传感器原理及工程应用(第三版)第12章辐射式传感器

第12章辐射式传感器第12章辐射式传感器12.1红外传感器12.2核辐射传感器第12章辐射式传感器12.1红外传感器12.1.1红外辐射及红外辐射源1.红外辐射红外线:红外辐射俗称，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76～1000μm。第12章辐射式传感器图12–1电磁波谱图红外线在电磁波谱中的位置红外线又可分为第12章辐射式传感器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，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。第12章辐射式传感器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。大气是红外辐射的主要传播介质，当红外线在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，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。第12章辐射式传感器2.红外辐射源发射红外电磁波的物体和器件通常分为以下几类：①标准辐射源包括绝对黑体模型、能斯脱灯和硅碳棒等，常用于实验室中红外仪器和系统标定；②工业用辐射源包括碳弧灯、钨灯、电发光辐射器、电加热的杆状和面状辐射器、气体加热辐射器等；③自然红外源包括太阳、月球、行星、大气和云层等；④发光二极管和半导体激光器、固体和气体激光器等；⑤红外装置或系统需要探测的辐射源包括飞机发动机、机壳或尾喷管的辐射、弹道火箭、航天飞机、人造地球卫星、机动车辆和人体等。第12章辐射式传感器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，按探测机理的物理效应可分为两大类：器件的某些性能参数随入射的辐射通量作用引起的温度变化的热探测器；利用各种光子效应的光子探测器，即入射到探测器上的红外辐射能以光子的形式与光电探测器材料的束缚电子相互作用，从而释放出自由电子和自由空穴参与导电的器件。12.1.2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等组成。第12章辐射式传感器热探测器是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。热探测器探测光辐射包括两个过程，一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理特性的变化转化成相应的电信号。热探测器的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。按热电转换原理的不同，热探测器器件主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型探测器。而热释电探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快，这里我们主要介绍热释电探测器。1.热探测器第12章辐射式传感器热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，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。第12章辐射式传感器2.光子探测器光子探测器是利用光辐射与物质相互作用的光子效应制成的器件。光子探测器利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子的互相作用，改变电子的能量状态，从而引起各种电学现象。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种。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。光电导探测器光生伏探测器光磁电探测器第12章辐射式传感器12.1.3红外传感器的应用1.红外感应系统红外辐射的物理本质是热辐射，温度低的物体辐射的红外线波长长，温度高的物体辐射的红外线波长短。在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，如火焰、汽车、动植物、人体等都是红外辐射源，但发射的红外波长不同。红外感应：是根据物体因表面温度不同会发出不同波段的红外光这一特性进行检测的。第12章辐射式传感器在红外感应系统中采用热释电红外传感器。图12－2为热释电红外传感器的结构图，此传感器采用金属外壳封装，顶部开有窗口，窗口处的滤光片用于滤去无用的红外线，让有用的红外线进入窗口。图12－2热释电红外传感器结构图FieldEffectTransistors第12章辐射式传感器传感器内部电路由于敏感元件的输出阻抗极高，而且输出电压极其微弱，因此在传感器内部装有场效应管及偏置厚膜电阻(RG、RS)，构成信号放大及阻抗变换电路，其内部电路如图所示。锆钛酸铅(PbZrTiO3)缩写为PZT,锆钛酸铅通常简称PZT陶瓷第12章辐射式传感器图12－4菲涅尔透镜检测示意图热释电红外传感器多用于检测物体发射的红外线，其检测区呈球形，视角为70°左右。热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低，一般检测距离仅2m左右，但热释电红外传感器表面罩一块菲涅尔透镜后，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视范围，检测距离可以由原来的2m增加到10m。图12－4为菲涅尔透镜检测示意图。第12章辐射式传感器在防盗报警系统中所采用的热释电传感器为双元型红外传感器，其由两个极性相反的热释电元件反向串联。当移动物体发射的红外线进入透镜的监视范围时，就会产生一个交替的“盲区”和“高敏感区”，使传感器的两个反向串联的热释电元件轮流感受到运动物体，而物体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使它输出一串脉冲信号。若物体静止不动地站在热释电元件前，极性相反的敏感元件产生的热释电信号将相互抵消，它会无输出，这样也可以有效地防止因太阳光等红外线及环境温度变化而引起的误差，提高热释电红外传感器的抗干扰性能。第12章辐射式传感器红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。2.红外测温仪第12章辐射式传感器图12－5红外测温仪方框图图12－5是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许8～14μm的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。第12章辐射式传感器红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、温度补偿、线性化、发射率（ε）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。第12章辐射式传感器3.红外线气体分析仪红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，图12－6给出了几种气体对红外线的透射光谱，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65μm附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26μm附近的吸收波段进行分析。第12章辐射式传感器图12－6几种气体对红外线的透射光谱CH4：甲烷和空气混合到一定浓度会爆炸。C2H6：易燃。高浓度会使人窒息4.65μm2.78μm和4.26μm附近以及波长大于13μmC2H4：乙烯易爆、易燃，有较强的麻醉作用。C2H2：乙炔易爆、易燃。用于焊接、切割。第12章辐射式传感器图12－7是工业用红外线气体分析仪的结构原理图。该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。图12－7红外线气体分析仪结构原理图第12章辐射式传感器第12章辐射式传感器•红外线水份测量仪红外线自动门传感器红外线报警传感器红外线对射周界报警器红外线自动寻的消防炮灭火装置第12章辐射式传感器12.2核辐射传感器12.2.1核辐射及其性质某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出α射线、β射线、γ射线、X射线等，这种现象称为核辐射。而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。第12章辐射式传感器实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即teJJ0(12-1)式中：J0——开始时的放射源强度；J——经过时间为t以后的放射源强度；λ——放射性衰变常数。第12章辐射式传感器放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放射性同位素要求它的半衰期比较长(半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命)，且对放射出来的射线能量也有一定要求，因此常用的放射性同位素只有20种左右，例如Sr90（锶）、Co60（钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。第12章辐射式传感器1.α射线放射性同位素原子核中可以发射出α粒子。α粒子的质量为4.002775u(原子质量单位)，它带有正电荷，实际上即为氦原子核，这种α粒子流通常称作α射线。放射出α粒子后同位素的原子序数将减少两个单位而变为另一个元素。一般α粒子具有40～100MeV的能量，平均寿命为几微秒到1010年。它从核内射出的速度为20km/s，α粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。第12章辐射式传感器电离：α射线通过气体时，使其分子或原子的轨道电子产生加速运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为自由电子，从而产生一对由自由电子和正离子组成的离子对的现象。第12章辐射式传感器散射：α离子在物质中运动时会改变运动方向的现象。在检测技术中，α射线的电离效应、透射效应和散射效应都有应用，但以电离效应为主，用α粒子来使气体电离比其它辐射强得多。第12章辐射式传感器2.β射线β粒子的质量为0.000549u，带有一个单位的电荷。它所带的能量为100keV～几兆电子伏特。和α粒子一样，β粒子在穿经物质时，会使组成物质的分子或原子发生电离，但与α射线相比β射线的电离作用较小。β粒子的质量比α粒子小很多，更易被散射。β粒子在穿经物质时，由于电离、激发、散射和激发次级辐射等作用，第12章辐射式传感器式中：J0和J——β粒子穿经厚度为h、密度为ρ的吸收体前后的强度；μ——线性吸收系数。β射线与α射线相比，透射能力大，电离作用小。在检测中主要是根据β辐射吸收来测量材料的厚度、密度或重量，根据辐射的反射来测量覆盖层的厚度，利用β粒子很大的电离能力来测量气体流的。使β粒子的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数规律：J=J0e-μh(12-2)第12章辐射式传感器3.γ射线γ衰变：原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成过程。γ射线：发生γ衰变时所放射出的射线。光电效应：当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子，光子则被吸收的现象。光电效应也伴随有次级辐射产生。当γ射线通过物质时，由于发生光电等效应的结果，它的强度将减弱，它也遵循如式(12-2)所示的指数衰减规律。J=J0e-μh第12章辐射式传感器与β射线相比，γ射线的吸收