第12章 辐射式传感器
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图12 – 7 红外线气体分析仪结构原理图
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 射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。
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。
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
热释电效应: 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
12.1.2
红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显 示单元等组成。
按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器
1. 热探测器
工作机理：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，
通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。
/ m
/ cm
10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 10 10－ 1 10
紫可 宇 宙 射 线 射 线 X射 线 外 见 红 外 线 微 波
线光
/m
102 103 104
无 线 电波
近红外 中红外
远红外
极 远 红外
0
3
6
9
12
15
18
21
/ m
图12 – 1 电磁波谱图
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 0et
(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。 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 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。
热释电型传感器: 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
2. 光子探测器
工作机理：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。
பைடு நூலகம்
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
调制盘 温度传感器
多谐 振荡器
“ ” 调 节 线性化
图12 – 5 红外测温仪方框图
A/D 数显
3. 红外线气体分析仪 图12 – 6 几种气体对红外线的透射光谱
10 0
透 射 率 / (%)
80
60 CO
40
C2H2
20
0
10 0
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，一般需在低温下工作。
12.1.3
1. 红外感应系统
2. 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。
红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能 量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来 的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电 磁波性质一样，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。
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。
透 射 率 / (%)
80
60
40
CO2
C2H6
20
0
10 0
透 射 率 / (%)
80
60
40
CH4
C2H4
20
0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
/ m
/ m
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
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
12.1 红外传感器 12.2 核辐射传感器
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。
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 射。 而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源。
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。
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
热释电效应: 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
12.1.2
红外传感器一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显 示单元等组成。
按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器
1. 热探测器
工作机理：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，
通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。
/ m
/ cm
10－ 9 10－ 7 10－ 5 10－ 3 10－ 1 10 10－ 1 10
紫可 宇 宙 射 线 射 线 X射 线 外 见 红 外 线 微 波
线光
/m
102 103 104
无 线 电波
近红外 中红外
远红外
极 远 红外
0
3
6
9
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15
18
21
/ m
图12 – 1 电磁波谱图
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 0et
(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。 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 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。
热释电型传感器: 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
2. 光子探测器
工作机理：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。
பைடு நூலகம்
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
调制盘 温度传感器
多谐 振荡器
“ ” 调 节 线性化
图12 – 5 红外测温仪方框图
A/D 数显
3. 红外线气体分析仪 图12 – 6 几种气体对红外线的透射光谱
10 0
透 射 率 / (%)
80
60 CO
40
C2H2
20
0
10 0
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，一般需在低温下工作。
12.1.3
1. 红外感应系统
2. 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。
红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能 量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来 的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电 磁波性质一样，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性， 它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。
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。
透 射 率 / (%)
80
60
40
CO2
C2H6
20
0
10 0
透 射 率 / (%)
80
60
40
CH4
C2H4
20
0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
/ m
/ m
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
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
12.1 红外传感器 12.2 核辐射传感器
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。