第一部分红外辐射传感器教学ppt课件

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1、第9 章辐射式传感器第一节第一节红外辐射传感器红外辐射传感器第九章第九章辐射式传感器辐射式传感器第二节第二节超声波传感器超声波传感器第三节第三节核辐射传感器核辐射传感器第9 章辐射式传感器四、红外传感器运用四、红外传感器运用一、红外辐射的根本特点一、红外辐射的根本特点三、红外探测器三、红外探测器二、红外辐射的根本定律二、红外辐射的根本定律第一节第一节红外辐射传感器红外辐射传感器第9 章辐射式传感器第9 章辐射式传感器一、红外辐射的根本特点一、红外辐射的根本特点 1、一一种种不不可可见见光光。波波长长范范围围大大致致在在0.761000 m。工工程程上上又又把把红

2、红外外线线所所占占据据的的波波段段分分为为四四部部分分，即近红外、中红外、即近红外、中红外、远红外和极远红外。远红外和极远红外。 2、红红外外辐辐射射的的物物理理本本质质是是热热辐辐射射。一一个个炽炽热热物物体体向向外外辐辐射射的的能能量量大大部部分分是是经经过过红红外外线线辐辐射射出出来来的的。物物体体的的温温度度越越高高，辐辐射射出出来来的的红红外外线线越越多多，辐辐射射能能量量就就越越强强。自自然然界界中中的的任任何何物物体体，只只需需温温度度在在绝绝对对零零度度以以上，都能产生红外辐射光谱中最大光热效应区。上，都能产生红外辐射光谱中最大光热效应区。第9 章辐射式传感器 3、具有反

3、射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，具有明显的波粒二相性。 4、大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线在经过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35 m和814 m，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，因此红外探测器普通都任务在这三个波段大气窗口之内。第9 章辐射式传感器二、红外辐射的根本定律二、红外辐射的根本定律1、希尔霍夫定律一个物体向周围辐射能量的同时，也吸收周围物体的辐射能，希尔霍夫定律指物体的辐射发射量Er和吸收率之比与物体的性质无关，总等于同一温度下绝对黑体的辐射能量。Er ：物体在单位面积和单位时间内发射

4、出来的辐射能：物体对辐射能的吸收系数E0 ：等价于黑体在一样温度时辐射的能量，为常数第9 章辐射式传感器黑体：能全部吸收投射到其外表的红外辐射的物体。是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，吸收身手与波长和温度无关，即 =1，加热后，发射热辐射与比任何物体都大。镜体：能全部反射红外辐射的物体。透明体：能全部透过红外辐射的物体。灰体：能部分反射或吸收红外辐射的物体。第9 章辐射式传感器2、普朗克定律描画的是黑体辐射发射量的光谱特征，以严厉的数学关系给出：第9 章辐射式传感器E：某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量。：斯忒藩-波尔兹曼常数，5.669710-12

5、w/cm2k4:比辐射率，即物体外表辐射身手与黑体辐射身手之比。T：物体的绝对温度。 3、斯忒藩-波尔兹曼定律物体红外辐射的能量与它本身的绝对温度T的四次方成正比，并与成正比。物体温度越高辐射能量越大。第9 章辐射式传感器4、维恩位移定律物体峰值波长与物体本身的绝对温度成反比。第9 章辐射式传感器三、红外探测器三、红外探测器红外传感器普通由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。1、红外探测器类型1热探测器热探测器的任务机理是：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，经过丈量物理参数的变化来确定探测器所吸收的

6、红外辐射。主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。第9 章辐射式传感器热热释释电电效效应应：电电石石、水水晶晶、酒酒石石酸酸钾钾钠钠、钛钛酸酸钡钡等等晶晶体体受受热热产产生生温温度度变变化化时时，其其原原子子陈陈列列将将发发生生变变化化，晶晶体体自自然极化，在其两外表产生电荷的景象称为热释电效应。然极化，在其两外表产生电荷的景象称为热释电效应。用用此此效效应应制制成成的的“铁铁电电体体，其其极极化化强强度度单单位位面面积积上上的的电电荷荷与与温温度度有有关关。当当红红外外辐辐射射照照射射到到曾曾经经极极化化的的铁铁电电体体薄薄片片外外表表上上时时引引起起薄薄片片温温度度升升高高

7、，使使其其极极化化强强度度降降低低，外外表表电电荷荷减减少少，这这相相当当于于释释放放一一部部分分电电荷荷，所所以以叫叫做做热热释释电电型型传传感感器器。假假设设将将负负载载电电阻阻与与铁铁电电体体薄薄片片相相连连，那那么么负负载载电电阻阻上上便便产产生生一一个个电电信信号号输输出出。输输出出信信号号的的强强弱弱取取决决于于薄薄片片温温度度变变化化的的快快慢慢，从从而而反反映映出出入入射射的的红红外外辐辐射射的的强强弱弱，热热释释电电型型红红外外传传感感器器的的电电压压呼呼应应率率正比于入射光辐射率变化的速率。正比于入射光辐射率变化的速率。第9 章辐射式传感器2光子探测器光子效应：入射光

8、辐射的光子流与探测器资料中的电子相互作用，从而改动电子的能量形状，引起各种电学景象。光子探测器的主要特点是灵敏度高，呼应速度快，具有较高的呼应频率，但探测波段较窄，普通需在低温下任务。第9 章辐射式传感器2、红外探测器根本参数1呼应率输出电压与输入的红外辐射功率之比。 2呼应波长范围红外探测器呼应率与入射辐射的波长的关系。第9 章辐射式传感器3噪声等效功率NEP 假设投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就是噪声等效功率。 4探测率： 5呼应时间参与或去掉辐射源的呼应速度。两种时间相等。第9 章辐射式传感器3、红外探测器的组成红外

9、探测器由光学系统，敏感元件，前置放大器、信号调制器组成，光学系统是其重要组成部分，根据光学系统的构造分为反射式和透射式两种。1反射式红外探测器1.浸没透镜 2.敏感元件 3.前置放大器 4.聚乙烯薄膜 5.次反射镜 6. 主反射镜第9 章辐射式传感器2透射式红外探测器1.光谱 2.维护窗口 3.光栅 4.透镜 5.浸没透镜 6. 敏感元件 7.前置放大器第9 章辐射式传感器四、红外传感器运用四、红外传感器运用1. 红外测温仪第9 章辐射式传感器 2.红外线气体分析仪几种气体对红外线的透射光谱几种气体对红外线的透射光谱第9 章辐射式传感器红外线气体分析仪构造原理图第9 章辐射

10、式传感器3、红外无损探伤仪第9 章辐射式传感器第一节第一节红外辐射传感器红外辐射传感器第九章第九章辐射式传感器辐射式传感器第二节第二节超声波传感器超声波传感器第三节第三节核辐射传感器核辐射传感器第9 章辐射式传感器一、一、超声波的波型及其传播速度超声波的波型及其传播速度第二节第二节超声波传感器超声波传感器二、超声波传感器二、超声波传感器三、超声波传感器运用三、超声波传感器运用第9 章辐射式传感器第二节第二节超声波传感器超声波传感器超声波：高于2104 Hz的机械波第9 章辐射式传感器一、一、超声波的波型及其传播速度超声波的波型及其传播速度 1、超声波波型、超声

11、波波型纵纵波波：质质点点振振动动方方向向与与波波的的传传播播方方向向一一致致的的波波，它能在固体、液体和气体介质中传播；它能在固体、液体和气体介质中传播；横横波波：质质点点振振动动方方向向垂垂直直于于传传播播方方向向的的波波，它它只只能在固体介质中传播；能在固体介质中传播；外外表表波波：质质点点的的振振动动介介于于横横波波与与纵纵波波之之间间，沿沿着着介介质质外外表表传传播播，其其振振幅幅随随深深度度添添加加而而迅迅速速衰衰减减的的波波，外外表波只在固体的外表传播。表波只在固体的外表传播。第9 章辐射式传感器2、超声波传播速度 1 1在气体、液体中传播在气体、液体中传播 2 2在固体

12、中传播在固体中传播纵波在固体中传播：与介质外形有关E E：杨氏模量：杨氏模量：泊松系数：泊松系数K K：体积弹性模量：体积弹性模量 G G：剪片弹性模量：剪片弹性模量横波在固体中传播第9 章辐射式传感器3、超声波的物理性质1 1超声波的反射和折射超声波的反射和折射声波的反射系数和透射系数可分别由如下两式求得: 第9 章辐射式传感器式中：I0, Ir, It：分别为入射波、反射波、透射波声强；、分别为声波的入射角和折射角； 1c1、2c2分别为两介质的声阻抗，其中c1和c2分别为反射波和折射波的速度。当超声波垂直入射界面，即=0时，那么第9 章辐射式传感器由上两式可知，假设2

13、c21c1，那么反射系数R0，透射系数T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；假设2c21c1, 反射系数R1，那么声波在界面上几乎全反射，透射极少。同理，当1c1 2c2时，反射系数R1，声波在界面上几乎全反射。如：在20水温时，水的特性阻抗为1c1 =1.48106kg/(m2s), 空气的特性阻抗为2c2 =0.000 429106 kg/(m2s), 1c1 2c2, 故超声波从水介质中传播至水气界面时，将发生全反射。第9 章辐射式传感器声波在介质中传播时，随着传播间隔的添加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的分散、散射及吸收等要素有关。其声压和声强的衰减规律为

14、式中：Px、Ix距声源x处的声压和声强； x声波与声源间的间隔；衰减系数，单位为Np/cm奈培/厘米。 2 2超声波的衰减超声波的衰减第9 章辐射式传感器声波在介质中传播时，能量的衰减决议于声波的分散、散射和吸收。声波的分散：随声波传播间隔添加而引起声能的减弱。散射衰减：超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而构成散射。散射衰减与散射粒子的外形、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减：由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时呵斥质点间的内摩擦，从而使一部分声能转换为热能，经过热传导进展热

15、交换，导致声能的损耗。第9 章辐射式传感器3 3超声波的波型转换超声波的波型转换第9 章辐射式传感器主要由压电晶片、吸收块阻尼块、维护膜、引线等组成。压电晶片多为圆板形，厚度为。超声波频率f与其厚度成反比。压电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械质量，吸收声能量。假设没有阻尼块，当鼓励的电脉冲信号停顿时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。二、超声波传感器二、超声波传感器第9 章辐射式传感器三、超声波传感器运用三、超声波传感器运用 1、超声波物位传感器第9 章辐射式传感器2、超声波流量传感器第9 章辐射式传感器普通

16、来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，因此超声波传播时间差为由于cv, 从上式便可得到流体的流速，即第9 章辐射式传感器此时超声波的传输时间将由下式确定：第9 章辐射式传感器3、超声波探伤脉冲发生器脉冲发生器接纳放大接纳放大显示器显示器探头探头发射波发射波接纳波接纳波缺陷波缺陷波第9 章辐射式传感器高频延续高频延续波发生器波发生器试试件件放大器放大器显示器显示器发射发射探头探头接纳接纳探头探头第9 章辐射式传感器4、超声波测温第9 章辐射式传感器主控器主控器发射电路发射电路探探头头反反射射板板控制电路控制电路时钟电路时钟电路计数器计数器放大整形放大整形接纳波接纳波

17、发射波发射波第9 章辐射式传感器第一节第一节红外辐射传感器红外辐射传感器第九章第九章辐射式传感器辐射式传感器第二节第二节超声波传感器超声波传感器第三节第三节核辐射传感器核辐射传感器第9 章辐射式传感器第三节第三节核辐射传感器核辐射传感器一、核辐射根本知识一、核辐射根本知识同位素：具有一样的核电荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素。核辐射：假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出射线、射线、射线、X射线等，这种景象称为核辐射。而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。衰变：某种物质，在没有任何外界作用时，原子核向外辐射出某种射

18、线而变成另外一种元素。衰变规律：放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即第9 章辐射式传感器式中： J0开场时的放射源强度； 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：指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需求的时间，又称为放射性同位素的寿命。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，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需20种左右，例如Sr90锶、Co60钴、Cs铯、Am241镅等。P244表10-2。第9 章辐射式传感器1. 射线质量为4.002 775u(原子质量单位)，带有正电荷，实践上即

19、为氦原子核，这种粒子流通常称作射线。普通粒子具有40100MeV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，粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。原子质量单位：12C原子质量1.992710-26kg,其质量的十二分之一 1.660610-27kg。二、核辐射的种类二、核辐射的种类第9 章辐射式传感器 2. 射线粒子的质量为0.000 549 u，带有一个单位的电荷。它所带的能量为100 keV几兆电子伏特。粒子的运动速度均较粒子的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。 3. 射线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

20、改动其组成过程称为衰变或称跃迁，发生跃迁时所放射出的射线称射线或光子，是以光速运动的光子流，不带电。4. X射线原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。第9 章辐射式传感器三、核辐射与物质的相互作用三、核辐射与物质的相互作用 1、核辐射线的吸收、散射与反射射线的穿透才干最强，射线次之，射线最弱。粒子或射线能量的衰减关系：第9 章辐射式传感器射线散射才干最强，随物质的原子序数增大而增大。当原子序数增大到极限情况时，投射到反射物质上的粒子几乎全部反射回来。反射的大小与反射物质的厚度有关系：第9 章辐射式传感器2、、射线与物质的相互作用1电离当、射线穿过物质时，使其分子或原子的轨道

21、电子产生加速运动，假设此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为自在电子，从而产生一对自在电子和正离子组成的离子对。这种景象称为电离。2激发假设在相互作用中，轨道电子获得的能量还缺乏以使它脱离原子成为自在电子，仅使自在电子从低能级跃迁到高能级，这种相互作用称为激发。第9 章辐射式传感器3、射线与物质的相互作用1光电效应2康普顿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，光子那么被吸收，这种景象称为光电效应。光电效应也伴随有次级辐射产生。当射线经过物质时，由于发生光电等效应的结果，它的强度将减弱，它也遵照指数衰减规律。入射光子原子光子电子入射光子与

22、介质中的电子发生碰撞，光子偏离原来的方向，同时将一部分能量转移给电子，使电子按射出。第9 章辐射式传感器由于散射效应，按原来方向进展的粒子的数目将减少，但远小于电离和激发效应引起的粒子的数目的减少。在检测技术中，射线的电离效应、透射效应和散射效应都有运用，但以电离效应为主，用粒子来使气体电离比其它辐射强得多。和粒子一样，粒子在穿经物质时，会使组成物质的分子或原子发生电离，但与射线相比射线的电离作用较小。由于粒子的质量比粒子小很多，因此更易被散射。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，使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-h

23、第9 章辐射式传感器式中：J0和J粒子穿经厚度为h、密度为的吸收体前后的强度；线性吸收系数。射线与射线相比，透射才干大，电离作用小。在检测中主要是根据辐射吸收来丈量资料的厚度、密度或分量，根据辐射的反射来丈量覆盖层的厚度，利用粒子很大的电离才干来丈量气体流的。与射线相比，射线的吸收系数小，它透过物质的才干最大，在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固体物质，其电离作用最小。在丈量仪表中，根据辐射穿透力强这一特性来制造探伤仪、金属厚度计和物位计等。第9 章辐射式传感器1. 电离室四、核辐射传感器四、核辐射传感器常用的核辐射探测器有：电离室、正比计数管、盖革弥勒计数管

24、、闪烁计数器和半导体探测器等。第9 章辐射式传感器普通电离室任务在特性曲线的饱和段，其输出电流正比于射到电离室上的核辐射强度。第9 章辐射式传感器差分电离室第9 章辐射式传感器 2. 正比计数管放放大大作作用用仅仅限限于于芯芯线线近近旁旁，所所以以可可得得到到与与放放射射线线的的入入射射区区域域无无关关的的一一定定的的放放大大倍倍数数。由由于于放放大大而而产产生生的的阳阳离离子子迅迅速速分分开开气气体体放放大大区区域域而而产产生生输输出出脉脉冲冲。输输出出脉脉冲冲的的大大小小正正比比于于因因放放射射线线入入射射而而产产生生电电子子、正正离离子子对对的的数数目目，而而电电子子、正正离

25、离子子对对数数正正比比于于气气体体吸吸收收的的放放射射线线的的能能量量。因因此此，正正比比计计数数管管可可以以探探测测入入射射放放射射线线的的能量。能量。第9 章辐射式传感器 3. 盖革-弥勒计数管与电离室不同的地方主要在于任务在气体放电区域，具有放大作用。第9 章辐射式传感器盖革-弥勒计数管特性曲线第9 章辐射式传感器4. 闪烁计数器物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲状的光的景象称为闪烁景象。能产生这样发光景象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电能而进展探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成。第9 章辐射式

26、传感器闪烁晶体的种类很多，按化学组成成分可分为有机和无机两大类，按物质形状分那么可分为固态、液态和塑料等类型。通常运用固态闪烁体，其中有银激活的硫化锌ZnS(Ag)、铊激活的碘化钠NaI(T1)、铊激活的碘化铯CsI(T1)、金激活的碘化锂LiI(Au)等。有机闪烁体中运用最广的有蒽、芪、三联苯和萘等。第9 章辐射式传感器光电倍增管的作用为接受闪烁体发射的光子将其变为电子并将这些电子倍增放大为可丈量的脉冲。光电倍增管可以分为电场聚焦型和无聚焦型两类。在每一类中，按照次阴极的几何外形及陈列方式的不同又分为几种。放射性同位素检测仪表中常用的GDB-19和GDB-10分别为

27、直线聚焦型和百叶窗式无聚焦型。光电倍增管的根本特性有光特性、阳极的电流电压特性、光阴极的光谱呼应等。入射到光阴极上的光通量F与阳极电流ia之间的关系称为此光电倍增管的光特性，普通光电倍增管的ia与光通量F成正比。在一定的光通量F中，光电倍增管的阳极电流与任务电压的关系是电流随任务电压的添加而急剧上升，上升到某一值后到达饱和。第9 章辐射式传感器光谱呼应是指光阴极发射光电子的效率随入射光波长而变化的关系。在组合闪烁计数器时，光电倍增管的光谱灵敏度范围必需和闪烁晶体发出的光谱相配合。闪烁计数器负载电阻上产生脉冲，其幅度普通为零点几伏到几伏，较盖革-弥勒计数管的输出脉冲的幅度为小。闪烁计数器

28、的输出脉冲与入射粒子的能量成正比，它探测射线的效率在20%30%以上，比盖革-弥勒计数管和离子室高很多；它探测、射线的效率接近100%。由于闪烁体中一次闪烁的继续时间很短, 故最大计数率普通为106108数量级。假设输出采用电流法，那么记录的辐射强度不受限制。第9 章辐射式传感器 5. 半导体探测器半导体探测器是近年来迅速开展起来的一种射线探测器。我们知道荷电粒子一入射到固体中就与固体中的电子产生相互作用并失去能量而停顿。入射到半导体中的荷电粒子在此过程产生电子和空穴对。而X射线或射线由于光电效应、康普顿散射、电子对生成等而产生二次电子，此高速的二次电子经过与荷电粒子的情况一样的

29、过程而产生电子和空穴。假设取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。就半导体而言，主要运用的是Si和Ge，对GaAs、CdTe等资料也进展了研讨。目前, 开发的半导体传感器有PN结型传感器、外表势垒型传感器、锂漂移型传感器、非晶硅传感器等。第9 章辐射式传感器透射式厚度计五、核辐射传感器的运用 1. 核辐射厚度计第9 章辐射式传感器透射式厚度计射到探测器的透射射线强度J和物体厚度t的关系为 J=J0e-t 或式中：被测资料的密度；被测资料对所用射线的质量吸收系数；J0没有被测物体时射到探测器处的射线强度。第9 章辐射式传感器零位法透射式厚度计第9 章辐射式传感器

30、散射法: 放射源和核辐射探测器可置于被测物质的同一侧，射入的被测物质中的射线，由于和被测物质的相互作用，而使得其中的一部分射线反向折回，并进入位于与放射源同侧的核辐射探测器而被丈量。射到核辐射探测器处的后向散射射线强度与放射源至被测物质的间隔，以及与被测物质的成分、密度、厚度和外表形状等要素有关，因此改动其中一个参数而坚持其它参数不变，那么测得的射线强度将仅随该参数而变化。利用这种方法可丈量薄板的厚度、覆盖层厚度、资料的成分、密度等参数。这种方法的优点为非接触丈量，且不损坏被测物质。第9 章辐射式传感器射线强度与散射体厚度之间的关系式为 J散=J饱和1-e-kt 式中：t和散射体的

31、厚度和密度； J散和J饱和厚度为t和厚度为“无限大时的后向散射射线强度； k与射线能量有关的系数。第9 章辐射式传感器 2. 辐射式物位计(射线) 图 (a) 定点丈量: 将射线源I0与探测器安装在同一平面上，由于气体对射线的吸收才干远比液体或固体弱，因此当物位超越和低于此平面时，探测器接纳到的射线强度发生急剧变化。可见，这种方法不能进展物位的延续丈量。第9 章辐射式传感器图 (b) 将射线源和探测器分别安装在容器的下部和上部，射线穿过容器中的被测介质和介质上方的气体后到达探测器。显然，探测器接纳到的射线强弱与物位的高度有关。这种方法可对物位进展延续丈量，但是丈量范围比较窄 (普通为300500 mm)，丈量准确度较低。第9 章辐射式传感器3. 核辐射流量计放射源电极电极气流EA

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