2.红外基本原理介绍
红外发射工作原理
红外发射工作原理
红外发射是一种利用红外辐射原理的技术，其工作原理主要分为两个步骤：激励和辐射。
首先，需要提供一定能量的激励，以使红外发射器处于激发状态。
这种激发形式可以是热电、电磁场激发或电流激励。
其中，热电激发是最常用的方法，其通过施加电流使在红外发射器中的材料发热，从而达到激发状态。
接下来，处于激发状态的红外发射器会辐射出红外光线。
这是由于激励状态下，红外发射器内的电子会发生能级跃迁，从而产生红外辐射光子。
这些光子的能量范围通常在红外光谱的波长区间内。
红外辐射光线的特点是它的波长较长，无法被人眼直接观察到。
由于红外辐射的能量相对较低，因此红外发射器通常需要通过激励来提供足够的能量才能辐射出足够强度的红外光线。
红外发射技术在很多领域中有着广泛的应用，例如红外遥控、红外传感器、红外通信等。
通过掌握红外发射的工作原理，我们可以更好地理解和应用这项技术。
红外发射的原理
红外发射的原理
红外发射是指通过物体发射红外辐射，它是由物体的热能引起的电磁辐射。
物体的温度越高，发射的红外辐射能量就越强。
物体的温度决定了其内部原子和分子的热运动情况。
在室温下，物体的原子和分子以不同的速度运动，相互之间发生碰撞。
这些碰撞导致了原子和分子之间的能量转移。
有些分子在碰撞之后，会处于一个高能级的激发态，这时候它们具有较高的能量。
当物体从高温环境向低温环境散热时，激发态的分子会通过激发态和基态之间的跃迁，将能量以电磁波的形式释放出来。
这些电磁波就是红外辐射。
红外辐射的频率范围一般在可见光的红外区域，即0.75到1000微米之间。
物体的发射红外辐射的强度与其温度相关。
根据黑体辐射理论，物体的辐射功率与其表面温度的四次方成正比。
这就是为什么我们通常认为较高温度的物体发射的红外辐射更强。
红外发射具有许多应用。
例如，红外传感器利用物体的红外辐射来检测其温度和存在，被广泛应用于夜视、红外摄影、红外热像仪等领域。
红外技术还用于遥控器、红外雷达等设备中。
总的来说，红外发射是由物体的热能引起的电磁辐射，温度越高，发射的红外辐射能量越强。
它具有广泛的应用领域，为人们的生活和科学研究提供了很多便利。
红外通信的基本原理
红外通信的基本原理红外通信作为一种无线通信技术，在现代社会的各个领域都有着广泛的应用。
其基本原理是利用红外线作为信息的传输媒介，通过发送端将信息编码成红外光信号，再由接收端解码还原成原始信息。
红外通信技术具有传输速度快、安全性高、干扰少等优点，因此在遥控器、红外对讲、红外测温等领域得到了广泛应用。
红外通信的基本原理是利用红外线这一特定波长的电磁波来传输信息。
红外线波长范围在可见光和微波之间，具有较强的穿透性，因此适合用于近距离通信。
红外线在光学、电子等领域有着重要的应用价值。
红外通信系统通常由发送端和接收端两部分组成。
发送端通过红外发射器将信息信号转换成红外光信号，发送到接收端。
接收端的红外接收器接收到红外光信号后，将其转换成电信号，经过解码处理后还原成原始信息。
整个过程实现了信息的传输和接收。
红外通信的基本原理是通过调制解调技术来实现信息的传输。
发送端通过调制器将要传输的信息信号转换成一定频率的红外光信号，再由解调器在接收端将接收到的红外光信号转换成原始信息信号。
这样就实现了信息的传输和接收。
在红外通信系统中，编码和解码是至关重要的环节。
发送端将信息信号通过编码器转换成特定的编码格式，再送入调制器进行调制。
接收端收到红外光信号后，首先经过解调器解调，再由解码器将编码格式转换成原始信息信号。
编码和解码的准确性直接影响到信息的传输质量。
红外通信技术在现代社会的各个领域都有着广泛的应用。
在家庭生活中，遥控器、红外对讲等设备都是基于红外通信技术工作的。
在工业领域，红外测温仪、红外监控系统等设备也是利用红外通信技术实现信息传输。
此外，在医疗、军事、航空航天等领域，红外通信技术也发挥着重要作用。
总的来说，红外通信的基本原理是利用红外线作为信息的传输媒介，通过编码、调制、解调、解码等技术实现信息的传输和接收。
红外通信技术具有传输速度快、安全性高、干扰少等优点，在现代社会得到了广泛的应用。
随着科技的不断进步，红外通信技术将会有更广阔的发展空间，为人类的生活带来更多便利和安全。
4红外光谱基本原理
4红外光谱基本原理红外光谱是一种通过分析物质在红外区域吸收、发射和散射的辐射来研究其结构和组成的技术。
它是一种非常有用的分析工具，广泛应用于物质科学、生命科学、环境科学等领域。
下面将详细介绍红外光谱的基本原理。
1.基本概念：红外光波长介于可见光和微波之间，其波长范围为0.78-1000微米。
红外光谱实验中常使用的是3个区域：近红外（0.78-2.5微米）、中红外（2.5-25微米）和远红外（25-1000微米）。
不同的分子结构会因为特定波长的红外光而发生吸收，产生特征性的光谱图像。
2.能谱原理：红外光谱实验中，光源会发射包含多种波长的光线，传到样品后被样品吸收或散射，再经过光栅或薄膜进行分光，最后检测器接收信号并转化为光谱图像。
光谱图像的x轴表示波数，即波长的倒数，单位为cm-1；y 轴表示吸光度。
3.振动原理：分子中的原子围绕在它们的平衡位置附近振动，不同的结合方式会导致不同的振动模式。
红外光谱实验中，主要研究分子的拉伸振动和弯曲振动。
拉伸振动是分子的化学键的伸缩；弯曲振动是分子中的原子围绕一些化学键弯曲。
不同的化学键和分子之间的间隔或角度会导致不同的红外吸收峰。
4.红外光谱图谱：红外光谱图谱是反映分子结构和成分的图形。
图谱中的吸收峰可以用于标识和鉴定化合物。
常见的红外光谱图谱包括：指纹区、功能性基团区和吸收强度区。
指纹区是红外光谱的特征区域，提供物质的结构信息。
功能性基团区是一些特定波数的吸收峰，可以用于确定分子中的官能团。
吸收强度区用于衡量不同光谱峰的强度。
5.红外光谱应用：红外光谱广泛应用于各个领域，如医学、生物学、化学、环境科学和材料科学等。
在医学领域，红外光谱被用于研究生物分子的结构和功能，如蛋白质、核酸、糖类等。
在生物学研究中，红外光谱可用于检测细胞的化学组成和分子结构。
在环境科学中，红外光谱可用于监测大气污染物、检测土壤中的有害物质等。
在材料科学中，红外光谱被广泛用于材料的表面和界面分析、材料结构研究以及材料的表征等。
红外线的基本原理
红外线的基本原理1. 红外线的定义红外线（Infrared Rays）是指波长长于可见光波长的电磁辐射，它的波长介于无线电波和可见光之间，常用于无线通信、热成像、遥感和物体检测等领域。
2. 红外线的产生红外线的产生主要有以下几种方式： 1. 热辐射：所有物体在绝对零度(-273.15℃)以上都会发出红外辐射，其强度与物体的温度成正比。
2. 能量转换：通过电流或电压的作用，将电能转化为红外辐射。
3. 光学转换：通过激光或LED发射特定频率的光，再通过材料的吸收、反射或透过等，转换为红外辐射。
4. 化学反应：某些特定的化学反应会产生红外辐射。
3. 红外线的特性红外线具有以下特性： 1. 穿透性：红外线在空气、玻璃、塑料等透明媒介中的传播能力较强。
2. 能量性：红外线的能量低于可见光，但高于无线电波，可被物体吸收并转化为热能。
3. 方向性：红外线的传播遵循直线传播原理，不具备强烈的散射现象。
4. 干扰性：红外线受到气象条件、灰尘、烟雾等因素的干扰较大。
4. 红外线的分类红外线按照波长可分为以下几个类别： 1. 远红外线：波长大于25微米，主要用于遥感探测、红外热像仪等领域。
2. 中红外线：波长介于2.5-25微米之间，主要用于红外热像仪、热成像设备、红外线测温等领域。
3. 近红外线：波长介于0.75-2.5微米之间，主要用于红外线通信、红外遥控、红外测距等领域。
5. 红外线的探测原理红外线的探测原理主要有以下几种： 1. 热电效应：当被红外线照射的物体温度不同于探测器的环境温度时，通过红外线的能量转换成探测器上的温升，产生微弱的热电流信号，经放大后可用于检测和测量。
2. 光电效应：红外线照射到半导体材料上时，光子的能量被半导体材料的电子吸收，使电子获得足够的能量跃迁到导带，导致半导体的电导率改变，进而产生电信号。
3. 光吸收：红外辐射被物体吸收后，物体的温度会发生变化，通过测量物体的热辐射能量的变化，来判断物体的温度变化。
红外传感器的原理
红外传感器的原理
一、红外传感器的原理
1、什么是红外传感器
红外传感器是一种利用“热”原理，能够检测周围环境中物体温度和红外能量的传感器。
它能够清楚地探测到温度和红外辐射，通常用于各种机器人和导航系统。
2、红外传感器的工作原理
红外传感器具有良好的灵敏度，能够有效地检测到周围环境中物体的温度和红外辐射。
红外传感器的工作原理是，物体中的温度和红外辐射被探测器感应，然后转换成电信号输出，最终根据电信号的强弱来处理外部环境的信息。
3、红外传感器的特点
红外传感器具有良好的灵敏度，可以探测到物体的温度和红外辐射，并能够精确地检测到小变化的温度。
另外，红外传感器可以用于夜晚的环境检测，因为它可以检测到红外辐射，而不受光强度的影响。
此外，由于红外传感器具有低功耗、精确度高、安装方便等优点，多用于飞行器、机器人、工业自动化系统等的环境检测和导航系统。
4、红外传感器的应用
红外传感器的主要应用领域有：
（1）飞行器环境检测：利用红外传感器能够准确地检测到周围环境的热源，从而控制飞行器的安全性和性能。
（2）机器人环境检测：利用红外传感器能够准确地检测到周围
环境中物体的温度和红外辐射，有效地为机器人的行为提供参考。
（3）导航系统：红外传感器能够检测到红外辐射，多用于夜间的导航系统，以便有效地定位和跟踪。
红外制导的原理
红外制导的原理红外制导技术是一种利用红外线来实现目标探测、跟踪和制导的技术手段。
它广泛应用于导弹制导、火控系统、无人机、红外夜视设备等领域。
红外制导技术的原理是利用目标发出的红外辐射来进行探测和识别，然后通过计算机算法来实现目标的跟踪和制导。
本文将从红外辐射的特点、红外探测器的原理、红外制导系统的组成等方面来介绍红外制导技术的原理。
红外辐射的特点。
红外辐射是一种波长长于可见光而短于微波的电磁波，其波长范围大约在0.7μm到1000μm之间。
由于大多数物体的温度都在绝对零度以上，所以它们都会发出红外辐射。
而且不同温度的物体会发出不同强度和频谱分布的红外辐射，这为红外探测和识别目标提供了基础。
红外探测器的原理。
红外探测器是红外制导技术的核心部件，它的主要作用是将目标发出的红外辐射转换成电信号。
常见的红外探测器有热释电探测器、光电二极管探测器和焦平面阵列探测器等。
其中，热释电探测器是利用目标的红外辐射使探测器产生温度变化，进而产生电信号；光电二极管探测器则是利用半导体材料的光电效应来将红外辐射转换成电信号；而焦平面阵列探测器则是将红外辐射聚焦到一组微小的光电二极管上，再将其转换成电信号。
这些探测器可以根据不同的应用需求进行选择和组合。
红外制导系统的组成。
红外制导系统主要由红外探测器、信号处理器、跟踪器、制导器和显示器等部件组成。
红外探测器负责将目标发出的红外辐射转换成电信号，然后经过信号处理器进行信号放大、滤波和数字化处理；接着信号经过跟踪器进行目标的跟踪和定位，最终通过制导器来实现对目标的制导。
在一些特殊应用中，还需要通过显示器来显示目标的图像和信息。
红外制导技术的应用。
红外制导技术在军事、航空航天、民用安防等领域有着广泛的应用。
在军事领域，红外制导技术被应用于导弹、火炮、无人机等武器系统中，可以实现对目标的精确打击；在航空航天领域，红外制导技术被应用于飞行器的导航和控制系统中，可以实现飞行器的自主导航和打击能力；在民用安防领域，红外制导技术被应用于红外夜视设备、监控摄像头等设备中，可以实现对夜间目标的探测和监视。
红外光谱知识点
红外光谱知识点一、红外光谱的基本原理。
1. 概念。
- 红外光谱（Infrared Spectroscopy，IR）是分子能选择性吸收某些波长的红外线，而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外线被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱。
2. 分子振动类型。
- 伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的振动，又分为对称伸缩振动（νs）和不对称伸缩振动（νas）。
例如，对于亚甲基（-CH₂ -），对称伸缩振动时两个C - H键同时伸长或缩短；不对称伸缩振动时一个C - H键伸长，另一个缩短。
- 弯曲振动：又称变形振动，是使键角发生周期性变化而键长不变的振动。
它包括面内弯曲振动（如剪式振动δ、面内摇摆振动ρ）和面外弯曲振动（如面外摇摆振动ω、扭曲振动τ）等。
以水分子为例，H - O - H的键角可以发生弯曲变化。
3. 红外吸收的条件。
- 分子振动必须伴随偶极矩的变化。
具有对称中心的分子，如二氧化碳（O = C = O），其对称伸缩振动不产生偶极矩变化，所以在红外光谱中没有该振动的吸收峰；而不对称伸缩振动产生偶极矩变化，有吸收峰。
- 辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的能量相等。
根据E = hν（h为普朗克常量，ν为频率），只有当红外光的频率与分子振动频率相匹配时，才会发生吸收。
二、红外光谱仪及其工作原理。
1. 仪器类型。
- 色散型红外光谱仪：主要由光源、单色器、样品池、检测器和记录系统等部分组成。
光源产生的红外光经过单色器分光后，依次通过样品池和参比池，被样品吸收后的光强与参比光强比较，检测器检测光强的变化并转换为电信号，经记录系统得到红外光谱图。
- 傅里叶变换红外光谱仪（FT - IR）：基于迈克尔逊干涉仪原理。
光源发出的光经过干涉仪后变成干涉光，再照射到样品上，样品对干涉光有选择地吸收，含有样品信息的干涉光被检测器检测，经计算机进行傅里叶变换处理后得到红外光谱图。
它具有分辨率高、扫描速度快、光通量高等优点。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
可见光
波长
20
维恩定律
• lmax = C/T = 2898/T mmK
– lmax = 能量最大时的波长(mm) – C = 2898 mmK = 常数 – T = 绝对温度（ Kelvin）
物体温度越高, 高温时的辐射 波长就越短
• 对普朗克公式求微分就可以求出维恩定律，从而求得 lmax. • 斯蒂芬-玻尔兹曼Biblioteka 律 是由普朗克公式从0到无穷远积分导
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
26
2021
什么是热像技术?
热传递
热辐射
应用
热像技术可以拓展到很多领域 …
Tuesday, March 30, 2021
分析技术 热像仪操作
检测计划和报告
27
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
16
2021
黑体 & 实体
• 黑体是反射和透射都为零的物体 .
– 对于黑体: g = 0, = 0, e = 1 – 黑体是完美的辐射体.
• 一个发射率 < 1 的物体通常成为灰体.
29
什么是热像技术?
热
像
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
热量 温度
Tuesday, March 30, 2021
分析
图像
30
什么是热像技术?
热量是不同温度的系统间的 热量交换.
因此, 当没有温度差异时红 外图像没有任何对比，也
不可能进行分析!
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
31
2021
什么让热像技术这么有用?
• 非接触性 – 远程感应
– 使得用户远离危险 – 不会侵扰或者影响目标
• 二维性
– 可以比较物体的不同区域 – 利用图像可以观察整个目标 – 热分布可以可视化后进行分析
• 实时性
– 固定物体进行高速扫描 – 高速移动物体捕获 – 高频温度变化的图像捕捉
反射辐射 W
被吸收的辐射 W 透射辐射 W
10
红外辐射
• 红外辐射是热量通过辐射而传递. • 一个物体的红外辐射 = 100% • 入射辐射 (W) = 吸收 (W) + 反射 (gW) + 透射 (W)
– (W + gW + W)/W = 1
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday, March 30, 2021
传导
热传递
辐射
8
热传递
• 热量通常是从高温处传到低温处，从而使得物体间温度升高或者降低. • 通过热辐射传递的能量为:
– 他们之间的绝对温度四次方之差(T4hi - T4lo). – 并依赖于:
• 物体材料, • 物体表面特征, • 表面朝向, • 物体表面几何结构, • 物体温度 • 红外波长.
我们认识可见光图像
我们用眼睛看到的颜色表征 世界.
这个散热器在蓝色背景下且 是灰白的.
颜色在可见光波段是 光线的反射.
散热器是灰白的因为它反射 了白光中的这些组分.
Tuesday,
March 30,
34
2021
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
热像技术 vs. 可见光
Tuesday,
March 30,
23
2021
大气窗口
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
红外通过大气的透射率取决于波长 和大气条件.
Tuesday, March 30, 2021
红外图像的大气窗口为: 3 - 5 微米 – 中波/MWIR (SWIR)
伽马射线
可
X射线 紫外 见 红外
无线电
可见光 近红外
0.4
0.75
微米
中红外 3
Tuesday, March 30, 2021
远红外 超远红外 7.5-15 15 - 1000
6
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
什么是红外?
• 所有超过绝对零度的物体都在红外波段辐射能量. • 红外遵从可见光的基本规律. • 人眼是看不见红外光的. • 可见光和红外光最大的不同是它们的波长不一样.
– e + g + = 1 = 100%
• 对于不透明物体:
– =0 – e+g=1 – e = 1 - g, i. e, e <=1
发射率
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
12
2021
发射率
物体表面发射热量的能力叫 发射率.
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
9
2021
红外辐射
和可见光一样，红外辐射可以:
从物体表面反射. 被物体吸收. 穿透物体
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
入射辐射 W
Tuesday, March 30, 2021
红外图像
VOC探测器
16-位数字成像技术，伪彩技术
3
红外的历史
19世纪的天文学家 Sir William Herschel 利用光线，镜子和望远 镜做实验. 明白了光线是由不同颜色的光谱 组成的，且有热效应. 他决定找出哪个波长具有更强的 热效应。
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
2021
红外理论基础介绍
1
内容
• 关于红外 • 热传递 • 发射率 • 黑体 & 实体 • 普朗克定律 • 大气窗口 • 热像技术 • 热像技术 vs. 可见光 • 发射 & 反射 • 测量规律
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
2
2021
红外热像仪的工作原理
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
目标物体
红外光学 镜头
Tuesday, March 30, 2021
PC
出的.
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
21
2021
斯蒂芬-玻尔兹曼定律
• W = e s T4
– W = 灰体的辐射功率 W/cm2 – e = 发射率 – s = 斯蒂芬-玻尔兹曼常数(=5.67 x 10-12 W/cm2K4) – T = 灰体温度（ Kelvin）
• 垂直的时候最高. • 低于 45o 会迅速降低.
– 物体温度高时会更高.
• 发射率依赖于:
– 物体的基本材料
• 金属发射率通常很低 • 非金属通常高
– 红外波段
• 发射率可以通过实验来测定.
Tuesday, March 30, 2021
发射率
15
发射率
• 发射率 e 是物体的红外辐射效率. • 发射率高则同样温度的物体发射出更多的能量.
8 - 13 微米 – 长波/ LWIR
24
中波红外 3 - 6 µm
• 中波
– 温度越高越灵敏. – 高对比 (温度每变化一度会带来更高水平的信号变动). – 湿度高时更易穿透. – 需要晴朗的天气. 大气吸收最多4.2 - 4.5 mm范围. – 对塑料和玻璃透明. – 太阳辐射更多的MW 而不是 LW.
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
25
2021
长波红外 6 - 15 µm
• 长波
– 常温时灵敏度更好. – 给定温度目标的信号水平更好. – 更少的大气吸收. – 对于玻璃和塑料不透明, 测量它们的表面温度很方便. – 阳光下反射更少. – 更高的信噪比. – 穿透烟、雾、尘和扰流. – 对于可将光背景干扰不敏感.
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday, March 30, 2021
Note : There exist standardized definitions in some countries, and ISO is also working on it.
– 对于灰体 : e < 1, e = 常数
• 一个发射率 < 1 的物体，并且随波长变化称之为实体.
– 对于实体: e < 1, e = f(l)
© FLIR Systems 2009. All Rights Reserved.
Tuesday,
March 30,
17