第10章-輻射式測溫

傳感與檢測技術(shù)非接觸式測溫§8.1

非接觸式測溫上一頁下一頁返回

高溫測量中應(yīng)用最廣泛，主要應(yīng)用行業(yè)為冶金、鑄造、熱處理以及玻璃、陶瓷和耐火材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中。 任何物體處于絕對零度以上時(shí)，都會以一定波長電磁波的形式向外輻射能量。輻射式測溫儀表就是利用物體的輻射能量隨其溫度而變化的原理制成的。 測量時(shí)，只需把溫度計(jì)光學(xué)接收系統(tǒng)對準(zhǔn)被測物體，而不必與物體接觸，因此可以測量運(yùn)動物體的溫度并不會破壞物體的溫度場。此外，由于感溫元件只接收輻射能，不必達(dá)到被測物體的實(shí)際溫度，從理論上講，它沒有上限，可以測量高溫。 非接觸測溫儀表分類：光學(xué)高溫計(jì)、輻射式溫度計(jì)常用非接觸式測溫方法1熱輻射基本定理2光學(xué)高溫計(jì)3光電高溫計(jì)4輻射溫度計(jì)5比色溫度計(jì)上一頁下一頁返回一、

熱輻射基本定理

輻射換熱是三種基本的熱交換形式之一

波長范圍：10-3m～10-8m在低溫時(shí)，物體輻射能量很小，主要發(fā)射的是紅外線。隨著溫度的升高，輻射能量急劇增加，輻射光譜也向短的方向移動，在5000C左右時(shí)。輻射光譜包括了部分可見光；到8000C時(shí)可見光大大增加，即呈現(xiàn)“紅熱”；如果到30000C時(shí)，輻射光譜包括更多的短波成分，使得物體呈現(xiàn)“白熱”。輻射測溫的基本原理：觀察灼熱物體表面的“顏色”來大致判斷物體的溫度，這就是上一頁下一頁返回?zé)彷椛浠径ɡ?1)熱輻射的重要參數(shù)(2)輻射能的分配(3)基爾霍夫定律(4)黑體輻射定律上一頁下一頁返回(1)熱輻射的重要參數(shù)①輻射能Q

以輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能，單位為焦耳(J)。②輻射能通量是輻射能隨時(shí)間的變化率，又稱輻射率：

(6.4.1)

其單位是瓦特(W)。③輻射強(qiáng)度I

在給定方向上的立體角單元內(nèi)，離開點(diǎn)輻射源(或輻射源面單元)的輻射功率除以該立體角單元，稱為該方向上的輻射強(qiáng)度，其單位為瓦/球面度(W/sr)。上一頁下一頁返回(1)熱輻射的重要參數(shù)④輻射出射度M

離開輻射源表面一點(diǎn)處的面單元上的輻射能量除以該單元面積，稱為該點(diǎn)的輻射出射度，即

(6.4.2)

輻射出射度的單位為瓦/米2(W/m2)。⑤輻射亮度L和光譜輻射亮度表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的輻射強(qiáng)度，除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為該方向的輻射亮度L。輻射亮度實(shí)際上包括所有波長的輻射能量。如果是輻射光譜中某一波長的輻射能量則稱為在此波長下的光譜輻射亮度。上一頁下一頁返回(2)輻射能的分配當(dāng)物體接受到輻射能量以后，根據(jù)物體本身的性質(zhì)，會發(fā)生部分能量吸收、透射和反射α―吸收率；τ―透射率；ρ―反射率。上一頁下一頁返回物體分類：

黑體（絕對黑體）： 照射到物體上的輻射能全部被吸收，既無反射也無透射。 透明體： 照射到物體上的輻射能全部透射過去，既無吸收又無反射。 鏡體、白體： 照射到物體上的輻射能全部反射出去。若物體表現(xiàn)平整光滑，反射具有一定規(guī)律，則該物體稱之為“鏡體”；若反射無一定規(guī)律，則該物體稱為“絕對白體”或者簡稱為“白體”。上一頁下一頁返回在自然界中黑體、白體和透明體都是不存在的。一般固體和液體的τ值很小或等于零，而氣體的τ值較大。對于一般工程材料來講，τ＝0而α+ρ=1，稱為灰體

從傳熱學(xué)角度看，可以人為制造黑體上一頁下一頁返回(3)基爾霍夫定律各物體的輻射出射度和吸收率的比值都相同，和物體的性質(zhì)無關(guān)，是物體的溫度和發(fā)射波長的函數(shù)式中：M0(λ,T),M1(λ,T),M2(λ,T)―物體的單色(λ)輻射出射度；

α0(λ,T),α2(λ,T),α2(λ,T)―物體的單色(λ)吸收率。上一頁下一頁返回若物體A0絕對黑體，那么α0(λ,T)，根據(jù)基氏定律物體的輻射出射度和吸收率之比等于絕對黑體在同樣的溫度下，相同波長時(shí)的輻射出射度。這是基氏定律的另一種說法。設(shè)M(λ,T)為物體A在波長為λ

，溫度為T下的輻射出射度。式中，ε稱為物體A的單色輻射率，或稱為單色黑度系數(shù)。它表明了在一定的溫度和波長下，物體A的輻射出射度與相同溫度和波長下黑體的輻射出射度之比?；鶢柣舴蚨烧f明，物體的輻射能力與它的吸收能力是相同的上一頁下一頁返回在全波長內(nèi)，任何物體的全輻射出射度等于單波長的輻射出射度在全波長內(nèi)的積分式中，A(T)－物體A在溫度T下的全吸收率，

M0(T)－黑體在溫度T下的全輻射出射度?；隙傻姆e分形式為它表明了在一定的溫度T下，物體A的輻射出射度與相同溫度下黑體的輻射出射度之比。一般物體的εT<1，εT越接近1,表明它與黑體的輻射能力越接近。上一頁下一頁返回(4)黑體輻射定律①普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)②維恩公式③斯蒂芬－波爾茲曼定律（全輻射強(qiáng)度定律，也稱為四次方定律）上一頁下一頁返回①普朗克定律(單色輻射強(qiáng)度定律)溫度為T的單位面積元的絕對黑體，在半球面方向所輻射的波長為λ的輻射出射度為式中，c―光速；

h―普朗克常數(shù)，6.626176×10-34J·s；

k―波爾茲曼常數(shù)，1.38066244×10-23J/K；

C1―第一輻射常數(shù)，＝3.7418×10-16W·m2；

C2―第二輻射常數(shù)，＝1.4388×10-12m·K；

T―絕對溫度。公式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是它對于低溫與高溫都是適用的上一頁下一頁返回②維恩公式理論上說明了黑體在各種溫度下能量、波長分布的規(guī)律公式簡單，但是僅適用于不超過3000K的溫度范圍黑體的輻射本領(lǐng)是波長和溫度的函數(shù)，當(dāng)波長一定時(shí)，黑體的輻射本領(lǐng)就僅僅是溫度的函數(shù)，即上式就是光學(xué)高溫計(jì)和比色高溫計(jì)測溫的理論根據(jù)

上一頁下一頁返回③斯蒂芬－波爾茲曼定律

（全輻射強(qiáng)度定律，四次方定律）溫度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長的輻射出射度與溫度T的四次方成正比。式中，σ―斯蒂芬－波爾茲曼常數(shù)，5.66961×10-3W/(m2·K4)。上式就是輻射式溫度計(jì)測溫的理論根據(jù)。全輻射強(qiáng)度定律是單色輻射強(qiáng)度定律在全波長內(nèi)積分的結(jié)果。上一頁下一頁返回二、光學(xué)高溫計(jì)

精密光學(xué)高溫計(jì)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的精密測試；

標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)高溫計(jì)用于量值的傳遞，例如，在物質(zhì)熔點(diǎn)、熱容量和相變點(diǎn)的測定中使用。 光學(xué)高溫計(jì)可用來測量800～32000C的高溫。 由于采用用肉眼進(jìn)行色度比較，所以測量誤差與人的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。 光學(xué)高溫計(jì)測量的溫度稱為亮度溫度(TL)，被測對象為非黑體時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。上一頁下一頁返回工業(yè)用光學(xué)高溫計(jì)分類隱絲式 利用調(diào)節(jié)電阻來改變高溫?zé)襞莸墓ぷ麟娏?，?dāng)燈絲的亮度與被測物體的亮度一致時(shí)，燈泡的亮度就代表了被測物體的亮度溫度。恒定亮度式 利用減光楔來改變被測物體的亮度，使它與恒定亮度溫度的高溫?zé)襞菹啾容^，當(dāng)兩者亮度相等時(shí)，根據(jù)減光楔旋轉(zhuǎn)的角度來確定被測物體的亮度溫度。由于隱絲式光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu)和使用方法都優(yōu)于恒定亮度式，所以應(yīng)用廣泛。上一頁下一頁返回隱絲式光學(xué)高溫計(jì)光學(xué)系統(tǒng) 紅色濾波片，造成一個較窄的有效波長 吸收玻璃，目的是擴(kuò)展量程 目鏡和物鏡是一套光學(xué)系統(tǒng)電測系統(tǒng)包括指示儀表、燈泡、電源和調(diào)節(jié)電阻四部分。光學(xué)高溫?zé)襞荩簶?biāo)準(zhǔn)輻射源 電源、調(diào)節(jié)電阻和指示儀表組成測量電路原理一般有電壓表式，電流表式以及不平衡電橋和平衡電橋式四種。上一頁下一頁返回WGG2-201型光學(xué)高溫計(jì)1－物鏡；2－吸收玻璃；3－燈泡；4－紅色濾波片；5－目鏡；6－指示儀器；7－滑線電阻；E－電源；K－開關(guān)；R1－刻線調(diào)整電阻上一頁下一頁返回亮度溫度

為了校正光學(xué)高溫計(jì)測量非黑體的溫度比真實(shí)溫度偏低的偏差。定義：當(dāng)被測物體為非黑體，在同一波長下的光譜輻射亮度同絕對黑體的光譜輻射亮度相等時(shí)，則黑體的溫度稱為被測物體在波長為λ時(shí)的亮度溫度。左邊為非黑體光譜輻射亮度，右邊為黑體的光譜輻射亮度上一頁下一頁返回根據(jù)維恩公式有對上式兩邊取對數(shù)，并加以整理，得式中，ελT―被測物體在溫度為T，波長為時(shí)的單色黑度系數(shù)；

T―被測物體的真實(shí)溫度；

TL―被測物體的亮度溫度。已知物體的單色黑度系數(shù)，就可以通過亮度溫度求出物體的真實(shí)溫度。上一頁下一頁返回三、

光電高溫計(jì)光學(xué)高溫計(jì)是由人工操作來完成亮度平衡工作的，其測量結(jié)果帶有操作者的主觀誤差。它不能進(jìn)行連續(xù)測量和記錄，當(dāng)被測溫度低于8000C時(shí)，光學(xué)高溫計(jì)對亮度無法進(jìn)行平衡。光電高溫計(jì)是在光學(xué)高溫計(jì)測量理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型測溫儀表。它采用新型的光電器件，自動進(jìn)行平衡，達(dá)到連續(xù)測量的目的。上一頁下一頁返回主要特點(diǎn)：①采用光敏電阻或者光電池作為感受輻射源的敏感元件來代替人眼的觀察；②采用一參考輻射源與被測物體進(jìn)行亮度比較，由光敏元件和電子放大器組成鑒別和調(diào)整環(huán)節(jié)，使參考輻射源在選定的波長范圍內(nèi)的亮度自動跟蹤被測物體的輻射亮度，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)即可得到測量值；③在平衡式測量方式中，光敏元件只起指零作用，它的特性如有變化，對測量結(jié)果影響較小，參考輻射源選用鎢絲燈泡，能保持較高的穩(wěn)定性，因此具有較高的精度和連續(xù)測量的特性；④設(shè)計(jì)了手動值修正環(huán)節(jié)，可顯示物體的真實(shí)溫度；⑤采用新型光敏元件，測量范圍寬，約為200～16000C。上一頁下一頁返回WDL-31型光電高溫計(jì)的工作原理1－物鏡；2－同步信號發(fā)生器；3－調(diào)制鏡；4－微電機(jī)；5－反光鏡；6－聚光鏡；7－參比燈；8－探測元件上一頁下一頁返回(1)瞄準(zhǔn)光路由物鏡對0.5m～處被測物體調(diào)焦成像在分劃板上。通過目鏡組可清晰地觀察到被測物體的瞄準(zhǔn)部位1－調(diào)制鏡；2－微電機(jī)；3－反光鏡；4－可變光闌；5－聚光鏡組；6－參比燈；7-目鏡組8、9-保護(hù)窗；10－物鏡；11-入射光瞳；12-衰減玻璃；13－探測元件；14-濾光片；15-保護(hù)光闌；16-分劃板；17－透鏡玻璃；18-出射光闌；19-保護(hù)玻璃上一頁下一頁返回(2)工作原理為了減少硅光電池性能參數(shù)的變化及電源電壓波動對測量結(jié)果的影響，WDL型光電高溫計(jì)采用負(fù)反饋原理進(jìn)行工作。

首先利用硅光電池將被測對象與標(biāo)準(zhǔn)燈泡的亮度分別轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)放大或送往檢測系統(tǒng)進(jìn)行測量、比較。當(dāng)兩個電信號之差等于零，即說明被測對象與標(biāo)準(zhǔn)燈泡的光譜輻射亮度LA.和LB相等,則標(biāo)準(zhǔn)燈泡的亮度溫度即為被測對象的亮度溫度。四、

輻射溫度計(jì)根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，即物體的總輻射強(qiáng)度與物體溫度的四次方成正比的關(guān)系來進(jìn)行測量的。

組成：輻射感溫器和顯示儀表兩部分 可用于測量400～20000C的高溫，多為現(xiàn)場安裝式結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)現(xiàn)場高溫環(huán)境的要求，可在輻射感溫器外加裝水冷夾套。輻射高溫計(jì)測量的溫度稱為輻射溫度，被測對象為非黑體時(shí)，要通過修正才能得到非黑體的真實(shí)溫度。上一頁下一頁返回WFT-202型輻射感溫器結(jié)構(gòu)1－物鏡；2－外殼；3－補(bǔ)償光闌；4－座架；5－熱電堆；6－接線柱；7－穿線套；8－蓋；9－目鏡；10－校正片；11－小齒軸上一頁下一頁返回輻射溫度

對于輻射式溫度計(jì)，它是以絕對黑體的輻射能為基準(zhǔn)對儀器進(jìn)行分度的，所以儀器測出的值稱為輻射溫度。 輻射溫度的定義：黑體的總輻射能等于非黑體的總輻射能時(shí)，此黑體的溫度即為非黑體的輻射溫度。根據(jù)全輻射強(qiáng)度定理，總輻射能相等，則有：因?yàn)榉呛隗wεT<1，則TF<T因此用輻射溫度計(jì)測出的溫度要比物體的真實(shí)溫度低。上一頁下一頁返回輻射溫度計(jì)由輻射感溫器、顯示儀表及輔助裝置構(gòu)成，其工作原理：被測物體的熱輻射能量，經(jīng)物鏡聚集在熱電堆（由一組微細(xì)的熱電偶串聯(lián)而成）上并轉(zhuǎn)換成熱電勢輸出，其值與被測物體的表面溫度成正比，用顯示儀表進(jìn)行指示記錄。五、

比色溫度計(jì)

原理：通過測量熱輻射體在兩個或兩個以上波長的光譜輻射亮度之比來測量溫度。

特點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，響應(yīng)快，可觀察小目標(biāo)(最小可到2mm)。 因?yàn)閷?shí)際物體的單色黑度系數(shù)和全輻射黑度系數(shù)的數(shù)值相差很大，但是對同一物體的不同波長的單色黑度系數(shù)和來說，其比值的變化卻很小。所以用比色溫度計(jì)測得的溫度稱為比色溫度，它與物體的真實(shí)溫度很接近，一般可以不進(jìn)行校正。上一頁下一頁返回比色溫度計(jì)比色溫度計(jì)原理結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回§8.2光電檢測技術(shù)1.光敏電阻(LDR)WhenLDRwasexposedtolight,itgotalowerresistancevalue,thephenomenoniscalledInternalphotoelectriceffect(內(nèi)光電效應(yīng))(當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。)

DemoofLDR當(dāng)光敏電阻(LDR)受到光照時(shí)，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流(Darkcurrent)（越小越好）2.光敏二極管

將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，光照射到光敏二極管的PN結(jié)時(shí)，電子-空穴對數(shù)量增加，光電流（lightcurrent）與照度（illuminationintensity)成正比。不同的外部形式的光敏二極管光敏二極管陣列

光敏二極管的反向偏置接法

在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時(shí)的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

演示的反向偏壓連接光敏二極管和光電特性

在沒有光照時(shí)，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時(shí)，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

BackwardbiasconnectionofphotosensitivediodeUO+—

light3.PhotosensitiveTriode(光敏三極管)

光敏三極管有兩個PN結(jié)。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。)

ExternalformsofPhotosensitiveTriodes

(光敏三極管外形

)InternalstructureofPhotosensitiveTriodes(光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu))

a)

internalstructureb)管芯結(jié)構(gòu)c）結(jié)構(gòu)簡化圖

1—pinofcollectorjunction(集電極引腳)7—N-typecollectorregion(N型集電區(qū))

2—管芯8—SiO2保護(hù)圈

3—shell(外殼)9—collectorjunction(集電結(jié))4—collectingglassmirror(玻璃聚光鏡)10—P-typebaseregion(P型基區(qū))5—pinofemitterjunction(發(fā)射極引腳)11—(N-typeemitterregion)N型發(fā)射區(qū)

6—N+substrate(N+襯底)12—emitterjunction(發(fā)射結(jié))

Photoelectriccharacteristic0Light

photocurrent(光電流)PhotosensitiveTriode(光敏三極管)Photosensitivediode(光敏二極管)3000lx4mA請判斷靈敏度的高低0.3mA請計(jì)算當(dāng)E=100lx時(shí)，光敏二極管的光電流IΦ

IΦE4.Photoelectriccomponent（光電元件)basedonphotovoltaiceffect

（光生伏特效應(yīng)）

——photocell(光電池)

在N型襯底(substrate)上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構(gòu)成最簡單的光電池。當(dāng)入射光子(incidentphoton)的能量足夠大時(shí)，P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對光生電子—空穴對，光生電子—空穴對的的擴(kuò)散運(yùn)動使電子通過漂移運(yùn)動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經(jīng)短暫的時(shí)間，PN結(jié)兩側(cè)就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。

ExternalformsofphotocellsPhotosensitivesurface能提供較大電流的大面積光電池外形OtherphotocellsandApplicationinilluminationintensitymeasuring(其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用)柔光罩下面為圓形光電池Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光電池在動力方面的應(yīng)用)Solar-poweredcars(太陽能賽車）Amodelofsolar-poweredmotor太陽能電動機(jī)模型Solarsiliconphotocellpanels(太陽能硅光電池板)Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光電池在動力方面的應(yīng)用)Solarelectricalenergygeneration(太陽能發(fā)電）Photocell---Applicationinpower-relatedfield(光電池在動力方面的應(yīng)用)Applicationinman-madesatellitesPhotoelectriccharacteristicofphotocell

光電池的光電特性

photoelectriccharacteristicsofatypicalsiliconphotocell(硅光電池）

1—curveofopencircuitvoltage2—curveofshortcircuitcurrentOpencircuitvoltage(開路電壓)beingalogarithmicperformanceShortcircuitcurrent(短路電流)beinga

linearperformanceII.Applicationcircuitofphotoelectriccomponent

(光電元件的基本應(yīng)用電路

)1.Basicapplicationcircuitofphotosensitiveresistor(光敏電阻的基本應(yīng)用電路)

a）UＯ與光照變化趨勢相同的電路b）UＯ與光照變化趨勢相反的電路

2.Applicationcircuitofphotocell

——shortcircuitcurrentmeasuringcircuitof

photocell(光電池短路電流測量電路)

outputvoltageUoisproportionaltophotocurrentIΦinI/Uchange-overcircuit.

轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo與光電流IΦ成正比。若光電池用于微光測量時(shí)，IΦ可能較小，則應(yīng)增加一級放大電路，并在第二級使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。

Applicationofphotoelectricsensor

(光電傳感器的應(yīng)用)

1.光源本身是被測物的應(yīng)用實(shí)例光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計(jì)（Illuminometer)來測量。光電池（外加柔光罩）

Infraredradiationthermometer

(紅外線輻射溫度計(jì))

Infraredradiationthermometercanbeusedformeasuringhightemperatureaswellaslowtemperaturebelowthefreezingpoint,itisthedevelopmentaltendencyofradiationthermometer.Infraredradiationthermometersonsalecanmeasurethetemperaturebetweenminus30degreesCelsiusand3000degreesCelsius,manyspecificationsareprovidedandyoucanchoosetherighttypeaccordingtoyourrequest.(紅外輻射溫度計(jì)既可用于高溫測量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測量，所以是輻射溫度計(jì)的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計(jì)的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。）Eternalformsofinfraredradiationthermometers

(紅外線輻射溫度計(jì)外形)

laser

(激光）

is

onlyusedforaimingEternalformsofinfraredradiationthermometers

(紅外線輻射溫度計(jì)外形)

usedtomeasurefoodstemperatureInfraredradiationthermometer

--applicationsinnon-contactbodytemperature

measuring(非接觸體溫測量中的應(yīng)用）耳溫儀

Infraredradiationthermometer

--Applicationinmeasuringforehead

temperature紅外輻射溫度計(jì)

Infraredradiationthermometer--Applicationin

non-contacttemperature

measuring(非接觸溫度測量中的應(yīng)用）集成IC溫度測量利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（冷藏牛奶和面食）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）Temperatureacquisitionsystem(溫度采集系統(tǒng))(2)Pyroelectricopticaltransducer

（熱釋電傳感器)

---Applicationinbodydetectionandalarm

systems熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。

熱釋電元件外形Pyroelectricopticaltransducer（熱釋電傳感器）

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無人時(shí)會自動停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)；電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機(jī)的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動記錄動物或人的活動等等……

InteriorcircuitofpyroelectricopticaltransducerSeries-opposingconnection(反向串聯(lián)）

oftwopyroelectricopticalmicro-chips.(兩塊反向串聯(lián)的熱釋電晶片)Field-effecttube(場效應(yīng)管)Operationalprincipleofpyroelectricopticaltransducer(熱釋電傳感器工作原理)熱釋電晶片(pyroelectricopticalmicro-chips)表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡(Fresnellens)，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角(angleoffield)，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動時(shí)，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號(agroupofACpulsesignals)。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是“視而不見”的。

ExternalformofFresnellens(菲涅爾透鏡)

傳感器不加菲涅爾透鏡時(shí)，其檢測距離小于2m，而加上該透鏡后，其檢測距離可增加3倍以上。PyroelectricopticalkitPyroelectricopticalAlarm(熱釋電報(bào)警器)

Fresnellens設(shè)定按鈕高分貝喇叭Pyroelectricopticalalarm(熱釋電報(bào)警器)

（續(xù)）

FresnellensΦ5mm接插件pyroelectricopticalalarm(熱釋電報(bào)警器)（續(xù)）

ceiling-mountedpyroelectricopticalalarm(吸頂式熱釋電報(bào)警器)Applicationofpyroelectricopticaltransducer熱釋電傳感器用于自動亮燈，當(dāng)然也可以用于防盜熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍Pyroelectricopticalsenselight(熱釋電感應(yīng)燈)PyroelectricopticaltransducerAutomaticsenselight(自動感應(yīng)燈)

（參考施特朗公司資料）Pyroelectricopticaltransducer---applicationin

intelligentair-conditioner

智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。

空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。上下范圍左右范圍OperationalprincipleofphotoelectricNephelometer(光電式濁度計(jì))1—constantcurrentsource(恒流源)5—watersampletobemeasured(被測水樣)

2—semiconductorlaser(半導(dǎo)體激光器)6、9—photocell(光電池）3—半反半透鏡

7、10—I/Uconverter(電流/電壓轉(zhuǎn)換器)

4—reflectingmirror(反射鏡)8—standardwatersample(標(biāo)準(zhǔn)水樣)

參比通道

2.smokedetector/alarm

（參考南京千里通公司無線煙霧報(bào)警器資料）

無煙霧時(shí)，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧進(jìn)入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報(bào)警信號。

smoke報(bào)警Internalstructureofwirelesssmokedetector

(無線煙霧報(bào)警器內(nèi)部結(jié)構(gòu))

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器(buzzer)無線火災(zāi)煙霧傳感器無線火災(zāi)煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。它內(nèi)部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時(shí)，工作電流僅為15微安，報(bào)警發(fā)射時(shí)工作電流為20毫安。當(dāng)探測到初期明火或者煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，傳感器的報(bào)警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報(bào)警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無線發(fā)射器發(fā)出無線報(bào)警信號，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。無線發(fā)射器的報(bào)警距離在空曠地可以達(dá)到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達(dá)到20米。3被測物體反射光通量(Luminousflux)的應(yīng)用實(shí)例

(1)反射式煙霧報(bào)警器

(reflexsmokedetector)在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射（diffusereflection)（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。

(2)photoelectrictachometer(光電式轉(zhuǎn)速表)

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。

n=60(f/z)

水泵轉(zhuǎn)速測量Externalformofphotoelectrictachometer(3)色標(biāo)傳感器

色飽和圖(colorsaturation)色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。人眼對各色光的敏感程度產(chǎn)品包裝色彩檢測、分選（4）光電自動門Photoelectricsensorofautomaticdoor(自動門光電傳感器)放大圖有效檢測區(qū)域4被測物遮擋光通量的應(yīng)用實(shí)例

（1）光電式帶材跑偏檢測器

光電傳感器帶材走偏時(shí)，邊緣經(jīng)常與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。

當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時(shí)，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。

光電開關(guān)在流水線(productionline)上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開關(guān)Coffeecan流水線運(yùn)行方向罐裝高度檢測儲料倉(bunker)落料口遮斷式光電開關(guān)（計(jì)數(shù)）定區(qū)域反射式光電開關(guān)原理定區(qū)域式光電開關(guān)有一個非常確定的檢測區(qū)域（detectingarea)，不經(jīng)過該區(qū)域的被測物體不會引起光電開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)信號。檢測距離檢測距離反射型光電開關(guān)及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身反射鏡反射型光電開關(guān)工作原理反射鏡反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來的偏振光。反射板反射鏡(reflector)被測物體偏振光(polarizedlight)發(fā)射光(emittedlight)被測物漫反射型光電開關(guān)原理漫反射光線(rayofdiffusereflection)反射光線(Reflectionray)被檢測物體光發(fā)射器(lightemitter)和光接受器(lightreceiver)發(fā)射光線(rayofincidentlight)

漫反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測物體經(jīng)過該光電開關(guān)時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體表面反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關(guān)信號。額定距離(nominaldistance)智能化光電開關(guān)的自學(xué)習(xí)過程示意圖閾值開關(guān)學(xué)習(xí)指示燈設(shè)定距離安裝距離表面反射率(surfacealbedo)對于漫反射式光電開關(guān)發(fā)出的光線需要被檢測物表面將足夠的光線反射回接收器，所以檢測距離和被檢測物體的表面反射率及粗糙程度將決定接收器接收到光線強(qiáng)度，被檢測物體的表面還應(yīng)盡量垂直于光電開關(guān)的發(fā)射光線。Applicationofphotoelectricswitch(光電開關(guān)應(yīng)用)（續(xù)）透明度測量、控制質(zhì)量檢測Applicationofphotoelectricswitch(光電開關(guān)應(yīng)用)（續(xù)）加工控制Applicationofphotoelectricswitch(光電開關(guān)應(yīng)用)（續(xù)）機(jī)械手定位Applicationofphotoelectricswitch(光電開關(guān)應(yīng)用)（續(xù)）商標(biāo)方向檢測（4）光電斷續(xù)器(photoelectricinterrupter)光電斷續(xù)器可分為遮斷型和反射型兩種。遮斷型光電斷續(xù)器也稱為槽式光電開關(guān)，通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)。其發(fā)射器和接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，兩者能可靠地對準(zhǔn)，為安裝和使用提供了方便。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生表示檢測到的開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較可靠，較適合高速檢測。反射式光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器是較便宜、簡單、可靠的光電器件。它廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、機(jī)電一體化設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器中。光電斷續(xù)器的發(fā)光二極管可以直接用直流電驅(qū)動，亦可用40kHz尖脈沖電流驅(qū)動；紅外LED的正向壓降約為1.1~1.3V，驅(qū)動電流控制在20mA以內(nèi)。光電斷續(xù)器外形光電斷續(xù)器外形（續(xù)）紅色光柱

齒盤每轉(zhuǎn)過一個齒，光電斷續(xù)器就輸出一個脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計(jì)數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。Applicationofphotoelectricinterruptern

當(dāng)工件經(jīng)過光電斷續(xù)器時(shí)，接收器即產(chǎn)生一個計(jì)數(shù)脈沖。Applicationofphotoelectricinterrupter（續(xù)）光電傳感器的其他用途（續(xù)）斷裂檢測電梯自動運(yùn)行條件判斷一、Halleffectsensor

Inthischapter,wewilllearntheworkingtheoryofHalleffectsensor,thecharacteristicofHalleffectsensoranditsapplications.A4-portHalleffectcomponent§8.3霍爾檢測技術(shù)Structureandworkingtheory

ofHalleffectcomponent

TheHalleffectconsistsofthegenerationofadifferenceinelectricpotentialacrossacurrent-carryingconductororsemiconductorwhileinamagneticfieldperpendiculartothecurrent.EdwinH.Halldiscoveredthiseffectingoldin1879.

磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdabUH=0

IncreasetheappliedmagneticfieldB,theHallvoltageUHincreases.UH=KHIB

i:primarycurrent.

UHDemoofHalleffect當(dāng)磁場垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力(LorentzForce)的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(Hallelectricpotential)cdabUH磁場不垂直于霍爾元件時(shí)的霍爾電動勢

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度

時(shí)，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcos

，這時(shí)的霍爾電勢為

UH=KHIBcos

結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時(shí)，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

霍爾元件的主要外特性參數(shù)

最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM

上圖所示霍爾元件的線性范圍是負(fù)的多少高斯至正的多少高斯？（1T=10000G）線性區(qū)霍爾元件的主要外特性參數(shù)（續(xù)）

最大激勵電流IM:由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

II.HalleffectIC(霍爾集成電路)

霍爾集成電路可分為線性型(linear)和開關(guān)型(on-off)兩大類。線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為正；磁場反向時(shí)，輸出為負(fù)。請畫出線性范圍開關(guān)型霍爾集成電路開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖剑划?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.VccCharacteristicofOn-offHallIC(開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性)

磁滯（回差）（hysteresis)越大，抗振動干擾能力就越強(qiáng)。

當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？回差為多少特斯拉？相當(dāng)于多少高斯（Gs）？IIIApplicationofHalleffectsensor

(霍爾傳感器的應(yīng)用)