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1、南京信息工程大学南京信息工程大学信息与控制学院仪器系传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术任课教师：刘任课教师：刘 佳佳TelTelTelTel：13951754608139517546081395175460813951754608Email Email Email Email：红外传感器红外传感器红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它红外辐射是一种人眼不可见的光线，俗称红外线，因为它是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围是介于可见
2、光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围是介于可见光中红色光和微波之间的光线。红外线的波长范围大致在大致在大致在大致在0.76-10000.76-10000.76-10000.76-1000 m m m m之间之间之间之间，对应的频率大致在对应的频率大致在对应的频率大致在对应的频率大致在4 4 4 4101010104 4 4 4 至至至至3 3 3 31010101011111111HzHzHzHz之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外
3、之间，工程上通常把红外线所占据的波段分成近红外、中红外、远红外和极远红外、中红外、远红外和极远红外、中红外、远红外和极远红外、中红外、远红外和极远红外4 4 4 4 个部分。个部分。个部分。个部分。信息与控制学院仪器系信息与控制学院仪器系2红外传感器红外传感器红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射信息与控制学院仪器系信息与控制学院仪器系3红外传感器红外传感器红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射本质上是一种热辐射红外辐射本质上是一种热辐射红外辐射本质上是一种热辐射红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高。任何物体，只要它的温度高。任何物体，只要它的温度高。任何物体，只要它的温度高 于绝
4、对零度于绝对零度于绝对零度于绝对零度( ( ( ( -273 -273 -273 -273 ) ) ) )，就会向外部空间以红外线的方式辐射能，就会向外部空间以红外线的方式辐射能，就会向外部空间以红外线的方式辐射能，就会向外部空间以红外线的方式辐射能 量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形 式来实现的。式来实现的。式来实现的。式来实现的。 物物物物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射体的温度越高，辐射出来的红外线越
5、多，辐射体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射 的能量就越强。的能量就越强。的能量就越强。的能量就越强。 另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热 能。能。能。能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一 样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性样，是以波
6、的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性 ，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。 红外线在真空中传播红外线在真空中传播红外线在真空中传播红外线在真空中传播 的速度等于波的频率与波长的乘积，即的速度等于波的频率与波长的乘积，即的速度等于波的频率与波长的乘积，即的速度等于波的频率与波长的乘积，即 。信息与控制学院仪器系信息与控制学院仪器系4cf=红外传感器红外传感器红外辐射红外辐射红
7、外辐射红外辐射红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在红外辐射的强度及波长与物体的温度和辐射率有关，能在 任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体任何温度下全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体称为黑体 ，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射，能全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射，能
8、全部反射红外辐射的物体称为镜体，能全部透过红外辐射 的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰的物体称为透明体，能部分反射或吸收红外辐射的物体称为灰 体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物体。自然界并不存在理想的黑体、镜体和透明体，绝大部分物 体都属于灰体体都属于灰体体都属于灰体体都属于灰体 。信息与控制学院仪器系信息与控制学院仪器系5基尔霍夫定律基尔霍
9、夫定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律1860 1860 1860 1860年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一年，基尔霍夫在研究辐射传输的过程中发现：在任一 给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都给定的温度下，辐射通量密度和吸收系数之比，对任何材料都 是常数。用一句精练的话表达，即：是常数。用一句精练的话表达，即：是常数。用一句精练的话表达，即：是常数。用一句精练的话表达，即：
10、“好的吸收体也是好的辐好的吸收体也是好的辐好的吸收体也是好的辐好的吸收体也是好的辐 射体射体射体射体”。 E E E ER R R R物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能 物体的吸收系数物体的吸收系数物体的吸收系数物体的吸收系数E E E E0 0 0 0常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能0REE=红外传感器红外传感器斯忒藩斯忒藩斯
11、忒藩斯忒藩- - - -玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内其单 位面积辐射的总能量位面积辐射的总能量位面积辐射的总能量位面积辐射的总能量E E E E为为为为T T T T物体的绝对温度物体的绝对温度物体的绝对温度物体的绝对温度( ( ( (K K K K) ) ) ) 斯忒藩斯忒藩斯忒藩斯忒藩- - - -玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数，玻耳兹曼常数， 5.675.6
12、75.675.67 10101010-8-8-8-8W/(mW/(mW/(mW/(m2 2 2 2 k k k k4 4 4 4) ) ) ) 比辐射率，黑体的比辐射率，黑体的比辐射率，黑体的比辐射率，黑体的 1 1 1 14ET=红外传感器红外传感器普朗克定律普朗克定律普朗克定律普朗克定律绝对温度为绝对温度为绝对温度为绝对温度为T T T T时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐时，在单位波长内其单位面积沿半球方向所辐 射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温
13、度时黑体光谱辐射通量射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量射的能量称为光谱辐射通量密度。不同温度时黑体光谱辐射通量 密度与波长的关系为密度与波长的关系为密度与波长的关系为密度与波长的关系为式中式中式中式中 为黑体对波长为为黑体对波长为为黑体对波长为为黑体对波长为 的光谱辐射通量密度；的光谱辐射通量密度；的光谱辐射通量密度；的光谱辐射通量密度； 为普朗克辐为普朗克辐为普朗克辐为普朗克辐 射常数。射常数。射常数。射常数。2/51 1(1)cTMCe =M12C C、红外传感器红外传感器 维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律维恩位移定律红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射
14、波长红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长红外辐射的电磁波中，包含着各种波长，其峰值辐射波长 mmmm 与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度与物体自身的绝对温度T T T T成反比，即成反比，即成反比，即成反比，即 mmmm2897/T (2897/T (2897/T (2897/T ( m)m)m)m) 图中虚线表示了峰值图中虚线表示了峰值图中虚线表示了峰值图中虚线表示了峰值 辐射波长与温度的关系辐射波长与温度的关系辐射波长与温度的关系辐射波长与温度的关系 ，可以看出，随着温度，可以看出，随着温度，可以看出
15、，随着温度，可以看出，随着温度 的升高其峰值波长向短的升高其峰值波长向短的升高其峰值波长向短的升高其峰值波长向短 波方向移动，在温度不波方向移动，在温度不波方向移动，在温度不波方向移动，在温度不 太高时，峰值辐射波长太高时，峰值辐射波长太高时，峰值辐射波长太高时，峰值辐射波长 位于红外区域。位于红外区域。位于红外区域。位于红外区域。红外传感器红外传感器红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感 器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器。红外传感器的构成比较简单，它一般是由光学系统、探测器。红
