第10章 輻射式傳感器

第10章輻射式傳感器

10.2激光傳感器

激光技術(shù)是近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果之一，目前已被成功地應(yīng)用于精密計量、軍事、宇航、醫(yī)學(xué)、生物、氣象等各領(lǐng)域。激光傳感器雖然具有各種不同的類型，但它們都是將外來的能量(電能、熱能、光能等)轉(zhuǎn)化為一定波長的光，并以光的形式發(fā)射出來。激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。

10.2.1激光的本質(zhì)

原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級El狀態(tài)。如果沒有外界的作用，原于可以長期保持這個狀態(tài)。原子在得到外界能量后，由低能級向高能級躍遷的過程，叫做原子的激發(fā)。原子處于激發(fā)的時間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到低能級上去，同時輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級上去而發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射，如圖10.2.1a所示。

10.2.1激發(fā)與受激輻射過程

進行自發(fā)輻射時，各個原子的發(fā)光過程互不相關(guān)。它們輻射光子的傳播方向，以及發(fā)光時原子由高能級向哪一個能級躍遷(即發(fā)光的頻率訕等都具有偶然性。因此原子自發(fā)輻射的光是一系列不同頻率的光子混合。對于光源的大量原子來說，這些光子的頻率只服從于一定的統(tǒng)計規(guī)律。10.2.1激發(fā)與受激輻射過程如果處于高能級的原子在外界作用影響下，發(fā)射光子而躍遷到低能級上去，這種發(fā)光叫做原子的受激輻射。設(shè)原子有能量為E1和E2的兩個能級，而且E2>E1。當(dāng)原子處于E2能級上時，在能量為的入射光子影響下，(h為普朗克常數(shù)，h＝6.6256X10-34J·s，為光子的頻率)，這個原子可發(fā)生受激輻射而躍遷到E1能級上去，并發(fā)射出一個能量為的光子，如圖10.2.1b所示。10.2.2光放大與吸收在受激輻射過程中，發(fā)射光子不僅在能量上(或頻率上)和入射光子相同，它們在相位、振動方向和發(fā)射方向上也完全一樣。如果這些光子再引起其他原子發(fā)生受激輻射，這些原子所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動方向和頻率上也都和最初引起受激輻射的入射光子相同，如圖10.2.2a所示。10.2.2光放大與吸收這樣，在一個入射光子影響下，會引起大量原子的受激輻射，它們所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動方向和頻率上都完全一樣，這一過程也稱為光放大，所以在受激發(fā)射時原子的發(fā)光過程不再是互不相關(guān)的，而是相互聯(lián)系的。另一方面，能量為的光子在媒質(zhì)中傳播時，也可以被處于E1能級上的粒子所吸收；而使這粒子躍遷到E2能級上去。在此情況下，入射光子被吸收而減少，如圖10.2.2b所示。這個過程叫做光的吸收。

光的放大和吸收過程往往是同時進行的，總的結(jié)果可以是加強或減弱，這取決于這一對矛盾中哪一方處于支配地位。激光是媒質(zhì)的粒子(原子或分子)受激輻射產(chǎn)生的，但它必須具備下述的條件才能得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，激光在共振腔內(nèi)往返放大過程叫做振蕩放大，激光輸出。10.2.2激光的特點

1高方向性

高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達到幾分甚至可小到。所以通常稱激光是平行光。2高亮度

激光在單位面積上集中的能量很高。一臺較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達比太陽的發(fā)光亮度高出很多倍。把這種高亮度的激光束會聚后能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫。在這種高溫下，就是最難熔的金屬，在一瞬間也會熔化。3單色性好

單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。用表示波長，表示譜線寬度，則越小，單色性越好。在普通光源中最好的單色光源是氪(Kr86)燈。4高相干性

相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。由于激光具有上述特點，因此利用激光可以導(dǎo)向；做成激光干涉儀測量物體表面的平整度、測量長度、速度、轉(zhuǎn)角；切割硬質(zhì)材料等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光的應(yīng)用會更加普遍。

10.2.3激光器

激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)體激光器。

1固體激光器

固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石(摻鉻)、釹玻璃(摻釹)、釔鋁石榴石(摻釹)。固體激光器的常用激勵方式是光激勵(簡稱光泵)，也就是用強光去照射工作物質(zhì)(一般為棒狀，在光學(xué)共振腔中，它的軸線與兩個反光鏡相垂直)，使之激發(fā)起來，從而發(fā)出激光。為了有效地利用泵燈(用脈沖氙燈、氪弧燈、汞弧燈、碘鎢燈等各種燈作為光泵源的簡稱)的光能，常采用各種聚光腔。如果工作物質(zhì)和泵燈一起放在共振腔內(nèi)，則腔內(nèi)壁應(yīng)鍍上高反射率的金屬薄層，使泵燈發(fā)出的光能集中照射在工作物質(zhì)上。圖10.2.3紅寶石固體激光器紅寶石激光器如圖10.2.3所示，圖中1是脈沖氙燈；2是紅寶石棒，3是橢圓柱形聚光器，4是全反射鏡，5是部分反射鏡。它是世界上第一臺成功運轉(zhuǎn)的激光器。這種激光器在常溫下，只能作脈沖運轉(zhuǎn)，而且效率較低。

釹玻璃激光器的效率比紅寶石激光器要高，它發(fā)出1.06的紅外激光。釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，通常也只能作脈沖運轉(zhuǎn)。釔鋁石榴石激光器是目前性能最好的固體激光器之一，能連續(xù)運轉(zhuǎn)，其連續(xù)輸出功率可超過1000W。它發(fā)出的激光波長是1.06的紅外光。圖10.2.3紅寶石固體激光器

車速測量儀采用小型半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)激光器，其發(fā)散角在～20間，發(fā)光波長為0.9。其光路系統(tǒng)如圖10.2.4所示，圖中1是激光源；2為發(fā)射透鏡；3為接收透鏡；4為光敏元件。為了適應(yīng)較遠距離的激光發(fā)射和接收，發(fā)射透鏡采用437mm，焦距115mm，接收透鏡采用聲37mm，焦距65mm。砷化鎵激光器及光敏元件3DU33分別置于透鏡的焦點上，砷化鎵激光經(jīng)發(fā)射透鏡2成平行光射出，再經(jīng)接收透鏡3會聚于3DU33。為了保證測量精度，在發(fā)射鏡前放一個寬為2mm的狹縫光闌，其測速的基本原理如下，當(dāng)汽車行走的速度為v，行走的時間為t時，則其行走的距離

S=vt現(xiàn)選取s＝lm。使車行走時先后切割相距l(xiāng)m的兩束激光，測得時間間隔，即可算出速度。采用計數(shù)顯示，在主振蕩器振蕩頻率為100kHz情況下，計數(shù)器的計數(shù)值為N時，車速的表達式可寫成(v以km／h為單位)上式就是測速儀的換算式。2測量車速10.2.4車速測量光路系統(tǒng)10.3.1紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)

紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度(-273.16℃)時，一切物體的分子才會停止運動。所以在絕對零度時，沒有一種物體會發(fā)射紅外線。換言之，在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機、動植物甚至人體等都是紅外輻射源。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性質(zhì)，但它的特點是熱效應(yīng)非常大，紅外線在真空中傳播的速度c=3×108m／s，而在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外線的衰減遵循如下規(guī)律

式中，I為通過厚度為x的介質(zhì)后的通量；I0為射到介質(zhì)時的通量；e為自然對數(shù)的底；K為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。

10.3紅外輻射傳感器金屬對紅外輻射衰減非常大，一般金屬材料基本上不能透過紅外線；大多數(shù)的半導(dǎo)體材料及一些塑料能透過紅外線；液體對紅外線的吸收較大，例如厚l(mm)的水對紅外線的透明度很小，當(dāng)厚度達到lcm時，水對紅外線幾乎完全不透明了；氣體對紅外輻射也有不同程度的吸收，例如大氣(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它對波長為1～5μm，8～14μm之間的紅外線是比較透明的，對其他波長的透明度就差了。而介質(zhì)的不均勻，晶體材料的不純潔，有雜質(zhì)或懸浮小顆粒等，都會引起對紅外輻射的散射。實踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長。由此在工業(yè)上和軍事上根據(jù)需要有選擇地接收某一范圍的波長，就可以達到測量的目的。

電磁波譜10.3.2紅外線傳感器的類型

能把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器，主要有熱敏型和光電型兩大類。

熱敏型是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成的，其核心是熱敏元件。由于熱敏元件的響應(yīng)時間長，一般在毫秒數(shù)量級以上。另外，在加熱過程中，不管什么波長的紅外線，只要功率相同，其加熱效果也是相同的，假如熱敏元件對各種波長的紅外線都能全部吸收的話，那么熱敏探測器對各種波長基本上都具有相同的響應(yīng)，所以稱其為“無選擇性紅外傳感器”。這類傳感器主要有熱釋電紅外傳感器和紅外線溫度傳感器兩大類。

光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成的，其核心是光電元件。因此它的響應(yīng)時間一般比熱敏型短得多，最短的可達到毫微秒數(shù)量級。此外，要使物體內(nèi)部的電子改變運動狀態(tài)，入射輻射的光子能量必須足夠大，它的頻率必須大于某一值，也就是必須高于截止頻率。由于這類傳感器以光子為單元起作用，只要光子的能量足夠，相同數(shù)目的光子基本上具有相同的效果，因此常常稱其為“光子探測器”。這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。

10.3.3紅外線傳感器的應(yīng)用

在鍛造廠里，工件在鍛造之前需要在加熱爐內(nèi)加溫到900~C，其誤差不得超過±5~C，否則會影響鍛件的質(zhì)量，所以控制鍛件的溫度是一關(guān)鍵問題。以往的辦法是由工人目測溫度，看到差不多了，把燒紅的鍛件取出放鍛錘之下進行鍛壓。而現(xiàn)在采用紅外輻射測溫計，通過加熱爐口可以直接對準工件的表面，可以測量出工件的溫度，如圖10.3.1所示。

10.3.1紅外輻射測溫計原理

當(dāng)鍛件加熱到900~C時，紅外探測器便輸出電信號，啟動電動機將鍛件從加熱爐中由傳送帶送到鍛錘之下進行鍛壓加工。這樣利用紅外探測器就可以對整個工作過程實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。市售的HBW-B型紅外測溫儀是非接觸式數(shù)字顯示儀表，它利用被測物的熱輻射來確定物體溫度，測溫范圍600℃以上。測量距離是根據(jù)被測物目標大小來確定的，被測物目標越大，測量距離越遠。測量誤差小于量程上限的1%。

10.3.1紅外輻射測溫計原理紅外溫度傳感器測溫范圍：

-20~3000℃

光學(xué)濾波器：5~20μm

最好分辨率：0.03℃

最小靈敏度：10μV/

℃

視

角：110°，適于近距離測溫

內(nèi)置Ni-1000熱敏電阻

10.4核射線式傳感器

放射性同位素在衰變過程中放出一種特殊的帶有一定能量的粒子或射線，這種現(xiàn)象稱為放射性或核輻射。其放出的粒子或射線有以下幾種：⑴α粒子。其質(zhì)量為4.002775原子質(zhì)量單位并帶有2個正電荷。α粒子主要用于氣體分析，測量氣體壓力、流量等。⑵β粒子。它實際上是高速運動的電子，其質(zhì)量為0.000549原子質(zhì)量單位，放射速度接近光速。β衰變是原子核中的一個中子轉(zhuǎn)變成一個質(zhì)子而放出一個電子的結(jié)果。β粒子用于測量材料厚度、密度等。⑶γ射線。它是一種電磁輻射。核輻射與物質(zhì)的相互作用主要是電離、吸收和反射。10.4.1核射線式傳感器組成

主要由放射源和探測器組成。1、射線源

利用射線式傳感器進行測量時，都要有可發(fā)射出α、β粒子或γ射線的輻射源。選擇射線源應(yīng)盡量提高檢測靈敏度和減小統(tǒng)計誤差。為避免經(jīng)常更換放射源，要求采用的同位素有較長的半衰期及合適的放射強度。因此盡管放射性同位素種類很多，但能用于測量的只有二十種左右。最常用的有80Co、137Cs、241Am及90Sr等。

放射線源的結(jié)構(gòu)應(yīng)使射線從測量方向射出，而其它方向則必須使射線的劑量盡可能小，以減少對人體的危害。β輻射源一般為圓盤狀，γ射線輻射源一般為絲狀，圓柱狀或圓片狀。圖10.4.1所示為β厚度計輻射源容器，射線出口處裝有耐輻射薄膜，以防灰塵浸入，并能防止放射源受到意外損傷而造成污染。

2、探測器探測器就是核輻射的接收器，常用的有電離室、閃爍計數(shù)器和蓋革計數(shù)管。

⑴電離室

圖11-8為電離室工作原理，它是在空氣中設(shè)置一個平行極板電容器，對其加上幾百伏的極化電壓，在極板間產(chǎn)生電場。當(dāng)有粒子或射線射向二極板之間的空氣時，它們在電場的作用下，正離子趨向負極，而電子趨向正極，便產(chǎn)生電離電流，并在外接電阻R上形成電壓降。測量此電壓降就能得到核輻射的強度。這就是電離室的基本工作原理。⑵閃爍計數(shù)器

圖11-9所示為閃爍計數(shù)器示意圖。它由閃爍體和光電倍增管組成。當(dāng)核輻射進入閃爍體時，使閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光電倍增管用的光陰極上打出光電子并在倍增管中倍增，在陽極上形成電流脈沖，最后被電子儀器記錄下來，這就是閃爍計數(shù)器記錄粒子的基本過程。

電離室主要用于探測α、β粒子，它具有成本低、壽命長等優(yōu)點。但輸出電流較小，而且探測α、β粒子和γ射線的電離室互不通用。三、核輻射檢測的應(yīng)用

核輻射可以檢測厚度、液位、物位、轉(zhuǎn)速、材料密度、重量、氣體壓力、流速、溫度及濕度等參數(shù)，也可用于金屬材料探傷?，F(xiàn)舉例說明。圖11-12所示為核輻射厚度計方框圖。輻射源在容器內(nèi)以一定的立體角放出射線，其強度在設(shè)計已選定，當(dāng)射線穿過被測體后，輻射強度被探測器接收。在β輻射厚度計中，探測器常用電離室，根據(jù)電離式的工作原理，這時電離室就輸出一電流，其大小與進入電離室的輻射強度成正比。前面已指出，核輻射的衰減規(guī)律為，從測得的I值可獲得質(zhì)量厚度x，也就可得到厚度h的大小。在實際的β輻射厚度計中，常用已知厚度h的標準片對儀器進行標定，在測量時，可根據(jù)校正曲線指示出被測體的厚度。

用于循環(huán)器官的X線診斷設(shè)備X線傳感器拍攝的X線圖像X線診斷裝置拍攝的心臟血管影像XY-1520/4型X射線機

裝置進口及國產(chǎn)金屬陶瓷X射線管，廣泛適用于各種輕合金及28、45、70、95、105mm以下厚度鐵板的檢測，并可以成套配備X射線實時成像系統(tǒng)。

微波傳感器是繼超聲波、紅外和核輻射等傳感器之后的一種新型的非接觸式傳感器。微波是介于紅外線與無線電波之間的電磁輻射。它不僅用于微波通訊、衛(wèi)星發(fā)送等無線通訊，而且在雷達、導(dǎo)彈制導(dǎo)、遙感、射電望遠鏡等方面也有應(yīng)用。微波是波長為1m～1mm的電磁波，它既具有電磁波的特性，又與普通的無線電波及光波不同。微波具有下列特點：1.空間發(fā)射裝置容易制造；2.遇到各種障礙物易于反射；3.繞射能力差；4.傳輸特性好，傳輸過程中受煙霧、火焰、灰塵、強光等影響很?。?.介質(zhì)對微波吸收與介質(zhì)的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強。微波傳感器通常由微波發(fā)射器（即微波振蕩器）、微波天線及微波檢測器三部分組成。

微波傳感器

微波傳感器就是利用微波特性來檢測一些物理量的器件或裝置。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測物體時將被吸收或反射，使微波功率