第12章 辐射式传感器

辐射式光电传感器原理一、引言辐射式光电传感器是一种被广泛应用于工业自动化领域的传感器。

它通过将光电效应与热效应相结合，实现对物体表面温度的测量。

本文将详细介绍辐射式光电传感器的原理。

二、辐射式光电传感器概述辐射式光电传感器是一种非接触式温度测量仪器，它通过测量物体表面发出的红外辐射能量来计算物体表面温度。

该传感器可以在高温环境下进行测量，并且不会影响到被测物体的表面。

三、光电效应原理当光线照射到金属或半导体材料上时，会产生光电效应。

这种效应是指当光子撞击材料表面时，能够将部分能量转移给材料中的自由电子，使得这些自由电子获得足够的能量以跃迁至导带中，并形成一个电子空穴对。

当这些自由电子和空穴对再次结合时，会释放出能量。

四、热效应原理根据斯特藩-玻尔兹曼定律，物体的温度越高，它所发出的红外辐射能量也就越大。

因此，通过测量物体表面发出的红外辐射能量，可以计算出物体表面的温度。

五、辐射式光电传感器原理辐射式光电传感器是通过将光电效应和热效应相结合来实现对物体表面温度测量的。

当红外光线照射到传感器上时，会产生光电效应，使得传感器中的自由电子获得足够的能量跃迁至导带中，并形成一个电子空穴对。

当这些自由电子和空穴对再次结合时，会释放出能量。

同时，当被测物体表面发出红外辐射时，这些辐射能量会被传感器吸收，并使得传感器中的温度升高。

根据斯特藩-玻尔兹曼定律，传感器所发出的红外辐射能量与其温度成正比。

因此，通过测量传感器所发出的红外辐射能量即可计算出被测物体表面的温度。

六、优缺点分析1. 优点：辐射式光电传感器可以在高温环境下进行测量，并且不会影响到被测物体的表面。

2. 缺点：辐射式光电传感器对被测物体的表面反射率和发射率要求较高，且在低温环境下精度较低。

七、应用领域辐射式光电传感器广泛应用于工业自动化领域，如钢铁、石油化工、航空航天等行业。

它可以用于测量高温炉内物体的表面温度，以及液体和气体的温度等。

八、总结本文详细介绍了辐射式光电传感器的原理。

传感器技术习题解答第一章传感器的一般特性1－1：答：传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性；其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。

1－2：答：（1）动态特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性；（2）描述动态特性的指标：对一阶传感器：时间常数对二阶传感器：固有频率、阻尼比。

1－3：答：传感器的精度等级是允许的最大绝对误差相对于其测量范围的百分数，即A＝ΔA/Y FS＊100％1－4；答：（1）：传感器标定曲线与拟合直线的最大偏差与满量程输出值的百分比叫传感器的线性度；（2）拟合直线的常用求法有：端基法和最小二5乘法。

1－5：答：由一阶传感器频率传递函数w(jw)=K/(1+jωη),确定输出信号失真、测量结果在所要求精度的工作段，即由B/A=K/(1+(ωη)2)1/2,从而确定ω，进而求出f=ω/(2π).1－6：答：若某传感器的位移特性曲线方程为y1=a0+a1x+a2x2+a3x3+…….让另一传感器感受相反方向的位移，其特性曲线方程为y2=a0－a1x＋a2x2－a3x3＋……，则Δy=y1－y2=2(a1x+a3x3+ a5x5……),这种方法称为差动测量法。

其特点输出信号中没有偶次项，从而使线性范围增大，减小了非线性误差，灵敏度也提高了一倍，也消除了零点误差。

1－7：解：Y FS=200-0=200由A=ΔA/Y FS＊100％有A＝4/200＊100％＝2％。

精度特级为2.5级。

1－8：解：根据精度定义表达式：A＝ΔA/Ay FS*100%,由题意可知：A＝1.5％，Y FS＝100所以ΔA＝A Y FS＝1.5因为 1.4＜1.5所以合格。

1－9：解：Δhmax＝103－98＝5Y FS＝250－0＝250故δH＝Δhmax/Y FS*100%＝2%故此在该点的迟滞是2％。

1－10：解：因为传感器响应幅值差值在10％以内，且Wη≤0.5，W≤0.5/η，而w=2πf,所以 f=0.5/2πη≈8Hz即传感器输入信号的工作频率范围为0∽8Hz1－11解：（1）切线法如图所示，在x=0处所做的切线为拟合直线，其方程为：Y ＝a0+KX，当x=0时，Y＝1，故a0＝1，又因为dY/dx＝1/(2(1+x)1/2)|x=0＝1/2＝K故拟合直线为：Y＝1＋x/2最大偏差ΔYmax在x=0.5处，故ΔYmax＝1＋0.5/2-（1＋0.5）1/2＝5/4－（3/2）1/2＝0.025Y FS＝（1＋0.5/2）-1＝0.25故线性度δL＝ΔYmax/ Y FS＊100％＝0.025/0.25＊100％＝0.10＊100％＝10％（2）端基法：设Y的始点与终点的连线方程为Y＝a0+KX因为x=0时，Y＝1，x=0.5时，Y＝1.225，所以a0=1,k=0.225/0.5=0.45而由 d(y-Y)/dx=d(（1＋x）1/2-(1+0.45x))/dx=-0.45+1/(2（1＋x）1/2)＝0有-0.9（1＋x）1/2＋1＝0（1/0.9）2＝1+xx=0.234ΔYmax=[（1＋x）1/2-(1+0.45x)]|x=0.234=1.11-1.1053=0.0047Y FS＝1+0.45*0.5-1＝0.225δL端基＝ΔYmax/ Y FS＊100％＝0.0047/0.225＊100％＝2.09％（3）最小二＊法由公式()()xykninkniaxxyxxyxxxyxyxaiiiiiiiiiii*4695.00034.14695.005.1506.100365.1055.0*625.2751.1*65.1*691.60034.105.168.36265.255.0*625.255.0*691.65.1*751.1)**)22222((+==--=--==--=--=-∑∑-∑=-∑-∑=∑∑∑∑∑∑由d(y-Y)/dx=d(（1＋x）1/2-(1.0034+0.4695＊x))/dx=-0.4695+1/(2（1＋x）1/2)＝0有x=1/(0.939)2-1=0.134ΔYmax=[（1＋x）1/2-(1.0034+0.4695x)]|x=0.234=1.065-1.066=-0.001Y FS ＝1.0034+0.4695x-1.0034＝0.235 δL 二＊法＝ΔYmax/ Y FS ＊100％＝0.001/0.235＊100％＝0.0042＊100％＝0.42％1－12:解：此为一阶传感器，其微分方程为a 1dy/dx+a 0y=b 0x 所以 时间常数η＝a 1/a 0=10sK=b 0/a 0=5*10-6V/Pa1- 13：解：由幅频特性有：()=+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-ωωξωωω04021/2221K A ()()3125.1arctan 36.016.0*7.0*2arctan 012arctan 947.07056.01*42120222264.010006007.010006001-=--=-⎪⎪⎭⎫⎝⎛-==+=+⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-ωωωωξωϕ1- 14:解：由题意知：()()()max minmax3%H j H j H j ωωω-<因为最小频率为W=0，由图1-14知，此时输出的幅频值为│H （jw ）│/K=1，即│H （jw ）│=K()maxmax 013%0.9719.3620.97KK kHz H j ωωω∴-<<<⎛<= ⎝1- 15解：由传感器灵敏度的定义有： K ＝m mv mmv x y μμ/51050==∆∆ 若采用两个相同的传感器组成差动测量系统时，输出仅含奇次项，且灵敏度提高了2倍，为20mv/μm.第二章 应变式传感器2－1：答：（1）金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。

1.2.3 传感器分类传感器的种类繁多，不胜枚举。

为了研究和使用方便，通常有四种分类方法。

1、按输入量分类，以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、压力传感器、温度传感器等，这种分类和命名对使用者提供了方便。

仅举两例加以说明。

集成温度传感器是目前常用的测温传感器。

对于半导体PN结，当温度每升高1度，其正向结压降下2mV，将PN结及辅助电路集成在同一芯片上形成的就是集成温度传感器，其输出电压或电流与温度成正比。

市场上的集成温度传感器有多种，AD590是较常用的一种，其测温范围为–55～+150 °C，属于电流输出型（输出电流与绝对温度成正比），灵敏度为1μA/K，通过外接电阻就可以将电流转化为电压。

其特点是灵敏度较高，价格低廉，测温范围小。

测量微小位移的传感器很多，光纤位移传感器是其中一例，它由两束光纤构成。

两束光纤各出一端混合形成双D端面的探头，另两端为自由端。

某一自由端与光源相接，另一自由端与光电元件相连，探头端面与被测移动物体相距为X。

经一束光纤传输到探头端部的光出射后被物体反射回来，进入另一束光纤。

距离X越大，反射光越弱，光电元件接收到的光越弱，输出的电量就越小。

在一定的距离范围内，电量的大小与X成反比。

2、按输出信号形式分类，以模拟量输出的为模拟式传感器，以数字量输出的为数字式传感器。

各举一例加以说明。

将具有霍尔效应的霍尔元件和放大器集成在一块半导体芯片上构成的霍尔传感器属于模拟传感器，其输出信号是模拟量，大小与被测量的值成正比（线性关系）。

利用它可以测量很多物理量，诸如测量磁感应强度；在不破坏线路情况下测量导线中的电流；在外加一定的磁装置基础上测量物体的位移等。

而编码器属于数字式传感器，它能将转轴的角度转化为数字量输出。

编码器主要由码盘、光电器件和译码器构成。

码盘上有n个圆形码道，码道上按一定规律分布着透光区和不透光区；每个码道对应设置一个光电元件，当光电元件分别对准透光区和不透光区时，输出开关信号（高或低电平）。

人体红外传感器的原理人体红外传感器是一种广泛应用于安防监控、自动照明和智能家居等领域的传感器，通过探测人体的红外辐射来实现对人体活动的监测和识别。

其原理是基于人体特有的红外辐射特征，通过传感器将红外辐射转化为电信号，从而实现对人体活动的感知和探测。

人体红外传感器的工作原理主要包括红外辐射感应、信号处理和输出控制三个方面。

首先是红外辐射感应。

人体的热能是通过红外辐射的方式传播的，因此人体在运动过程中会释放出红外辐射。

人体红外传感器内部搭载了红外探测器，它可以感知人体周围的红外辐射，当有人体活动时，红外辐射将被探测器所感知。

其次是信号处理。

一旦传感器感知到人体的红外辐射，就会将其转化为电信号。

这些电信号经过传感器内置的信号处理电路进行放大、滤波和处理，以确保信号的准确性和稳定性。

信号处理的作用是消除干扰信号，提高感知的准确度和可靠性。

最后是输出控制。

经过信号处理后的电信号将传输到输出控制电路，输出控制电路根据电信号的大小和变化来判断人体活动的位置、速度和方向，并最终输出相应的控制信号。

这些控制信号可以用来触发报警系统、控制灯光开关、调节空调温度，甚至与智能家居系统相连，实现智能化的人体活动监测和控制。

总的来说，人体红外传感器的原理是通过感知人体周围的红外辐射，将其转化为电信号并进行信号处理，最终输出相应的控制信号，从而实现对人体活动的监测和识别。

它利用了人体自身具有的特征，通过科学的技术手段将其转化为可以被电子设备所理解和处理的信号，从而实现了对人体活动的智能感知和控制。

人体红外传感器的原理基于红外辐射的特性，红外辐射是人体在运动过程中释放的一种电磁波辐射，其波长长于可见光，但短于微波。

这种红外辐射可以穿透一些薄的材料，而且其强度与物体的温度有关，因此可以通过探测物体周围的红外辐射来实现对物体的活动监测和识别。

在人体红外传感器中，常用的红外探测器包括有源式红外探测器和无源式红外探测器。

有源式红外探测器是利用人体本身的热辐射作为能源，通过感应人体的红外辐射来实现对人体活动的监测，其优点是不受环境温度影响，适用于室内和室外环境；而无源式红外探测器则是通过感应周围的红外辐射来实现对人体活动的监测，其优点是能够探测到更远距离的目标，适用于需要长距离监测的场合。

辐射式光电传感器原理
辐射式光电传感器是一种常见的光电传感器，它基于光电效应原理，利用光的辐射与物质之间的相互作用来检测和测量光的强度、能量或其他特性。

辐射式光电传感器的工作原理主要基于光电效应。

光电效应是指当光照射到物质表面时，光的能量可以激发物质中的电子，使其从束缚态跃迁到自由态，从而产生电流或电压。

辐射式光电传感器通常采用半导体材料作为光电效应的基础，例如硅(Si)、锗(Ge)或硒化镉(CdS)等。

在辐射式光电传感器中，光电效应产生的电流或电压信号被转换为可测量的电信号，从而实现对光的检测和测量。

一般来说，辐射式光电传感器包括光敏元件、电路和输出接口等组成部分。

光敏元件是辐射式光电传感器中最关键的部分，它能够将光的能量转化为电信号。

常见的光敏元件包括光电二极管（Photodiode）、光电晶体管（Phototransistor）和光电阻（Photoresistor）等。

这些光敏元件根据工作原理的不同，可以用于测量不同范围的光线强度。

在光敏元件之后，还需要设计适当的电路来放大、滤波和处理光敏元件产生的微弱电信号。

这些电路通常包括放大器、滤波器、比较器等，
通过对电信号的处理，可以提高传感器的灵敏度和稳定性。

最后，辐射式光电传感器的输出信号可以通过数字或模拟接口传输给其他设备或系统进行进一步的处理和分析。

这样，辐射式光电传感器可以在诸多领域中得到广泛应用，如光电测量、光电检测、光通讯等。

总之，辐射式光电传感器通过利用光电效应实现对光的检测和测量。

它具有灵敏度高、快速响应、功耗低等优点，广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、医疗诊断等。

试卷代号：1107国家开放大学（中央广播电视大学）2017年秋季学期“开放本科”期末考试传感器与测试技术试题一、单项选择题（每小题4分，共40分）1．压电传感器的测量电路中前置放大器的作用有( )。

A．消除电缆电容对灵敏度的影响 B．减小测量误差 C．把传感器的高输入阻抗变换成低输入阻抗2．超声波的频率高，因而( )绕射现象小，方向性好，能够成为射线而定向的传播。

A．波长短 B．波长长 C．速度慢3．差动变压器属于( )。

A．电容式传感器 B．压电式传感器 C．电感式传感器4．以下( )是影响MOS传感器性能的首要问题。

A．暗电流 B．噪声 C．像素的饱和5．超声波换能器是超声波传感器中的一个核心部件，并以( )的应用最为广泛。

A．电动式换能器 B．压电式换能器 C．电磁式换能器6．( )被广泛应用在各种检测仪表中，特别是需要辐射和穿透力前的情况，如金属探伤、测厚以及测量物体的密度等。

A．a射线 B．7射线 C．X射线7．应变电阻材料本身的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数( )。

A．大 B．小 C．相等8．以下( )不属于虚拟仪器技术所具有的特点。

A．集成性强B．扩展性强 C．开发时间长9．利用( )制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管等。

A．外光电效应 B．压电效应 C．声光效应10．首先对红外辐射进行( )使恒定辐射变成交变辐射，不断地引起铁电体的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变信号。

A．调制 B．滤波 C．补偿二、填空题（每空2分，共10分）11．光电效应是指一束光线照射到物质上时，物质的电子吸收了光子的能量而发生了相应的____现象。

12.红外传感器是将一____的变化转换成电量变化的器件。

13．热释电探测器多用在____ 、被动式检测应用中。

14.超声波是频率比声波频率高的____波。

15.虚拟仪器技术是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的____来完成各种测试、测量和自动化的应用。

中央民族大学信息工程学院传感器课程期中专业论文13047035张校铖_红外辐射式传感器最新进展研究摘要：红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，红外传感技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。

传感器技术作为信息技术的三大基础之一，是当前各发达国家竞相发展的高技术。

许多产品已运用红外线技术能够实现车辆测速、探测等研究。

目前，红外传感器拥有相对成熟的技术和经验，而且未来市场会更加宽阔，尤其是在智能设备方面。

（Abstract:Infrared is an infrared sensor system for the measurement system media, infrared sensing technology has been widely used in modern science and technology, defense, and industrial and agricultural fields. Sensor technology as one of the three basic information technology, high-tech race to develop the current developed countries. Many products have been using infrared technology enables the vehicle speed detection research. Currently, the infrared sensor has a relatively mature technology and experience, but also the future market will be more broad, especially in terms of smart devices.）关键字：红外辐射、传感器、发展历史、技术介绍、市场分析正文一、发展历史：红外探测器发展脉络：1800年：赫胥尔利用涂黑水银温度计发现红外辐射，作为红外探测器，沿用到1830年。

部分习题参考答案第11 章波与射线式传感器11.1 什么是超声波？其频率范围是多少？11.2 超声波在通过两种介质界面时，将会发生什么现象？11.3 超声波传感器的发射与接收分别利用什么效应，检测原理是什么？常用的超声波传感器（探头）有哪几种形式？简述超声波测距原理。

11.4 利用超声波测厚的基本方法是什么？已知超声波在工件中的声速为5640m/s，测得的时间间隔t 为22 s ，试求工件厚度11.5 利用EN555 集成器件，自行设计一超声波传感器控制的遥控开关发射电路，传感器中心频率为40kHz，遥控距离10m，绘出电路原理图，请说明电路工作原理。

11.6 红外辐射探测器分为哪两种类型?这两种探测器有哪些不同？试比较它们的优缺点。

11.7 叙述热释电效应，热释电元件如何将光信号转变为电信号输出？热释电探测器为什么只能探测调制辐射？11.8 题图11-39 为热释电元件内部结构图，请说明图中FET 是什么元件，Rg 与FET 在传感器电路中起到什么作用?11.9 试设计一个红外控制的电图 11-39扇开关自动控制电路，并叙述其工作原理。

11.10 什么是放射性同位素？辐射强度与什么有关系？11.11 试用核辐射测量方法设计一个测厚仪器系统，请画出测量系统结构原理示意图，试说明射线测量物厚的原理。

11.12 放射性探测器有哪几种？结构如何，各有什么特征？答案11.1 答：1）超声波是人耳无法听到的声波。

人耳听见的声波称机械波，频率在16Hz～20kHz，一般说话的频率范围在100Hz～8kHz 之间，低于20Hz 频率的波称为次声波，高于20kHz 频率的波称超声波，频率在300MHz～300GHz 之间的波称为微波。

2）超声波频率范围在几十千赫兹到几十兆赫兹，11.2 答：当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换。

11.3 答：1）超声波传感器主要利用压电材料（晶体、陶瓷）的压电效应，其中超声波发射器利用逆压电效应制成发射元件，将高频电振动转换为机械振动产生超声波；超声波接收器利用正压电效应制成接收元件，将超声波机械振动转换为电信号。