傳感技術(shù)第四章

傳感技術(shù)第四章第1頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

溫度是表征物體或系統(tǒng)冷熱程度的基本物理量。溫度單位是國(guó)際單位制中七種基本單位之一。熱平衡：溫度是描述熱平衡系統(tǒng)冷熱程度的物理量。分子物理學(xué)：溫度反映了物體內(nèi)部分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。能量：溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分配狀況的物理量。4.1概述第2頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)傳感器的測(cè)溫方式，溫度基本測(cè)量方法通?？煞殖山佑|式和非接觸式兩大類。

接觸式：接觸式溫度測(cè)量的特點(diǎn)是感溫元件直接與被測(cè)對(duì)象相接觸，兩者進(jìn)行充分的熱交換，使兩者具有同一溫度，達(dá)到測(cè)量的目的。根據(jù)測(cè)溫轉(zhuǎn)換的原理，接觸式測(cè)溫又可分為膨脹式、熱阻式、熱電式等多種形式。4.1概述第3頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點(diǎn)—測(cè)溫精度相對(duì)較高，測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，儀表讀數(shù)直接反映被測(cè)物體實(shí)際溫度；可方便地組成多路集中測(cè)量與控制系統(tǒng)。缺點(diǎn)—由于感溫元件與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，從而要影響被測(cè)介質(zhì)熱平衡狀態(tài)，而接觸不良則會(huì)增加測(cè)溫誤差；被測(cè)介質(zhì)具有腐蝕性及溫度太高亦將嚴(yán)重影響感溫元件性能和壽命等缺點(diǎn)。

4.1概述第4頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述

非接觸式：非接觸測(cè)量法是利用物質(zhì)的熱輻射原理，測(cè)溫敏感元件不與被測(cè)介質(zhì)接觸，通過輻射和對(duì)流實(shí)現(xiàn)熱交換，達(dá)到測(cè)量的目的。

第5頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述優(yōu)點(diǎn)—非接觸式測(cè)溫具有不改變被測(cè)物體的溫度分布，熱慣性小，測(cè)溫上限可設(shè)計(jì)得很高，便于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度和快速變化的溫度等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)—整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整麻煩、價(jià)格昂貴；儀表讀數(shù)通常只反映被測(cè)物體表現(xiàn)溫度(需進(jìn)一步轉(zhuǎn)換)；不易組成測(cè)溫、控溫一體化的溫度控制裝置。第6頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2紅外溫度傳感器

任何物體只要其自身及周圍的溫度不是絕對(duì)零度，都會(huì)以電磁波的形式向周圍輻射能量。這種電磁波是由物體內(nèi)部帶電粒子在分子和原子內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生的，其中與物體本身溫度有關(guān)傳播熱能的那部分輻射，稱為熱輻射。它不需要任何物質(zhì)作為媒介（真空中也傳播）。物體溫度越高，粒子被激勵(lì)的越強(qiáng)烈，輻射能量越大。當(dāng)與周圍的溫度相等時(shí)，輻射熱量過程處于動(dòng)平衡狀態(tài)。第7頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2紅外溫度傳感器

輻射能投射到物體表面上；一部分被物體吸收，一部分被反射，另一部分透過物體。設(shè)外界投射到物體表面上的總能量為Q0，吸收QR，反射QP，透射Qt。比值QR/Q0，QP/Q0，Qt/Q0，分別稱作該物體的吸收率，反射率和透射率。依次為α，β，τ，根據(jù)能量守恒定律，α＋β＋τ＝1，當(dāng)α＝1，β=τ=0，該物體稱為絕對(duì)黑體，全吸收。第8頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。但實(shí)際上它和其他任何光線一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。任何物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度，就有紅外線向周圍空間輻射。紅外線是位于可見光中紅光以外的光線，故稱為紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.75～1000μm的頻譜范圍之內(nèi)。相對(duì)應(yīng)的頻率大致在4×1014～3×1011Hz之間，紅外線與可見光、紫外線、x射線、射線和微波、無線4.2紅外溫度傳感器第9頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

電波一起構(gòu)成了整個(gè)無限連續(xù)的電磁波譜。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍內(nèi)，因此人們又將紅外輻射稱為熱輻射或熱射線。4.2紅外溫度傳感器第10頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）紅外測(cè)溫的特點(diǎn)非接觸測(cè)溫。特別適合用于較遠(yuǎn)距離的高速運(yùn)動(dòng)物體、帶電體、高溫及高壓物體的溫度測(cè)量；反應(yīng)速度快。它不需要與物體達(dá)到熱平衡的過程，只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可測(cè)定溫度，反映時(shí)間一般都在毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)；4.2紅外溫度傳感器第11頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月靈敏度高。由于物體的輻射能量與溫度的四次方成正比，因此物體溫度微小的變化，就會(huì)引起輻射能量較大的變化，紅外傳感器即可迅速地檢測(cè)出來；準(zhǔn)確度較高。由于是非接觸測(cè)量，不會(huì)破壞物體原來溫度分布狀況，因此測(cè)出的溫度比較真實(shí)，其測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.1℃以內(nèi)，甚至更??；4.2紅外溫度傳感器第12頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)溫范圍廣。可測(cè)攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍；應(yīng)用范圍廣。各種工業(yè)窯爐、熱處理爐溫度測(cè)量、感應(yīng)加熱過程中的溫度測(cè)量，尤其是鋼鐵工業(yè)中的高速線材、無縫鋼管軋制，有色金屬連鑄、熱軋等過程的溫度測(cè)量等；軍事方面的應(yīng)用如各種運(yùn)載工具發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度測(cè)量、導(dǎo)彈紅外（測(cè)溫）制導(dǎo)、夜視儀等；在一般社會(huì)生活方面如快速非接觸人體溫度測(cè)量，防火監(jiān)測(cè)等等。4.2紅外溫度傳感器第13頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）紅外測(cè)溫原理紅外測(cè)溫有幾種方法，這里只介紹全輻射測(cè)溫。全輻射測(cè)溫是測(cè)量物體所輻射出來的全波段輻射能量來決定物體的溫度。它是斯蒂芬—玻爾茲曼定律的應(yīng)用，定律表達(dá)式為4.2紅外溫度傳感器第14頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月式中

W——物體單位面積所發(fā)射的輻射功率；

ε——物體表面的法向比輻射率；

σ——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù)；T——物體的絕對(duì)溫度(K)。4.2紅外溫度傳感器第15頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2紅外溫度傳感器紅外測(cè)溫傳感器工作原理第16頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月紅外測(cè)溫傳感器工作原理紅外測(cè)溫傳感器主要由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外敏感器件、放大器和顯示系統(tǒng)組成。微電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)制盤使入射光的輻射功率按一定規(guī)律變化，把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，得到易于處理的交流信號(hào)輸出。4.2紅外溫度傳感器第17頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

按探測(cè)機(jī)理的不同，紅外探測(cè)器分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器。(1)熱探測(cè)器—熱探測(cè)器吸收紅外輻射后，先引起溫度升高。然后由于溫度升高，伴隨著發(fā)生某種物理性質(zhì)的變化。如溫度升高，體積膨脹等。測(cè)量這些物理性質(zhì)的變化就可以確定被吸收的紅外輻射的能量或者功率。常用的物理變化有下列四種，利用其中一種就可以制出一類紅外探測(cè)器。4.2.1紅外探測(cè)器第18頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(a)溫差電現(xiàn)象把兩種不同的金屬絲或者半導(dǎo)體細(xì)線連接成一個(gè)封閉環(huán)。當(dāng)一個(gè)接頭吸收紅外輻射，導(dǎo)致它的溫度比另一個(gè)接頭高時(shí)，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。從電動(dòng)勢(shì)的大小可以測(cè)定接頭所吸收的紅外輻射功率。利用溫差電現(xiàn)象制成的紅外探測(cè)器，叫做熱電偶。若干個(gè)熱電偶串聯(lián)在一起，就成為熱電堆。4.2.1紅外探測(cè)器第19頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(b)金屬或半導(dǎo)體電阻的變化當(dāng)吸收紅外輻射溫度升高時(shí)，金屬的電阻會(huì)增加，半導(dǎo)體的電阻反而減小。從它們電阻的變化可以測(cè)定被吸收的紅外輻射功率。利用電阻變化制成的紅外探測(cè)器，叫做電阻測(cè)輻射熱計(jì)。(c)氣體壓強(qiáng)的變化當(dāng)吸收紅外輻射溫度升高時(shí)，氣體在體積一定的條件下，壓強(qiáng)增加。從壓強(qiáng)的增加可以測(cè)定被吸收的紅外輻射功率。這樣的紅外探測(cè)器，叫做氣體探測(cè)器。4.2.1紅外探測(cè)器第20頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(d)熱釋電現(xiàn)象(簡(jiǎn)稱熱電現(xiàn)象)

有些晶體，如硫酸三甘酞(TGS)、鈮酸鍶鋇(SBN)等．當(dāng)受到紅外輻射照射后溫度升高時(shí)，在某個(gè)晶體方向上能夠產(chǎn)生電壓。由此，就能測(cè)量出紅外輻射功率。4.2.1紅外探測(cè)器第21頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)光子探測(cè)器—光子探測(cè)器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起幾種電學(xué)現(xiàn)象，它們統(tǒng)稱為光子效應(yīng)。從光子效應(yīng)的大小可以測(cè)定被吸收的光子數(shù)。利用光子效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器統(tǒng)稱為光子探測(cè)器。常用的光子效應(yīng)有下列四種。4.2.1紅外探測(cè)器第22頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(a)光電子發(fā)射(光電效應(yīng))

光照射在某些金屬氧化物表面、半導(dǎo)體表面或金屬表面上時(shí)，如果光子能量足夠大，就能夠使表面發(fā)射出電子。這一現(xiàn)象叫做光電子發(fā)射，又叫做光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)制成的可見光探測(cè)器和紅外探測(cè)器，統(tǒng)稱為光電子發(fā)射器件(PE器件)，其中有光電二極管和光電倍增管。4.2.1紅外探測(cè)器第23頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(b)光電導(dǎo)吸收能量足夠大的光子后，半導(dǎo)體中有些電子和空穴能從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)轉(zhuǎn)變到能導(dǎo)電的自由狀態(tài)，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)增加。這種現(xiàn)象叫微光電導(dǎo)。利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)制成的紅外探測(cè)器品種最多，應(yīng)用最廣，統(tǒng)稱為光電導(dǎo)探測(cè)器(PC器件)。4.2.1紅外探測(cè)器第24頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(c)光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體的p-n結(jié)(或p-i-n結(jié)，或金屬與半導(dǎo)體接觸區(qū))及其附近，在吸收能量足夠大的光子后，能釋放出少數(shù)載流子(自由電子和空穴)。它們?cè)诮Y(jié)區(qū)域以外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)域。在結(jié)區(qū)域中則受到結(jié)內(nèi)靜電場(chǎng)的作用，電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)。如果p-n結(jié)短路，就產(chǎn)生反向電流。如果p區(qū)、n區(qū)開路。兩端就產(chǎn)生電壓。這叫做光生伏特效應(yīng)。利用光生伏待效應(yīng)，制成的紅外探測(cè)器，叫做光生伏特探測(cè)器(PV器件)。PV器件工作時(shí)不必加偏置電壓。4.2.1紅外探測(cè)器第25頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(d)光電磁效應(yīng)在外加電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)作用下，半導(dǎo)體的上表面吸收光子后，在上表面產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，要向體內(nèi)擴(kuò)散。在擴(kuò)散過程中，因受到強(qiáng)磁場(chǎng)的作用，電子和空穴各偏向一側(cè)，因而產(chǎn)生電位差。這個(gè)現(xiàn)象就叫做光電磁效應(yīng)。利用這個(gè)效應(yīng)測(cè)量紅外輻射的紅外探測(cè)器叫做光電磁探測(cè)器(PEM器件)。4.2.1紅外探測(cè)器第26頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

熱探測(cè)器與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)熱探測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)都有響應(yīng)，光子電探測(cè)器是一種對(duì)波長(zhǎng)有選擇的探測(cè)器，僅對(duì)具有足夠能量的光子有響應(yīng)，即存在一個(gè)波長(zhǎng)限。光子探測(cè)器只對(duì)它的長(zhǎng)波限以下的一段波長(zhǎng)區(qū)間有響應(yīng)。(2)熱探測(cè)器(除低溫測(cè)輻射熱計(jì)外)工作時(shí)不需要冷卻，光子探測(cè)器則多數(shù)需要冷卻。4.2.1紅外探測(cè)器第27頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月但熱探測(cè)器有下列缺點(diǎn)；(1)熱探測(cè)器的響應(yīng)度一般低于光子探測(cè)器，響應(yīng)時(shí)間一般比光子探測(cè)器長(zhǎng)。(2)熱探測(cè)器的性能與器件尺才、形狀，以及工藝細(xì)節(jié)等很有關(guān)系，因此，工藝要求較高，產(chǎn)品規(guī)格常不容易穩(wěn)定。而光子探測(cè)器，工藝比較先進(jìn)和定型，產(chǎn)品比較能夠規(guī)格化。4.2.1紅外探測(cè)器第28頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

熱探測(cè)器有輻射熱電偶、熱電堆、熱敏電阻及熱釋電探測(cè)器。薄膜熱敏器件是二十世紀(jì)八十年代隨著集成電路技術(shù)中的薄膜工藝發(fā)展，以及人們對(duì)溫度信息獲取向超小型化發(fā)展而產(chǎn)生的。替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型溫度傳感器，適合于物體表面，快速和小間隙溫度檢測(cè)。4.2.2薄膜熱電偶第29頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.2薄膜熱電偶第30頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

薄膜熱電偶以陶瓷薄片作基體，厚度0.6mm，耐高溫1600℃。在陶瓷基片有兩φ0.2小孔。將φ0.2標(biāo)準(zhǔn)NiCr－NiSi熱電偶絲分別嵌入小孔，使其與小孔過渡配合，在陶瓷基片背面用高溫?zé)o機(jī)絕緣膠固定熱電偶絲，經(jīng)過研磨使熱電偶端面與陶瓷基片正面平齊，在其上濺射鉭（Ta）薄膜，厚度0.7μm，在鉭膜片（吸收光輻射）上鍍保護(hù)膜Si3N4（厚度0.1μm）。4.2.2薄膜熱電偶第31頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為50μs，線性度好，可在1200℃下長(zhǎng)期工作，可快速檢測(cè)鍛模具外壁面、燃?xì)鈩?dòng)力機(jī)壁面的瞬變溫度，此外還可廣泛應(yīng)用于高空大氣環(huán)境的測(cè)量以及沸騰換熱表面瞬態(tài)溫度的快速檢測(cè)等。4.2.2薄膜熱電偶第32頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

熱電堆是由許多熱電偶串接起來組成的，相比熱電偶有更大的輸出熱電勢(shì)。熱電堆是根據(jù)賽貝克效應(yīng)，對(duì)半導(dǎo)體材料采用集成電路工藝和各向異性腐蝕的微細(xì)加工技術(shù)制成的，半導(dǎo)體材料的賽貝克系數(shù)比金屬材料大，適合作溫度傳感器。半導(dǎo)體材料接受紅外輻射能，把紅外輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。熱電堆相當(dāng)于若干薄膜熱電偶串接，結(jié)電壓相加，提高測(cè)溫的響應(yīng)度。4.2.3熱電堆第33頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

早先的紅外熱電堆探測(cè)器是利用掩膜真空鍍膜的方法，將熱電偶材料沉積到塑料或陶瓷襯底上獲得的，但器件的尺寸較大，且不易批量生產(chǎn)。隨著微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，提出了微電子機(jī)械系統(tǒng)的概念，進(jìn)而發(fā)展了微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器。4.2.3熱電堆第34頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

下圖給出微機(jī)械紅外熱電堆芯片的基本結(jié)構(gòu)。為建立熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)的有效熱傳導(dǎo)，需要構(gòu)建一定的隔熱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在主要通過薄膜來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用的薄膜結(jié)構(gòu)有兩類，即封閉膜結(jié)構(gòu)(圖ａ)和懸梁結(jié)構(gòu)(圖ｂ)，其中封閉膜是指熱堆的支撐膜為整層的復(fù)合介質(zhì)膜，一般為氮化硅與氧化硅復(fù)合膜。懸梁則是指周圍為氣氛介質(zhì)所包圍，一端固定、一端懸空的膜結(jié)構(gòu)，其中膜亦為復(fù)合介質(zhì)膜。

4.2.3熱電堆第35頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月封閉膜結(jié)構(gòu)23第36頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月懸梁結(jié)構(gòu)23第37頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3熱電堆

熱電堆、熱結(jié)區(qū)以及紅外吸收區(qū)都在膜上。熱結(jié)位于紅外吸收區(qū)附近,當(dāng)吸收紅外輻射之后,此處即成為高溫區(qū)域；冷結(jié)區(qū)位于硅襯底上,經(jīng)導(dǎo)熱性良好的單晶硅將熱迅速散發(fā),形成低溫區(qū)域。第38頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

從隔熱效果來說，懸梁更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種膜結(jié)構(gòu)的周圍是導(dǎo)熱性能很差的氣氛介質(zhì)(如空氣)，因此熱耗散小，熱阻高，隔熱效果好，同時(shí)吸收的熱可以沿著膜的方向，也就是熱電偶對(duì)的方向作有效傳導(dǎo)，故熱電轉(zhuǎn)換效率較好，靈敏度高；而對(duì)封閉膜而言，吸收紅外輻射后，熱可以沿著介質(zhì)支撐膜傳播，而并不完全沿著熱偶對(duì)傳播，故熱耗散較大,熱電轉(zhuǎn)換效率低，靈敏度小。4.2.3熱電堆第39頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

但從工藝制造過程以及成品率角度來說，封閉膜更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，由于膜與基體處處相連，因此受應(yīng)力影響小，制造過程中膜本身不易破裂，成品率高，易制造；而懸梁與基體間只通過固支一端相連，另一端懸空，因此受應(yīng)力的影響顯著，制造過程中膜容易發(fā)生翹曲或破裂，故成品率較低，不易制造。這些薄膜結(jié)構(gòu)都是利用硅的各向異性腐蝕而得到的，腐蝕孔呈金字塔型。4.2.3熱電堆第40頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

從上述分析可以看出，懸梁結(jié)構(gòu)和封閉膜結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，將這兩種結(jié)構(gòu)相結(jié)合，就可以集中這兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，這就是斜拉懸梁支撐膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的懸梁與硅基體成45度角，故名斜拉；懸梁一端固支，與硅基體1相連，另外一端僅有兩點(diǎn)與基體1相連，紅外吸收區(qū)5與熱堆結(jié)構(gòu)4在此懸梁上。紅外吸收區(qū)5吸收紅外輻射后，溫度升高，構(gòu)成熱堆的熱結(jié)區(qū)3，硅的導(dǎo)熱性好，稱為熱堆的冷結(jié)區(qū)2，保持與周圍環(huán)境相同的溫度。4.2.3熱電堆第41頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3熱電堆第42頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

斜拉支撐膜的優(yōu)點(diǎn)在于綜合了封閉膜與懸梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，由于非固支端與基體也有兩點(diǎn)相連，因此具有封閉膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，制作過程中膜結(jié)構(gòu)不易被破壞，成品率高的優(yōu)點(diǎn)；而這僅有的兩點(diǎn)相連，對(duì)于導(dǎo)熱的影響很小，因而秉承了懸梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，熱耗散小，隔熱效果好，熱阻高，熱可以沿著熱偶對(duì)有效傳導(dǎo)，可提高熱電轉(zhuǎn)換效率，獲得高的靈敏度，這種新的斜拉懸梁支撐膜結(jié)構(gòu)，使得微機(jī)械熱電堆紅外探測(cè)器的整體性能得到較大提高。4.2.3熱電堆第43頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

光纖溫度傳感器分為傳光型（或稱傳輸型，非功能型）和傳感型（或稱敏感型，功能型）兩類。傳光型利用光纖傳輸光信號(hào)，在光纖的一個(gè)端面上配置溫度敏感元件，并與光纖耦合，構(gòu)成傳光型光纖溫度傳感器。傳感型利用光纖本身物理參數(shù)隨溫度變化而變換的特性，作為敏感元件構(gòu)成傳感型光纖溫度傳感器。4.3光纖溫度傳感器第44頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

傳光型對(duì)溫度檢測(cè)靈敏度較低，但可靠性高，其中熒光吸收，熱輻射類光纖溫度傳感器已達(dá)到實(shí)用水平。傳感型靈敏度高，但對(duì)溫度以外的機(jī)械量變化（如壓力，振動(dòng)等）也很敏感，抗干擾能力差，穩(wěn)定性差。4.3光纖溫度傳感器第45頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

半導(dǎo)體光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材料的吸收光譜隨溫度變化而制成的。使用GaAs砷化鎵半導(dǎo)體材料作為溫度敏感元件，組成傳感頭部分，采用雙光源系統(tǒng)，引入?yún)⒖脊庠?，有效消除了由于光纖間的連接所產(chǎn)生的微小軸向或橫向位移誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，大幅度提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4.3.1半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型）第46頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)GaAs研磨拋光到一定厚度(100μm左右)時(shí)，它的光透過率特性曲線如圖所示。當(dāng)溫度升高時(shí)，透過率曲線向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，但曲線的形狀不變。溫度傳感器正是利用了它的這種特性。假如將光源的發(fā)光光譜I1

疊加上去，就會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，透過GaAs的光強(qiáng)在逐步減小。這樣光探測(cè)器的輸出電壓也將隨溫度的升高而減小。因此，通過測(cè)量光探測(cè)器的輸出電壓即可達(dá)到測(cè)溫的目的。4.3.1半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型）第47頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3.1半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型）第48頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3.1半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型）第49頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

由發(fā)光管穩(wěn)壓電源驅(qū)動(dòng)砷化鋁鎵AlGaAs、砷磷化銦鎵InGaAsP兩發(fā)光二極管發(fā)光，控制電路控制光開關(guān)分時(shí)接收來自信號(hào)光源(AlGaAs)與參考光源(InGaAsP)發(fā)出的光束，首先是讓信號(hào)光通過，探頭中的GaAs材料對(duì)光有吸收作用，透射光強(qiáng)與溫度有關(guān)。然后是參考光通過,經(jīng)過的路徑和前面完全一樣，只是由于探頭中的GaAs材料對(duì)它來說是完全透明的。兩光束通過光纖傳輸后經(jīng)光探測(cè)器把參考光束和信號(hào)光束轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)前置放大、濾波后，通過A/D接口到單片機(jī)，經(jīng)處理后輸出顯示。4.3.1半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型）第50頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

光探頭是由半導(dǎo)體材料GaAs制作，其厚度約100μm，兩邊拋光，鍍?cè)鐾改?，探頭與光纖芯的連接如下圖所示。4.3.1半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型）第51頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

為了排除干擾，提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性，特別加入了一束參考光，即另外一個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管，其發(fā)光的光譜曲線如圖中的I2

所示。由于它的光譜在砷化鎵GaAs材料的透過率曲線右邊，砷化鎵GaAs材料對(duì)它不吸收，幾乎完全透過，溫度的變化對(duì)它的透過也幾乎無影響。因此，可以把它作為參考光，來消除外界干擾和內(nèi)部部件的老化的影響。4.3.1半導(dǎo)體光纖溫度傳感器（傳光型）第52頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

熒光材料原子受到某一合適波長(zhǎng)光的輻射而被激發(fā)時(shí)，發(fā)出輻射熒光。利用熒光物質(zhì)所發(fā)出的熒光衰變時(shí)間隨溫度變化的特性可以制成溫度傳感器。將熒光物質(zhì)均勻涂在被測(cè)物體表面上或使其與半導(dǎo)體材料摻雜。用輸入光纖傳輸激勵(lì)光，激勵(lì)被測(cè)物體發(fā)出熒光，利用晶體的熒光衰變時(shí)間來控制激勵(lì)光源調(diào)制頻率。當(dāng)溫度變化時(shí)，熒光衰變時(shí)間發(fā)生變化，從而改變了光源調(diào)制頻率，若測(cè)出頻率即可測(cè)出溫度。4.3.2熒光衰變式光纖溫度傳感器（傳光型）第53頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3.2熒光衰變式光纖溫度傳感器（傳光型）第54頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月LED作為光源，光源發(fā)出的激發(fā)光（在一個(gè)頻率上振蕩）透過透鏡2進(jìn)入濾光器3，把長(zhǎng)波部分濾去，然后經(jīng)分光鏡4和透鏡5注入光纖射向晶體，激發(fā)熒光。返回的熒光由分光鏡耦合到濾光鏡7上。濾光器7的作用是抑制散射激勵(lì)光。熒光經(jīng)過透鏡8聚焦進(jìn)入探測(cè)器9轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大器10，相移器11和幅度控制器12，最后反饋到調(diào)制器1上控制LED的發(fā)光頻率。4.3.2熒光衰變式光纖溫度傳感器（傳光型）第55頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

上述傳感器的原理是利用晶體的熒光衰變時(shí)間隨溫度變化輸出電信號(hào)改變光源（調(diào)制）頻率，由時(shí)標(biāo)計(jì)算器13測(cè)出光源（調(diào)制后）振動(dòng)頻率，即可確定溫度。4.3.2熒光衰變式光纖溫度傳感器（傳光型）第56頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

傳感型光纖溫度傳感器不僅用光纖作為傳輸光路，而且用光纖作感溫元件。利用光纖自身物理參數(shù)隨溫度變化而變化，從而使傳輸光的參數(shù)受到調(diào)制的特性，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器、相位調(diào)制光纖溫度傳感器。折射率調(diào)制是光強(qiáng)調(diào)制的一種形式，物體參數(shù)變化可以改變光纖的折射率。利用透明液體的折射率與溫度有關(guān)，可制成溫度傳感器。4.3.3折射率調(diào)制式光纖溫度傳感器（傳感型）第57頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

傳感型光纖溫度傳感器不僅用光纖作為傳輸光路，而且用光纖作感溫元件。利用光纖自身物理參數(shù)隨溫度變化而變化，從而使傳輸光的參數(shù)受到調(diào)制的特性，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器、相位調(diào)制光纖溫度傳感器。折射率調(diào)制是光強(qiáng)調(diào)制的一種形式，物體參數(shù)變化可以改變光纖的折射率。利用透明液體的折射率與溫度有關(guān)，可制成溫度傳感器。4.3.3折射率調(diào)制式光纖溫度傳感器（傳感型）第58頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一．液芯光纖敏感元件溫敏元件是一段透明毛細(xì)管，其折射率為ns；內(nèi)裝折射率為nl的透明液體（液芯）。溫敏元件兩端與普通多模輸入