第10章 辐射式传感器

第10章 辐射式传感器

三种辐射式传感器：红外辐射传感器、超声波传感器、核辐射（Nuclear Radiation）传感器。

10.1 红外辐射（Infrared Radiation）传感器

应用：红外制导火箭、红外成像、红外遥感

10.1.1红外辐射的基本特点

不可见光

红外辐射：就是红外光（不可见光），其波长为1.0~1000μm 红外辐射(红外光)的最大特点：具有光热效应，能辐射热量

00温度>绝对0 (-273C) 任何物体 红外辐射（即发出红外线 ）

物体温度越高发出红外线越多 辐射的能量越强

- 95 -

感测技术讲义

10.1.2 红外辐射的基本定律

1. 希尔霍夫定律

希尔霍夫定律：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。

在同一个温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领。

ErE0

Er—物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能 α—该物体对辐射能的吸收系数

E0—等价于黑体在相同温度下发射的能量，是个常数

黑体：在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，黑体的吸收本领最大，但加热后，它发射的热辐射比任何物体的都要大。

2. 斯忒藩—玻尔兹曼定律

物体温度越高，它辐射出来的能量越大。

ET4

T—物体的绝对温度

σ—斯忒藩—玻尔兹曼常数，5.66971012W/cm2K4 ε—比辐射率

E—物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射的总能量

3. 维恩位移定律

热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。

2897m(m)

T

λm—物体峰值辐射波长 T—物体自身的绝对温度

- 96 -

感测技术讲义

10.1.3 红外探测器（传感器）（Infrared Detector）

红外辐射能量 电量

红外探测器

红外探测器分为：

热敏探测器—基于热电效应 光子探测器—基于光子效应

1. 红外探测器的基本参数

（1） 响应率

（2） 响应波长范围 （3） 噪声等效功率 （4） 探测率 （5） 响应时间

2. 红外探测器的一般组成

由光学系统、敏感元件、前置放大器、信号调制器组成。

分为反射式光学系统的红外探测器、透射式光学系统的红外探测器

3. 红外温度检测

特点：非接触检测、响应速度快、灵敏度高、测温范围广100C~13000C 测温原理：测量出物体所发出的辐射功率，根据ET4，即可确定它的温度。

4. 红外检测在其它方面的应用

无损探伤、气体分析、热象检测、红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通讯。

- 97 -

感测技术讲义

10.2 超声波（Ultrasonic）传感器

超声波技术：通过超声波产生、传播、接收的物理过程完成。

超声波的特点：是机械波的一种，频率f>20KHz，波长短，方向性好，能定向传播，在传播过程中衰减很小，穿透本领大。

10.2.1 超声波及其波形

1. 超声波

机械波：振动在弹性介质内的传播过程。

声波：是一种能在气体、液体、固体中传播的机械波。 人耳所能听闻的声波：f=20~20KHz 超声波（人耳听不见）：f>20KHz

声波波长：C f

2. 超声波的类型

三种形式的振荡波

（1） 纵波：质点振动方向和传播方向一致的波。 它能在固体、液体和气体中传播。 （2） 横波：质点振动方向和传播方向垂直的波。 它只能在固体中传播。

（3） 表面波：质点振动介于纵波与横波之间，沿表面传播的波。

10.2.2 超声波的传播速度

1． 超声波在气体和液体中传播的声速

没有横波，只能传播纵波

传播速度（纵波）：Cglρ—介质的密度 Ba—绝对压缩系数

- 98 -

1 Ba感测技术讲义

2. 超声波在固体中传播的声速 纵波、横波均能在固体中传播

（1）纵波的声速

传播速度与介质形状有关

CqE （细棒）

CqE(1)(1)(12)K43G （无限介质）

CqE （薄板）

(12)其中：E—杨氏模量

μ—泊松系数

K—体积弹性模量 G—剪切弹性模量 ρ—介质的密度

（2）横波的声速

CqEG （无限介质） 2(1)

μ介于0~0.5之间，一般视其声速为纵波声速的一半。 10.2.3 超声波的物理性质

1. 超声波的反射和折射

反射定律：



折射定律：

sinC1 sinC2

当sinC1C，即arcsin1时，900 C2C2C1时，发生全反射 C2当sin - 99 -

感测技术讲义

2. 超声波的衰减

在平面波的情况下，距离声源X处的声压P和声强I的衰减规律为

PxP0eAx

IxI0e2Ax

其中：A—衰减系数，Np/Cm (奈培/厘米) P0，I0—距离声源X=0处的声压和声强

10.2.4 超声波传感器

超声波信号 超声波传感器 (换能器、探头) 电信号

超声波传感器是实现声电转换的装置，又称为超声波换能器或超声波探头。

超声波探头：既能发射超声波信号又能接收发射出去的超声波的回波信号，并将其转换成电信号的装置。

超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。其中压电式探头最常用。

压电式探头主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜组成。

- 100 -

感测技术讲义

10.2.5超声波传感器的应用

工业上： 超声波清洗、超声波焊接、超声波加工、超声波处理、无损探伤仪

医学上：心电图检测、B超成像仪、CT分析成像仪 超声波检测（测距、测厚、检漏）

例：测出从超声波发射到接收的时间T

由 T2d vvT d2

10.3 辐射式传感器应用举例（P250）

红外成像系统几乎从一诞生就以其强大的技术优势逐步占领了世界军用和商用市场，其在生产加工、天文、医学、法律及消防等方面都得到了广泛的应用。

红外成像技术主要应用在军事、科学和商业领域。

在军事应用上，红外技术主要应用在导航系统、探测与搜索、光学成像和目标评估系统中。利用红外探测器能够及时发现危险情况、判别微小目标、探察制导武器系统，还能及时提供有关受损的反馈信息。此外，军事上还利用红外技术识别敌人的某些伪装，或者是关闭敌人的红外传感器。随着无人驾驶飞机、超高速导弹系统和伪装防御成像等方面的研究进展，红外技术军用市场得到了更大的发展。 在商业领域，红外成像技术可应用于建筑物热损失检测、电气元件故障预测、电子系统测试、生产过程监控及生产中的临界温度控制等。目前研究人员正在探索利用红外技术在积雪中寻找被埋物体（如汽车）、检测激光焊接过程中的热量情况、在边境检查站用红外发送机自动评估边界控制系统，实现与移动交通工具之间的通信等等。 在科学研究方面，红外成像技术主要用于航空领域，人造卫星和太空飞船上的机载红外传感器监视天气变化、研究植被类型、协助农业规划和地质探测，还可探查海洋中的温度变化。

1．红外气体分析仪 2．红外无损探伤仪

3．超声波测量厚度—脉冲反射式超声波测厚仪 4．超声波诊断仪

- 101 -