文档介绍：测试技术(11)
王伯雄
红外辐射检测
一、红外辐射
红外辐射又称红外光,任何物体的温度只要高于绝对零度(即-℃)就处于“热状态”。处于热状态的物质分子和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁,从而产生电磁波。这些电磁波的波长处于可见光的红光之外,因此称为“红外线”。物体与周围温度失去平衡时,就会发射或吸收红外线,这便是常说的热辐射,即红外辐射。红外线在电磁波谱中位于可见光与微波之间,~1000μm()。
电磁波谱
物体的温度与辐射功率的关系由斯芯藩—玻尔茨曼(Stefan-Boltzmann)定律给出,即物体辐射强度W与其热力学温度的四次方成正比:

W—单位面积辐射功率,Wm-2;
σ—斯芯藩—玻尔茨曼常数,×10-8W·m-2·K-4;
T—热力学温度,K;
ε—比辐射率(非黑体辐射度/黑体辐射度)。
黑体:在任何温度下能全部吸收任何波长的辐射的物体,ε=1。
灰体:一般物体的ε<1,即它不能全部吸收投射到它表面的辐射功率,发射热辐射的能力也小于黑体。
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普朗克定律:
Wλ—波长为λ的黑体光谱辐射通量密度,Wm-2·μm-1;
C1—第一辐射系数,
C1=;
C2—第二辐射系数,C2=14388μmK;
T—热力学温度,K;
λ—波长,μm。
光谱辐射通量密度对波长的分布
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维恩(Wien)位移定律:
曲线最高点(辐射通量密度最大值),所对应的波长λmax与物体自身的绝对温度T成正比,即
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二、红外探测器
红外探测器:能将红外辐射量转化为电量的装置。
分类:
热敏探测器;
光敏探测器。
热敏探测器
利用半导体薄膜材料在受到红外辐射时产生的热效应。
响应时间较长,约在10-3s的量级。
对辐射的各种波长基本上有相同的响应,其光谱响应曲线平坦,在整个测量波长范围内灵敏度基本不变,且能在常温下工作。
光电探测器
是一种半导体器件,它的核心是光敏元件。
当光子投射到光敏元件上时,促使电子—空穴对分离,产生电信号。
光电效应产生很快,光电探测器对红外辐射的响应时间要比热敏探测器的响应时间快得多,可达毫微秒。
其对波长的响应率有个峰值λp,超过λp时响应曲线迅速截止()。其原因是,在大于一定波长的范围内,光子储量不足于激发电子的释出,电活性消失。
光电探测器必须在低温下才能工作。
红外探测器光谱响应曲线
对红外探测器性能的要求:
灵敏度高;
在工作波长范围内有较高的探测率;
时间常数小。
三、红外检测应用
辐射温度计
辐射温度计工作原理
运用斯忒藩——玻尔茨曼定律可进行辐射温度测量。被测物通常为ε<1的灰体,若以黑体辐射作为基准来定标,则当知道了被测物的ε值后,则可根据式()以及ε的定义来求出被测物的温度。假定灰体辐射的总能量全部为黑体所吸收,则它们的总能量相等,即
ε—被测物的比辐射率;
ε0——黑体的比辐射率,ε0=1;
T——被测物温度;
T0——黑体温度;
σ——斯忒藩—玻尔茨曼常数。
由此可得
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红外测温
辐射温度计一般用于800℃以上的高温测量,此外所讲的红外测温则是指低温及红外光范围的测温。
红外测温装置原理图