下面給大家介紹一下非接觸式紅外熱電堆溫度傳感器基礎(chǔ)知識及工作原理，德國海曼heimann sensor的熱電堆傳感器和熱電堆陣列可用于各種非接觸式溫度測量應(yīng)用，例如入耳式或額頭溫度計、熱點檢測、激光束分析、工業(yè)過程控制或公共建筑中的人體存在檢測。要了解紅外熱電堆作為溫度傳感器的潛力和局限性，了解它們的工作原理非常重要，包括它們?nèi)绾螌⒓t外輻射轉(zhuǎn)換為電壓，然后再轉(zhuǎn)換為溫度值。

紅外基礎(chǔ)知識

海曼heimann HTS L 系列單元件熱電堆傳感器

熱電堆感應(yīng)從任何溫度高于絕對零 (-273.15°C) 的物體或身體表面發(fā)出的電磁輻射。這種輻射具有取決于發(fā)射體表面溫度的寬帶光譜分布，可以用普朗克輻射定律來描述。如下圖所示：

從圖中可以看出，較高的表面溫度有兩個影響。首先，總發(fā)射能量增加。Stefan-Boltzman 定律描述了這一點：

發(fā)射的能量與絕對 (K) 溫度的四次方成比例增加。因此，稍微高一點的物體溫度會產(chǎn)生比稍微高一點的輻射水平。由于 4 次方相關(guān)性，絕??對溫度的小變化和發(fā)射能量的較大變化導(dǎo)致更容易檢測溫度差異。雖然您可能無法在第一張圖中的雙對數(shù)刻度中清楚地看到這種效果，但在下一張圖中它變得更加明顯，其中 y 軸未以對數(shù)格式縮放：

其次，輻射光譜的峰值波長在更高的溫度下移動到更短的波長。這由 Wiens 位移定律描述：

對于 27°C 的環(huán)境溫度，峰值波長為 9.66 μm。對于 1000°C，峰值波長移動到 2.28 μm，對于大約 6000°C 的太陽表面溫度，峰值波長約為 0.46 μm，這在人眼的可見光譜中。

對于 0°C 到 1000°C 范圍內(nèi)的大多數(shù)溫度測量，峰值波長和因此大部分發(fā)射的輻射都在中紅外和遠(yuǎn)紅外范圍內(nèi)，根據(jù)定義，該范圍在 3 μm 和 15 μm 之間：

熱紅外傳感器工作原理

數(shù)字信號熱電堆紅外陣列

在學(xué)習(xí)了有關(guān)熱紅外輻射的最重要的基礎(chǔ)知識之后，我們現(xiàn)在可以了解一下熱紅外傳感器的工作原理。如下圖所示，必須考慮四個要素。第一，輻射源。這是由于其表面溫度而發(fā)出紅外輻射的物體、身體或表面。其次，紅外輻射從輻射源通過大氣向傳感器傳播。在傳感器元件檢測到輻射之前，可以通過紅外光學(xué)器件對其進(jìn)行處理。光學(xué)元件是第三個元件，可以由濾光片和/或透鏡組成。最后一個元素是實際的紅外傳感器，它將入射輻射轉(zhuǎn)換為信號，通常是適合顯示或進(jìn)一步解釋信號處理和動作的電壓值。

輻射源的影響

理想的輻射源稱為黑體。它為每個波長發(fā)出最大可能的熱輻射，其特性恰好由普朗克輻射定律描述。黑體不會反射任何光線，也不會透射任何光線。這意味著 100% 的入射光被黑體吸收。這種吸收的輻射能量提高了吸收黑體的溫度，因此根據(jù)斯特凡-玻爾茲曼定律，黑體發(fā)出的輻射也略有增加，該定律說溫度越高的物體發(fā)出的輻射越多。簡單地說：吸收的輻射被重新發(fā)射;或者換句話說，吸收系數(shù)和發(fā)射系數(shù)相同且等于 1.

在現(xiàn)實世界中，不存在完美的黑體，物體的發(fā)射率將低于 1.因此，發(fā)射的輻射將低于普朗克輻射定律所描述的輻射。如果我們的傳感器檢測到這種輻射，它也會顯示較低的溫度，因為它接收到的輻射比預(yù)期的要少。為了補償這種影響，我們必須知道待測物體的表面發(fā)射率。發(fā)射率是解釋真實物體與完美黑體的偏差的一個因素。

方便的是，人體皮膚是一個近乎完美的黑體，發(fā)射率約為 0.98.而大多數(shù)金屬和其他典型工業(yè)目標(biāo)的發(fā)射率系數(shù)較低，也可能隨著溫度和金屬的氧化以復(fù)雜的方式發(fā)生變化。因此，金屬表面溫度的測量要困難得多。

大氣對紅外光源的影響

如果我們知道表面的發(fā)射率，則可以解釋真實物體的非理想黑體行為的影響，但補償大氣的影響并不總是那么容易。要理解這一點，重要的是要了解大氣對紅外光傳輸?shù)挠绊憽?/p>

大氣中含有 H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4、O2 和 N2 等氣體，僅舉出最常見的幾種。當(dāng)我們感興趣的物體發(fā)出的紅外輻射與其中一種氣體分子相互作用時，光可能會被散射或吸收。這發(fā)生在每種氣體與其分子結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特征波長處。突然間，可以看到平滑連續(xù)的紅外黑體輻射光譜與深谷相交，在深谷中，一種或另一種氣體的吸收已經(jīng)根據(jù)存在的氣體的波長特征選擇性地衰減了能量。雖然某些光譜范圍在正常大氣條件下顯示出高吸收率，但其他范圍內(nèi)的輻射幾乎可以不受阻礙地通過。高透射光譜范圍被稱為大氣窗口。

3 至 5 μm(中紅外)

8 至 14 μm(遠(yuǎn)紅外線)

如果我們將溫度或痕量氣體濃度的測量限制在這些光譜范圍內(nèi)，大氣對測量精度的影響就會得到改善。然而，即使在這些大氣窗口中，透射率也不是 100%。比爾定律告訴我們，如果輻射穿過大氣層的距離更長，那么隨著距離的增加，窗口區(qū)域的這種小吸收將與測量結(jié)果越來越相關(guān)。如果傳感器靠近測量對象放置，在大多數(shù)情況下可以忽略大氣窗口中的微小吸收。

光學(xué)的影響

系統(tǒng)中的下一個元素是光學(xué)元件。為了將接收到的輻射限制在規(guī)定的光譜范圍內(nèi)，需要濾光片。雖然濾光器可能將光譜范圍限制在 8-14 μm，但它本身的傳輸系數(shù)小于 100%。這導(dǎo)致傳感器接收到的紅外輻射進(jìn)一步減少。為了確定感興趣物體的表面溫度，必須考慮所有這些影響。至少您應(yīng)該了解這些影響，以了解您的測量的準(zhǔn)確性。

德國海曼heimann sensor熱電堆傳感器的工作原理

海曼熱電堆傳感器模塊

紅外輻射，由于其發(fā)射率、一些大氣吸收和光學(xué)元件的傳輸而減弱，最終到達(dá)是我們的熱傳感器元件。我們現(xiàn)在可以看看熱電堆傳感器是如何工作的。入射輻射(熱)到輸出信號(電壓)的轉(zhuǎn)換基于熱電效應(yīng)，也稱為塞貝克效應(yīng)。熱電效應(yīng)描述了由于溫差導(dǎo)致的電導(dǎo)體內(nèi)部電荷載流子的分離。如果導(dǎo)體一側(cè)的溫度高于另一側(cè)，則電荷將處于不平衡狀態(tài)。電荷分離的程度取決于材料并且是稱為熱電系數(shù)的常數(shù)。它可以是正的也可以是負(fù)的。如果我們在一端連接兩個具有不同熱電系數(shù)的導(dǎo)體并使其承受高溫 T 1 ，我們得到一個熱電偶。然后我們可以測量距離較遠(yuǎn)且溫度較低的兩端之間的電荷差(=電壓)T 2 。

由于熱電系數(shù)(α 1 和α 2)是材料常數(shù)，溫差ΔT和輸出電壓之間的關(guān)系是強線性關(guān)系，可以描述如下：

然而，單個熱電偶的輸出電壓非常小——在 μV 的范圍內(nèi)。因此，許多熱電偶串聯(lián)以獲得更高的輸出電壓值是正常的。這種熱電偶集合通常稱為熱電堆。然而，即使熱電堆產(chǎn)生更高的信號電壓，也需要低噪聲信號處理來產(chǎn)生具有良好信噪比的有用輸出信號電壓。