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* 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。 图12 – 1 电磁波谱图 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。 12.1.2 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。 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。  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 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。 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 红外传感器的应用 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。 图12 – 5 红外测温仪方框图 图12 – 6 几种气体对红外线的透射光谱 3. 红外线气体分析仪 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 图12 – 7 红外线气体分析仪结构原理图 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。 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。 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 (12 - 1) 式中： J0——开始时的放射源强度；  J——经过时间为t以后的