非接觸式溫度檢測與傳感器課件

非接觸式溫度檢測

非接觸式溫度檢測

1非接觸式溫度檢測與傳感器一、紅外檢測概述及溫度檢測原理(39)二、被測物吸收光通量的應用實例（煙霧報警器56）三、被測物體反射光通量的應用實例(煙塵濁度監(jiān)測儀61

)四、被測物遮擋光通量的應用實例（75光電傳感器79)屬于：光電式傳感器溫度檢測…….檢測位置檢測非接觸式溫度檢測與傳感器一、紅外檢測概述及溫度檢測原理(392補充：光電式傳感器1、利用光學原理進行精密測量的技術:紅外光學原理紅外測溫儀，紅外雷達，紅外探測器光導纖維原理光纖通信光纖傳感器被測量改變光的強度、相位、頻率……補充：光電式傳感器1、利用光學原理進行精密測量的技術:3

1.外光電效應

一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定：E=hυ（2-1）式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)

υ——光的頻率（s-1）。所以光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。

1.外光電效應E=hυ（2-1）式4在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫光電子?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽?、光電倍增管等。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。5

2.內光電效應在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應稱為內光電效應。內光電效應又可分為以下兩類：（1）光電導效應#在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。（2）光生伏特效應在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應。基于該效應的光電器件有光電池。2.內光電效應6光電式傳感器1、利用光學原理進行精密測量的技術:幾何光學原理照相機;望遠鏡;顯微鏡干涉光學原理靜態(tài)干涉:測量面與參考面光波干涉條紋的分布與變形表面的微觀幾何形貌:干涉顯微鏡動態(tài)干涉：定點干涉條紋的移動量微尺寸、微位移：干涉測長儀激光全息干涉原理衍射光學原理光遇障礙物時傳播方向發(fā)生改變：微位移精密測量光電式傳感器1、利用光學原理進行精密測量的技術:7光電式傳感器特點頻譜寬：紫外～紅外；適應多維測量；非接觸測量,動態(tài)性能好；高精度,高分辨力應用檢測,控制領域光電式傳感器特點8光電式傳感器系統(tǒng)構成光源＋光路＋光電器件＋信號調理電路測量原理被測量光學量光電器件電量電流、電壓，或電導率物理基礎——光電效應，紅外技術，激光干涉原理，激光衍射原理，激光全息原理光電式傳感器系統(tǒng)構成92.光電器件作用:將光信息轉換為電信號光信息:光強度、光相位、光頻率電信號:電流、電壓、電阻分類：熱輻射探測器光子（光電發(fā)射）探測器2.光電器件作用:將光信息轉換為電信號102.1熱輻射探測器熱輻射探測原理任何物質溫度大于都會輻射紅外線；紅外線何以被物質吸收，使其溫度升高.光照射到溫度傳感器傳感器溫度升高電信號.對被測光的波長無選擇性.分類：測輻射熱電偶(熱電效應)測輻射熱敏電阻(熱電效應)熱釋電探測器(熱釋電效應)2.1熱輻射探測器熱輻射探測原理11(1)測輻射熱電偶原理:基于熱電效應；結構:與普通熱電偶相似,但熱端加一片黑體材料；黑體幾乎全部吸收照在其上的紅外輻射，并使熱電偶的熱端溫度升高，進而將紅外輻射轉換成熱電勢.電極A電極B黑體材料測輻射熱電偶測輻射熱電堆(1)測輻射熱電偶原理:基于熱電效應；電極A電極B黑體材料12(2)測輻射熱電阻原理:熱電效應結構:與普通熱電阻相似采用NTC負溫度系數(shù)緩變型熱敏電阻熱敏層表面涂以發(fā)黑材料，以增強吸熱效率(2)測輻射熱電阻原理:熱電效應13(3)熱釋電探測器熱釋電效應:一些鐵電材料,分子正負電荷中心不重合;部分電偶極距有序排列,外表面帶有一定電荷;光輻射照到材料上后,電偶極距有序排列減弱;材料表面電荷減少——釋放電荷從而將光輻射轉換成電荷.應用：防火、防盜、遙感、紅外測溫儀……(3)熱釋電探測器熱釋電效應:142.2光子探測器物理基礎：光電效應光具有波粒二象性：粒子說、波動說光子具有一定的能量布朗克常數(shù)，

f:光的頻率原理：光照射在物體上，光子的能量傳遞給電子，電子獲得能量動能增加，擺脫內部粒的束縛，成為自由電子。自由電子：逸出材料表面——外光電效應；在物體內參與導電——內光電效應；電導率發(fā)生變化——光電導效應；積累電荷——光生伏特效應.光能電能2.2光子探測器物理基礎：光電效應151.光電管結構：光電陰極＋陽極＋真空玻璃罩光電材料：銀氧銫\銻銫\鎂化鎘光光電陰極陽極(1)光電發(fā)射型I2.光電倍增管提高光電管的靈敏度由光電陰極＋若干個倍增極＋陽極＋真空玻璃罩極間電位依次升高.1.光電管光光電陰極陽極(1)光電發(fā)射型I2.光電倍增管16(2)光電導型(光敏電阻、光導管)半導體材料在光的作用下，電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光導效應結構與原理12345671--光導層2--玻璃窗口3--金屬外殼4--電極5--陶瓷基座6--黑色絕緣玻璃7--電阻引線mAI無光照時,半導體材料載流子極少,電阻很高(暗電阻),電路中無電流流過；有光照時,半導體中載流子劇增,電阻極劇下降(亮電阻),電路中有對應的電流產(chǎn)生.暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ■材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛(2)光電導型(光敏電阻、光導管)半導體材料在光的作用下，17EuA+-I(3)光電結型

(光敏二級管、光敏三極管)結構：與普通二極管和三極管相似，只是其PN結具有光敏特性.原理光敏二極管的PN結在電路中反向偏置;無光照時,結內僅有極少數(shù)載流子,回路中只有極小的反向飽和漏電流(暗電流10-8~10-9A),二極管方向截至;有光照時,結內激發(fā)大量的載流子,反向漏電流顯著增加(亮電流,與光照成正比).PN光敏二極管的光電流與光通量成線性關系，適應于光的檢測；動態(tài)性能好，響應速度快(<10μs)；但靈敏度低，溫度穩(wěn)定性差。EuA+-I(3)光電結型(光敏二級管、光敏18產(chǎn)生線上的自動計數(shù)V運輸帶產(chǎn)品圖2-16產(chǎn)生線上的自動計數(shù)發(fā)光二極管光電三極管產(chǎn)生線上的自動計數(shù)V運輸帶產(chǎn)品圖2-16產(chǎn)生線上的自動計19(4)光生伏特型(光電池)光生伏特效應某些半導體材料受光照時在一定方向產(chǎn)生電動勢具有光生伏特效應的器件被稱為光電池材料：硅(紅外)、硒(可見光)結構：由N型半導體(或金屬)與P型半導體組成的PN結(4)光生伏特型(光電池)光生伏特效應20(4)光生伏特型(光電池)硅光電池(太陽能電池)N型單晶硅片+P型薄層+電極PN結;N中電子向P中擴散，P中空穴向N中擴散;無光照時，載流子擴散形成阻擋層，阻止P中空穴的進一步擴散，動平衡；N型SiP型層PN結電極有光照時，PN結附近P型層中激發(fā)出電子空穴對，電子穿過阻擋層，積累在N型硅，空穴留在P型層中;兩電極間電場逐漸增強，直至電場足以抵制電荷的進一步漂移；當光強度一定時，電動勢達到動態(tài)平衡,相當于一個電池;連接兩級，由電流流過。N為負極，P為正極。硒光電池中，金屬板代替N型硅，原理相同(4)光生伏特型(光電池)硅光電池(太陽能電池)N型SiP21一、紅外檢測概述及溫度檢測原理紅外檢測的優(yōu)點及應用領域優(yōu)點：可不分晝夜進行測量，無需光源。應用范圍：工業(yè)中的自動化倉庫、生產(chǎn)線或傳送帶上對所傳送物體的探測等。一、紅外檢測概述及溫度檢測原理紅外檢測的優(yōu)點及應用221、紅外傳感器1.1紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖12-1所示。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、遠紅外和極遠紅外。1、紅外傳感器1.1紅外輻射23圖12–1電磁波譜圖圖12–1電磁波譜圖24紅外輻射的物理本質是熱輻射，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，輻射的能量就越強。紅外光的本質與可見光或電磁波性質一樣，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。紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇薄＿@三個波段對紅外探測技術特別重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個波段（大氣窗口）之內。紅外輻射的物理本質是熱輻射，一個熾熱物體向外251.2紅外探測器紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調理電路及顯示單元等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現(xiàn)的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。1.2紅外探測器26

1.熱探測器熱探測器的工作機理是：利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使某些有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。1.熱探測器27

2.光子探測器光子探測器的工作機理是：利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象——這種現(xiàn)象稱為光子效應。根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測器。光子探測器有內光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。2.光子探測器28紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。3.紅外傳感器的應用----紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。29圖12-2是目前常見的紅外測溫儀方框圖。它是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，圖中的光學系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許8～14μm的紅外輻射能通過的材料。步進電機帶動調制盤轉動，將被測的紅外輻射調制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，透鏡的焦點落在其光敏面上。被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。圖12-2是目前常見的紅外測溫儀方框圖302、紅外傳感器的分類與特點熱電型：一般用于溫度的測量及自動控制。量子型：遙測、遙感、成像、測溫。3、應用學習(產(chǎn)品資料：自學)(作業(yè)：學習報告)2、紅外傳感器的分類與特點熱電型：一般用于溫度的測量及自動控311.紅外線輻射溫度計

紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。1.紅外線輻射溫度計紅外輻射溫度計既可用于高溫測量32紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準33紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量34紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀35紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量36紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用集成IC溫度測量紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用集成IC溫37紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄準被測物（冷藏牛奶和面食）紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅38紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄準被測物（電控柜、天花板內的布線層）溫度采集系統(tǒng)紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄39紅外線測溫儀工作原理一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射特性－－輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。紅外線測溫儀工作原理一切溫度高于絕對零402.比色式溫度傳感器比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實現(xiàn)對被測目標的非接觸測溫，用戶不需知道物質的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準,測量小目標，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標充滿，不需調焦就可準確測量。

2.比色式溫度傳感器比色式溫度傳感器采用比色式（41分光鏡的功能是使紅外光通過，可見光反射。濾光片10它只讓紅外光中的某一特定波長λ1的光線通過，最后被硅光電池11所接收，轉換為與發(fā)光強度Iλ1成正比的光電流I1。濾光片12的作用是只讓可見光中的某一特定波長λ2的光線通過，最后被硅光電池13所接收。轉換為與光強I

λ2成正比的光電流I2

分光鏡的功能是使紅外光通過，可見光反射。濾光片10它只讓紅外42物體在兩個特定波長上的輻射強度之比與該物體的溫度成指數(shù)關系,我們只要測出輻射強度之比，就可算出物體的溫度T轉換的光電流再經(jīng)電流／電壓轉換器14、15轉換為電壓U1、U2，經(jīng)運算電路算出U1/U2值，因而根據(jù)公式即可計算出被測物的溫度T

物體在兩個特定波長上的輻射強度之比與該物體的溫度成43

比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴重的鋼鐵、焦化和爐窯等應用現(xiàn)場。特點與應用比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧44二、光纖傳感器光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種新技術，它是伴隨著光纖及光通信技術的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器和傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一定的優(yōu)點，如不受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕，高絕緣強度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。光纖傳感器能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等70多個物理量的測量，在自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等方面具有極為廣泛的應用潛力和發(fā)展前景。二、光纖傳感器光纖傳感器是20世45光導纖維簡稱光纖，它是一種特殊結構的光學纖維，結構如圖8-33所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質。在包層外面還常有一層保護套，多為尼龍材料，以增加機械強度。1.光纖結構光導纖維簡稱光纖，它是一種特殊結構的光學纖維，結構如圖8462.光纖傳光原理眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內反射。設有一段圓柱形光纖，如圖8-34所示，它的兩個端面均為光滑的平面。當光線射入一個端面并與圓柱的軸線成θi角時，在端面發(fā)生折射進入光纖后,又以φi角入射至纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。但當入射角θi小于臨界入射角θc時，光線就不會透射界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，這就是光纖的傳光原理。2.光纖傳光原理47圖2-34光纖的傳光原理圖2-34光纖的傳光原理483.光纖傳感器的工作原理及組成光纖傳感器原理實際上是研究光在調制區(qū)內，外界信號（溫度、壓力、應變、位移、振動、電場等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調制原理。外界信號可能引起光的強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光學性質的變化，從而形成不同的調制。光纖傳感器一般分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，稱為功能型（FunctionalFiber，縮寫為FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化，這類傳感器稱為非功能型（NonFunctionalFiber，縮寫為NFF）傳感器，又稱為傳光型傳感器。3.光纖傳感器的工作原理及組成49圖2-35光纖傳感器組成示意圖（a）傳感型；（b）傳光型圖2-35光纖傳感器組成示意圖504.光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理它可分為相位調制型、光強調制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強調制型的半導體光吸收型光纖傳感器，圖2-37為這種傳感器的結構原理圖。傳感器是由半導體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內的信號處理系統(tǒng)等組成的。光纖是用來傳輸信號，半導體光吸收器是光敏感元件，在一定的波長范圍內，它對光的吸收隨溫度T變化而變化。圖2-38為半導體的光透過率特性。半導體材料的光透過率特性曲線隨溫度的增加向長波方向移動，如果適當?shù)剡x定一種在該材料工作波長范圍內的光源，那么就可以使透射過半導體材料的光強隨溫度而變化，探測器檢測輸出光強的變化即達到測量溫度的目的。4.光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器51圖2-37半導體光吸收型光纖溫度傳感器結構原理圖這種半導體光吸收型光纖傳感器的測量范圍隨半導體材料和光源而變，一般在-100~300℃溫度范圍內進行測量，響應時間約為2s。它的特點是體積小、結構簡單、時間響應快、工作穩(wěn)定、成本低、便于推廣應用。圖2-37半導體光吸收型光纖溫度傳感器結構原理圖52圖2-38半導體的光透過率特性圖2-38半導體的光透過率特性53本章小結溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。溫度傳感器是最早開發(fā)，應用最廣的一類傳感器。溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術的支持下，本世紀相繼開發(fā)了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據(jù)波與物質的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了光學溫度傳感器、聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。本章小結溫度是一個基54作業(yè)1：溫度傳感器知識歸納

作業(yè)2：溫度傳感器學習報告.PPT序號型號主要參數(shù)應用場合主要廠家1

6作業(yè)1：溫度傳感器知識歸納作業(yè)2：溫度傳感器學習報告.PP55非接觸式溫度檢測

非接觸式溫度檢測

56非接觸式溫度檢測與傳感器一、紅外檢測概述及溫度檢測原理(39)二、被測物吸收光通量的應用實例（煙霧報警器56）三、被測物體反射光通量的應用實例(煙塵濁度監(jiān)測儀61

)四、被測物遮擋光通量的應用實例（75光電傳感器79)屬于：光電式傳感器溫度檢測…….檢測位置檢測非接觸式溫度檢測與傳感器一、紅外檢測概述及溫度檢測原理(3957補充：光電式傳感器1、利用光學原理進行精密測量的技術:紅外光學原理紅外測溫儀，紅外雷達，紅外探測器光導纖維原理光纖通信光纖傳感器被測量改變光的強度、相位、頻率……補充：光電式傳感器1、利用光學原理進行精密測量的技術:58

1.外光電效應

一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定：E=hυ（2-1）式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)

υ——光的頻率（s-1）。所以光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。

1.外光電效應E=hυ（2-1）式59在光線作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。向外發(fā)射的電子叫光電子。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。60

2.內光電效應在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應稱為內光電效應。內光電效應又可分為以下兩類：（1）光電導效應#在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。（2）光生伏特效應在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵?。2.內光電效應61光電式傳感器1、利用光學原理進行精密測量的技術:幾何光學原理照相機;望遠鏡;顯微鏡干涉光學原理靜態(tài)干涉:測量面與參考面光波干涉條紋的分布與變形表面的微觀幾何形貌:干涉顯微鏡動態(tài)干涉：定點干涉條紋的移動量微尺寸、微位移：干涉測長儀激光全息干涉原理衍射光學原理光遇障礙物時傳播方向發(fā)生改變：微位移精密測量光電式傳感器1、利用光學原理進行精密測量的技術:62光電式傳感器特點頻譜寬：紫外～紅外；適應多維測量；非接觸測量,動態(tài)性能好；高精度,高分辨力應用檢測,控制領域光電式傳感器特點63光電式傳感器系統(tǒng)構成光源＋光路＋光電器件＋信號調理電路測量原理被測量光學量光電器件電量電流、電壓，或電導率物理基礎——光電效應，紅外技術，激光干涉原理，激光衍射原理，激光全息原理光電式傳感器系統(tǒng)構成642.光電器件作用:將光信息轉換為電信號光信息:光強度、光相位、光頻率電信號:電流、電壓、電阻分類：熱輻射探測器光子（光電發(fā)射）探測器2.光電器件作用:將光信息轉換為電信號652.1熱輻射探測器熱輻射探測原理任何物質溫度大于都會輻射紅外線；紅外線何以被物質吸收，使其溫度升高.光照射到溫度傳感器傳感器溫度升高電信號.對被測光的波長無選擇性.分類：測輻射熱電偶(熱電效應)測輻射熱敏電阻(熱電效應)熱釋電探測器(熱釋電效應)2.1熱輻射探測器熱輻射探測原理66(1)測輻射熱電偶原理:基于熱電效應；結構:與普通熱電偶相似,但熱端加一片黑體材料；黑體幾乎全部吸收照在其上的紅外輻射，并使熱電偶的熱端溫度升高，進而將紅外輻射轉換成熱電勢.電極A電極B黑體材料測輻射熱電偶測輻射熱電堆(1)測輻射熱電偶原理:基于熱電效應；電極A電極B黑體材料67(2)測輻射熱電阻原理:熱電效應結構:與普通熱電阻相似采用NTC負溫度系數(shù)緩變型熱敏電阻熱敏層表面涂以發(fā)黑材料，以增強吸熱效率(2)測輻射熱電阻原理:熱電效應68(3)熱釋電探測器熱釋電效應:一些鐵電材料,分子正負電荷中心不重合;部分電偶極距有序排列,外表面帶有一定電荷;光輻射照到材料上后,電偶極距有序排列減弱;材料表面電荷減少——釋放電荷從而將光輻射轉換成電荷.應用：防火、防盜、遙感、紅外測溫儀……(3)熱釋電探測器熱釋電效應:692.2光子探測器物理基礎：光電效應光具有波粒二象性：粒子說、波動說光子具有一定的能量布朗克常數(shù)，

f:光的頻率原理：光照射在物體上，光子的能量傳遞給電子，電子獲得能量動能增加，擺脫內部粒的束縛，成為自由電子。自由電子：逸出材料表面——外光電效應；在物體內參與導電——內光電效應；電導率發(fā)生變化——光電導效應；積累電荷——光生伏特效應.光能電能2.2光子探測器物理基礎：光電效應701.光電管結構：光電陰極＋陽極＋真空玻璃罩光電材料：銀氧銫\銻銫\鎂化鎘光光電陰極陽極(1)光電發(fā)射型I2.光電倍增管提高光電管的靈敏度由光電陰極＋若干個倍增極＋陽極＋真空玻璃罩極間電位依次升高.1.光電管光光電陰極陽極(1)光電發(fā)射型I2.光電倍增管71(2)光電導型(光敏電阻、光導管)半導體材料在光的作用下，電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光導效應結構與原理12345671--光導層2--玻璃窗口3--金屬外殼4--電極5--陶瓷基座6--黑色絕緣玻璃7--電阻引線mAI無光照時,半導體材料載流子極少,電阻很高(暗電阻),電路中無電流流過；有光照時,半導體中載流子劇增,電阻極劇下降(亮電阻),電路中有對應的電流產(chǎn)生.暗電阻:10~100MΩ亮電阻:<10kΩ■材料：硫化鎘、硫化鉈、硫化鉛(2)光電導型(光敏電阻、光導管)半導體材料在光的作用下，72EuA+-I(3)光電結型

(光敏二級管、光敏三極管)結構：與普通二極管和三極管相似，只是其PN結具有光敏特性.原理光敏二極管的PN結在電路中反向偏置;無光照時,結內僅有極少數(shù)載流子,回路中只有極小的反向飽和漏電流(暗電流10-8~10-9A),二極管方向截至;有光照時,結內激發(fā)大量的載流子,反向漏電流顯著增加(亮電流,與光照成正比).PN光敏二極管的光電流與光通量成線性關系，適應于光的檢測；動態(tài)性能好，響應速度快(<10μs)；但靈敏度低，溫度穩(wěn)定性差。EuA+-I(3)光電結型(光敏二級管、光敏73產(chǎn)生線上的自動計數(shù)V運輸帶產(chǎn)品圖2-16產(chǎn)生線上的自動計數(shù)發(fā)光二極管光電三極管產(chǎn)生線上的自動計數(shù)V運輸帶產(chǎn)品圖2-16產(chǎn)生線上的自動計74(4)光生伏特型(光電池)光生伏特效應某些半導體材料受光照時在一定方向產(chǎn)生電動勢具有光生伏特效應的器件被稱為光電池材料：硅(紅外)、硒(可見光)結構：由N型半導體(或金屬)與P型半導體組成的PN結(4)光生伏特型(光電池)光生伏特效應75(4)光生伏特型(光電池)硅光電池(太陽能電池)N型單晶硅片+P型薄層+電極PN結;N中電子向P中擴散，P中空穴向N中擴散;無光照時，載流子擴散形成阻擋層，阻止P中空穴的進一步擴散，動平衡；N型SiP型層PN結電極有光照時，PN結附近P型層中激發(fā)出電子空穴對，電子穿過阻擋層，積累在N型硅，空穴留在P型層中;兩電極間電場逐漸增強，直至電場足以抵制電荷的進一步漂移；當光強度一定時，電動勢達到動態(tài)平衡,相當于一個電池;連接兩級，由電流流過。N為負極，P為正極。硒光電池中，金屬板代替N型硅，原理相同(4)光生伏特型(光電池)硅光電池(太陽能電池)N型SiP76一、紅外檢測概述及溫度檢測原理紅外檢測的優(yōu)點及應用領域優(yōu)點：可不分晝夜進行測量，無需光源。應用范圍：工業(yè)中的自動化倉庫、生產(chǎn)線或傳送帶上對所傳送物體的探測等。一、紅外檢測概述及溫度檢測原理紅外檢測的優(yōu)點及應用771、紅外傳感器1.1紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖12-1所示。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、遠紅外和極遠紅外。1、紅外傳感器1.1紅外輻射78圖12–1電磁波譜圖圖12–1電磁波譜圖79紅外輻射的物理本質是熱輻射，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，輻射的能量就越強。紅外光的本質與可見光或電磁波性質一樣，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。紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個波段對紅外探測技術特別重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個波段（大氣窗口）之內。紅外輻射的物理本質是熱輻射，一個熾熱物體向外801.2紅外探測器紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調理電路及顯示單元等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現(xiàn)的物理效應來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。1.2紅外探測器81

1.熱探測器熱探測器的工作機理是：利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使某些有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。1.熱探測器82

2.光子探測器光子探測器的工作機理是：利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象——這種現(xiàn)象稱為光子效應。根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測器。光子探測器有內光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。2.光子探測器83紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000℃時，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。如采用分離出所需波段的濾光片，可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。3.紅外傳感器的應用----紅外測溫儀紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。84圖12-2是目前常見的紅外測溫儀方框圖。它是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，圖中的光學系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許8～14μm的紅外輻射能通過的材料。步進電機帶動調制盤轉動，將被測的紅外輻射調制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，透鏡的焦點落在其光敏面上。被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。圖12-2是目前常見的紅外測溫儀方框圖852、紅外傳感器的分類與特點熱電型：一般用于溫度的測量及自動控制。量子型：遙測、遙感、成像、測溫。3、應用學習(產(chǎn)品資料：自學)(作業(yè)：學習報告)2、紅外傳感器的分類與特點熱電型：一般用于溫度的測量及自動控861.紅外線輻射溫度計

紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30℃~3000℃，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。1.紅外線輻射溫度計紅外輻射溫度計既可用于高溫測量87紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準紅外線輻射溫度計外形激光僅用于瞄準88紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量89紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀紅外線輻射溫度計

在非接觸體溫測量中的應用耳溫儀90紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量91紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用集成IC溫度測量紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用集成IC溫92紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄準被測物（冷藏牛奶和面食）紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅93紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄準被測物（電控柜、天花板內的布線層）溫度采集系統(tǒng)紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應用（續(xù)）利用紅色激光瞄94紅外線測溫儀工作原理一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射特性－－輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。紅外線測溫儀工作原理一切溫度高于絕對零952.比色式溫度傳感器比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實現(xiàn)對被測目標的非接觸測溫，用戶不需知道物質的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強，不受窗口玻璃影響，能瞄準,測量小目標，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標充滿，不需調焦就可準確測量。

2.比色式溫度傳感器比色式溫度傳感器采用比色式（96分光鏡的功能是使紅外光通過，可見光反射。濾光片10它只讓紅外光中的某一特定波長λ1的光線通過，最后被硅光電池11所接收，轉換為與發(fā)光強度Iλ1成正比的光電流I1。濾光片12的作用是只讓可見光中的某一特定波長λ2的光線通過，最后被硅光電池13所接收。轉換為與光強I

λ2成正比的光電流I2

分光鏡的功能是使紅外光通過，可見光反射。濾光片10它只讓紅外97物體在兩個特定波長上的輻射強度之比與該物體的溫度成指數(shù)關系,我們只要測出輻射強度之比，就可算出物體的溫度T轉換的光電流再經(jīng)電流／電壓轉換器14、15轉換為電壓U1、U2，經(jīng)運算電路算出U1/U2值，因而根據(jù)公式即可計算出被測物的溫度T

物體在兩個特定波長上的輻射強度之比與該物體的溫度成98

比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴重的鋼鐵、焦化和爐窯等應用現(xiàn)場。特點與應用比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如:煙霧99二、光纖傳感器光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種新技術，它是伴隨著光纖及光通信技術的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器和傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一定的優(yōu)點，如不受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕，高絕緣強度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。光纖傳感器能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等70多個物理量的測量，在自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等方面具有極為廣泛的應用潛力和發(fā)展前景。二、光纖傳感器光纖傳感器是20世100光導纖維簡稱光纖，它是一種特殊結構的光學纖維，結構如圖8-33所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫