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第五章 典型红外检测仪器及其应用 5.1 红外辐射测量技术 1. 红外辐射测量方法分类 红外辐射测量按其测量方式分为两大类，即主动式和被动式。主动式测量是由辐射源照射被测物体，根据物体对辐射的吸收、反射、透射情况，确定物体的热特性或其他物理性质。被动式测量则是利用物体自身的红外辐射特性相对于周围环境的差异，通过测量其辐射能量，从而确定物体的物理性能。 此外，红外辐射测量还有稳态测量和非稳态测量之分。如在探侧工件的缺陷时，常需加热工件，热流在缺陷部位产生热量堆积，而在其表面部位产生过热点。有两种方式测量表面过热点的温差异常，一种方式是在工件表面和内部达到热平衡后进行测量，称为稳态测量；另一种方式是让工件表面和内部保持一定的温度梯度，使产生热传导．称非稳态测量。实践表明，对于较小的缺陷，采用非稳态测量比较合适，但在诊断存在异常温度的潜伏热源方面．如对电子仪器元器件的检查、医学诊断和地质探矿等领域，稳态测量法得到了广泛的应用。 红外辐射测量的特点 红外辐射测量技术有许多优点，主要是： （1）非接触测量。测量过程中不与被浏物体接触，不破坏目标的温度场，测量结果不受目标与探针之间接触状况的影响。 (2)测量精度高。测量的标准偏差可小于百分之一，尤其是对温度的测量，在最佳条件下甚至能分辨0.1℃的温差。 (3)空间分辨串高。用红外显微镜可测量几微米的目标，因此能分辨出集成电路上的单个元件。 (4)响应速度快。响应时间可达到毫秒或微秒数量级，并能在几秒钟甚至更短时间内扫描完一个大的视场。 红外测量仪器的基本构成 一个比较完整的红外仪器通常包括光学系统、调制盘、红外探测器、电子处理线路和显示记录装置等部分。其中．光学系统用于收集目标红外辐射并将它会聚到红外探测器上，其设计原则是要尽可能多地收集辐射而又使噪声最小。调制盘对入射的连续红外辐射进行调制，使直流信号变成交流信号。 在一些较精密的红外仪器中，还采用了参考黑体。在调制器阻断目标辐射期间，让探测器接收参考黑体的辐射，以作为辐射测量的基准。红外探测器接收经过调制的红外辐射，井转变成电信号。电子处理线路将来自探测器的电信号进行放大，并进行各种信号处理。显示记录装置将经过处理的信号进行显示和记录，其 方法有多种多样，如屏幕显示、数字显示、热图显示，以及笔式记录、照相记录、磁带记录等。 5.2 红外辐射计 概括地说，辐射计是使入射辐射的某些特性定量化的计量仪器。红外辐射计是一种测量红外辐射的仪器。原则上讲，任何一种红外辐射测量装置都可以叫做红外辐射计，它们都是根据投射到该装置上的红外辐射功率引起的响应来测量辐射源的红外辐射待性的。 为了满足各种应用的需要，对红外辐射计经常有如下原则性要求：1.系统口径要尽可能大；2.探测器尺寸要尽可能小；3.视场角应尽可能大。 红外辐射计的分类 根据红外辐射计的光谱响应特性，可以把它分为如下几种类型； (1)全辐射辐射计。它对常用红外光谱的所有部分都有平坦的或者相等的响应。若探测器均匀地响应所有波段的辐射(如热探测器)，而光学系统又对所有波长的入射辐射全部透过或无吸收(如反射式光学系统)，则辐射计能够在2—40 微米波段上获得近似均匀的响应。这时，输出指示值将比例于光学系统上的总辐照度。 (2)宽通带辐射计。一般称使用在较宽波段上且有响应的探测器(如PbS探测器)为宽通带辐射计。这种辐射计的响应只由探测器的响应波段范围决定。 (3)滤光片辐射计。若在红外探测器前面安放一个红外滤光片测构成滤光片辐射计，或称窄通带辐射计。这种辐射计的响应将受红外滤光片通带的限制，根据需要，对滤光片通带进行选择，可获得任意小的光谱区间。 （4）光谱辐射计。她由产生窄带辐射得单色仪和测量辐射功率的辐射计组成。光谱辐射计利用色散棱镜或衍射光栅进行分光，辐射光谱中每个小波段的辐射经过出射狭缝进入辐射计。为了选择特定的波长，可利用色散元件与反射镜组合件的旋转，改变通过出射狭缝的波长。 红外辐射计的基本组成和功能 红外辐射计均包括下列三个基本组成部分： （1）探测器。将红外辐射功率转换成电输出信号。 （2）光学系统。它用于收集处于视场内的辐射源发射的红外辐射，并将其聚焦到探测器焦平面上。 （3）电子学放大与输出指示系统。它与探测器共同决定着辐射计对辐射随时间变化的响应特性。 5.3 红外测温仪 红外测温仪种类繁多、按测温范围可分为高温测温仪(700～3200℃)、中温测温仪(100～700℃)和低温测温仅(＜100℃)。 通常是按工作原理将其分为三种类型。 第一类称为全辐射测温仪，它收集目标发出的全部辐射能量，而由黑体标定出目标温度，其特点是结构简单，使用方便，但灵敏度较低，误差较大； 第二类是单色测温仪，它利用单色滤光片，选择单一的辐射光谱波段进行测量，以此来确定目标的温度，