非接触式红外热电堆温度传感器基础知识及工作原理

下面给大家介绍一下非接触式红外热电堆温度传感器基础知识及工作原理，德国海曼heimann sensor的热电堆传感器和热电堆阵列可用于各种非接触式温度测量应用，例如入耳式或额头温度计、热点检测、激光束分析、工业过程控制或公共建筑中的人体存在检测。要了解红外热电堆作为温度传感器的潜力和局限性，了解它们的工作原理非常重要，包括它们如何将红外辐射转换为电压，然后再转换为温度值。

红外基础知识

海曼heimann HTS L 系列单元件热电堆传感器

热电堆感应从任何温度高于绝对零 (-273.15°C) 的物体或身体表面发出的电磁辐射。这种辐射具有取决于发射体表面温度的宽带光谱分布，可以用普朗克辐射定律来描述。如下图所示：

从图中可以看出，较高的表面温度有两个影响。首先，总发射能量增加。Stefan-Boltzman 定律描述了这一点：

发射的能量与绝对 (K) 温度的四次方成比例增加。因此，稍微高一点的物体温度会产生比稍微高一点的辐射水平。由于 4 次方相关性，绝​​对温度的小变化和发射能量的较大变化导致更容易检测温度差异。虽然您可能无法在第一张图中的双对数刻度中清楚地看到这种效果，但在下一张图中它变得更加明显，其中 y 轴未以对数格式缩放：

其次，辐射光谱的峰值波长在更高的温度下移动到更短的波长。这由 Wiens 位移定律描述：

对于 27°C 的环境温度，峰值波长为 9.66 µm。对于 1000°C，峰值波长移动到 2.28 µm，对于大约 6000°C 的太阳表面温度，峰值波长约为 0.46 µm，这在人眼的可见光谱中。

对于 0°C 到 1000°C 范围内的大多数温度测量，峰值波长和因此大部分发射的辐射都在中红外和远红外范围内，根据定义，该范围在 3 µm 和 15 µm 之间：

热红外传感器工作原理

数字信号热电堆红外阵列

在学习了有关热红外辐射的最重要的基础知识之后，我们现在可以了解一下热红外传感器的工作原理。如下图所示，必须考虑四个要素。第一，辐射源。这是由于其表面温度而发出红外辐射的物体、身体或表面。其次，红外辐射从辐射源通过大气向传感器传播。在传感器元件检测到辐射之前，可以通过红外光学器件对其进行处理。光学元件是第三个元件，可以由滤光片和/或透镜组成。最后一个元素是实际的红外传感器，它将入射辐射转换为信号，通常是适合显示或进一步解释信号处理和动作的电压值。

辐射源的影响

理想的辐射源称为黑体。它为每个波长发出最大可能的热辐射，其特性恰好由普朗克辐射定律描述。黑体不会反射任何光线，也不会透射任何光线。这意味着 100% 的入射光被黑体吸收。这种吸收的辐射能量提高了吸收黑体的温度，因此根据斯特凡-玻尔兹曼定律，黑体发出的辐射也略有增加，该定律说温度越高的物体发出的辐射越多。简单地说：吸收的辐射被重新发射;或者换句话说，吸收系数和发射系数相同且等于 1.

在现实世界中，不存在完美的黑体，物体的发射率将低于 1.因此，发射的辐射将低于普朗克辐射定律所描述的辐射。如果我们的传感器检测到这种辐射，它也会显示较低的温度，因为它接收到的辐射比预期的要少。为了补偿这种影响，我们必须知道待测物体的表面发射率。发射率是解释真实物体与完美黑体的偏差的一个因素。

方便的是，人体皮肤是一个近乎完美的黑体，发射率约为 0.98.而大多数金属和其他典型工业目标的发射率系数较低，也可能随着温度和金属的氧化以复杂的方式发生变化。因此，金属表面温度的测量要困难得多。

大气对红外光源的影响

如果我们知道表面的发射率，则可以解释真实物体的非理想黑体行为的影响，但补偿大气的影响并不总是那么容易。要理解这一点，重要的是要了解大气对红外光传输的影响。

大气中含有 H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4、O2 和 N2 等气体，仅举出最常见的几种。当我们感兴趣的物体发出的红外辐射与其中一种气体分子相互作用时，光可能会被散射或吸收。这发生在每种气体与其分子结构相对应的特征波长处。突然间，可以看到平滑连续的红外黑体辐射光谱与深谷相交，在深谷中，一种或另一种气体的吸收已经根据存在的气体的波长特征选择性地衰减了能量。虽然某些光谱范围在正常大气条件下显示出高吸收率，但其他范围内的辐射几乎可以不受阻碍地通过。高透射光谱范围被称为大气窗口。

3 至 5 µm(中红外)

8 至 14 µm(远红外线)

如果我们将温度或痕量气体浓度的测量限制在这些光谱范围内，大气对测量精度的影响就会得到改善。然而，即使在这些大气窗口中，透射率也不是 100%。比尔定律告诉我们，如果辐射穿过大气层的距离更长，那么随着距离的增加，窗口区域的这种小吸收将与测量结果越来越相关。如果传感器靠近测量对象放置，在大多数情况下可以忽略大气窗口中的微小吸收。

光学的影响

系统中的下一个元素是光学元件。为了将接收到的辐射限制在规定的光谱范围内，需要滤光片。虽然滤光器可能将光谱范围限制在 8-14 µm，但它本身的传输系数小于 100%。这导致传感器接收到的红外辐射进一步减少。为了确定感兴趣物体的表面温度，必须考虑所有这些影响。至少您应该了解这些影响，以了解您的测量的准确性。

德国海曼heimann sensor热电堆传感器的工作原理

海曼热电堆传感器模块

红外辐射，由于其发射率、一些大气吸收和光学元件的传输而减弱，最终到达是我们的热传感器元件。我们现在可以看看热电堆传感器是如何工作的。入射辐射(热)到输出信号(电压)的转换基于热电效应，也称为塞贝克效应。热电效应描述了由于温差导致的电导体内部电荷载流子的分离。如果导体一侧的温度高于另一侧，则电荷将处于不平衡状态。电荷分离的程度取决于材料并且是称为热电系数的常数。它可以是正的也可以是负的。如果我们在一端连接两个具有不同热电系数的导体并使其承受高温 T 1 ，我们得到一个热电偶。然后我们可以测量距离较远且温度较低的两端之间的电荷差(=电压)T 2 。

由于热电系数(α 1 和α 2)是材料常数，温差ΔT和输出电压之间的关系是强线性关系，可以描述如下：

然而，单个热电偶的输出电压非常小——在 µV 的范围内。因此，许多热电偶串联以获得更高的输出电压值是正常的。这种热电偶集合通常称为热电堆。然而，即使热电堆产生更高的信号电压，也需要低噪声信号处理来产生具有良好信噪比的有用输出信号电压。