《检测与传感第十二章.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《检测与传感第十二章.（47页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、检测与传感技术 第11章 微波传感器 1. 微波的范围 300MHz-3000GHz；波长范围1m-0.1mm 上节内容复习 2. 特点 似光性、似声性、穿透性、宽频带特性、热效应、散射性 、分析方法的独特性 3. 传输方式 在无界空间、半无界空间、沿导波装置 4. 传播模式 TEM 、TM 、TE 5. 微波传播 （1）基本原理：由于大气层或电离层的连续折射而实现的 （2）衰减：吸收、散射 （3）衰落：指信号电平随时间的随机起伏（慢衰落、快衰落） 6. 微波传感器的分类反射式(位置、位移); 透射式(厚度、含水量) 7. 微波传感器的组成 微波发射器：速调管、行波管、回旋管 微波天线：喇叭天
2、线、杆状天线、椭圆形天线（匹配） 微波检测器：非线性元件肖特基结、约瑟夫逊结 上节内容复习 8. 微波传感器的特点 9. 微波传感器的应用 优点： 非接触； 频谱宽；可在恶劣环境下工作；可进行动态检测 缺点：水的吸收作用强；易受外界电磁干扰等环境影响 （1）微波液位计 （2）微波湿度传感器 （3）微波测厚仪 （4）微波辐射计 （5）多普勒效应测速 （6）射频识别系统 1比特系统、数据载体系统 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 自从1800年英国天文学家威廉赫歇尔发现红外 辐射至今，红外技术的发展经历了两个多世纪。但 受到红外元器
3、件的限制，红外遥感技术发展很缓慢, 直到1940年德国研制出硫化铅和几种红外透射材料 后，才真正出现现代的红外技术。 1. 红外技术的发展 此后德国首先研制出主动式红外夜视仪等几种红 外探测仪器，但它们都未能在第二次世界大战中实际 使用。同时，美国也在研制红外夜视仪，虽然试验成 功的时间比德国晚，但却抢先将其投入实战应用。之 后，英国、前苏联等国也竞相发展。 目前，红外技术已经广泛应用于单兵装备、装甲 车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器 制导等各个领域。 红外热像仪 一种装有成像仪和 激光测距仪 的轻型观测瞄准仪 （图）右上小图为自然光下观察到的情况，大图为热 成像观察到的图象，从
4、中可以看到掩蔽在树丛中的人员 。 （热成像仪可以使依靠自然伪装的保护完全失效） （1）红外辐射的性质。包括受热物体辐射在光谱、强度 和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性-反射、折射、 衍射和散射； （2）红外元件、部件的研制。包括辐射源、红外窗口材 料等； （3）把各种红外元部件构成系统的光学、电学和精密机 械； （4）红外技术在军事上和国民经济中的应用。 2. 红外技术包含的内容 红外技术的研究涉及的范围相当广泛：目标的红外辐射 特性等材料问题；红外元部件及系统等应用问题。 红外线即红外辐射，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。波长范围大致在0.76-100
5、0m。 3. 红外辐射及红外辐射源 (1) 红外辐射 红外线在电磁波谱中的位置如上图。 工程上又把红外线所占 据的波段分为四部分：近红外、中红外、远红外和极远红外。 红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外 辐射的能量是通过红外线辐射出来的。 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。 物体温度越高，其具有的能量越多，辐射出的电磁波 能量越大； 物体温度越低，其具有的能量越少，辐射出的电磁波 能量越小 a. 红外线的本质 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
6、在不同的吸收带。 b. 大气窗口 红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高： 2-2.6m 3-5m 8-14m 大气窗口 红外探测器 一般都工作在这大气窗口之内 （夜间监视、森林防火） 各种极性分子的气体如：H20、S02、CO2、HCL、CH4等气 体对红外光都具有吸收作用； 对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。 c. 气体对红外线的吸收 红外线气体分析仪 分子中正负电荷中心不重合，电荷的分布 不均匀、不对称 能够发射红外电磁波的物体和器件，称为红外辐射源。 它通常分为以下几类： （2） 红外辐射源 是一个理想化了的物体，它能够吸收外来的全部电磁辐 射，并且不会有任何的反射
7、与透射。 室温下，黑体放出的基本为红外线，但当温度涨幅超过 了百度之后，黑体开始放出可见光。 标准辐射源。用于实验室中红外仪器和系统标定。（ 黑体模型、能斯脱灯） 能斯脱灯 是一种电子供给动力白炽灯. 它没有使用发光钨丝，而使用 了陶瓷来产生光。 自然红外源。(太阳、月球、行星、大气和云层等) 发光二极管和半导体激光器、固体和气体激光器； 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。 工业用辐射源。包括碳弧灯、钨灯、电加热的杆 状和面状辐射器、气体加热辐射器等； 碳弧灯是爱迪生发明白炽灯以前，人 类用于实际照明的第一种电光源
8、。 它是利用两根接触的碳棒电极在空气 中通电后分开时所产生的放电电弧发 光的电光源。 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。 4. 红外探测器 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。 一类是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； 另一类是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。 热探测器 光子探测器 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
9、探测光辐射包括两个过程： Step1：吸收光辐射能量后，探测器的温度升高； Step2：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。 （1）热探测器 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，热探测器件主要分为四类： 热敏电阻型：半导体吸收红外辐射电阻率发生变化，用电阻率的 改变量度量红外辐射的强弱 热电阻型：导体或半导体吸收红外辐射电阻发生变化，用电阻的 改变量度量红外辐射的强弱 气体型探测器：也称高莱管,为科学家高莱于1947年所发明。其 原理是气体密闭在室内，吸收红外辐射后，气体温度升高体积膨
10、胀 ，光杠杆和光电池将微小的体积膨胀转变成电量的变化，用以度量 红外辐射的强弱。 热释电型：利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的效应 制成的一种热敏型红外探测器。 应用最广 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。 极化强度与温度有关。 将热释电材料做成薄片， Step1： 当红外辐射入射到薄片表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变 化，引起极化强度的变化，从而使薄片的两表面之间出现瞬态电压： Step2：若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放
11、出来。 电流的大小与薄片的温度变化率成正比，即与入射辐射红 外线的强弱成正比。 探测原理 ： 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。 （2）光子探测器 光子探测器的主要特点： 优点：灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率； 缺点：探测波段较窄，需在低温下工作 光子探测器有内光电和外光电探测器 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间 发出红外辐射能量，都是红外辐射的发射源。如汽车、动 植物、人体都是红外辐射源，但发射的红外波长不同。 （1）红外感应系统 物体温度越高，辐射出的电磁波能量越大，辐射的红 外线波长越短 物体温度越低，辐射出的电磁波能量越小，辐射的红 外
12、线波长越长 红外感应实际就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。 3 红外传感器的应用 E=h 光的频率 h普朗克常数=6.62610-34(Js) 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。 菲涅尔透镜：多是由聚合树脂或玻璃压制而成的薄片，利用光的 干涉及绕射原理来设计的，相当于红外线及可见光的凸透镜。 （效果较好，成本比普通的凸透镜低） （
13、2）红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是利用不同气体对红外线具有不同的吸收 特性而进行气体成分和含量分析的仪器。 几种气体对红外线的透射光谱图 图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4.65m附近的红外线具有很强的吸 收能力； （如分析CO气体，则可以利用4.65m附近的吸收波段进行分析） CO2气体则发生在2.78m和4.26m附近以及波长大于 13m的范围对红外线有较强的吸收能力； 下图是工业用红外线气体分析仪的结构原理图。由红 外线辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。 红外线气体分析仪结构原理图 光源由镍铬丝通电加热发出3 10m的红外线，切光片
14、将连续的红 外线调制成脉冲状的红外线，以便 于红外线检测器信号的检测。 测量气室中通入被分析气体， 参比气室中封入不吸收红外线的气 体（如N2等）。 红外探测器是薄膜电容型，当 测量室吸收红外线后，薄膜发生偏 移，电容值会发生变化，根据电容 变化大小测定气体浓度。 图中滤波气室的作用是：消除干扰气体对测量结果 的影响。 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45m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
15、，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。 具有相同核电荷数（质子数），而有不同质量数 （质子数+中子数）的原子所构成的元素称为同位素。 若某种同位素的原子核在没有任何外因作用下自 动变化，放射出射线，这种变化称为放射性衰变。 12.2 核辐射传感器 核辐射传感器是利用放射性同位素在衰变时发出的 射线来进行测量的。 1 核辐射主要射线及其性质 放射性同位素种类很多，但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，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。 实验表明，放射源的强度是随着时间按指数规律递减的，即 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； 放射性衰变常数。 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 射线,带正电荷的高速粒子流; 射线,带负电荷的高速粒子流电子流; 射线,一种光子流，不带电，以光速运动，由原子 核内放射出; 核辐射中常用的射线为: 、 粒子的质量为4.002775u(原子质量单位，它被定义为
