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1、 第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器 本章主要介绍三种辐射式传感器本章主要介绍三种辐射式传感器-红外辐射红外辐射、核辐核辐射射和和超声波传感器超声波传感器。红外辐射技术红外辐射技术在最近在最近40年来已经发展成为一门新兴年来已经发展成为一门新兴技术科学。它在广泛的领域中特别是在科学研究、军技术科学。它在广泛的领域中特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如红外制事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的重导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的重要工具就是红外辐射传感器，它是遥感技术，空间科要工具就是红外辐射传感器，它是
2、遥感技术，空间科学的敏感部件。学的敏感部件。一、红外辐射的基本特点一、红外辐射的基本特点1、波长：波长：红外辐射就是红外光，其波长从红外辐射就是红外光，其波长从1.0-1000微微米米。红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围和在电红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围和在电磁波中的位置如图磁波中的位置如图9-1所示。所示。2、红外光的最大特点就是具有、红外光的最大特点就是具有光热效应光热效应，能辐射热量。，能辐射热量。图图9-l 电磁波谱电磁波谱3、红外光与所有电磁波一样，具有、红外光与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、反射、折射、散射、干涉、吸收干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度与所
3、有等性质。红外光在真空中的传播速度与所有电磁波相同。电磁波相同。4、红外光衰减、吸收、穿透性能红外光衰减、吸收、穿透性能：红外光在介质中：红外光在介质中传播会产生衰减。红外光在金属中传播衰减很大但传播会产生衰减。红外光在金属中传播衰减很大但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。气体对其吸收程度各不相体对红外辐射吸收非常大。气体对其吸收程度各不相同。大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。同。大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。根据研究分析证明，对于波长为根据研究分析证明，对于波长为15微米微米、814微微米区
4、域的红外光具有比较大的米区域的红外光具有比较大的“透明度透明度”。即这些波。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。长的红外光能较好地穿透大气层。自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。都能产生红外光辐射。红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的热红外光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。能强度也不一样。例如，例如，黑体黑体是是能全部吸收投射到其表面的红外辐能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体、射的物体、镜体镜体是是能全部反射红外辐射的物体、能全部反射红外辐射的物体、透透明体明体是是能全部穿透红外辐射的物体，能
5、全部穿透红外辐射的物体，灰体灰体是是能部分能部分反射或吸收红外辐射的物体，对于这些物体红外光反射或吸收红外辐射的物体，对于这些物体红外光将产生不同的光热效应。但严格来讲，自然界并不将产生不同的光热效应。但严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。灰体。上述这些特性就是把红外光辐射技术用于上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫卫星遥感遥测星遥感遥测、红外跟踪红外跟踪等军事和科学研究项目的重等军事和科学研究项目的重要理论依据。要理论依据。2、红外辐射的基本定律、红外辐射的基本定律 希尔霍夫定律指出一个物体向周围辐射热能的同时希
6、尔霍夫定律指出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。如果几个物体处于同一温也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领、度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领、这就是希尔霍夫定律。可用下面公式表示：这就是希尔霍夫定律。可用下面公式表示：0rEE式中式中 物体在单位面积和单位时间内发射出物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能；来的辐射能；rE 该物体对辐射能的吸收系数；该物体对辐射能的吸收系数；等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是 常数。常数。0E 黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射
7、的物体，黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，黑体的吸收本领与波长和温度无关，即黑体的吸收本领与波长和温度无关，即 1。黑体吸。黑体吸收本领最大，但是加热后，它的发射热辐射也比任何收本领最大，但是加热后，它的发射热辐射也比任何物体都要大。物体都要大。物体温度越高它辐射出来的能量越大。可用下面物体温度越高它辐射出来的能量越大。可用下面公式表示：公式表示：式中：式中：某物体在温度某物体在温度T、时单位面积和单位时间时单位面积和单位时间的红外辐射总能量。的红外辐射总能量。斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 比辐射率，比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比
8、值，黑体的本领之比值，黑体的 1 T物体的绝对温度物体的绝对温度。E12245.6697 10/W cm K4ET 热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，物体峰值辐射波长物体峰值辐射波长 与物体的自身的绝对温度与物体的自身的绝对温度T成反成反比。即比。即m2897()mmT 从下图所示曲线可知，峰值辐射波长随温度升高从下图所示曲线可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不很高时、峰值辐射波长在向短波方向偏移。当温度不很高时、峰值辐射波长在红外区域。红外区域。图图9-2三、红外探测器三、红外探测器(传感器传感器)能将红外辐射量变化转
9、换成电量变化的装置称为能将红外辐射量变化转换成电量变化的装置称为红外探测器红外探测器(红外传感器红外传感器)红外探测器根据热电效应和光红外探测器根据热电效应和光子效应制成。前者为热敏探测器，后者为光子探测器。子效应制成。前者为热敏探测器，后者为光子探测器。从理论上讲探测器对入射的各种波长的辐射能量全从理论上讲探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器；部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器；但是，实际上各种波长的红外辐射的功率对物体的加但是，实际上各种波长的红外辐射的功率对物体的加热效果是不相同的。光子探测器常用光子效应有外光热效果是不相同的。光子探测
10、器常用光子效应有外光电效应、内光电效应电效应、内光电效应(光生伏特效应、光电导效应光生伏特效应、光电导效应)和光和光电磁效应。电磁效应。1红外探测器的一般组成红外探测器的一般组成 红外探测器一般由红外探测器一般由光学系统光学系统、敏感元件敏感元件、前置放大前置放大器器和和信号调制器信号调制器组成。组成。光学系统是红外探测器的重要组成部分。根据光学光学系统是红外探测器的重要组成部分。根据光学系统的结构分为系统的结构分为反射式光学系统反射式光学系统的红外探测器和的红外探测器和透射式透射式光学系统光学系统的红外探测器两种。的红外探测器两种。反射式光学系统反射式光学系统的红外探测器的结构如图的红外探测
11、器的结构如图9-2所示。所示。它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚焦到敏感元件上，敏感元件与透镜组合一经两次反射聚焦到敏感元件上，敏感元件与透镜组合一体，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行体，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。放大。透射式光学系统的红外探测器如图透射式光学系统的红外探测器如图10-4所示。透射
12、所示。透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料光波长应选用不同的红外光学材料,在测量在测量700 C以上的以上的高温时高温时,用波长为用波长为0.753微米范围内的近红外光，用一微米范围内的近红外光，用一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量100-700 c范围的温度时，一般用范围的温度时，一般用35微米的中红外光，多用氯微米的中红外光，多用氯化镁、氧化镁等热敏材料；化镁、氧化镁等热敏材料；测量测量100度以下的温度用波长为度以下的温度用波长为5一一14微米的中远红
13、微米的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。获取透射红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难，所以，反射光学系统用得较多。这一困难，所以，反射光学系统用得较多。超声技术是通过超声波超声技术是通过超声波产生产生、传播传播及及接收接收的物理过的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为：用超声波使物体按超声振动辐射大小不同大致可分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之谓或物性变化
14、的功率应用，称之谓功率超声功率超声；用超声波获；用超声波获取若干信息，称之谓取若干信息，称之谓检测超声检测超声。这两种起声的应用。同。这两种起声的应用。同样都必须借助于超声波探头样都必须借助于超声波探头(换能器或传感器换能器或传感器)来实现。来实现。目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益利经济效益。利经济效益。超声波是听觉阈值以外的振动，其频率范围在超
15、声波是听觉阈值以外的振动，其频率范围在10k一一1000GHz其中常用的频率大约在其中常用的频率大约在10K3MHz之之间。超声波在超声场间。超声波在超声场(被超声所充满的空间被超声所充满的空间)传播时，传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散，波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散，反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。于是超声超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。于是超声波在传播过程中产
16、生如下特性和作用。波在传播过程中产生如下特性和作用。1超声波的传播速度超声波的传播速度一、超声波的基本特性一、超声波的基本特性 超声波在介质中产生三种形式的振荡波：超声波在介质中产生三种形式的振荡波：横波横波质点振动方向垂直于传播方向的波；质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波纵波质点振动方质点振动方向与传播方向一致的波；向与传播方向一致的波；表面波表面波质点振动介于纵波与质点振动介于纵波与横波之间沿表面传播的波。横波之间沿表面传播的波。横波只能在固体中传播纵波能在固体、液体和横波只能在固体中传播纵波能在固体、液体和气体中传播表面波随深度的增加其衰减很快。为了气体中传播表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波。超声波的频率测量各种状态下的物理量多采用纵波。超声波的频率越高、越与光波的某些性质相似。越高、越与光波的某些性质相似。超声波与其他声波一样。其传波速度与介质密度超声波与其他声波一样。其传波速度与介质密度和弹性特性有关和弹性特性有关.超声波在气体和液体中、其传播速度超声波在气体和液体中、其传播速度 为：为：LqC121()LqaCB式中：式中：一一 介质的密
