文档介绍：第3章热成像技术
热辐射的一般规律
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能,然后再把热能转换成电能的器件。显然,输出信号的形成过程包括两个阶段;
热成像技术是在热电传感的基础上发展起来的图像传感器技术。热成像技术的主要内容包括热电图像传感器及其应用。热电图像传感器主要由热电器件及扫描机构构成。热电器件具有不同于其他光电传感器的特点,它对入射辐射光波长能够无选择地吸收,即它的光谱响应为与波长无关的常数。因此可以用它来标定光电传感器的光谱响应特性,并用它探测光电图像传感器响应波长无法探测的中、远红外图像(热像)。
温度变化方程
第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段(入射辐射引起温升的阶段),这个阶段是所有热电器件都要经过的阶段,是共性的,具有普遍的意义。第二阶段是将热能转换成各种形式的电能(各种电信号的输出)阶段,这是个性的,随具体器件而异的。
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能,然后再把热能转换成电能的器件。显然,输出信号的形成过程包括两个阶段;第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段(入射辐射引起温升的阶段),是共性的,具有普遍的意义。第二阶段是将热能转换成各种形式的电能(各种电信号的输出)阶段。
1. 温度变化方程
热电器件在没有受到辐射作用的情况下,器件与环境温度处于平衡状态,其温度为T0。当辐射功率为的热辐射入射到器件表面时,令表面的吸收系数为α,则器件吸收的热辐射功率为αφe ;其中一部分使器件的温度升高,另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。设单位时间器件的内能增量为Δφe ,则有
(3-1)
式中称为热容,表明内能的增量为温度变化的函数。
热交换能量的方式有三种;传导、辐射和对流。设单位时间通过传导损失的能量
(3-2)
式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理,器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即
(3-3)
设入射辐射为正弦辐射通量,则式(5-3)变为
(3-4)
若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间,则,此时器件与环境处于热平衡状态,即t = 0,ΔT = 0。将初始条件代入微分方程(3-4),解此方程,得到热传导的方程为
(3-5)
设称为热敏器件的热时间常数, 称为热阻。
当时间t >>τT时,式(3-3)中的第一项衰减到可以忽略的程度,温度的变化
(3-6)
为正弦变化的函数。其幅值为
(3-7)
可见,热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。因此,几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外,它又与工作频率ω有关,ω增高,其温升下降,在低频时( ωτT <<1),它与热导G成反比,式(3-6)可写为
(3-8)
可见,减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法,但是热导与热时间常数成反比,提高温升将使器件的惯性增大,时间响应变坏。
式(3-6)中,当很高(或器件的惯性很大)时, ωτT >>1,式(3-7)可近似为
(3-9)
结果,温升与热导无关,而与热容成反比,且随频率的增高而衰减。
当ω= 0时,由(3-5)式得
(3-10)
由初始零值开始随时间t增加,当t∝∞时, ΔT达到稳定值。等于τT时,上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热时间常数。
根据斯忒番-玻耳兹曼定律,若器件的温度为T,接收面积为A,并可以将探测器近似为黑体(吸收系数与发射系数相等),当它与环境处于热平衡时,单位时间所辐射的能量为
(3-11)
由热导的定义
(3-12)
经证明,当热敏器件与环境温度处于平衡时,在频带宽度内,热敏器件的温度起伏均方根值为
(3-13)
2. 热电器件的最小可探测功率
考虑式(3-7),可以求出热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE为
(3-14)
例如,在常温环境下(T=300K),对于黑体(=1),热敏器件的面积为100mm2,频带宽度为,斯特潘-玻尔兹曼系数J/cm2K4, 玻尔兹曼常数k=×10-23J/K。则由式(3-14)可以得到常温下热敏器件的最小可探测功率为5×10-11W左右。
由式(3-14)很容易得到热敏器件的比探测率为
(3-15)
只与探测器的温度有关。
热探测器件
热探测器是一种古老的红外探测器,早在1826年就被用来探测物体的温度变化,目前热探测器一直应用于红外光谱探测与光度器件的测试与标定中。热探测器的种类也很多,热电偶、热电堆、热敏电阻和热释电器件等是目前常用的热探测器。这些探测器的测热原理不同(此即前述的第二阶段)。考虑到目前能够用于热成像探测技术中只有热释电器件,所以本节只介绍与热释电器件有关的问题。

电介质内部没有自由载流