傳感檢測(cè)技術(shù)

1、 傳感技術(shù)與智能儀器傳感技術(shù)與智能儀器Sensing Technology and Intelligent Instrument 朱啟兵朱啟兵2/48傳感技術(shù)與智能儀器傳感技術(shù)與智能儀器第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)紅外檢測(cè)紅外檢測(cè)1.2超聲檢測(cè)超聲檢測(cè)13.113.2激光檢測(cè)激光檢測(cè)13.3微波檢測(cè)微波檢測(cè)13.43/4813.1.1 超聲波傳感器的工作原理 13.1.2 超聲波傳感器的應(yīng)用 第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波傳感器4/4813.1.1 超聲波傳感器的工作原理第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)1. 超聲波及其物理性質(zhì)超聲波及其物理性質(zhì)波動(dòng)（簡(jiǎn)稱波）：振動(dòng)在彈性

2、介質(zhì)內(nèi)的傳播聲波：其頻率在162104 Hz之間，能為人耳所聞的機(jī)械波次聲波：低于16 Hz的機(jī)械波超聲波：高于2104 Hz的機(jī)械波微波：頻率在310831011 Hz之間的波5/48圖13.1 聲波的頻率界限圖 第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)6/48超聲波的波型 超聲波的傳播速度 超聲波的反射和折射 超聲波的衰減 第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)2. 超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換7/48縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的 波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播； 橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播； 表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之

3、間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形（其長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向）。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ?第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波的波型8/48 縱波、橫波及表面波的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度。氣體和液體中只能傳播縱波，其中氣體中的聲速為344m/s，液體中聲速在9001900m/s。在固體中，縱波、橫波和表面波三者的聲速成一定關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波聲速的一半，表面波聲速約為橫波聲速的90。 gB1c第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波的傳播速度)2-1)(1-1 Ec氣體和液體氣體和液體

4、固體固體9/48圖13.2 超聲波的反射和折射 112212sinsinsinsinsinLSLSLCCCCC第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)超聲波的反射和折射和波形轉(zhuǎn)換10/48 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：xxeII20 xxePP0式中: xP、 xI 聲波在距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)； x0P、 0I 聲波在聲源處的聲壓和聲強(qiáng)； x 聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)。 超聲波的衰減和超聲波的頻率和材料的介質(zhì)密度有關(guān)。和超聲波的頻率和材料的介質(zhì)密度有關(guān)。第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)固體和液體的介質(zhì)密度大，故衰減也大。

5、頻率高，衰減也大固體和液體的介質(zhì)密度大，故衰減也大。頻率高，衰減也大11/48壓電式超聲波傳感器 磁致伸縮式超聲波傳感器 13.1.2 超聲波傳感器的工作原理第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)12/48 壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應(yīng)的原理將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于壓電材料的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，此時(shí)產(chǎn)生的超聲波最強(qiáng)。 壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。當(dāng)超聲波作用到壓電晶片上時(shí)引起晶片伸縮，在晶片的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉(zhuǎn)換成電壓經(jīng)放大后送到測(cè)量電路

6、，最后記錄或顯示出來。 壓電式超聲波傳感器第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)13/48圖13.3 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)壓電式超聲波發(fā)生器可以產(chǎn)生幾十kHz到幾十MHz的高頻超聲波，產(chǎn)生的聲強(qiáng)可達(dá)幾十Wcm2。14/48 磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)原理來工作的。磁致伸縮式超聲波發(fā)生器是把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中，使它產(chǎn)生機(jī)械尺寸的交替變化即機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生出超聲波。磁致伸縮式超聲波接收器的原理是：當(dāng)超聲波作用在磁致伸縮材料上時(shí)，引起材料伸縮，從而導(dǎo)致它的內(nèi)部磁場(chǎng)（即導(dǎo)磁特性）發(fā)生改變。根據(jù)電磁感應(yīng)，磁致伸縮材料上所繞的線圈里便獲

7、得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此電勢(shì)送到測(cè)量電路，最后記錄或顯示出來。 磁致伸縮式超聲波傳感器第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)磁致伸縮超聲波發(fā)生器只能用在幾萬Hz的頻率范圍以內(nèi)，但功率可達(dá)十萬W，聲強(qiáng)可達(dá)幾千Wcm2，能耐較高的溫度。15/48超聲波測(cè)厚 超聲波測(cè)物位 超聲波測(cè)流量 超聲波探傷 第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)13.1.2 超聲波傳感器的應(yīng)用16/48圖13.4 脈沖回波法檢測(cè)厚度工作原理第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)1 2hct17/48(d) (c) (b) (a) 圖13.5 幾種超聲波檢測(cè)物位工作原理 超聲波測(cè)物位液體中有其他成分的存在及溫度的不均勻都會(huì)使超聲波速度發(fā)生變

8、化，引起測(cè)量的誤差，故在精密測(cè)量時(shí)，要考慮采取補(bǔ)償措施第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)18/48 超聲波測(cè)量流體流量是利用超聲波在流體中傳輸時(shí)，在靜止流體和流動(dòng)流體中的傳播速度不同的特點(diǎn)，從而求得流體的流速和流量。時(shí)差法測(cè)流量時(shí)差法測(cè)流量 相位差法測(cè)流量 頻率差法測(cè)流量 圖13.6 超聲波測(cè)流體流量工作原理 超聲波測(cè)流量第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)19/48穿透法探傷： 穿透法探傷是根據(jù)超聲波穿透工件后能量的變化情況來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量。 反射法探傷： 反射法探傷是根據(jù)超聲波在工件中反射情況的不同來探測(cè)工件內(nèi)部是否有缺陷。它又分為一次脈沖反射法和多次脈沖反射法兩種。超聲波探傷第第13

9、章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)20/48優(yōu)點(diǎn)：指示簡(jiǎn)單，適用于自動(dòng)探傷；可避免盲區(qū)，適宜探測(cè)薄板。缺點(diǎn)：探測(cè)靈敏度較低，不能發(fā)現(xiàn)小缺陷；根據(jù)能量的變化可判斷有無缺陷，但不能定位；對(duì)兩探頭的相對(duì)位置要求較高。 圖13.7 穿透法探傷原理 穿透法探傷第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)當(dāng)工件內(nèi)有缺陷時(shí)，因部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個(gè)變化，就可以把工件內(nèi)部缺陷檢測(cè)出來。21/48圖13.8 一次脈沖反射法探傷原理 一次脈沖反射法第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)由缺陷波的幅度，可判斷缺陷大??；由缺陷波的形狀，可分析缺陷的性質(zhì)。當(dāng)缺陷面積大于聲束截面時(shí)，聲波全部由缺陷處反射回來，

10、熒光屏上只有T、F波，沒有B波。當(dāng)工件無缺陷時(shí)，熒光屏上只有T、B波，沒有F波。22/48圖13.9 多次脈沖反射法探傷原理 第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)多次脈沖反射法23/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)13.2 紅外傳感器紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的傳感器。名稱聲波無線電波紅外線可見光紫外線X射線 射線頻率波長 104 Km10 Km1 Km1 m1cm 1mm1 m 1 nm0.1 nm310-1 31023105 3108 31010 31011 31014 31017 31018 31021紅外線。它的波長范圍大致在0.761000 m。

11、工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分， 即近紅外、中紅外、 遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。24/48紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的。這類振動(dòng)過程是物體受熱而引起的，只有在絕對(duì)零度(-273.16)時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。所以在絕對(duì)零度時(shí)，沒有一種物體會(huì)發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度（273），就會(huì)向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個(gè)物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來實(shí)現(xiàn)的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。另一方面，紅外線

12、被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長。由此在工業(yè)上和軍事上根據(jù)需要有選擇地接收某一范圍的波長，就可以達(dá)到測(cè)量的目的。 紅外線作為電磁波的一種形式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長的乘積 。一、紅外輻射第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)25/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)1希爾霍夫定律希爾霍夫定律 希爾霍夫定律指出一個(gè)物體向周圍輻射熱能的同時(shí)也希爾霍夫定律指出一個(gè)物體向周圍輻射熱能的同時(shí)也吸收周圍物體的輻射能。如果幾個(gè)物體處于同一溫度場(chǎng)

13、中，吸收周圍物體的輻射能。如果幾個(gè)物體處于同一溫度場(chǎng)中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng),這就是希爾霍夫這就是希爾霍夫定律?？捎孟旅婀奖硎荆憾??？捎孟旅婀奖硎荆?EraE0，式中：式中：Er 物體在單位面積和單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來的輻物體在單位面積和單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出來的輻射能；射能； a 該物體對(duì)輻射能的吸收系數(shù)；該物體對(duì)輻射能的吸收系數(shù)； E0 等價(jià)于黑體在相同溫度下發(fā)射的能量，它是等價(jià)于黑體在相同溫度下發(fā)射的能量，它是常數(shù)。常數(shù)。 黑體是在任何溫度下全部吸收任何波長輻射的物體，黑體是在任何溫度下全部吸收任何波長輻射的物體，黑體的吸收本領(lǐng)與波長和溫度

14、無關(guān)，即黑體的吸收本領(lǐng)與波長和溫度無關(guān)，即a1。黑體吸收本。黑體吸收本領(lǐng)最大，加熱后，它的發(fā)射熱輻射也比任何物體都要大，領(lǐng)最大，加熱后，它的發(fā)射熱輻射也比任何物體都要大，紅外輻射的基本定律紅外輻射的基本定律26/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)2.斯蒂芬-玻爾茨曼(Stefan-Boltzmann)定律 即：物體輻射強(qiáng)度 W 與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比 4WTes=式中：W單位面積輻射功率，Wm； 斯蒂芬-玻爾茨曼常數(shù)，5.6710-8Wm-2K-4； T 熱力學(xué)溫度，K； 比輻射率（非黑體輻射度/黑體輻射度）。 27/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)任何溫度下能全部吸收任何

15、波長輻射的物體稱為黑體，即1黑體的熱輻射能力比其他物體強(qiáng)一般物體的1，即：不能全部吸收投射到它表面的輻射功率，發(fā)射熱輻射的能力也小于黑體，稱為灰體黑體是理想物體一般物體雖不等于黑體，但輻射強(qiáng)度與熱力學(xué)溫度的四次方成正比物體輻射強(qiáng)度隨溫度升高而明顯地增強(qiáng) 28/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù) max2898/ ()Tmlm=29/48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)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。 第第13章傳

16、感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)二、二、 紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器30/48 1. 熱探測(cè)器熱探測(cè)器 熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：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。 第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長，約10-3s量級(jí)。任何波長的紅外輻射，只要功率相同，對(duì)物體的加熱效果也相同熱敏探測(cè)器對(duì)各種輻射波長有基本相同的響應(yīng)，光譜響應(yīng)曲線平坦，響應(yīng)波段寬測(cè)量波長范圍內(nèi)靈敏度基本不變，且能在常溫下工作 也稱“無選擇性紅外探測(cè)器” 31/48 熱探測(cè)器主

17、要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高， 頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測(cè)器倍受重視，發(fā)展很快。 第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)32/48光子探測(cè)器是一種半導(dǎo)體器件，其核心是光敏元件光子投射到光敏元件上時(shí)，促使電子-空穴對(duì)分離 產(chǎn)生電信號(hào)光電效應(yīng)產(chǎn)生速度很快光電探測(cè)器對(duì)紅外輻射的響應(yīng)時(shí)間要比熱敏探測(cè)器快得多 最短可達(dá)納秒 2. 光子探測(cè)器光子探測(cè)器第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)33/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)光子探測(cè)器的波長范圍一般不變對(duì)波長的響應(yīng)率存在峰值p，超過p時(shí)響應(yīng)曲線迅速截止 圖中曲線2 原因是在大于一定波長的

18、范圍內(nèi)，光子儲(chǔ)量不足以激發(fā)電子的釋出，電活性消失光子探測(cè)器以光子為單元起作用光子探測(cè)器必須在低溫下才能工作34/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù) 紅外探測(cè)器的基本參數(shù)紅外探測(cè)器的基本參數(shù)(為了便于設(shè)計(jì)和選用為了便于設(shè)計(jì)和選用) 紅外探測(cè)器主要技術(shù)參數(shù)有下列幾項(xiàng)：紅外探測(cè)器主要技術(shù)參數(shù)有下列幾項(xiàng)： (1)響應(yīng)率響應(yīng)率 所謂紅外探測(cè)器的響應(yīng)率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比所謂紅外探測(cè)器的響應(yīng)率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比 式中式中 r 響應(yīng)率響應(yīng)率(V/W)；U0 輸出電壓輸出電壓(V)；P 紅外輻射功率紅外輻射功率(W)。PUr0 (2) 響應(yīng)波長范圍響應(yīng)波長范圍 紅外

19、探測(cè)器的響應(yīng)率與入射輻射的波紅外探測(cè)器的響應(yīng)率與入射輻射的波長有一定的關(guān)系，如右圖所示。曲線長有一定的關(guān)系，如右圖所示。曲線為為熱敏探測(cè)器的特性。熱敏紅外探測(cè)器響應(yīng)熱敏探測(cè)器的特性。熱敏紅外探測(cè)器響應(yīng)率率r與波長與波長無關(guān)。光電探測(cè)器的分譜響應(yīng)無關(guān)。光電探測(cè)器的分譜響應(yīng)如圖中曲線如圖中曲線所示。所示。 P對(duì)應(yīng)響應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)響應(yīng)峰值rP，rP /2于對(duì)應(yīng)為截止于對(duì)應(yīng)為截止波長波長c。 35/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù) (3) 噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP) 若投射到探測(cè)器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測(cè)器本身若投射到探測(cè)器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測(cè)器

20、本身的噪聲電壓，這個(gè)輻射功率就叫做噪聲等效功率的噪聲電壓，這個(gè)輻射功率就叫做噪聲等效功率(NEP)。噪聲等效功率是一個(gè)。噪聲等效功率是一個(gè)可測(cè)量的量?？蓽y(cè)量的量。 設(shè)入射輻射的功率為設(shè)入射輻射的功率為P，測(cè)得的輸出電壓為，測(cè)得的輸出電壓為U0，然后除去輻射源，測(cè)得探測(cè)，然后除去輻射源，測(cè)得探測(cè)器的噪聲電壓為器的噪聲電壓為UN，則按比例計(jì)算，要使，則按比例計(jì)算，要使U0UN，的輻射功率為，的輻射功率為rUUUPNN0NEP(4)響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 紅外探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間就是加入或去掉輻射源的響應(yīng)速度響應(yīng)時(shí)間，紅外探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間就是加入或去掉輻射源的響應(yīng)速度響應(yīng)時(shí)間，而且加入或去掉輻射源的響應(yīng)速度響

21、應(yīng)時(shí)間相等。紅外探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間而且加入或去掉輻射源的響應(yīng)速度響應(yīng)時(shí)間相等。紅外探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間是比較短的。是比較短的。36/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù) 反射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測(cè)器一反射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測(cè)器一般由四面玻璃反射鏡組成，其表面鍍般由四面玻璃反射鏡組成，其表面鍍金、鋁和鎳鉻等紅外波段反射率很高金、鋁和鎳鉻等紅外波段反射率很高的材料構(gòu)成反射式光學(xué)系統(tǒng)。為了減的材料構(gòu)成反射式光學(xué)系統(tǒng)。為了減小像差或使用上的方便，常另加一片小像差或使用上的方便，常另加一片次鏡，使目標(biāo)輻射經(jīng)兩次反射聚焦到次鏡，使目標(biāo)輻射經(jīng)兩次反射聚焦到敏感元件上，敏感元件與透鏡組一體敏感元件上，敏感元件與透

22、鏡組一體前置放大器接收熱電轉(zhuǎn)換、后的電信前置放大器接收熱電轉(zhuǎn)換、后的電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大。號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大。 透射式紅外探測(cè)器的部件用紅外光學(xué)材料做成，不同的紅外光波長應(yīng)選用不透射式紅外探測(cè)器的部件用紅外光學(xué)材料做成，不同的紅外光波長應(yīng)選用不同的光學(xué)材料。例如，在測(cè)量同的光學(xué)材料。例如，在測(cè)量700以上的高溫時(shí)以上的高溫時(shí)( (波長多為波長多為7503000nm范圍內(nèi)范圍內(nèi)近紅外光近紅外光) )，一般用光學(xué)玻璃和石英等材料作透鏡材料；測(cè)量，一般用光學(xué)玻璃和石英等材料作透鏡材料；測(cè)量100700 范圍的范圍的溫度時(shí)溫度時(shí)( (多為多為35m的中紅外光的中紅外光) )，多用氟化鎂、氧化鎂等熱敏

23、材料；測(cè)量，多用氟化鎂、氧化鎂等熱敏材料；測(cè)量100 以下的溫度以下的溫度( (波長為波長為514m的中遠(yuǎn)紅外光的中遠(yuǎn)紅外光) )，多采用鍺、硅、硫化鋅等熱做材料。，多采用鍺、硅、硫化鋅等熱做材料。除近紅外光外，獲取透射紅外光的光學(xué)材料一般比較困難，反射式光學(xué)系統(tǒng)可避除近紅外光外，獲取透射紅外光的光學(xué)材料一般比較困難，反射式光學(xué)系統(tǒng)可避免這一困難。免這一困難。 紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)紅外探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)37/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)紅外探測(cè)器的應(yīng)用紅外探測(cè)器的應(yīng)用 紅外探測(cè)器應(yīng)用可以用于非接觸式的溫度測(cè)量，氣體成分分析，無損探紅外探測(cè)器應(yīng)用可以用于非接觸式的溫度測(cè)量，氣體成分分析

24、，無損探傷，熱像檢測(cè)，紅外遙感以及軍事目標(biāo)的偵察、搜索、跟蹤和通信等。紅外傷，熱像檢測(cè)，紅外遙感以及軍事目標(biāo)的偵察、搜索、跟蹤和通信等。紅外傳感器的應(yīng)用前景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)更加廣闊。傳感器的應(yīng)用前景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)更加廣闊。 1紅外氣體分析儀紅外氣體分析儀 根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對(duì)氣體成分進(jìn)行分析。例根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對(duì)氣體成分進(jìn)行分析。例如，二氧化碳對(duì)于波長為如，二氧化碳對(duì)于波長為2.7m、4.33m和和14.5m紅外光吸收相當(dāng)強(qiáng)烈，并紅外光吸收相當(dāng)強(qiáng)烈，并且吸收譜相當(dāng)?shù)膶?，即存在吸收且吸收譜相當(dāng)?shù)膶挘创嬖谖諑?。根?jù)實(shí)驗(yàn)分析

25、，只有帶。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，只有4.33m吸收帶不受大氣中吸收帶不受大氣中其他成分影響，因此可以其他成分影響，因此可以利用這個(gè)吸收帶來判別大利用這個(gè)吸收帶來判別大氣中的氣中的CO2的含量。二氧化的含量。二氧化碳對(duì)紅外光的透射光譜如碳對(duì)紅外光的透射光譜如右圖所示。右圖所示。38/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)測(cè)量時(shí)，使待測(cè)氣體連續(xù)流過樣品室，參比室里充滿不含測(cè)量時(shí)，使待測(cè)氣體連續(xù)流過樣品室，參比室里充滿不含CO2的氣體（或的氣體（或CO2含量已知的氣體）。紅外光源發(fā)射的含量已知的氣體）。紅外光源發(fā)射的紅外光分成兩束光經(jīng)反射鏡反射到樣品室和參比室，經(jīng)反紅外光分成兩束光經(jīng)反射鏡反射到樣品室和參

26、比室，經(jīng)反射鏡系統(tǒng)，這兩束光可以通過中心波長為射鏡系統(tǒng)，這兩束光可以通過中心波長為4.33m的紅外的紅外光濾色片投射到紅外敏感元件上。由于斬光調(diào)制器的作用，光濾色片投射到紅外敏感元件上。由于斬光調(diào)制器的作用，敏感元件交替地接收通過樣品室和參比室的輻射。敏感元件交替地接收通過樣品室和參比室的輻射。39/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù) 2紅外無損探傷儀紅外無損探傷儀 紅外無損探傷儀可以用來檢查部件內(nèi)部缺陷，對(duì)部件結(jié)構(gòu)無任何損傷。例如，紅外無損探傷儀可以用來檢查部件內(nèi)部缺陷，對(duì)部件結(jié)構(gòu)無任何損傷。例如，檢查兩塊金屆板的焊接質(zhì)量，利用紅外輻射探傷儀能十分方便地檢查漏焊或缺焊；檢查兩塊金屆板的

27、焊接質(zhì)量，利用紅外輻射探傷儀能十分方便地檢查漏焊或缺焊；為了檢測(cè)金屬材料的內(nèi)部裂縫，也可利用紅外探傷儀。紅外無損探傷儀的工作原為了檢測(cè)金屬材料的內(nèi)部裂縫，也可利用紅外探傷儀。紅外無損探傷儀的工作原理如下圖所示。理如下圖所示。 將紅外輻射對(duì)金屬板進(jìn)行均勻照射，利用金屬對(duì)紅外輻射的吸收與縫隙將紅外輻射對(duì)金屬板進(jìn)行均勻照射，利用金屬對(duì)紅外輻射的吸收與縫隙( (含有含有某種氣體或真空某種氣體或真空) ) 對(duì)紅外輻射的吸收所存在的差異，可以探測(cè)出金屬斷裂空隙。對(duì)紅外輻射的吸收所存在的差異，可以探測(cè)出金屬斷裂空隙。 當(dāng)紅外輻射掃描器連續(xù)發(fā)射一定波長的紅外光通過金屬板時(shí)，在金屬板另一當(dāng)紅外輻射掃描器連續(xù)發(fā)射

28、一定波長的紅外光通過金屬板時(shí)，在金屬板另一側(cè)的紅外接收器也同時(shí)連續(xù)接收到經(jīng)過金屬板衰減的紅外光；如果金屬板內(nèi)部無側(cè)的紅外接收器也同時(shí)連續(xù)接收到經(jīng)過金屬板衰減的紅外光；如果金屬板內(nèi)部無斷裂，輻射掃描器在掃描過程中，紅外接收器收到的是等量斷裂，輻射掃描器在掃描過程中，紅外接收器收到的是等量的紅外輻射；如果金屬板內(nèi)部存的紅外輻射；如果金屬板內(nèi)部存在斷裂，紅外接收器在輻射掃描在斷裂，紅外接收器在輻射掃描器在掃描到斷裂處時(shí)所接收到的器在掃描到斷裂處時(shí)所接收到的紅外輻射值與其他地方不一致，紅外輻射值與其他地方不一致，利用圖像處形技術(shù)，就可以顯示利用圖像處形技術(shù)，就可以顯示出金屬板內(nèi)部缺陷的形狀。出金屬板內(nèi)

29、部缺陷的形狀。40/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)(3)輻射溫度計(jì) 根據(jù)維恩位移定律，物體峰值輻射波長根據(jù)維恩位移定律，物體峰值輻射波長m與物體的自身的絕對(duì)溫度與物體的自身的絕對(duì)溫度T成反成反比。即：比。即：只要測(cè)量出輻射體（源）的峰值輻射波長只要測(cè)量出輻射體（源）的峰值輻射波長m，即可推測(cè)出輻射體的溫度。，即可推測(cè)出輻射體的溫度。這種測(cè)溫手段的測(cè)溫范圍可達(dá)這種測(cè)溫手段的測(cè)溫范圍可達(dá)- -1703200；響應(yīng)速度；響應(yīng)速度可達(dá)幾個(gè)微秒；可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，不會(huì)破可達(dá)幾個(gè)微秒；可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，不會(huì)破壞溫度場(chǎng)，還可以測(cè)量幾百到上千壞溫度場(chǎng)，還可以測(cè)量幾百到上千Km之外物體的溫度。之外

30、物體的溫度。)(2897mTm 多用于800以上的高溫測(cè)量41/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)熱敏電阻接在電橋的一個(gè)橋臂上信號(hào)經(jīng)電橋轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)輸出，放大后進(jìn)行顯示或記錄光柵盤是兩塊扇形的光柵片定片和動(dòng)片動(dòng)片受光柵調(diào)制電路控制 按一定的頻率雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(光透過)和關(guān)(光不透過)，使入射光被調(diào)制成具有一定頻率的輻射信號(hào)作用于光敏探測(cè)器上紅外測(cè)溫裝置的測(cè)溫范圍為0700，時(shí)間常數(shù)為4ms8ms(4)紅外測(cè)溫 被測(cè)物的熱輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦在光柵盤上，被調(diào)制成一定頻率的光能入射到熱敏電阻探測(cè)器上42/48第第13章傳感檢測(cè)技術(shù)章傳感檢測(cè)技術(shù)（5）熱釋電紅外傳感器）熱釋電紅外傳感器常見熱釋電紅外傳感器的外形 熱釋電紅外傳感器是一種被動(dòng)式調(diào)制型熱釋電紅外傳感器是一種被動(dòng)式調(diào)制型溫度敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是溫度敏感器件，利用熱釋電效應(yīng)工作，它是通過目標(biāo)與背景的溫差來探測(cè)目標(biāo)的。其響通過目標(biāo)與背景的溫差來探測(cè)目標(biāo)的。其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬