温传感器PPT学习教案

1、会计学1 温传感器温传感器 o 由度间能量分配状况的物理量。 第1页/共58页 第2页/共58页 第3页/共58页 第4页/共58页 第5页/共58页 任何物体只要其自身及周围的温度不是 绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射 能量。这种电磁波是由物体内部带电粒子在 分子和原子内振动产生的，其中与物体本身 温度有关传播热能的那部分辐射，称为热辐 射。它不需要任何物质作为媒介（真空中也 传播）。物体温度越高，粒子被激励的越强 烈，辐射能量越大。当与周围的温度相等时 ，辐射热量过程处于动平衡状态。 第6页/共58页 辐射能投射到物体表面上；一部分被物 体吸收，一部分被反射，另一部分透过物体 。 设

2、外界投射到物体表面上的总能量为Q0 ，吸收QR，反射QP，透射Qt。比值QR/Q0， QP/Q0，Qt/Q0，分别称作该物体的吸收率， 反射率和透射率。依次为，根据能量 守恒定律，1，当1，=0， 该物体称为绝对黑体，全吸收。 第7页/共58页 远紫外远紫外 近紫外近紫外 可见光可见光 近红外近红外远红外远红外 极远紫外极远紫外 0 . 0 1 10 5 波长/m 第8页/共58页 远紫外远紫外 近紫外近紫外 可见光可见光 近红外近红外远红外远红外 极远紫外极远紫外 0 . 0 1 10 5 波长/m 第9页/共58页 （2）红外测温的特点 非接触测温非接触测温。特别适合用于较远距离的高速运动

3、 物体、带电体、高温及高压物体的温度测量； 反应速度快反应速度快。它不需要与物体达到热平衡的过程 ，只要接收到目标的红外辐射即可测定温度，反 映时间一般都在毫秒级甚至微秒级； 第10页/共58页 灵敏度高灵敏度高。由于物体的辐射能量与温度的四次方 成正比，因此物体温度微小的变化，就会引起辐 射能量较大的变化，红外传感器即可迅速地检测 出来； 准确度较高准确度较高。由于是非接触测量，不会破坏物体 原来温度分布状况，因此测出的温度比较真实， 其测量准确度可达到0.1以内，甚至更小； 第11页/共58页 测温范围广测温范围广。可测摄氏零下几十度到零上几千度 的温度范围； 应用范围广应用范围广。各种工

4、业窑炉、热处理炉温度测量 、感应加热过程中的温度测量，尤其是钢铁工业 中的高速线材、无缝钢管轧制，有色金属连铸、 热轧等过程的温度测量等；军事方面的应用如各 种运载工具发动机内部温度测量、导弹红外（测 温）制导、夜视仪等；在一般社会生活方面如快 速非接触人体温度测量，防火监测等等。 第12页/共58页 （3）红外测温原理 全辐射测温是测量物体所辐射出来的全波段 辐射能量来决定物体的温度。它是斯蒂芬玻尔 兹曼定律的应用，定律表达式为 4 WT 式中 W物体单位面积所发射的辐射功率； 物体表面的法向比辐射率； 斯蒂芬玻尔兹曼常数； T物体的绝对温度(K)。 第13页/共58页 红外测温传感器主要由

5、光学系统、调制器、红外敏 感器件、放大器和显示系统组成。微电机驱动调制盘使 入射光的辐射功率按一定规律变化，把红外辐射调制成 交变辐射，得到易于处理的交流信号输出。 第14页/共58页 按探测机理的不同，红外探测器分为热探热探 测器测器和光子探测器光子探测器。 (1)热探测器热探测器吸收红外辐射后，先引 起温度升高。然后由于温度升高，伴随着发 生某种物理性质的变化。如温度升高，体积 膨胀等。测量这些物理性质的变化就可以确 定被吸收的红外辐射的能量或者功率。常用 的物理变化有下列四种，利用其中一种就可 以制出一类红外探测器。 第15页/共58页 (a)温差电现象温差电现象 把两种不同的金属丝或者

6、半导体细线连接 成一个封闭环。当一个接头吸收红外辐射， 导致它的温度比另一个接头高时，环内就产 生电动势。从电动势的大小可以测定接头所 吸收的红外辐射功率。 利用温差电现象制成的红外探测器，叫做 热电偶。若干个热电偶串联在一起，就成为 热电堆。 第16页/共58页 (b)金属或半导体电阻的变化金属或半导体电阻的变化 当吸收红外辐射温度升高时，金属的电阻会 增加，半导体的电阻反而减小。从它们电阻的变 化可以测定被吸收的红外辐射功率。利用电阻变 化制成的红外探测器，叫做电阻测辐射热计。 (c)气体压强的变化气体压强的变化 当吸收红外辐射温度升高时，气体在体积一 定的条件下，压强增加。从压强的增加可

7、以测定 被吸收的红外辐射功率。这样的红外探测器，叫 做气体探测器。 第17页/共58页 (d)热释电现象热释电现象( (简称热电现象简称热电现象) ) 有些晶体，如硫酸三甘酞(TGS)、铌酸锶 钡(SBN)等当受到红外辐射照射后温度升高 时，在某个晶体方向上能够产生电压。由此 ，就能测量出红外辐射功率。 第18页/共58页 (2)光子探测器光子探测器吸收光子后，本 身发生电子状态的改变，从而引起几种电学 现象，它们统称为光子效应。从光子效应的 大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效 应制成的红外探测器统称为光子探测器。常 用的光子效应有下列四种。 第19页/共58页 (a)光电子发射光电子发射

8、( (光电效应光电效应) ) 光照射在某些金属氧化物表面、半导体表 面或金属表面上时，如果光子能量足够大，就 能够使表面发射出电子。这一现象叫做光电子 发射，又叫做光电效应。利用光电效应制成的 可见光探测器和红外探测器，统称为光电子发 射器件(PE器件)，其中有光电二极管和光电倍 增管。 第20页/共58页 (b)光电导光电导 吸收能量足够大的光子后，半导体中有些 电子和空穴能从原来不导电的束缚状态转变 到能导电的自由状态，从而使半导体的电导 增加。这种现象叫微光电导。利用半导体光 电导制成的红外探测器品种最多，应用最广 ，统称为光电导探测器(PC器件)。 第21页/共58页 (c)光生伏特效

9、应光生伏特效应 半导体的p-n结(或p-i-n结，或金属与半导 体接触区)及其附近，在吸收能量足够大的光子 后，能释放出少数载流子(自由电子和空穴)。 它们在结区域以外时，靠扩散进入结区域。在 结区域中则受到结内静电场的作用，电子漂移 到n区，空穴漂移到p区。如果p-n结短路，就产 生反向电流。如果p区、n区开路。两端就产生 电压。这叫做光生伏特效应。利用光生伏待效 应，制成的红外探测器，叫做光生伏特探测器 (PV器件)。PV器件工作时不必加偏置电压。 第22页/共58页 (d)光电磁效应光电磁效应 在外加电场和磁场同时作用下，半导体的 上表面吸收光子后，在上表面产生的电子空穴 对，要向体内扩

10、散。在扩散过程中，因受到强 磁场的作用，电子和空穴各偏向一侧，因而产 生电位差。这个现象就叫做光电磁效应。利用 这个效应测量红外辐射的红外探测器叫做光电 磁探测器(PEM器件)。 第23页/共58页 热探测器与光子探测器相比，热探测器有 下列优点： (1)热探测器对各种波长都有响应，光子电探测器 是一种对波长有选择的探测器，仅对具有足够 能量的光子有响应，即存在一个波长限。光子 探测器只对它的长波限以下的一段波长区间有 响应。 (2)热探测器(除低温测辐射热计外)工作时不需要 冷却，光子探测器则多数需要冷却。 第24页/共58页 但热探测器有下列缺点： (1)热探测器的响应度一般低于光子探测器

11、，响应 时间一般比光子探测器长。 (2)热探测器的性能与器件尺才、形状，以及工艺 细节等很有关系，因此，工艺要求较高，产品 规格常不容易稳定。而光子探测器，工艺比较 先进和定型，产品比较能够规格化。 第25页/共58页 热探测器有辐射热电偶、热电堆、热敏电 阻及热释电探测器。 薄膜热敏器件是二十世纪八十年代随着集 成电路技术中的薄膜工艺发展，以及人们对温 度信息获取向超小型化发展而产生的。替代传 统结构型温度传感器，适合于物体表面，快速 和小间隙温度检测。 第26页/共58页 5.2.2 薄膜热电偶 薄膜热电偶以陶瓷薄片作基体，厚度0.6mm，耐高 温1600。在陶瓷基片有两0.2小孔。 将0

12、.2标准NiCrNiSi热 电偶丝分别嵌入小孔，使其与 小孔过渡配合，在陶瓷基片背 面用高温无机绝缘胶固定热电 偶丝，经过研磨使热电偶端面 与陶瓷基片正面平齐，在其上 溅射钽（Ta）薄膜，厚度 0.7m，在钽膜片（吸收光辐 射）上镀保护膜Si3N4（厚度 0.1m）。 第27页/共58页 其动态响应时间为50s，线性度好，可在 1200下长期工作，可快速检测锻模具外壁面 、燃气动力机壁面的瞬变温度，此外还可广泛 应用于高空大气环境的测量以及沸腾换热表面 瞬态温度的快速检测等。 第28页/共58页 热电堆是由许多热电偶串接起来组成的， 相比热电偶有更大的输出热电势。 热电堆是根据赛贝克效应，对半

13、导体材料 采用集成电路工艺和各向异性腐蚀的微细加工 技术制成的，半导体材料的赛贝克系数比金属 材料大，适合作温度传感器。半导体材料接受 红外辐射能，把红外辐射能转换成热能，再转 换成电信号输出。热电堆相当于若干薄膜热电 偶串接，结电压相加，提高测温的响应度。 第29页/共58页 早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空 镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷 衬底上获得的，但器件的尺寸较大，且不易批 量生产。随着微电子技术的蓬勃发展，提出了 微电子机械系统的概念，进而发展了微机械红 外热电堆探测器。 第30页/共58页 为建立热结区与冷结区的有效热传导，需要构建一 定的隔热结构，现在主要通过薄膜

14、来实现。应用的薄 膜结构有两类，即封闭膜结构(图)和悬梁结构(图 )，其中封闭膜是指热堆的支撑膜为整层的复合介质膜 ，一般为氮化硅与氧化硅复合膜。 2 3 第31页/共58页 2 3 悬梁则是指周围为气氛介质所包围，一端固定悬梁则是指周围为气氛介质所包围，一端固定 、一端悬空的膜结构，其中膜亦为复合介质膜。、一端悬空的膜结构，其中膜亦为复合介质膜。 热电堆、热结区以及热电堆、热结区以及 红外吸收区都在膜上。红外吸收区都在膜上。 热结位于红外吸收区附热结位于红外吸收区附 近近, ,当吸收红外辐射之后当吸收红外辐射之后 , ,此处即成为高温区域；此处即成为高温区域； 冷结区位于硅衬底上冷结区位于硅

15、衬底上, ,经经 导热性良好的单晶硅将导热性良好的单晶硅将 热迅速散发热迅速散发, ,形成低温区形成低温区 域。域。 第32页/共58页 从隔热效果隔热效果来说，悬梁更具优势，因为这 种膜结构的周围是导热性能很差的气氛介质( 如空气)，因此热耗散小，热阻高，隔热效果 好，同时吸收的热可以沿着膜的方向，也就是 热电偶对的方向作有效传导，故热电转换效率 较好，灵敏度高；而对封闭膜而言，吸收红外 辐射后，热可以沿着介质支撑膜传播，而并不 完全沿着热偶对传播，故热耗散较大,热电转 换效率低，灵敏度小。 第33页/共58页 但从工艺工艺制造过程以及成品率成品率角度来说，封 闭膜更具优势，因为这种膜结构的

16、优点在于结构 稳定，由于膜与基体处处相连，因此受应力影响 小，制造过程中膜本身不易破裂，成品率高，易 制造；而悬梁与基体间只通过固支一端相连，另 一端悬空，因此受应力的影响显著，制造过程中 膜容易发生翘曲或破裂，故成品率较低，不易制 造。这些薄膜结构都是利用硅的各向异性腐蚀而 得到的，腐蚀孔呈金字塔型。 第34页/共58页 从上述分析可以看出，悬梁结构和封闭膜结 构各有优缺点，将这两种结构相结合，就可以集 中这两种结构的优点，这就是斜拉悬梁支撑膜结 构。 第35页/共58页 这种结构的悬梁与硅基 体成45度角，故名斜拉； 悬梁一端固支，与硅基体1 相连，另外一端仅有两点 与基体1相连，红外吸收

17、区 5与热堆结构4在此悬梁上 。红外吸收区5吸收红外辐 射后，温度升高，构成热 堆的热结区3，硅的导热性 好，称为热堆的冷结区2， 保持与周围环境相同的温 度。 第36页/共58页 斜拉支撑膜的优点在于综合了封闭膜与悬梁结 构的优点，由于非固支端与基体也有两点相连，因 此具有封闭膜结构稳定，制作过程中膜结构不易被 破坏，成品率高的优点；而这仅有的两点相连，对 于导热的影响很小，因而秉承了悬梁结构的优点， 热耗散小，隔热效果好，热阻高，热可以沿着热偶 对有效传导，可提高热电转换效率，获得高的灵敏 度，这种新的斜拉悬梁支撑膜结构，使得微机械热 电堆红外探测器的整体性能得到较大提高。 第37页/共5

18、8页 温度变化而变换的特性，作为敏 感元件构成传感型光纤温度传感 器。 第38页/共58页 第39页/共58页 半导体光纤温度传感器是利用半导体材 料的吸收光谱随温度变化而制成的。使用 GaAs砷化镓半导体材料作为温度敏感元件， 组成传感头部分，采用双光源系统，引入参考 光源，有效消除了由于光纤间的连接所产生的 微小轴向或横向位移误差对测量结果的影响， 大幅度提高了系统的稳定性。 第40页/共58页 当GaAs研磨抛光到一定厚度(100m 左右) 时，它的光透过率特性曲线如图所示。当温度升 高时，透过率曲线向长波长方向移动，但曲线的 形状不变。 第41页/共58页 温度传感器正是利用了它的这种

19、特性。假 如将光源的发光光谱I1 叠加上去，就会发现随着 温度的升高，透过GaAs 的光强在逐步减小。这 样光探测器的输出电压也将随温度的升高而减小 。因此，通过测量光探测器的输出电压即可达到 测温的目的。 第42页/共58页 由发光管稳压电源驱动砷化铝镓AlGaAs、砷磷化铟 镓InGaAsP 两发光二极管发光，控制电路控制光开关分 时接收来自信号光源(AlGaAs)与参考光源( InGaAsP) 发 出的光束，首先是让信号光通过，探头中的GaAs 材料对 光有吸收作用，透射光强与温度有关。 第43页/共58页 然后是参考光通过，经过的路径和前面完全一样， 只是由于探头中的GaAs 材料对它

20、来说是完全透明的。两 光束通过光纤传输后经光探测器把参考光束和信号光束 转变为电信号，经前置放大、滤波后，通过A/ D 接口到 单片机，经处理后输出显示。 第44页/共58页 光探头是由半导体材料GaAs 制作，其厚度 约100m ，两边抛光，镀增透膜，探头与光纤 芯的连接如下图所示。 第45页/共58页 为了排除干扰，提高测量精度和稳定性，特别加入了 一束参考光，即另外一个半导体发光二极管，其发光的 光谱曲线如图中的I2 所示。由于它的光谱在砷化镓GaAs 材料的透过率曲线右边，砷化镓GaAs 材料对它不吸收， 几乎完全透过，温度的变化对它的透过也几乎无影响。 因此，可以把它作为参考光，来消

21、除外界干扰和内部部 件的老化的影响。 第46页/共58页 荧光材料原子受到某一合适波长光的辐射而 被激发时，发出辐射荧光。利用荧光物质所发出 的荧光衰变时间随温度变化的特性可以制成温度 传感器。 将荧光物质均匀涂在被测物体表面上或使其 与半导体材料掺杂。用输入光纤传输激励光，激 励被测物体发出荧光，利用晶体的荧光衰变时间 来控制激励光源调制频率。当温度变化时，荧光 衰变时间发生变化，从而改变了光源调制频率， 若测出频率即可测出温度。 第47页/共58页 LED作为光源，光 源发出的激发光（在一 个频率上振荡）透过透 镜2进入滤光器3，把长 波部分滤去，然后经分 光镜4和透镜5注入光纤 射向晶体

22、，激发荧光。 返回的荧光由分光镜耦 合到滤光镜7上。滤光器7 的作用是抑制散射激励 光。 第48页/共58页 荧光经过透镜8聚 焦进入探测器9转换成 电信号。此信号经放大 器10，相移器11和幅度 控制器12，最后反馈到 调制器1上控制LED的 发光频率。由时标计算 器13测出光源（调制后 ）振动频率，即可确定 温度。 第49页/共58页 传感型光纤温度传感器不仅用光纤作为传 输光路，而且用光纤作感温元件。利用光纤自身 物理参数随温度变化而变化，从而使传输光的参 数受到调制的特性，可以实现强度调制光纤温度 传感器、相位调制光纤温度传感器。 折射率调制是光强调制的一种形式，物体 参数变化可以改变光纤的折射率。利用透明液体 的折射率与温度有关，可制成温度传感器。 第50页/共58页 一液芯光纤敏感元件一液芯光纤敏感元件 温敏元件是一段透明毛细管，其折射率为ns；内装折 射率为nl的透明液体（液芯）。温敏元件两端与普通多模 输入光纤3及输出光纤4串接，内芯折射率为n1，包层折射 率为n2。液芯折射率nl对温度敏感。 5.3.3 折射率调制式光纤温度传感器（传感型 ） 第51页/共58页 二、无包层光纤敏感元件二、无包层光纤敏感元件 温敏元件为数值孔径随温度变化的液芯光纤。 o在某温度T1时，nsnl，数值孔径NA0；光从液 体包层漏出，出射光强为零。 o当温度T2时，液体