红外辐射光源的参数与性能分析

辐射能量按照波长分布是红外光源的一个重要性质，它表征了光源的辐射本领^[111]。绝对黑体是最理想的光源，它能完全吸收各种波长的辐射而又以相同的速度发出各种波长的辐射能。因此，选择红外光源时，应该使选择波长范围内的辐射光源尽可能接近黑体^[112]。

红外光源是气体传感检测系统中的重要部件之一，合适的选择将有利于系统功耗的降低、体积的减小以及成本的降低，同时也要保证在检测需要的波谱区域内具有足够的辐射能量分布。

本书的设计中，选择德国的PerkinElmer Optoelectronics公司的IRL715光源，该红外光源是一种钨丝灯，属于热辐射型光源，最大直径3.17mm，辐射波长从可见光到5μm，适合于HC（3～5μm）的测量。图4-4所示为IRL715实物图。

IRL715红外光源的优点：

（1）体积小，输出光谱扩展到中红外区的5μm左右；

（2）高可靠性和稳定的输出；

（3）短时间常数，τ=290ms；

（4）寿命长，工作在5V电源时，可达40000h。

图4-4 IRL715实物图

该热辐射源，通过灯丝的温度升高来辐射出光能量[113]。根据黑体辐射原理，黑体辐射的峰值波长与黑体的温度有关，当温度升高，峰值波长往短波方向变化。因此当热辐射源温度达到700K时，峰值波长在3μm左右，从而能保证3～5μm有足够的光能量输出。

图4-5所示为IRL715的外壳玻璃罩对红外光的透射关系曲线，由于外壳玻璃的影响，截止波长在5μm左右。由于窄带滤光片加工工艺的限制，并不是理想的带通，在其他波长处仍有较小的透过率，因此通过外壳玻璃的作用可以滤除5μm以上的红外光对传感器的影响，从而提高传感器的精度，也起到阻止外界环境辐射的红外光对传感器的影响。图中的竖线表示选择的测试成分的测试波长和参考光路的波长位置。表4-1描述了IRL715的机械性能与电学参数。

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图4-5 IRL715参数曲线图

表4-1 IRL715的机械性能与电学参数

该红外辐射光源不同的调制频率下输出的红外辐射能量随频率的变化关系在4μm处测试的结果如图4-6所示，该辐射光源在低频段具有大的辐射输出。

从图4-6可知，IRL715在4μm处的调制深度随着调制频率的增大而变小，当调制频率大于10Hz时，调制深度已减少到10%以下，所以对于光源的调制只能在很低的频率内。

图4-7所示为红外光源在继续亮模式和占空比为1∶5的调制模式下的4μm处的输出辐射光强度的关系图，从图中可以看出，在两种模式下的输出强度随着工作时间的增加向两个相反的方向趋势发展。图4-8所示为红外光源在不同工作电压下，红外光与可见光的强度关系及光源的功耗关系。因此，根据以上两方面的分析，红外光源在5V工作电压、调制模式下工作，其输出光强具有很好的效果。

图4-6 IRL715的频率调制深度曲线

图4-7 光源在两种模式下的输出强度关系

图4-8 光源在不同的工作电压下的输出强度及功耗关系