第10章輻射與波式傳感器

一、單項選擇題

1、下列對紅外傳感器的描述錯誤的是（）。

A.紅外輻射是一種人眼不可見的光線

B.紅外線的波長范圍大致在0.76~1000Hm之間

C.紅外線是電磁波的一種形式，但不具備反射、折射特性

D,紅外傳感器是利用紅外輻射實現相關物理量測量的一種傳感器。

2、對于工業上用的紅外線氣體分析儀，下面說法中正確的是（）

A.參比氣室內裝被分析氣體B.參比氣室中的氣體不吸收紅外線

C.測量氣室內裝N2D.紅外探測器工作在“大氣窗口”之外

3、紅外輻射的物理本質是（）

A.核輻射B.微波輻射C.熱輻射D.無線電波

4、對于工業上用的紅外線氣體分析儀，下面說法中錯誤的是（）

A.參比氣室內可裝N2B.紅外探測器工作在“大氣窗口”之內

C.測量氣室內裝被分析氣體D.參比氣室中的氣體要吸收紅外線

5、紅外線是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在（）

到1000um的頻譜范圍之內。

A.0.76nmB.1.76nmC.0.7611mI）.1.76um

6、在紅外技術中，一般將紅外輻射分為四個區域，即近紅外區、中紅外區、遠紅外區和（

這里所說的“遠近”是相對紅外輻射在電磁波譜中與可見光的距離而言。

A.微波區B.微紅外區C.X射線區D.極遠紅外區

7、紅外輻射在通過大氣層時，有三個波段透過率高,它們是0.2?2.6口m、3?5um和（）,

統稱它們為“大氣窗口”。

A.8?1411mB.7?15nmC.8?18nmD.7?14.5um

8、紅外探測器的性能參數是衡量其性能好壞的依據。其中響應波長范圍（或稱光譜響應），

是表示探測器的（）相應率與入射的紅外輻射波長之間的關系。

A.電流B.電壓C.功率D.電阻

9、光子傳感器是利用某些半導體材料在入射光的照下，產生（）。使材料的電學性質

發生變化。通過測量電學性質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。光子效應所制成的紅外探

測器。

A.光子效應B.霍爾效應C.熱電效應D.壓電效應

10、當紅外輻射照射在某些半導體材料表面上時，半導體材料中有些電子和空穴可以從原來

不導電的束縛狀態變為能導電的自由狀態，使半導體的導電率增加，這種現象叫（）。

A.光電效應B.光電導現象C.熱電效應D.光生伏特現象

11、研究發現，太陽光譜各種單色光的熱效應從紫色光到紅色光是逐漸增大的，而且最大的

熱效應出現在（）的頻率范圍內。

A.紫外線區域B.X射線區域C.紅外輻射區域D.可見光區域

12、實驗表明，波長在（）之間的電磁波被物體吸收時，可以顯著地轉變為熱能。

A.8?14umB.7?15umC.2.6~14umD.1?lOOOum

13、利用溫差電勢現象制成的紅外傳感器稱為（）紅外傳感器，因其時間常數較大,

響應時間較長，動態特性較差，調制頻率應限制在10Hz以下。

A.熱電偶型B.熱釋電型C.熱敏電阻型D.熱電動型

14、（）傳感器是利用氣體吸收紅外幅射后，溫度升高，體積增大的特性，來反映紅

外輻射的強弱。

A.熱電動型B.熱釋電型C.高萊氣動型D.氣熱型

15、關于紅外傳感器，下述說法不正確的是（）

A.紅外傳感器是利用紅外輻射實現相關物理最測量的一種傳感器

B.紅外傳感器的核心器件是紅外探測器

C.光子探測器在吸收紅外能量后，將直接產生電效應

D.為保持高靈敏度，熱探測器一般需要低溫冷卻

16、下列關于微波傳感器的說法中錯誤的是（）

A.可用普通電子管與晶體管構成微波振蕩器

B.天線具有特殊結構使發射的微波具有尖銳的方向性

C.用電流一電壓特性呈非線性的電子元件做探測微波的敏感探頭

D.可分為反射式和遮斷式兩類

17、下列關于微波傳感器的說法中正確的是（）

A.不能用普通電子管與晶體管構成微波振蕩器

R.不能用特殊結構的天線發射微波

C.用電流一一電壓特性呈線性的電子元件做探測微波的敏感探頭

D.分為反射式、遮斷式和繞射式三類

18、微波傳感器測量物體含水量主要利用下述微波的哪一個特點（）

A.微波波長很短，頻率很高B.水對微波的反射作用很強

C.微波的傳輸特性很好D.水對微波的吸收作用很強

19＞在理想介質中，超聲波的衰減來自于超聲波的（）。

A.擴散B.散射C.吸收D.投射

20、若已知超聲波傳感器垂直安裝在被測介質底部，超聲波在被測介質中的傳播速度為

1480m/s,測量時間間隔為200us,則物位高度為（）

A.296mmB.148mm

C.74mmD.條件不足，無法求出

21、采用下圖所示的超聲波傳感器安裝位置測量管道中流體的流量，圖中》代表被測流體的

流速，若已知超聲波在靜止流體中的傳播速度為C,以下說法不正確的是（）

A.若測得流體流速口后，根據管道流體的截面積，可求得被測流體流量

B.若1為發生器，2為接收器，則超聲波在流體中傳播速度為c+ucos。

C.若1為接收器，2為發生器，則超聲波在流體中傳播速度為c-usin。

D.若采用時差法測流量，則測量精度主要取決于加的測量精度

二、多項選擇題

1、以下幾種探測器屬于熱探測器的有：（）

A.熱電偶型B.熱釋電型C.高萊氣動型D.熱敏電阻型

2、內光電探測器可分為以下哪幾種：（）

A.光電導探測器B.熱釋電型C.光生伏特探測器D.光磁電探測器

3、紅外探測器的性能參數是衡量其性能好壞的依據，主要包括（）o

A.電壓響應率B.噪聲等效功率C.時間常數D.調制頻率

4、紅外測溫與普通測溫方法相比，有很多明顯的特點，如：（）,,

A.紅外測溫可遠距離和非接觸B.紅外測溫產品成本最低

C.紅外測溫反應速度快D.紅外測溫產品結構最簡單

5、紅外技術廣泛應用于工業、軍事等領域中，以下應用目前采用了紅外技術的有：（）

A.焊接缺陷的無損檢測B.疲勞裂紋探測

C.軍事偵察1）.夜晚視覺功能

6、以下屬于非接觸式傳感器的有：（）

A.微波傳感器B.紅外傳感器C.超聲波傳感器D.光線傳感器

7.以下屬超聲波測流星的方法的有：（）

A.時差法B.相位差法C,頻率差法D.多普勒法E.噪聲法

三、填空題

1、紅外傳感器是利用實現相關物理量測量的一種傳感器.

2、光子探測器型紅外傳感器是利用進行工作的傳感器。

3、紅外輻射俗稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線，但實際上它與其他任何光線一樣，

也是一種客觀存在的物質。任何物質，只要它的溫度高于,就會有紅外

線向周圍空間輻射。

4、一般情況下，當紅外輻射突然照射或消失時，紅外探測器的輸出信號不會馬上到達最大

值或下降為零，而是要經過一段時間以后，才能達到最大值或降為零，當紅外探測器的輸出

達到最終穩態的,所需要的時間稱為紅外探測器的o

5、比探測率又稱,也叫探測靈敏度，實質上就是當探測器的敏感元件面

積為單位面積（A0=lcm2）,放大器的帶寬Af=lHz時，單位功率的輻射所獲得的信號電壓與

噪聲電壓之比.

6、熱釋電型紅外探測器是由具有極化現象的或稱“鐵電體”制作而成的，鐵電

體的極化強度（單位表面積的束縛電荷）與溫度有關。通常其表面俘獲大氣中的浮游電荷而

保持電平衡狀態。

7、介于紅外線與無線電波之間的電磁波是o

8、微波是介于紅外線與無線電波之間的一種,其波長范圍為。

9、根據波長特征，微波可以細分為、和三個波段。

10、超聲波測量物位是根據超聲波在兩種介質的分界面上的特性而工作的。

11、波動是指振動在彈性介質中的o

12、根據頻率范圍，波可分為、、及四大類。

13、超聲波的頻率范圍為o

四、簡答題

1、什么是熱釋電效應？熱釋電型傳感器與哪些因素有關？

2、什么是紅外輻射？

3、什么是紅外傳感器？

4、簡述熱探測器，熱釋電傳感器。

5、簡述光子傳感器的原理，主要特點和分類。

6、簡述紅外測溫的特點。

7、微波的特點是什么？

8、試分析反射式和遮斷式微波傳感器的工作原理。

9、微波傳感器定義及分類。

10、超聲波在介質中傳播具有哪些特性？

11、簡述超聲波測量流量的工作原理。

12、簡述超聲波測量厚度的工作原理。

13、簡單解釋多普勒超聲流速計及其優點。

14、紅外探測器有哪些類型？并說明它們的工作原理。

15、什么被稱為“大氣窗口”，它對紅外線的傳播有什么影響？

16、紅外敏感元件大致分為哪兩類？它們的主要區別是什么？

17、試分析微波傳感器的主要組成及其各自的功能。

18、微波傳感器有何優、缺點？

19、舉例說明微波傳感器的應用。

20、超聲波傳感器主要有哪幾種類型？試述其工作原理。

21、超聲波測物位有哪幾種測量方式？各有什么特點？

22、試述時差法測流量的基本原理，存在的主要問題及改進方法。

23、超聲波用于探傷有哪幾種方法？

24、試述超聲波反射法探傷的基本原理。

五、計算題

1、在用脈沖回波法測量厚度時，利用何種方法測量時間間隔4有利于自動測量？若已

知超聲波在被測試件中的傳播速度為5480m/s,測得時間間隔為25ps,試求被測試件的厚

度。

第10章輻射與波式傳感器

一、單項選擇題

題號答案知識點

1C紅外傳感器

紅外傳感器

2B

紅外傳感器

3C

紅外傳感器

4D

紅外傳感器

5C

紅外傳感器

6D

紅外傳感器

7A

紅外傳感器

8B

紅外傳感器

9A

紅外傳感器

10B

紅外傳感器

11C

紅外傳感器

12D

紅外傳感器

13A

紅外傳感器

14C

紅外傳感器

15D

16A微波傳感器

17A微波傳感器

18D微波傳感器

19A超聲波傳感器

20B超聲波傳感器

21B超聲波傳感器

二、多項選擇題

題號答案知識點

1ABCD紅外傳感器

紅外傳感器

2ACD

紅外傳感器

3ABC

紅外傳感器

4AC

紅外傳感器

5ABCD

6ABC!)紅外傳感器；微波傳感器；超聲波傳感器

7ABCDE超聲波傳感器

三、母l空題

題號答案知識點

1紅外輻射紅外傳感器

2光子效應紅外傳感器

3絕對零度或-273℃紅外傳感器

463.2%；時間常數紅外傳感器

5歸一化探測率紅外傳感器

6熱晶體紅外傳感器

7微波微波傳感器

微波傳感器

8電磁波；1m?1mm

微波傳感器

9分米波；厘米波；毫米波

10反射超聲波傳感器

超聲波傳感器

11傳播

超聲波傳感器

12次聲波；聲波：超聲波；微波

超聲波傳感器

13高于20000Hz

四、簡答題

1、答：當紅外光照射到已經極化了的鐵電薄片上時，引起薄片溫度的升高，使其極化強度

（單位面積上的電荷）降低，表面的電荷減少，這相當于釋放一部分也荷，這樣現象稱為熱

釋電效應。

熱釋電型傳感器輸出信號的強弱取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映入射的紅外輻射

的強弱，所以熱釋電型傳感器的電壓響應率正比于入射光輻射率變化的速率，不取決于晶體

與輻射是否達到熱平衡。

知識點：紅外傳感器

2、答：紅外輻射俗稱紅外線，是一種人眼看不見的光線，它位于可見光中的紅光以外。紅

外線波長范圍大致介于0.76?1000〃巾的頻譜范圍之內。紅外輻射實質為熱輻射。任何物

體，只要它的溫度在絕對零度以上，就以紅外線的方式向周圍空間輻射能量。紅外線是電磁

波的一種形式，以波的形式在空間直線傳播，具有電磁波的一般特性，如反射、折射、散射、

干涉和吸收等。

知識點：紅外傳感器

3、答：紅外傳感器，也稱為紅外探測器，是能將紅外輻射能傳換成電能的光敏器件，它是

紅外探測系統的關鍵器件，其性能的好壞，直接影響系統性能的優劣。

知識點：紅外傳感器

4、答：熱探測器又稱為熱傳感器，它利用入射紅外輻射來引起傳感器的溫度變化，進而使

相關物理參數發生相應變化，通過測量有關物理參數的變化來確定傳感器所吸收的紅外輻

射。熱探測器主要有4種類型，熱敏電阻型、熱電阻型、高萊氣動型和熱釋電型。

熱釋電傳感器作為熱探測器的一種，應用范圍最廣，當紅外輻射照射到已經極化的鐵電體薄

片表面上時，引起薄片溫度升高，使其極化強度降低，表面電荷減少，這相當于釋放一部分

電荷，所有叫熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便產生一

個電信號輸出，輸出信號的大小，取決于薄片溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射

的強弱。由此可見，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應率正比于入射輻射變化的速率。

知識點：紅外傳感器

5、答：利用光子效應所制成的紅外傳感器，統稱光子傳感器。即，光子傳感器是利用某些

半導體材料在入射光的照射下，產生光子效應，使材料電學性質發生變化。通過測量電學性

質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。

光子傳感器的主要特點是：靈敏度高、響應速度快、具有較高的響應頻率。但一般需在

低溫下工作，探測波段較窄。

根據光子傳感器的工作原理，一般可分為內光電和外光電傳感器兩種，后者又分為光電

導傳感器、光生伏特傳感器和光磁電傳感器等三種。

知識點：紅外傳感器

6、答：①紅外測溫是遠距離和非接觸測溫，特別適合于高速運動物體、帶電體、高溫及高

壓物體的溫度測量；②紅外測溫反應速度快。它不需要與物體達到熱平衡的過程。只要接收

到目標的紅外輻射即可定溫。反映時間一般都在亳秒級甚至微秒級。③紅外測溫靈敏度高。

因為物體的輻射能量與溫度的四次方成正比。物體溫度微小的變化，就會引起幅射能量成倍

的變化，紅外傳感器即可迅速地檢測出來；④紅外測溫準確度較高。由于是非接觸測量，不

會破壞物體原來溫度分布狀況，因此測出的溫度比較真實。其測量準確度可達到0.1°C以內，

甚至更小；⑤紅外測溫范圍廣泛。可測攝氏零下幾十度到零上幾千度的溫度范圍。

知識點：紅外傳感器

7、答：微波特點：

需要定向輻射裝置；

遇到障礙物容易反射；

繞射能力差；

傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、灰塵等的影響較小；

介質對微波的吸收大小與介質介電常數成正比，如水對微波的吸收作用最強。

知識點：微波傳感器

8、答：反射式微波傳感器

反射式微波傳感器是通過檢測被測物反射回來的微波功率或經過的時間間隔來測量被

測量的。通常它可以測量物體的位置、位移、厚度等參數。

遮斷式;微波傳感器

遮斷式微波傳感器是通過檢測接收天線收到的微波功率大小來判斷發射天線與接收天

線之間有無被測物體或被測物體的厚度、含水量等參數的。

知識點：微波傳感器

9、答：微波傳感器是利用微波特性來檢測某些物理量的器件或裝置。由發射天線發出微波,

此波遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率放生變化，通過接收天線將接收到的微波

信號轉換成低頻電信號，再經過后續的信號調理電路處理等環節，即可顯示出被測量。按照

微波傳感器的工作原理，可將其分為反射式和遮斷式兩種。反射式微波傳感器是通過檢測被

測物反射回來的微波功率或經過的時間間隔來測量被測量的。通常它可以測量物體的位置、

位移等參數。遮斷式傳感器利用了微波繞射能力差能被介質吸收的特性。

10、答：超聲波的特性是頻率高、波長短、繞射現象小。它最顯著的特性是方向性好，且在

液體、固體中衰減很小，穿透本領大，碰到介質分界面會產生明顯的反射和折射，因而廣泛

應用于工業檢測中。

知識點：微波傳感器

11、答：超聲波測流體流量是利用超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息，在

靜止流體和流動流體中的傳播速度不同的特點，通過接收到的超聲波可以檢測出流體的流

速，從而換算成流量。

知識點：超聲波傳感器

12、答：超聲波測厚是根據超聲波脈沖反射原理來進行厚度測量的，當探頭發射的超聲波脈

沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播

的時間來確定被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內部傳播的各種材料均可采

用此原理測量。

知識點：超聲波傳感器

13、答：與電磁流速計一樣,超聲波流速計是一種沒有陽礙流動的障礙物的流體測量法.若

流動方向與聲波一致，傳給流體的聲波速度增加；相反，聲波速度減小，這稱為多普勒效應。

利用多普勒效應的超聲流速計稱為多普勒超聲流速計。它主要優點有：為非接觸式儀表，適

于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量，它與水位計聯動可進行敞開水流的流量測

量，使用超聲波流量計不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態，不產生附加

阻力，同時也解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質

的流量測量問題。

知識點：超聲波傳感器

14：泊紅外探測器按探測機理的不同，通常可分為兩大類：熱探測器和光子探測器。

1）熱探測器

熱探測器利用了紅外線被物體吸收后將轉變為熱能的這一熱效應。當熱探測器的敏感元

件吸收紅外輻射后將引起溫度升高，使敏感元件的相關物理參數發生變化，通過對這些物理

參數及其變化的測量就可確定探測器所吸收的紅外輻射。

2）光子探測器

光子探測器型紅外傳感器是利用光子效應進行工作的傳感器。光子效應就是當有紅外線

入射到某些半導體材料上，紅外輜射中的光子流與半導體材料中的電子相互作用，改變了電

子的能量狀態，引起各種電學現象。通過測量半導體材料中電子性質的變化，可以知道紅外

輻射的強弱,光子探測器主要有「光電探測器和外光電探測器兩種，內光電探測器又分為光

電導、光生伏特和光磁電探測器三種類型。

知識點：紅外傳感器

15、答：電磁波通過大氣層較少被反射、吸收和散射的那些透射率高的波段稱為大氣窗

口。對紅外線的傳播的影響主要表現為吸收和反射。

知識點：紅外傳感器

16、答：紅外探測器按探測機理的不同，通常可分為兩大類：熱探測器和光子探測器。

紅外線被物體吸收后將轉變為熱能。熱探測器正是利用了紅外輻射的這一熱效應。當熱

探測器的敏感元件吸收紅外輻射后將引起溫度升高，使敏感元件的相關物理參數發生變化,

通過對這些物理參數及其變化的測量就可確定探測器所吸收的紅外輻射。

光子探測器型紅外傳感器是利用光子效應進行工作的傳感器。光子效應是當有紅外線入

射到某些半導體材料上，紅外輻射中的光子流與半導體材料中的電子相互作用，改變了電子

的能量狀態，引起各種電學現象。通過測量半導體材料中電子性質的變化，可以知道紅外輻

射的強弱。光子探測器主要有內光電探測器和外光電探測器兩種。

光子探測器和熱釋電探測器的區別是:光子探測器在吸收紅外能量后，直接產生電效應;

熱釋電探測器在吸收紅外能量后，產生溫度變化，從而產生電效應，溫度變化引起的電效應

與材料特性有關。

知識點：紅外傳感器

17、答：微波傳感器包括三個部分：微波發生器、微波天線、微波檢測器

微波發生器：產生微波。

微波天線：將振蕩器產生的微波信號發射出去。

微波檢測器：探測微波信號。

知識點：微波傳感器

18、答：優點：微波傳感器是一種非接觸式傳感器；有極寬的頻譜；可在惡劣環境下工

作；頻率高；無須進行非電量轉換；傳輸距離遠；不會帶來顯著輻射。

缺點：存在零點漂移，給標定帶來困難；測量環境對測量結果影響大。

知識點：微波傳感器

19、答：微波液位計：微波濕度傳感器；微波輻射計；微波無損檢測儀；微波物位計；

微波定位傳感器；微波多普勒傳感器。

知識點：微波傳感器

20、答：主要有壓電式超聲波傳感器和磁致伸縮式超聲波傳感器。

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理來工作的。

磁致伸縮式超聲波傳感器是利用鐵磁材料的磁致伸縮效應來工作的。

知識點：超聲波傳感器

21、答：超聲波測物位方法：當換能器在液體中，雙換能器在液體中，當換能器在空中,

雙換能器在空中。

單換能器在液體中特點：超聲波在液體中衰減小，超聲波幅度較小也可傳播。發射和接

受超聲波使用一個換能器。

雙換能器在液體中特點：超聲波在液體中衰減小，超聲波幅度較小也可傳播。有兩個換

能器。

單換能器在空中特點：便于安裝和維修。發射和接受超聲波使用一個換能器。

雙換能器在空中特點：便于安裝和維修。有兩個換能器。

知識點：超聲波傳感器

22、答：時差法測流量：超聲波順流時間為％=——-——

C+UXCOS。

逆流時間為4=——-——，所以時間差為4=，2-4=學辛學

c-vxcos6^c-vxcos0

一般來說，c?v,所以上式簡化為：Ar^2xLx\xcosZ?

2

因此被測流體的平均速度為VH——-——-X△/

2xLxcos。

測得流體流速后，再根據管道流體的截面積，即可求得被測流體的流量。

由于被測流量與超聲波傳播速度C有關，而聲速C一般隨介質的溫度變化而變化，因此

存在溫漂的問題。

知識點：超聲波傳感器

23、答：超聲波探傷方法：穿