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。

紅外基礎知識

海曼heimann HTS L 系列單元件熱電堆傳感器

熱電堆感應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 次方相關性，絕??對溫度的小變化和發(fā)射能量的較大變化導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

在學習了有關熱紅外輻射的最重要的基礎知識之后，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，可以通過紅外光學器件對其進行處理。光學元件是第三個元件，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構相對應的特征波長處。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果越來越相關。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。

光學的影響

系統(tǒng)中的下一個元素是光學元件。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%。這導致傳感器接收到的紅外輻射進一步減少。為了確定感興趣物體的表面溫度，必須考慮所有這些影響。至少您應該了解這些影響，以了解您的測量的準確性。

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元件的傳輸而減弱，最終到達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，也稱為塞貝克效應。熱電效應描述了由于溫差導致的電導體內(nèi)部電荷載流子的分離。如果導體一側的溫度高于另一側，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的。如果我們在一端連接兩個具有不同熱電系數(shù)的導體并使其承受高溫 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系是強線性關系，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。