第六章红外辐射测量仪器及基本参数测量红外物理
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第六章 红外吸收光谱分析
active) ；反之则为红外非活性（infrared inactive)。
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二、 分子振动方程式
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双原子分子可以看成是谐振子，根据经典力 学(胡克定律)，可导出如下公式：
1 v 2 k
k
m1 m2 m1 m2
1303 k
v
1 2 c
-1) ； k为力常 ν 为振动频率(Hz)， 用波数表示 (cm v 数，表示每单位位移的弹簧恢复力 (dyncm-1) ； μ 为折合质量(g)。
实验中观察到的C＝O伸缩振动频率都在1700cm－1附近。 值得注意的是：在弹簧和小球的体系中，其能量变化是 连续的，而真实分子的振动能量变化是量子化的。
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三、 分子振动的形式
（一）分子的振动自由度
每个原子在空间的位置必须有三个坐标来确定，则由 N个原子组成的分子就有了3N个坐标，或称为有3N个运
动自由度。分子本身作为一个整体，有三个平动自由度
和三个转动自由度。
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直线型分子的振动形式：3N - 5 非直线型分子的振动形式：3N -6
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（二）分子的振动形式
a.直线型分子：3N-5
如CO2
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b. 非线形分子： 3N – 6
如H2O
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分子的振动形式：
•化学键两端的原子沿键轴方向作来回周期运动 对称伸缩振动
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可见，影响基本振动频率 (即基频峰位置 )的直接原因是原 子质量和化学键力常数。
表15－1 某些化学键的力常数
化 学 键 键 长(A) k(N· cm－1)
C－C C＝C 1.54 4.5 1.34 9.6
C≡C C－H O－H N－H C＝O 1.20 15.6 1.09 5.1 0.96 7.7 1.00 6.4 1.22 12.1
第六章红外吸收光谱法
于是可得产生红外吸收光谱的第一条件为：
EL =△Ev 即 L=△•
分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（=0） 跃迁至第一振动激发态（=1）时，所产生的吸 收峰称为基频峰。因为△=1时，L=，所以 基频峰的位置（L）等于分子的振动频率。
在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能 级由基态（=0）跃迁至第二激发态（=2）、 第三激发态（=3），所产生的吸收峰称为倍 频峰。
键多、空间结构复杂），但可将其分解为多个 简正振动来研究，可分为两类： 1、伸缩振动（stretching vibration）， 2、弯曲振动（bending bibration），
3、基本振动的理论数
设分子的原子数为n， 1） 对非线型分子,理论振动数=3n-6
如H2O分子，其振动数为3×3-6=3
（3000-2800） -CH2(2930，2850)
C-H
3000 左右
不饱和=C-H 末端=CH（3085） （3010~3040）
不饱和C-H 较弱（2890）、较强（3300） (2890~3300)
ArC-H 比饱和 C-H 峰弱，但峰
(3030)
形却更尖锐
叁键及累积双键区（2500~1900cm-1）
较大；极性较弱的基团（如C=C、C-C、N=N等）振动，
吸收较弱。红外光谱的吸收强度一般定性地用很强
（vs）、强（s）、中（m）、弱（w）和很弱（vw）等 表示。按摩尔吸光系数的大小划分吸收峰峰（vs）
20< <100
强峰（s）
10< <20
中强峰（m）
1< <10
叁
CC，CN，C=C=C，C=C=O 等
键 RCCH
第六章 新型红外传感器要点
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敏感材料与传感器 课程组
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红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）
1917 年 ,T.W. 卡斯发明 TiS 光电型红外探测器 , 但长波限仅到 1.1 微米。 30年代末期，德国人研究 PbS光导型探测器，室温工作时长波限为 3微米， 液氮温度时可到5微米。第二次世界大战之后，相继研制成PbTe和PbSe光 电型探测器，响应波长延伸到 7微米。50年代起 ,由于半导体物理学的发 展，光电型探测器所能探测的波长不断延伸。对于有重要技术用途的 1～13微米波段和限于实验室应用的13～1000微米波段，都有适当的光电 型探测器可供使用。 60 年代起 , 又研究成 Hg1-xCdxTe 三元半导体红外探测 器，配制不同组分x的材料,可以制得不同响应波长的红外探测器。 整流型红外探测器也是60年代开始问世的。由于激光的出现,就有可能利 用外差技术进行接收。因此,把微波波段用的结型检波器推广应用到更高 的频率范围，即短毫米波和亚毫米波。
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通过一海里长度的大气透过率曲线
“生命光波”
8-14μm波段的光线与人体发射出来的远红外线的波长相近，能与生 物体内细胞的水分子产生最有效的共振，同时具备渗透功能。
——卢思浩《愿有人陪你一起颠沛流离》
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目
录
一、红外辐射的基本知识
二、红外传感器
三、非致冷红外传感器
四、红外技术应用举例
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红外探测器（或红外传感器）研究历史
1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。当时，他 使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。 1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应 (也称塞贝克效应 )， 制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。称作温差电 型红外探测器 (也称真空温差电偶 )。其后，又从单个温差电偶发展成 多个电偶串联的温差电堆。 1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种 热敏型红外探测器,称为测辐射热计。 1947年,M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器 （又称高莱管）。 在40年代，又用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计， 使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进。 半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。
红外辐射仪
红外辐射仪
红外辐射仪（Infrared Radiation Meter）是一种用于测量和检测红外辐射的仪器。
它通过接收物体发出的红外辐射，并将其转换为相应的电信号来进行测量。
红外辐射仪通常由红外传感器、信号处理电路和显示或记录装置组成。
红外辐射仪广泛应用于许多领域，如工业、农业、医疗和环境监测等。
在工业领域中，红外辐射仪常用于非接触式温度测量，可以测量高温物体的表面温度。
在农业领域中，红外辐射仪可用于测量植物叶片温度，以监测植物健康状况。
在医疗领域中，红外辐射仪可用于体温测量，具有非接触式、快速、准确的特点。
在环境监测中，红外辐射仪可用于检测工业废气排放、建筑物能效评估等。
红外辐射仪具有高灵敏度、高精确度和迅速响应的特点，能够在复杂的环境条件下进行准确测量。
同时，它也可以通过连接计算机或其他外部设备，进行数据存储和分析，实现更全面的应用和监测。
第六章热红外遥感
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热辐射过程
式中：Lλ为遥感器所接受的波长λ的热辐射强度,Bλ (TS)为地表黑体辐射强度，ελ为波长λ的地表比辐 射率,τOλ为从地面到遥感器的大气透过率,LOλ↑和 LOλ↓分别为波长λ的大气上行热辐射强度和大气下 行热辐射强度。
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热红外遥感系统
热红外传感器设计原则
预期探测目标在所选择热红外波段具备最强的信号 特征 所探测的遥感信息能最大限度地透过大气到达传感 器
热红外遥感基本原理热红外遥感基本原理物体温度高于绝对零度发射红外能量热辐射能量强度和波谱分布由物质类型和温度决定热红外遥感的实质是对地球热辐射场的研究热红外遥感基本概念热红外遥感基本概念黑体基尔霍夫定律普朗克定律波尔兹曼定律波尔兹曼定律维恩位移定律维恩位移定律比辐射率比辐射率热红外遥感辐射源热红外遥感辐射源太阳与地球的辐射波谱太阳与地球的辐射波谱10e0110e0010e0110e0210e0310e0410e0510e0610e0710e080110100wavelengthsun5800kscaledearthsundistanceearth288knirswirmidirthermalir太阳与地球的辐射波谱太阳与地球的辐射波谱地球热红外辐射地球热红外辐射地球热红外辐射由地表辐射率和地表温度两个因地球热红外辐射由地表辐射率和地表温度两个因素决定素决定地表温度与地表反射率地表热学性质和地表红地表温度与地表反射率地表热学性质和地表红外比辐射率相关外比辐射率相关比辐射率比辐射率黑体是一种理想物体自然界中并不存在这样的物体大多数是灰体
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热红外传感器波段选择示例
地表温度通常在－45～+45°C 之间,大部分地区平均为 27°C 左右。根据维恩位移定律,地面物体的热辐射峰值 波长在9.26～12.43μm 之间,恰好位于 8～14μm 的大气 窗口内。因此这个谱段区间通常被用来调查地表一般物体 的热辐射特性,探测常温下的温度分布和目标的温度场， 进行热制图等。随温度升高,热辐射谱段峰值波长向短波 方向移动。 对于地表高温目标，如火燃等,其温度达 600K，热辐射谱 段峰值在 4.8μm，位于热红外谱段 3～5μm 的大气窗口 内。所以为了对火灾、活火山等高温目标识别，通常把热 红外遥感波段选择在这个区间内。
红外辐射PPT课件
• Short wavelength infrared(SWIR，IR-B)：1.4um~3um
• Mid-wavelength infrared(MWIR，IR-C)：3um~8um
– 大气窗口，被动式热寻导弹的工作窗口。
• Long wavelength infrared(LWIR，IR-C)：8um~15um
些高灵敏度的探测器的出
现， 红外技术开始走向实用阶
段。
.
Байду номын сангаас
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Sir Frederick William Herschel (1738-1822) was born in Hanover, Germany, and became well known as both a musician and an astronomer. He emigrated to England in 1757, and with his sister Caroline, constructed telescopes to survey the night sky. Their work resulted in several catalogs of double stars and nebulae. William Herschel is perhaps most famous for his discovery of the planet Uranus in 1781, the first new planet found since antiquity. Caroline Herschel gained fame for the discovery of several comets.
– 二、红外光谱
• 分子光谱，双原子分子的振—转光谱，多原子分子的红外 光谱。
红外辐射与红外探测器PPT优秀版
热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具有下列特性： ①响应率与波长无关，属于无选择性探测器； ②受热时间常数(热惯性)的制约，响应速度比较慢； ③热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低； ④可在室温下工作。
1．热敏电阻型探测器 热敏电阻有金属和半导体两种。金属热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的 电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测量。而半导体热敏电阻， 电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差， 所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。 热敏电阻包括正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTC)三类。常见的是 NTC 型热 敏电阻，这种热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而制成的。热敏电阻一般制成薄片状，当红外 辐射照射在热敏电阻上时，其温度升高，内部粒子的无规律运动加剧，自由电子的数目随温度而增加，所 以其电阻减小。热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的厚约 0.01 mm 的薄片，粘在一个 绝缘的衬底上，衬底又粘在一金属散热器上。使用热特性不 同的衬底，可使探测器的时间常数由大约 1 ms 变到 50 ms。 因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系数， 灵敏面表面都要进行黑化处理。热敏电阻型红外探测器结构 如图 8− 3 所示。 热敏电阻的电阻与温度关系为
热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长，动态特性较差，被测辐射变化频率一般应 在 10 Hz 以下。
在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来组成热电堆来检测红外辐射的强弱。
3．热释电型红外探测器 热释电型红外探测器是由具有极化现象的热释电晶体或称“铁电体”制作的。热释电晶体是压电晶体 中的一种，具有非中心对称的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合，在晶体表面形 成一定量的极化电荷，称为自发极化。晶体温度变化时，可引起晶体正负电荷中心发生位移，因此表面上 的极化电荷即随之变化，如图 8− 5 所示。铁电体的极化强度(单位表面积上的束缚电荷)与温度有关。通常 其表面俘获大气中的浮游电荷而保持电平衡状态。处于电平衡状态的铁电体，当红外线照射到其表面上时， 引起铁电体(薄片)温度迅速升高，极化强度很快下降，束缚电荷急剧减少；而表面浮游电荷变化缓慢，跟 不上铁电体内部的变化。从温度变化引起极化强度变化到在表面重新达到电平衡状态的极短时间内，在铁 电体表面有多余浮游电荷的出现，这相当于释放出一部分电荷，这种现象称为热释电效应。依据这个效应 工作的探测器称为热释电型探测器。
1．热敏电阻型探测器 热敏电阻有金属和半导体两种。金属热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的 电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测量。而半导体热敏电阻， 电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差， 所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。 热敏电阻包括正温度系数(PTC)、负温度系数(NTC)和临界温度系数(CTC)三类。常见的是 NTC 型热 敏电阻，这种热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而制成的。热敏电阻一般制成薄片状，当红外 辐射照射在热敏电阻上时，其温度升高，内部粒子的无规律运动加剧，自由电子的数目随温度而增加，所 以其电阻减小。热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的厚约 0.01 mm 的薄片，粘在一个 绝缘的衬底上，衬底又粘在一金属散热器上。使用热特性不 同的衬底，可使探测器的时间常数由大约 1 ms 变到 50 ms。 因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系数， 灵敏面表面都要进行黑化处理。热敏电阻型红外探测器结构 如图 8− 3 所示。 热敏电阻的电阻与温度关系为
热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长，动态特性较差，被测辐射变化频率一般应 在 10 Hz 以下。
在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来组成热电堆来检测红外辐射的强弱。
3．热释电型红外探测器 热释电型红外探测器是由具有极化现象的热释电晶体或称“铁电体”制作的。热释电晶体是压电晶体 中的一种，具有非中心对称的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合，在晶体表面形 成一定量的极化电荷，称为自发极化。晶体温度变化时，可引起晶体正负电荷中心发生位移，因此表面上 的极化电荷即随之变化，如图 8− 5 所示。铁电体的极化强度(单位表面积上的束缚电荷)与温度有关。通常 其表面俘获大气中的浮游电荷而保持电平衡状态。处于电平衡状态的铁电体，当红外线照射到其表面上时， 引起铁电体(薄片)温度迅速升高，极化强度很快下降，束缚电荷急剧减少；而表面浮游电荷变化缓慢，跟 不上铁电体内部的变化。从温度变化引起极化强度变化到在表面重新达到电平衡状态的极短时间内，在铁 电体表面有多余浮游电荷的出现，这相当于释放出一部分电荷，这种现象称为热释电效应。依据这个效应 工作的探测器称为热释电型探测器。
红外辐射的测量
5.1 常见红外辐射测量仪器
5.1.1
单色仪
红外光谱辐射计.
5.1.2
5.1.3
红外分光光度计
傅里叶变换红外光谱仪 5.1.4
5.1.5
多通道光谱仪
项目三 空运出口货代单证 任务四 航空出口报关报检（报检单、出境货物通关单、报关单）
步骤二：认识并填制出境货物通关单 要完成出境货物通关单的制作，李芳芳必须先弄清楚集货单上各项 内容的含义，通过查阅相关资料，了解到出境货物通关单各项内容含义 如下： 1.收货人：填写本批出境货物的贸易合同中或信用证中买方名称。 任务给出买方为PEOPLES SPORTING GOODS & MDSG. CORP.，所以 此栏应填PEOPLES SPORTING GOODS & MDSG. CORP.。 2.发货人：填写本批出境货物的贸易合同中或信用证中受益人名称。 任务给出发货人为厦门阳光贸易有限公司，此栏应填厦门阳光贸易有限 公司。 任务执行
5.1.1 单色仪
两种常见的单色仪： （1）棱镜单色仪 当入射角i1等于出射角i2时，角 射散为：
d
2sin( A / 2)
dn i1
d [1 n2 sin2 ( A / 2)]1/ 2 d
A
i2
棱镜对单色光的折射
A为棱镜的顶角；
dn d为棱镜材料的色散率。
5.1.1 单色仪
棱镜分辨本领：分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力．
闪耀光栅的横剖面图
原理：
光栅单色仪是利用光栅每个 缝对光线的衍射和缝间的干 涉所产生的，且与衍射花样
的极大位置和波长有关。
光栅的角色散率：
d m d b cos
光栅的分辨本领 R W d d