1、非接触式温度检测非接触式温度检测与传感器n一、红外检测概述及温度检测原理(39)n二、被测物吸收光通量的应用实例（二、被测物吸收光通量的应用实例（烟雾报警器烟雾报警器5656）n三、被测物体反射光通量的应用实例三、被测物体反射光通量的应用实例(烟尘浊度监测仪6161)n四、被测物遮挡光通量的应用实例四、被测物遮挡光通量的应用实例（75光电传感器光电传感器79)属于：光电式传感器温度检测.检测位置检测补充：光电式传感器红外光学原理红外光学原理n红外测温仪，红外雷达，红外探测器红外测温仪，红外雷达，红外探测器光导纤维原理光导纤维原理n光纤通信光纤通信n光纤传感器光纤传感器被测量改变光的强度、相位、
2、频率被测量改变光的强度、相位、频率 1.外光电效应外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=h（2-1）式中：h普朗克常数=6.62610-34(Js)光的频率（s-1）。所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面
3、，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。2.内光电效应内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应#在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（2）光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。光电式传感器几何光学原理几何光学原理n照相机照相机;望远镜望远
4、镜;显微镜显微镜干涉光学原理干涉光学原理n静态干涉静态干涉:测量面与参考面光波干涉条纹的分布与变测量面与参考面光波干涉条纹的分布与变形形表面的微观几何形貌表面的微观几何形貌:干涉显微镜干涉显微镜n动态干涉动态干涉：定点干涉条纹的移动量定点干涉条纹的移动量微尺寸、微位微尺寸、微位移：移：干涉测长仪干涉测长仪n激光全息干涉原理激光全息干涉原理衍射光学原理衍射光学原理n光遇障碍物时传播方向发生改变：微位移精密测量光遇障碍物时传播方向发生改变：微位移精密测量光电式传感器n特点频谱宽：紫外红外；适应多维测量；非接触测量,动态性能好；高精度,高分辨力n应用检测,控制领域 光电式传感器n系统构成系统构成光源
5、光路光电器件信号调理电路光源光路光电器件信号调理电路n测量原理测量原理被测量被测量光学量光学量光电器件光电器件电量电量 电流、电压，或电导率电流、电压，或电导率物理基础物理基础光电效应，红外技术，光电效应，红外技术，激光干涉原理，激光衍射原理，激光干涉原理，激光衍射原理，激光全息原理激光全息原理2.光电器件n作用:将光信息转换为电信号光信息:光强度、光相位、光频率电信号:电流、电压、电阻n分类：热辐射探测器光子（光电发射）探测器 2.1 热辐射探测器n热辐射探测原理任何物质温度大于 都会辐射红外线；红外线何以被物质吸收，使其温度升高.光照射到温度传感器传感器温度升高电信号.对被测光的波长无选择
6、性.n分类：测辐射热电偶(热电效应)测辐射热敏电阻(热电效应)热释电探测器(热释电效应)0oK(1)测辐射热电偶n原理原理:基于热电效应；n结构结构:与普通热电偶相似,但热端加一片黑体材料；n黑体几乎全部吸收照在其上的红外辐射，并使热电偶的热端温度升高，进而将红外辐射转换成热电势.电极电极A A 电极电极B B黑体材料黑体材料测辐射热电偶测辐射热电偶测辐射热电堆测辐射热电堆(2)测辐射热电阻n原理原理:热电效应n结构结构:与普通热电阻相似采用NTC负温度系数缓变型热敏电阻n热敏层表面涂以发黑材料，以增强吸热效率(3)热释电探测器n热释电效应:一些铁电材料,分子正负电荷中心不重合;部分电偶极距有
7、序排列,外表面带有一定电荷;光辐射照到材料上后,电偶极距有序排列减弱;材料表面电荷减少释放电荷从而将光辐射转换成电荷.n应用：防火、防盗、遥感、红外测温仪 2.2 光子探测器n物理基础：光电效应光具有波粒二象性：粒子说、波动说光子具有一定的能量布朗克常数 ，f:光的频率n原理：光照射在物体上，光子的能量传递给电子，电子获得能量动能增加，摆脱内部粒的束缚，成为自由电子。自由电子：n逸出材料表面外光电效应；n在物体内参与导电内光电效应；n电导率发生变化光电导效应；n积累电荷光生伏特效应.光能电能346.626 10hJ sEhf1.光电管结构：光电阴极阳极真空玻璃罩光电材料：银氧铯锑铯镁化镉光光光
8、电光电阴极阴极阳极阳极(1)光电发射型I2.光电倍增管 提高光电管的灵敏度由光电阴极若干个倍增极阳极真空玻璃罩极间电位依次升高.(2)光电导型(光敏电阻、光导管)n半导体材料在光的作用下，电阻率发生变化的现象称为光导效应n结构与原理12345671-光导层光导层 2-玻璃窗口玻璃窗口3-金属外壳金属外壳4-电极电极5-陶瓷基座陶瓷基座6-黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃7-电阻引线电阻引线无光照时,半导体材料载流子极少,电阻很高(暗电阻),电路中无电流流过；有光照时,半导体中载流子剧增,电阻极剧下降(亮电阻),电路中有对应的电流产生.暗电阻暗电阻:10100M亮电阻亮电阻:10k 材料：材料：硫化镉、
9、硫化铊、硫化铅硫化镉、硫化铊、硫化铅EuA+-I(3)光电结型(光敏二级管、光敏三极管)n结构：与普通二极管和三极管相似，只是其PN结具有光敏特性.n原理光敏二极管的PN结在电路中反向偏置;无光照时,结内仅有极少数载流子,回路中只有极小的反向饱和漏电流(暗电流10-810-9A),二极管方向截至;有光照时,结内激发大量的载流子,反向漏电流显著增加(亮电流,与光照成正比).PN产生线上的自动计数产生线上的自动计数V运输带 产品图2-16 产生线上的自动计数 发光二极管光电三极管(4)光生伏特型(光电池)n光生伏特效应某些半导体材料受光照时在一定方向产生电动势具有光生伏特效应的器件被称为光电池n材
10、料：硅(红外)、硒(可见光)n结构：由N型半导体(或金属)与P型半导体组成的PN结(4)光生伏特型(光电池)n硅光电池(太阳能电池)N型单晶硅片+P型薄层+电极PN结;N中电子向P中扩散，P中空穴向N中扩散;无光照时，载流子扩散形成阻挡层，阻止P中空穴的进一步扩散，动平衡；N型型SiP型层型层PN结结电极电极有光照时，PN结附近P型层中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡层，积累在N型硅，空穴留在P型层中;两电极间电场逐渐增强，直至电场足以抵制电荷的进一步漂移；当光强度一定时，电动势达到动态平衡,相当于一个电池;连接两级，由电流流过。N为负极，P为正极。一、红外检测概述及温度检测原理 红外检测的优点
11、及应用领域 优点：可不分昼夜进行测量，无需光源。应用范围：工业中的自动化仓库、生产线或传送带上对所传送物体的探测等。1、红红 外外 传传 感感 器器 1.1 红外辐射红外辐射 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0.761000 m，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。图12 1 电磁波谱图 1091071051031011010110102103104/m/cm/m宇宙射线射线X射线紫外线可见光红外线微波无线电波极远红外21181512963
12、0远红外中红外近红外/m 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22.6m、35 m和814 m，统称它们为“
13、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。1.2 红外探测器红外探测器 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。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。1.热探测器热探测器 热探测器的工作机理是：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。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电
14、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。2.光子探测器光子探测器 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，一般需在低温下工作。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100
15、0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。透镜 滤光片红外探测器步进电机调制盘温度传感器前放选放同步检波加法器“”调节线性化A/D数显多谐振荡器放大3.红外传感器的应用红外传感器的应用-红外测温仪红外测温仪 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814 m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
16、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。2、红外传感器的分类与特点n热电型：一般用于温度的测量及自动控制。n量子型：遥测、遥感、成像、测温。3、应用学习(产品资料：自学)(作业：学习报告)1.1.红外线辐射温度计红外线辐射温度计 红外辐射温度计既可用于高温测量，红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从度计的温度范围可以从-30-3030003000，中，中间分成若干个不同的规格，可根据需要
17、选间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。择适合的型号。红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 激光仅激光仅 用于瞄准用于瞄准红外线辐射温度计外形红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计红外线辐射温度计用于食品温度测量用于食品温度测量红外线辐射温度计红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用在非接触体温测量中的应用耳温仪耳温仪红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量 红外线辐射温度计在非接红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用触温度测量中的应用集成集成IC 温度测量温度测量 红外线辐射温度计在非接触温度测量红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）中的应用
18、（续）利用红色激光瞄准被测利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食）红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）（续）利用红色激光瞄准被利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花测物（电控柜、天花板内的布线层）板内的布线层）温度温度 采集系统采集系统红外线测温仪工作原理红外线测温仪工作原理 一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性物体的红外辐射特性辐射能量的大小及其辐射能量的大小及其按波长的分布按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关
19、与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。辐射测温所依据的客观基础。2.2.比色式温度传感器比色式温度传感器 比色式温度传感器采用比色式比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的的非接触测温，用户不需知道物质的发射率发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准准
20、 ,测量小目标，可不考虑距离系数，测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。可准确测量。分光镜分光镜的功能是使红外光通过，可见光反射。滤光片滤光片10它只让红外光中的某一特定波长它只让红外光中的某一特定波长1的光线通过，的光线通过，最后被硅光电池最后被硅光电池11所接收，转换为与发光强度所接收，转换为与发光强度I1成正比的成正比的光电流光电流I1。滤光片滤光片12的作用是只让可见光中的某一特定波长的作用是只让可见光中的某一特定波长2的光线的光线通过，最后被硅光电池通过，最后被硅光电池13所接收。转换为与光强所接收。转换为与光强I
21、2成正比成正比的光电流的光电流I2 物体在两个特定波长上的辐射强度之比与该物体在两个特定波长上的辐射强度之比与该物体的温度成指数关系物体的温度成指数关系,我们只要测出辐射强度之我们只要测出辐射强度之比，就可算出物体的温度比，就可算出物体的温度T T TKeKII/1212 转换的光电流再经电流电压转换器转换的光电流再经电流电压转换器1414、1515转换为电压转换为电压U U1 1、U U2 2，经运算电路算出，经运算电路算出U U1/1/U U2 2值，值，因而根据公式即可计算出被测物的温度因而根据公式即可计算出被测物的温度T T 比色温度计比色温度计适于环境条件恶劣的工业适于环境条件恶劣的
22、工业现场中使用，如现场中使用，如:烟雾、水蒸气、灰尘比较烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。特点与应用特点与应用二、二、光光 纤纤 传传 感感 器器 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量的测量，在自动控制、在线检测、故障诊断
23、、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维，结构如图8-33所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。纤芯 n1包层 n2保护层1.光纤结构光纤结构 2.光纤传光原理光纤传光原理 众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。设有一段圆柱形光纤，如图8-34所示，它的两个端面均为光滑
24、的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成i角时，在端面发生折射进入光纤后,又以i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。图2-34 光纤的传光原理2ciin0n2n1纤芯包层 3.光纤传感器的工作原理及组成光纤传感器的工作原理及组成 光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的
25、强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（Functional Fiber，缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（Non Functional Fiber，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。被测对象光纤敏感元件光源光探测器至信号处理系统光纤光源光探测器至信号处理系统光纤被测对象光敏感元件(a)(b)图2-35 光纤传感器组成示意图（a）传感型；（b）传光型 4.光
26、纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛使用的光纤传感器。根据工作原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤传感器，图2-37为这种传感器的结构原理图。传感器是由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等组成的。光纤是用来传输信号，半导体光吸收器是光敏感元件，在一定的波长范围内，它对光的吸收随温度T变化而变化。图2-38为半导体的光透过率特性。半导体材料的光透过率特性曲线随温度的增加向长波方向移动，如果适当地选定一种在该材料工作波长范围内的光源，那么就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检
27、测输出光强的变化即达到测量温度的目的。图2-37 半导体光吸收型光纤温度传感器结构原理图 光源输入光纤输出光纤不锈钢套半导体光吸收器探测器 这种半导体光吸收型光纤传感器的测量范围随半导体材料和光源而变，一般在-100300温度范围内进行测量，响应时间约为2 s。它的特点是体积小、结构简单、时间响应快、工作稳定、成本低、便于推广应用。图2-38 半导体的光透过率特性 100T1T2T3g12T1 T2 T3透过率/(%)01光源光谱分布；2吸收边沿透射率f(,T)本 章 小 结n温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。n在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了光学温度传感器、声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。作业1：温度传感器知识归纳 作业2：温度传感器学习报告.PPT序 号 型号 主要参数应用场合主要厂家1 6
