傳感器與檢測(cè)技術(shù) 第2版 課件

傳感器與檢測(cè)技術(shù)學(xué)習(xí)領(lǐng)域6

能量控制型傳感器學(xué)習(xí)領(lǐng)域6其他傳感器

6.1紅外傳感器6.2光纖傳感器

6.3激光式傳感器

6.4圖像傳感器6.1紅外傳感器

6.1.1

紅外線傳感器基礎(chǔ)及分類6.2.2

熱釋電紅外傳感器返本章目錄6.2.3

紅外線傳感器的應(yīng)用6.1.1紅外線傳感器基礎(chǔ)及分類

1.紅外線的特點(diǎn)在物理學(xué)中，我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外線及無線電等都是電磁波返本章目錄返本節(jié)目錄6.1.1紅外線傳感器基礎(chǔ)及分類

1.紅外線的特點(diǎn)返本章目錄返本節(jié)目錄（1）紅外線的最大特點(diǎn)就是具有光熱效應(yīng)，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外線是一種不可見光，紅外線在真空中的傳播速度為3×108m/s。（2）紅外線在介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生衰減。對(duì)于波長為1~5μm、8~14μm區(qū)域的紅外線具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外線能較好地穿透大氣層。（3）自然界中任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度之上，都能產(chǎn)生紅外線輻射。紅外線的光熱效應(yīng)對(duì)不同的物體是各不相同的，熱能強(qiáng)度也不一樣。（4）紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。6.1.1紅外線傳感器基礎(chǔ)及分類

2.紅外傳感器組成與分類返本章目錄返本節(jié)目錄紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器兩大類。（1）光子探測(cè)器工作機(jī)理：利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起光子效應(yīng)。外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電磁效應(yīng)。6.1.1紅外線傳感器基礎(chǔ)及分類

1.紅外線的特點(diǎn)返本章目錄返本節(jié)目錄（2）熱探測(cè)器工作機(jī)理：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。通過測(cè)量物理參數(shù)的變化來確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。主要優(yōu)點(diǎn)：

響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。缺點(diǎn)：

探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長。熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。6.1.2熱釋電紅外傳感器

1.熱釋電效應(yīng)返本章目錄返本節(jié)目錄

當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。6.1.2熱釋電紅外傳感器

2.熱釋電紅外傳感器原理特性返本章目錄返本節(jié)目錄

報(bào)警電路中通常采用雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器6.1.2熱釋電紅外傳感器

3.熱釋電紅外傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)返本章目錄返本節(jié)目錄

此類紅外傳感器也叫被動(dòng)紅外傳感器優(yōu)點(diǎn)：

傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：（1）信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；（2）被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；（3）易受射頻輻射的干擾；（4）環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；（5）被動(dòng)紅外探測(cè)器主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。6.1.3紅外線傳感器的應(yīng)用

1.被動(dòng)式紅外熱釋電報(bào)警器返本章目錄返本節(jié)目錄6.1.3紅外線傳感器的應(yīng)用

2.紅外線輻射溫度計(jì)返本章目錄返本節(jié)目錄

3.紅外氣體分析儀6.2光纖傳感器

6.2.1

光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理6.2.2

光纖傳感器的分類返本章目錄6.2.3

光纖傳感器的應(yīng)用6.2光纖傳感器光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣和防爆性好、易與微機(jī)連接及便于遙測(cè)等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等各種物理量的測(cè)量，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.1光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

1．光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結(jié)構(gòu)如圖6-10所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層，纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.1光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

2．光纖的傳輸原理光在空間是直線傳播的，在光纖中，光的傳輸被限制在光纖中傳送到很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。若要在界面上發(fā)生全反射，則入射到纖芯端面的光線入射角θi應(yīng)小于臨界角θc,即θ≤θc（）式中n1——纖芯的折射率；

n2——包層的折射率。返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.1光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

3．電光與光電轉(zhuǎn)換器件光纖兩端必須與光發(fā)射器和光接收器匹配。光發(fā)射器實(shí)現(xiàn)從電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通常使用的元件是發(fā)光二極管（LED）或激光二極管（IED）。返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.2光纖傳感器的分類

光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振方向等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)被調(diào)制過的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。非功能型傳感器是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，由光纖將信息傳送到二次儀表去。在這種傳感器系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的傳感器和光纖結(jié)合起來，大大提高了傳輸過程中的抗電磁干擾能力，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)和遠(yuǎn)距離傳輸。但光纖在傳感器測(cè)量系統(tǒng)中僅起信號(hào)傳輸作用

返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.2光纖傳感器的分類

1．強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是應(yīng)用較多的光纖傳感器，它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可靠性高，但靈敏度稍低，目前許多已達(dá)到商品化的階段。（1）反射式（2）遮光式（3）吸收式（4）微彎式（5）接收光輻射式（6）熒光激勵(lì)式大部分強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器都屬于傳光型，對(duì)光纖的要求不高，但希望耦合進(jìn)入光纖的光強(qiáng)盡量大些，所以一般選用較粗芯徑的多模光纖，甚至可以使用塑料光纖。強(qiáng)度調(diào)制式光纖傳感器的信號(hào)檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單。返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.2光纖傳感器的分類

2．相位調(diào)制型光纖傳感器某些被測(cè)量作用于光纖時(shí)，將引起光纖中光的相位發(fā)生變化。由于光的相位變化難以用光電元件直接檢測(cè)出來，因此通常要利用光的干涉效應(yīng)，將光相位的變化量轉(zhuǎn)換成光干涉條紋的變化來檢測(cè)，所以相位調(diào)制型光纖傳感器有時(shí)又稱為干涉型光纖傳感器。返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.3光纖傳感器的應(yīng)用1．光纖液位傳感器光纖液位傳感器是利用強(qiáng)度調(diào)制型光纖反射式原理制成的當(dāng)球形端面與液體接觸時(shí)，因?yàn)橐后w的折射率比空氣大，通過球形端面的光透射量增加而反射量減少，由后續(xù)電路判斷反光量是否少于閾值，就可判斷傳感器是否與液體接觸。返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.3光纖傳感器的應(yīng)用2．光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是利用強(qiáng)度調(diào)制型光纖熒光激勵(lì)式原理制成的返本章目錄返本節(jié)目錄6.2.3光纖傳感器的應(yīng)用3．光纖壓力傳感器按光強(qiáng)度調(diào)制原理制成被測(cè)力——膜片向內(nèi)彎曲——光纖與膜片間的氣隙減小——棱鏡與光吸收層之間的氣隙發(fā)生改變——棱鏡界面上全內(nèi)反射的局部破壞——部分光離開棱鏡的上界面，進(jìn)入吸收層并被吸收——反射回接收光纖的光強(qiáng)減小。返本章目錄返本節(jié)目錄6.3激光式傳感器

6.3.1

激光式傳感器的工作原理6.3.2

激光器的種類返本章目錄6.3.3

激光傳感器的應(yīng)用激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但他們都是將外來的能量（電能、熱能和光能等）轉(zhuǎn)化為一定波長的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路組成。6.3.1激光式傳感器的工作原理

1．激光的本質(zhì)光的放大和吸收過程返本章目錄返本節(jié)目錄6.3.1激光式傳感器的工作原理

2．激光的特點(diǎn)（1）高方向性高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達(dá)到幾分甚至更小，所以通常稱激光是平行光。（2）高亮度激光在單位面積上集中的能量很高。（3）高單色性單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。用λ表示波長，Δλ表示譜線寬度，則Δλ越小，單色性越好。（4）高相干性相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。返本章目錄返本節(jié)目錄6.3.2激光器的種類1．氣體激光器氣體激光器的工作物質(zhì)是氣體，其中有各種惰性氣體原子、金屬蒸氣、各種雙原子、多原子氣體和氣體離子等。氣體激光器通常是利用激光器中的氣體放電過程來進(jìn)行激勵(lì)的。光學(xué)共振腔一般由一個(gè)平面鏡和一個(gè)球面鏡構(gòu)成，球面鏡的半徑要比共振腔長大一些。返本章目錄返本節(jié)目錄6.3.2激光器的種類2．固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石（摻鉻）、釹玻璃（摻釹）和釔鋁石榴石（摻釔）。固體激光器的常用激勵(lì)方式是光激勵(lì)（簡(jiǎn)稱光泵），也就是用強(qiáng)光去照射工作物質(zhì)（一般為棒狀，安裝在光學(xué)共振腔中，其軸線與兩個(gè)反光鏡相垂直），使之激發(fā)起來，從而發(fā)出激光。返本章目錄返本節(jié)目錄6.3.2激光器的種類3．半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是某些性能合適的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵、砷磷化鎵和磷化銦等。其中砷化鎵應(yīng)用最廣，將它做成二級(jí)管形式，其主要部分是一個(gè)PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的效率較高，可達(dá)60%~70%，甚至更高。但其缺點(diǎn)是，激光的方向性比較差、輸出功率比較小和受溫度影響比較大等。返本章目錄返本節(jié)目錄6.3.3激光傳感器的應(yīng)用

激光具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性的特點(diǎn)，應(yīng)用于測(cè)量和加工等方面，可以實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)遠(yuǎn)距離的測(cè)量，而且速度高、精度高、測(cè)量范圍廣、抗光電干擾能力強(qiáng)。返本章目錄返本節(jié)目錄6.3.3激光傳感器的應(yīng)用

1．長度檢測(cè)返本章目錄返本節(jié)目錄6.3.3激光傳感器的應(yīng)用

2．測(cè)量車速測(cè)速的基本原理如下：當(dāng)汽車行駛的速度為v時(shí)，測(cè)出其行駛時(shí)切割相距1m的兩束激光的時(shí)間間隔t，即可算出車速。采用計(jì)數(shù)顯示，在主振蕩器頻率f=100Hz情況下，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為N時(shí)，車速v的表達(dá)式可寫成返本章目錄返本節(jié)目錄6.4圖像傳感器

6.4.1熱成像技術(shù)6.4.2電荷耦合器件返本章目錄圖像傳感器的種類很多，根據(jù)圖像分解的方式，可分成三種類型，即電子束掃描圖像傳感器、光-機(jī)掃描成像傳感器、固態(tài)自掃描圖像傳感器。6.4.1熱成像技術(shù)熱成像技術(shù)是在紅外檢測(cè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的圖像傳感器技術(shù)。熱電成像傳感器主要由熱電元件和掃描機(jī)構(gòu)等組成。熱電成像傳感器可以檢測(cè)到常規(guī)光電傳感器無法響應(yīng)的中、遠(yuǎn)紅外信號(hào)，并得到發(fā)熱物體的圖像（熱像）。熱成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、輸變電、化工等許多領(lǐng)域。返本章目錄返本節(jié)目錄6.4.1熱成像技術(shù)1．紅外熱像的基本知識(shí)發(fā)熱的物體，由于能主動(dòng)發(fā)出紅外線，經(jīng)過透鏡系統(tǒng)，也可以在特殊的屏幕上看到影像，這種成像稱為熱像。發(fā)熱的物體，由于能主動(dòng)發(fā)出紅外線，經(jīng)過透鏡系統(tǒng)，也可以在特殊的屏幕上看到影像，這種成像稱為熱像。紅外探測(cè)器可將物體輻射的紅外功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并在計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)的顯示屏上獲得與物體表面熱分布相對(duì)應(yīng)的熱像圖。返本章目錄返本節(jié)目錄6.4.1熱成像技術(shù)2．熱成像元件熱成像元件有熱釋電元件探測(cè)器及紅外光子探測(cè)器。（1）熱釋電元件探測(cè)器當(dāng)某些電介質(zhì)晶體的溫度發(fā)生變化時(shí)，其表面將產(chǎn)生電荷的變化。如果在這種具有熱釋電效應(yīng)的晶體上下兩個(gè)端面鍍覆一對(duì)電極，就構(gòu)成熱釋電元件。（2）紅外光子探測(cè)器紅外光子探測(cè)器是利用紅外光子與探測(cè)器物質(zhì)中的電子相互作用的原理制成的，特定波段的紅外光子探測(cè)器所使用的材料各不相同。返本章目錄返本節(jié)目錄6.4.1熱成像技術(shù)3．熱成像傳感器分類根據(jù)圖像信號(hào)的分解方式，可將熱成像傳感器分成熱釋電攝像管及紅外焦平面熱像儀兩大類。（1）熱釋電攝像管熱釋電攝像管類似于電視攝像管，主要由機(jī)械斬光器、物鏡、靶面和電子槍四部分組成。被測(cè)物體通過物鏡，成像在攝像管的靶面上，以熱電位分布的方式將目標(biāo)物體的熱像保留在靶面上。（2）紅外焦平面熱像儀紅外焦平面熱像儀又稱凝視型熱像儀，在如圖郵票大小的芯片上，集成了數(shù)十萬個(gè)乃至數(shù)百萬個(gè)探測(cè)器及其信號(hào)放大處理電路。返本章目錄返本節(jié)目錄6.4.1熱成像技術(shù)4．熱成像傳感器的應(yīng)用熱成像傳感器廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。熱成像儀能透過煙塵、云霧、小雨及樹叢等許多自然或人為的偽裝來看清目標(biāo)。紅外熱像儀在汽車工業(yè)方面可用于診斷汽缸和冷卻系統(tǒng)的故障；在電氣設(shè)備中可用于診斷集成電路、電氣接頭的過熱；在食品加工、保存方面，可用于檢查加熱或儲(chǔ)存溫度是否均勻；在發(fā)電行業(yè)，可以對(duì)鍋爐保溫部分、蒸汽管道、熱風(fēng)管道、發(fā)動(dòng)機(jī)、變壓器等進(jìn)行溫度監(jiān)控。在醫(yī)學(xué)方面，醫(yī)用紅外熱像診斷儀可以通過吸收人體表面散發(fā)出的紅外線，由計(jì)算機(jī)整理、量化后，在屏幕上形成彩色溫度圖像返本章目錄返本節(jié)目錄6.4.2電荷耦合器件電荷耦合器件（CCD）是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（M