传感器与检测技术 第2版 课件

传感器与检测技术学习领域6

能量控制型传感器学习领域6其他传感器

6.1红外传感器6.2光纤传感器

6.3激光式传感器

6.4图像传感器6.1红外传感器

6.1.1

红外线传感器基础及分类6.2.2

热释电红外传感器返本章目录6.2.3

红外线传感器的应用6.1.1红外线传感器基础及分类

1.红外线的特点在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外线及无线电等都是电磁波返本章目录返本节目录6.1.1红外线传感器基础及分类

1.红外线的特点返本章目录返本节目录（1）红外线的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外线是一种不可见光，红外线在真空中的传播速度为3×108m/s。（2）红外线在介质中传播会产生衰减。对于波长为1~5µm、8~14µm区域的红外线具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外线能较好地穿透大气层。（3）自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外线辐射。红外线的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。（4）红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。6.1.1红外线传感器基础及分类

2.红外传感器组成与分类返本章目录返本节目录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。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为光子探测器和热探测器两大类。（1）光子探测器工作机理：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。外光电效应、内光电效应、光生伏特效应和光电磁效应。6.1.1红外线传感器基础及分类

1.红外线的特点返本章目录返本节目录（2）热探测器工作机理：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。主要优点：

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。缺点：

探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。6.1.2热释电红外传感器

1.热释电效应返本章目录返本节目录

当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。6.1.2热释电红外传感器

2.热释电红外传感器原理特性返本章目录返本节目录

报警电路中通常采用双探测元热释电红外传感器6.1.2热释电红外传感器

3.热释电红外传感器的优缺点返本章目录返本节目录

此类红外传感器也叫被动红外传感器优点：

传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。缺点：（1）信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；（2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；（3）易受射频辐射的干扰；（4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；（5）被动红外探测器主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。6.1.3红外线传感器的应用

1.被动式红外热释电报警器返本章目录返本节目录6.1.3红外线传感器的应用

2.红外线辐射温度计返本章目录返本节目录

3.红外气体分析仪6.2光纤传感器

6.2.1

光纤的结构和传输原理6.2.2

光纤传感器的分类返本章目录6.2.3

光纤传感器的应用6.2光纤传感器光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘和防爆性好、易与微机连接及便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。返本章目录返本节目录6.2.1光纤的结构和传输原理

1．光纤的结构光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构如图6-10所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层，纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。返本章目录返本节目录6.2.1光纤的结构和传输原理

2．光纤的传输原理光在空间是直线传播的，在光纤中，光的传输被限制在光纤中传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。若要在界面上发生全反射，则入射到纤芯端面的光线入射角θi应小于临界角θc,即θ≤θc（）式中n1——纤芯的折射率；

n2——包层的折射率。返本章目录返本节目录6.2.1光纤的结构和传输原理

3．电光与光电转换器件光纤两端必须与光发射器和光接收器匹配。光发射器实现从电信号到光信号的转换，通常使用的元件是发光二极管（LED）或激光二极管（IED）。返本章目录返本节目录6.2.2光纤传感器的分类

光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振方向等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，由光纤将信息传送到二次仪表去。在这种传感器系统中，传统的传感器和光纤结合起来，大大提高了传输过程中的抗电磁干扰能力，可实现遥测和远距离传输。但光纤在传感器测量系统中仅起信号传输作用

返本章目录返本节目录6.2.2光纤传感器的分类

1．强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器是应用较多的光纤传感器，它的结构比较简单，可靠性高，但灵敏度稍低，目前许多已达到商品化的阶段。（1）反射式（2）遮光式（3）吸收式（4）微弯式（5）接收光辐射式（6）荧光激励式大部分强度调制式光纤传感器都属于传光型，对光纤的要求不高，但希望耦合进入光纤的光强尽量大些，所以一般选用较粗芯径的多模光纤，甚至可以使用塑料光纤。强度调制式光纤传感器的信号检测电路比较简单。返本章目录返本节目录6.2.2光纤传感器的分类

2．相位调制型光纤传感器某些被测量作用于光纤时，将引起光纤中光的相位发生变化。由于光的相位变化难以用光电元件直接检测出来，因此通常要利用光的干涉效应，将光相位的变化量转换成光干涉条纹的变化来检测，所以相位调制型光纤传感器有时又称为干涉型光纤传感器。返本章目录返本节目录6.2.3光纤传感器的应用1．光纤液位传感器光纤液位传感器是利用强度调制型光纤反射式原理制成的当球形端面与液体接触时，因为液体的折射率比空气大，通过球形端面的光透射量增加而反射量减少，由后续电路判断反光量是否少于阈值，就可判断传感器是否与液体接触。返本章目录返本节目录6.2.3光纤传感器的应用2．光纤温度传感器光纤温度传感器是利用强度调制型光纤荧光激励式原理制成的返本章目录返本节目录6.2.3光纤传感器的应用3．光纤压力传感器按光强度调制原理制成被测力——膜片向内弯曲——光纤与膜片间的气隙减小——棱镜与光吸收层之间的气隙发生改变——棱镜界面上全内反射的局部破坏——部分光离开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收——反射回接收光纤的光强减小。返本章目录返本节目录6.3激光式传感器

6.3.1

激光式传感器的工作原理6.3.2

激光器的种类返本章目录6.3.3

激光传感器的应用激光传感器虽然具有各种不同的类型，但他们都是将外来的能量（电能、热能和光能等）转化为一定波长的光，并以光的形式发射出来。激光传感器是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路组成。6.3.1激光式传感器的工作原理

1．激光的本质光的放大和吸收过程返本章目录返本节目录6.3.1激光式传感器的工作原理

2．激光的特点（1）高方向性高方向性就是高平行度，即光束的发散角小。激光束的发散角已达到几分甚至更小，所以通常称激光是平行光。（2）高亮度激光在单位面积上集中的能量很高。（3）高单色性单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。用λ表示波长，Δλ表示谱线宽度，则Δλ越小，单色性越好。（4）高相干性相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。普通光源是非相干光源，而激光是极好的相干光源。返本章目录返本节目录6.3.2激光器的种类1．气体激光器气体激光器的工作物质是气体，其中有各种惰性气体原子、金属蒸气、各种双原子、多原子气体和气体离子等。气体激光器通常是利用激光器中的气体放电过程来进行激励的。光学共振腔一般由一个平面镜和一个球面镜构成，球面镜的半径要比共振腔长大一些。返本章目录返本节目录6.3.2激光器的种类2．固体激光器固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石（掺铬）、钕玻璃（掺钕）和钇铝石榴石（掺钇）。固体激光器的常用激励方式是光激励（简称光泵），也就是用强光去照射工作物质（一般为棒状，安装在光学共振腔中，其轴线与两个反光镜相垂直），使之激发起来，从而发出激光。返本章目录返本节目录6.3.2激光器的种类3．半导体激光器半导体激光器的工作物质是某些性能合适的半导体材料，如砷化镓、砷磷化镓和磷化铟等。其中砷化镓应用最广，将它做成二级管形式，其主要部分是一个PN结半导体激光器的效率较高，可达60%~70%，甚至更高。但其缺点是，激光的方向性比较差、输出功率比较小和受温度影响比较大等。返本章目录返本节目录6.3.3激光传感器的应用

激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特点，应用于测量和加工等方面，可以实现无触点远距离的测量，而且速度高、精度高、测量范围广、抗光电干扰能力强。返本章目录返本节目录6.3.3激光传感器的应用

1．长度检测返本章目录返本节目录6.3.3激光传感器的应用

2．测量车速测速的基本原理如下：当汽车行驶的速度为v时，测出其行驶时切割相距1m的两束激光的时间间隔t，即可算出车速。采用计数显示，在主振荡器频率f=100Hz情况下，计数器的计数值为N时，车速v的表达式可写成返本章目录返本节目录6.4图像传感器

6.4.1热成像技术6.4.2电荷耦合器件返本章目录图像传感器的种类很多，根据图像分解的方式，可分成三种类型，即电子束扫描图像传感器、光-机扫描成像传感器、固态自扫描图像传感器。6.4.1热成像技术热成像技术是在红外检测的基础上发展起来的图像传感器技术。热电成像传感器主要由热电元件和扫描机构等组成。热电成像传感器可以检测到常规光电传感器无法响应的中、远红外信号，并得到发热物体的图像（热像）。热成像技术广泛应用于军事、医学、输变电、化工等许多领域。返本章目录返本节目录6.4.1热成像技术1．红外热像的基本知识发热的物体，由于能主动发出红外线，经过透镜系统，也可以在特殊的屏幕上看到影像，这种成像称为热像。发热的物体，由于能主动发出红外线，经过透镜系统，也可以在特殊的屏幕上看到影像，这种成像称为热像。红外探测器可将物体辐射的红外功率信号转换成电信号，并在计算机成像系统的显示屏上获得与物体表面热分布相对应的热像图。返本章目录返本节目录6.4.1热成像技术2．热成像元件热成像元件有热释电元件探测器及红外光子探测器。（1）热释电元件探测器当某些电介质晶体的温度发生变化时，其表面将产生电荷的变化。如果在这种具有热释电效应的晶体上下两个端面镀覆一对电极，就构成热释电元件。（2）红外光子探测器红外光子探测器是利用红外光子与探测器物质中的电子相互作用的原理制成的，特定波段的红外光子探测器所使用的材料各不相同。返本章目录返本节目录6.4.1热成像技术3．热成像传感器分类根据图像信号的分解方式，可将热成像传感器分成热释电摄像管及红外焦平面热像仪两大类。（1）热释电摄像管热释电摄像管类似于电视摄像管，主要由机械斩光器、物镜、靶面和电子枪四部分组成。被测物体通过物镜，成像在摄像管的靶面上，以热电位分布的方式将目标物体的热像保留在靶面上。（2）红外焦平面热像仪红外焦平面热像仪又称凝视型热像仪，在如图邮票大小的芯片上，集成了数十万个乃至数百万个探测器及其信号放大处理电路。返本章目录返本节目录6.4.1热成像技术4．热成像传感器的应用热成像传感器广泛应用于军事领域。热成像仪能透过烟尘、云雾、小雨及树丛等许多自然或人为的伪装来看清目标。红外热像仪在汽车工业方面可用于诊断汽缸和冷却系统的故障；在电气设备中可用于诊断集成电路、电气接头的过热；在食品加工、保存方面，可用于检查加热或储存温度是否均匀；在发电行业，可以对锅炉保温部分、蒸汽管道、热风管道、发动机、变压器等进行温度监控。在医学方面，医用红外热像诊断仪可以通过吸收人体表面散发出的红外线，由计算机整理、量化后，在屏幕上形成彩色温度图像返本章目录返本节目录6.4.2电荷耦合器件电荷耦合器件（CCD）是一种金属氧化物半导体（M