传感器原理及工程应用ppt第12章课件.ppt

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1、第12章辐射式传感器12.1红外传感器12.2核辐射传感器12.1红外传感器12.1.1　红外辐射及红外辐射源1.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，红外线在电磁波谱中的位置如图12-1所示。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。图12–1电磁波谱图红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。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。红外光的本质与可见光或电磁波性质

2、一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。大气是红外辐射的主要传播介质，当红外线在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。2.红外辐射

3、源发射红外电磁波的物体和器件，皆称红外辐射源。它通常分为以下几类：①标准辐射源，包括绝对黑体模型、能斯脱灯和硅碳棒等，常用于实验室中红外仪器和系统标定；②工业用辐射源，包括碳弧灯、钨灯、电发光辐射器、电加热的杆状和面状辐射器、气体加热辐射器等；③自然红外源，包括太阳、月球、行星、大气和云层等；④发光二极管和半导体激光器、固体和气体激光器等；⑤红外装置或系统需要探测的辐射源，包括飞机发动机、机壳或尾喷管的辐射、弹道火箭、航天飞机、人造地球卫星、机动车辆和人体等。12.1.2　红外探测器红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示等组成。红外探测器是

4、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，按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是器件的某些性能参数随入射的辐射通量作用引起的温度变化的热探测器；另一类是利用各种光子效应的光子探测器，即入射到探测器上的红外辐射能以光子的形式与光电探测器材料的束缚电子相互作用，从而释放出自由电子和自由空穴参与导电的器件。1.热探测器热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。热探测器探测光辐射包括两个过程，一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理特性的变化转化成相应的

5、电信号。热探测器的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，使用方便，应用相当广泛。按热电转换原理的不同，热探测器器件主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型探测器。而热释电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探测器。热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有

6、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是利用光辐射与物质相互作用的光子效应制成的器件。光子探测器利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子的互相作用，改变电子的能量状态，从而引起各种电学现象。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不

7、同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。12.1.3　红外传感器的应用1.红外感应系统前面已阐述，红外辐射的物理本质是热辐射，温度低的物体辐射的红外线波长长，温度高的物体辐射的红外线波长短。在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，如火焰、汽车、动植物、人体等都是红外辐射源，但发射的红外波长不同。红外感应实际就是根据物体因表面温度不同会发出不同波段的红外光这一特性进行检测的。在红外感应系统中采

8、用热释电红外传感器。图12－2为热释电红外传感器的结构图，此传感器采用金属外壳封