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《第10章胡向東傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件.ppt》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、第10章輻射與波式傳感器10.1紅外傳感器10.1.1工作原理紅外輻射紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.76～1000μm。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。電磁波譜圖紅外輻射紅外輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度（－273℃），就會(huì)向外部空間以紅外線的方式輻射能量，一個(gè)物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射這種形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。另一方面，紅外線被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱能。紅外線作為電磁波的一種形
2、式，紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、干涉和吸收等。紅外線在真空中傳播的速度等于波的頻率與波長(zhǎng)的乘積。10.1.2紅外探測(cè)器紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示單元等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。1.熱探測(cè)器熱探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測(cè)量物理參數(shù)的變化來(lái)確定探測(cè)
3、器所吸收的紅外輻射。特點(diǎn)：熱探測(cè)器主要優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個(gè)紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。但與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。熱探測(cè)器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測(cè)器在熱探測(cè)器中探測(cè)率最高，頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測(cè)器倍受重視，發(fā)展很快。這里我們主要介紹熱釋電型探測(cè)器?！拌F電體”的極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負(fù)載電
4、阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。2.光子探測(cè)器光子探測(cè)器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探測(cè)器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起光子效應(yīng)。根據(jù)光子效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器稱為光子探測(cè)器。通過光子探測(cè)器測(cè)量材料電子性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。10.1.2紅外傳感器的應(yīng)用1.紅外測(cè)溫儀紅外測(cè)溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來(lái)測(cè)量溫度的。當(dāng)物體的溫度低于1000℃時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅
5、外探測(cè)器檢測(cè)其溫度。2.紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對(duì)紅外線具有選擇性的吸收的特性來(lái)對(duì)氣體成分進(jìn)行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同，從圖中可以看出，CO氣體對(duì)波長(zhǎng)為4.65μm附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力，CO2氣體則發(fā)生在2.78μm和4.26μm附近以及波長(zhǎng)大于13μm的范圍對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收能力。如分析CO氣體，則可以利用4.26μm附近的吸收波段進(jìn)行分析。幾種氣體對(duì)紅外線的透射光譜光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3～10μm的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)。測(cè)量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（
6、如N2等）。紅外檢測(cè)器是薄膜電容型，它有兩個(gè)吸收氣室，充以被測(cè)氣體，當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。測(cè)量時(shí)（如分析CO氣體的含量），兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測(cè)量氣室和參比氣室，由于測(cè)量氣室中含有一定量的CO氣體，該氣體對(duì)4.65μm的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力，而參比氣室中氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測(cè)器的兩個(gè)吸收氣室的紅外線光造成能量差異，使兩吸收室壓力不同，測(cè)量邊的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向，改變了薄膜電容兩電極間的距離，也就改變了電容C。如被測(cè)氣體的濃度愈大，兩束光強(qiáng)的差值也愈大，則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測(cè)氣體的濃度。
7、紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖為了消除干擾氣體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。所謂干擾氣體，是指與被測(cè)氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2在4～5μm波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對(duì)分析CO氣體帶來(lái)影響，這種影響稱為干擾。為此在測(cè)量邊和參比邊各設(shè)置了一個(gè)封有干擾氣體的濾波氣室，它能將與CO2氣體對(duì)應(yīng)的紅外線吸收波段的能量全部吸收，因此左右兩邊吸收氣室的紅外能量之差只與被測(cè)氣體（如CO）的濃度有關(guān)。設(shè)置濾波氣
