第11章 红外和辐射式传感器（课件）- 《传感器与检测技术(第二版)》同步教学（重庆大学版）

1.掌握红外传感器工作原理及应用　　　 2.了解超声波传感器工作原理及应用 第十一章 红外和辐射式传感器 返回课程索引 传感器与检测技术 11.1 红外辐射传感器 1、红外辐射的物理基础——热辐射：任何物体只要温度高于绝对零度，就会向周围空间辐射红外线 第十一章 红外和辐射式传感器 辐射能以波动形式表现出来，其波长的范围极广，从短波、x光、紫外光、可见光、红外光一直到电磁波。 光谱图 基尔霍夫定律 ： 光谱发射率等于它的光谱吸收率，即物体向外发射辐射能取决于它的吸收本领 11.1 红外辐射传感器 2、红外辐射的基本定律 斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan－Boltzmann）定律： 物体的总的辐射出射度与温度的四次方成正比。 通常物体的ε 处于0～1之间，ε=1的物体称为黑体 11.1 红外辐射传感器 维恩位移定律 光谱辐射通量密度峰值波长与温度成反比 11.1 红外辐射传感器 在温度不很高时，峰值波长在红外区域 3、红外传感（探测）器 红外探测器能将红外辐射能转换成电量。分为热传感器和光子传感器两大类。 ①热传感器——基于热电效应，常用的热探测器有热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型及热释电型。在整个红外波段有较好的光谱响应。　　 ②光子传感器(量子型)——基于光电效应, 某些半导体材料在入射光的照射下，会激发出电子，通过测量电学性质的变化，即可知道入射光的强度。 光探测器的响应时间比热探测器短的多。 11.1 红外辐射传感器 11.1 红外辐射传感器 常见的红外传感（探测）器 热传感器 热敏电阻型： 热电偶型： 高莱气动型： 热释电型： 热传感器在整个红外波段有较好的光谱响应，但是响应时间长，不适合测量快速变化的红外信号，而且线性度较差。　 电阻随温度变化而变化，响应速度慢 温度变化引起，体积变化灵敏度高，响应时间长 只能测交变信号，须对红外辐射进行调制 热电效应，动态特性差 光子传感器 外光电器件型： 光电导型： 光生伏特型： 光磁电型： 光子激发出电子 光照时使电导率变化 光照时产生电势 利用光电磁效应 光子传感器比热传感器反应灵敏，响应时间短，适合测量快速变化的红外信号，但是光子传感器通常需要在较低温度下才能正常工作，须配备制冷器。　 11.1 红外辐射传感器 红外探测器的构成： 由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。根据光学系统的结构不同，红外辐射探测器可分为反射式光学系统、透射式光学系统两种。 11.1 红外辐射传感器 红外传感器的性能参数 (1)响应率——输出电压与输入的红外辐射功率之比 11.1 红外辐射传感器 (2)响应波长范围——热探测器的响应率r与波长无关；光子探测器响应率r与波长有关。 11.1 红外辐射传感器 (3)噪声等效功率（NEP） ——与噪声电压相当的输入辐射功率。 (4)探测率——表示所能探测到的最小辐射功率。 (5)时间常数——输出达到最终稳态63％所需要的时间（输出信号的变化速率） 。 3、红外辐射传感器的应用 测温范围宽，时间常数为4～10ms； 图中调制盘的作用是将恒定或缓变的红外辐射变换为交变辐射； 前置放大器由两个作用：阻抗变换、信号放大。 11.1 红外辐射传感器 1）、红外测温 11.1 红外辐射传感器 HCW-VA远距离红外测温仪在铁道车辆红外检测系统中的应用 HCW-VB远距离红外测温仪在铁道输电塔红外检测系统中的应用 2）红外热像仪：将被测物体的温度分布转化为电视图像或照片，实现非接触、实时、连续的温度测量。 测温范围宽，分辨率高，在刀具温度场监测、军事等应用 11.1 红外辐射传感器 红外热成像仪工作原理 11.1 红外辐射传感器 美军研制的未来单兵作战武器---OICW 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 11.1 红外辐射传感器 洛克希德·马丁公司研制生产的AN/AAS-38B型“夜鹰”前视红外瞄准吊舱  雷神公司研制生产的AN/ASQ-228型“阿特弗利尔”先进前视红外瞄准吊舱 11.1 红外辐射传感器 3）红外分析仪：根据物质对不同波长的红外光的吸收情况，来识别物质分子的类型。 被测气室通过的气体与标准气室里的气体成分相差越大，则两个气室出来的红外辐射强度差别越大。 11.1 红外辐射传感器 红外多成份气体分析仪 11.1 红外辐射传感器 4）红外热波无损探伤：针对各类试件选择不同特性的热源进行周期、脉冲、直流等函数类型的加热，在计算机控制下进行时序热波信号探测和数据采集。 核心设备：热成像仪、加热装置、控制装置、计算机及图像处理装置、图像处理软件。 发展及应用：主要应用于飞机、航天器等探伤研究，得到美国军方、FA