常温红外线感测器(uncooled infrared sensor).PDFVIP

常溫紅外線感測器(uncooled infrared sensor) 目錄 前言2 PIR 感測器:6 THERMOPILE 感測器:8 BOLOMETER 感測器:12 結論 :13 參考資料14 前言 : 1 依紅外線的波長範圍和紅外線輻射源可區分為 近紅外線(Near Infra-red, NIR) ；780~2,000nm 。 中紅外線(Middle Infra-red, MIR) ；2,000~6,000nm 。 遠紅外線(Far Infra-red, FIR) ；6,000~14,000nm 。 物體只要高於絕對零度(攝氏-273.15K) ，即會產生黑體幅射其幅射波峰可以 用下列式子表示: 。 T=表示絕對溫度。 表示波長(單位 ) 。 我們用此公式 ，可以計算人體表面溫度近似 波峰在 9.4 ，從圖 一我們可以之知道一個發熱體 2000K ，我們可能看到發可見光，一個發熱體 500K ，我們不可能看到發可見光，確能感到其產生熱氣。 圖一:黑體幅射曲線 ，在不同溫度時產生不同曲線 常溫紅外線感測器 ，目前室溫產品因壽命較不受溫度限制，主要有三種 ，包 括電阻式的 VOx Bolometer 與壓電感應式的 BST Pyroelectric (PIR) ，感應電壓 金屬熱電堆 方式 ，是一種量度溫差或熱輻射變化的裝置，感應電壓式材料 (THERMOPILE) ，以下將分別介紹其特性及工作原理 ，在此之前先介紹光學及 2 波長過濾窗部分 。 光學 一般在熱紅外線 （thermal infrared ）3 ~15um 能感之的影像系統稱為熱影 像儀 。在這波段內的電磁輻射主要來自物體本身熱輻射，換句話說，熱影像儀輸 出的影像是物體表面各點等效溫度 （effective temperature ）的分佈狀況 。 大氣 衰減效應在大氣層內 ，物體表面所發出的熱輻射在到達熱影像儀前，先要穿過大 氣；所以在討論景物的熱輻射性質前我們必須瞭解大氣所造成的影響 。大氣中的 氣體分子和微粒如雨 、雪、煙、霧等懸浮物的吸收、散射效應會衰減通過其中的 紅外線 。地表附近尤以水氣、二氧化碳、臭氧對紅外線輻射衰減最多 。 雖然大氣透射率隨著氣候變化而異 ，但藉此圖二可概略的瞭解到透射與波長 關係的一般情形 。在圖中可看出在紅外線的範圍中有兩個高透射率的波段，稱為 透射窗 （transmittance window ）分別是 3 ~5um 及 8 ~14um 。 圖二:空氣紅外線透射率曲線 紅外光熱影像儀接收物體所發射出的熱輻射 ，熱幅射的強弱與頻率決定成像品質好 壞。熱輻射的分佈可由圖一之黑體輻射(Black Body Radiation)來表示 ，物質所發出的 光波長與溫度成反比 ，中心頻率λ 位置可以簡單的 λ T=constant 來表示 。溫度愈高， 波長愈短 ，在室溫(~27℃)左右的環境下 ，熱輻射的中心波長λ 位於 10 μm 左右 ，分 佈範圍則從 5.5 μm 至 23 μm 左右 ，當溫度昇高至200℃左右 ，中心波長移至7 μm 附 近。理論上使用熱像儀器來，探測處於室溫或略高於室溫之物質 ，熱像儀感應器材質設 計只要能接收 3-12 μm 區間的紅外線 ，皆可產生熱影像。在實際應用上，由於5-8 μm 是水的主要吸收帶 ，此區域容易受水氣的吸收幹擾，因此設計上，熱像儀器只採用 3-5 μm 或 8-14 μm 兩波段來作為分析光源 。 紅外光熱影像儀常用黑色代表低溫 ，白色代表高溫。部份應用時，為了更凸顯冷熱 分佈位置 ，通常會將黑白畫面加以套色，稱為虛擬顏色(Pseudo Color) ，將灰階中由白 至黑漸層改以由紅至藍漸層 ，以便凸顯冷熱點位置之間差異 。 3 可以用感測器 ，包括電阻式的VOx Bolometer 與壓電感應式的 BST Pyroelectric THERMOPILE array ，其中THERMOPILE array 為低解析為主 。 熱像儀 器所配備鏡頭為能使 3-5 μm 或 8