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红外辐射检测

2014-02-25 22页 ppt 254KB 81阅读

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红外辐射检测null红外辐射检测红外辐射检测null 红外线在电磁波谱中位于可见光与微波之间,波长为: (0.76-103)m 红外光根据不同波长范围分为近红外线(0.76m-2·5m)、中 红外线(2.5m-25m)和远红外线(25m-1000m)三段。 一.红外辐射 红外辐射又称红外光,是太阳光谱中红光外面的不可见光。 null 红外辐射又称热辐射是依赖于物体温度而向外发射的辐射。 温度在绝对零度以上并且在500C以下时,物体大部分通过红外线向外辐射能量。 ...
红外辐射检测
null红外辐射检测红外辐射检测null 红外线在电磁波谱中位于可见光与微波之间,波长为: (0.76-103)m 红外光根据不同波长范围分为近红外线(0.76m-2·5m)、中 红外线(2.5m-25m)和远红外线(25m-1000m)三段。 一.红外辐射 红外辐射又称红外光,是太阳光谱中红光外面的不可见光。 null 红外辐射又称热辐射是依赖于物体温度而向外发射的辐射。 温度在绝对零度以上并且在500C以下时,物体大部分通过红外线向外辐射能量。 辐射能量是随物体的温度而变,温度越高,辐射越强,其波长分布也随温度而变。 在这个温度范围之内物体温度越高,辐射出来的红外线越多,辐射的能量越强。 且红外线被物体吸收时,可显著地转变为热能。 温度在500℃以上时,渐次发射较强的可见光以及紫外辐射。 null2.红外线的特性3.什么是“大气窗口”? 物体红外辐射的强度和波长分布取决于物体的温度和辐射率。 其中三个波段透过率高,即2-2.6m、3-5 m和8-14m,统称“大气窗口”。 红外探测器一般工作在这三个波段(大气窗口)之内。 红外辐射以波的形式在空间直线传播。 当红外线通过时,大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带. 红外光是一种电磁波.它具有电磁波的性质,即具有以光速 传播,反射,折射,散射,干涉,吸收等特性。 利用红外进行检测时,主要利用这些特性,但突出的是其热辐射特性。null 由斯蒂芬—玻尔茨曼定律,可知: 物体单位面积辐射的总能量为: W=T4 式中W—单位面积辐射的功率 T—物体的绝对温度(热力学温度),K; —斯蒂芬—玻尔茨曼常数,=5.67x10-8Wm-2·K-4; —比辐射率(非黑体辐射率/黑体辐射率);二.红外检测技术的物理基础1.物体的温度和辐射功率的关系 黑体: 在任何温度下能全部吸收任何波长辐射的物体。黑体只在理论上存在。 影响比辐射率的主要因素是:材料的种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等null 图为黑体的近似模型,在空腔的壁上开一尺寸上比空腔小得多的小孔,当入射光线进入空腔后,经过多次折射,最后只有很小一部分出射,小孔面积愈小,光线出射也就愈小、近似小孔吸收了全部光线。null2.不同温度之下,黑体辐射通量按波长分布的规律W—波长为的黑体光谱辐射通量密度,Wm-2m-1; C1—第一辐射系数,C1=3.7415×10-16Wm2; C2—第二辐射系数,C2 =1.4388xl0-2mK; T—物体的绝对温度(热力学温度),K —波长,m3.维恩位移定律 对上式求导,并令 dW/d=0, 得出辐射能量最大的波长:max=b/T 式中b—系数,b==2898(m·K) 随着温度的升高,发射能量最大的那个波长的长度向短的方向移动。如右图null三.红外检测系统的组成 红外检测原理可分为主动式和被动式。被动式: 被测物就是红外辐射源,利用其辐射特性检测红外辐射能实现温度测量,或把物体各个点辐射能大小转换成热象图, 或利用气体热辐射在红外波段有固有的谱线完成气体分析等。主动式: 利用红外辐射源对被测物辐射,被测物对红外光的吸收、反射和透射后,红外光发生的变化,此变化与被测物的有关参数有关.null 这类红外检测系统总有:红外源(被动检测中被测物即是红外辐射源,主动检测中由红外源去辐射被测物)、传输红外的光学系统和接收红外的检测器。该系统如下图所示。(一)红外检测系统简介 a.利用物体的红外辐射特性 b.利用物体对红外的反射、吸收、透射等来实现红外检测.null1.辐射源(发射器) 辐射源包括两种: (1)辐射源是通过辐射器产生红外辐射,被测信息可以包含在辐射源中,直接进入传输通道,或者利用被测信息调制辐射器产生的辐射,然后进入传输通道; (2)辐射源为天然辐射,被测信息就包括在此辐射中.null2.传输系统 红外辐射本身是电磁波.辐射自目标(辐射器)发出后,直接通过传输的光学系统达到探测器,该传输过程有两种: (1)可直接进入大气传输.主要针对远距离探测而言; (2)用光缆传输,光缆传输可排除大气干扰,减少衰减,这种传输方式可用于短距离红外探测。3.接收器(红外探测器) 它的主要功能是将红外辐射能量转换为电信号。 红外探测器按工作原理分为热敏探测器和光敏探测器两类.null1.热敏探测器 (1)工作机理 例如利用半导体薄膜材料在受到红外辐射时产生的热效应. 利用红外辐射的热效应,探测器的敏感元件吸收辐射能 后引起温度升高,进而使有关物理参数发生相应变化,通过 测量物理参数的变化,便可确定探测器所吸收的红外辐射。 如:利用在体积一定的条件下,温升时气体压强变化制成. 又如:利用温升时,材料的电阻率变化制成的.null2.光子探测器 入射红外辐射的光子流与探测器材料中的电子相互作用,从而改变电子的能量状态,引起各种电学现象,称光子效应。 通过测量材料电子性质的变化,可以知道红外辐射的强弱. 利用光子效应制成的红外探测器,统称光子探测器。(3)特点 热敏探测器的响应时间 较长,约在10-3s的量级;另 外,不管什么波长的红外辐 射,只要功率相同,它们 对物体的加热效果也相同,所 以热敏探测器也称“无选择性 红外探测器“. null 光子探测器有内光电和外光电探测器两种。内光电探测器: 利用内光电效应制成的光电导探测器,结构多为多晶薄膜型和单晶型; 光子探测器的基本工作原理是 热激发载流子,导致探测器的电流、电压、电导的变化.这些大量的热激发载流子会产生噪声,限制了信噪比.所以探测器必须致冷,而且敏感波长愈长,致冷温度愈低。外光电探测器:利用外光电效应而制成的光电子发射探测器null 光子探测器的主要特点: 一般需要在低温下才能工作。它的灵敏度高,响应速度快,一般在ns级,具有较高的响应频率,但探测波段较窄. 与光子探测器相比,热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低,响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽,响应范围可扩展到整个红外区域,可以在室温下工作,使用方便,应用仍相当广泛。3.热敏探测器与光子探测器的比较null4.对红外探测器性能的要求四.红外检测应用 利用红外的反射、透射、吸收特性可实现成份分析、 厚度测量、水分检测等; 利用红外的辐射特性,可检测辐射体的温度,或发现红外辐射体的出现—建立红外报警系统。 红外成象—利用被检测物自身的红外辐射或对红外辐射的反射或透射,由机械或电扫描办法依次将检测物各点红外辐射送入探测器,或者由探测器各点同时响应被测物对应点的红外辐射,由各点红外辐射大小建立相应的图像—热像图. (1)灵敏度高; (2)在工作波长范围内有较高的探测率; (3)时间常数小. null(一)红外测温1.红外测温的特点(2)响随时间快(3)测温范围宽(1)无接触检测。 可对远距离、高速运动、带电、高温等物体进行准确测量,同时不影响物体本身的温度分布情况。 例如,对高炉铁水的温度测量,火车热轴的测量,星球表面温度测量等。 由于红外辐射的传播是以光速传播,其响应时间只取决于测温系统本身的时间。 测量的范围可以从零下一百多度到l600℃左右,其准确度、灵敏度、分辨率都能达到相当的水平。null 红外测温有三种方法,分别为:辐射法测量; 亮度法;比色法. 辐射法测量的特点:简单、迅速,相对灵敏度和被测温度辐射波长无关.但误差受被测体与检测仪表间的介质波动影响大,测量距离也小。2.辐射温度计图为辐射法测温系统框图。(1)为被测物;(2)传递红外的光学系统;(3)红外检测器;(4)测量检测器输出电量的显示仪表。null 辐射法的工作机理是斯蒂芬-玻尔茨曼定律,理论上,可根据斯蒂芬-玻尔茨曼定量: W=T4,计算被测物体温度T 实际应用中,采用的检测方法为:假定灰体辐射的总能量W(T)全部被黑体所吸收W(T0),则两者的总能量相等: W(T0) = W(T) 则 0T04 = T 4 式中:  —被测物的比辐射率; 0 —黑体的比辐射率, 0=1; T —被测物温度;  —斯蒂芬-玻尔茨曼常数。 习惯上把满足上述条件的黑体温度T0称为被测体的辐射温度,它不是被测体的实际温度T,因被测体通常总是灰体,故<1,因此被测体比辐射率愈小,校正的系数愈大。该系数需经(1/)1/4来校正,即null 例一. 用于800C以上高温测量的辐射温度计工作原理如图所示. null (二)红外成像的原理 红外在人眼可视的波段范围之外,红外成象是把被测物各点的红外辐射大小转变成人眼可观察到的图像。 1.被动式成像(1)目标物自身各点红外辐射(辐射的大小、波长的分布取决于相应点的温度、发射率)在探测器对应点上引起相应的变化而成象(如用红外辐射敏感的照相底片,光电导层,荧光体等) 目标物的红外辐射可以是自然辐射,因此其热象图可反映如:河水、洋面受污染后表面发射率变化,生理病变造成局部发热等,运动机械轴承等部件的发热等。 (2)用扫描的办法(电扫描或机械旋转扫描镜)将目标物各点的红外辐射逐次辐射到探测器,由探测器输出电量随时间的变化即可得到与红外辐射呈定量灰度可视图像.因该图像取决于红外辐射故称热象。null 目标物的红外辐射可以是热激励产生,如: 内部激励:通电源或电脉冲使其加热.形成热分布图。 检测高压电力系统过热,金属结构表面质量、印刷电 路.半导体器件等的可靠性估计。 外部激励:由外部热源(热空气,火焰感应加热等)加热目标物形 成热源图。 检测部件的疲劳裂缝、表面缺陷,焊缝质量等。2.主动式成像 红外辐射是目标物受红外源辐射后产生的反射或透射,因此不仅可反映影响反射的目标物的表面状况,而且通过透射可反映内部情况。 (2)红外成像的探测器 把红外图像变换成可见图像的器件有: 利用外光电效应的红外变像管; 利用内光电效应的光导摄像管; 利用硅光敏二极管陈列成靶面的硅靶摄像管; 用热释电材料做靶面的热释电靶面摄像管; 用电荷耦合器件制成的摄像管。
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