第十一章 红外和辐射式传感器
11红外传感器习题及解答
第11 章红外传感器一、单项选择题1、下列对红外传感器的描述错误的是（）。
A. 红外辐射是一种人眼不可见的光线B. 红外线的波长范围大致在0.76~1000卩m之间C. 红外线是电磁波的一种形式，但不具备反射、折射特性D. 红外传感器是利用红外辐射实现相关物理量测量的一种传感器。
2、对于工业上用的红外线气体分析仪，下面说法中正确的是（）A. 参比气室内装被分析气体B. 参比气室中的气体不吸收红外线C.测量气室内装N2D. 红外探测器工作在“大气窗口”之外3、红外辐射的物理本质是（）A核辐射B •微波辐射 C •热辐射D •无线电波4、对于工业上用的红外线气体分析仪，下面说法中错误的是（）A.参比气室内可装N2B. 红外探测器工作在“大气窗口”之内C.测量气室内装被分析气体D. 参比气室中的气体要吸收红外线5、红外线是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。
它的波长范围大致在（）到1000卩m的频谱范围之内。
A.0.76nmB.1.76nmC.0.76 卩mD.1.76 卩m6、在红外技术中，一般将红外辐射分为四个区域，即近红外区、中红外区、远红外区和（）。
这里所说的“远近”是相对红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离而言。
A. 微波区B. 微红外区C.X 射线区D. 极远红外区7、红外辐射在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是0.2〜2.6卩m、3〜5卩口和（）,统称它们为“大气窗口”。
A.8 〜14 [1 mB.7 〜15 卩mC.8 〜18 卩mD.7 〜14.5 卩m8、红外探测器的性能参数是衡量其性能好坏的依据。
其中响应波长范围（或称光谱响应），是表示探测器的（）相应率与入射的红外辐射波长之间的关系。
A. 电流B. 电压C. 功率D. 电阻9、光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照下，产生（）。
使材料的电学性质发生变化。
通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。
光子效应所制成的红外探测器。
红外传感器-(最全的)课件
智能空调能检测 出屋内是否有人，微 处理器据此自动调节 空调的出风量，以达 到节能的目的。
围上 下 范
左右范围
空调中，热释电传感器的菲涅尔 透镜做成球形状，从而能感受到屋内 一定空间角范围里是否有人，以及人 是静止着还是走动着。
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问题思考：自动门如何探测人的靠近？
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2. 光子探测器 光子探测器的工作机理是：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。 根据光子效应制成的红外探测器称为光子探测器。 通过光子探测器测量材料电子性质的变化，可以确定红外 辐射的强弱。
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红外传感器的应用
1. 红外测温仪
红外测温是目前较先进的测温方法，特点有： 1. 远距离、非接触测量，适应于高速、带电、高温、高压； 2. 反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在μs量
级； 3. 灵敏度高，辐射能与温度T成正比； 4. 准确度高，可达0.1℃内； 5. 应用范围广泛，0下～上千度。
14 .
热释电报警器（续）
菲涅尔透镜
Φ 5mm接
插件
17.09.2024
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热释电报警器（续）
吸顶式 热释电报警器
17.09.2024
16 .
案例3.热释电红外线传感器
热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测 元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其 转换成电压信号输出。同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。 将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、 防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场 所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及×射线、 射线自动报警 等。
第10章 辐射式传感器
第10章辐射式传感器三种辐射式传感器：红外辐射传感器、超声波传感器、核辐射（Nuclear Radiation）传感器。
10.1 红外辐射（Infrared Radiation）传感器应用：红外制导火箭、红外成像、红外遥感10.1.1红外辐射的基本特点红外辐射：就是红外光（不可见光），其波长为1.0~1000μm红外辐射(红外光)的最大特点：具有光热效应，能辐射热量任何物体温度>绝对00(-2730C)红外辐射（即发出红外线）物体温度越高发出红外线越多辐射的能量越强不可见光10.1.2 红外辐射的基本定律1. 希尔霍夫定律希尔霍夫定律：一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。
在同一个温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领。
0E E r α=E r —物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能 α—该物体对辐射能的吸收系数E 0—等价于黑体在相同温度下发射的能量，是个常数黑体：在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，黑体的吸收本领最大，但加热后，它发射的热辐射比任何物体的都要大。
2. 斯忒藩—玻尔兹曼定律物体温度越高，它辐射出来的能量越大。
4T E σε=T —物体的绝对温度σ—斯忒藩—玻尔兹曼常数，4212/106697.5K cm W -⨯=σ ε—比辐射率E —物体在温度T 时单位面积和单位时间的红外辐射的总能量3. 维恩位移定律热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。
)(2897m Tm μλ=λm —物体峰值辐射波长 T —物体自身的绝对温度10.1.3 红外探测器（传感器）（Infrared Detector ）红外探测器分为：热敏探测器—基于热电效应 光子探测器—基于光子效应1. 红外探测器的基本参数（1） 响应率（2） 响应波长范围 （3） 噪声等效功率 （4） 探测率 （5） 响应时间2. 红外探测器的一般组成由光学系统、敏感元件、前置放大器、信号调制器组成。
核辐射传感器原理及其应用举例ppt
多功能化
核辐射传感器正向着多功能化方 向发展，除了基本的辐射检测功 能外，还集成了温度、湿度、压 力等多种传感器，满足更广泛的
应用需求。
技术挑战
灵敏度和准确性
提高核辐射传感器的灵敏度定性
抗干扰能力
核辐射传感器在实际应用中可能会受 到各种干扰因素的影响，如电磁噪声、 温度波动等，提高抗干扰能力是技术 发展的另一关键挑战。
核辐射传感器在核能领域的应 用包括核反应堆监控、核废料 处理和核燃料循环等，能够确 保核设施的安全运行和放射性
废物的有效处理。
在环保领域，核辐射传感器可 用于监测放射性污染和核事故 应急响应，保护环境和公众健 康。
对未来发展的展望
随着科技的不断进步和应用需求的增 加，核辐射传感器将朝着更高精度、 更低成本、更小体积和更智能化方向 发展。
在医疗领域，核辐射传感器用于 放射性治疗和诊断，如放射性药 物、放射性造影剂等，提高疾病 诊断和治疗的效果。
在安全领域，核辐射传感器用于 检测和防止核材料走私、恐怖袭 击等安全威胁，维护社会稳定和 公共安全。
02
核辐射传感器原理
核辐射基本知识
1
核辐射是原子核内部结构变化产生的能量释放， 包括α射线、β射线和γ射线等。
安全防护
在核能、核技术等领域，核辐射传感器用于监测工作人员所受的辐射剂量，及 时采取防护措施，保障人员安全。
04
核辐射传感器的发展趋势与挑战
发展趋势
技术创新
随着科技的不断进步，核辐射传 感器在材料、工艺和设计等方面 不断创新，提高其性能和稳定性。
智能化和网络化
核辐射传感器正朝着智能化和网 络化方向发展，能够实现远程监 控、数据自动处理和实时传输等
红外辐射传感器
目录
• 红外辐射传感器简介 • 红外辐射传感器的技术特性 • 红外辐射传感器的优势与局限性 • 红外辐射传感器的应用实例 • 未来发展趋势与挑战 • 红外辐射传感器与其他传感器的比较
01 红外辐射传感器简介
定义与工作原理
定义
红外辐射传感器是一种能够检测 红外辐射并将其转换为可测量信 号的装置。
精度
红外辐射传感器的精度通常在±2%或更低，这取决于制造工艺和材料质量。
响应时间与动态特性
响应时间
红外辐射传感器的响应时间通常在毫 秒级别，具体取决于传感器类型和制 造工艺。
动态特性
一些高性能的红外辐射传感器具有快 速响应和良好的动态特性，能够跟踪 高速移动目标和快速变化的环境。
稳定性与可靠性
稳定性
普及教育与应用培训
加强红外辐射传感器的普及教育和应用培训，提高用户对红外技术 的认知和应用能力。
06 红外辐射传感器与其他传 感器的比较
与接触式温度传感器的比较
总结词
红外辐射传感器在非接触测温方面具有优势
详细描述
红外辐射传感器通过测量目标物体的红外辐射能量来推断其温度，无需直接接触目标物 体。这使得红外辐射传感器在高温、高压或腐蚀性等恶劣环境下具有更高的安全性和可
红外辐射传感器通过测量目标物体的红外 辐射来推断其温度，不需要直接接触目标 物体，因此可以远程测量。
快速响应
宽测量范围
红外辐射传感器通常具有较快的响应速度 ，可以在短时间内对目标物体的温度变化 做出反应。
红外辐射传感器的测量范围通常很宽，可 以测量从常温到数千度的目标物体。
局限性
环境温度影响 红外辐射传感器的测量结果会受 到周围环境温度的影响，因此需 要采取措施来减小这种影响。
CH10
第10章 波式和辐射式传感器 波式传感器是利用超声波、微波能在空间传播，具有聚束、定向及反射、透射等特性；辐射式传感器是利用红外线在空间也是以波的形式直线传播的，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带；核辐射传感器是利用放射性同位素蜕变产生的射线能够穿过物质或被物质吸收的特性。
这种非接触式传感器可以实现精确、快速、自动无损检测各种参数,应用于各种场合，如雷达、遥感、红外跟踪、红外成像、警戒、工业探伤和材料成分等。
本章重点介绍超声波式、微波式、红外式和核辐射式四种类型的传感器，主要讲述传感器的原理、特点、传感器的结构及传感器的实际应用。
10.1超声波传感器超声波和声音一样，是一种机械振动波，是机械振动在弹性介质中的传播过程。
超声波检测是利用不同介质对超声波传播的影响来探测物体和进行测量的一门检测技术。
近三十年来，超声波检测技术在工业领域中的应用与其他无损检测的手段相比，无论从使用效果、经济价值和适用范围来看，都有很广泛的发展前途。
因此在一些大型企业和部门，都对超声波检测的研究和应用极为注意，主要应用在物位检测、厚度检测和金属探伤；在医学上，主要用于超声检查、超声清洗等。
10.1.1 超声波的测量原理1. 超声波及其性质1) 超声波及其波形振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。
其频率在16Hz～2×104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16 Hz的机械波，称为次声波；高于2×104 Hz的机械波，称为超声波，频率在3×108Hz～3×1011Hz之间的波，称为微波。
当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波形转换等现象。
声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，造成声波的波形也不同。
一般有以下几种：①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播。
辐射式传感器PPT课件
场效应管
两块反向
串联的热
释电晶片
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11
10.2热释电传感器工作原理
热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱 型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个 不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动 时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上 的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信 号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面， 它是“视而不见”的。
可分为“热探测器”和“光子探测器”两类。 1).热探测器 • 热探测器在吸收红外辐射能后温度升高，引起某种物理性质的
变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。常用的物 理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热 释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸 发现象等。因此，只要检测出上述变化，即可确定被吸收的红
• 用这些物理现象制成的热电探测器，在理论上对一切波长的红 外辐射具有相同的响应。但实际上仍存在差异。其响应速度取
.
7
• 热释电传感器是一种检测物体辐射的红外能量的传感 器，它是利用PZT等晶体结构的表面电荷极化随其温 度变化而改变这种特性的传感器。
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8
• 图为热释电传感器的内部结构 其内部结构是由窗口、具有热释 电效应的PZT板以及高阻抗低噪 声的FET组合而成，将其封入壳 内，保持密封性并防止外来噪声 的混入。PZT板表面吸收红外线， 并在受光面的里外各自安装取出电 荷的一对电极，通过改变电极对数 与接线方式，就可进行各种量的检 测。
.
4
2. 红外辐射的基本定律 1).基尔霍夫定律 • 物体向周围发射红外辐射能时，同时也吸收周围物体发射的红
第11章-波和射线式传感器
管道外
超声波流速测量
• 这种方法必须求出声速,否则会引入误差。 • 如何不用声速求流速？
F1发射的超声 波先到达T1
F2发射的超声 波后到达T2
超声波流速检测（频率差法）
• 辛格法流速测量: 发送的超声波由接收器检出后，再发射
下一个超声波脉冲，形成连续的脉冲发射状态，脉冲的发射
频率为：
求出流速：
☻ 测距原理：
• 40kHz高频信号与20Hz周期信号,调制成短脉冲群向外发 送:
周期 T=1/20=50ms，超声波在空气中传播距离为： 340m/s×50ms= 17m，单程距离：17m/2=850cm
• 测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有 关的信号;
• 用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计 数，计数器的输出值就是检测的距离。
超声波测距原理时序波形示意图
第11章 波与射线传感器 11.1.4 超声波传感器应用
超声波物位传感器
超声波物位传感器是利用超声波在两种介 质的分界面上的反射特性而制成的。
如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器 接收到反射波为止的这个时间间隔为已知， 就可以求出分界面的位置，利用这种方法 可以对物位进行测量。
超声波液位计原理 根据显示波形计算液位
1—液面 2—直管 3—空气超声探头 4—反射小板 5—电子开关
超声防盗报警器
图中的上班部分为发射电路，下半部分为接收电路。发射 器发射出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信 号的有效区域，相对速度为v，从人体法社回接收器的超 声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f
定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面 波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344 m/s， 液体中纵波声速在900--1900m/s。
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11.1 红外辐射传感器
广西大学电气工程学院
2、红外辐射的基本定律
斯蒂芬-玻尔兹曼（Stefan－Boltzmann）定律：
物体的总的辐射能量与温度的四次方成正比。
W T 4
W：物体在单位时间和单位面积内辐射出的辐射能 T: 热力学温度，K σ：斯蒂芬-玻尔兹曼系数，5.67×10－8W/(m2.K4) ε: 比辐射率，ε=1的物体称为黑体
测温范围宽，分辨率高，在刀具温度场监测、军事等 应用
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美国SE公司最新推出：HD640
11.1红外辐射传感器
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雷神公司研制生产的 AN/ASQ-228型“阿特弗利 尔”先进前视红外瞄准吊 舱
洛克希德·马丁公司研制生产的 AN/AAS-38B型“夜鹰”前视 红外瞄准吊舱
红外探测器应用可以用于非接触式温度测量，无 损探伤，气体成分分析，热成像检测，红外遥感以及军 事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。红外传感器的应 用前景随着现代科学技术的发展，将会更加广阔。
1）红外测温
应用斯蒂芬—玻 目标 耳兹曼定律测物体的 辐射出的全波辐射能 来决定物体的温度。 典型的红外探测器的 为热释电传感器。
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美军研制的未来单兵作战武器---OICW
夜视瞄准机系统：非 冷却红外传感器技术
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4）红外辐射传感器的应用4：
红外热波无损探伤：针对各类试件选择不同特性的
热源进行正弦、周期、脉冲、直流等函数类型的加热，
在计算机控制下进行时序热波信号探测和数据采集。
11.1红外辐射传感器
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(2) 热释电红外人体探测/报警装置
①菲涅尔透镜作用有两个：一
是聚焦作用，即将热释红外信号折
射（反射）在热释电传感器上，第
二个作用是将探测区域内分为若干
个明区和暗区，使进入探测区域的
移动物体能以温度变化的形式产生
变化热释红外信号。 在探测器前方产生一个交替变
11.1红外辐射传感器
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11.1红外辐射传感器
红外测温的典型应用：
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(1) 热释电红外热辐射温度计
热释电红外热辐射温度计是一种非接触式测温仪器。自然 界中的物体，例如人体、火焰、机器设备、房屋、岩石、冰等 物体都能辐射出红外线，只是辐射的红外波长不同而已。例如， 人体温度(36～37℃)放射的红外线波长为9～10μm，400～700℃ 物体放射出的红外波长为3～5μm。
化的“盲区”和“高灵敏区”，以 提高它的探测接收灵敏度。当有人
菲涅 尔透 镜
从透镜前走过时，人体发出的红外
线不断地交替从“盲区”进入 红外热释电人体传感器
“高灵敏区”，这样就使接收到的
红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输
入。
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滤 光 片
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② 探测电路 探测电路由放大、比较电路、延时电路与驱动电路组成。
比较器电路：A3组成电压比较器，无报警信号时输出低电平；当 有人入侵时，比较器翻转LED亮，当人体运动时则输出一串脉冲。
延时驱动电路： 555Ⅰ，555Ⅱ和VT2组成延时、驱动电路。当A3 输出一个正脉冲脉冲；当人在报警区移动，C12不断允电，当达到一定 电压时，VT1触发555Ⅰ，使VT 2导通，吸合继电器，使其控制报警器 动作。 555Ⅱ组成延时电路。避免开机瞬间的误报警。
②热传感器——基于热效应，常用的热探测器有热 敏电阻型、热电偶型、高莱气动型及热释电型。在整个 红外波段有较好的光谱响应。
光探测器的响应时间比热探测器短的多，但是对入 射光的频率有要求，只适合于近红外波段或可见光。
11.1红外辐射传感器
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热敏电阻型： 电阻随温度变化而变化， 响应速度慢
光学 系统
红外探测器 指 示
前置放大器 器
微电机
调制器
常见红外测温仪框图
11.1红外辐射传感器
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目标
光学 系统
红外热释电 探测器 指 示 前置放大器 器
调制器
常见红外测温仪框图
光学系统：将红外辐射聚焦在红外探测器上 前置放大器：阻抗变换、信号放大； 调制器：将恒定或缓变的红外辐射变换为交变辐射。
11.1 红外辐射传感器
维恩位移定律
光谱辐射的峰值波长 与温度成反比
m
2897 T
在温度不很高时，峰 值波长在红外区域
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11.1红外辐射传感器
3、红外传感（探测）器
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红外探测器能将红外辐射能转换成电量。分为光子 传感器和热传感器两大类。
① 光子传感器(量子型)——基于光电效应, 某些半 导体材料在入射光的照射下，会激发出电子，通过测量 电学性质的变化，即可知道入射光的强度。
热电偶型： 热电效应，动态特性差
热传感器
高莱气动型：
气体吸收红外辐射后，温 度升高，体积变大
热释电型：
具有极化特性的热释电晶体 （铁电体）在吸收红外辐射后 温度升高，极化强度减弱释放 出电荷
热传感器在整个红外波段有较好的光谱响应，但是响应时 间长，不适合测量快速变化的红外信号，而且线性度较差。
11.1红外辐射传感器
现代检测技术
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第十一章 红外及核辐射式传感器
1.掌握红外传感器工作原理及应用 2.掌握超声波传感器工作原理及应用 3.掌握核辐射传感器工作原理及应用
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第十一章 红外和辐射式传感器广西大学电气工程学院 11.1 红外辐射传感器
光谱图
1、红外辐射传感器的物理基础——任何物体只要温 度高于绝对零度，就会向周围空间辐射红外线
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2）红外辐射传感器的应用2： 红外气体分析仪：根据不同气体对红外光的吸收能
力不同，来识别物质分子的类型。
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红外多成份气体分析仪
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3）红外热像仪：将被测物体的温度分布转化为电视图 像或照片，实现非接触、实时、连续的温度测量。
② 测温仪框图
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一般情况下，测温对象是固定不动的，因此本辐射温度计采用 斩光装置使被测“热源”以1Hz的频率入射到热释电传感器，其 结构示意图如上图所示：斩光板由慢速电机带动旋转，使传感器 按1Hz的频率接收被测物体的辐射能(红外线)。
11.1红外辐射传感器
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③ 测量电路 传感器输出的信号需经放大器放大、滤波器滤波 （把高于7Hz的信号滤掉），使得输出电压与温度基本 成线性关系，可用模拟或数字方法显示出来。本红外线 测温仪，最高温度可测200℃，它仅适于近距离的非接 触测温的场合。
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HCW-VA远距离红外测 温仪在铁道车辆红外检 测系统中的应用
HCW-VB远距离红外测 温仪在铁道输电塔红外 检测系统中的应用
第十一章 红外和辐射式传感器广西大学电气工程学院 本节小结：
1.掌握辐射式传感器的工作原理 2.掌握辐射式传感器的基本特性 3.了解辐射式传感器传感器的应用
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高莱池
红外辐射通过盐窗照射到气室一端的涂黑金属薄 膜上，使气室温度升高，气室中的惰性气体（氙或氩 气）膨胀，另一端涂银的软镜膜变形凸出。导致检测 器光源经过透镜、线栅照射到软镜膜后反射到达光电 倍增管的光量改变。
11.1红外辐射传感器
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3、红外辐射传感器的应用
① 传感器 测温装置常用的是LN-206P或IRAE001S热释电红外传感器， 它能接收物体辐射出的红外线并使之转换成电压信号。 热释电传感器只能对变化的热源作出反应，也就是说它们的 探测对象应是一个超低频红外辐射源。LN-206P型热释电传感器 对1Hz频率辐射的响应灵敏度较高。
11.1红外辐射传感器
核心设备：热成像仪、加热装置、控制装置、计 算机及图像处理装置、图像处理软件。
发展及应用：主要应用于飞机、航天器等探伤研 究，得到美国军方、FAA及各大航空公司巨额资助。
11.1红外辐射传感器
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特点：与传统依靠物体本身热辐射而对其温场被动成像的探伤 技术不同，红外热波技术利用物体因结构或材料不同而导致的 热传导特性不同，采用对试件加热的方法用以激发显示表面裂 纹、内部损伤和结构异常等，最后用计算机处理热成像仪采集 到的图像以达到探伤目的。