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(zhǎng)紅外傳感器中主要應(yīng)用波長(zhǎng)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(gè)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(qiáng)。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(duì)黑體模型等，常用于實(shí)驗(yàn)室中紅外標(biāo)準(zhǔn)輻射源，包括絕對(duì)黑體模型等，常用于實(shí)驗(yàn)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(cè)的輻射源，包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)紅外裝置或系統(tǒng)需要探測(cè)的輻射源，包括飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)殼或尾噴管的輻射、彈道火箭、航天飛機(jī)、人造地球衛(wèi)星、殼或尾噴管的輻射、彈道火箭、航天飛機(jī)、人造地球衛(wèi)星、機(jī)動(dòng)車輛和人體等。機(jī)動(dòng)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(cè)器、信號(hào)調(diào)理電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(cè)器熱探測(cè)器； 另一類是利用各種光子效應(yīng)光子效應(yīng)的光子探測(cè)器光子探測(cè)器，即入射到探

4、測(cè)器上的紅外輻射能以光子的形式與光電探測(cè)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(cè)器紅外探測(cè)器(紅外線紅外線 電信號(hào)電信號(hào))1 熱探測(cè)器熱探測(cè)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(hào)。換為電信號(hào)。 紅外線紅外線 熱（溫度）熱（溫度） 電信號(hào)電信號(hào) 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(cè)器熱敏電阻型探測(cè)器 熱敏電阻紅外探測(cè)器如圖熱敏電阻紅外探測(cè)器如圖8-70所示。圖圖8-70 熱敏電阻紅外探測(cè)器熱敏電阻紅外探測(cè)器（a）結(jié)構(gòu)；（）結(jié)構(gòu)；（b）橋式測(cè)量電

5、路）橋式測(cè)量電路12.1 紅紅 外外 傳傳 感感 器器 (2)熱釋電型探測(cè)器熱釋電型探測(cè)器 熱釋電效應(yīng)：若使某些強(qiáng)電介質(zhì)的表面溫度發(fā)熱釋電效應(yīng)：若使某些強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生電荷的變化，生變化，在這些物質(zhì)表面上就會(huì)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(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，不能測(cè)靜態(tài)信熱釋電紅外光敏元件只能測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)，不能測(cè)靜態(tài)信號(hào)，入射光必須調(diào)制成脈沖光進(jìn)行檢測(cè)。號(hào)，入射光必須調(diào)制成脈沖光進(jìn)行檢測(cè)。 熱釋電紅外光敏元件內(nèi)阻極高（可達(dá)熱釋電紅外光敏元件內(nèi)阻極高（可達(dá)1013 ），輸出電），輸出電壓極其微弱，則須進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大才能應(yīng)用，測(cè)壓極其微弱，則須進(jìn)行阻抗變換和信號(hào)放大才能應(yīng)用，測(cè)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(zhǎng)長(zhǎng) 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(cè)器光子探測(cè)器 光子探測(cè)器就是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光照射下，光子探測(cè)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(cè)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(cè)量其電學(xué)性質(zhì)的變化，達(dá)到測(cè)量紅外輻射強(qiáng)弱的目的。學(xué)性質(zhì)的變化，達(dá)到測(cè)量紅外輻射強(qiáng)弱的目的。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：靈敏度高；響應(yīng)快；探測(cè)波段窄；需在低溫下工靈敏度高；響應(yīng)快；探測(cè)波段窄；需在低溫下工作。作。 分類：分類： 外光電探測(cè)器（外光電探測(cè)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(cè)器，光電導(dǎo)探測(cè)器（內(nèi)光電探測(cè)器，光電導(dǎo)探測(cè)器（PC器件），光生伏特器件），光生伏特探測(cè)器（探測(cè)器（PU器件），光磁電探測(cè)器（器件），光磁電探測(cè)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(zhǎng)長(zhǎng)，溫度高的物體輻射的紅外線波長(zhǎng)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(dòng)植物、人體等都是紅外輻射源，但發(fā)射的紅外波長(zhǎng)不同。紅外感應(yīng)實(shí)際就是根據(jù)物體因表面溫度不同會(huì)發(fā)出不同波段的紅外光這一特性進(jìn)行檢測(cè)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(bào)警、自動(dòng)門、自動(dòng)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(bào)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(gè)極性相反的熱釋電元件反向串聯(lián)。當(dāng)移動(dòng)物體發(fā)射的紅外線進(jìn)入透鏡的監(jiān)視范圍時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交替的“盲區(qū)”和“高敏感區(qū)”，使傳感器的兩個(gè)反向串

11、聯(lián)的熱釋電元件輪流感受到運(yùn)動(dòng)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(hào)。若物體靜止不動(dòng)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(hào)將相互抵消，它會(huì)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(cè)溫紅外測(cè)溫 儀儀 特點(diǎn)：特點(diǎn)：應(yīng)用廣，適合于遠(yuǎn)距離和非接觸測(cè)量，特別適合應(yīng)用廣，適合于遠(yuǎn)距離和非接觸測(cè)量，特別適合于高速運(yùn)動(dòng)體、帶電體、高溫、高壓物體的溫度測(cè)量；響于高速運(yùn)動(dòng)體、帶電體、高溫、高壓物體的溫

12、度測(cè)量；響應(yīng)快；靈敏度高；準(zhǔn)確度高（可達(dá)應(yīng)快；靈敏度高；準(zhǔn)確度高（可達(dá)0.1）；測(cè)溫范圍寬）；測(cè)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(cè)溫工作原理分：全輻射測(cè)溫；亮度測(cè)溫；比色測(cè)按測(cè)溫工作原理分：全輻射測(cè)溫；亮度測(cè)溫；比色測(cè)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(cè)溫儀：紅外測(cè)溫儀： 紅外測(cè)溫儀基本結(jié)構(gòu)如圖紅外測(cè)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(cè)器、放大器和指示器等組成。制器、探測(cè)器、放大器和指示器等組成。圖8-74 紅外測(cè)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(duì)紅外線具有選擇性吸氣體對(duì)紅外線具有選擇性吸收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的。收的特性來對(duì)氣體成分進(jìn)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(duì)波長(zhǎng)為氣體對(duì)波長(zhǎng)為4.3 m的紅外輻射有強(qiáng)烈的吸收特性進(jìn)行測(cè)量分析的，它主要的紅外輻射有強(qiáng)烈的吸收特性進(jìn)行測(cè)量分析的，它主要用來測(cè)量、分