传感器原理与应用课程讲稿

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1、传感器原理与应用课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）：第九章辐射式传感器授课方式（请打√）理论课R讨论课□实验课□习题课□其他□课时安排5教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：掌握红外探测器工作原理；了解超声波的物理性质；掌握超声波传感器工作原理；了解超声波传感器的应用；掌握核辐射及其性质；掌握电离室及盖革-弥勒计数管工作原理；了解核辐射传感器应用。教学重点、难点及关键知识点：重点：红外辐射、红外探测器工作原理；超声波的波型及其传播速度；超声波探头工作原理；核辐射及其性质；电离室及盖革-弥勒计数管工作原理。难点：超声波的衰减；核辐射探测器；盖革-弥勒计数管工作原理。方法及手段板书与多媒体相结

2、合教学基本内容（教学过程）改进设想第九章辐射式传感器第一节红外辐射传感器一、红外辐射的基本特点1、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。2、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，辐射能量就越强。自然界中的任何物体，只要温度在绝对零度以上，都能产生红外辐射（光谱中最大光热效应区）。3、红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉

3、、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。4、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。它在大气中传播时，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。二、红外辐射的基本定律传感器原理与应用课程讲稿1、希尔霍夫定律一个物体向周围辐射能量的同时，也吸收周围物体的辐射能，

4、希尔霍夫定律指物体的辐射发射量Er和吸收率α之比与物体的性质无关，总等于同一温度下绝对黑体的辐射能量。黑体：能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体。是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，吸收本领与波长和温度无关，即α=1，加热后，发射热辐射与比任何物体都大。镜体：能全部反射红外辐射的物体。透明体：能全部透过红外辐射的物体。灰体：能部分反射或吸收红外辐射的物体。2、普朗克定律描述的是黑体辐射发射量的光谱特征，以严格的数学关系给出：3、斯忒藩-波尔兹曼定律物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次方成正比，并与ε成正比。物体温度越高辐射能量越大。E：某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐

5、射总能量。σ：斯忒藩-波尔兹曼常数，5.6697×10-12w/cm2k4ε:比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比。T：物体的绝对温度。4、维恩位移定律物体峰值波长与物体自身的绝对温度成反比。三、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。红外探测器的种传感器原理与应用课程讲稿类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。1、红外探测器类型（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

6、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。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。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。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

7、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，引起各种电学现象——这种现象称为