红外辐射探测器

4．6．2　红外辐射探测器

1）红外辐射原理

红外光与可见光一样，也是一种电磁波，具有反射、折射、散射、干涉等性质，在真空中的传播速度为3×10⁸ m／s，所不同的只是波长不同。红外光的波长范围为0．76～1 000μm，最小波长比可见红光波长长0．7μm。由于它在可见红光之外，因此称为红外光。

红外光有以下几个重要特点：

（1）红外光是看不见的辐射光。自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度（－273．16℃）都有红外辐射。物体的温度越高，红外辐射出来的能量越强。红外测温就是利用这种性能对物体测温的。

（2）当物体辐射时，辐射波的波长范围很宽，但是热效应主要集中在红外光范围内，红外光有高的热效应，这是它的特点，因此红外常与热辐射概念连在一起。

热体的辐射规律是设计各种红外探测器的基础，下面介绍三个重要的热辐射基本定律。

（1）普朗克定律：单位面积物体在半球面方向发射的光谱辐射功率W（λT）是波长λ和物体温度T的函数，其表达式如下：

式中：W（λT）为单位面积上物体发射的辐射功率，或称为光谱辐射通量密度；λ为波长；ε为比辐射率；T为物体表面的绝对温度；c₁、c₂为第一、第二辐射常数。

图4．20为光谱辐射通量密度曲线，从曲线可看到以下几个特性：

图4．20　光谱辐射通密度曲线

①光谱辐射通量密度不仅与绝对温度有关，还与波长λ有关。在同一温度下，W（λT）对于波长λ有一个峰值。

②当辐射体温度升高时，光谱辐射通量密度W（λT）迅速增大，且曲线峰值向波长短的方向移动。

（2）斯忒藩-玻耳兹曼定律：又称全辐射发射定律，它表示绝对温度为T的物体，每单位面积上全部波长辐射的总功率W与绝对温度T的4次方成正比，即

式中：W为辐射总功率；λ为斯忒藩-玻耳兹曼常数；T为物体的绝对温度；ε为比辐射率。

（3）维恩位移定律：从图4．20可见，在任一温度下，光谱辐射通量密度曲线有一个最大值，此最大值所对应的波长称为峰值波长λ_m，它与对应温度T的乘积为常数，即

式（4．32）即为维恩位移定律。由该定律可知，只要测定峰值λ_m，就能得知物体的温度T。

2）红外辐射探测器的构成

红外辐射探测器主要由光学系统和红外接收器两部分组成，如图4．21所示。

图4．21　红外辐射探测器原理

（1）光学系统主要用来产生某一波段范围内的红外光。光学系统由光源和透镜组成。不同的光源，辐射能力不同。选择不同的辐射光源，能得到不同情况的辐射密度。

（2）根据材料的不同，透镜有选择性地让某一定波段范围内的红外光透过，而吸收其他波段范围内的红外光。二者结合起来，就能使光学系统产生某一波段范围内的红外光，一般光学玻璃和石英材料允许0．75～3μm的红外光透过；氟化镁、氧化镁等热压光学材料，则允许3～5μm的红外光通过；5～14μm的红外光容易穿透锗、硅、热压硫化锌等光学材料。这些材料给确定λ_m提供了方便，为利用不同的辐射光构成各种红外辐射器打下了物质基础。

（3）红外接受器主要有两种形式：一是热敏类，利用热敏电阻接受红外辐射，由热效应引起电阻变化，使红外辐射能量转化为电信号；二是光电类，利用光电元件接受红外辐射，产生光电效应，从而使红外辐射能量转化为电信号。光电效应比热效应的过程快得多，因光电传感器的响应时间比热敏传感器要短得多。热敏类对任何波长的辐射能量都能全部吸收，而光电类有波长限制。

根据辐射的三条基本定律和各种不同的测量对象，可选取不同的光学系统和红外接受器，并可根据具体情况，构成各种不同的红外光学测温传感器系统。