传感器与检测技术 第2版 教学课件 作者 胡向东第10章.ppt

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1、第10章辐射与波式传感器知识单元与知识点红外辐射、微波、超声波的概念与特性；红外探测器的分类与工作原理：热探测器和光子探测器；微波传感器的分类（反射式和遮断式）、组成、特点；超声波传感器的工作原理；红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。能力点理解红外辐射、微波、超声波的概念与特性；会分析红外探测器的分类与工作原理；把握微波传感器的分类、组成、特点；会分析超声波传感器的工作原理；了解红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。重难点重点：基本概念；红外辐射、微波、超声波的基本特性；红外传感器、微波传感

2、器与超声波传感器的工作原理。难点：红外热释电传感器工作原理。学习要求了解红外辐射、微波、超声波的概念与特性；了解红外探测器的分类与工作原理；了解微波传感器的分类、组成、特点；了解超声波传感器的工作原理；了解红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。10.1红外传感器10.1.1工作原理红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。电磁波谱

3、图红外辐射红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（－273℃），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积。10.1.2红外探测器红外传

4、感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。1.热探测器热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。特点：热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方

5、便，应用相当广泛。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和高莱气动型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。“铁电体”的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而

6、反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。2.光子探测器光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起光子效应。根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。通过光子探测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。10.1.2红外传感器的应用1.红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测

7、其温度。前放：起阻抗转换和放大作用选放：只放大调制频率的信号，抑制其它频率的噪声同步检波：将交流输入信号变换成峰－峰值的直流信号输出加法器：将环境温度与测量值相加，实现环境温度补偿发射率调节电路：实为放大电路，恢复测量信号相对于标定值减小的部分多谐振荡器：通过一系列分频器输出一定时序的方波信号，驱动步进电机和同步检波器的开关电路斯蒂藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律：红外线气体分析仪红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带

8、）不同，CO气体对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26μm附近的吸收波段进行分析。空气中双原子气体具有对称结构，无极性（如N2，O2，H2），以及单原子惰性气体（如He,Ne,Ar），它们不吸收红外辐射。红外线被吸收的数量与吸收介质的浓度有关，透过的射线强度I按指数规律减弱（朗伯－