傳感器第12章

1、第12章 輻射式傳感器輻射式傳感器12.1 紅外傳感器紅外傳感器12.2 核輻射傳感器 12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器12.1.1 紅外輻射及紅外輻射源 1、紅外輻射 紅外輻射即紅外線。紅外輻射范圍：紅外輻射即紅外線。紅外輻射范圍：0.761000 m ；紅外傳感器中主要應(yīng)用波長紅外傳感器中主要應(yīng)用波長0.840 m的紅外線。的紅外線。 12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 12.1.1 紅外輻射及紅外輻射源紅外輻射及紅外輻射源 1、紅外輻射、紅外輻射 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量

2、就越強。紅外光的本質(zhì)與可見光或電磁波性質(zhì)一樣，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。 12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器2.紅外輻射源紅外輻射源 標(biāo)準(zhǔn)輻射源，包括絕對黑體模型等，常用于實驗室中紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源，包括絕對黑體模型等，常用于實驗室中紅外儀器和系統(tǒng)標(biāo)定；儀器和系統(tǒng)標(biāo)定； 工業(yè)用輻射源，包括碳弧燈、鎢燈、電發(fā)光輻射器等；工業(yè)用輻射源，包括碳弧燈、鎢燈、電發(fā)光輻射器等； 自然紅外源，包括太陽、月球、行星、大氣和云層等；自然紅外源，包括太陽、月球、行星、大氣和云層等； 發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器、固體和氣體激光器等；發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光

3、器、固體和氣體激光器等； 紅外裝置或系統(tǒng)需要探測的輻射源，包括飛機發(fā)動機、機紅外裝置或系統(tǒng)需要探測的輻射源，包括飛機發(fā)動機、機殼或尾噴管的輻射、彈道火箭、航天飛機、人造地球衛(wèi)星、殼或尾噴管的輻射、彈道火箭、航天飛機、人造地球衛(wèi)星、機動車輛和人體等。機動車輛和人體等。12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示等組成。路及顯示等組成。 兩大類：兩大類： 一類是器件的某些性能參數(shù)隨入射的輻射通量作用引起的溫度變化溫度變化的熱探測器熱探測器； 另一類是利用各種光子效應(yīng)光子效應(yīng)的光子探測器光子探測器，即入射到探

4、測器上的紅外輻射能以光子的形式與光電探測器材料的束縛電子相互作用，從而釋放出自由電子和自由空穴參與導(dǎo)電的器件。12.1.2 紅外探測器紅外探測器(紅外線紅外線 電信號電信號)1 熱探測器熱探測器 利用紅外線的利用紅外線的熱效應(yīng)熱效應(yīng)，采用熱敏器件將紅外線轉(zhuǎn)，采用熱敏器件將紅外線轉(zhuǎn)換為電信號。換為電信號。 紅外線紅外線 熱（溫度）熱（溫度） 電信號電信號 熱敏器件熱敏器件 12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 (1)熱敏電阻型探測器熱敏電阻型探測器 熱敏電阻紅外探測器如圖熱敏電阻紅外探測器如圖8-70所示。圖圖8-70 熱敏電阻紅外探測器熱敏電阻紅外探測器（a）結(jié)構(gòu)；（）結(jié)構(gòu)；（b）橋式測量電

5、路）橋式測量電路12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 (2)熱釋電型探測器熱釋電型探測器 熱釋電效應(yīng)：若使某些強電介質(zhì)的表面溫度發(fā)熱釋電效應(yīng)：若使某些強電介質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，生變化，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 熱釋電傳感器：熱釋電傳感器： 紅外輻射紅外輻射 熱（溫度）熱（溫度） 電荷電荷12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)如圖熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)如圖8-72所示。所示。圖8-72 熱釋電紅外傳感器（a）外形；（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（c）電路12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器

6、 熱釋電紅外光敏元件材料，主要是壓電陶瓷和陶瓷氧化熱釋電紅外光敏元件材料，主要是壓電陶瓷和陶瓷氧化物，如物，如LiTaO3，鋯鈦酸鉛，鋯鈦酸鉛 (PZT) 等。等。 熱釋電紅外光敏元件只能測動態(tài)信號，不能測靜態(tài)信熱釋電紅外光敏元件只能測動態(tài)信號，不能測靜態(tài)信號，入射光必須調(diào)制成脈沖光進行檢測。號，入射光必須調(diào)制成脈沖光進行檢測。 熱釋電紅外光敏元件內(nèi)阻極高（可達熱釋電紅外光敏元件內(nèi)阻極高（可達1013 ），輸出電），輸出電壓極其微弱，則須進行阻抗變換和信號放大才能應(yīng)用，測壓極其微弱，則須進行阻抗變換和信號放大才能應(yīng)用，測量電路圖量電路圖8-72（c）所示。）所示。 熱釋電紅外光敏元件光譜響應(yīng)范

7、圍寬（熱釋電紅外光敏元件光譜響應(yīng)范圍寬（0.220 m），采），采用不同材料的濾光片作為窗口，使其光譜響應(yīng)范圍寬變用不同材料的濾光片作為窗口，使其光譜響應(yīng)范圍寬變窄，以適應(yīng)不同的用途。如人體（窄，以適應(yīng)不同的用途。如人體（36）紅外輻射峰值波）紅外輻射峰值波長長 m=9.4 m，則人體熱釋電紅外傳感器的濾光片選取，則人體熱釋電紅外傳感器的濾光片選取7.514 m波段為好。波段為好。12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器2 光子探測器光子探測器 光子探測器就是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光照射下，光子探測器就是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過測量其電產(chǎn)生光

8、子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過測量其電學(xué)性質(zhì)的變化，達到測量紅外輻射強弱的目的。學(xué)性質(zhì)的變化，達到測量紅外輻射強弱的目的。 特點：特點：靈敏度高；響應(yīng)快；探測波段窄；需在低溫下工靈敏度高；響應(yīng)快；探測波段窄；需在低溫下工作。作。 分類：分類： 外光電探測器（外光電探測器（PE器件），利用外光電效應(yīng)的光電管器件），利用外光電效應(yīng)的光電管和光電倍增管；和光電倍增管； 內(nèi)光電探測器，光電導(dǎo)探測器（內(nèi)光電探測器，光電導(dǎo)探測器（PC器件），光生伏特器件），光生伏特探測器（探測器（PU器件），光磁電探測器（器件），光磁電探測器（PEM器件）。器件）。12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器n1.紅外感

9、應(yīng)系統(tǒng)紅外感應(yīng)系統(tǒng) n 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，溫度低的物體輻射的紅外線波長長，溫度高的物體輻射的紅外線波長短。在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發(fā)射源，如火焰、汽車、動植物、人體等都是紅外輻射源，但發(fā)射的紅外波長不同。紅外感應(yīng)實際就是根據(jù)物體因表面溫度不同會發(fā)出不同波段的紅外光這一特性進行檢測的。12.1.3 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器n1.紅外感應(yīng)系統(tǒng)紅外感應(yīng)系統(tǒng) n在紅外感應(yīng)系統(tǒng)中采用熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器。n應(yīng)用領(lǐng)域：防盜報警、自動門、自動消防水龍頭、電梯、照明控制。12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器12.1.3 紅外傳感

10、器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用12.1.3 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器1.紅外感應(yīng)系統(tǒng)紅外感應(yīng)系統(tǒng) 12.1.3 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器1.紅外感應(yīng)系統(tǒng)紅外感應(yīng)系統(tǒng) 1.紅外感應(yīng)系統(tǒng)紅外感應(yīng)系統(tǒng) 12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器12.1.3 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用n 1.紅外感應(yīng)系統(tǒng)紅外感應(yīng)系統(tǒng) n 在防盜報警系統(tǒng)中采用雙元型紅外傳感器，雙元型紅外傳感器由兩個極性相反的熱釋電元件反向串聯(lián)。當(dāng)移動物體發(fā)射的紅外線進入透鏡的監(jiān)視范圍時，就會產(chǎn)生一個交替的“盲區(qū)”和“高敏感區(qū)”，使傳感器的兩個反向串

11、聯(lián)的熱釋電元件輪流感受到運動物體，而物體的紅外輻射以光脈沖的形式不斷改變熱釋電元件的溫度，使它輸出一串脈沖信號。若物體靜止不動地站在熱釋電元件前，極性相反的敏感元件產(chǎn)生的熱釋電信號將相互抵消，它會無輸出，這樣也可以有效地防止因太陽光等紅外線及環(huán)境溫度變化而引起的誤差，提高熱釋電紅外傳感器的抗干擾性能。12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器12.1.3 紅外傳感器的應(yīng)用紅外傳感器的應(yīng)用2 紅外測溫紅外測溫 儀儀 特點：特點：應(yīng)用廣，適合于遠距離和非接觸測量，特別適合應(yīng)用廣，適合于遠距離和非接觸測量，特別適合于高速運動體、帶電體、高溫、高壓物體的溫度測量；響于高速運動體、帶電體、高溫、高壓物體的溫

12、度測量；響應(yīng)快；靈敏度高；準(zhǔn)確度高（可達應(yīng)快；靈敏度高；準(zhǔn)確度高（可達0.1）；測溫范圍寬）；測溫范圍寬（攝氏零下幾十度到零上幾千度）等。（攝氏零下幾十度到零上幾千度）等。 分類：分類： 按測溫工作原理分：全輻射測溫；亮度測溫；比色測按測溫工作原理分：全輻射測溫；亮度測溫；比色測溫。溫。 按量程分：低溫（按量程分：低溫（100以下）；中溫以下）；中溫(100 700)，高溫（高溫（700以上）。以上）。12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 紅外測溫儀：紅外測溫儀： 紅外測溫儀基本結(jié)構(gòu)如圖紅外測溫儀基本結(jié)構(gòu)如圖8-74所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、探測器、放大器和指示器等組成。制器、探測器、放大器和指示器等組成。圖8-74 紅外測溫儀結(jié)構(gòu)原理圖12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器3 紅外氣體分析儀紅外氣體分析儀 紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性吸氣體對紅外線具有選擇性吸收的特性來對氣體成分進行分析的。收的特性來對氣體成分進行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同。 醫(yī)用醫(yī)用CO2氣體分析儀就是利用氣體分析儀就是利用CO2氣體對波長為氣體對波長為4.3 m的紅外輻射有強烈的吸收特性進行測量分析的，它主要的紅外輻射有強烈的吸收特性進行測量分析的，它主要用來測量、分