《传感器技术与应用》第8章.pptx

第8章 辐射与波式传感器的应用;【知识能力】;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。 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 。; 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长红外线存在不同吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而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。 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。 ;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。 　　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。;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。 　　温度升高到一定程度，极化将突然消失，这个温度就是“居里点”。在居里点以下，极化强度是温度的函数。 　　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。 当铁电体薄片的温度达到平衡值时，表面电荷达到平衡浓度，不再释放电荷，将无输出信号。; 2.光子探测器 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。 ;3.红外测温仪;3.红外测温仪;;几种气体对红外线的透射光谱 ;光源由镍铬丝通电加热发出3～10 μm的红外线 切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线 测量室中通入被分析气体，参比室中封入不吸收红外线的气体（如N2等） 红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后， 气体温度升高，导致室内压力增大。 ; 测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比室， 由于测量室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65 μm的红外线有较强的吸收能力， 而参比室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向， 改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大， 则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。 ;　 为了消除干扰气体对测量结果的影响。 　　所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在4～5 μm波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。 　　为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。 ;§ 8.1.2 热释电人体红外线传感器;§ 8.1.2 热释电人体红外线传感器;§ 8.1.2 热释电人体红外线传感器;§ 8.1.2 热释电人体红外线传感器;§ 8.1.2 热释电人体红外线传感器;【实操技能】;§ 8.1.4 任务分析 ;§ 8.1.4 任务分析 ;§ 8.1.5 任务实施 ;§