第10章辐射与波式传感器（课件）- 《传感器与检测技术（第4版）》同步教学（机工版）

第10章 辐射与波式传感器 知识单元与知识点 红外辐射、微波、超声波的概念与特性； 红外探测器的分类与工作原理：热探测器和光子探测器； 微波传感器的分类（反射式和遮断式）、组成、特点； 超声波传感器的工作原理； 红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。 能力点 理解红外辐射、微波、超声波的概念与特性； 会分析红外探测器的分类与工作原理； 把握微波传感器的分类、组成、特点； 会分析超声波传感器的工作原理； 了解红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。 重难点 重点：基本概念；红外辐射、微波、超声波的基本特性；红外传感器、微波传感器与超声波传感器的工作原理。 难点：红外热释电传感器工作原理。 学习要求 了解红外辐射、微波、超声波的概念与特性； 了解红外探测器的分类与工作原理； 了解微波传感器的分类、组成、特点； 了解超声波传感器的工作原理； 了解红外传感器、微波传感器与超声波传感器的应用。 10.1 红外传感器 10.1.1 工作原理 红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光， 由于是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0.76～1000 μm。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红外、 远红外和极远红外。 电磁波谱图 红外辐射 红外辐射本质上是一种热辐射。任何物体，只要它的温度高于绝对零度（－273℃），就会向外部空间以红外线的方式辐射能量，一个物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射这种形式来实现的。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。 另一方面，红外线被物体吸收后可以转化成热能。 红外线作为电磁波的一种形式，红外辐射和所有的电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的，具有电磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。 红外线在真空中传播的速度等于波的频率与波长的乘积 。 　　　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。 　　红外探测器是红外传感器的核心。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，按探测机理的不同，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，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。  　　热探测器主要优点是响应波段宽， 响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便， 应用相当广泛。 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和高莱气动型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。 热释电效应 热释电效应：由于温度变化而产生电荷的现象 在外加电场作用下，电介质中的带电粒子（电子、原子核等）将受到电场力的作用，正电荷趋向阴极、负电荷趋向阳极，结果电介质的一个表面带正电，相对表面带负电，这就是“电极化” 电压去除后，大多数电介质的极化状态消失，但铁电体会保持 思考：图中的红外光起什么作用？ 　　“铁电体”的极化强度（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电体薄片表面上时引起薄片温度升高，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，所以叫做热释电型传感器。 　　温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度就是“居里点”。在居里点以下，极化强度是温度的函数。 　　如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。 当铁电体薄片的温度达到平衡值时，表面电荷达到平衡浓度，不再释放电荷，将无输出信号。 极化强度与温度（变化）的关系 回答：图中的红外光起什么作用？ 2. 光子探测器（参考光电式传感器部分） 光子探测器的工作机理是：利用入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，引起光子效应。 　　根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。 　　通过光子探测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。 10.1.2 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。 物体单位面积所发射的辐射功