文档介绍：第九课新型传感器
激光传感器
超声波传感器
红外线传感器
气敏传感器
湿敏传感器
红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性,实现自动检测的传感器。在物理学中,我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波,它们之间的差别只是波长(或频率)的不同而已。下面是将各种不同的电磁波按照波长(或频率),称之为电磁波谱。
 
电磁波波谱图
红外线传感器
从图中可以看出,红外线属于不可见光波的范畴,—600μm之间(称为红外区)。而红外区通常又可分为近红外(~)、中红外()和远红外(10μm以上),在300μm以上的区域又称为“亚毫米波”。近年来,红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。它已经广泛应用于生产、科研、军事、医学等各个领域。
红外辐射的产生及其性质
红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的,只有在绝对零度(-℃)时,一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时,没有一种物体会发射红外线。换言之,在一般的常温下,所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。
红外线和所有的电磁波一样,具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质,但它的特点是热效应非常大,红外线在真空中传播的速度c=3×108m/s,而在介质中传播时,由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律
式中,I为通过厚度为x的介质后的通量;I0为射到介质时的通量;e为自然对数的底;K为与介质性质有关的常数。
金属对红外辐射衰减非常大,一般金属材料基本上不能透过红外线;大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线;液体对红外线的吸收较大,例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小,当厚度达到lcm时,水对红外线几乎完全不透明了;气体对红外辐射也有不同程度的吸收,例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收,它对波长为1~5μm,8~14μm之间的红外线是比较透明的,对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀,晶体材料的不纯洁,有杂质或悬浮小颗粒等,都会引起对红外辐射的散射。
实践证明,温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长,就可以达到测量的目的。
红外线传感器的类型
能把红外辐射转换成电量变化的装置,称为红外传感器,主要有热敏型和光电型两大类。
热敏型是利用红外辐射的热效应制成的,其核心是热敏元件。由于热敏元件的响应时间长,一般在毫秒数量级以上。另外,在加热过程中,不管什么波长的红外线,只要功率相同,其加热效果也是相同的,假如热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话,那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应,所以称其为“无选择性红外传感器”。这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类。
光电型是利用红外辐射的光电效应制成的,其核心是光电元件。因此它的响应时间一般比热敏型短得多,最短的可达到毫微秒数量级。此外,要使物体内部的电子改变运动状态,入射辐射的光子能量必须足够大,它的频率必须大于某一值,也就是必须高于截止频率。由于这类传感器以光子为单元起作用,只要光子的能量足够,相同数目的光子基本上具有相同的效果,因此常常称其为“光子探测器”。这类传感器主要有红外二极管、三极管等。
红外线传感器的应用
在锻造厂里,工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900ºC,其误差不得超过±5ºC,否则会影响锻件的质量,所以控制锻件的温度是一关键问题。以往的办法是由工人目测温度,看到差不多了,把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外辐射测温计,通过加热炉口可以直接对准工件的表面,可以测量出工件的温度,如图所示。
当锻件加热到900ºC时,红外探测器便输出电信号,启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工。这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生产自动化。
市售的HBW-B型红外测温仪是非接触式数字显示仪表,它利用被测物的热辐射来确定物体温度,测温范围600℃以上。测量距离是根据被测物目标大小来确定的,被测物目标越大,测量距离越远。测量误差小于量程上限的1%。HBW-B型测温仪由传感器(探头)和仪器箱两部分组成,中间由五芯屏蔽电缆线连接。
红外感温器(探头)是一个典型的红外测温传感器,它的探测元件是硅光电池,~,感温器之间具有互换性。
仪器箱(电子信号处理器)具有十分完备的功能,除了辐射系数