第11章波和射线式传感器精.ppt

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1、第11章波和射线式传感器第1页，本讲稿共59页传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 主要内容11.1 超声波传感器 11.2 红外线传感器11.3 核辐射传感器第2页，本讲稿共59页11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 超声波技术超声波技术超声波技术超声波技术是以物理、电子、

2、机械及材料学为基础的通用技是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术，术，术，术，超声波超声波超声波超声波传感器是向空气中传感器是向空气中传感器是向空气中传感器是向空气中发射超声波发射超声波发射超声波发射超声波，再通过探测来自某，再通过探测来自某，再通过探测来自某，再通过探测来自某个物体的个物体的个物体的个物体的反射波反射波反射波反射波检测物体有无或距离；检测物体有无或距离；检测物体有无或距离；检测物体有无或距离；超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器具有多种用途，如防盗报警系统、自动门启闭装置、具

3、有多种用途，如防盗报警系统、自动门启闭装置、具有多种用途，如防盗报警系统、自动门启闭装置、具有多种用途，如防盗报警系统、自动门启闭装置、汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。目前超声波在检测技汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。目前超声波在检测技汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。目前超声波在检测技汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。目前超声波在检测技术中获得广泛应用，利用超声波的各种物理特性，可以实现超声波术中获得广泛应用，利用超声波的各种物理特性，可以实现超声波术中获得广泛应用，利用超声波的各种物理特性，可以实现超声波术中获得广泛应用，利用超声波的各种物理特性，可以实现超声波

4、测距测距测距测距、测厚测厚测厚测厚、测流量测流量测流量测流量、无损探伤无损探伤无损探伤无损探伤、超声成像超声成像超声成像超声成像。随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越广泛，随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越广泛，随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越广泛，随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越广泛，如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且不断得到扩展。如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且不断得到扩展。如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且不断得到扩展。如工厂自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且不断得到扩展。第3页，本讲稿共59页 人耳能

5、听见的人耳能听见的人耳能听见的人耳能听见的机械波机械波机械波机械波称称称称声波声波声波声波,频率在频率在频率在频率在16Hz16Hz16Hz16Hz20kHz20kHz20kHz20kHz；频率低于频率低于频率低于频率低于16Hz16Hz16Hz16Hz的机械波称为的机械波称为的机械波称为的机械波称为次声波次声波次声波次声波；频率高于频率高于频率高于频率高于20KHz20KHz20KHz20KHz的机械波称为的机械波称为的机械波称为的机械波称为超声波超声波超声波超声波;频率在频率在频率在频率在300MHz 300MHz 300MHz 300MHz 300GHz300GHz300GHz300GH

6、z之间的波称为之间的波称为之间的波称为之间的波称为微波微波微波微波；超声波超声波超声波超声波是人耳无法听到的，频率超过是人耳无法听到的，频率超过是人耳无法听到的，频率超过是人耳无法听到的，频率超过20kHz20kHz20kHz20kHz的声音。的声音。的声音。的声音。声波频率界限声波频率界限11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.1 11.1.1 11.1.1 11.1.1 超声波及物理特性超声波及物理特性超声波及物理特性超声波及物理特性传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波

7、与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第4页，本讲稿共59页 当超声波从一种介质入射到另一种介当超声波从一种介质入射到另一种介当超声波从一种介质入射到另一种介当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生质时，在界面上会产生质时，在界面上会产生质时，在界面上会产生反射、折射反射、折射反射、折射反射、折射和和和和波形转换；波形转换；波形转换；波形转换；超声波以直线传播方式，超声波以直线传播方式，超声波以直线传播方式，超声波以直线传播方式，频率越高频率越高频率越高频率越高绕射绕射绕射绕射越弱越弱越弱越弱，但，但，但，但反射越强反射越强反射越强反射越强，利用这种性质可以，利用这

8、种性质可以，利用这种性质可以，利用这种性质可以制成制成制成制成超声波测距超声波测距超声波测距超声波测距传感器；传感器；传感器；传感器；超声波超声波超声波超声波在液体、固体在液体、固体在液体、固体在液体、固体中衰减很小，中衰减很小，中衰减很小，中衰减很小，穿穿穿穿透能力强透能力强透能力强透能力强，特别是不透光的固体能穿透，特别是不透光的固体能穿透，特别是不透光的固体能穿透，特别是不透光的固体能穿透几十米。几十米。几十米。几十米。11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.1 11.1.1 11.1.1 11.1.1 超声波及物理特性超声波及物

9、理特性超声波及物理特性超声波及物理特性传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器超声波的反射和折射超声波的反射和折射超声波的反射和折射超声波的反射和折射 超声波传感器是通过超声波的超声波传感器是通过超声波的超声波传感器是通过超声波的超声波传感器是通过超声波的产生产生产生产生 传播传播传播传播 接收接收接收接收 等物理等物理等物理等物理过程完成。过程完成。过程完成。过程完成。主要功能主要功能主要功能主要功能是是是是产生、接收产生、接收产生、接收产生、接收超声波信号。超声波信号。超声波信

10、号。超声波信号。第5页，本讲稿共59页 超声波在超声波在超声波在超声波在空气中传播速度较慢空气中传播速度较慢空气中传播速度较慢空气中传播速度较慢，为为为为344m/s344m/s344m/s344m/s（20202020时）时）时）时）（电磁（电磁（电磁（电磁波的传播速度为波的传播速度为波的传播速度为波的传播速度为3103103103108 8 8 8m/sm/sm/sm/s），速度低、波长短，意味着可获得较），速度低、波长短，意味着可获得较），速度低、波长短，意味着可获得较），速度低、波长短，意味着可获得较高的距离方向分辨率。高的距离方向分辨率。高的距离方向分辨率。高的距离方向分辨率。这一特

11、点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得较高的这一特点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得较高的这一特点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得较高的这一特点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得较高的精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.1 11.1.1 11.1.1 11.1.1 超声波及物理特性超声波及物理特性超声波

12、及物理特性超声波及物理特性传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定 的关系，的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面通常可认为横波声速为纵波的一半，表面 波声速为横波声速的波声速为横波声速的90%90%。第6页，本讲稿共59页 液体中液体中液体中液体中声速传播速度在声速传播速度在声速传播速度在声速传播速度在9009009009001900m/s1900m/s1900m/s1900m/s

13、，在液体和气体中只有在液体和气体中只有在液体和气体中只有在液体和气体中只有纵波的传播，传播速度与介质密度有关纵波的传播，传播速度与介质密度有关纵波的传播，传播速度与介质密度有关纵波的传播，传播速度与介质密度有关:11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.1 11.1.1 11.1.1 11.1.1 超声波及物理特性超声波及物理特性超声波及物理特性超声波及物理特性传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 由于金属、木材、玻璃、混

14、凝土、橡胶和纸张可近乎反射由于金属、木材、玻璃、混凝土、橡胶和纸张可近乎反射由于金属、木材、玻璃、混凝土、橡胶和纸张可近乎反射由于金属、木材、玻璃、混凝土、橡胶和纸张可近乎反射100%100%100%100%的超声速，因此检测这些物体时较容易发现。而棉花、的超声速，因此检测这些物体时较容易发现。而棉花、的超声速，因此检测这些物体时较容易发现。而棉花、的超声速，因此检测这些物体时较容易发现。而棉花、布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难用超声波检测。布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难用超声波检测。布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难用超声波检测。布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难用超声波检测。第7页，

15、本讲稿共59页 声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减,其衰减的其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关，程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关，衰减规律衰减规律衰减规律衰减规律用用用用两个能量描述：两个能量描述：两个能量描述：两个能量描述：声压声压 声强声强声波与声源之间距离；声波与声源之间距离；衰减系数衰减系数N Np p/m/m（奈培（奈培/米）米）分别为分别为 X=0 X=0 处的声压、声强；处的声压、声强；声波随距离增加，声能声波随距离增加，声能减弱

16、较快，所以减弱较快，所以超声波超声波不能进行较远距离传播；不能进行较远距离传播；不能进行较远距离传播；不能进行较远距离传播；频率高衰减快。频率高衰减快。频率高衰减快。频率高衰减快。11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.1 11.1.1 11.1.1 11.1.1 超声波及物理特性超声波及物理特性超声波及物理特性超声波及物理特性传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器式中：式中：式中：式中：第8页，本讲稿共59页11.1 1

17、1.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.2 11.1.2 11.1.2 11.1.2 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器 超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式，其中压电式最常用超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式，其中压电式最常用超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式，其中压电式最常用超声波传感器有压电式、磁致伸缩式、电磁式，其中压电式最常用 压电式压电式压电式压电式超声波探头主要有超声波探头主要有超声波探头主要有超声波探头主要有压电晶体压电晶体压电晶体压电晶体和和和和压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷，利用压电材料的，利用压

18、电材料的，利用压电材料的，利用压电材料的压电效应工作，分发射、接收两部分压电效应工作，分发射、接收两部分压电效应工作，分发射、接收两部分压电效应工作，分发射、接收两部分传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 发射元件发射元件发射元件发射元件：利用压电材料的：利用压电材料的：利用压电材料的：利用压电材料的逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应，将高频电振动转换为，将高频电振动转换为，将高频电振动转换为，将高频电振动转换为机械振动产生超声波；机械振动产生超声波；机械振动产生超声波；

19、机械振动产生超声波；接收元件接收元件接收元件接收元件：利用压电材料：利用压电材料：利用压电材料：利用压电材料正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应，将超声波振动转换为电信，将超声波振动转换为电信，将超声波振动转换为电信，将超声波振动转换为电信号。号。号。号。第9页，本讲稿共59页各种超声波传感器产品各种超声波传感器产品11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.2 11.1.2 11.1.2 11.1.2 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第1111111

20、1章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 目前市场销售的超声波传感器有两种形式：目前市场销售的超声波传感器有两种形式：目前市场销售的超声波传感器有两种形式：目前市场销售的超声波传感器有两种形式：专用型专用型专用型专用型 、兼用型；、兼用型；、兼用型；、兼用型；产品通常标有中心谐振频率：产品通常标有中心谐振频率：产品通常标有中心谐振频率：产品通常标有中心谐振频率：23KHz23KHz23KHz23KHz、40KHz40KHz40KHz40KHz、75KHz75KHz75KHz75KHz、200KHz200KHz200KHz200KHz、400KHz400KHz400K

21、Hz400KHz。第10页，本讲稿共59页 11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.2 11.1.2 11.1.2 11.1.2 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器c)c)反射式反射式a）兼用型）兼用型专用型专用型b)直射式直射式不同工作方式的超声波传感器不同工作方式的超声波传感器发射探头发射探头发射探头发射探头（TXTXTXTX）接收探头接收探头接收探头接收探头（RXRXRXRX）传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波

22、与射线传感器超声波传感器使用时的两种形式：超声波传感器使用时的两种形式：超声波传感器使用时的两种形式：超声波传感器使用时的两种形式：反射式反射式反射式反射式 直射式直射式直射式直射式第11页，本讲稿共59页 超声波传感器结构超声波传感器结构主要由双压电振子、金属主要由双压电振子、金属电极、锥形共振盘、引脚电极、锥形共振盘、引脚组成。组成。11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.2 11.1.2 11.1.2 11.1.2 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器双压电振子双压电振子圆锥形共振盘圆锥形共振盘栅孔栅孔超声波传感器结构

23、超声波传感器结构传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 结构：结构：压电晶片、吸收块（阻尼）、保压电晶片、吸收块（阻尼）、保护膜、引线；压电晶片两面镀银，作导护膜、引线；压电晶片两面镀银，作导线极板。线极板。压电晶片压电晶片为圆形薄片，超声波为圆形薄片，超声波频率频率f f与圆与圆片厚度片厚度成反比；成反比；阻尼块阻尼块吸收声能，降低机械品质，无阻吸收声能，降低机械品质，无阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，加长尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，加长脉冲宽度，使分辨率变差；脉冲宽度，

24、使分辨率变差；第12页，本讲稿共59页11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.2 11.1.2 11.1.2 11.1.2 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波探头结构超声波探头结构传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 压电晶片压电晶片为圆形薄片，超声为圆形薄片，超声波波频率频率f f与圆片厚度与圆片厚度成反比；成反比；阻尼块阻尼块吸收声能，降低机吸收声能，降低机械品质，无阻尼时，电脉械品质，无阻尼时，

25、电脉冲停止晶片会继续振荡，冲停止晶片会继续振荡，加长脉冲宽度，使分辨率加长脉冲宽度，使分辨率变差；变差；第13页，本讲稿共59页超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理 在超声波发送器双压电振子上施加一定频率（在超声波发送器双压电振子上施加一定频率（40KHz40KHz）的电压，）的电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出超声波信号，接收探通过逆压电效应，将电能转换为机械能，送出超声波信号，接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到的信号头经正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到的信号放大处理。放大处理。11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超

26、声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.2 11.1.2 11.1.2 11.1.2 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第14页，本讲稿共59页各种超声波测厚传感器超声波测流量超声波测流量超声波频谱分析 11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.3 11.1.3 11.1.3 11.1.3 超声波传感器应用超声波传感器应用超声波传感器应用超声波传感器应用传感器原理及应用

27、传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第15页，本讲稿共59页 超声波检测液位超声波检测液位hhsh2ah2as超声波在液体中传播超声波在液体中传播衰减小衰减小超声波在空气中传播超声波在空气中传播衰减大衰减大 单换能器单换能器从发射到接收的时间从发射到接收的时间 t=2h/Ct=2h/C传感器到液面的距离传感器到液面的距离 h=ct/2h=ct/2 双换能器双换能器经过的路程：经过的路程：2S=ct2S=ct液位高度：液位高度：C C：超声波在介质：超声波在介质 中传播速度中传播速度11.1 1

28、1.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.3 11.1.3 11.1.3 11.1.3 超声波传感器应用超声波传感器应用超声波传感器应用超声波传感器应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第16页，本讲稿共59页超声波流速测量超声波流速检测超声波流速检测 超声波在超声波在静止流体静止流体和和流动流体流动流体中的传播速度是不同的中的传播速度是不同的,分别在流体分别在流体上游上游和和下游下游放两个传感器放两个传感器,同时发送、接收，同时发

29、送、接收，顺流顺流和和逆流逆流超声波传播时间分别为超声波传播时间分别为:11.1 11.1 11.1 11.1 超声波传感器超声波传感器超声波传感器超声波传感器11.1.3 11.1.3 11.1.3 11.1.3 超声波传感器应用超声波传感器应用超声波传感器应用超声波传感器应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器 流体流速远小于超声波在流体中传流体流速远小于超声波在流体中传播速度播速度c,c,可可求出近似流速求出近似流速：管道内管道内传感器传感器2传感器传感器1电电路路B2L

30、B1第17页，本讲稿共59页 红外传感器按应用可分为：红外传感器按应用可分为：红外传感器按应用可分为：红外传感器按应用可分为：热成像遥感技术热成像遥感技术热成像遥感技术热成像遥感技术；红外搜索红外搜索红外搜索红外搜索(跟踪目标、确定位置跟踪目标、确定位置跟踪目标、确定位置跟踪目标、确定位置)；红外辐射测量红外辐射测量红外辐射测量红外辐射测量；通讯通讯通讯通讯；测距测距测距测距等。等。等。等。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器

31、红外线传感器11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射 红外辐射的物理本质是红外辐射的物理本质是红外辐射的物理本质是红外辐射的物理本质是热辐射热辐射热辐射热辐射，人、动物、火、水、植物都，人、动物、火、水、植物都，人、动物、火、水、植物都，人、动物、火、水、植物都有热辐射，只是波长不同而已；有热辐射，只是波长不同而已；有热辐射，只是波长不同而已；有热辐射，只是波长不同而已；一个炙热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的，一个炙热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的，一个炙热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的，一个炙热的

32、物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的，温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。第18页，本讲稿共59页传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外辐射俗称红外线红外线是一种不可见光，其光谱位于是一种不可见光，

33、其光谱位于可见光中红色可见光中红色以外，所以称以外，所以称红外线红外线，波长约，波长约0.750.751000m1000m 。红外辐射是介于红外辐射是介于红外辐射是介于红外辐射是介于可见光可见光可见光可见光和和和和微波微波微波微波之间的之间的之间的之间的电磁波电磁波电磁波电磁波，红外波长比，红外波长比，红外波长比，红外波长比无线无线无线无线电电电电波的波长短，所以红外仪器的波的波长短，所以红外仪器的波的波长短，所以红外仪器的波的波长短，所以红外仪器的空间分辨率空间分辨率空间分辨率空间分辨率比比比比雷达雷达雷达雷达高；高；高；高；红外波长比红外波长比红外波长比红外波长比可见光可见光可见光可见光的

34、波长长，因此红外线的波长长，因此红外线的波长长，因此红外线的波长长，因此红外线透过透过透过透过阴霾的能力比阴霾的能力比阴霾的能力比阴霾的能力比可可可可见光强见光强见光强见光强。可可见见光光红红外外线线微微波波第19页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感红外线传感红外线传感红外线传感11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 红外辐射红外辐射红外辐射红外辐射工程上把红外线占据在电磁波谱中的波段分为工程上把红外线占据在电磁波谱中的波段分为:近红外近红外、中红外中红外、远红外远红外、极远红外极远红外四个波段。四个波段。红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播，红外线和电磁波一样，以

35、波的形式在空间传播，红外红外线在通过大气层时有三个波段通过率最高：线在通过大气层时有三个波段通过率最高：2 22.6m,32.6m,35m,85m,814m14m 这三个波段对红外探测技术非这三个波段对红外探测技术非这三个波段对红外探测技术非这三个波段对红外探测技术非常重要，遥感红外探测器一般常重要，遥感红外探测器一般常重要，遥感红外探测器一般常重要，遥感红外探测器一般工作在这三个波段。工作在这三个波段。工作在这三个波段。工作在这三个波段。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器红

36、外红外第20页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器 红外传感器有两部分组成：红外传感器有两部分组成：红外传感器有两部分组成：红外传感器有两部分组成：1 1 1 1）红外辐射源红外辐射源红外辐射源红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源，根据辐射源的几何尺寸、距离远近可视为源，根据辐射源的几何尺寸、距离远近可视为源，根据辐射源的

37、几何尺寸、距离远近可视为源，根据辐射源的几何尺寸、距离远近可视为点源和点源和点源和点源和面源面源面源面源；2 2 2 2）红外探测器红外探测器红外探测器红外探测器，指能将红外辐射能转换为电能的热敏和光，指能将红外辐射能转换为电能的热敏和光，指能将红外辐射能转换为电能的热敏和光，指能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。敏器件。敏器件。敏器件。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第21页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.2

38、 11.2.2 11.2.2 11.2.2 红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器红外探测器主要有两大类型红外探测器主要有两大类型：1 1）热探测器热探测器（热电型）（热电型）包括有：包括有：热释电元件热释电元件、热敏电阻、热电偶等；、热敏电阻、热电偶等；2 2）光子探测器光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化；的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化；其其中有光敏电阻、光敏管、光电池等。中有光敏电阻、光敏管、光电池等。量子型光子探测器与光电传感器原理相同，量子型光子探测器与光

39、电传感器原理相同，本节主要介绍本节主要介绍热电型红外探测器热电型红外探测器。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第22页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器 热释电元件主要利用热释电效应，热释电元件主要利用热释电效应，热释电元件主要利用热释电效应，热释电元件主要利用热释电效应，热探测器利用红外辐射的热热探测器利用红外辐射的热

40、效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化；化；热释电元件热释电元件热释电元件热释电元件首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号；度敏感特性将温度变化转换为电信号；包括了包括了光光热热电电，两次信息变换过程；，两次信息变换过程；光光热热阶段，物质吸收光能，温度升高；阶段，物质吸收光能，温度升高；热热电电阶段，利用某种效应将热能转换为电信号；阶段，利用某种效应将热能转换为电信号；传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11

41、111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器1.1.1.1.热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应光光热热电电第23页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器 热释电元件热释电元件结构结构：把具有热释电效应：把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极，将透明电极的晶体薄片两面镀上电极，将透明电极涂上黑色膜使晶体有利于吸收红外线。涂上黑色膜使晶体有利于吸收红外线。热释电热释电材料材料有：有：晶体晶体、陶瓷陶瓷、塑料

42、塑料等等铁电体铁电体。P黑色膜黑色膜电极电极透明电极透明电极P传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器1.1.1.1.热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应晶体本身具有一定晶体本身具有一定极化强度极化强度P P,当红外辐射照当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度T T升高，使极化强度升高，使极化强度P P降低降低P P，表面电荷，表面电荷Q Q减少，释放部分电荷，所以称减少，释放部分电荷，所以称热释电。热释电。PPTT/自自发发极极化

43、化第24页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器 温度一定时温度一定时极化产生的电荷被附集在外极化产生的电荷被附集在外表的自由电荷慢慢中和掉，不显电性；表的自由电荷慢慢中和掉，不显电性；要让热释电材料要显示出电特性，必要让热释电材料要显示出电特性，必需用需用光调制器光调制器，使温度变化，而调制，使温度变化，而调制器的入射光频率必须大于器的入射光频率必须大于电荷中合时间电荷中合时间的频率。的频率。中和的平均时间为中和的平均时间为P黑色膜黑色膜电

44、极电极透明电极透明电极P1.1.1.1.热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第25页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器 铁电体在温度变化时极化强度发生变化，无论温度上升还是下降，介质铁电体在温度变化时极化强度发生变化，无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个从带电到不带电有一个

45、中合时间中合时间，为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷，为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来，表面才能产生电荷。升温或降温时热交替变化的工作状态，使电荷表现出来，表面才能产生电荷。升温或降温时电荷极性相反电荷极性相反。TTONOFF自发极化被中合，自发极化被中合，T P ，中合，中合，T P ，中合中合 所以热释电传感器必所以热释电传感器必须用光调制器，使调制须用光调制器，使调制光的频率大于中合频率。光的频率大于中合频率。检测时辐射源必须检测时辐射源必须晃动晃动才有信号输出。才有信号输出。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第

46、第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器1.1.1.1.热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应第26页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器红外辐射探测器 热释电元件可视为热释电元件可视为电流源电流源，下式说明热释电材料只有在温，下式说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压度变化时才产生电流、电压：热释电元件式中：式中：SS元件面积；元件面积；gg热释电系数；热释电系数；PP极化强度。极化强度。热释电元件

47、因红外线照射产生热量，材料本身热释电元件因红外线照射产生热量，材料本身与波长无关与波长无关，但利，但利用元件的用元件的窗口窗口选用不同材料做滤光器，通过波长选择确定是哪个范围选用不同材料做滤光器，通过波长选择确定是哪个范围内波长产生的热。内波长产生的热。材料有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温度材料有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温度-40-40+85+85，工作视角，工作视角8585。2.热释电元件及等效电路热释电元件及等效电路传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第27页，本讲稿共59页11.

48、211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.3 11.2.3 11.2.3 11.2.3 红外传感器应用红外传感器应用红外传感器应用红外传感器应用红外传感器主要用于红外传感器主要用于红外测温、遥控器、红外监控报警器；红外测温、遥控器、红外监控报警器；红外摄象机、夜视镜；红外摄象机、夜视镜；较熟悉的控制装置自动门、干手机、自动水龙头等；较熟悉的控制装置自动门、干手机、自动水龙头等；红外无损检测，通过测量热流或热量来检测鉴定金属红外无损检测，通过测量热流或热量来检测鉴定金属或非金属材料的质量和内部缺陷；或非金属材料的质量和内部缺陷；红外成像技术，红外变像管成像、红外摄像管成

49、像、红外成像技术，红外变像管成像、红外摄像管成像、电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）成像。）成像。许多场合人们不仅需要知道物体表面平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，许多场合人们不仅需要知道物体表面平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，以便分析研究物体的结构内部缺陷和状况，红外成像技术就是将物体的温度分布以以便分析研究物体的结构内部缺陷和状况，红外成像技术就是将物体的温度分布以图象的形式直观地显示出来。图象的形式直观地显示出来。传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第11111111章章章章 波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器波与射线传感器第28

50、页，本讲稿共59页11.211.2红外线传感器红外线传感器红外线传感器红外线传感器11.2.3 11.2.3 11.2.3 11.2.3 红外传感器应用红外传感器应用红外传感器应用红外传感器应用 热释电红外报警控制电路热释电红外报警控制电路 人体辐射红外线波长大致为人体辐射红外线波长大致为6 612m12m，温度，温度3636 3737 人活动的频率范围一般在人活动的频率范围一般在0.10.110Hz10Hz之间；之间；热释电元件可检测到热释电元件可检测到10M10M距离，距离，8585的水平视角范围；的水平视角范围；传感器将传感器将热热电电信号送运放信号送运放A A放大，反馈电阻放大，反馈电