紅外溫度傳感器相關知識

紅外溫度傳感器測溫基礎

任何物體只要它的溫度高于絕對零度(-273℃),就有熱輻射向外部發射,物體溫度不同,其輻射出的能量也不同,且輻射波的波長也不同,但總是包含著紅外輻射在內,千攝氏度以下的物體,其熱輻射中最強的電磁波是紅外波,所以對物體自身紅外輻射的測量,便能準確測定它的表面溫度,這就是紅外測溫儀測溫依據的客觀基礎。紅外測溫儀可捕捉從所有物體輻射出的紅外能量。紅外輻射是電磁頻譜的一部分,電磁頻譜中包括無線電波、微波、可見光、紫外線、伽瑪射線和X光。紅外線介于頻譜可見光和無線電波之間。紅外線波長通常以微米表示,紅外頻譜范圍從0.7至1000微米。實踐中,紅外溫度測量使用的波段范圍為0.7至14微米。

科學家Wilhelm Wien(1864-1928)通過以下公式描述了物體溫度與其發射峰值波長之間的關系:
λmax= 2898 / T.
T =以K為單位的溫度(開爾文)
λ=波長(μm)

使用這個定律,我們可以計算出任何物質或物體的特定峰值發射波長:人體,表面溫度約為35°C或308K 計算出峰值波長為9.4μm,一只38°C溫度的貓波長為9.3μm。

根據Max Planck(1858-1947),物體的所有發射波長的強度曲線相當寬,對于我們上面的例子,這表明我們無法通過紅外光譜區分人類和貓。

對于理想黑體輻射器的各種溫度,輻射能量與波長的強度曲線如下所示:

2000 K的熱體散發出大量能量,一些在可見光范圍內,一些在紅外線中(發紅光或白熱);500 K的物體在光譜的不可見部分發射輻射,紅外線范圍,我們可以感覺到,但看不到。

紅外溫度探測器

對于紅外光譜探測器,其物理原理有兩大類:

光子探測器和熱探測器。光子探測器將輻射直接轉換為電子,熱探測器接收輻射,將其轉移到傳感材料的升高溫度,從而改變其響應溫度升高的電特性。光電二極管和光電晶體管等光子探測器的范圍從可見光到近紅外,熱探測器具有從低于100微米的可見光以下的廣泛響應。

濾光片

紅外溫度探測器配有特殊的紅外窗作為光譜濾光片,可在中遠紅外范圍內工作,不會產生環境可見光干擾。紅外溫度傳感器濾波器探測器的光譜敏感范圍由濾波器窗口定義,紅外參考波長的常見應用范圍為2至20μm。用于高溫應用的紅外窗口定義為5-14μm的大氣窗口,這是我們的標準濾光窗口。根據下圖,遠程高溫計應用9-14μm(G9)的鋒利切割/切割窗口。

對于通過紅外吸收的氣體傳感的特殊應用,紅外溫度傳感器提供窄帶濾波器來檢測特定的氣體吸收線。適當的窄帶光學濾波器可以檢測一氧化碳,二氧化碳,天然氣和其他環境氣體,以及一些技術氣體。

顯示了標準紅外窗口和高溫窗口“G9”的圖表。 對于窄帶紅外濾光片,可用濾光片和規格的范圍見下表:

紅外溫度傳感器光學特性

關于探測器和傳感器的光學參數,有一些有趣的項目需要提及:光學濾波器的光學帶寬,傳輸和阻擋特性,以及作為主要選擇標準的傳感器視場,以及探測器的性能。視場 給出了各種傳感器和類型的相應圖表。

熱釋電紅外溫度傳感器

熱電效應
一直以來,已知熱電效應是鐵電材料的特性,它基于特定的行為介電材料的永久電極化現象。當改變這種材料的溫度時,這個極化會增加或減少,我們觀察到電荷位移,這種熱電效應是能夠識別溫度變化的探測器的基本原理。永久極化的特征值,稱為熱電系數,消失在居里點以上, 居里溫度限制了這種探測器的工作溫度范圍,熱釋電探測器不需要冷卻。

探測器設計
在探測器設計中,一片薄薄的熱電材料配有電極以形成電容器,入射輻射將產生極低水平的熱能,因此熱電流的流動相當小,它需要一個電路將這個小電流轉換成方便的信號。傳統的模擬探測器采用高歐姆電阻和特殊的低漏電流FET,將探測器材料的高阻抗轉換為共同的輸出電阻,FET的熱電元件的電容和高柵極電阻形成RC電路,其時間常數約為1秒,這使探測器適用于非常低的頻率。

紅外溫度傳感器構造

探測器構造
熱電材料放置在特殊的印刷電路板上,為精密的熱電材料提供熱隔離和機械隔離,并為柵極電阻和FET提供空間。 通過引線鍵合或導電鍵合進行連接,將整個印刷電路板放置在TO接頭上,并用TO蓋封閉,該蓋具有相關的光學濾波器窗口,窗口具有特殊的紅外傳輸特性,為探測器應用選擇。

紅外傳感器最重要的電氣數據是響應度,平衡和噪音,有時引用NEP或D *也很有用。

響應

響應度顯示帶通特性,最大值約為0.1 Hz輻射調制,典型的曲線“響應度與頻率”在下面如圖所示。響應度通過定義的黑體輻射器以V / W測量,響應度是指有源傳感器區域,通常以1 Hz調制頻率進行測試,除非另有說明。

平衡

雙元素檢測器的平衡表示共模抑制也稱為兩個元件之間的匹配。 對于運動應用中應用的雙元素探測器的性能來說,它是一個重要的價值,因為它是一種區分移動和固定物體的措施,它可以用V / W或響應%表示。

噪聲

傳感器的噪聲由三部分組成:傳感材料的基本熱噪聲,高歐姆電阻的(約翰遜)噪聲和FET的輸入噪聲。 在低于40°C的溫度下,這些部件的總產量相當穩定,高于此溫度,噪聲隨溫度呈指數增加,這可以通過典型的有源電子元件觀察到。 噪聲以μV峰峰值或零峰值給出,類似于響應度對頻率的依賴性,噪聲值隨著頻率從大約減小 0.15 Hz至50 Hz。

NEP,D *

NEP值是信噪比的一種形式。 NEP值指定傳感器可以檢測到的最小輻射功率,導致輸出剛剛超過噪聲。 NEP指的是信號和噪聲的RMS值以及電氣帶寬。 NEP越低,傳感器越好。

有時也用于比較傳感器,特定檢測(D *)允許表征傳感材料。 它被定義為NEP的倒數,指的是傳感器區域。這些參數的詳細信息與電頻率的關系如下圖所示:

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