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1、第3章物性型传感器第1页，本讲稿共93页第3章物性型传感器第2页，本讲稿共93页第3章物性型传感器3.1压电式传感器3.2光电式传感器3.3霍尔式传感器3.4磁电式传感器3.5超声波传感器3.6核辐射传感器第3页，本讲稿共93页3.1压电式传感器3.1.1压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而发生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，电介质表面又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。反之，这些电介质在极化方向上施加交变电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，电介质变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分
2、微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡和锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。第4页，本讲稿共93页3.1压电式传感器图3-1石英晶体a)天然结构的石英晶体外形b)晶体切片c)晶片结构a晶体切片长度b晶体切片厚度c晶体切片高度x电轴y机械轴z光轴第5页，本讲稿共93页3.1压电式传感器图3-2石英晶体压电模型a)不受力b)x轴方向受力c)y轴方向受力3.1.2压电式传感器的等效电路第6页，本讲稿共93页3.1压电式传感器由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两
3、个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量Ca为图3-3压电传感器的等效电路a)电压源b)电荷源第7页，本讲稿共93页3.1压电式传感器图3-4压电传感器的实际等效电路a)电压源实际等效电路b)电荷源实际等效电路第8页，本讲稿共93页3.1压电式传感器图3-5电荷放大器等效电路3.1.3压电式传感器的测量电路第9页，本讲稿共93页3.1压电式传感器压电式传感器本身的内阻抗很高，而输出能量很小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前
4、置放大器也有电压放大器和电荷放大器两种形式。由于电压前置放大器中的输出电压与屏蔽电缆的分布电容及放大器的输入电容有关，故目前多采用性能较稳定的电荷前置放大器。3.1.4压电式传感器的应用1.压电式单向测力传感器图3-6是压电式单向测力传感器结构图，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。第10页，本讲稿共93页3.1压电式传感器图3-6压电式单向测力传感器结构图1绝缘套2石英晶片3上盖4基座5电极第11页，本讲稿共93页3.1压电式传感器2.压电式加速度传感器图3-7是压电式加速度传感器结构图。F=ma(37)3.压电式金属加工切削力测量图3-8是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示
5、意图。图3-7压电式加速度传感器结构图1螺栓2压电元件3预压弹簧4外壳5质量块6基座第12页，本讲稿共93页3.1压电式传感器1.tif3Z8.TIF第13页，本讲稿共93页3.1压电式传感器图3-8压电式刀具切削力测量示意图1压电式传感器2输出信号1.工作原理“一拍亮”延时小夜灯的电路如图3-9所示，它实际上是一个“声控延时小夜灯”电路。第14页，本讲稿共93页3.1压电式传感器图3-9“一拍亮”延时小夜灯的电路2.元器件选择第15页，本讲稿共93页3.1压电式传感器1)IC选用静态功耗很小的CMOS时基集成电路，如5G7555或ICM7555等。2)VT1、VT2均选用9014或3DG8型
6、硅NPN小功率晶体管。3)R1R5均用RTX1/8W型碳膜电阻。4)C用漏电很小的CD1110V型电解电容。5)B用27mm压电陶瓷片，如FT27型等，要求配上简易塑料或金属共振腔盒。6)H用手电筒常用的3.8V、0.3A指示灯(三节电池供电的手电筒专用)。7)GB用三节5号电池串联(须配塑料电池架)而成，电压4.5V。第16页，本讲稿共93页3.1压电式传感器图3-10“一拍亮”延时小夜灯的印制电路板焊接图3.制作与使用图3-10所示为“一拍亮”延时小夜灯的印制电路板第17页，本讲稿共93页3.1压电式传感器焊接图，印制电路板实际尺寸约为50mm30mm。全部电路可装入一体积合适的市售塑料动
7、物玩具或其他造型的工艺品硬壳体内，以起到装饰美化作用。第18页，本讲稿共93页3.2光电式传感器3.2.1光电效应光电器件工作的物理基础是光电效应。通常把光电效应分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类：1.外光电效应在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管和光电摄像管等。2.内光电效应在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。3.光生伏特效应在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。第19页，本讲稿共93页3.
8、2光电式传感器3.2.2光电器件及特征1.光电管以外光电效应原理制作的光电管的结构由真空管、光电阴极K和光电阳极A组成，其符号及基本工作电路如图3-11所示。1.tif第20页，本讲稿共93页3.2光电式传感器3Z11.TIF第21页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-11光电管符号及基本工作电路3Z12.TIF第22页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-12光电管的光电特性2.光敏电阻光敏电阻又称光导管，是基于内光电效应工作的。图3-13光敏电阻的结构原理1电源2金属电极3半导体4玻璃底板5检流计第23页，本讲稿共93页3.2光电式传感器(1)光敏电阻的主要参数1)暗电阻。2)亮电阻
9、。3)光电流。(2)光敏电阻的基本特性1)伏安特性。2)光谱特性。图3-14硫化镉光敏电阻的伏安特性第24页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-15几种不同材料光敏电阻的光谱特性3)温度特性。第25页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-16硫化铅光敏电阻的光谱温度特性3.光敏半导体管第26页，本讲稿共93页3.2光电式传感器(1)光敏半导体管的种类光敏二极管、光敏晶体管、光敏晶闸管等统称为光敏半导体管，它们的工作原理都是基于内光电效应的。1)光敏二极管的结构与一般二极管相似，它的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射。图3-17光敏二极管a)外形图b)结构简化图c)图形
10、符号第27页，本讲稿共93页3.2光电式传感器2)光敏晶体管有PNP型和NPN型两种，它的结构、等效电路、图形符号及应用电路如图3-19所示。图3-18光敏二极管的反向偏置接法第28页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-19光敏晶体管a)结构b)等效电路c)图形符号d)应用电路e)达林顿光敏晶体管3)光敏晶闸管也称为光控晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成，其工作原理可用光敏二极管和普通晶闸管的工作原理解释，它的导通电流比光敏晶体管大得多，工作电压有的可达数百伏，因此输出功率大，主要用于光控开关电路及光耦合电路器中。第29页，本讲稿共93页3.2光电式传感器(2)光敏半导体管的基本特性1)
11、光谱特性。2)伏安特性。3)光电特性。4)温度特性。图3-20光敏半导体管的伏安特性a)光敏二极管的伏安特性b)光敏晶体管的伏安特性第30页，本讲稿共93页3.2光电式传感器5)响应时间。4.光电池光电池的工作原理是基于光生伏特效应的。图3-21光电池a)光电池结构示意图b)符号第31页，本讲稿共93页3.2光电式传感器(1)结构及工作原理如图3-21所示，光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电
12、动势。(2)基本特性1)光谱特性。2)光照特性。图3-22硅光电池的开路电压和短路电流与当照的关系曲线第32页，本讲稿共93页3.2光电式传感器3)温度特性。4)频率特性。3.2.3光电式传感器的应用1.火焰探测报警器图3-23是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路。1.tif第33页，本讲稿共93页3.2光电式传感器3Z23.TIF第34页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-23火焰探测报警器电路2.燃气热水器中的脉冲点火控制器由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定和可靠。第35页，本讲稿共93页3.2光电式传感器燃气热水器中的脉冲点火控制器原理
13、如图324所示。在高压打火时，火花电压可达一万多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大。为保证电路正常工作，采用光耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗干扰能力。当高压打火针对打火确认针放电时，光耦合器VB中的发光二极管发光，耦合器中的光敏晶体管导通，经VT1、VT2、VT3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光耦合器VB不工作，VT1等不导通，燃气阀门关闭。1.tif第36页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-24燃气热水器中的脉冲点火控制器原理3.光电转速传感器图3-25a是在待测转速的轴上固定一个带孔的转速调置盘，在调置盘一边由
14、白炽灯产生恒定光，第37页，本讲稿共93页3.2光电式传感器透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。图3-25光电数字式转速表的工作原理a)透射式转速表b)反射式转速表第38页，本讲稿共93页3.2光电式传感器1.工作原理天明提醒器原理如图3-26所示。2.元器件选择1)KD-154B集成电路。2)光敏电阻RG选用5mm系列的GL5649D。3)B采用KLJ-5020型贴片蜂鸣器。4)GB用两节5号电池串联。5)R选用20k、RTX-1/8W型碳膜电阻。6)BL选用8、25W扬声器。7)开关可选用废弃设备上
15、的小的按键开关。3.制作与安装(1)制作按照图3-27所示制作好电路板。第39页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-26天明提醒器原理第40页，本讲稿共93页3.2光电式传感器1.tif3Z27.TIF第41页，本讲稿共93页3.2光电式传感器图3-27天明提醒器印制电路板(2)安装将电路板装入一个小收音机壳体内，用烙铁将电源线焊到收音机的电源端，装入两节5号电池即可。(3)使用使用时，将装好的提醒器放置到重要的文件柜内，一旦有人打开柜子，就会发出蜂鸣报警。第42页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器图3-28霍尔效应原理图3.3.1霍尔式传感器的原理及特性第43页，本讲稿共93页3.3霍尔
16、式传感器1.工作原理将半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，如图3-28所示，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。假设薄片为N型半导体，在其左右两端通以电流I(称为控制电流)，那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到洛仑兹力FL作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累。而前端面缺少电子，因此后端面带负电，前端面带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE与FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和
17、磁场方向)建立电场，称为霍尔电场EH，相应的电动势就称为霍尔电动势UH。第44页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器2.特性参数(1)输入电阻Ri霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。(2)输出电阻Ro两个霍尔电动势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻属同一数量级，它也随温度改变而改变。(3)额定激励电流Im由于霍尔电动势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。(4)灵敏度kHkH=UH/(IB)，它的数值约为10MV/(mAT)。(5)最大磁感应强度BM磁感应强度为BM时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，BM一般为零点几特斯拉。第45页，本讲稿共93页3.
18、3霍尔式传感器(6)不等位电动势在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压称为不等位电动势，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电动势引起的误差。(7)霍尔电动势温度系数在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1时霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1%/。3.3.2霍尔元件的结构及测量电路1.霍尔元件的材料及结构根据霍尔效应原理做成的器件称为霍尔元件。第46页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器霍尔元件的外形、结构和符号如图329所示。霍尔元件的结构很简单，由霍尔片、四条引线和壳体组成。霍
19、尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4mm2mm01mm)。在它的长度方向两端面上焊有两根引线(见图329b中1、1线)，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极(或称激励电极)，要求焊接处接触电阻很小，即欧姆接触(无PN结特性)。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有两根霍尔输出端引线(见图329b中2、2线)，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与长度之比要小于01，否则影响输出。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。霍尔元件在电路中的图形符号如图329c所示。第47页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器图3-29霍尔元件a)外形
20、b)结构c)符号2.基本电路霍尔元件的基本测量电路如图3-30所示。第48页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器图3-30霍尔元件的基本测量电路第49页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器3.集成霍尔元件随着微电子技术的发展，目前霍尔元件多已集成化。图3-31线性型集成霍尔元件a)外形尺寸b)内部电路框图c)输出特性第50页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器图3-32开关型集成霍尔元件a)外形尺寸b)内部电路框图c)输出特性3.3.3霍尔传感器的应用由于霍尔元件存在对磁场的敏感作用而被广泛应用，归纳起来主要有三个方面。第51页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器1)当控制电流不变，使传感器处于非均匀
21、磁场时，传感器的输出正比于磁感应强度，可反映位置、角度或激励电流的变化。2)当保持磁感应强度恒定不变时，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以做成过电流控制装置等。3)当控制电流与磁感应强度都为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正比的关系。图3-33用集成霍尔传感器构成的按钮a)按钮未按下b)按下按钮时1外壳2导磁材料3集成传感器4按钮第52页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器1.非直接接触的键盘开关如图3-33所示是一个由开关型集成霍尔传感器和两小块永久磁铁构成的键盘开关的结构原理图。2.霍尔角位移传感器其结构如图3-34所示。图3-34霍尔角位移传感器示意图1励磁线圈2极靴3霍尔元件第
22、53页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器3.霍尔位移传感器如图3-35所示，磁场是由极性相反、磁场强度相同的两个磁钢构成，气隙中的磁场强度分布呈线性梯度，即B=Kx。UH=Kx(311)4.霍尔压力传感器如图3-36所示，被测压力p使弹簧管自由端发生位移，使霍尔元件在磁路系统中运动，改变了霍尔元件感受的磁场大小及方向，引起霍尔电动势的大小和极性的改变，从而实现对压力的测量。1.tif第54页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器图3-35霍尔位移传感器原理示意图第55页，本讲稿共93页3.3霍尔式传感器图3-36霍尔压力传感器1弹簧管2磁铁3霍尔元件第56页，本讲稿共93页3.4磁电式传感器3.4
23、.1磁电式传感器的原理及结构1.工作原理磁电感应式传感器以电磁感应原理为基础的。e=Nd/dt=NBlv=NBS(312)2.磁电感应式传感器的结构磁电式传感器有两种结构类型：一种是变磁通式；另一种是恒定磁通式。(1)变磁通式磁电传感器变磁通式也称为变磁阻式或变气隙式，常用于旋转角速度的测量，如图3-37所示。3Z37.TIF第57页，本讲稿共93页3.4磁电式传感器图3-37变磁通式磁电传感器结构示意图a)开磁路变磁通式b)两极式闭磁路变磁通式1被测转轴2铁心3线圈4软铁5磁铁(2)恒定磁通式磁电传感器恒定磁通式结构有动圈式和动铁式两种，如图3-38所示。第58页，本讲稿共93页3.4磁电式
24、传感器图3-38恒定磁通式磁电传感器结构原理a)动圈式b)动铁式1金属骨架2弹簧3线圈4永久磁铁5壳体第59页，本讲稿共93页3.4磁电式传感器3.4.2磁电式传感器的测量电路磁电式传感器直接输出感应电动势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。磁电式传感器的测量电路如图339所示。图3-39磁电式传感器的测量电路3.4.3磁电式传感器的应用第60页，本讲稿共93页3.4磁电式传感器1.磁电感应式振动速度传感器图3-40所示为CD1型磁电感应式振动速度传感器的结构原理，它属于动圈式恒定磁通型
25、。1.tif3Z40.TIF第61页，本讲稿共93页3.4磁电式传感器图3-40磁电感应式振动速度传感器的结构原理1、8圆形弹簧片2圆环形阻尼器3永久磁铁4铝架5圆环形阻尼器用心轴6工作线圈7壳体9引线2.磁电式扭矩传感器图3-41是磁电式扭矩传感器的工作原理。1.tif第62页，本讲稿共93页3.4磁电式传感器图3-41磁电式扭矩传感器的工作原理1齿形圆盘2扭转轴3磁电式传感器3.电磁流量传感器电磁流量传感器的结构如图3-42所示，第63页，本讲稿共93页3.4磁电式传感器电磁流量传感器与电磁流量转换器配套组成电磁流量计。E=BD(314)图3-42电磁流量传感器的结构1励磁线圈2测量管3磁
26、力线4电极I励磁电流流速第64页，本讲稿共93页3.5超声波传感器3.5.1超声波的物理基础1.声波的分类振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。图3-43声波的频率界限图2.超声波的传播方式由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波形也不同。第65页，本讲稿共93页3.5超声波传感器1)纵波是质点振动方向与波的传播方向一致的波，能在固体、液体和气体中传播。2)横波是质点振动方向垂直于传播方向的波，只能在固体中传播。3)表面波是质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播的波。图3-44超声波的反射与折射第66页，本讲稿共93页3.5超声波传感器3.超声波的反射和折射当入射
27、声波以一定的入射角从一种介质传播到另一种介质的分界面时，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量则透过分界面，在另一种介质内部继续传播，称为折射波或透视波，如图3-44所示。如果入射角足够大时，将导致折射角=90，则折射声波只能在介质分界面传播，折射波形将转换为表面波，这时的入射角称为临界角。如果入射声波的入射角大于临界角，将导致声波的全反射。4.超声波的衰减由于多数介质中都含有微小的结晶体或不规则的缺陷，超声波在这样的介质中传播时，在众多的晶体交界面或缺陷界面上会引起散射，从而使沿入射方向传播的超声波声强下降。第67页，本讲稿共93页3.5超声波传感器介质中的声强衰减与超声波的频率、
28、晶粒粗细等因素有关。晶粒越粗或密度越小，衰减越快；频率越高，衰减也越快。气体的密度很小，因此衰减较快，尤其在频率高时衰减更快。因此在空气中传导的超声波的频率选得较低，为数十千赫兹，而在固体和液体中则选用较高的频率(MHz数量级)。图3-45超声波探头结构1保护膜2吸收块3金属壳4导电螺杆5接线6压电晶片第68页，本讲稿共93页3.5超声波传感器3.5.2超声波传感器的结构利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器。3.5.3超声波传感器的应用1.超声波物位传感器如图3-46所示，在液位上方安装空气传导型超声波反射器和接收器，按照声脉冲反射原理，根据超
29、声波的往返时间就可测出液体的液面。图3-46超声波液位计原理1液面2直管3空气超声探头4反射小板5电子开关第69页，本讲稿共93页3.5超声波传感器例3-1从图3-46所示的超声波液位计的显示屏上测得t0=1.8ms，t1=5.0ms，已知容器底部与超声波探头的间距为10m，反射小板与探头的间距为0.9m，求液位h。解：由于c=图3-47超声波流量计原理第70页，本讲稿共93页3.5超声波传感器2.超声波流量传感器图3-47是超声波流量计原理。时间差法流量与声速c有关，而声速一般随介质温度的变化而变化，因此将造成温漂。如果使用下面的频差法测量流量，即可克服温度的影响。图3-48频差法测量流量的
30、原理a)投射型安装图b)反射型安装图第71页，本讲稿共93页3.5超声波传感器例3-2超声波流量传感器安装于管道直径500mm的管道中，如图3-47所示，两换能器相距600mm，超声波传播方向与流体流动方向的夹角为30，逆流传播与顺流传播的超声波时间差为1s，超声波在该静止介质中传播速度为1450m/s，求管道中流体的流量。解：设超声波在该静止介质中传播速度为c，流体的流速为v，两换能器相距l3.超声波测厚如图3-49所示，双晶直探头左边的压电晶片发射超声脉冲，经探头底部的延迟块延迟后，超声脉冲进入被测试件，在到达试件地面时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。第72页，本讲稿共93页3.5
31、超声波传感器图3-49超声波测厚示意图1双晶探头2引线电缆3入射波4反射波5试件6测厚显示器1.电路工作原理该雾化器电路如图3-50a所示，第73页，本讲稿共93页3.5超声波传感器电源经变压器T降压(AC36V)送VD1VD4整流和C5、C6滤波后给电路提供工作电压。1.tif第74页，本讲稿共93页3.5超声波传感器3Z50.TIF图3-50超声波雾化器原理a)雾化器电路b)雾化器外形2.元器件选择1)振荡器和换能器：压电陶瓷片的振荡频率为1.65MHz；晶片尺寸：16mm，厚度：(1.20.01)mm。第75页，本讲稿共93页3.5超声波传感器2)雾化头型号：T2517，规格尺寸：25m
32、m1.2mm，其上安装两根水位控制触针。3)R1R6均用RTX1/8W型碳膜电阻，C1C6用CD1110V型电解电容。4)VT1选用BU406，VT2选用1815，VT3选用9015。5)电源选用220V交流供电。6)变压器T为AC220V/36V，30W。3.超声波雾化器制作和使用方法(1)雾化器制作该雾化器外形如图3-50b所示。(2)使用方法若将该雾化器用于室内加湿或消毒，可准备一个小塑料盆，盆内盛一定量的溶液，溶液量不宜太多(浅水为准)，仅比水位触针高出一定距离即可(溶液太深其雾化量相对减小)。第76页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器3.6.1放射源和探测器放射源和探测器是核辐射传感
33、器的重要组成部分，放射源由放射性同位素组成，探测器即核辐射检测器，它可以探测出射线的强弱及变化。1.射线的种类及衰变规律(1)放射性同位素各种物质都是由一些最基本的物质所组成。(2)核辐射的种类及性质放射性同位素在衰变过程中放射出一种特殊的、带有一定能量的粒子或射线，这种现象称为放射性或核辐射，根据其性质的不同，放射出的粒子或射线有粒子、粒子和射线等。1)粒子一般具有410MeV能量。第77页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器2)粒子实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达20m，在自动检测仪表中，主要是根据粒子辐射和吸收来测量材料的厚度、密度或重量；根据辐射的反射和散射来测量覆盖层的厚度
34、，利用粒子很大的电离能力来测量气体流量。3)射线是一种从原子核内发射出来的电磁辐射，它在物质中的穿透能力比较强，在气体中的射程为数百纳米，能穿过几十百米厚的固体物质。2.射线与物质的相互作用核辐射与物质的相互作用是探测带电粒子或射线存在与否及其强弱的基础，也是设计和研究放射性检测与防护的基础。第78页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器(1)带电粒子与物质的相互作用具有一定能量的带电粒子(如粒子、粒子)在其穿过物质时，由于电离作用，在其路径上生成许多离子对，所以常称粒子和粒子为电离性辐射。(2)射线和物质的相互作用射线通过物质后的强度将逐渐减弱，射线与物质的作用主要有光电效应、康普顿效应和电子对
35、效应三种。3.常用探测器探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。(1)电离室电离室基本上是以气体为介质的射线探测器，可以探测粒子、粒子和射线，能把这些带电粒子或射线的能量转化为电信号。第79页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器图3-51电离室基本工作原理第80页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器图3-52圆筒形电离室结构示意图1、3绝缘物2保护环4收集极5高压极6外壳7铁铝薄膜第81页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器(2)闪烁计数器闪烁计数器先将微电能变为光能，然后再将光能变为电能而进行探测，它不仅能探测射线，还能探测各种带电和不带电的粒子，不但能探测它们的存在，而且能鉴别
36、其能量的大小。图3-53光电倍增管及输出电器第82页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器3.6.2核辐射传感器的应用1.核辐射厚度计核辐射厚度计原理框图如图3-54所示。测量电路常用振动电容器调制的高输入阻抗静电放大器。用振动电容器是把直流调制成交流，并维持高输入阻抗，这样可以解决漂移问题。有的测量电路采用变容二极管调制器来代替静电放大器。2.核辐射液位计核辐射液位计的原理如图3-55所示，它是一种基于物质对射线的吸收程度的变化而对液位进行测量的物位计。1.tif第83页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器3Z54.TIF图3-54核辐射厚度计原理框图第84页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器图3
37、-55核辐射液位计的原理3.6.3核辐射传感器的使用与防护第85页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器核辐射传感器具有广泛的应用前景，有些人由于对其缺乏了解，往往谈核色变。事实上，核辐射传感器所用的放射源都是封闭型的，对于封闭型放射源的防护是比较简单容易的。例如，在距工业核仪表05m强度最大点工作8h，所受射线照射剂量小于20mrem，而一次胸部X光透视的射线照射剂量为100200mrem，一次牙齿透视的射线照射剂量为150015000mrem，所以，只要遵守有关规定正确操作，就不必有什么顾虑。1)接收器一般在5060就不能正常工作，因此在高温环境下，必须进行冷却。2)对辐射源必须采取严格的防护
38、措施，遵守安全操作规程，确保人身安全。第86页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器3)传感器到货后应单独妥善保管，不得与易燃、易爆、腐蚀性等物品放在一起。4)安装地点除从工艺核仪表要求考虑外，尽量置于其他人员很少接近的地方，并设置有关标志，安装地图3-56带防护结构的辐射源1辐射源2不锈钢闷头3偏心孔4铅罐5铝板6不锈钢片(上开一个小孔)7铅封头8转轴9手把10指针11辐射源工作标记12小孔第87页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器5)安装时，应先安装有关机械部件和探测器，并初步调校正常，然后再安装辐射源，安装时应将辐射源容器关闭，使用时再打开。6)检修时应关闭辐射源容器，需要带源检修时，应事先
39、制定操作步骤，动作准确迅速，尽量缩短时间，防止不必要的照射。7)辐射源半衰期以后，需要更换，否则会影响测量准确度，更换辐射源时，一般请仪表制造厂家或专业单位进行，有条件的单位也可自行更换。8)废旧辐射源的处置，应与当地卫生防护部门联系，交由专门的放射性废物处理单位处理，用户不得将其作为一般废旧物资处理，更不能随意乱丢。第88页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器1.制作原理如图3-57所示，检测器所用的敏感元件是一个与场效应晶体管VF连接的电感线圈L1。图3-57电磁辐射检测器原理第89页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器2.元器件选择1)VF:BS170；VT1:BC547C；VT2:BC55
40、7C。2)R1R7均用RTX1/8W型碳膜电阻。3)电源选用9V直流电源。4)VL选用BT系列普通发光二极管。3.制作与调试(1)制作图3-58所示为电磁辐射检测器印制电路布线图。图3-58电磁辐射检测器印制电路布线图第90页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器(2)调试安装完毕后，首先把检测器放置在远离照明线或电压较高的电线的位置上(例如房间中央)。(3)使用试用结果表明，只要离开视频设备或计算机屏幕1m以上。1.什么叫压电效应？什么叫逆压电效应？2.一压电式传感器的灵敏度K110pCMPa，连接灵敏度K2=0.008VpC3.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知：加速度计灵敏度为5
41、PC/g，电荷放大器灵敏度为50mV/PC，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅值为2V，试求该机器的振动加速度。4.什么是光电效应？有哪几种？第91页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器5.什么叫霍尔效应？可进行哪些参数的测量？6.简述光电传感器的主要形式及其应用。7.霍尔元件灵敏度KH=40V/AT，控制电流I8.什么是磁电式传感器？磁电式传感器主要用来测量哪些参数？9.什么是超声波传感器？超声波流量计可以用来测量哪些流体？10.利用超声波测厚的基本方法是什么？已知超声波在工件中的声速为5640m/s，测得的时间间隔t为22s，试求工件厚度。11.什么是核辐射传感器？12.核辐射传感器可以用来实现对哪些参数的测量？13.使用核辐射传感器时应该注意什么问题？第92页，本讲稿共93页3.6核辐射传感器14.某超声波液位计用于测量敞口容器液位(见图3-46)，换能器安装在容器上方，距离容器底部3m，从发射到接收超声波需要3ms，超声波在空气中的传播速度是340m/s，求容器中的液位高度。第93页，本讲稿共93页