《辐射式传感器》PPT课件

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1、第一节红外辐射传感器第九章辐射式传感器第二节超声波传感器第三节核辐射传感器四、红外传感器应用一、红外辐射的基本特点三、红外探测器二、红外辐射的基本定律第一节红外辐射传感器一、红外辐射的基本特点1、一种不可见光。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四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。2、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，辐射能量就越强。自然界中的任何物体，只要温度在绝对零度以上，都能产生红外辐射（光谱中最大光热效应区）。3、具有反射、折射、散

2、射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，具有明显的波粒二相性。4、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、3～5μm和8～14μm，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。二、红外辐射的基本定律1、希尔霍夫定律一个物体向周围辐射能量的同时，也吸收周围物体的辐射能，希尔霍夫定律指物体的辐射发射量Er和吸收率α之比与物体的性质无关，总等于同一温度下绝对黑体的辐射能量。Er：物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能α：物体对辐射能

3、的吸收系数E0：等价于黑体在相同温度时辐射的能量，为常数黑体：能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体。是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，吸收本领与波长和温度无关，即α=1，加热后，发射热辐射与比任何物体都大。镜体：能全部反射红外辐射的物体。透明体：能全部透过红外辐射的物体。灰体：能部分反射或吸收红外辐射的物体。2、普朗克定律描述的是黑体辐射发射量的光谱特征，以严格的数学关系给出：E：某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量。σ：斯忒藩-波尔兹曼常数，5.6697×10-12w/cm2k4ε:比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比。T：物体的绝对

4、温度。3、斯忒藩-波尔兹曼定律物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四次方成正比，并与ε成正比。物体温度越高辐射能量越大。4、维恩位移定律物体峰值波长与物体自身的绝对温度成反比。三、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。1、红外探测器类型（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。主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。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

5、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。（2）光子探测器光子效应：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

6、子的能量状态，引起各种电学现象。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。2、红外探测器基本参数（1）响应率输出电压与输入的红外辐射功率之比。（2）响应波长范围红外探测器响应率与入射辐射的波长的关系。（3）噪声等效功率（NEP）若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就是噪声等效功率。（4）探测率：（5）响应时间加入或去掉辐射源的响应速度。两种时间相等。3、红外探测器的组成红外探测器由光学系统，敏感元件，前置放大器、信号调制器组成，光学系统是其重要组成部分，根据光学

7、系统的结构分为反射式和透射式两种。（1）反射式红外探测器1.浸没透镜2.敏感元件3.前置放大器4.聚乙烯薄膜5.次反射镜6.主反射镜（2）透射式红外探测器1.光谱2.保护窗口3.光栅4.透镜5.浸没透镜6.敏感元件7.前置放大器四、红外传感器应用1.红外测温仪2.红外线气体分析仪几种气体对红外线的透射光谱红外线气体分析仪结构原理图3、红外无损探伤仪第一节红外辐射传感器第九章辐射式传感器第二节超声波传感器第三节核辐射传感器一、超声波的波型及其传播速度第二节超声波传感器二、超声波传感器三、超声波传感器应用第二节超声波传感器超声波：高于2×10