传感器感测技术第7章-辐射传感器重点课件

第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器第七章第七章 辐射式传感器辐射式传感器主要内容：主要内容：红外传感器的原理及应用；红外传感器的原理及应用；核辐射式传感器的原理及应用。核辐射式传感器的原理及应用。要求：要求：掌握红外传感器和核辐射传感器的基本原理；掌握红外传感器和核辐射传感器的基本原理；理解红外传感器的应用实例；理解红外传感器的应用实例；了解核辐射传感器的应用范围。了解核辐射传感器的应用范围。第七章 辐射式传感器主要内容：1第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器7.1红外光传感器红外光传感器一、按其应用分为一、按其应用分为5种种 1）红外辐射计（辐射和光谱辐射测量）；）红外辐射计（辐射和光谱辐射测量）；2）搜索和跟踪系统（确定目标空间位置并对其）搜索和跟踪系统（确定目标空间位置并对其运动跟踪）；运动跟踪）；3）热成像系统（整个目标红外辐射分布图像）；）热成像系统（整个目标红外辐射分布图像）；4）红外测距和通信系统；）红外测距和通信系统；5）混合系统（以上系统中两个或多个组合）。）混合系统（以上系统中两个或多个组合）。7.1红外光传感器2第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器热成像系统：热成像系统：红外遥感热成像：红外遥感热成像：红外红外成像成像与自与自然图然图像对像对比：比：热成像系统：红外遥感热成像：红外3第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器二、红外辐射二、红外辐射 1、属于不可见光。红外线在电磁波谱中位置：、属于不可见光。红外线在电磁波谱中位置：1091071051031011010110102103104l/mml/cml/m宇宙射线g 射线X 射线紫外线可见光红外线微波无线电波极远红外211815129630远红外中红外近红外l/mm0.761000m m二、红外辐射10910710510310110104第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 2、原理、原理 热辐射。红外光具有光热效应，能辐射热量。热辐射。红外光具有光热效应，能辐射热量。自然界中任何物体，只要本身温度高于绝对零度自然界中任何物体，只要本身温度高于绝对零度（-273.15摄氏度），就会辐射红外线。温度越高，摄氏度），就会辐射红外线。温度越高，辐射红外线越多，辐射的能量越强。辐射红外线越多，辐射的能量越强。红外线被物体吸收，可转变为热能。红外线被物体吸收，可转变为热能。2、原理5第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 3、红外线的传播、红外线的传播 以波的形式传播。以波的形式传播。红外光在介质中传播时，由于吸收和散射作用会红外光在介质中传播时，由于吸收和散射作用会被衰减。气体和液体对不同波长红外辐射的吸收是有被衰减。气体和液体对不同波长红外辐射的吸收是有选择性的。选择性的。如大气对不同波长红外线存在不同吸收带，可用如大气对不同波长红外线存在不同吸收带，可用于红外线气体分析器。于红外线气体分析器。一般红外线通过大气层时，一般红外线通过大气层时，3个波段对红外线透个波段对红外线透过率高：过率高：2m m 2.6m m，3m m 5m m，8m m 14m m。红外探测器一般工作于这三个波段内。红外探测器一般工作于这三个波段内。3、红外线的传播6第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器三、红外探测器三、红外探测器 1、将红外辐射量的变化转换为电量变化的器件。、将红外辐射量的变化转换为电量变化的器件。是红外传感器的传感元件。是红外传感器的传感元件。2、分类、分类 根据探测机理不同，可分为根据探测机理不同，可分为热探测器热探测器和光子探测和光子探测器。器。三、红外探测器7第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 3、热探测器、热探测器 1）工作机理：红外辐射的热效应。）工作机理：红外辐射的热效应。探测器的敏感元件吸收辐射能，温度升高，相关探测器的敏感元件吸收辐射能，温度升高，相关物理参数发生改变，从而确定所吸收的红外辐射。物理参数发生改变，从而确定所吸收的红外辐射。2）特点：）特点：a、响应速度低，响应时间长；、响应速度低，响应时间长；b、其光谱响应较宽、较平坦，相应范围可扩展、其光谱响应较宽、较平坦，相应范围可扩展到整个红外区域；到整个红外区域；c、常温下使用，使用方便。、常温下使用，使用方便。3）种类）种类 热释电型热释电型、热敏电阻型、热电阻型、气体型。、热敏电阻型、热电阻型、气体型。3、热探测器8第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 4、热释电型红外探测器、热释电型红外探测器 1）基本原理：热释电效应。）基本原理：热释电效应。2）热释电效应）热释电效应 因温度变化而引起自发极化值变化的现象。因温度变化而引起自发极化值变化的现象。热释电效应原理示意图：热释电效应原理示意图：RUIS 为使光照射引起整个材料为使光照射引起整个材料的温度易于达到热平衡，一般的温度易于达到热平衡，一般采用陶瓷薄片。采用陶瓷薄片。连续光照达到热平衡时，温度不变化，不再释放连续光照达到热平衡时，温度不变化，不再释放电荷，上压降为零，此时无信号输出。电荷，上压降为零，此时无信号输出。4、热释电型红外探测器RUIS 9第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 热释电效应只能探测辐射的变化。热释电效应只能探测辐射的变化。输出信号正比于红外线强度的变化。输出信号正比于红外线强度的变化。3）热释电传感器结构）热释电传感器结构外壳硅窗口特殊导电性支持台热释电元件引线输出输入接地场效应管作用阻抗交换和信号放大。场效应管作用阻抗交换和信号放大。通常，元件表面覆一层黑化膜。通常，元件表面覆一层黑化膜。热释电效应只能探测辐射的变化。硅窗10第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 4）热释电红外探测模块）热释电红外探测模块 将热释电红外传感器、放大器、信号处理电路、将热释电红外传感器、放大器、信号处理电路、延时电路和高低电平输出电路集成于一体的新器件。延时电路和高低电平输出电路集成于一体的新器件。主要用来探测人体发射出的红外线能量，适用于主要用来探测人体发射出的红外线能量，适用于人体移动的探测报警系统。人体移动的探测报警系统。具有灵敏度高，抗干扰能力强，耐低温，使用方具有灵敏度高，抗干扰能力强，耐低温，使用方便等特点。便等特点。4）热释电红外探测模块11第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器热释电热释电传感器传感器温补温补放大放大比较比较延时延时信号处理信号处理增益调节增益调节31254V+5V输出输出6 如如HN911型热释电探测模块内部电路结构图：型热释电探测模块内部电路结构图：热释电温补放大比较延时信号处理增益调节31254V+5V输出12第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 HN911模块的典型应用电路：模块的典型应用电路：KHN9117805354162 VT1 H+12V470 HN911模块的典型应用电路：KHN91178013第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 5）双元型红外传感器）双元型红外传感器新型热释电传感器，专门检测人体辐射的红外线新型热释电传感器，专门检测人体辐射的红外线能量。目前已广泛用于国际安全防御系统，自动控制、能量。目前已广泛用于国际安全防御系统，自动控制、告警系统等。告警系统等。市场上常见的有国产的，市场上常见的有国产的，日本的，美国的等。日本的，美国的等。热释电传感器组成：敏感单元，场效应热释电传感器组成：敏感单元，场效应管，高阻抗变换管，滤光窗等。管，高阻抗变换管，滤光窗等。使用时，与菲涅尔透镜配合，可使探测半径从不使用时，与菲涅尔透镜配合，可使探测半径从不足提高到至少范围内。足提高到至少范围内。5）双元型红外传感器14第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器 6）热探测器特点）热探测器特点响应速度较低，响应时间长；响应速度较低，响应时间长；具有宽广、较平坦的光谱响应。具有宽广、较平坦的光谱响应。5、光子探测器、光子探测器 书书P184。灵敏度和响应速度较好，但灵敏度和响应速度灵敏度和响应速度较好，但灵敏度和响应速度受光波波长的影响。受光波波长的影响。6）热探测器特点15第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器四、应用四、应用四、应用16第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器红外测温仪红外测温仪利用热辐射在红外波段的辐射通量来测温。利用热辐射在红外波段的辐射通量来测温。前放同步检波放大选放数显A/D线性化加法器多谐振荡器“”调节光学系统透射系统。光学系统透射系统。步进电机带动调制盘转动。步进电机带动调制盘转动。此外，还有红外线气体分析仪等。此外，还有红外线气体分析仪等。红外测温仪前放同步放大选放数显A/D线性化加法器多谐“17第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器光控自动水龙头原理图：光控自动水龙头原理图：IC1555IC2CX201067805K R1 39k R2 4.7k R3 5.1 R4 4.7 R5 220k R6 20k C1 470p C3 C2 0.1 C4 3.3 C5 330p RP 10k DF VD1 VD1 VD2 VD2 VT1 9013 C7 470 C6 0.1 220vK1 220v V+V+水管+透镜118254678光控自动水龙头原理图：IC1IC27805K R1 R218第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器红外线警戒报警器原理图：红外线警戒报警器原理图：电源K R3 10k R1*R2 51k RP1 10k VD2 2CP10VT13AX31*2 VT2 S 9V K2声光报警器K1+V光源红外接收器报警系统滤光片红外光凸透镜红外线警戒报警器原理图：电K R3 10k R1*R19第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器自动门控制电路原理图：自动门控制电路原理图：HN911关门控制电路关门控制电路负载负载 R1+5V R3 R2 V2 VD V1 C1 RP1 MOC30202S412536 220v增增益益调调节节自动门控制电路原理图：HN911关门控制电路负载 R1+520第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器传感器感测技术第7章-辐射传感器重点课件21第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器7.2核辐射传感器核辐射传感器一、利用核辐射的物理特性工作。一、利用核辐射的物理特性工作。主要由放射源和探测器组成。主要由放射源和探测器组成。二、核辐射源放射性同位素二、核辐射源放射性同位素产生产生、和射线。和射线。放射性同位素原子序数相同，原子质量不同的放射性同位素原子序数相同，原子质量不同的元素。元素。核衰变过程中，释放出射线。放射源强度随时间核衰变过程中，释放出射线。放射源强度随时间按指数定理减低。按指数定理减低。7.2核辐射传感器22第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器衰变的速度取决于衰变常数。通常用半衰期表示衰变的速度取决于衰变常数。通常用半衰期表示衰变的快慢。衰变的快慢。半衰期放射性同位素原子核数衰变到一半所需半衰期放射性同位素原子核数衰变到一半所需的时间。又称为放射性同位素的寿命。的时间。又称为放射性同位素的寿命。核辐射检测除采用半衰期较长的同位素外，还要核辐射检测除采用半衰期较长的同位素外，还要求放射出的射线有一定的辐射能量。求放射出的射线有一定的辐射能量。三、核辐射的物理特性三、核辐射的物理特性、核辐射、核辐射是放射性同位素衰变时，放射出的具有一定能量是放射性同位素衰变时，放射出的具有一定能量和较高速度的粒子束或射线的现象。和较高速度的粒子束或射线的现象。衰变的速度取决于衰变常数。通常用半衰期表示衰变的快慢。23第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器射线带正电荷的高速粒子流。射线带正电荷的高速粒子流。射线带负电荷的高速粒子流。射线带负电荷的高速粒子流。射线不带电。以光速运动的光子流。射线不带电。以光速运动的光子流。射线原子核外的内层电子被激发射出来的电射线原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。磁波能量。放射性强弱用单位时间内发生衰变的次数表示。放射性强弱用单位时间内发生衰变的次数表示。辐射强度单位（贝克），。辐射强度单位（贝克），。、核辐射与物质的相互作用、核辐射与物质的相互作用）和辐射线的吸收、散射、反射。）和辐射线的吸收、散射、反射。）电离作用。）电离作用。射线带正电荷的高速粒子流。24第七章第七章.辐辐 射射 式式 传传 感感 器器四、核辐射探测器四、核辐射探测器即接受器。即接受器。常用的有电离室，闪烁计数器，盖革计数器管。常用的有电离室，闪烁计数器，盖革计数器管。五、应用五、应用）在工业领域中的应用（厚度计，液面计，密）在工业领域中的应用（厚度计，液面计，密度计，荧光材料成分分析仪，材料内部探伤等）；度计，荧光材料成分分析仪，材料内部探伤等）；）在医学领域的应用（医学检测）在医学领域的应用（医学检测“核磁共振核磁共振”成像仪，超检测仪，成像仪，超检测仪，射线肺密度测定仪等）；射线肺密度测定仪等）；）在国防工业领域中的应用（核研究，核检查，）在国防工业领域中的应用（核研究，核检查，核防护等）。核防护等）。四、核辐射探测器25