《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課件-項(xiàng)目十一 新型傳感器

項(xiàng)目十一新型傳感器項(xiàng)目內(nèi)容

任務(wù)一

光纖傳感器

任務(wù)二

超聲波傳感器

任務(wù)三

紅外傳感器

知識(shí)目標(biāo)：（1）了解光纖的結(jié)構(gòu)、光纖傳感器的調(diào)制原理和應(yīng)用；（2）了解超聲波的基礎(chǔ)知識(shí)、超聲傳感器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)；（3）了解紅外輻射的特點(diǎn)、紅外傳感器在人體檢測(cè)中的典型應(yīng)用。能力目標(biāo)：（1）掌握光纖傳感器的原理和應(yīng)用；（2）掌握超聲傳感器的典型應(yīng)用；（3）掌握紅外輻射的特點(diǎn)和紅外探測(cè)的機(jī)理、紅外傳感器的應(yīng)用。

思政目標(biāo)：

在進(jìn)行新型傳感器使用講解時(shí)，選取軍用或者國產(chǎn)先進(jìn)傳感器，幫助學(xué)生們?cè)鲩L見識(shí)，提升學(xué)生的民族自豪感和民族自信心，讓學(xué)生觀看巨浪-2、東風(fēng)-41、東風(fēng)-17、等國產(chǎn)新型高精尖武器裝備，介紹其性能特點(diǎn)的同時(shí)，強(qiáng)調(diào)紅外成像、激光、超聲等傳感器在其中制導(dǎo)、定位等方面所起的重要作用，讓學(xué)生體會(huì)傳感器在現(xiàn)代科技中的作用及重要性，同時(shí)引領(lǐng)學(xué)生感受我國懾戰(zhàn)并舉的強(qiáng)大戰(zhàn)略制衡能力。

任務(wù)一

光纖傳感器

1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖，是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱圓柱體，是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，包括纖芯、包層和涂敷層，它的外形與結(jié)構(gòu)如圖11-l所示。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖的傳輸基于光的全內(nèi)反射。設(shè)有一段圓柱形的光纖，如圖11-2所示，它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成

i角時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后，又以

i角入射至纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。但當(dāng)入射角

i小于臨界入射角

c時(shí)，光線就不會(huì)投射出界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端射出，這就是光纖的傳光原理。

圖11-1光纖傳感器的結(jié)構(gòu) 圖11-2光纖的傳光原理

1—纖芯；2—包層；3—保護(hù)層各種裝飾性光導(dǎo)纖維光纖的結(jié)構(gòu)光纜的外形及光纖的拉制光的反射、折射

當(dāng)一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一部分能量反射回原介質(zhì)；另一部分能量則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。

光的全反射

當(dāng)減小入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，將導(dǎo)致折射波只能在介質(zhì)分界面上傳播。對(duì)這個(gè)極限值時(shí)的入射角，定義為臨界角θc。當(dāng)入射角小于θc時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。光在光纖中的全反射

1.2光纖傳感器的類型與原理1．類型（1）傳光型光纖傳感器在傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，對(duì)外界信息的“感覺”功能是依靠其他物理性質(zhì)的功能元件來完成的。傳感器中的光纖是不連續(xù)的，其間有中斷，中斷的部分要接上其他介質(zhì)的敏感元件來完成。如圖11-3所示。調(diào)制器可能是光譜變化的敏感元件或其他敏感元件。光纖在傳感器中僅起傳光作用。圖11-3傳光型光纖傳感器組成示意圖1—被測(cè)對(duì)象；2—光源；3—光探測(cè)器；4—光纖；5—光敏感元件（2）傳感型光纖傳感器傳感型光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)功能的光纖（或特殊光纖）作為傳感元件，在這類傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，而且還利用光纖在外界因素（彎曲、相變）的作用下，其光學(xué)特性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等）的變化來實(shí)現(xiàn)傳和感的功能。因此，傳感器中的光纖是連續(xù)的，如圖11-4所示。圖11-4傳感型光纖傳感器組成示意圖1—被測(cè)對(duì)象；2—光源；3—光探測(cè)器；4—光纖；5—光纖敏感元件

2．光纖傳感器的調(diào)制原理

1）光強(qiáng)調(diào)制利用被測(cè)量直接或間接改變光纖中光的強(qiáng)度，再通過光強(qiáng)的變化來測(cè)量外界物理量，稱為光強(qiáng)調(diào)制。例如，微彎光纖傳感器可構(gòu)成聲傳感器或應(yīng)變傳感器。在這類傳感器中，傳感元件由可使光纖發(fā)生微彎曲變形器件組成，例如一對(duì)鋸齒板，如圖11-5（a）所示。相鄰齒之間的距離決定著變形器的空間頻率。當(dāng)鋸齒板受到壓力作用時(shí)，產(chǎn)生位移，使得夾在其中的光纖微彎曲，從而引起光強(qiáng)調(diào)制。（a）（b）圖11-5微彎光纖傳感器（a）微彎光纖傳感器原理圖；（b）光纖微彎曲對(duì)傳播光的影響1—裸光纖；2—機(jī)械變形器

2）相位調(diào)制利用外界因素對(duì)于光纖中光波相位的影響來探測(cè)各種物理量，稱為相位調(diào)制。只要利用適當(dāng)?shù)膬x器檢出光纖中光信號(hào)相位的變化就可以測(cè)定溫度。由于應(yīng)變或壓力也會(huì)改變光纖的傳輸特性，使光信號(hào)相位變化，因此也可以檢測(cè)應(yīng)變和壓力。3）波長調(diào)制利用外界因素改變光纖中光的波長，通過檢測(cè)波長的變化來測(cè)量各種物理量，稱為波長調(diào)制。波長調(diào)制技術(shù)比光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)用得少，其原因是解調(diào)技術(shù)比較復(fù)雜，通常要使用分光儀。但是，采用光學(xué)濾波或雙波長檢測(cè)技術(shù)后，可使解調(diào)技術(shù)簡化。波長調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它對(duì)引起光纖或連接器損耗增加的某些器件的穩(wěn)定性不敏感，該方法廣泛用于液體濃度的化學(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析，以及用在光學(xué)濾波器上。4）頻率調(diào)制利用外界因素改變光的頻率，通過檢測(cè)光的頻率變化來測(cè)量外界物理量，稱為頻率調(diào)制。常采用傳光型光纖傳感器，即光纖只起傳光作用。光頻率調(diào)制是基于被測(cè)物體的入射光頻率與其反射光的多普勒效應(yīng)，當(dāng)光源發(fā)射出的頻率為f1的光波照射到運(yùn)動(dòng)物體上，從該運(yùn)動(dòng)體反射的光波頻率發(fā)生變化為f2，相對(duì)于原頻率發(fā)生變化。

圖11-6多普勒效應(yīng)示意圖光纖傳感器的外形

專用的光纖連接頭及光纖插座

光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時(shí)，兩者的軸心必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接頭及光纖插座來完成。

與光纖耦合的電光與光電轉(zhuǎn)換器件

實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換的元件通常是發(fā)光二極管或激光二極管。激光二極管的外形

激光二極管芯片

3．光纖傳感器的特點(diǎn)（1）傳光性能、電氣絕緣性能好，不受電磁干擾，可在強(qiáng)電磁干擾下完成傳統(tǒng)傳感器不能完成的某些參量的測(cè)量，特別是電流、電壓測(cè)量，損耗小于0.2dB/km。（2）質(zhì)量輕、體積小、可撓性好，光波傳輸無電能和電火花，在惡劣環(huán)境下，不會(huì)引起被測(cè)介質(zhì)的燃燒、爆炸，光纖耐高壓、耐腐蝕，因而能在易燃、易爆和強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境中安全工作。（3）頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響，可進(jìn)行非接觸式、遠(yuǎn)距離測(cè)量，有利于提高測(cè)量精確度。1.3光纖傳感器應(yīng)用

1．光纖傳感器對(duì)位移的測(cè)量利用反射式光纖位移傳感器測(cè)微小位移的原理圖如圖11-8所示。它利用光纖傳送和接收光束，可以實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量。光源經(jīng)一束多股光纜把光傳送到傳感器端部，并發(fā)射到被測(cè)物體上；另一束多股光纜把被測(cè)物反射出來的光接受并傳遞到光敏元件上，這兩股光纜在接近目標(biāo)之前匯合成Y形，匯合是將兩束光纜里的光纖分散混合而成的。由于傳感器端部與被測(cè)物體間距離d的變化，因此反射到接收光纖的光通量不同，可以反映傳感器與被測(cè)物體間距離的變化。（a）（b）圖11-7反射式光纖位移傳感器（a）原理圖；（b）接收相對(duì)光強(qiáng)與距離的關(guān)系特性曲線1—光源；2—發(fā)射光纖；3—被測(cè)物；4—接收光纖；5—光敏元件圖11-8（a）所示是利用擋光原理測(cè)位移，圖11-8（b）所示是利用改變斜切面間隙大小的原理測(cè)位移。這兩種方法更為簡單，但可測(cè)范圍及線性不如反射法。光纖位移傳感器測(cè)量范圍為0.05mm～0.12mm，分辨率為0.01mm。光纖微位移傳感器可測(cè)量位移為0.08nm，動(dòng)態(tài)范圍為110dB。（a）（b）圖11-8光纖位移傳感器的其他形式（a）利用擋光原理測(cè)位移；（b）利用改變斜切面間隙大小測(cè)位移1—光纖1；2—擋板；3—光纖2；4—光敏元件；5—縫隙；

6—光源；7—可動(dòng)光纖；8—斜切間隙；9—固定光纖

保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器光纖的其他應(yīng)用

軍用光纖陀螺：將激光射入繞成線圈的光纖，當(dāng)線圈的底座隨運(yùn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以測(cè)得出射光的相位發(fā)生變化，它的靈敏度比機(jī)械陀螺高，無機(jī)械磨擦力。光纖內(nèi)窺鏡

頻率高于20kHz的機(jī)械振動(dòng)波稱為超聲波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本領(lǐng)大，能穿透幾米厚的鋼板，而能量損失不大。在遇到兩種介質(zhì)的分界面（例如鋼板與空氣的交界面）時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，超聲波的頻率越高，其聲場指向性就愈好。

超聲波的傳播波型主要可分為縱波、橫波、表面波等幾種。

2025/2/1834

任務(wù)二

超聲波傳感器縱波2025/2/1835

超聲波被聚焦后，具有較好的方向性，在遇到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，能產(chǎn)生明顯的反射和折射現(xiàn)象，這一現(xiàn)象類似于光波。超聲波探魚器2025/2/1836超聲波在醫(yī)學(xué)檢查中的應(yīng)用

胎兒的

B超影像2025/2/18372.1超聲波傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)1．超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用逆壓電效應(yīng)的原理。圖11-10所示為采用雙壓電晶片超聲波傳感器示意圖。若在發(fā)送器的雙壓電晶片（諧振頻率為40KHZ）上所施加頻率為40KHZ的高頻電壓，壓電陶瓷片1、2就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是發(fā)射頻率為40KHZ的超聲波。圖11-10雙壓電晶片超聲波傳感器示意圖1、2—壓電陶瓷片2．超聲波傳感器的基本結(jié)構(gòu)超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱為超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可兼有發(fā)射和接收功能。超聲波探頭按其結(jié)構(gòu)可分為直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭。超聲波探頭按其工作原理又可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。在實(shí)際應(yīng)用中，以壓電式探頭最為常見。（a）（b）圖11-11超聲波傳感器的典型外形和表示符號(hào)（a）典型外形（b）表示符號(hào)1—金屬網(wǎng)；2—外殼；3—標(biāo)簽（a）（b）（c）圖11-12超聲波探頭結(jié)構(gòu)示意圖（a）單晶直探頭（b）雙晶直探頭（c）斜探頭1—接插件；2—外殼；3—阻尼吸收塊；4—引線；5—壓電晶體；6—保護(hù)膜；7—隔離層；8—延遲塊；9—有機(jī)玻璃斜楔塊；10—耦合劑；11—試件1）以固體為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭各種超聲波探頭

（以下參考常州市常超檢測(cè)設(shè)備有限公司資料）常用頻率范圍：0.5~10MHz，常見晶片直徑：5~30mm接觸式直探頭（縱波垂直入射到被檢介質(zhì)）

外殼用金屬制作，保護(hù)膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止壓電晶片磨損。

保護(hù)膜接插件2025/2/1843接觸式斜探頭（橫波、瑞利波或蘭姆波探頭）

壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30

、45

等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波將產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。底部耐磨材料接插件2025/2/1844接觸法雙晶直探頭

將兩個(gè)單晶探頭組合裝配在同一殼體內(nèi)，其中一片發(fā)射超聲波，另一片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。發(fā)射晶片接收晶片2025/2/1845超聲波探頭中的壓電陶瓷芯片

將數(shù)百伏的超聲電脈沖加到壓電晶片上，利用逆壓電效應(yīng)，使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲振動(dòng)波。當(dāng)超聲波經(jīng)被測(cè)物反射回到壓電晶片時(shí)，利用壓電效應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成同頻率的交變電荷和電壓。2025/2/1846耦合劑

超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，探頭與被測(cè)物體表面間存在一層空氣薄層，空氣將引起三個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，并造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有自來水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。

2025/2/18472）以空氣為傳導(dǎo)介質(zhì)的超聲探頭（a）（b）圖11-13空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)生、接收器結(jié)構(gòu)（a）超聲發(fā)射器（b）超聲接收器1—外殼；2—金屬絲網(wǎng)罩；3—錐形共振盤；4—壓電晶片；5—引腳；6—阻抗匹配器；7—超聲波束2.2超聲波傳感器的應(yīng)用1．超聲波探傷1）直探頭探傷如工件中有缺陷，一部分聲脈沖在缺陷處產(chǎn)生反射，另一小部分繼續(xù)傳播到工件底面產(chǎn)生反射，在熒光屏上除出現(xiàn)始脈沖T和底脈沖B外，還出現(xiàn)缺陷脈沖F，如圖11-14所示。熒光屏上的水平亮線為掃描線，通過判斷缺陷脈沖在熒光屏上的位置可確定缺陷在工件中的深度。通過缺陷脈沖幅度的高低差別可以判斷缺陷的大小。通過移動(dòng)探頭還可確定缺陷大致長度和走向。（a）（b）

圖11-14直探頭探傷示意圖（a）有缺陷超聲波的反射（b）有缺陷時(shí)顯示波形超聲波探傷——縱波探傷超聲探傷的計(jì)算

設(shè)：顯示器的x軸為10

s/div(格)，現(xiàn)測(cè)得B波與T波的距離為6格，F(xiàn)波與T波的距離為2格。求：1）t

及tF；

2）鋼板的厚度

及缺陷與表面的距離xF。2025/2/18522）斜探頭探傷斜探頭探傷示意圖如圖11-15所示。在直探頭探傷時(shí)，當(dāng)超聲波束中心線與缺陷截面垂直時(shí)，探測(cè)靈敏度最高。但如遇到圖11-15所示方向的缺陷時(shí)，就不能真實(shí)反映缺陷的大小，甚至有可能漏檢。這時(shí)若用斜探頭探測(cè)，可提高探傷效率。圖11-15斜探頭探傷示意圖（a）橫波在試件中的傳播（b）缺陷回波1—試件；2—斜探頭；3—斜楔塊；4—斜向缺陷（焊渣或氣孔）；5—V形焊縫中的焊料超聲探傷儀2025/2/1855構(gòu)件的超聲探傷2025/2/1856鋼軌探傷車滑板式探頭2025/2/18572．超聲波測(cè)物位圖11-16所示給出了幾種超聲物位傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。超聲波發(fā)射和接收換能器可設(shè)置在液體介質(zhì)中，讓超聲波在液體介質(zhì)中傳播，如圖11-16（a）所示。由于超聲波在液體中的衰減比較小，所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。超聲波發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面的上方，讓超聲波在空氣中傳播，如圖11-16（b）所示。這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。圖11-16幾種超聲波物位傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖（a）換能器設(shè)置于液面下；（b換能器設(shè)置于液面上單換能器:

雙換能器:

在液罐上方安裝空氣傳導(dǎo)型超聲發(fā)射器和接收器，根據(jù)超聲波的往返時(shí)間，就可測(cè)得液體的液面。

2025/2/1861超聲波測(cè)量液位和物位

喇叭形超聲發(fā)生器2025/2/18623．超聲波測(cè)厚度圖11-17所示為便攜式超聲測(cè)厚儀示意圖，它可用于測(cè)量鋼及其他金屬、有機(jī)玻璃、硬塑料等材料的厚度。雙晶直探頭左邊的壓電晶片發(fā)射超聲脈沖進(jìn)入被測(cè)試件，在到達(dá)試件底面時(shí)，被反射回來，并被右邊的壓電晶片所接收。圖11-17超聲波測(cè)厚原理1—雙晶直探頭；2—引線電纜；3—入射波；4—反射波；5—試件；6—測(cè)厚顯示器設(shè)定鍵超聲波測(cè)厚石料測(cè)厚2025/2/18654．超聲波防碰撞電路圖11-18所示為超聲波防碰撞電路，電路采用LM1812并由時(shí)基電路Ⅱ來控制LM1812的發(fā)射和接收（LM1812既發(fā)射又接收）?？刂凭嚯x可用5KΩ的電位器來調(diào)節(jié)，一般可控制2～3m.時(shí)基電路Ⅰ組成單穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)達(dá)到報(bào)警距離時(shí)，時(shí)基電路Ⅰ的2腳輸入一低電平（相當(dāng)于Ucc/3），單穩(wěn)態(tài)電路被觸法，3腳輸出高電平，VL點(diǎn)亮的同時(shí)，電子蜂鳴器HA也發(fā)聲報(bào)警。本電路超聲波發(fā)射/接收傳感器采用T/R-40系列。圖11-18超聲波防碰撞電路電磁波譜圖紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。9:32AM68

任務(wù)三

紅外傳感器紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的。這類振動(dòng)過程是物體受熱而引起的，只有在絕對(duì)零度(-273.16℃)時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。所以在絕對(duì)零度時(shí)，沒有一種物體會(huì)發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機(jī)、動(dòng)植物甚至人體等都是紅外輻射源。紅外光的本質(zhì)與可見光或電磁波性質(zhì)一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。但它的特點(diǎn)是熱效應(yīng)非常大，紅外線在真空中傳播的速度c=3×108m／s，而在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵循如下規(guī)律

式中，I為通過厚度為x的介質(zhì)后的通量；I0為射到介質(zhì)時(shí)的通量；e為自然對(duì)數(shù)的底；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。

9:32AM693.1紅外輻射介紹

金屬對(duì)紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過紅外線；大多數(shù)的半導(dǎo)體材料及一些塑料能透過紅外線；液體對(duì)紅外線的吸收較大，例如厚l(mm)的水對(duì)紅外線的透明度很小，當(dāng)厚度達(dá)到lcm時(shí)，水對(duì)紅外線幾乎完全不透明了；氣體對(duì)紅外輻射也有不同程度的吸收，例如大氣(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它對(duì)波長為1～5μm，8～14μm之間的紅外線是比較透明的，對(duì)其他波長的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會(huì)引起對(duì)紅外輻射的散射。實(shí)踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長。由此在工業(yè)上和軍事上根據(jù)需要有選擇地接收某一范圍的波長，就可以達(dá)到測(cè)量的目的。

紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對(duì)稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過率高，它們是2～2.6μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個(gè)波段對(duì)紅外探測(cè)技術(shù)特別重要，因此紅外探測(cè)器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣窗口）之內(nèi)。9:32AM70

紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。

熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測(cè)量物理參數(shù)的變化來確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長。但熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

1.熱探測(cè)器9:32AM713.2紅外線傳感器

熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測(cè)器倍受重視，發(fā)展很快。這里我們主要介紹熱釋電型探測(cè)器。

熱釋電型紅外探測(cè)器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的，即電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。用此效應(yīng)制成的“鐵電體”，其極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。9:32AM72

光子探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象——這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學(xué)現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測(cè)器。光子探測(cè)器有內(nèi)光電和外光電探測(cè)器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測(cè)器等三種。光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測(cè)波段較窄，僅對(duì)長波段有響應(yīng)，一般需在低溫下工作。

2.光子探測(cè)器9:32AM73

光子探測(cè)器只要采用光電傳感器，分為光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光電伏特元件等幾類。光子探測(cè)器的主要特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測(cè)波段較窄，一般在低溫下工作。飛利浦新開發(fā)的光子探測(cè)器9:32AM743.3紅外傳感器的應(yīng)用1．紅外線測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測(cè)量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測(cè)器檢測(cè)其溫度。圖11-20中的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許8

m～14

m的紅外輻射能通過的材料。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將被測(cè)的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。紅外探測(cè)器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測(cè)器，透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上。被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測(cè)器上，紅外探測(cè)器將紅外輻射變換為電信號(hào)輸出。圖11-20紅外測(cè)溫儀方框圖1—紅外探測(cè)器；2—步進(jìn)電機(jī)；3—溫度傳感器；4—調(diào)制盤；5—濾光片；6—透鏡紅外線輻射溫度計(jì)外形

激光僅用于瞄準(zhǔn)9:32AM77

紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測(cè)物（冷藏牛奶和面食）9:32AM78紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測(cè)物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）溫度采集系統(tǒng)9:32AM792．紅外線防盜報(bào)警器紅外線反射式防盜報(bào)警器采用反射式紅外探測(cè)組件（其最大探測(cè)距離可達(dá)12m）來觸發(fā)報(bào)警器，當(dāng)檢測(cè)到盜情時(shí)，報(bào)警器會(huì)發(fā)出逼真的“狗叫”聲，提醒主人有異常情況發(fā)生。在正常情況下，ICl輸出低電平，IC2不能觸發(fā)工作，揚(yáng)聲器BL不發(fā)聲。當(dāng)有外人進(jìn)入ICI的警戒探測(cè)區(qū)域時(shí)，ICl發(fā)射的紅外線信號(hào)經(jīng)人體反射回來。ICl接收到人體反射回來的紅外信號(hào)并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理后，輸出高電平觸發(fā)信號(hào)，使IC2受觸發(fā)工作，輸出音效電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)IC3功率放大后．驅(qū)動(dòng)BL發(fā)出響亮的“狗叫”聲，提示主人有異常情況發(fā)生。圖11-21紅外線防盜報(bào)警器3．熱釋電紅外線人體探測(cè)器1）熱釋電紅外線燈光自動(dòng)控制紅外線燈控器由熱釋電紅外線傳感器作為人體接近感知器件，使燈控器可實(shí)