第10章 辐射与波式传感器（课件）- 《传感器检测技术》同步教学（机工版）

10.1 红外传感器 10.2 微波传感器 10.3 超声波传感器 10.4 习题 第10章 辐射与波式传感器 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。 检测技术 电磁波谱图 检测技术 10.1 红外传感器 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。 （光谱中最大光热效应区） 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 。 检测技术 红外辐射 大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5 μm和8～14 μm，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。 检测技术 　　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。 检测技术 　10.1.2 红外探测器 检测技术 　10.1.2 红外探测器 能将红外辐射能转换为电能的装置称为红外传感器，按其工作原理可以分为光敏型（或称光子型、量子型）和热敏型两类。 光敏型直接把红外光能转换为电能，其工作原理是光电效应。需要在低温下工作、灵敏度很高，响应速度快，但响应红外光的波长范围较窄（图中曲线2）。 红外传感器光谱响应曲线 热敏型将吸收的红外光转变为热能，使器件自身的温度发生变化，包括热电偶式、电阻式和热释电式等。热敏型红外传感器响应的红外光谱范围宽，（图中的曲线1），能在常温下工作，价格便宜。它的响应速度和灵敏度较低。 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。  特点：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。但与光子探测器相比，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。 检测技术 1. 热探测器 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。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。 检测技术 1. 热探测器 热释电效应：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。 　　“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。 　　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。 检测技术 热释电型探测器 检测技术 热释电型探测器 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。 检测技术 2. 光子探测器 检测技术 10.1 红外传感器 以红外线为测量介质的系统称为红外传感系统，按照功能可以分成五类： （1）温度计和辐射计，用于温度、辐射和光谱测量； （2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪； （3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像； （4）红外测距和通信系统； （5）混