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1、第十一章第十一章 波式和射线式传感器波式和射线式传感器l第一节第一节 超声波式传感器超声波式传感器l第二节第二节 微波式传感器微波式传感器l第三节第三节 射线式传感器射线式传感器l 自然界的各种各样的波动,按其性质(力的作用)基本上分为两大类:电磁波电磁波和机械波机械波。电磁波是由于电磁力的作用产生的,是电磁场变化在空间的传播过程。它传播的是电磁能量,在真空中传播的速度为3108m/s。电磁波依其频率可分为无线电波、红外线、可见光、紫外光、X射线、射线和宇宙射线。机械波是由于机械力(弹性力)产生的机械振动在介质中的传播,它传播的是机械能量,并且仅能在介质中的传播。自然界的机械波依频率可分为三大
2、类:次声波、声波和超声波。频率低于16Hz的波动称为次声;频率在20Hz20kHz之间的波动称为声(音),频率在20kHz以上的波动称为超声。人耳可听到声(音),但听不见次声与超声。第一节第一节 超声波式传感器超声波式传感器一、超声波及其物理性质一、超声波及其物理性质 频率在162104Hz之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz的机械波称为次声波；高于2104Hz的机械波，称为超声波。如图 一般诊断用超声波频率为110MHz,而最常用的是5MHz超声波。.基本原理基本原理 超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能
3、穿透几十强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。超声波从一种介质入射到另一种介质米的厚度。超声波从一种介质入射到另一种介质时时,在介质面上会产生在介质面上会产生反射、折射和波型转换反射、折射和波型转换反射、折射和波型转换反射、折射和波型转换等现等现象。象。超声波在流动的流体中的传播速度与流体的超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。另外流速有关。另外,当超声波碰到流体中的杂质或分当超声波碰到流体中的杂质或分界面时会产生显著的反射回波界面时会产生显著的反射回波,碰到活动的物体能碰到活动的物体能产生产生多普勒效应多普勒效应。根据这两种现象。根据这两种现象,可以制造两类可以制造两
4、类不同的超声波流量计不同的超声波流量计 这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波用，如超声波无损探伤无损探伤、厚度测量厚度测量、流速测量流速测量、超声显微镜超声显微镜及及超声成像超声成像等。等。超声波时间变化法利用超声波的传播速度随流体的流速变化而发生变化的原理,通过测超声波脉冲传播线路的平均流速就可测量流速。超声波多普勒法 利用流体中的微小杂质(反射物体)的移动速度所产生的超声波多普勒效应,通过测超声波束交差区域的流速(相当于点的流速)就可测量流速1.超声波的波型及其转换超声波的波型及其转换 由于声源在介质中施力方向与波在介质由于声源在介质中施
5、力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也不同。中传播方向的不同，声波的波型也不同。纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。（固体、液体和气体中传播）横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。（固体中传播）表面波：质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。（固体的表面传播）超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为 式中：介质的密度；Ba绝对压缩系数。上述的、Ba都是温度的函数，使超声波在介质中的传播速度随温度的变化而变化，表10-1为蒸馏水在01
6、00时声速随温度变化的数值。（10-1）0100范围内蒸馏水声速随温度的变化范围内蒸馏水声速随温度的变化 0100范围内蒸馏水声速随温度的变化范围内蒸馏水声速随温度的变化 可见，蒸馏水温度在0100范围内，声速随温度的变化而变化，在74时达到最大值，大于74后，声速随温度的增加而减小。此外，水质、压强也会引起声速的变化。在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在9001900m/s。2.超声波的反射和折射超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一介质，在两声波从一种介质传
7、播到另一介质，在两介质的分界面上将发生反射和折射，见图介质的分界面上将发生反射和折射，见图 l(1)反射定律反射定律 入射角入射角的正弦与反射角的正弦与反射角的正弦之的正弦之比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、比等于波速之比。当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，入射角波速相等时，入射角等于反射角等于反射角。l(2)折射定律折射定律 入射角入射角的正弦与折射角的正弦与折射角的正弦之的正弦之比等于入射波中介质的波速比等于入射波中介质的波速c1与折射波中介质的与折射波中介质的波速波速c2之比，即之比，即 3.声波的衰减声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的声波在介质中传播时，随着
8、传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律如下：减规律如下：l px,lx平面波在平面波在x处的声压和声强；处的声压和声强；l p0,l0平面波在平面波在x=0处的声压和声强；处的声压和声强；l 衰减系数。衰减系数。单位为Np/cm（奈培/厘米）。声波在介质中传播时，能量的衰减，取声波在介质中传播时，能量的衰减，取决于声波的扩散、散射和吸收。决于声波的扩散、散射和吸收。l在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散扩散，就是随着声波传播距离的增加，在单位面积内声能将要减弱。l散射散射衰减就是声波在固体介质中颗粒界面上散射，或在流体介质中有悬浮粒子使超
9、声波散射。l而声波的吸收吸收是由介质的导热性导热性、粘滞性粘滞性及弹性弹性滞滞后等造成的。吸收随声波频率的升高而增高。二、超声波传感器的应用二、超声波传感器的应用 1.超声波传感器超声波传感器 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中头。超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再返回到接收探头，这传到相介面经过反射后，再返回到接
10、收探头，这就是超声波测距原理。就是超声波测距原理。超声波探头超声波探头常用的材料是压电晶体和压常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头。头。它是利用压电材料的逆压电效应来工作它是利用压电材料的逆压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。而利用正压电效应则将接收的超声振头。而利用正压电效应则将接收的超声振动转换成压电信号，可作为接收探头。动转换成压电信号，可作为接收探头。超声波探头的具体结构如图 超声波探头结构 a)发射
11、探头 b)接收探头 1导线 2压电晶片 1导线 2弹簧 3音膜 4锥形罩 3压电晶片 4锥形罩2.超声波测厚超声波测厚 超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度超声波测量金属零件的厚度，具有测量精度高，测试仪器轻便，操作安全简单，易于读数及高，测试仪器轻便，操作安全简单，易于读数及实行连续自动检测等优点。实行连续自动检测等优点。超声波测厚常用脉冲回波法。脉冲回波法检超声波测厚常用脉冲回波法。脉冲回波法检测厚度的工作原理如图测厚度的工作原理如图 如果超声波在工件如果超声波在工件中的声速中的声速v是已知的，设是已知的，设工件厚度为工件厚度为，脉冲波从，脉冲波从发射到接收的时间间隔发射到接收的时间间隔
12、T可以测量，因此可求出可以测量，因此可求出工件厚度为工件厚度为 (a)超声波在液体中传播；(b)超声波在空气中传播2 超声波流量传感器超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定方法是多样的，如传播速度变化法、波速移动法、多普勒效应法、流动听声法等。但目前应用较广的主要是超声波传播时间差法。超声波在流体中传播时，在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的，利用这一特点可以求出流体的速度，再根据管道流体的截面积，便可知道流体的流量。如果在流体中设置两个超声波传感器，它们既可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，其距离为L,如图10-5所示。如设顺流方向的传播时间为t1，逆流方向的传
13、播时间为t2，流体静止时的超声波传播速度为c，流体流动速度为v，则（10-13）（10-14）图10-5 超声波测流量原理图 一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，因此超声波传播时间差为（10-15）由于cv,从上式便可得到流体的流速，即（10-16）图10-6 超声波传感器安装位置 此时超声波的传输时间将由下式确定：超声波流量传感器具有不阻碍流体流动的特点，可测的流体种类很多，不论是非导电的流体、高粘度的流体，还是浆状流体，只要能传输超声波的流体都可以进行测量。超声波流量计可用来对自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。第二节第二节 微
14、波式传感器微波式传感器一、微波的基础知识一、微波的基础知识 微波是波长为微波是波长为1m1mm的电磁波，既具有电的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。磁波的性质，又不同于普通的无线电波和光波。微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：空间辐射的装置容易制造；空间辐射的装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力较差；绕射能力较差；传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响传输特性良好，传输过程中受烟、灰尘、强光等的影响很小；很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，介质对微波的吸收与介质的介电常数成
15、比例，水对微波水对微波的吸收作用最强。的吸收作用最强。电磁波谱图 二、微波传感器二、微波传感器 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，(微波功率发生变化)并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测微波传感器可分为反射式与遮断式两种。微波传感器可分为反射式与遮断式两种。1.反射式传感器 这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。2.遮断式传感器 这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数
16、。微波传感器的组成微波传感器的组成 微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。1.微波振荡器及微波天线微波振荡器及微波天线 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（300 MHz300 GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件。由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管（管长为10 cm以上，可用同轴电缆）传输，并通过天线发射出去。为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线要具有特殊的结构。常用的天线如图10-6所示，其中有喇叭形天线（图（a）、
17、（b）、抛物面天线（图（c）、（d）、介质天线与隙缝天线等。喇叭形天线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。抛物面天线使微波发射方向性得到改善。图10-6 常用的微波天线(a)扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;(b)(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线 2.微波检测器微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。与其它传感器相比，敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。作为非线性的电子元件，在几兆赫以下的频率通常可用半导体PN结，而对于频率比较高
18、的可使用肖肖特特基基结结。在灵敏度特性要求特别高的情况下可使用超导材料的约约瑟瑟夫夫逊逊结结检检测测器器、SIS检测器等超导隧道结元件，而在接近光的频率区域可使用由金属-氧化物-金属构成的隧道结元件。微波的检测方法有两种，一种是将微波变化为电流的视频变化方式，另一种是与本机振荡器并用而变化为频率比微波低的外差法。微波检测器性能参数有：频率范围、灵敏度-波长特性、检测面积、FOV（视角）、输入耦合率、电压灵敏度、输出阻抗、响应时间常数、噪声特性、极化灵敏度、工作温度、可靠性、温度特性、耐环境性等。微波传感器的特点微波传感器的特点 微波传感器作为一种新型的非接触传感器具有如下特点：有极宽的频谱（波
19、长=1.0 mm1.0m）可供选用，可根据被测对象的特点选择不同的测量频率；在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高、低温环境中对检测信号的传播影响极小，因此可以在恶劣环境下工作；时间常数小，反应速度快，可以进行动态检测与实时处理，便于自动控制；测量信号本身就是电信号，无须进行非电量的转换，从而简化了传感器与微处理器间的接口，便于实现遥测和遥控；微波无显著辐射公害。微波传感器存在的主要问题是零点漂移和标定尚未得到很好的解决。其次，使用时外界环境因素影响较多，如温度、气压、取样位置等。三、微波传感器的应用三、微波传感器的应用l1.微波液位计 接收天线接收的功率Pr可表示为 d两天线与被测液面间的垂直距
20、离；s 两天线间的水平距离；Pt、Gt发射天线发射的功率和增益；Gr接收天线的增益。2 微波湿度传感器微波湿度传感器 水分子是极性分子，常态下成偶极子形式杂乱无章地分布着。在外电场作用下，偶极子会形成定向排列。当微波场中有水分子时，偶极子受场的作用而反复取向，不断从电场中得到能量（储能），又不断释放能量（放能），前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波衰减。这个特性可用水分子自身介电常数来表征，即=+(11-1)式中：储能的度量；衰减的度量；常数。与不仅与材料有关，还与测试信号频率有关,所以极性分子均有此特性。一般干燥的物体，如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其在15范围内，而水的则高达64，
21、因此如果材料中含有少量水分子时，其复合将显著上升，也有类似性质。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可以换算出物体的含水量。如下图所示，图中，MS产生的微波功率经分功率器分成两路，再经衰减器A1、A2分别注入到两个完全相同的转换器T1、T2中。其中，T1放置无水酒精，T2放置被测样品。相位与衰减测定仪（PT、AT）分别反复接通两电路（T1和T2）输出，自动记录与显示它们之间的相位差与衰减差，从而确定样品酒精的含水量。测量酒精含水量的仪器框图3 微波测厚仪微波测厚仪 微波测厚仪是利用微波在传播过程中遇到被测物体金属表面被反射，且反射波的波长与速度都
22、不变的特性进行测厚的。微波测厚仪原理如图所示，在被测金属物体上下两表面各安装一个终端器。微波信号源发出的微波，经过环行器A、上传输波导管传输到上终端器，由上终端器发射到被测物体上表面上，微波在被测物体上表面全反射后又回到上终端器，再经过传输导管、环行器A、下传输波导管传输到下终端器。由下终端器发射到被测物体下表面的微波，经全反射后又回到下终端器，再经过传输导管回到环行器A。因此被测物体的厚度与微波传输过程中的行程长度有密切关系，当被测物体厚度增加时，微波传输的行程长度便减小。微波测厚仪原理图 一般情况下，微波传输的行程长度的变化非常微小。为了精确地测量出这一微小变化，通常采用微波自动平衡电桥法
23、，前面讨论的微波传输行程作为测量臂，而完全模拟测量臂微波的传输行程设置一个参考臂（图右部）。若测量臂与参考臂行程完全相同，则反相叠加的微波经过检波器C检波后，输出为零。若两臂行程长度不同，两路微波叠加后不能相互抵消，经检波器后便有不平衡信号输出。此不平衡差值信号经放大后控制可逆电机旋转，带动补偿短路器产生位移，改变补偿短路器的长度，直到两臂行程长度完全相同，放大器输出为零，可逆电机停止转动为止。补偿短路器的位移与被测物厚度增加量之间的关系式为 S=LB-(LA-LA)=LB-(LA-h)=h 式中：LA电桥平衡时测量臂行程长度；LB电桥平衡时参考臂行程长度；LA被测物厚度变化h后引起的测量臂行
24、程长度变化值；h被测物厚度变化；S补偿短路器位移值。由上式可知，补偿短路器位移值S即为被测物厚度变化值h。微波测定移动物体的速度和距离微波测定移动物体的速度和距离 微波测定移动物体的速度和距离是利用雷达能动地将电波发射到对象物，并接受返回的反射波的能动型传感器。若对在距离发射天线为r的位置上以相对速度v运动的物体发射微波，则由于多普勒效应，反射波的频率fr发生偏移，如下式所示：f r=f 0+fD 式中fD是多普勒频率，并可表示为（11-4）（11-3）当物体靠近靶时,多普勒频率fD为正；远离靶时，fD为负。输入接收机的反射波的电压ue可用下式表示：（11-5）括号内的第二项是因电波在距离r上
25、往返而产生的相位滞后。用接收机将来自发射机的参照信号Ue sin2f0t与上述反射信号混合后，进行超外差检波，则可得到如下式那样的具有两频率之差，即fD的差拍频率的多卜勒输出信号为（11-6）因此，根据测量到的差差拍拍信信号号频频率率，可测定相对速度。但是，用此方法不能测定距离。为此考虑发射频率稍有不同的两个电波f1和f2，这两个波的反射波的多普勒频率也稍有不同。若测定这两个多普勒输出信号成分的相位差为，则可利用下式求出距离r：(11-7)微波无损检测微波无损检测 微波无损检测是综合利用微波与物质的相互作用，一方面微波在不连续界面处会产生反射、散射、透射，另一方面微波还能与被检材料产生相互作用
26、，此时的微波场会受到材料中的电磁参数和几何参数的影响。通过测量微波信号基本参数的改变即可达到检测材料内部缺陷的目的。复合材料在工艺过程中，由于增强了纤维的表面状态、树脂粘度、低分子物含量、线性高聚物向体型高聚物转化的化学反应速度、树脂与纤维的浸渍性、组分材料热膨胀系数的差异以及工艺参数控制的影响等因素，因此，在复合材料制品中难免会出现气孔、疏松、树脂开裂、分层、脱粘等缺陷。这些缺陷在复合材料制品中的位置、尺寸以及在温度和外载荷作用下对产品性能的影响，可用微波无损检测技术进行评定。微波无损检测系统主要由天线、微波电路、记录仪等部分组成，如图所示。当以金属介质内的气孔作为散射源，产生明显的散射效应
27、时，最小气隙的半径与波长的关系符合下列公式:式中：K=2/，其中为波长；气隙的半径。当微波的工作频率为 z时，,也就是说,=6 mm时，可检出的孔隙的最小直径约为。从原理上讲，当微波波长为1mm时，可检出最小的孔径大约为0.3 mm。通常，根根据据所所需需检测的介质中最小气隙的半径来确定微波的工作频率。检测的介质中最小气隙的半径来确定微波的工作频率。微波无损检测方框图 红红 外外 传传 感感 器器 红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在1000 m，工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红
28、外和极远红外。红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而而红红外外线线在在通通过过大大气气层层时时，有有三三个个波波段段透透过过率率高高，它它们们是是2、35 m
29、和和814 m，统统称称它它们们为为“大大气气窗窗口口”。这这三三个个波波段段对对红红外外探探测测技技术术特特别别重重要要，因因此此红红外外探探测测器器一一般般都都工工作作在在这这三三个个波波段段（大大气气窗窗口口）之内。之内。红外探测器红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。红外探测器的种类很多，按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。1.热探测器热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而
30、使某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里我们主要介绍热释电型探测器。热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的，即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在其两表面产生电荷
31、的现象称为热释电效应。用此效应制成的“铁电体”，其极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率。2.光子探测器光子探测器 光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象这种现象称为光子效应。根据所
32、产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。红外传感器的应用红外传感器的应用 1.红外测温仪红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。如采用分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。图12-2是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，图中的光学
33、系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许814 m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。图12 2 红外测温仪方框图 红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、温度补偿、线性化、发射率（）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。反射式光学系统多采
34、用凹面玻璃反射镜，并在镜的表面镀金、铝、镍或铬等对红外辐射反射率很高的金属材料。2.红外线气体分析仪红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，图12-3给出了几种气体对红外线的透射光谱，从图中可以看出，CO气体对波长为4.65 m附近的红外线具有很强的吸收能力，CO2气体则发生在2.78 m和4.26 m附近以及波长大于13 m的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析CO气体，则可以利用4.26 m附近的吸收波段进行分析。图12 3 几种气体对红外线的透射光谱 图12-4是工业用红外线气体分析仪的结构原理图
35、。该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外检测器及电路等部分组成。光源由镍铬丝通电加热发出310 m的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。红外检测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大。测量时（如分析CO气体的含量），两束红外线经反射、切光后射入测量气室和参比气室，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65 m的红外线有较强的吸收能力，而参比气室中气体不吸收红外线，这样射入红外探测器的两个吸收气室的红外线光造
36、成能量差异，使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是薄膜偏向定片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。图12 4 红外线气体分析仪结构原理图 图12-4所示结构中还设置了滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。所谓干扰气体，是指与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体，如CO气体和CO2在45 m波段内红外吸收光谱有部分重叠，则CO2的存在对分析CO气体带来影响，这种影响称为干扰。为此在测量边和参比边各设置了一个封有干扰气体的滤波气室，它能将与CO2气
37、体对应的红外线吸收波段的能量全部吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体（如CO）的浓度有关。11.3 核辐射传感器核辐射传感器 11.3.1 核辐射及其性质核辐射及其性质 众所周知，各种物质都是由一些最基本的物质所组成。人们称这些最基本的物质为元元元元素素素素。组成每种元素的最基本单元就是原子，每种元素的原子都不是只存在一种。具有相同的核电荷数Z而有不同的中子数A的原子所构成的元素称同同同同位位位位素素素素。假设某种同位素的原子核在没有外力作用下，自动发生衰变，衰变中释放出射线、射线、射线、X射线等，这种现象称为核辐射。而放出射线的同位素称为放射性同位素，又称放射源放射源放射源放
38、射源。实验表明，放射源的强度是随着时间按指数定理而减低的，即(11-1)式中：J0开始时的放射源强度；J经过时间为t以后的放射源强度；放射性衰变常数。放射性同位素种类很多，由于核辐射检测仪表对采用的放射性同位素要求它的半衰期比较长(半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半所需要的时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命)，且对放射出来的射线能量也有一定要求，因此常用的放射性同位素只有20种左右，例如Sr90（锶）、Co60（钴）、Cs137（铯）、Am241（镅）等。1.射线射线 放射性同位素原子核中可以发射出粒子。粒子的质量为4.002 775u(原子质量单位)，它带有正电荷，实际上即为氦原
39、子核，这种粒子流通常称作射线。放射出粒子后同位素的原子序数将减少两个单位而变为另一个元素。一般粒子具有40100MeV的能量，平均寿命为几微秒到1010年。它从核内射出的速度为20km/s，粒子的射程长度在空气中为几厘米到十几厘米。射线通过气体时，使其分子或原子的轨道电子产生加速运动，如果此轨道电子获得足够大的能量，就能脱离原子成为自由电子，从而产生一对由自由电子和正离子组成的离子对，这种现象称为电电电电离离离离。如在相互作用中，轨道电子获得的能量还不足以使它脱离原子成为自由电子，仅使电子从低能级跃迁至较高能级，则称这种相互作用为激激激激发发发发。离子在穿经物质时，由于激发和电离，损失其动能，
40、最后停滞在物体之中，与其中两个电子结合，成为中性的氦原子。一一一一般般般般说说说说来来来来，其其其其电电电电离离离离效效效效应应应应较较较较激发效应显著。激发效应显著。激发效应显著。激发效应显著。离子在物质中运动时会改变运动方向，这种现象称为散散散散射射射射。由于散射效应，按原来方向进行的粒子的数目将减少，但远小于电离和激发效应引起的粒子的数目的减少。在检测技术中，射线的电电电电离离离离效效效效应应应应、透透透透射射射射效效效效应应应应和和和和散散散散射射射射效效效效应应应应都有应用，但以电离效应为主，用粒子来使气体电离比其它辐射强得多。2.射线射线 粒子的质量为0.000 549 u，带有一
41、个单位的电荷。它所带的能量为100 keV几兆电子伏特。粒子的运动速度均较粒子的运动速度高高高高很多，在气体中的射程可达20m20m。和粒子一样，粒子在穿经物质时，会使组成物质的分子或原子发生电离，但与射线相比射线的电离作用较小。由于粒子的质量比粒子小很多，因因因因此此此此更更更更易易易易被被被被散散散散射射射射。粒子在穿经物质时，由于电离、激发、散射和激发次级辐射等作用，使粒子的强度逐渐衰减，衰减情况大致服从如下的指数规律：J=J0e-h(12-2)式中：J0和J粒子穿经厚度为h、密度为的吸收体前后的强度；线性吸收系数。射射射射线线线线与与与与 射射射射线线线线相相相相比比比比，透透透透射射
42、射射能能能能力力力力大大大大，电电电电离离离离作作作作用用用用小小小小。在检测中主要是根据辐射吸收来测量材料的厚度、密度或重量，根据辐射的反射来测量覆盖层的厚度。3.射线射线 原子核从不稳定的高能激发态跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成过程称为 衰衰衰衰变变变变（或称跃迁）。发生跃迁时所放射出的射线称射线或光子。对于放射性同位素核衰变时放射的射线，或者内层轨道电子跃迁时发射的X射线，它们和物质作用的主要形式为光光光光电电电电效效效效应应应应。当一个光子和原子相碰撞时，将其能量全部交给某一轨道电子，使它脱离原子，光子则被吸收，这种现象称为光电效应。光电效应也伴随有次级辐射产生。当
43、射线通过物质时，由于发生光电等效应的结果，它的强度将减弱，它也遵循如式(12-2)所示的指数衰减规律。与射线相比，射线的吸收系数小，它透过物质的能力最大，在气体中的射程为几百米，并且能穿透几十厘米的固体物质，其电离作用最小。在测量仪表中，根据辐射穿透力强这一特性来制作探伤仪、制作探伤仪、制作探伤仪、制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。金属厚度计和物位计等。金属厚度计和物位计等。金属厚度计和物位计等。11.3.2 核辐射探测器核辐射探测器 核辐射探测器又称核辐射接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。核辐射探测器的作用是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化。由于射线的强弱和变化与测
44、量参数有关，因此它可以探测出被测参数的大小及变化。这种探测器的工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发发发发光效应光效应光效应光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应气体电离效应气体电离效应气体电离效应。当前常用的核辐射探测器有：电电电电离离离离室室室室、正正正正比比比比计计计计数数数数管管管管、盖盖盖盖革革革革弥勒计数管弥勒计数管弥勒计数管弥勒计数管、闪烁计数器闪烁计数器闪烁计数器闪烁计数器和半导体探测器半导体探测器半导体探测器半导体探测器等。1.电离室电离室 电离室是利用射线对气体的电离作用而设计的一种辐射探测器，它的重要部分是两个电极和充满在两个电极间的气体。气体可以是
45、空气或某些惰性气体。电离室的形状有圆柱体和方盒状。图11 5 电离室的结构示意图 如图11-5所示，在电离室两侧放置相互绝缘的板电极，电极间加上适当电压，放射线进入电极间的气体中，在核辐射的作用下，电离室中的气体介质即被电离，离子沿着电场的作用线移动，这时在电离室的电路中产生电离电流。核辐射强度越大,在电离室产生的离子对越多，产生的电流亦越大。电流I与两个电极间所加的电压U的关系曲线如图11-6 所示（曲线1、2和3分别代表不同的辐射强度下的特性曲线）。图中线段OU1称为线性段，在这一线段上，当电压不大时，电离室中的离子的移动速度亦不大，有部分离子在移动时就重新复合，而只有余下的部分离子能够到
46、达电极上。电极上电压愈高，离子移动速度越快，离子复合就愈为减少，电流就会增加。线段U1U2称为饱和段，在这段上的工作电压很大，所以实际上全部生成的离子都能到达电极上。此时电流将与所加电压无关。一般电离室工作在特性曲线的饱和段，其输出电流正比于射到电离室上的核辐射强度。图11 6 电离室的特性曲线 图11 7 差分电离室 电离室内所充气体的压力、极板的大小和两极间的距离对电离电流都有较大的影响，例如增大气体压力或增大电极面积都会使电离电流增大，电离室的特性曲线也将向增大电离电流的方向移动。在核辐射检测仪表中，有时用一个电离室，有时用两个电离室。为了使两个电离室的特性一样，以减少测量误差，通常设计
47、成差分电离室，如图11-7所示。在高电阻上流过的电流为两个电离室收集的电流之差，这这这这样样样样可可可可以以以以避避避避免免免免高高高高电电电电阻阻阻阻、放放放放大大大大器器器器、环环环环境温度等变化而引起的测量误差境温度等变化而引起的测量误差境温度等变化而引起的测量误差境温度等变化而引起的测量误差。电电电电离离离离室室室室主主主主要要要要用用用用来来来来探探探探测测测测、粒粒粒粒子子子子。在同样条件下，进入电离室的粒子比粒子所产生的电流大100多倍。利用电离室测量、粒子时，其效率可以接近100%，而测量射线时，则效率很低。这是因为射线没有直接电离的本领，它是靠从电离室的壁上打出二次电子，而二
48、次电子起电离作用，因此,射射射射线线线线的的的的电电电电离离离离室室室室必必必必须密闭须密闭须密闭须密闭。一般电离室的效率只有1%2%。2.正比计数管正比计数管 正比计数管的结构如图12-8所示。它是由圆筒形的阴极和作为阳极的中央芯线组成的，内封有稀有气体、氮气、二氧化碳、氢气、甲烷、丙烷等气体。当放射线射入使气体产生电电电电离离离离时，由于在芯线近旁电场密度高，电子碰撞被加速，在气体中获得足够的能量，碰撞其它气体分子和原子而产生新的离子对；此过程反复进行而被放大，人们将此过程称为气气气气体体体体放放放放大大大大。放大作用仅限于芯线近旁，所以可得到与放射线的入射区域无关的一定的放大倍数。由于放
49、大而产生的阳离子迅速离开气体放大区域而产生输出脉冲。输输输输出出出出脉脉脉脉冲冲冲冲的的的的大大大大小小小小正正正正比比比比于于于于因因因因放放放放射射射射线线线线入入入入射射射射而而而而产产产产生生生生电电电电子子子子、正正正正离离离离子子子子对对对对的的的的数数数数目目目目，而而而而电电电电子子子子、正正正正离离离离子子子子对对对对数数数数正正正正比比比比于于于于气气气气体体体体吸吸吸吸收收收收的的的的放放放放射射射射线线线线的的的的能能能能量量量量。因此，正比计数管可可可可以以以以探探探探测测测测入入入入射射射射放放放放射射射射线线线线的的的的能量。能量。能量。能量。图11 8 正比计数
50、管的结构模型 正比计数管大多数是圆柱形或者球形、半球形。其阳极很细，阴极直径较大，这主要是为了在外加电压较小的情况下，使阳极附近仍能有很强的电场，以便有足够大的气体放大倍数。正正正正比比比比计计计计数数数数管管管管可可可可以以以以在在在在很很很很宽宽宽宽的的的的能能能能量量量量范范范范围围围围内内内内测测测测定定定定入入入入射射射射粒粒粒粒子子子子的的的的能能能能量量量量，能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数能量分辨率相当高，分辨时间很短，并且可作快速计数。3.盖革盖革-弥勒计数管弥勒计