用來(lái)把微弱信號(hào)放大到一定電平,以便進(jìn)一步再作處理,低噪聲是為了保持盡可能高的信噪比。
 
放大電路采用低失調(diào)精密運(yùn)算放大芯片 LM358,其內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器,適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式。系統(tǒng)的信號(hào)放大電路如圖 1 所示。
 
集成運(yùn)放 LM358 特點(diǎn)是低失調(diào)、低噪聲、低漂移,廣泛用于精密儀器放大器、傳感放大器等場(chǎng)合。紅外傳感信號(hào)由 LM358 的引腳 3 端口進(jìn)入放大電路,電容 C1 用于濾除信號(hào)中的直流信號(hào),電路可調(diào)電位器 Rv1 用來(lái)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。引腳端口將放大后的紅外傳感信號(hào)送往信號(hào)采集電路單元進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。
 
 
 
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