《红外传感器》PPT课件

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1、传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors第10章红外传感器Infraredsensors与其他探测技术相比，红外探测技术有如下主要优点：(1)环境适应性好，在夜间和恶劣气象条件下的工作能力优于可见光；(2)被动式工作，隐蔽性好，不易被干扰；(3)靠目标和背景之间各部分的温度和发射率形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；(4)红外系统的体积小、质量轻、功耗低。绪论红外传感器是将红外辐射能量转换为电量的一种传感器。红外辐射（红外线）是一种人眼看不见的光线，波长范围大致在0.76～100μm。任何温

2、度高于热力学零度（-273.15℃）的物体都会辐射红外线。近年来，红外技术在军事领域和民用工程上，都得到了广泛应用。军事领域的应用主要包括：(1)侦查、搜索和预警；(2)探测和跟踪；(3)全天候前视和夜视；(4)武器瞄准；(5)红外制导导弹；(6)红外成像相机；(7)水下探潜、探雷技术。在民用工程领域的应用主要是：(1)在气象预报、地貌学、环境监测、遥感资源调查等领域的应用；(2)在地下矿井测温和测气中的应用；(3)红外热像仪在电力、消防、石化以及医疗和森林火灾顶报中的应用。10.1红外辐射的基本知识10.1.1红外辐射任何物体，只要它的温度高于热力学零

3、度(-273.15℃)时，就会向外辐射能量，故称为热辐射，又称为红外辐射或俗称红外线。它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。在电磁辐射波谱中，红外线是位于可见光中红色光以外的光线，波长范围大致在0.76～100，对应的频率大致在4×1014～3×1011Hz之间。红外线与可见光一样，也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中的传播速度为光速，即c=3×108m/s。在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域：波长在0.76～3为近红外区；波长在3～6为中红外区；波长在6～20为中远红外区；波长在20～10

4、0为远红外区。红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸气以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。但红外辐射在通过大气层时，在以下3个波段区间：2～2.6、3～5、8～14，大气对红外线几乎不吸收，故称之为“大气窗口”。这3个大气窗口对红外技术应用特别重要，红外仪器都工作在这3个窗口之内。10.1.2红外辐射的重要参数1)辐射能Q以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。单位为焦耳(J)。2)辐射能通量单位时间内发射、传输或接收的辐射能称为辐射能通量，其单位为瓦特(W)：3)辐射强度I点辐射源向各个方向发出辐

5、射，在某一方向，在单位立体角内发出的辐射能通量为，则辐射强度I为单位：瓦/球面度(W/Sr)。4)辐射出射度M指辐射源单位发射面积发出的辐射能通量，即单位:瓦/米2(W/m2)。5)辐射亮度L和光谱辐射亮度为了表征具有有限尺寸辐射源辐射能通量的空间发布，采用辐射亮度这样一个辐射量。如图，单位面积为dS的辐射面，在和表面法线N成角方向，在单位立体角内发出的辐射能通量为，则辐射亮度L为单位：瓦/(球面度·米2)[W/(Sr·m2)]。辐射亮度实际上是包括所有波长的辐射能量。如果是辐射光谱中某一波长的辐射能量，则称为在此波长下的光谱辐射亮度。对于朗伯特辐射体(

6、也称余弦辐射体)，其在各个方向的辐射亮度都相等，且有。实际辐射物体一般都可以看作朗伯特辐射体。10.1.3黑体、白体和透明体1.辐射能的分配当物体接收到辐射能以后，根据物体本身的性质，会发生部分能量吸收、透射和反射的现象，如图所示,有式中：a为吸收率，表示吸收的能量所占的比率；为透射率，表示透射的能量所占的比率；为反射率，表示反射的能量所占的比率。2.黑体当QA/Q=a=1时，则=0，=0。这说明照射到物体上的辐射能全部被吸收，既无反射也无透射，具有这种性质的物体称为“绝对黑体”或简称为“黑体”。在自然界中黑体是不存在的，但可以人为制造近似的黑体，如图所

7、示。3.透明体当QD/Q==1时，说明照射到物体上的辐射能全部透射过去，既无吸收又无反射。具有这种性质的物体称为透明体。4.白体当QR/Q==1时，说明照射到物体上的辐射能全部被反射出去。若物体表面平整光滑，反射具有一定规律，则该物体称之为“镜体”；若反射无一定规律，则该物体称为“绝对白体”或简称为“白体”。10.1.4红外辐射的基本定律1.基尔霍夫定律基尔霍夫定律(简称基氏定律)是物体热辐射的基本定律，它建立了理想黑体和实际物体辐射之间的关系。基尔霍夫定律表明：各物体的辐射出射度和吸收率的比值都相同，它和物体的性质无关，是物体的温度T和发射波长的函

8、数。即：式中：M0(,T)，M1(,T)，M2(,T)，…分别为物体A0，A1，