第7章 其他传感器技术（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学·2023）

第7章 其他传感器技术 第7章 其他传感器技术 7.1 红外传感器 7.2 超声波传感器 7.3 光纤传感器 7.4 传感新技术简介 红外技术在军事、工农业生产、医学、科学研究等方面的应用得到了快速的发展，红外技术的应用几乎普遍化，例如军事上的热成像系统、搜索跟踪系统、红外警戒系统，天文学上基于红外线的天体演化研究，医学上的红外诊断和辅助治疗，工农业生产中的温度探测及红外烘干等等。 7.1 红外传感器 7.1.1 红外检测的物理基础 7.1.2 红外探测（传感）器 7.1 红外传感器 7.1.1 红外检测的物理基础 红外辐射俗称红外线，是一种不可见光。它的波长范围大致在0.76～1000μm，工程上又把红外线所占据的波段分为近红外、中红外、远红外和极远红外。 除了太阳能辐射红外线外，自然界任何物体只要它本身具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光，而且物体温度越高，发射的红外辐射能越多。物体在向周围发射红外辐射能的同时，也吸收周围物体发射的红外辐射能。 由于各种物质内部的原子分子结构不同，它们所发射出的辐射频率也不相同，这些频率所覆盖的范围也即称为红外光谱。由实验可知，物体辐射的电磁波中，其峰值幅射波长λm与物体自身的绝对温度T成反比，即有： m=2897/T (m) （7-1） 7.1.1 红外检测的物理基础 图7-2为不同温度的光谱辐射分布曲线，图中虚线表示了峰值辐射波长λm与温度的关系曲线。从图中可以看到，随着温度的升高其峰值波长向短波方向移动。 7.1.1 红外检测的物理基础 7.1.2 红外探测（传感）器 主动式 被动式 利用红外辐射源对被测物进行辐射，通过被测物对红外光进行吸收、反射和透射后，物体自身或红外光将发生变化。 被测物本身就是红外辐射源，检测其红外辐射能实现温度测量，或通过物体各个点辐射能大小生成的热像图，进行无损探伤等。 凡是能把红外辐射量转变成另一种便于测量的物理量（如电量等）的器件都可称为红外探测器。 红外检测从原理上可分为主动式和被动式两种。 红外检测系统 无论是利用物体的红外辐射特性还是物体对红外的反射、吸收、透射等来实现红外检测，构成的检测系统中一般包含有红外源、传输红外的光学系统和接收红外的探测器，以及信号调理等组成部分。红外探测器是红外传感器或红外检测的核心，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。 探测器的基本类型 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，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量相关物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 根据吸收红外辐射能后探测器物理参数的变化，可以将热探测器分为四类：热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型。其中，热释电型探测器探测率最高，频率响应最宽，也是目前用得最广的红外传感器。 热探测器 1 探测器的基本类型 利用光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。常见的光子效应有外光电效应、光生伏特效应、光电磁效应、光电导效应。相应的，光探测器主要包括，利用外光电效应而制成的光电子发射探测器；利用内光电效应制成的光电导探测器；利用阻挡层光电效应制成的光生伏特探测器；利用光磁电效应制成的光磁探测器。 光探测器 2 热探测器不需要冷却 热探测器对各种波长都能响应 热探测器响应时间比光子探测器长 热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关 热探测器的特点 探测器的基本类型 红外检测技术的应用 从红外检测原理知，利用红外的反射、透射、吸收特性可实现气体成分分析、厚度测量、无损探伤等，利用其辐射特性，可检测辐射体的温度，或建立红外报警系统。 7.1 红外传感器 7.2 超声波传感器 7.3 光纤传感器 7.4 传感新技术简介 第7章 其他传感器技术 7.2 超声波传感器 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础、在各行各业都得到使用的通用技术之一。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声检测、超声探伤和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益和经济效益。 7.2.1 超声检测的物理基础 7.2.2 超声波传感器及应用 7.2 超声波传感器 7.2.1 超声检测的物理基础 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；高于2×104Hz的机械波，称为超声波，如图7-3所示。频率在3×108～3×1011Hz之间的波，称为微波。 纵波 横波 表面波 质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播