第11章波式、射線式和紅外傳感器

傳感器原理與應用第11章

波式、射線式和紅外傳感器第11章

波式、射線式和紅外傳感器11.1

超聲波式傳感器11.2

微波式傳感器11.3

核輻射式傳感器11.4

紅外傳感器11.5

核輻射與紅外傳感器應用舉例11.1

超聲波式傳感器

人耳能聽到的聲波頻率在20Hz～20kHz之間。超過20kHz的稱為超聲波，低于20Hz的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十kHz到幾十MHz。11.1

超聲波式傳感器

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波具有頻率高、波長短，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是對不透光的固體，可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生反射、折射和波型轉換等現(xiàn)象。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。11.1

超聲波式傳感器11.1.1

超聲波的基本性質11.1.2

超聲波傳感器11.1.3

超聲檢測技術的應用11.1.1超聲波的基本性質

1.波型及其轉換(1)波型

由于聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，超聲波的波型也不同，通常有三種形式

①縱波。質點振動方向與傳播方向一致的波為縱波。它能在固體、液體或氣體中傳播。

②橫波。質點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。11.1.1超聲波的基本性質

③表面波。質點振動介于縱波和橫波之間，介質表面受擾動的質點振動軌跡為一橢圓，如圖所示。沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減，實際上在距表面一個波長以上的地方，振動己近消失。

工業(yè)應用中主要采用縱波。11.1.1超聲波的基本性質(2)波型轉換

當縱波以某一角度入射到第二介質(固體)的界面上時，除了有縱波的反射、折射以外，還發(fā)生橫波的反射和折射；在某種情況下，還能產生表面波。各種波型都符合反射及折射定律。11.1.1超聲波的基本性質

2.傳播速度

超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關。氣體中聲速約344m/s、液體中為900～1900m/s；在固體中縱波、橫波、表面波三者的聲速有一定的關系，通常橫波聲速約為縱波的一半，表面波聲速約為橫波的90%。在鋼材中的縱波聲速約5000m/s。11.1.1超聲波的基本性質

3.反射及折射

超聲波在兩種介質中傳播時，在它們的交界面上，一部分能量反射回原介質，稱為反射波；另一部分能量透射界面，在另一介質內繼續(xù)傳播，稱為折射波。11.1.1超聲波的基本性質

對于反射波，當入射波和反射波的波型相同、波速相等時，反射角a等于入射角a。11.1.1超聲波的基本性質

對于折射波，入射角a、折射角b、入射波在介質1中的速度c1及折射波在介質2中的速度c2之間的關系為：亦即：11.1.1超聲波的基本性質

考慮到可能有波型轉換，如圖所示，可寫成統(tǒng)一的公式如下：11.1.1超聲波的基本性質

當超聲波垂直于入射界面，即a＝b＝0時，聲波的反射系數(shù)R和透射系數(shù)T分別如下：式中，I0,Ir,It分別為入射波、反射波、透射波的聲強；r1c1、r2c2分別為兩介質的聲阻抗，r為密度，c為速度。11.1.1超聲波的基本性質

由上面兩式可知：

①若r2c2≈r1c1，則R≈0，T≈1，此時聲波幾乎沒有反射，全部從第一介質透射入第二介質；

②若r2c2>>r1c1,R≈1，則聲波在界面上幾乎全反射，透射極少。

③當r1c1>>r2c2時，也有R≈1。11.1.1超聲波的基本性質例如，20℃時水的聲阻抗為r1c1＝1.48×106kg/(m2?s)，空氣的聲阻抗為r2c2＝0.000429×106kg/(m2?s)，r1c1>>r2c2，故超聲波從水中傳播至水氣界面時，將發(fā)生全反射。反之亦然。11.1.1超聲波的基本性質

4.超聲波的衰減

超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，距離聲源x處的聲壓p和聲強I的衰減規(guī)律為：式中，A為衰減系數(shù)。11.1.1超聲波的基本性質

衰減系數(shù)A與介質密度及波的頻率有很大關系。氣體密度小，則衰減快，尤其在頻率高時衰減更快。因此在空氣中采用的超聲波頻率較低(幾十kHz)，而在固體或液體中較高。11.1.1超聲波的基本性質

聲波在介質中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。(1)擴散衰減是指聲波在介質中傳播時，其波前逐漸擴展，從而導致聲波能量逐漸減弱的現(xiàn)象。它和波陣面的幾何形狀有關。

在理想介質中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴散。11.1.1超聲波的基本性質(2)散射衰減超聲波在介質中傳播遇到尺寸與其波長可相比或更小的障礙物時會產生散射衰減。產生散射衰減的原因很多，可分為兩種情況：①材料本身不均勻，如兩種材料的交界面、雜質和氣孔、晶體材料的各向異性等；②晶粒尺寸可與超聲波波長相比的粗晶粒材料，斜入射的超聲波在晶界的散亂反射使得聲能變?yōu)闊崮芏鴵p耗，在金屬中這往往是超聲波衰減的主要原因。11.1.1超聲波的基本性質(3)吸收衰減

超聲波在介質中傳播時，由于介質本身的粘滯性和熱傳導所引起的聲能損耗稱為吸收衰減。11.1.1超聲波的基本性質

5.聲阻抗

介質有一定的聲阻抗，聲阻抗等于介質密度與超聲波速的乘積。11.1.1超聲波的基本性質

6.聲壓

當超聲波在彈性介質中傳播時，介質質點除了承受未遭擾動時的靜壓強p0之外，還有隨時間交替變化的附加壓強p，稱后者為聲壓。聲壓p＝f(x,y,z,t)，是時間和空間的函數(shù)。11.1.1超聲波的基本性質7.聚焦

超聲波可以被聚焦。被聚焦后，具有較好的方向性，能量集中，可用于焊接等。超聲波塑料焊接機如圖所示。11.1

超聲波式傳感器11.1.1

超聲波的基本性質11.1.2

超聲波傳感器11.1.3

超聲檢測技術的應用√一些超聲波傳感器如圖所示。11.1.2

超聲波傳感器CUSS陶瓷超聲波傳感器如圖所示。11.1.2

超聲波傳感器11.1.2

超聲波傳感器

以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或超聲探頭。

按超聲波探頭的結構，可分為直探頭，斜探頭，雙探頭和液浸探頭等。按其工作原理又可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。實際使用中壓電式探頭最為常見。11.1.2

超聲波傳感器接觸式直探頭接觸式斜探頭11.1.2

超聲波傳感器發(fā)射晶片接收晶片雙晶探頭的結構雖然復雜一些，但檢測精度比單晶直探頭高，且超聲信號的反射和接收控制電路較單晶直探頭簡單。11.1.2

超聲波傳感器水浸探頭（可用自來水作為耦合劑）11.1.2

超聲波傳感器(1)壓電式超聲波探頭

圖示為壓電式超聲波探頭結構，主要由壓電晶體，吸收塊(阻尼塊)、保護膜等組成。11.1.2

超聲波傳感器(2)磁致伸縮型超聲波換能器

其工作原理是基于對磁性材料加上磁場后，就在磁場方向產生應變的磁致伸縮效應和加上應力后就發(fā)生磁化的逆磁致伸縮效應。

圖示為典型結構，其上限頻率可到100kHz左右，主要用于海洋魚群探測器和聲納。11.1.2

超聲波傳感器美國蜂鳥595C系列魚群探測器11.1.2

超聲波傳感器(3)電磁超聲換能器

特點是超聲產生和接收的過程中換能器與媒質表面非接觸、無需加聲耦合劑(提高耦合效率，如B超)、重復性好、檢測速度高。11.1.2

超聲波傳感器

如圖所示，是洛侖茲力式電磁超聲換能器產生超聲波的原理圖。11.1.2

超聲波傳感器(4)激光超聲波發(fā)生器

它是利用激光來產生超聲波的。激光可以在固體中產生超聲，也可以在氣體和液體中產生超聲。產生機理主要是熱彈性膨脹機理，脈沖激光將引起振動。

對于圖示壓電式超聲波探頭，超聲波頻率與晶片厚度d、縱波波速c、密度r的關系為：11.1.2

超聲波傳感器式中，n為諧波級數(shù)，n＝1,2,3,…11.1

超聲波式傳感器11.1.1

超聲波的基本性質11.1.2

超聲波傳感器11.1.3

超聲檢測技術的應用√√11.1.3

超聲檢測技術的應用

1.超聲波測量厚度

超聲波測厚主要有脈沖回波法，共振法、干涉法等幾種。應用較廣的是脈沖回波法。11.1.3

超聲檢測技術的應用如圖所示，測量時超聲波探頭與被測物體表面接觸；主控制器控制發(fā)射電路發(fā)射一定頻率的脈沖信號，激發(fā)探頭發(fā)射超聲波脈沖進入試件，到達底面后反射回來，并由同一探頭接收。11.1.3

超聲檢測技術的應用測出從發(fā)射到接收的時間間隔t，則試件厚度為：11.1.3

超聲檢測技術的應用手持式超聲波測厚儀11.1.3

超聲檢測技術的應用

2.超聲波物位傳感器它是利用超聲波在兩種介質的分界面上的反射特性制成的。根據(jù)發(fā)射和接收換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。11.1.3

超聲檢測技術的應用

超聲波發(fā)射和接收換能器可設置在液體中，讓超聲波在液體中傳播。由于在液體中衰減比較小，所以即使發(fā)射的超聲脈沖幅度較小也可以傳播。發(fā)射和接收換能器也可以安裝在液面上方，讓超聲波在空氣中傳播，這種方式便于安裝和維修，但超聲波在空氣中的衰減比較厲害。11.1.3

超聲檢測技術的應用

對于圖示單換能器來說，超聲波從發(fā)射到液面，又從液面反射到換能器的時間為：11.1.3

超聲檢測技術的應用

對于圖示雙換能器來說，液位高度為：

超聲物位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動，便會有較大的誤差。11.1.3

超聲檢測技術的應用

3.超聲波流量傳感器

超聲波流量傳感器的測定原理是多樣的，如傳播速度變化法、波速移動法、多普勒效應法、流動聽聲法等。但目前應用較廣的主要是超聲波傳輸時間差法，它利用的是超聲波在靜止流體和流動流體中的傳輸速度不同。11.1.3

超聲檢測技術的應用

在流體的上、下游相距L設置兩個超聲波傳感器，它們既可發(fā)射又可接收超聲波。設順流方向的傳輸時間為t1，逆流方向的傳輸時間為t2，流體靜止時的超聲波速度為c，流體流動速度為u，則：11.1.3

超聲檢測技術的應用

一般來說，u<<c，得：則：11.1.3

超聲檢測技術的應用

在實際應用中，超聲波傳感器安裝在管道的外部，從管道的外面透過管壁發(fā)射和接收超聲波不會給管路內流動的流體帶來影響。但公式需相應地改變。11.1.3

超聲檢測技術的應用

4.超聲波探傷

超聲波探傷主要是通過測量信號往返于表面和缺陷之間的時間，來確定缺陷和表面之間的距離；測量回波信號的幅度和改變發(fā)射換能器的位置，來確定缺陷的大小和方位。這就是通常所說的脈沖反射法或A掃描法。此外還有B掃描法、C掃描法、D掃描法等。11.1.3

超聲檢測技術的應用11.1.3

超聲檢測技術的應用

一種多功能超聲診斷系統(tǒng)如圖所示。11.1.3

超聲檢測技術的應用11.1.3

超聲檢測技術的應用

5.在醫(yī)療領域的應用

超聲波在醫(yī)療領域有非常廣泛的應用，可用于疾病診斷和治療。11.1.3

超聲檢測技術的應用

6.超聲波測速利用超聲波的多普勒效應，可以測量車速。11.1

超聲波式傳感器11.1.1

超聲波的基本性質11.1.2

超聲波傳感器11.1.3

超聲檢測技術的應用√√√第11章

波式、射線式和紅外傳感器11.1

超聲波式傳感器11.2

微波式傳感器11.3

核輻射式傳感器11.4

紅外傳感器11.5

核輻射與紅外傳感器應用舉例√11.2

微波式傳感器

1.微波式傳感器的優(yōu)點(1)測量具有非接觸性，可進行活體檢驗，大部分測量不需要取樣。(2)能夠適應惡劣環(huán)境下的檢測。如高溫、高壓、有毒、放射性環(huán)境及惡劣天氣等。11.2

微波式傳感器

2.微波式傳感器的缺點(1)零點漂移和標定問題尚未獲得較滿意的解決。(2)受外界影響的因素比較多，如溫度、壓力、取樣位置等。此外，一般價格昂貴。11.2

微波式傳感器一些應用如圖所示。11.2

微波式傳感器

一種用于自動門的微波傳感器及微波感應控制器如圖所示。用途：適用于賓館、銀行、辦公樓、工廠等出入人員較多場所的自動門。11.2

微波式傳感器11.2.1

微波的性質與特點11.2.2

微波振蕩器與微波天線11.2.3

微波傳感器及其應用11.2.1

微波的性質與特點

微波是波長為1mm～1m的電磁波。11.2.1

微波的性質與特點

微波可細分為三個波段：分米波、厘米波、毫米波(甚至還包括亞毫米波)。既具有電磁波的性質，又不同于普通無線電波和光波的性質。微波具有下列特點：①定向輻射裝置容易制造；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、強光的影響很?。虎萁橘|對微波的吸收與介質的介電常數(shù)成比例，水對微波的吸收作用最強。11.2

微波式傳感器11.2.1

微波的性質與特點11.2.2

微波振蕩器與微波天線11.2.3

微波傳感器及其應用√11.2.2

微波振蕩器與微波天線

微波振蕩器是產生微波的裝置。由于微波波長很短，頻率很高(300MHz～300GHz)，要求振蕩回路具有非常微小的電感與電容。故不能用普通電子管與晶體管構成微波振蕩器。構成微波振蕩器的器件有調整管，磁控管或某些固體元件。

由微波振蕩器產生的振蕩信號需要用波導管(波長在10cm以上可用同軸線)傳輸，并通過微波天線發(fā)射出去。11.2.2

微波振蕩器與微波天線

為了使發(fā)射的微波具有尖銳的方向性，天線應具有特殊的結構。常用的有喇叭型天線、拋物面天線、介質天線與隙縫天線等。(a)扇形喇叭天線；(b)圓錐形喇叭天線；(c)旋轉拋物面天線；(d)拋物柱面天線11.2

微波式傳感器11.2.1

微波的性質與特點11.2.2

微波振蕩器與微波天線11.2.3

微波傳感器及其應用√√

1.微波傳感器

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，通常由微波振蕩器、微波天線以及微波檢測器三部分組成。由發(fā)射天線發(fā)出微波，遇到被測物體時被吸收或反射，使微波功率發(fā)生變化。利用接收天線，接收通過或反射回來的微波，并將它轉換為電信號，再經過信號調理電路，即可顯示出被測量，實現(xiàn)微波檢測。11.2.3

微波傳感器及其應用11.2.3

微波傳感器及其應用

根據(jù)其工作原理，微波傳感器可分為反射式和遮斷式兩類。(1)反射式微波傳感器它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。可測量物體的位置、位移、厚度等。(2)遮斷式微波傳感器

它是通過檢測接收天線接收到的微波功率大小來判斷發(fā)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(shù)的。11.2.3

微波傳感器及其應用

2.微波傳感器的應用(1)微波液位計

它由相互構成一定角度、相距為s的發(fā)射天線與接收天線構成。11.2.3

微波傳感器及其應用

微波傳播的距離為：11.2.3

微波傳感器及其應用

波長為l的微波從被測液面反射后進入接收天線。接收天線接收到的功率將隨被測液面的高低不同而異。接收天線接收到的功率為：

式中，Pt為發(fā)射天線發(fā)射的功率；Gt為發(fā)射天線的增益；Gr為接收天線的增益。11.2.3

微波傳感器及其應用(2)微波物位計

圖示為微波開關式物位計示意圖。當被測物位較低時，接收天線接收到的功率為：11.2.3

微波傳感器及其應用

當被測物位升高到天線所在高度時，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天線接收到的功率為：式中，h是由被測物形狀、材料性質、電磁性能等因素決定的系數(shù)。11.2.3

微波傳感器及其應用

圖示為一種新型的導向微波式物位測量儀。極短的微波脈沖沿著一根鋼纜、套管、或鋼棒發(fā)射出去，接觸到介電常數(shù)不同的介質后被反射回來。

通過一種特殊的掃描技術可高精度地測量很短的微波運行時間。通過計算微波的運行時間，可計算出到介質的距離。11.2.3

微波傳感器及其應用(3)微波測厚儀

在被測金屬上、下兩面各安裝一個終端器。微波傳輸路線如圖所示，被測金屬厚度增大時微波電行程長度將減小。11.2.3

微波傳感器及其應用

這個電行程長度變化是十分微小的。為此，常采用微波自動平衡電橋。左邊為測量臂，右邊為參考臂。參考臂中微波傳輸路線如圖所示。11.2.3

微波傳感器及其應用

若測量臂和參考臂電行程完全相同，則反相迭加的微波經檢波器檢波后，輸出為零，電橋平衡；若二者電行程長度不同，則有輸出。11.2.3

微波傳感器及其應用

此差值信號經放大后控制可逆電機，使補償短路器產生位移，改變參考臂的電行程，直到測量臂與參考臂電行程完全相同為止。11.2.3

微波傳感器及其應用補償短路器位移與被測金屬厚度增量之間的關系式為：式中，LA、LB分別為測量臂和參考臂在電橋平衡時的電行程長度，且LA＝LB；DLA、DLB為電行程長度的變化值；Dh為被測金屬厚度變化值，Ds為補償短路器的位移。11.2.3

微波傳感器及其應用(4)微波濕度傳感器

水分子是極性分子，常態(tài)下成偶極子形式，分布雜亂無章。當微波場中有水分子時，偶極子受場的作用而反復取向，不斷從電場中得到能量和釋放能量，前者表現(xiàn)為微波信號的相移，后者表現(xiàn)為微波信號的衰減。這個特性可用復數(shù)形式的介電常數(shù)e來表征，即：式中，e'、e''分別為相移和衰減的度量。11.2.3

微波傳感器及其應用

e'與e''不僅與測試信號頻率有關，還與材料有關，所有極性分子均有此特性。一般干燥物體，如木材、皮革、谷物、紙張、塑料等，其e'在1～5范圍內，而水的e'則高達64。因此，如果材料中含有少量水分子時，其復合e'將顯著上升。e''也有類似性質。使用微波傳感器，測量干燥物體與含一定水分的潮濕物體所引起的微波信號的相移與衰減量，就可換算出物體的含水量。11.2.3

微波傳感器及其應用一種德國生產的微波水分測定儀如圖所示。11.2.3

微波傳感器及其應用(5)微波傳感器控制的自動燈

電路圖如圖所示。其核心器件是RD627微波多普勒效應傳感器模塊。11.2.3

微波傳感器及其應用

該模塊由振蕩器、發(fā)射器、檢測器、信號放大器、限幅、穩(wěn)壓、延時等電路組成。11.2.3

微波傳感器及其應用

振蕩器產生的微波信號，經環(huán)形天線發(fā)射出去，構成一個覆蓋范圍大于100m2的微波監(jiān)控區(qū)域，當有人在該區(qū)域內走動時，反射回來的微波信號產生頻移，該信號經檢測器處理后，再經放大，輸出一種和人體移動相應的超低頻信號。11.2.3

微波傳感器及其應用

SA1接通后，IC1加電處于守候狀態(tài)。當有人來時，使IC2內部開關閉合，繼電器J驅動SA2閉合導通，燈泡ZD發(fā)光。人走后燈泡熄滅。11.2.3

微波傳感器及其應用(6)微波測定移動物體的速度

它是利用雷達能動地將微波發(fā)射到對象物，并接收反射波的能動型傳感器。若物體到發(fā)射天線的距離為r、相對運動速度為u，則由于多普勒效應，反射波的頻率fr發(fā)生偏移，fr＝f0＋fD，fD是多普勒頻移，可表示為：11.2

微波式傳感器11.2.1

微波的性質與特點11.2.2

微波振蕩器與微波天線11.2.3

微波傳感器及其應用√√√第11章

波式、射線式和紅外傳感器11.1

超聲波式傳感器11.2

微波式傳感器11.3

核輻射式傳感器11.4

紅外傳感器11.5

核輻射與紅外傳感器應用舉例√√11.3

核輻射式傳感器核輻射式(射線式)傳感器是根據(jù)被測物質對核輻射的吸收、反射、散射或核輻射對被測物質的電離激發(fā)作用而進行工作的。11.3

核輻射式傳感器11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎11.3.2

核輻射傳感器的組成11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎

1.同位素

凡原子序數(shù)相同而原子質量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，稱之為同位素。當沒有外因作用時，有的同位素的原子核會自動發(fā)生衰變并放出射線，這種同位素就稱為放射性同位素。其衰減規(guī)律為：式中，a0、a分別為初始時與經過時間t后的原子核數(shù)；l為衰變常數(shù)。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎常用和l有關的另一個常數(shù)即半衰期t來表示放射性同位素的原子核數(shù)衰變到一半時所需要的時間，可求出t為：

t和l都是不受任何外界作用影響而且和時間無關的恒量。但是，不同放射性元素的t和l是不同的。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎2.核輻射

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束或射線，這種現(xiàn)象稱為核輻射。其放出的粒子束或射線有以下幾種：11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎(1)a粒子

質量為4.002775u，帶有2個正電荷，亦即氦原子核。放射出a粒子后同位素的原子序數(shù)將減少兩個單位而變?yōu)榱硪环N元素。a粒子具有40～100MeV的能量，在空氣中射程為幾cm到十幾cm，主要用于氣體分析，測量氣體壓力、流量等。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎(2)b粒子

它實際上是高速運動的電子，質量為0.000549u，帶有一個單位的負電荷，能量為100keV～幾MeV，運動速度比a粒子高很多，接近光速，在氣體中的射程可達20m。b衰變是原子核中的一個中子轉變成一個質子而放出一個電子的結果。放射出b粒子后同位素的原子序數(shù)將增加一個單位而變?yōu)榱硪环N元素。b粒子用于測量材料厚度、密度等。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎(3)g射線

它是一種電磁輻射。原子核從不穩(wěn)定的高激發(fā)態(tài)在極短時間內(10－14s)將多余能量以電磁輻射(光子)形式放射出來，躍遷到穩(wěn)定的基態(tài)或較穩(wěn)定的低能態(tài)，并且不改變其組成的過程稱為g衰變(或稱g躍遷)，射出的射線稱g射線或g光子。g射線的波長較短(約10－10～10－12m)，不帶電，能穿透幾十厘米厚的固體物質，在氣體中射程達數(shù)百米。根據(jù)g輻射穿透力強這一特性來制作探傷儀、金屬厚度計和物位計等。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎放射性的強弱稱為放射強度(或核輻射強度)，常以單位時間內發(fā)生衰變的次數(shù)表示。放射強度也隨時間按指數(shù)規(guī)律而減少，即：

放射強度的單位是居里(Ci)。1Ci等于放射源每秒鐘發(fā)生3.7×1010次核衰變。在檢測儀表中，Ci單位太大，通常用它的千分之一來表示，稱為毫居里(mCi)。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎

3.核輻射與物質間的相互作用

主要是電離、吸收和反射。(1)電離作用

當具有一定能量的帶電粒子穿透物質時，通過和物質相互作用不斷地損失能量，帶電粒子的速度越來越小，在它們經過的路程上形成許多離子對，這即是電離作用。這是帶電粒子和物質相互作用的主要形式。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎

①a離子由于能量、質量和電荷量大，故電離作用最強，但射程較短。

②b離子質量小，電離能力比同樣能量的a粒子要弱。由于b離子易于散射，所以其行程是彎彎曲曲的。

③g粒子幾乎沒有直接電離作用。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎(2)核輻射的吸收、散射和反射

a、b、g射線穿透物質時，一部分能量被物質吸收，一部分能量被散射掉。因此，粒子或射線能量(即強度)按下述關系式衰減：式中，h為穿透物質的厚度；r為物質的密度；mm為物質的質量吸收系數(shù)。11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎

三種射線中，g射線的穿透力最強，b射線次之，a射線最弱。

b射線的散射作用表現(xiàn)最為突出。當b射線穿透物質時，容易改變其運動方向而產生散射。向相反方向散射時即反射，有時稱為反散射。

反射大小取決于散射物質的性質和厚度。b射線的散射隨物質的原子序數(shù)增大而加大。當原子序數(shù)增大到極限時，幾乎全部反射回來。反射的大小與反射物質厚度有如下關系：11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎

式中，Jh為反射物質厚為h時，射線被反射的強度；Jm為當h趨向無窮大時的反射強度，與原子序數(shù)有關；mh為取決于輻射能量的常數(shù)。11.3

核輻射式傳感器11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎11.3.2

核輻射傳感器的組成√11.3.2

核輻射傳感器的組成

核輻射傳感器主要由輻射源和探測器組成。

1.輻射源

利用核輻射傳感器進行測量時，需要有可放射出a、b粒子或g射線的輻射源。選擇輻射源應盡量提高檢測靈敏度和減小統(tǒng)計誤差。為避免經常更換放射源，要求半衰期較長。因此，盡管放射性同位素種類很多，但能用于測量的只有20種左右。最常用的有60Co、137Cs、241Am及90Sr等。11.3.2

核輻射傳感器的組成

放射源容器的結構應能使射線從測量方向射出，其他方向盡可能少，以減少對人體的危害。b輻射源一般為圓盤狀，g射線輻射源一般為絲狀、圓柱狀或圓片狀。

圖示為b厚度計輻射源容器，輻射線出口處裝有耐輻射薄膜，以防灰塵侵入，并能防止輻射源受到意外損傷而造成污染。11.3.2

核輻射傳感器的組成

2.核輻射探測器

核輻射探測器又稱核輻射接收器。其作用是將核輻射信號轉換成電信號，探測出射線的強弱和變化，從而探測出被測參數(shù)的大小及變化。其工作原理或者是根據(jù)在核輻射作用下某些物質的發(fā)光效應，或者是根據(jù)當核輻射穿過它們時發(fā)生的氣體電離效應。11.3.2

核輻射傳感器的組成

常用的核輻射探測器有：電離室、蓋革—彌勒計數(shù)管、閃爍計數(shù)器和半導體探測器等。(1)電離室

電離室是利用射線對氣體的電離作用而設計的一種輻射探測器，它的主要組成部分是兩個電極和充滿在兩個電極間的氣體。氣體可以是空氣或某些惰性氣體。電離室的形狀有圓柱體和方盒狀。11.3.2

核輻射傳感器的組成

如圖所示，在電離室兩側放置相互絕緣的板電極，加上適當電壓。放射線進入電極間的氣體中，電離室中的氣體介質被電離，離子在電場作用下移動形成電流。11.3.2

核輻射傳感器的組成

電流I與電壓U的關系曲線如圖所示(曲線1、2、3分別代表不同的輻射強度下的特性曲線)。一般電離室工作在特性曲線的飽和段，其輸出電流正比于入射到電離室中的核輻射強度。11.3.2

核輻射傳感器的組成在核輻射檢測儀表中，有時用一個電離室，有時用兩個。用兩個電離室時設計成差分電離室，以減少測量誤差，如圖所示。11.3.2

核輻射傳感器的組成

電離室主要用來探測a、b粒子。在同樣條件下，進入電離室的a粒子比b粒子所產生的電流大100多倍。利用電離室測量a、b粒子時，效率可接近100%，測量g射線時，則效率很低。這是因為g射線沒有直接電離的本領，它是靠從電離室的壁上打出二次電子，二次電子起電離作用。一般g電離室的效率只有1%～2%。11.3.2

核輻射傳感器的組成(2)蓋革—彌勒計數(shù)管(氣體放電記數(shù)管)蓋革—彌勒計數(shù)管也是根據(jù)射線對氣體的電離作用而設計的輻射探測器。它與電離室不同的地方主要在于工作在氣體放電區(qū)域，具有放大作用。因此，它常用于探測b粒子和g射線。11.3.2

核輻射傳感器的組成(3)閃爍計數(shù)器

物質受放射線的作用而被激發(fā)，在由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的過程中，發(fā)射出脈沖光的現(xiàn)象稱為閃爍現(xiàn)象。能產生這種發(fā)光現(xiàn)象的物質稱為閃爍體。閃爍計數(shù)器先將輻射能變?yōu)楣饽埽缓笤賹⒐饽茏優(yōu)殡娔芏M行探測，它由閃爍體和光電倍增管兩部分組成，如圖所示。11.3.2

核輻射傳感器的組成

例如鉈激活的碘化鈉用來探測g射線的效率高達20％～30％。11.3.2

核輻射傳感器的組成(4)半導體探測器

半導體探測器是近年來迅速發(fā)展起來的一種射線探測器。入射到半導體中的a、b粒子能夠激發(fā)電子—空穴對。g射線由于光電效應、康普頓散射、電子對效應等而產生二次電子，也能激發(fā)電子—空穴對。若取出這些電荷，可將放射線變?yōu)殡娦盘枴?1.3

核輻射式傳感器11.3.1

核輻射式傳感器的物理基礎11.3.2

核輻射傳感器的組成√√第11章

波式、射線式和紅外傳感器11.1

超聲波式傳感器11.2

微波式傳感器11.3

核輻射式傳感器11.4

紅外傳感器11.5

核輻射與紅外傳感器應用舉例√√√11.4

紅外傳感器

紅外技術是在最近幾十年發(fā)展起來的一門新興技術，已在科技、國防和工農業(yè)生產等領域獲得了廣泛的應用。按其應用可分為以下幾方面：

①紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量；

②搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；11.4

紅外傳感器

③熱成像系統(tǒng)，可產生整個目標紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；

④紅外測距和通信系統(tǒng)；

⑤混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組合。11.4

紅外傳感器壁裝式被動紅外傳感器紅外測距傳感器11.4

紅外傳感器紅外溫度傳感器礦用紅外二氧化碳傳感器11.4

紅外傳感器紅外測溫儀11.4

紅外傳感器11.4.1

紅外輻射的基本知識11.4.2

紅外輻射的基本定律11.4.3

紅外探測器11.4.1

紅外輻射的基本知識

紅外輻射又稱為紅外線，波長范圍大致在0.76～1000mm。工程上又分為四個波段。11.4.1

紅外輻射的基本知識

紅外輻射的物理本質是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。紅外線的本質與可見光或電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二象性。11.4.1

紅外輻射的基本知識

紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析儀就是利用該特性工作的。空氣中對稱的雙原子氣體如N2、O2、H2等不吸收紅外線。

紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，它們分別是2～2.6mm、3～5mm和8～14mm，統(tǒng)稱為“大氣窗口”。11.4.1

紅外輻射的基本知識

如圖所示，為通過1海里長度的大氣透過率曲線。這三個波段對紅外探測技術特別重要，紅外探測器一般都工作在這三個波段之內。11.4.1

紅外輻射的基本知識

能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。嚴格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。11.4

紅外傳感器11.4.1

紅外輻射的基本知識11.4.2

紅外輻射的基本定律11.4.3

紅外探測器√11.4.2

紅外輻射的基本定律

1.基爾霍夫定律

基爾霍夫定律指出，一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能，若幾個物體處于同一溫度場中，各物體的熱發(fā)射本領正比于其吸收本領，這就是基爾霍夫定律，可表示為：式中，Er為物體在單位面積和單位時間內發(fā)射出的輻射能；a為物體的吸收系數(shù)；E0為常數(shù)，其值等于黑體在相同條件下發(fā)射出的輻射能。11.4.2

紅外輻射的基本定律

2.斯忒藩—玻爾茲曼定律

物體溫度越高，發(fā)射的紅外輻射能越多，在單位時間內單位面積輻射的總能量E為：式中，T為物體的絕對溫度，單位為K；s為斯忒藩—玻爾茲曼常數(shù)；e為比輻射率，即物體表面輻射本領與黑體輻射本領的比值，黑體的e＝1。11.4.2

紅外輻射的基本定律

3.維恩位移定律

熱輻射發(fā)射的電磁波中包含各種波長。實驗證明物體峰值輻射波長lm與物體自身的絕對溫度T成反比。即：11.4.2

紅外輻射的基本定律

圖示為不同溫度的光譜輻射分布曲線，虛線表示峰值波長與溫度的關系。當溫度不很高時，峰值輻射波長在紅外區(qū)域。如人體溫度為36～37℃，輻射的紅外線波長為9～10mm。11.4

紅外傳感器11.4.1

紅外輻射的基本知識11.4.2

紅外輻射的基本定律11.4.3

紅外探測器√√11.4.3

紅外探測器

紅外探測器是紅外檢測系統(tǒng)中最重要的器件之一，按工作原理可分為“熱探測器”和“光子探測器”兩類。11.4.3

紅外探測器

1.熱探測器

熱探測器在吸收紅外輻射能之后溫度升高，引起某種物理性質的變化，這種變化與吸收的紅外輻射能成一定的關系。常用的物理現(xiàn)象有溫差電現(xiàn)象，金屬或半導體電阻值變化現(xiàn)象、熱釋電現(xiàn)象、氣體壓強變化現(xiàn)象、金屬熱膨脹現(xiàn)象、液體薄膜蒸發(fā)現(xiàn)象等。11.4.3

紅外探測器熱電探測器主要有熱敏電阻型、熱電偶型、高萊氣動型和熱釋電型。與光子探測器相比，熱探測器的探測率低、響應時間長。但其主要優(yōu)點是響應波段寬，可擴展到整個紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應用相當廣泛。11.4.3

紅外探測器

熱釋電型紅外探測器是根據(jù)熱釋電效應制成的。電石、水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產生溫度變化時，其原子排列將發(fā)生變化，導致晶體極化強度發(fā)生變化，在其兩表面上產生電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。有此效應的晶體也稱為“鐵電體”，其極化強度(單位面積上的電荷)與溫度有關。11.4.3

紅外探測器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，所以稱為熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連，則負載電阻上便輸出電信號。11.4.3

紅外探測器

當恒定的紅外輻射照射在熱釋電探測器上時，探測器沒有電信號輸出。只有鐵電體溫度處于變化過程中，才有電信號輸出。所以，必須對紅外輻射進行調制，使恒定的輻射變成交變輻射，不斷地引起探測器的溫度變化，才能導致熱釋電產生，并輸出交變的信號。11.4.3

紅外探測器

2.光子探測器

入射光的光子與材料中的電子相互作用，改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學性質的變化，這種現(xiàn)象稱為光子效應(即光電效應)。光子探測器就是利用了這種效應。光子探測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，但探測波段較窄，一般需要在低溫下工作。11.4.3

紅外探測器根據(jù)所產生的不同電學現(xiàn)象，可制成不同的光子探測器，有內光電和外光電探測器兩種，前者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器。①外光電傳感器如光電倍增管等。這種類型的傳感器響應速度比較快，一般只需幾個毫微秒，但電子逸出需要較大的光子能量，只適宜于近紅外輻射或可見光范圍內使用。11.4.3

紅外探測器

②光電導傳感器如光敏電阻等。硫化鉛、硒化鉛、銻化銦、碲鎘汞等材料都可制造光電導傳感器。使用光電導傳感器時，需要加上一定的偏壓。還需要制冷，否則會使響應率降低，噪聲大，響應波段窄甚至使紅外傳感器損壞。

③光生伏特傳感器

如光電池等。11.4.3

紅外探測器

④光磁電傳感器

當紅外輻射照射在某些半導體材料的表面上時，材料表面的電子和空穴將向內部擴散。在擴散過程中若受強磁場的作用，電子與空穴則各向一邊，因而產生開路電壓，這種現(xiàn)象稱為光磁電效應。利用此效應制成的紅外傳感器稱為光磁電傳感器。光磁電傳感器不需要致冷，響應波段可達7mm左右，時間常數(shù)小，響應速度快，不用加偏壓，內阻極低，噪聲小，有良好的穩(wěn)定性和可靠性。但其靈敏度低。11.4

紅外傳感器11.4.1

紅外輻射的基本知識11.4.2

紅外輻射的基本定律11.4.3

紅外探測器√√√第11章

波式、射線式和紅外傳感器11.1

超聲波式傳感器11.2

微波式傳感器11.3

核輻射式傳感器11.4

紅外傳感器11.5

核輻射與紅外傳感器應用舉例√√√√11.5

核輻射與紅外傳感器應用舉例11.5.1

核輻射傳感器的應用11.5.2

紅外傳感器的應用11.5.1

核輻射傳感器的應用

1.核輻射流量計

在氣流管壁上裝兩個電極，其一的內側面涂覆有放射性物質構成電離室。部分離子被流動的氣體帶出電離室，使電離電流減小。為了精確地測量，可配用差動電路。11.5.1

核輻射傳感器的應用

2.核輻射厚度計

它的特點是放射源和核輻射探測器分別置于被測物體的兩側。11.5.1

核輻射傳感器的應用圖示為零位法的透射式厚度計。根據(jù)補償楔的移動量(取決于電機角位移)可測厚度。11.5.1

核輻射傳感器的應用還可用散射法測量厚度，利用的是核輻射的后向散射效應。特點是放射源和核輻射探測器可置于被測物質的同一側。后向散射射線的強度與放射源至被測物質的距離及被測物質的成分、密度、厚度和表面狀態(tài)等因素有關。因此，利用這種方法可以測量薄板厚度、覆蓋層厚度、材料成分、密度等參數(shù)。11.5.1

核輻射傳感器的應用后向散射測量厚度的示意圖如圖所示。也可根據(jù)差動原理用零位法測量。11.5.1

核輻射傳感器的應用

3.輻射式物位計

可以應用g射線檢測物位。測量物位的方法有很多，下圖給出了其中一些典型的應用實例。11.5.1

核輻射傳感器的應用

不同介質對g射線的吸收能力不同，固體吸收能力最強，液體次之，氣體最弱。

核輻射物位計如圖所示。忽略氣體吸收，由式(11.16)可得被測介質高度H與穿過被測介質前后射線強度的關系為：式中，m＝mmr為被測介質的吸收系數(shù)。11.5.1

核輻射傳感器的應用

g射線物位計的優(yōu)點是：①可實現(xiàn)非接觸式測量；②不受被測介質溫度、壓力、流速等狀態(tài)的限制；③能測量比重差很小的兩種介質的界面位置；④適宜