第12章辐射式传感器..
辐射式光电传感器原理
辐射式光电传感器原理一、引言辐射式光电传感器是一种被广泛应用于工业自动化领域的传感器。
它通过将光电效应与热效应相结合，实现对物体表面温度的测量。
本文将详细介绍辐射式光电传感器的原理。
二、辐射式光电传感器概述辐射式光电传感器是一种非接触式温度测量仪器，它通过测量物体表面发出的红外辐射能量来计算物体表面温度。
该传感器可以在高温环境下进行测量，并且不会影响到被测物体的表面。
三、光电效应原理当光线照射到金属或半导体材料上时，会产生光电效应。
这种效应是指当光子撞击材料表面时，能够将部分能量转移给材料中的自由电子，使得这些自由电子获得足够的能量以跃迁至导带中，并形成一个电子空穴对。
当这些自由电子和空穴对再次结合时，会释放出能量。
四、热效应原理根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的温度越高，它所发出的红外辐射能量也就越大。
因此，通过测量物体表面发出的红外辐射能量，可以计算出物体表面的温度。
五、辐射式光电传感器原理辐射式光电传感器是通过将光电效应和热效应相结合来实现对物体表面温度测量的。
当红外光线照射到传感器上时，会产生光电效应，使得传感器中的自由电子获得足够的能量跃迁至导带中，并形成一个电子空穴对。
当这些自由电子和空穴对再次结合时，会释放出能量。
同时，当被测物体表面发出红外辐射时，这些辐射能量会被传感器吸收，并使得传感器中的温度升高。
根据斯特藩-玻尔兹曼定律，传感器所发出的红外辐射能量与其温度成正比。
因此，通过测量传感器所发出的红外辐射能量即可计算出被测物体表面的温度。
六、优缺点分析1. 优点：辐射式光电传感器可以在高温环境下进行测量，并且不会影响到被测物体的表面。
2. 缺点：辐射式光电传感器对被测物体的表面反射率和发射率要求较高，且在低温环境下精度较低。
七、应用领域辐射式光电传感器广泛应用于工业自动化领域，如钢铁、石油化工、航空航天等行业。
它可以用于测量高温炉内物体的表面温度，以及液体和气体的温度等。
八、总结本文详细介绍了辐射式光电传感器的原理。
传感器原理及应用第三版习题答案
传感器技术习题解答第一章传感器的一般特性1－1：答：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性；其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。
1－2：答：（1）动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性；（2）描述动态特性的指标：对一阶传感器：时间常数对二阶传感器：固有频率、阻尼比。
1－3：答：传感器的精度等级是允许的最大绝对误差相对于其测量范围的百分数，即A＝ΔA/Y FS＊100％1－4；答：（1）：传感器标定曲线与拟合直线的最大偏差与满量程输出值的百分比叫传感器的线性度；（2）拟合直线的常用求法有：端基法和最小二5乘法。
1－5：答：由一阶传感器频率传递函数w(jw)=K/(1+jωη),确定输出信号失真、测量结果在所要求精度的工作段，即由B/A=K/(1+(ωη)2)1/2,从而确定ω，进而求出f=ω/(2π).1－6：答：若某传感器的位移特性曲线方程为y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+…….让另一传感器感受相反方向的位移，其特性曲线方程为y2=a0－a1x＋a2x2－a3x3＋……，则Δy=y1－y2=2(a1x+a3x3+ a5x5……),这种方法称为差动测量法。
其特点输出信号中没有偶次项，从而使线性范围增大，减小了非线性误差，灵敏度也提高了一倍，也消除了零点误差。
1－7：解：Y FS=200-0=200由A=ΔA/Y FS＊100％有A＝4/200＊100％＝2％。
精度特级为2.5级。
1－8：解：根据精度定义表达式：A＝ΔA/Ay FS*100%,由题意可知：A＝1.5％，Y FS＝100所以ΔA＝A Y FS＝1.5因为 1.4＜1.5所以合格。
1－9：解：Δhmax＝103－98＝5Y FS＝250－0＝250故δH＝Δhmax/Y FS*100%＝2%故此在该点的迟滞是2％。
1－10：解：因为传感器响应幅值差值在10％以内，且Wη≤0.5，W≤0.5/η，而w=2πf,所以 f=0.5/2πη≈8Hz即传感器输入信号的工作频率范围为0∽8Hz1－11解：（1）切线法如图所示，在x=0处所做的切线为拟合直线，其方程为：Y ＝a0+KX，当x=0时，Y＝1，故a0＝1，又因为dY/dx＝1/(2(1+x)1/2)|x=0＝1/2＝K故拟合直线为：Y＝1＋x/2最大偏差ΔYmax在x=0.5处，故ΔYmax＝1＋0.5/2-（1＋0.5）1/2＝5/4－（3/2）1/2＝0.025Y FS＝（1＋0.5/2）-1＝0.25故线性度δL＝ΔYmax/ Y FS＊100％＝0.025/0.25＊100％＝0.10＊100％＝10％（2）端基法：设Y的始点与终点的连线方程为Y＝a0+KX因为x=0时，Y＝1，x=0.5时，Y＝1.225，所以a0=1,k=0.225/0.5=0.45而由 d(y-Y)/dx=d(（1＋x）1/2-(1+0.45x))/dx=-0.45+1/(2（1＋x）1/2)＝0有-0.9（1＋x）1/2＋1＝0（1/0.9）2＝1+xx=0.234ΔYmax=[（1＋x）1/2-(1+0.45x)]|x=0.234=1.11-1.1053=0.0047Y FS＝1+0.45*0.5-1＝0.225δL端基＝ΔYmax/ Y FS＊100％＝0.0047/0.225＊100％＝2.09％（3）最小二＊法由公式()()xykninkniaxxyxxyxxxyxyxaiiiiiiiiiii*4695.00034.14695.005.1506.100365.1055.0*625.2751.1*65.1*691.60034.105.168.36265.255.0*625.255.0*691.65.1*751.1)**)22222((+==--=--==--=--=-∑∑-∑=-∑-∑=∑∑∑∑∑∑由d(y-Y)/dx=d(（1＋x）1/2-(1.0034+0.4695＊x))/dx=-0.4695+1/(2（1＋x）1/2)＝0有x=1/(0.939)2-1=0.134ΔYmax=[（1＋x）1/2-(1.0034+0.4695x)]|x=0.234=1.065-1.066=-0.001Y FS ＝1.0034+0.4695x-1.0034＝0.235 δL 二＊法＝ΔYmax/ Y FS ＊100％＝0.001/0.235＊100％＝0.0042＊100％＝0.42％1－12:解：此为一阶传感器，其微分方程为a 1dy/dx+a 0y=b 0x 所以 时间常数η＝a 1/a 0=10sK=b 0/a 0=5*10-6V/Pa1- 13：解：由幅频特性有：()=+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-ωωξωωω04021/2221K A ()()3125.1arctan 36.016.0*7.0*2arctan 012arctan 947.07056.01*42120222264.010006007.010006001-=--=-⎪⎪⎭⎫⎝⎛-==+=+⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-ωωωωξωϕ1- 14:解：由题意知：()()()max minmax3%H j H j H j ωωω-<因为最小频率为W=0，由图1-14知，此时输出的幅频值为│H （jw ）│/K=1，即│H （jw ）│=K()maxmax 013%0.9719.3620.97KK kHz H j ωωω∴-<<<⎛<= ⎝1- 15解：由传感器灵敏度的定义有： K ＝m mv mmv x y μμ/51050==∆∆ 若采用两个相同的传感器组成差动测量系统时，输出仅含奇次项，且灵敏度提高了2倍，为20mv/μm.第二章 应变式传感器2－1：答：（1）金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。
辐射式光电传感器原理
辐射式光电传感器原理
辐射式光电传感器是一种常见的光电传感器，它基于光电效应原理，利用光的辐射与物质之间的相互作用来检测和测量光的强度、能量或其他特性。
辐射式光电传感器的工作原理主要基于光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，光的能量可以激发物质中的电子，使其从束缚态跃迁到自由态，从而产生电流或电压。
辐射式光电传感器通常采用半导体材料作为光电效应的基础，例如硅(Si)、锗(Ge)或硒化镉(CdS)等。
在辐射式光电传感器中，光电效应产生的电流或电压信号被转换为可测量的电信号，从而实现对光的检测和测量。
一般来说，辐射式光电传感器包括光敏元件、电路和输出接口等组成部分。
光敏元件是辐射式光电传感器中最关键的部分，它能够将光的能量转化为电信号。
常见的光敏元件包括光电二极管（Photodiode）、光电晶体管（Phototransistor）和光电阻（Photoresistor）等。
这些光敏元件根据工作原理的不同，可以用于测量不同范围的光线强度。
在光敏元件之后，还需要设计适当的电路来放大、滤波和处理光敏元件产生的微弱电信号。
这些电路通常包括放大器、滤波器、比较器等，
通过对电信号的处理，可以提高传感器的灵敏度和稳定性。
最后，辐射式光电传感器的输出信号可以通过数字或模拟接口传输给其他设备或系统进行进一步的处理和分析。
这样，辐射式光电传感器可以在诸多领域中得到广泛应用，如光电测量、光电检测、光通讯等。
总之，辐射式光电传感器通过利用光电效应实现对光的检测和测量。
它具有灵敏度高、快速响应、功耗低等优点，广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、医疗诊断等。
2022国家开放大学电大本科《传感器与测试技术》期末试题及答案(试卷号07)
2022国家开放大学电大本科《传感器与测试技术》期末试题及答案（试卷号07）2022国家开放大学电大本科《传感器与测试技术》期末试题及答案（试卷号：1107）一、单项选择题（12小题，每小题3分，共36分）1．电容式传感器是将被测量的变化转换成()变化的一种传感器。
A．电容量B．电感量C．介电常数D．霍尔系数2．下列属于磁电式传感器非线性误差产生原因的是()。
A．温度变化对传感器产生的影响B．传感器线圈电流产生的磁通对磁通产生影响C．传感器的补偿线圈产生的磁通对工作磁通产生影响D．光源变化对传感器产生的影响3．以下不属于压电式传感器的特点的是()。
A.体积小B．结构简单C．灵敏度低D．灵敏度高4．电阻应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的()间的电阻值。
A．覆盖片与被测试件B．基片与被测试件C．引线与被测试件D．覆盖片与基片5．利用()可制成半导体光敏电阻。
A．压电效应B．光电效应C．磁电效应D．滤波6.()是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成的。
A.线阵CCD图像传感器B．面阵CCD图像传感器C．有源CMOS图像传感器D．无源CMOS图像传感器7．适合于使用红外传感器进行测量的物理量是()。
A.转速B．温度C．加速度D．流量8．超声波是()的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程。
A．电磁波B．机械波C．表面波D．滤波9．在工业放射性同位素自动检测仪表中广泛采用的核辐射传感器为()。
A．电感式传感器B．磁电式传感器C．电离室D．霍尔元件10．()不属于虚拟仪器技术所具有的特点。
A．集成性强B．扩展性强C．开发时间长D．开发时间短11.线性度、重复性、精度和灵敏度属于传感器的()性能指标。
A．动态B．电源C．线圈D．静态12.交流电桥按照接入阻抗的形式不同主要分为纯电阻交流电桥、()交流电桥和电感式交流电桥。
A．平衡式B．静电式C．电压式D．电容式二、判断题（8小题．每小题2分，共16分）13.按磁场方式分类，磁电感应式传感器可分为变磁通式和恒磁通式两大类。
传感器应用技术-项目十辐射式传感器
抵消法窄脉冲发射电路如图(a)所示。超声波大电流脉 冲发射电路原理图所产生的超声波信号变为一个只保留前 半周期的窄脉冲信号。
抵消法窄脉冲发射电路
(2)接收电路 由于超声波的反射信号是很微弱的脉冲信号，因此， 接收电路的设计必须考虑如下因素： ①足够大的增益，至少要60 dB的增益，这时既要防止 放大器的饱和又要防止其自激；
3.核辐射传感器
核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测
物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及α、 β、γ和X射线的特性可以检测多种物理量。常用电离
室、气体放电计数管、闪烁计数管和半导体检测核 辐射强度、分析气体、鉴别各种粒子等。
（1）电离室
电离室主要用于探测α、
β粒子。电离室的窗口直径 约100 mm。γ射线的电离
1．测量原理 脉冲反射式超声测厚原理为：测量超声波脉冲通过试样所 需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出 样品厚度，即 式中 d——样品厚度；
c——超声波速度； t——超声波从发射到接收回波的时间。
脉冲反射式数显超声波测厚仪原理框图
2.部分电路设计 (1)发射电路
超声波大电流脉冲发射电路原理图
盖格计数管示意图和特性曲线
（3）闪烁计数管 闪烁计数管由闪烁晶体(受激发光物体，常有气体、液体 和固体三种。分为有机和无机两类)和光电倍增管组成，如图 所示。当核辐射照射在闪烁晶体上后，便激发出微弱的闪光， 闪光射到光电倍增管，经过N级倍增后，倍增管的阳极形成脉 冲电流，经输出处理电路，就得到与核辐射量有关的电信号， 送至指示仪表或记录器显示。
超声波除了上述几种作用外，还有声流效应、触发 效应和弥散效应，它们都有很好的应用价值。
4.超声波传感器 利用超声波在超 声场中的物理特性和 种种效应研制的装置 可称为超声波换能器、 探测器或传感器，超 声波传感器可以是超 声波发射装置，也可 以是既能发射超声波 又能接收超声回波的 装置。这些装置一般 都能将声信号转换成 电信号。
《传感器与测试技术》往届试题
试卷代号：1107国家开放大学（中央广播电视大学）2017年秋季学期“开放本科”期末考试传感器与测试技术试题一、单项选择题（每小题4分，共40分）1．压电传感器的测量电路中前置放大器的作用有( )。
A．消除电缆电容对灵敏度的影响 B．减小测量误差 C．把传感器的高输入阻抗变换成低输入阻抗2．超声波的频率高，因而( )绕射现象小，方向性好，能够成为射线而定向的传播。
A．波长短 B．波长长 C．速度慢3．差动变压器属于( )。
A．电容式传感器 B．压电式传感器 C．电感式传感器4．以下( )是影响MOS传感器性能的首要问题。
A．暗电流 B．噪声 C．像素的饱和5．超声波换能器是超声波传感器中的一个核心部件，并以( )的应用最为广泛。
A．电动式换能器 B．压电式换能器 C．电磁式换能器6．( )被广泛应用在各种检测仪表中，特别是需要辐射和穿透力前的情况，如金属探伤、测厚以及测量物体的密度等。
A．a射线 B．7射线 C．X射线7．应变电阻材料本身的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数( )。
A．大 B．小 C．相等8．以下( )不属于虚拟仪器技术所具有的特点。
A．集成性强B．扩展性强 C．开发时间长9．利用( )制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管等。
A．外光电效应 B．压电效应 C．声光效应10．首先对红外辐射进行( )使恒定辐射变成交变辐射，不断地引起铁电体的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变信号。
A．调制 B．滤波 C．补偿二、填空题（每空2分，共10分）11．光电效应是指一束光线照射到物质上时，物质的电子吸收了光子的能量而发生了相应的____现象。
12.红外传感器是将一____的变化转换成电量变化的器件。
13．热释电探测器多用在____ 、被动式检测应用中。
14.超声波是频率比声波频率高的____波。
15.虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的____来完成各种测试、测量和自动化的应用。
辐射式温度传感器.
L1T L2T
Ts-颜色温度 T-真实温度
可以导出：
1 ln 1 1 2 T TS 1 1 C2 2 1
4
若灰体在某一温度T时的全辐射能跟绝对黑体在温度 TF时全辐射能相等，则TF称为该灰体的辐射温度。
T F T T
4
4
则T TF 4
1
T
所以知道了物体的全辐射系数 T（查表）和用辐射 温度计测得辐射温度TF，根据上式可得到物体的真实 温度T。
黑体 r 1
灰体0 r 1 T F T
§9-5辐射式温度传感器
利用物体的热辐射特性与温度之间的关系来实现 辐射能 光学系统 聚焦 辐射接收器 （热敏元件） 电量
一，全辐射温度传感器
绝对黑体的全辐射能与温度的关系为：
E ( , T ) T
4
→ 热力学温度
↓ 波尔兹曼系数
灰体的全辐射能与温度的关系为 ：
E
F
( , T ) T E ( , T ) T T
全辐射高温计 示意图9-16 测量范围：700℃--2000℃
二，红外辐射温度传感器
采用的敏感元件只对红外光谱敏感。 温度T的物体辐射能量与不同波长的关系为：
普朗克定律： E ( , T )
c (e
5 T 1
c2
T 1)
1
①
式中C1，C2分别为第一，第二辐射常数。
①式说明：当波长λ一定，T越高，辐射功率越大。 此即红外辐射温度传感器的基本原理。
由图9-20可知： 辐射体温度T↑→ 辐射强度E（λ ，T）
亮度L（λ ，T）
↑ ↑
例： T： 1200K→1500K，则总辐射强度E（λ ，500） =2.5E（λ ,1200） 而取λ =0.66um(红光单色亮度)，则L （0.66,1500）≥10L(0.66,1200) 即温度变化，测量辐射强度或高度的变化，可得到足够高 的测温灵敏度。光电亮度温度传感器，就是利用单色亮度 与温度的关系进行工作的。
红外辐射传感器研究论文
中央民族大学信息工程学院传感器课程期中专业论文13047035张校铖_红外辐射式传感器最新进展研究摘要：红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。
传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术。
许多产品已运用红外线技术能够实现车辆测速、探测等研究。
目前，红外传感器拥有相对成熟的技术和经验，而且未来市场会更加宽阔，尤其是在智能设备方面。
（Abstract:Infrared is an infrared sensor system for the measurement system media, infrared sensing technology has been widely used in modern science and technology, defense, and industrial and agricultural fields. Sensor technology as one of the three basic information technology, high-tech race to develop the current developed countries. Many products have been using infrared technology enables the vehicle speed detection research. Currently, the infrared sensor has a relatively mature technology and experience, but also the future market will be more broad, especially in terms of smart devices.）关键字：红外辐射、传感器、发展历史、技术介绍、市场分析正文一、发展历史：红外探测器发展脉络：1800年：赫胥尔利用涂黑水银温度计发现红外辐射，作为红外探测器，沿用到1830年。
传感器技术习题答案(第三版)
1-1 衡量传感器静态特性的主要指标。
说明含义。
1、 线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。
2、 灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。
3、 分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。
1-2 计算传感器线性度的方法，差别。
1、 理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。
2、 端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。
3、 “最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。
这种方法的拟合精度最高。
4、 最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。
2-1 金属应变计与半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。
（1）相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。
（2）对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。
前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。
金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。
对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+ πE 。
前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE 》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE 。
半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。
2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。
电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。
在工作温度变化较大时，会产生温度误差。
补偿办法：1、温度自补偿法 （1）单丝自补偿应变计(2) 双丝自补偿应变计2、桥路补偿法 （1）双丝半桥式（2）补偿块法2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。
实验12 热释电红外传感器
实验12组员：姓名：张凯凯学号：00094831110姓名：张超学号：00094831153姓名：俞涛学号：0009483107312.1实验目的：12.1.1、了解热释电红外传感器结构、工作原理及应用。
12.2实验设备和元件：12.2.1实验设备： 12号热释电红外传感器模块、±12V电源。
12.2.2其它设备：导线若干。
12.3实验内容：＊12.3.1、利用网络或图书馆等，首先掌握热释电红外传感器原理、型号、使用方法、以及信价比等，整理成不少于3000字的说明书。
人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。
其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。
比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。
随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个收集到的实例，介绍一下红外线传感器的应用。
热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。
早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。
热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。
它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。
除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。
比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。
电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。
开启监视器或自动门铃上的应用。
结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等。
您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品、或自动化控制装置。
传感器基础教材（可编辑）
传感器基础教材总序我们所处的时代被称为信息时代信息科学与技术的迅速发展和广泛应用深深地改变着人类生产生活的各个方面人类社会生产力发展和人们生活质量的提高越来越得益于和依赖于信息科学与技术的发展自动化科学与技术涉及到信息的检测分析处理控制和应用等各个方面是信息科学与技术领域的重要组成部分在我国经济建设的进程中工业化是不可逾越的发展阶段面对全面建设小康社会的发展目标党和国家提出走新型工业化道路的战略决策这是一条我国当代工业化进程的必由之路实现新型工业化就是要坚持走科技含量高经济效益好资源消耗低环境污染少人力资源优势得到充分发挥的可持续发展的科学发展之路在这个过程中自动化科学与技术起着不可替代的重要作用高等学校的自动化学科肩负着人才培养和科学研究的光荣的历史使命我国高等教育中工科在校大学生数占在校大学生总数的 35～40 其中自动化类的学生是工科各专业中学生人数最多的专业之一在我国高等教育已走进大众化阶段的今天人才培养模式多样化已成为必然的趋势其中应用型人才是我国经济建设和社会发展需求最多的一大类人才为了促进自动化领域应用型人才培养发挥院校之间相互合作的优势北京大学出版社组织了此套《21 世纪全国高等院校自动化系列实用规划教材》参加这一系列教材编写的基本上都是来自地方工科院校自动化学科的专家学者由此确定了教材的使用范围也为实用教材的定位找到了落脚点本系列教材具有如下特点1 注重实用性地方工科院校的人才培养规格大多定位在高级应用型对这一大类人才的培养要注重面向工程实践培养学生理论联系实际解决实际问题的能力从这一教学原则出发本系列教材注重实用性注意引用工程中的实例培养学生的工程意识和工程应用能力因此将更适合地方工科院校的教学要求2 体现新颖性更新教材内容跟进时代加入一些新的先进实用的知识同时淘汰一些陈旧过时的内容3 院校间合作交流的成果每一本教材都有几所院校的教师参加编写北大出版社事先在西安市和长春市召开了编写计划会和审纲会来自各院校的教师比较充分地交流了情况在相互借鉴取长补短的基础上形成了编写大纲确定了编写原则因此这一系列教材可以反映出各参编院校一些好的经验和做法4 这一系列教材几乎涵盖了自动化类专业从技术基础课到专业课的各门课程到目前为止列入计划的已有 30 多门教材门数多参与的院校多参加编写人员多前言现代化生产与自动控制系统是以计算机为核心以传感器为基础组成的传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节没有好的传感器就没有精确可靠的自动检测和控制系统近年来随着科学技术的发展各种类型的传感器已广泛应用到工业生产与控制的各个领域中要及时准确地获取各种信息解决工程生产及科研中遇到的各种具体的检测问题就必须了解和熟悉传感器同时也要学会合理选择和应用各种传感器及传感技术本书是自动化系列教材之一书中内容丰富全面原理描述由浅入深浅显易懂应用实例广泛实用全书以传统的典型传感器为主同时增加了新型的传感器主要介绍传感器的原理结构特点测量电路以及传感器在工业生产日常生活中的实际应用本书共分 12 章包括三个单元第一单元介绍传感器的基础知识第二单元介绍各种传感器的原理结构及应用第三单元介绍传感器的补偿和抗干扰技术书中每章内容具有独立性使用本教材时可根据不同专业的要求和特点有选择性地进行教学本书由北华大学赵玉刚长春工业大学邱东任主编长春大学曹昕燕武汉理工大学徐沪萍长春工业大学崔利娜任副主编赵玉刚编写第 4 章第 5 章和第 10 章邱东编写第 1 章第 2 章和第 11 章曹昕燕编写第 6 章和第 7 章徐沪萍编写第 3 章和第 9 章崔利娜编写第 8 章和第 12 章该书在编写过程中得到了许多同行的支持和帮助他们提出了许多宝贵意见同时也得到了北京大学出版社第六事业部和中国林业出版社编辑的指导和支持对他们的悉心指导和帮助表示真挚的谢意对本书参考文献中的有关作者致以衷心的感谢由于编者水平有限书中错误和不妥之处在所难免恳请广大读者批评指正提出宝贵意见编者2006 年 6 月目录第 1 章传感器理论基础 1 思考题与习题 6111 传感器基础 1 第 3 章电感式传感器 63com 传感器的概念 131 自感式传感器 63com 传感器的组成和分类 2com 工作原理 63com 传感器的基本特性 4com 电感计算及输出特性分析 65com 传感器的命名代号和图形com 测量电路 67符号 1032 差动变压器式传感器 70com 传感器的发展趋势 12 com 工作原理及特性 7012 检测技术理论基础 15com 测量电路 73com 检测技术 15com 零点残余电压及消除方法 74com 测量方法 1533 电涡流式传感器 76com 检测系统 17com 工作原理 76com 测量误差及数据处理 19 com 测量电路 79本章小结 3034 电感式传感器的应用 81思考题与习题 30com 自感式传感器的应用 81第 2 章电阻式传感器 32 com 差动变压器式传感器的应用 83com 电涡流式传感器的应用 8521 电位器式电阻传感器 32本章小结 87com 工作原理 32思考题与习题 88com 结构与材料 3722 应变式电阻传感器 39 第 4 章电容式传感器 89com 应变效应和工作原理 3941 工作原理和结构类型 89com 电阻应变片的种类材料com 工作原理 89及粘贴 41com 结构类型 89com 电阻应变片的主要特性 4442 转换电路 93com 电阻应变片的温度误差com 等效电路 93及补偿 47com 测量电路 93com 测量电路 4943 电容式传感器的主要性能特点 9823 压阻式传感器 53com 主要性能 98com 工作原理 53com 特点 100com 影响压阻系数的因素 54 44 电容式传感器的应用 100com 压阻式传感器的材料 55 com 电容式压力传感器 10024 电阻式传感器的应用 57com 电容式加速度传感器 102本章小结 61·VI · 传感器基础com 电容式测厚传感器103 com CCD 图像传感器 134com 电容式液位传感器103 com 图像传感器的应用 137com 电容式温度传感器104 本章小结 138本章小结 105 思考题与习题 138思考题与习题 105第 7 章光纤传感器 140第 5 章压电式传感器10771 光导纤维 14051 工作原理 107 com 光纤的结构 140com 压电效应及压电材料107 com 光纤的分类 140com 压电式传感器111 com 光纤的传光原理 14152 等效电路和测量电路112 72光纤传感器概述 143com 等效电路 112 com 光纤传感器的组成 143com 测量电路 113 com 光纤传感器的性能特点 14353 压电式传感器的应用115 com 光纤传感器的分类 143com 压电式测力传感器115 com 光纤传感器的工作原理 144com 压电式加速度传感器115 73 光纤传感器的应用 146com 压电式报警器116 com 光纤加速度传感器 146com 压电式测量均匀压力com 光纤速度传感器 146传感器 117 com 光纤压力传感器 147本章小结 117 com 光纤温度传感器 148思考题与习题 118 com 光纤声传感器148com 光纤光电传感器 149第 6 章光电式传感器119com 光纤图像传感器 15061 光电效应 119 本章小结 150com 外光电效应 119 思考题与习题150com 内光电效应119第 8 章热电式传感器 15162 外光电效应器件 121com 光电管 121 81 热电偶温度传感器151com 光电倍增管 122 com工作原理 151com 外光电效应器件的应用123 com 基本定律 15463 光电导器件 125 com 热电偶的材料结构及常用com 光敏电阻 125 热电偶 155com 光电导器件的应用126 com 热电偶冷端温度补偿 15864 光生伏特器件 129 82 热电阻温度传感器 160com 光敏二极管 129 com热电阻测温原理及类型 160com 光敏三极管 130 com热电阻的结构 161com 光电池 131 com 测量电路161com 光生伏特器件的应用132 83 热敏电阻温度传感器 16265 图像传感器134 com 热敏电阻测温原理 162·VI ·目录·VII ·com 结构与材料和特性162 com 红外传感器 208com 热敏电阻的应用165 com 核辐射式传感器 20984 集成温度传感器 166 com 辐射式传感器的应用 213com 工作原理 166 本章小结 214com 集成温度传感器的应用167 思考题与习题 215本章小结 169第 11 章智能传感器 216思考题与习题 170111 智能传感器概述 216第 9 章半导体式传感器171com 智能传感器的概念 21691 半导体气敏传感器 171 com智能传感器的功能 217com 半导体气敏传感器的分类171 com 智能传感器的特点 217com 电阻型半导体气敏传感器172 112 智能传感器的实现途径 218com 气敏传感器的应用174 com 非集成化实现 21892 半导体湿敏传感器 176 com集成化实现 219com 概述 176 com 混合实现 221com 湿敏电阻的类型及原理178 113 集成化智能传感器 222com 湿敏传感器的应用181 com 集成化智能传感器的几种93 半导体磁敏传感器182 形式 222com 磁敏电阻器 182 com 集成智能传感器实例 223com 霍耳式传感器186 114 智能传感器的发展方向 22594 离子敏传感器 192 本章小结 228com ISFET 传感器的结构和工作思考题与习题 229原理 192第 12 章传感器的补偿和抗干扰技术 230com ISFET 传感器的应用195本章小结 197 121 传感器的补偿技术 230思考题与习题 198 com 非线性误差及补偿230com 温度误差及补偿 232第 10 章波式和辐射式传感器199122 传感器的标定 233101 超声波传感器 199 123 抗干扰技术 235com 超声波的测量原理199 com 干扰的产生 235com 超声波传感器的应用201 com 干扰的类型 236102 微波传感器 204 com 干扰信号的耦合方式 236com 微波传感器的原理204 com 常用的抑制干扰的措施 239com 微波传感器的组成和分类205 本章小结 241com 微波传感器的应用206 思考题与习题 241103 辐射式传感器 208参考文献 242·VII ·第 1 章传感器理论基础在系统学习各类传感器之前首先应该掌握传感器的基本理论及检测技术的相关知识主要包括传感器的概念分类和基本特性检测系统的组成与功能基本测量方法测量误差及数据处理等内容为后续知识的学习打下基础11 传感器基础在当今的信息时代人们越来越迫切地希望能准确地掌握自然界和生产领域更多的各类信息而传感器则是人们获取这些信息的主要途径和手段因此传感器与人们的关系越来越密切传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节它对于提高生产的自动化程度促进现代科学技术的发展具有极其重要的作用com 传感器的概念关于传感器的概念我国国家标准 GB 7665 1987 规定传感器 sensor 是能感受规定的测量量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置也就是说传感器是一种按一定的精度把被测量转换为与之有确定关系的便于应用的某种物理量的测量器件或装置用于满足系统信息传输存储显示记录及控制等要求①传感器首先是一种测量器件或装置它的作用体现在测量上例如我们常见的发电机它是一种可以将机械能转变成电能的转换装置从能量转换的角度看它是一种发电设备不能称之为传感器但从另一个角度看人们可以通过发电机发电量的大小来测量调速系统的机械转速这时发电机就可看成是一种用于测量转速的测量装置是一种速度传感器通常称之为测速发电机应用传感器的目的就是为了获得被测量的准确信息这也是本课程的学习目的②传感器定义中所谓可用输出信号是指便于传输转换及处理的信号主要包括气光和电等信号现在一般就是指电信号如电压电流电势及各种电参数等而规定的测量量一般是指非电量信号主要包括各种物理量化学量和生物量等在工程中常需要测量的非电量信号有力压力温度流量位移速度加速度转速浓度等正是由于这类非电量信号不能像电信号那样可由电工仪表和电子仪器直接测量所以就需要利用传感器技术实现由非电量到电量的转换③传感器的输入和输出信号应该具有明确的对应关系并且应保证一定的精度④关于传感器这个词目前国外还有许多提法如变换器 transducer 转换器converter 检测器 detector 和变送器 transmitter 等而根据我们国家的规定传感器定名为 sensor 当传感器的输出信号为标准信号 1V ～5V 4mA ～20mA 时称为变送器transmitter 注意二者不要混淆·2 ·传感器基础com 传感器的组成和分类1 传感器的组成传感器的种类繁多其工作原理性能特点和应用领域各不相同所以结构组成差异很大但总的来说传感器通常由敏感元件转换元件及测量电路组成有时还加上辅助电源如图 11 所示图 11 传感器组成框图1 敏感元件 sensing element敏感元件是指传感器中能直接感受被测量的变化并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件敏感元件是传感器的核也是研究设计和制作传感器的键如图 12所示是一气体压力传感器的示意图膜盒 2 的下半部与壳体 1 固定上半部通过连杆与磁芯 4 相连磁芯 4 置于两个电感线圈 3 中后者接入测量电路 5 这里的膜盒就是敏感元件其外部与大气压力 p a 相通内部感受被测压力 p 当p 变化时引起膜盒上半部移动即输出相应的位移量图 12 气体压力传感器1壳体2膜盒3电感线圈4磁芯5测量电路2 转换元件 transduction element转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分在图 12 中转换元件是可变电感线圈 3它把输入的位移量转换成电感的变化需要指出的是并不是所有的传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件两部分有的传感器转换元件不止一个需要经过若干次的转换有的则是二者合二为一3 测量电路 measuring circuit测量电路又称转换电路或信号调理电路它的作用是将转换元件输出的电信号进行进·2 ·第 1 章传感器理论基础·3 ·一步的转换和处理如放大滤波线性化补偿等以获得更好的品质特性便于后续电路实现显示记录处理及控制等功能测量电路的类型视传感器的工作原理和转换元件的类型而定一般有电桥电路阻抗变换电路振荡电路等2 传感器的分类通常一种传感器可以检测多种参数一种参数又可以用多种传感器测量所以传感器的分类方法也很多至今尚无统一规定归纳起来一般有以下几种1 按工作原理分类这是传感器最常见的分类方法这种分类方法将物理化学生物等学科的原理规律和效应作为分类的依据有利于对传感器工作原理的阐述和对传感器的深入研究与分析本书主要就是按这一分类方法作为编写体系介绍各种类型的传感器按照传感器工作原理的不同传感器可分为电参数式传感器包括电阻式电感式和电容式传感器压电式传感器光电式传感器包括一般光电式光纤式激光式和红外式传感器等热电式传感器半导体式传感器波式和辐射式传感器等这些类型的传感器大部分是分别基于其各自的物理效应原理命名的2 按被测量分类按被测量的性质进行分类有利于准确表达传感器的用途对人们系统地使用传感器很有帮助为更加直观清晰地表述各类传感器的用途将种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量见表 1-1对于各派生被测量的测量亦可通过对基本被测量的测量来实现表 1- 1 基本被测量和派生被测量基本被测量派生被测量线位移长度厚度应变振动磨损平面度位移角位移旋转角偏转角角振动线速度振动流量速度角速度转速角振动线加速度振动冲击质量加速度角加速度角振动转矩转动惯量力压力质量应力力矩时间频率周期计数光光通量与密度光谱温度热容湿度水汽含水量露点浓度气液体成分黏度3 按结构分类按传感器的结构构成可分为结构型物性型和复合型传感器结构型传感器是依靠传感器结构参数如形状尺寸等的变化利用某些物理规律·3 ··4 ·传感器基础实现信号的变换从而检测出被测量它是目前应用最多最普遍的传感器这类传感器的特点是其性能以传感器中元件相对结构位置的变化为基础而与其材料特性关系不大物性型传感器则是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应将被测量直接转换成电量的传感器例如热电偶传感器就是利用金属导体材料的温差电动势效应和不同金属导体间的接触电动势效应实现对温度的测量的而利用压电晶体制成的压力传感器则是利用压电材料本身所具有的压电效应实现对压力的测量这类传感器的敏感元件就是材料本身无所谓结构变化因此通常具有响应速度快的特点而且易于实现小型化集成化和智能化复合型传感器则是结构型和物性型传感器的组合同时兼有二者的特征4 按能量转换关系分类按照传感器的能量转换情况传感器可分为能量控制型和能量转换型传感器两大类所谓能量控制型传感器是指其变换的能量是由外部电源供给的而外界的变化即传感器输入量的变化只起到控制的作用如电阻电感电容等电参数传感器霍耳传感器等都属于这一类传感器能量转换型传感器主要由能量变换元件构成它不需要外电源如基于压电效应热电效应光电效应等的传感器都属于此类传感器此外根据被测量的性质可以将传感器分成物理型化学型和生物型传感器三大类根据传感器的使用材料也可以将传感器分为半导体传感器陶瓷传感器金属材料传感器复合材料传感器高分子材料传感器等根据应用领域的不同还可分为工业用农用民用医用及军用等不同类型根据具体的使用目的又可分为测量用监视用检查用诊断用控制用和分析用传感器等com 传感器的基本特性为了更好地掌握和使用传感器必须充分地了解传感器的基本特性传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性即系统输出信号 y t 与输入信号被测量 x t 之间的系如图 13 所示图 13 传感器系统根据传感器输入信号 x t 是否随时间变化其基本特性分为静态特性和动态特性它们是系统对外呈现出的外部特性但与其内部参数密切相关不同的传感器内部参数不同因此其基本特性也表现出不同的特点一个高精度传感器必须具有良好的静态特性和动态特性才能保证信号无失真地按规律转换1 静态特性当传感器的输入信号是常量不随时间变化或变化极缓慢时其输出输入关系特性称为静态特性传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述·4 ·第 1 章传感器理论基础·5 ·1 测量范围 measuring range传感器所能测量到的最小输入量 xmin 与最大输入量 x 之间的范围称为传感器的测量范围2 量程 span传感器测量范围的上限值x 与下限值xmin 的代数差x xmin 称为量程3 精度 accuracy传感器的精度是指测量结果的可靠程度是测量中各类误差的综合反映测量误差越小传感器的精度越高传感器的精度用其量程范围内的最大基本误差与满量程输出之比的百分数表示其基本误差是传感器在规定的正常工作条件下所具有的测量误差由系统误差和随机误差两部分组成如用 S 表示传感器的精度则ΔS × 100 1-1y FS式中Δ测量范围内允许的最大基本误差y FS 满量程输出 FS 是英文 Full Scale 满量程的缩写工程技术中为简化传感器精度的表示方法引用了精度等级的概念精度等级以一系列标准百分比数值分档表示代表传感器测量的最大允许误差如果传感器的工作条件偏离正常工作条件还会带来附加误差温度附加误差就是最主要的附加误差4 线性度 linearity所谓传感器的线性度是指其输出量与输入量之间的关系曲线偏离理想直线的程度又称为非线性误差如不考虑迟滞蠕变等因素一般传感器的输出输入特性关系可用 n 次多项式表示为y a a x a x2 a xn 1-20 1 2 n式中x 为输入量 y 为输出量 a 为零输入时的输出也叫零位输出 a 为传感器线性1项系数也称为线性灵敏度 a2 a3 an 为非线性项系数在不考虑零位输出的情况下传感器的线性度可分为以下几种情况1 理想线性特性当式 1-2 中a 为常数而 a a a a 0 时即1 023 ny a x 1-31称为理想线性特性如图 14 a 所示这时传感器的线性最好也是我们最希望传感器所具有的特性具有该特性的传感器的灵敏度为直线y a x 的斜率即1yk a1 常数1-4x2 仅有偶次非线性项传感器的输出输入特性为y a a x 2 a x 4 a nx 2n n 0 1 2 1-50 2 4 2由于没有对称性此特性线性范围较窄线性度较差如图 14 b 所示一般传感器设计很少采用这种特性·5 ··6 · 传感器基础3 仅有奇次非线性项传感器的输出输入特性为y a a x 3 a x 5 a n x 2n1 n 0 1 2 1-61 3 52 1此传感器特性相对于坐标原点对称其线性范围较宽线性度较好如图 14 c 所示是比较接近于理想直线的非线性特性4 普遍情况一般情况下传感器的输出输入特性为y a x a x2 a x3 a x n 1-71 2 3 n如图 14 d 所示图 14 传感器的非线性在实际使用非线性传感器时如果非线性项的次数不高则在输入量变化范围不大的情况下可采用直线近似地代替实际输入输出特性曲线的某一段使传感器的非线性特性得到线性化处理这里所采用的直线称为拟合直线实际输入输出特性曲线与拟合直线的最大相对误差就是非线性误差用γ L 来表示即ΔLγL ± × 100 1-8y FS式中ΔL 非线性最大误差y FS 满量程输出值目前常用的拟合方法有理论拟合过零旋转拟合端点拟合端点平移拟合及最小二乘拟合等在图 15 a 中拟合直线为传感器的理论特性与实际测试值无关这种方法称为理论拟合应用十分简便但一般说来ΔL 很大图 15 b 为过零旋转拟合常用于校正特性曲线过零的传感器拟合时使ΔL ΔL1 2ΔL 这种方法也比较简单非线性误差比前一种小很多图 15 c 所示的端点拟合是把实际特性曲线两端点的连线作为拟合直线这种方法比较简便但ΔL 较大。
传感器原理及应用复习题库
传感器原理及应用复习题库第一章 概述1、传感器一般由敏感元件、转换元件、基本电路三部分组成。
62、传感器图用图形符号由符号要素正方形和等边三角形组成，正方形表示转换元件，三角形表示敏感元件，“X ”表示被测量，“*”表示转换原理。
7第二章 传感器的基本特性1、传感器动态特性的主要技术指标有哪些？它们的意义是什么？答：1）传感器动态特性主要有：时间常数τ；固有频率n ω；阻尼系数ξ。
2）含义：τ越小系统需要达到稳定的时间越少；固有频率n ω越高响应曲线上升越快；当n ω为常数时响应特性取决于阻尼比ξ，阻尼系数ξ越大，过冲现象减弱，1ξ≥时无过冲，不存在振荡，阻尼比直接影响过冲量和振荡次数。
2、有一温度传感器，微分方程为30/30.15dy dt y x +=，其中y 为输出电压（mV) , x 为输入温度（℃）。
试求该传感器的时间常数和静态灵敏度。
解：对微分方程两边进行拉氏变换，Y(s)(30s+3)=0.15X(s)则该传感器系统的传递函数为： ()0.150.05()()303101Y s H s X s s s ===++ 该传感器的时间常数τ=10，灵敏度k=0.053、测得某检测装置的一组输入输出数据如下：试用最小二乘法原理拟合直线，求其线性度和灵敏度。
（10-12）1、解: b kx y +=)(b kx y i i i +-=∆22)(i i ii i i x x n y x y x n k ∑-∑∑∑-∑=222)()(i i i i i i i x x n y x x y x b ∑-∑∑∑-∑∑=代入数据求得68.0=k 25.0=b ∴ 25.068.0+=x y238.01=∆ 35.02-=∆ 16.03-=∆ 11.04-=∆ 126.05-=∆ 194.06-=∆ x0.9 2.5 3.3 4.5 5.7 6.7 y 1.1 1.6 2.6 3.2 4.0 5.0%7535.0%100max ±=±=⨯∆±=FS L y L γ 第三章 电阻式传感器1、何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？答：导体在受到拉力或压力的外界力作用时，会产生机械变形，同时机械变形会引起导体阻值的变化，这种导体材料因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。
地面气象观测——第十二章 辐射的观测
log
S S0
30
大气浑浊度指标TG观测与计算
mol 为本站气压Ph与相对大气质量m的函数
当： m Ph / PS≤3.3时，
mol 0.1005 (mPh / PS 0.5) 0.0074
当：m Ph / PS ＞3.3时，
mol 0.0798 (mPh / PS 3.3) 0.0047
27
直接辐射表的使用和维护
转动进光筒对准太阳时，能用力太大 每月检查感应面、进光筒内是否进水
每月检查接线柱和导线的连接状况 每月重点检查仪器安装与跟踪太阳是否准确
28
大气浑浊度指标TG观测与计算
大气浑浊度：除云滴、雨滴、冰晶之外大气悬浮物对太 阳辐射消减强弱的一种量度。 不仅是大气污染程度的指标，也是气候变化研究的重要 资料。
降雨、雪、雹，应根据情况及时加盖，雨停后打开。
15
第三节 净全辐射的观测
净全辐射为正表示地表增温 净全辐射为负表示地表降温
净全辐射用净 全辐射表测量
16
净全辐射表
17
净全辐射表的性能
1
有上、下两个 感应面，均能 吸收波长为 0.3—100μm 全波段。
2
有长波与全 波段两个灵 敏度，允许 误差≤15%。
波长范围： 0.29—100 μm。
8
净全辐射E*
太阳与大气向下发射 的全辐射和地面向上 发射的全辐射之差值
净全波辐射
E Eg EL Er EL
净短波辐射
E Eg Er
净长波辐射
E EL EL
9
各种辐射图示
10
辐射传感器
V KE
E：辐照度 V：输出的电动势 Ｋ：仪器的灵敏度
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工作。
第12章 辐射式传感器
12.1.3
1. 红外测温仪
红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度
的。 当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光
而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所
需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。
第12章 辐射式传感器 图12 - 2是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、 机、电一体化的红外测温系统，图中的光学系统是一个固定焦 距的透射系统，滤光片一般采用只允许 8～14 μm的红外辐射能 通过的材料。步进电机带动调制盘转动， 将被测的红外辐射调
的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低， 表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传 感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生 一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，
从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压
响应率正比于入射光辐射率变化的速率。
个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后， 气
体温度升高，导致室内压力增大。
第12章 辐射式传感器 测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切
光后射入测量气室和参比气室， 由于测量气室中含有一定量的
CO气体，该气体对4.65 μm的红外线有较强的吸收能力， 而参 比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收 气室的红外线光造成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边 的压力减小，于是薄膜偏向定片方向， 改变了薄膜电容两电极
中可以看出，CO气体对波长为 4.65 μm附近的红外线具有很强
的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 μm和4.26 μm附近以及波长 大于13 μm的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体， 则可以利用4.26 μm附近的吸收波段进行分析。
第12章 辐射式传感器
1 00 80 60 CO 40 20 0 1 00 80 60 CO2 40 20 0 1 00 80 60 CH4 40 20 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2 3 4 5 6 7 8 9 / m / m
透 射 率 / (%)
C2 H2
透 射 率 / (%)
C2 H6
透 射 率 / (%)
C2 H4
10 11 12 13 14 15
图12 – 3 几种气体对红外线的透射光谱
第12章 辐射式传感器 图12 - 4是工业用红外线气体分析仪的结构原理图。 该分析 仪由红外线辐射光源、气室、 红外检测器及电路等部分组成。 光源由镍铬丝通电加热发出3～10 μm的红外线，切光片将连 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）。红外检测器是薄膜电容型，它有两
温度传感器
线性化
A/D
图12 – 2 红外测温仪方框图
数显
第12章 辐射式传感器 红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、 温度补偿、线性化、发射率（ε）调节等。目前已有一种带单片 机的智能红外测温器， 利用单片机与软件的功能，大大简化了 硬件电路， 提高了仪表的稳定性、 可靠性和准确性。
第12章 辐射式传感器 2. β射线 β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。β粒子的运动速度均较α粒子
的运动速度高很多，在气体中的射程可达20m。 和 α 粒子一样， β 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α射线相比β射线的电离作用较小。 β 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β粒子 的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数规律：
第12章 辐射式传感器
第12章 辐射式传感器
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
12.1.1 红外辐射 红外辐射俗称红外线，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。它的波长范围大致在 0.76～1000 μm， 红外线在电磁波谱中的位置如图12-1 所示。 工程上又把红外线所占据的波段分为四部分， 即近红外、中红 外、 远红外和极远红外。
射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。
第12章 辐射式传感器 实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即
J J 0e
t
(12 - 1)
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； λ——放射性衰变常数。
第12章 辐射式传感器 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 (半衰期是指放射性同位素的
们主要介绍热释电型探测器。
第12章 辐射式传感器 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。用此效应制成的“铁电体”， 其极化强度
（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化
第12章 辐射式传感器
α离子在物质中运动时会改变运动方向，这种现象称为散射。 由于散射效应，按原来方向进行的α粒子的数目将减少， 但远 小于电离和激发效应引起的 α粒子的数目的减少。 在检测技术 中，α射线的电离效应、透射效应和散射效应都有应用， 但以 电离效应为主，用α粒子来使气体电离比其它辐射强得多。
第12章 辐射式传感器
/ m
1 0－ 9 1 0－ 7 1 0－ 5 宇宙射线 射线 1 0－ 3 1 0－ 1 紫 可 外 见 线 光 10
/ cm
1 0－ 1 10 1 02
/m
1 03 1 04
X射线
红外线
微波
无线电波
近红外 0 3
中红外 6 9
远红外 12 15
极远红外 18 21
制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电
探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。 被测目标的红外辐射通 过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电 信号输出。
第12章 辐射式传感器
红外探测器 步进电机 前放 选放 同步 检波 加法器
透镜
滤光片
“ ” 放大 多谐 振荡器
调节
调制盘
第12章 辐射式传感器 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 各种电学现象——这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电 学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电 和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电 探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度 快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下
红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播 的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的 吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称 的双原子气体，如 N2 、 O2 、 H2 等不吸收红外线。而红外线在通 过大气层时，有三个波段透过率高，它们是2～2.6μm、3～5 μm 和8～14 μm，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，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气 窗口）之内。
子序数将减少两个单位而变为另一个元素。一般α粒子具有40～
100MeV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，α粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。
第12章 辐射式传感器 α 射线通过气体时，使其分子或原子的轨道电子产生加速 运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为
原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同
位素的寿命)，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 有 20 种 左 右 ， 例 如 Sr90 （ 锶 ） 、 Co60
（钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。
第12章 辐射式传感器 1. α射线 放射性同位素原子核中可以发射出 α粒子。α粒子的质量为 4.002 775u(原子质量单位)，它带有正电荷，实际上即为氦原子 核，这种α粒子流通常称作α射线。 放射出α粒子后同位素的原
收的红外辐射。
与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰 值探测率低，响应时间长。但热探测器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。
第12章 辐射式传感器 热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型 和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高， 频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我
红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。
反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、
铝、 镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。
第12章 辐射式传感器 2. 红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收 的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收 带）不同，图12 - 3给出了几种气体对红外线的透射光谱，从图
之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。
第12章 辐射式传感器
12.2 核辐射传感器
12.2.1 核辐射及其性质 众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人
们称这些最基本的物质为元素。组成每种元素的最基本单元就
是原子， 每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电 荷数Z而有不同的质子数A的原子所构成的元素称同位素。 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α射线、β射线、γ射线、X射线等，这种现象称为核辐