检测与传感技术 教学课件 作者 冯柏群 祁和义 (第10章)辐射式传感器.ppt

第10章 辐射式传感器 10.1 红外线传感器 10.1.1 红外辐射 红外辐射俗称红外线，位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76?m～1000?m，红外线所占据的波段分为4部分，即近红外，中红外，远红外和极远红外。 红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。 红外辐射以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有3个波段透过率高，它们是2?m～2.6?m，3?m～5?m和8?m～14?m，统称它们为“大气窗口”。因此红外探测器一般都工作在这3个波段（大气窗口）之内。 10.1.2 红外探测器 红外传感器一般由光学系统，探测器，信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，分为热探测器和光子探测器两大类。 1．热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生相应变化，从而确定探测器所吸收的红外辐射。 与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。热探测器主要有4类：热释电型，热敏电阻型，热电阻型和气体型。 热释电效应：热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应。 用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁体薄片表面上时引起薄片温升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释放电型传感器。 2．光子探测器 光子探测器的工作机理是：利用人射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象—这种现象称为光子效应。 根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特效应和光磁电探测器3种，一般需在低温下工作。 10.1.3 红外传感器的应用 1．红外测温仪 红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。 它是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许8?m～14?m的红外辐射能通过的材料。 步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。 红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、温度补偿、线性化、发射率（?）调节等。 目前已有一种带单片机的智能红外探测器，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。 红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。 2．红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同。 该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。 光源由镍铬丝通电加热发出红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。 红外探测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。 测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65?m的红外