Thermische Infrarotsensoren

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Frieder Kerner
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1 Helmut Budzier und Gerald Gerlach Thermische Infrarotsensoren Grundlagen für Anwender WILEY- VCH WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA

Inhaltsverzeichnis Vorwort XI Symbolverzeichnis XV 1 Einleitung 1 1.1 Infrarotstrahlung 1 1.1.1 Technische Anwendungen 1 1.1.2 Einteilung der Infrarotstrahlung 4 1.2 Historische Entwicklung 6 1.

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort XI Symbolverzeichnis XV 1 Einleitung Infrarotstrahlung Technische Anwendungen Einteilung der Infrarotstrahlung Historische Entwicklung Vorteile der Infrarotmesstechnik Vergleich thermischer und photonischer Infrarotsensoren Temperatur- und Ortsauflösung von Infrarotsensoren Einelement- versus Matrixsensoren 15 2 Radiometrische Grundlagen Wirkung elektromagnetischer Strahlung auf Festkörper Ausbreitung von Strahlung Ausbreitung in verlustbehafteten Medien Felder an Grenzflächen Strahldurchgang an dünnen dielektrischen Schichten Strahlungsgrößen Strahlungsfeldbezogene Größen Senderseitige Größen Empfängerseitige Größen Spektrale Größen Absorption, Reflexion und Transmission Emissionsgrad Strahlungsgesetze 36 3 Fotometrische Grundlagen Raumwinkel Definition Raumwinkelberechnungen Gerader Kreiskegel Beliebige Flächen 45 Thermische Infrarotsensoren: Grundlagen für Anwender. H. Budzier und G. Gerlach Copyright 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim ISBN:

VIII I Inhaltsverzeichnis 3.1.2.3 Kreisfläche mit Mittelpunkt im Abstandsvektor 48 3.1.2.4 Beliebig im Raum liegende Dreiecksfläche 49 3.1.2.5 Rechtecksfläche 50 3.2 Fotometrisches Grundgesetz 51 3.2.1 Definition 51 3.

3 VIII I Inhaltsverzeichnis Kreisfläche mit Mittelpunkt im Abstandsvektor Beliebig im Raum liegende Dreiecksfläche Rechtecksfläche Fotometrisches Grundgesetz Definition Berechnungsmethoden und Beispiele Reduzierter Raumwinkel Flächenelement und Kreisscheibe Natürliche Vignettierung Zwei parallele Kreisscheiben Flächenelement und Rechteckfläche Numerische Lösung des reduzierten Raumwinkels 64 4 Rauschen Mathematische Grundlagen Einführung Zeitfunktionen Wahrscheinlichkeitsfunktionen Normalverteilung Poisson-Verteilung Korrelationsfunktionen Autokorrelationsfunktion Kreuzkorrelation Spektralfunktionen Rauschanalyse von elektronischen Schaltungen Rauschquellen in thermischen Infrarotsensoren Thermisches Rauschen und tan (5-Rauschen Stromrauschen //-Rauschen Strahlungsrauschen Temperaturfluktuationsrauschen Sensorkenngrößen Empfindlichkeit Einführung Schwarze Empfindlichkeit Spektrale Empfindlichkeit Signal-Transfer-Funktion Gleichförmigkeit Rauschäquivalente Leistung NEP Detektivität Rauschäquivalente Temperaturdifferenz Optische Kenngrößen Modulationsübertragungsfunktion Definition Kontrast 136

Inhaltsverzeichnis IIX 5.6.3 Modulationsübertragungsfunktion eines Sensors 137 5.6.3.1 Geometrische MTF 137 5.6.3.2 Thermische MTF 139 5.6.3.3 Kapazitive MTF 142 5.6.4 Messung der Modulationsübertragungsranktion 146 5.

4 Inhaltsverzeichnis IIX Modulationsübertragungsfunktion eines Sensors Geometrische MTF Thermische MTF Kapazitive MTF Messung der Modulationsübertragungsranktion Messung mit sinusförmig modulierter Szene Messung mit rechteckförmig modulierter Szene Messung mit punkt- oder linienförmiger Szene Messung mit einer Kante Thermische Infrarotsensoren Wirkprinzipien Thermische Modelle Einfaches thermisches Modell Temperaturänderung für harmonische Anregung im Bildbereich Temperaturänderung bei sprunghafter Anregung Thermisches Schichtenmodell Netzwerkmodelle für thermische Sensoren Thermoelektrische Strahlungssensoren Prinzip Thermische Auflösung Aufbau thermoelektrischer Sensoren Pyroelektrische Sensoren Prinzip Empfindlichkeit pyroelektrischer Sensoren Mikrofonie Thermische Auflösung Aufbau von pyroelektrischen Sensoren Mikrobolometer Prinzip Metall Halbleiter Thermische Auflösung Aufbau von Mikrobolometerarrays Auswertelektronik von Mikrobolometern Andere thermische Infrarotsensoren Bimorphe Infrarotsensoren Mikro-GoLAY-Zellen Vergleich thermischer Sensoren Anwendungen thermischer Infrarotsensoren Anwendungsunabhängige Betrachtungen Pyrometrie Aufbau Emissionsgrad realer Strahler Wärmebildkameras 263

5 X I Inhaltsverzeichnis Aufbau 264 Abgleich von Warmebildkameras Korrektur der Kennlinie 270 Radiometrische Anbindung 272 Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder Aufbau 274 Infrarotoptik 276 Signalverarbeitung 277 Infrarotspektrometrie 278 Strahlungsabsorption von Gasen Aufbau von Infrarotspektrometern Gasanalyse 285 Anhang A Verwendete Konstanten Anhang В Plancksches Strahlungsgesetz und abgeleitete Gesetze 291 AnhangC Berechnung des Raumwinkels einer Rechtecksfläche 299 Literaturnachweis 303 Index 307

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