波式射线式和红外传感器.pptx

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1、11.1 超声波式传感器 人耳能听到的声波频率在20 Hz20 kHz之间。超过20 kHz的称为超声波，低于20 Hz的称为次声波。常用的超声波频率为几十kHz到几十MHz。第1页/共168页11.1 超声波式传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波具有频率高、波长短，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是对不透光的固体，可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生反射、折射和波型转换等现象。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。第2页/共168页11.1 超声波式传感器一些超声波传感器如图所示。第3页/

2、共168页11.1 超声波式传感器CUSS 陶瓷超声波传感器如图所示。第4页/共168页11.1 超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用第5页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 1.波型及其转换 (1)波型 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，超声波的波型也不同，通常有三种形式 纵波。质点振动方向与传播方向一致的波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。横波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。第6页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 表面波。质

3、点振动介于纵波和横波之间，介质表面受扰动的质点振动轨迹为一椭圆，如图所示。沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减，实际上在距表面一个波长以上的地方，振动己近消失。工业应用中主要采用纵波。第7页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 (2)波型转换 当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除了有纵波的反射、折射以外，还发生横波的反射和折射；在某种情况下，还能产生表面波。各种波型都符合反射及折射定律。第8页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 2.传播速度 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。气体中声速约344 m/s、液体中为900

4、1900 m/s；在固体中纵波、横波、表面波三者的声速有一定的关系，通常横波声速约为纵波的一半，表面波声速约为横波的90%。在钢材中的纵波声速约5000 m/s。第9页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 3.反射及折射 超声波在两种介质中传播时，在它们的交界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射界面，在另一介质内继续传播，称为折射波。第10页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 对于反射波，当入射波和反射波的波型相同、波速相等时，反射角a a 等于入射角a a。第11页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质

5、对于折射波，入射角a a、折射角b b、入射波在介质1中的速度c1及折射波在介质2中的速度c2之间的关系为亦即亦即第12页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 考虑到可能有波型转换，如图所示，可写成统一的公式如下第13页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 当超声波垂直于入射界面，即a ab b0时，声波的反射系数R和透射系数T分别如下式中，I0,Ir,It分别为入射波、反射波、透射波的声强；r r1c1、r r2c2分别为两介质的声阻抗，r r为密度，c为速度。第14页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 由上面两式可知 若r

6、 r2c2r r1c1，则R0，T1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；若r r2c2r r1c1,R1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。当r r1c1r r2c2时，也有R1。第15页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 例 如，20 时 水 的 声 阻 抗 为r r1c11.48106 kg/(/(m2s)，空气的声阻抗为r r2c20.000 429106 kg/(/(m2s)，r r1c1r r2c2，故超声波从水中传播至水气界面时，将发生全反射。反之亦然。第16页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 4.超声波的衰减

7、超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，距离声源x处的声压p和声强 I 的衰减规律为式中，式中，A为衰减系数。为衰减系数。第17页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 衰减系数A与介质密度及波的频率有很大关系。气体密度小，则衰减快，尤其在频率高时衰减更快。因此在空气中采用的超声波频率较低(几十kHz)，而在固体或液体中较高。第18页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。(1)扩散衰减 是指声波在介质中传播时，其波前逐渐扩展，从而导致声波能量逐渐减弱的现象。它和波阵面的几何形状

8、有关。在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。第19页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 (2)散射衰减 超声波在介质中传播遇到尺寸与其波长可相比或更小的障碍物时会产生散射衰减。产生散射衰减的原因很多，可分为两种情况，一种是材料本身的不均匀，如两种材料的交界面、杂质和气孔、晶体材料的各向异性等；另一种是晶粒尺寸可与超声波波长相比的粗晶粒材料，斜入射的超声波在晶界的散乱反射使得声能变为热能而损耗。在金属中这往往是超声波衰减的主要原因。第20页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 (3)吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质本身的粘滞性和热传导所

9、引起的声能损耗称为吸收衰减。第21页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 5.声阻抗 介质有一定的声阻抗，声阻抗等于介质密度与超声波速的乘积。第22页/共168页11.1.1 超声波的基本性质超声波的基本性质 6.声压 当超声波在弹性介质中传播时，介质质点除了承受未遭扰动时的静压强p0之外，还有随时间交替变化的附加压强p，称后者为声压。声压pf(x,y,z,t)，是时间和空间的函数。第23页/共168页11.1 超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用第24页/共168页11.1.2 超声波传感器超声波传感器

10、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传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。按超声波探头的结构，可分为直探头，斜探头，双探头和液浸探头等。按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中压电式探头最为常见。第25页/共168页11.1.2 超声波传感器超声波传感器 (1)压电式超声波探头 图示为压电式超声波探头结构，主要由压电晶体，吸收块(阻尼块)、保护膜等组成。第26页/共168页11.1.2 超声波传感器超声波传感器 (2)磁致伸缩型超声波换能器 其工作原理是基于对磁性材料加上磁场后，就在磁场方向产生应变的磁致伸缩效应和加上应力后就

11、发生磁化的逆磁致伸缩效应。图图示示为为典典型型结结构构，其其上上限限频频率率可可到到100 kHz左左右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。第27页/共168页11.1.2 超声波传感器超声波传感器 (3)电磁超声换能器 电磁超声换能器是一种新型的超声发射接收装置。特点是超声产生和接收的过程中换能器与媒质表面非接触、无需加声耦合剂(提高耦合效率，如B超)、重复性好、检测速度高。第28页/共168页11.1.2 超声波传感器超声波传感器 如图所示，是洛仑兹力式电磁超声换能器产生超声波的原理图。第29页/共168页11.1.2 超声波传感器超声波传感器 (4)激光超声

12、波发生器 它是利用激光来产生超声波的。激光可以在固体中产生超声，也可以在气体和液体中产生超声。产生机理主要是热弹性膨胀机理，脉冲激光将引起振动。第30页/共168页 对对于于图图示示压压电电式式超超声声波波探探头头，超超声声波波频频率率与与晶片厚度晶片厚度d、纵波波速、纵波波速c、密度、密度r r的关系为的关系为11.1.2 超声波传感器超声波传感器式中，n为谐波级数，n1,2,3,第31页/共168页11.1 超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用第32页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 1.超声波

13、测量厚度 超声波测厚主要有脉冲回波法，共振法、干涉法等几种。应用较广的是脉冲回波法。脉冲回波法测量试件厚度是先测量超声波脉冲往返通过试件所需的时间间隔t，然后根据超声波在试件中的传播速度c求出试件的厚度。第33页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 测量时超声波探头与被测物体表面接触；主控制器控制发射电路发射一定频率的脉冲信号，激发探头发射超声波脉冲进入试件，到达底面后反射回来，并由同一探头接收。第34页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 测出从发射到接收的时间间隔t，则试件厚度为。第35页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检

14、测技术的应用 2.超声波物位传感器 它是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性制成的。根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分为单换能器和双换能器。单换能器发射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能器发射和接收各由一个换能器担任。第36页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 超声波发射和接收换能器可设置在液体中，让超声波在液体中传播。由于在液体中衰减比较小，所以即使发射的超声脉冲幅度较小也可以传播。发射和接收换能器也可以安装在液面上方，让超声波在空气中传播，这种方式便于安装和维修，但超声波在空气中的衰减比较厉害。第37页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超

15、声检测技术的应用 对于图示单换能器来说，超声波从发射到液面，又从液面反射到换能器的时间为第38页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 对于图示双换能器来说，液位高度为 超声物位传感器具有精度高和使用寿命长的特点，但若液体中有气泡或液面发生波动，便会有较大的误差。第39页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 3.超声波流量传感器 超声波流量传感器的测定原理是多样的，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输时间差法，它利用的是超声波在静止流体和流动流体中的传输速度不同。第40页/共168页11.1

16、.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 在流体的上、下游相距L设置两个超声波传感器，它们既可发射又可接收超声波。设顺流方向的传输时间为t1，逆流方向的传输时间为t2，流体静止时的超声波速度为c，流体流动速度为u u，则第41页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 一般来说，流体的流速远小于超声波在流体中的传播速度，那么超声波传播时间差为则则第42页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 在实际应用中，超声波传感器安装在管道的外部，从管道的外面透过管壁发射和接收超声波不会给管路内流动的流体带来影响。但公式需相应地改变。第43页/共168页11

17、.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 4.超声波探伤 超声波探伤主要是通过测量信号往返于表面和缺陷之间的时间，来确定缺陷和表面之间的距离；测量回波信号的幅度和改变发射换能器的位置，来确定缺陷的大小和方位。这就是通常所说的脉冲反射法或A扫描法。此外还有B扫描法、C扫描法、D扫描法等。第44页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 A扫描法、B扫描法、C扫描法、D扫描法如图所示。第45页/共168页11.1.3 超声检测技术的应用超声检测技术的应用 一种多功能超声诊断系统如图所示。超声波在医疗领域还有非常广泛的应用，可用于疾病诊断和治疗。第46页/共168页11.

18、1 超声波式传感器11.1.1 超声波的基本性质11.1.2 超声波传感器11.1.3 超声检测技术的应用第47页/共168页第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11.1 超声波式传感器11.2 微波式传感器11.3 核辐射式传感器11.4 红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例第48页/共168页11.2 微波式传感器微波式传感器 1.微波式传感器的优点 (1)测量具有非接触性，可进行活体检验，大部分测量不需要取样。(2)能够适应恶劣环境下的检测。如高温、高压、有毒、放射性环境及恶劣天气等。第49页/共168页11.2 微波式传感器微波式传感器 2.微波式传

19、感器的缺点 (1)零点漂移和标定问题尚未获得较满意的解决。(2)受外界影响的因素比较多，如温度、压力、取样位置等。此外，一般价格昂贵。第50页/共168页11.2 微波式传感器微波式传感器一些应用如图所示。第51页/共168页11.2 微波式传感器微波式传感器 一种用于自动门的微波传感器及微波感应控制器如图所示。用途：适用于宾馆、银行、办公楼、工厂等出入人员较多场所的自动门。第52页/共168页11.2 微波式传感器微波式传感器11.2.1 微波的性质与特点11.2.2 微波振荡器与微波天线11.2.3 微波传感器及其应用第53页/共168页11.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 微波

20、是波长为1 mm1 m的电磁波，电磁波波段的划分如下表所示。第54页/共168页11.2.1 微波的性质与特点微波的性质与特点 微波可细分为三个波段：分米波、厘米波、毫米波(甚至还包括亚毫米波)。既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波的性质。微波具有下列特点：定向辐射装置容易制造；遇到各种障碍物易于反射；绕射能力差；传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光的影响很小；介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。第55页/共168页11.2 微波式传感器微波式传感器11.2.1 微波的性质与特点11.2.2 微波振荡器与微波天线11.2.3 微波传感器及其应用第

21、56页/共168页11.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 微波振荡器是产生微波的装置。由于微波波长很短，频率很高(300 MHz300 GHz)，要求振荡回路具有非常微小的电感与电容。故不能用普通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整管，磁控管或某些固体元件。由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在10 cm以上可用同轴线)传输，并通过微波天线发射出去。第57页/共168页11.2.2 微波振荡器与微波天线微波振荡器与微波天线 为了使发射的微波具有尖锐的方向性，天线应具有特殊的结构。常用的有喇叭型天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线等。(a)扇形喇叭天线

22、；扇形喇叭天线；(b)圆锥形喇叭天线；圆锥形喇叭天线；(c)旋转抛物面天线；旋转抛物面天线；(d)抛物柱面天线抛物柱面天线 第58页/共168页11.2 微波式传感器微波式传感器11.2.1 微波的性质与特点11.2.2 微波振荡器与微波天线11.2.3 微波传感器及其应用第59页/共168页 1.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，通常由微波振荡器、微波天线以及微波检测器三部分组成。由发射天线发出微波，遇到被测物体时被吸收或反射，使微波功率发生变化。利用接收天线，接收通过或反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可显示出被测量，实现微波检测。1

23、1.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用第60页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 根据其工作原理，微波传感器可分为反射式和遮断式两类。(1)反射式微波传感器 它是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。可测量物体的位置、位移、厚度等。(2)遮断式微波传感器 它是通过检测接收天线接收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、含水量等参数的。第61页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 2.微波传感器的应用 (1)微波液位计 它由相互构成一定角度、相距为s的发射天线与接收天线构成

24、。第62页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 微波传播的距离为第63页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 波长为l l的微波从被测液面反射后进入接收天线。接收天线接收到的功率将随被测液面的高低不同而异。接收天线接收到的功率为 式式中中，Pt为为发发射射天天线线发发射射的的功功率率；Gt为为发发射射天天线线的增益；的增益；Gr为接收天线的增益。为接收天线的增益。第64页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 (2)微波物位计 图示为微波开关式物位计示意图。当被测物位较低时，接收天线接收到的功率为 第65页/共168页

25、11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 当被测物位升高到天线所在高度时，微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功率为式中，h h是由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。第66页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 图示为一种新型的导向微波式物位测量仪。极短的微波脉冲沿着一根钢缆、套管、或钢棒发射出去，接触到介电常数不同的介质后被反射回来。通通过过一一种种特特殊殊的的扫扫描描技技术术可可高高精精度度地地测测量量很很短短的的微微波波运运行行时时间间。通通过过计计算算微微波波的的运运行行时时间间，可计算出到介质的距离。可计算出到介质的距离。第

26、67页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 (3)微波测厚仪 在被测金属上、下两面各安装一个终端器。微波传输路线如图所示，被测金属厚度增大时微波电行程长度将减小。第68页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 这个电行程长度变化是十分微小的。为此，常采用微波自动平衡电桥。左边为测量臂，右边为参考臂。参考臂中微波传输路线如图所示。第69页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 若测量臂和参考臂电行程完全相同，则反相迭加的微波经检波器检波后，输出为零，电桥平衡；若二者电行程长度不同，则有输出。第70页/共168页11.2.3

27、 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 此差值信号经放大后控制可逆电机，使补偿短路器产生位移，改变参考臂的电行程，直到测量臂与参考臂电行程完全相同为止。第71页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 补偿短路器位移与被测金属厚度增量之间的关系式为式中，LA、LB分别为测量臂和参考臂在电桥平衡时的电行程长度，且LALB；D DLA、D DLB为电行程长度的变化值；D Dh为被测金属厚度变化值，D Ds为补偿短路器的位移。第72页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 (4)微波湿度传感器 水分子是极性分子，常态下成偶极子形式，分布杂乱无章。当微波场

28、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和释放能量，前者表现为微波信号的相移，后者表现为微波信号的衰减。这个特性可用复数形式的介电常数e e来表征，即式中式中，e e、e e分别为相移和衰减的度量。分别为相移和衰减的度量。第73页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 e e与e e不仅与测试信号频率有关，还与材料有关，所有极性分子均有此特性。一般干燥物体，如木材、皮革、谷物、纸张、塑料等，其e e在15范围内，而水的e e则高达64。因此，如果材料中含有少量水分子时，其复合e e将显著上升。e e也有类似性质。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定

29、水分的潮湿物体所引起的微波信号的相移与衰减量，就可换算出物体的含水量。第74页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用一种德国生产的微波水分测定仪如图所示。第75页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 (5)微波传感器控制的自动灯 电路图如图所示。其核心器件是RD627微波多普勒效应传感器模块。第76页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 该模块由振荡器、发射器、检测器、信号放大器、限幅、稳压、延时等电路组成。第77页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 振荡器产生的微波信号，经环形天线发射出去

30、，构成一个覆盖范围大于100 m2的微波监控区域，当有人在该区域内走动时，反射回来的微波信号产生频移，该信号经检测器处理后，再经放大，输出一种和人体移动相应的超低频信号。第78页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 SA1接通后，IC1加电处于守候状态。当有人来时，使IC2内部开关闭合，继电器J驱动SA2闭合导通，灯泡ZD发光。人走后灯泡熄灭。第79页/共168页11.2.3 微波传感器及其应用微波传感器及其应用 (6)微波测定移动物体的速度 它是利用雷达能动地将微波发射到对象物，并接收反射波的能动型传感器。若物体到发射天线的距离为r、相对运动速度为u u，则由于多普

31、勒效应，反射波的频率fr发生偏移，frf0fD，fD是多普勒频移，可表示为第80页/共168页11.2 微波式传感器微波式传感器11.2.1 微波的性质与特点11.2.2 微波振荡器与微波天线11.2.3 微波传感器及其应用第81页/共168页第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11.1 超声波式传感器11.2 微波式传感器11.3 核辐射式传感器11.4 红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例第82页/共168页11.3 核辐射式传感器核辐射式传感器 核辐射式(射线式)传感器是根据被测物质对核辐射的吸收、反射、散射或核辐射对被测物质的电离激发作用而进行工作的

32、。第83页/共168页11.3 核辐射式传感器核辐射式传感器11.3.1 核辐射式传感器的物理基础11.3.2 核辐射传感器的组成第84页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 1.同位素 凡原子序数相同而原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称之为同位素。当没有外因作用时，有的同位素的原子核会自动发生衰变并放出射线，这种同位素就称为放射性同位素。其衰减规律为式中，a a0、a a分别为初始时与经过时间t后的原子核数；l l为衰变常数。第85页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 常用和l l有关的另一个常数即半

33、衰期t t来表示衰变的快慢。半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变到一半时所需要的时间，可求出t t为 t t和l l都是不受任何外界作用影响而且和时间无关的恒量。但是，不同放射性元素的半衰期是不同的。第86页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 2.核辐射 放射性同位素在衰变过程中放出一种特殊的带有一定能量的粒子束或射线，这种现象称为核辐射。其放出的粒子束或射线有以下几种第87页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 (1)a a粒子 质量为4.002775 u，带有2个正电荷，亦即氦原子核。放射出a a粒子后同位素的原

34、子序数将减少两个单位而变为另一种元素。a a粒子具有40100 MeV的能量，在空气中射程为几cm到十几cm，主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。第88页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 (2)b b粒子 它实际上是高速运动的电子，质量为0.000549 u，带有一个单位的负电荷，能量为100 keV几MeV，运动速度比a a粒子高很多，接近光速，在气体中的射程可达20 m。b b衰变是原子核中的一个中子转变成一个质子而放出一个电子的结果。放射出b b粒子后同位素的原子序数将增加一个单位而变为另一种元素。b b粒子用于测量材料厚度、密度等。第89页

35、/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 (3)g g射线 它是一种电磁辐射。原子核从不稳定的高激发态在极短时间内(1014 s)将多余能量以电磁辐射(光子)形式放射出来，跃迁到稳定的基态或较稳定的低能态，并且不改变其组成的过程称为g g衰变(或称g g跃迁)，射出的射线称g g射线或g g光子。g g射线的波长较短(约10101012 m)，不带电，能穿透几十厘米厚的固体物质，在气体中射程达数百米。根据g g辐射穿透力强这一特性来制作探伤仪、金属厚度计和物位计等。第90页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 放射性的强弱

36、称为放射强度(或核辐射强度)，常以单位时间内发生衰变的次数表示。放射强度也是随时间按指数规律而减少，即 放射强度的单位是居里(Ci)。1 Ci等于放射源每秒钟发生3.71010次核衰变。在检测仪表中，Ci单位太大，通常用它的千分之一来表示，称为毫居里(mCi)。第91页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 3.核辐射与物质间的相互作用 主要是电离、吸收和反射。(1)电离作用 当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，通过和物质相互作用不断地损失能量，带电粒子的速度越来越小，在它们经过的路程上形成许多离子对，这即是电离作用。这是带电粒子和物质相互作用的主要形式。第

37、92页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 a a离子由于能量、质量和电荷量大，故电离作用最强，但射程较短。b b离子质量小，电离能力比同样能量的a a粒子要弱。由于b b离子易于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。g g粒子几乎没有直接电离作用。第93页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 (2)核辐射的吸收、散射和反射 a a、b b、g g射线穿透物质时，一部分能量被物质吸收，一部分能量被散射掉。因此，粒子或射线能量(即强度)按下述关系式衰减式中，h为穿透物质的厚度；r r为物质的密度；m mm为物质的质量吸收系数。第

38、94页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 三种射线中，g g射线的穿透力最强，b b射线次之，a a射线最弱。b b射线的散射作用表现最为突出。当b b射线穿透物质时，容易改变其运动方向而产生散射。向相反方向散射时即反射，有时称为反散射。反射大小取决于散射物质的性质和厚度。b b射线的散射随物质的原子序数增大而加大。当原子序数增大到极限时，几乎全部反射回来。反射的大小与反射物质厚度有如下关系第95页/共168页11.3.1 核辐射式传感器的物理基础核辐射式传感器的物理基础 式中，Jh为反射物质厚为h时，射线被反射的强度；Jm为当h趋向无穷大时的反射强度，

39、与原子序数有关；m mh为取决于辐射能量的常数。第96页/共168页11.3 核辐射式传感器核辐射式传感器11.3.1 核辐射式传感器的物理基础11.3.2 核辐射传感器的组成第97页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 核辐射传感器主要由辐射源和探测器组成。1.辐射源 利用核辐射传感器进行测量时，需要有可放射出a a、b b粒子或g g射线的辐射源。选择辐射源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差。为避免经常更换放射源，要求半衰期较长。因此，尽管放射性同位素种类很多，但能用于测量的只有20种左右。最常用的有60Co、137Cs、241Am及90Sr等。第98页/共168

40、页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 放射源容器的结构应能使射线从测量方向射出，其他方向尽可能少，以减少对人体的危害。b b辐射源一般为圆盘状，g g射线辐射源一般为丝状、圆柱状或圆片状。图图示示为为b b厚厚度度计计辐辐射射源源容容器器，辐辐射射线线出出口口处处装装有有耐耐辐辐射射薄薄膜膜，以以防防灰灰尘尘侵侵入入，并并能能防防止止辐辐射射源源受受到到意外损伤而造成污染。意外损伤而造成污染。第99页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 2.核辐射探测器 核辐射探测器又称核辐射接收器。其作用是将核辐射信号转换成电信号，探测出射线的强弱和变化，从而探测出

41、被测参数的大小及变化。其工作原理或者是根据在核辐射作用下某些物质的发光效应，或者是根据当核辐射穿过它们时发生的气体电离效应。第100页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 常用的核辐射探测器有：电离室、盖革弥勒计数管、闪烁计数器和半导体探测器等。(1)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，它的主要组成部分是两个电极和充满在两个电极间的气体。气体可以是空气或某些惰性气体。电离室的形状有圆柱体和方盒状。第101页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 如图所示，在电离室两侧放置相互绝缘的板电极，加上适当电压。放射线进入电极

42、间的气体中，电离室中的气体介质被电离，离子在电场作用下移动形成电流。第102页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 电流I与电压U的关系曲线如图所示(曲线1、2、3分别代表不同的辐射强度下的特性曲线)。一般电离室工作在特性曲线的饱和段，其输出电流正比于入射到电离室中的核辐射强度。第103页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 在核辐射检测仪表中，有时用一个电离室，有时用两个。用两个电离室时设计成差分电离室，以减少测量误差，如图所示。第104页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 电离室主要用来探测a a、b b粒子。

43、在同样条件下，进入电离室的a a粒子比b b粒子所产生的电流大100多倍。利用电离室测量a a、b b粒子时，效率可接近100%，测量g g射线时，则效率很低。这是因为g g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，二次电子起电离作用。一般g g电离室的效率只有1%2%。第105页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 (2)盖革弥勒计数管(气体放电记数管)盖革弥勒计数管也是根据射线对气体的电离作用而设计的辐射探测器。它与电离室不同的地方主要在于工作在气体放电区域，具有放大作用。因此，它常用于探测b b粒子和g g射线。第106页/共168页11.3.2

44、 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 (3)闪烁计数器 物质受放射线的作用而被激发，在由激发态跃迁到基态的过程中，发射出脉冲光的现象称为闪烁现象。能产生这种发光现象的物质称为闪烁体。闪烁计数器先将辐射能变为光能，然后再将光能变为电能而进行探测，它由闪烁体和光电倍增管两部分组成，如图所示。第107页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 例如铊激活的碘化钠用来探测g g射线的效率高达20 30。第108页/共168页11.3.2 核辐射传感器的组成核辐射传感器的组成 (4)半导体探测器 半导体探测器是近年来迅速发展起来的一种射线探测器。入射到半导体中的a a、b b粒子

45、能够激发电子空穴对。g g射线由于光电效应、康普顿散射、电子对效应等而产生二次电子，也能激发电子空穴对。若取出这些生成的电荷，可以将放射线变为电信号。第109页/共168页11.3 核辐射式传感器核辐射式传感器11.3.1 核辐射式传感器的物理基础11.3.2 核辐射传感器的组成第110页/共168页第第11章章 波式、射线式和红外传感器波式、射线式和红外传感器11.1 超声波式传感器11.2 微波式传感器11.3 核辐射式传感器11.4 红外传感器11.5 核辐射与红外传感器应用举例第111页/共168页11.4 红外传感器红外传感器 红外技术是在最近几十年发展起来的一门新兴技术。它已在科技

46、、国防和工农业生产等领域获得了广泛的应用。按其应用可分为以下几方面 红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；第112页/共168页11.4 红外传感器红外传感器 热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；红外测距和通信系统；混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。第113页/共168页11.4 红外传感器红外传感器11.4.1 红外辐射的基本知识11.4.2 红外辐射的基本定律11.4.3 红外探测器第114页/共168页11.4.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 红外辐射

47、又称为红外线，波长范围大致在0.761000 m mm。工程上又分为四个波段。第115页/共168页11.4.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 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。红外线的本质与可见光或电磁波一样，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象性。第116页/共168页11.4.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 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。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

48、仪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。红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们分别是22.6 m mm、35 m mm和814 m mm，统称为“大气窗口”。第117页/共168页11.4.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 如图所示，为通过1海里长度的大气透过率曲线。这三个波段对红外探测技术特别重要，红外探测器一般都工作在这三个波段之内。第118页/共168页11.4.1 红外辐射的基本知识红外辐射的基本知识 能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称

49、为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。第119页/共168页11.4 红外传感器红外传感器11.4.1 红外辐射的基本知识11.4.2 红外辐射的基本定律11.4.3 红外探测器第120页/共168页11.4.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律 1.基尔霍夫定律 基尔霍夫定律指出，一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。若几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领，这就是基尔霍夫定律，可表示为式中，Er为物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能；a a为物体的吸收系数；E0为常数，其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。第121页/共16

50、8页11.4.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律 2.斯忒藩玻尔兹曼定律 物体温度越高，发射的红外辐射能越多，在单位时间内单位面积辐射的总能量E为式中，T为物体的绝对温度，单位为K；s s为斯忒藩玻尔兹曼常数；e e为比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值，黑体的e e1。第122页/共168页11.4.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律 3.维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含各种波长。实验证明物体峰值辐射波长l lm与物体自身的绝对温度T成反比。即第123页/共168页11.4.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律 图示为不同温度的光谱辐射分布曲线，虚线表示峰值