传感器应用技术项目十

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1、项目十,辐射式传感器,一、项目要求,【知识要求】 1.了解核辐射式传感器的原理及应用范围。 2.掌握超声波传感器的工作原理及应用。 3.了解核辐射传感器的原理及应用范围。 重点：超声波传感器的基本原理及一般结构和应用。 难点：超声波基本特性。,一、项目要求,【能力要求】 1.正确识别各种超声波传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。 2.能够正确分析辐射式传感器的应用场合。 3.能够准确判断出常用的辐射式传感器的好坏。 4.掌握基本的测量方法。,二、相关知识,（一）超声波的基本特性 超声波是听觉阈值以外的振动，其频率范围在1041012 Hz，其中常用的频率在1043106 Hz。超声波在超

2、声场（被超声所充满的空间)传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由地向外扩散。 超声波在传播过程中会有如下特性和作用。,二、相关知识,1.超声波的传播速度 超声波在介质中可产生三种形式的振荡波：横波（质点振动方向垂直于传播方向的波）；纵波（质点振动方向与传播方向一致的波）；表面波（质点振动方向介于纵波与横波之间，沿表面传播的波）。横波只能在固体中传播；纵波能在固体、液体和气体中传播；表面波随深度的增加其衰减会很快。测量各种状态下的物理量时多采用纵波。超声波的频率

3、越高，与光 波的某些性质越相似。 超声波与其他声波一样，其传播速度与介质密度和弹性有关。,二、相关知识,2超声波的物理性质 (1)超声波的反射和折射 当超声波传播到特性阻抗不同的两种介质的平面分界面上时，一部分声波被反射；另一部分透射过界面，在介质内部继续传播，这样的两种情况称为声波的反射和折射，如图所示。,超声波的反射和折射,二、相关知识,(2)超声波的衰减 超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的情况下，距离声源x处的声压 p 和声强 I 衰减规律如下： 式中 p0，I0距离声源 x 0处的声压和声强； x超声波与声源间的距离； A衰减系数，单位为Np/cm(奈培

4、厘米)。,例如，若衰减系数为1 dBmm，声波穿透1mm，则衰减1dB，即衰减10%；声波穿透20 mm，则衰减1dBmm20mm20dB，即衰减90%。,二、相关知识,二、相关知识,式中 入射角； 1，2纵波与横波的反射角； ，纵波与横波的折射角； cL，cL1，cL2入射介质、反射介质、折射介质内的纵波速度； cS1，cS2反射介质、折射介质内的横波速度。 若介质为液体或气体，则仅有纵波。利用上式可以实现波形转换。,(4)超声波的波形转换 当超声波以某一角度入射到第二介质(固体)界面上时，除有纵波的反射和折射外，还会有横波的反射和折射，如图所示。在一定条件下，还能产生表面波。它们符合几何光

5、学中的反射定律，即,波形转换图 L入射波；L1一反射纵波；L2折射纵波；S1反射横波；S2折射横波,二、相关知识,二、相关知识,(2)空化作用 在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动,当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为超 声空化。这种超声空化现象是超声学及其应用的基础。,二、相关知识,(3)热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收。同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质间互相摩擦而发热，这种能量能使液体、固体温度升高。超声波在穿透两种不同介

6、质的分界面时，温度升高值更大，这是因为分界面上特性阻抗不同，将产生反射，形成驻波引起分子间的相对摩擦而发热。超声波的热效应在工业、医疗上都得到了广泛应用。 超声波除了上述几种作用外，还有声流效应、触发效应和弥散效应，它们都有很好的应用价值。,二、相关知识,4.超声波传感器 利用超声波在超声场中的物理特性和种种效应研制的装置可称为超声波换能器、探测器或传感器，超声波传感器可以是超声波发射装置，也可以是既能发射超声波又能接收超声回波的装置。这些装置一般都能将声信号转换成电信号。,压电式超声波探头结构,二、相关知识,（二）核辐射传感器,1.核辐射源放射性同位素 在核辐射传感器中，常采用、和X射线的核

7、辐射源，产生这些射线的物质通常是放射性同位素。所谓放射性同位素就是原子序数相同、原子质量不同的元素。这些同位素在没有外力作用下，能自动发生衰变，衰变中释放出上述射线。其衰变规律为 式中,J、J0分别为t和t0时刻的辐射强度；为衰变常数。,式中表示了某种放射性同位素的核辐射强度。由该式可知，核辐射强度是以指数规律随时间而减弱。通常以单位时间内发生衰变的次数表示放射性的强弱。辐射强度单位用Ci（居里）表示；1 Ci的辐射强度就是辐射源1 s内有3.71010次核衰变。1 Ci(居里)=103 mCi（毫居里）=106 Ci（微居里）。在检测仪表中常用mCi或Ci作为计量单位。,二、相关知识,核辐射

8、检测要采用半衰期比较长的同位素。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。核辐射检测除了要求使用半衰期比较长的同位素外，还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量。目前常用的放射性同位素约有20余种，其中一部分被列于表中（页）。,二、相关知识,(1)核辐射 核辐射是放射性同位素衰变时，放射出具有一定能量和较高速度的粒子束或射线。主要有四种：射线、射线、射线和X射线。 其中，和射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；射线不带电，是以光速运动的光子流，从原子核内放射出来；X射线是原子核外的内层电子被激发出来的电磁波能量。,二、相关知识,（2）核辐射与物质的相

9、互作用 核辐射线的吸收、散射和反射 、射线穿透物质时，由于原子中的电子会产生共振，振动的电子形成向四面八方散射的电磁波，在其穿透过程中，一部分粒子能量被物质吸收，一部分粒子能量被散射掉，因此，粒子或射线的能量将按下述关系式衰减 式中 J0，J射线穿透物质前、后的辐射强度； h穿透物质的厚度； 物质的密度； m物质的质量吸收系数。,二、相关知识,电离作用 当具有一定能量的带电粒子穿透物质时，在它们经过的路程上就会产生电离作用，形成许多离子对。电离作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。 粒子由于能量、质量和电荷大，故电离作用最强，但射程较短。 粒子质量小，电离能力比同样能量的粒子要弱；由于粒子易

10、于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。 粒子几乎没有直接的电离作用。,二、相关知识,3.核辐射传感器 核辐射与物质的相互作用是核辐射传感器检测物理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及、和X射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数管和半导体检测核辐射强度、分析气体、鉴别各种粒子等。,二、相关知识,（1）电离室 电离室主要用于探测、粒子。电离室的窗口直径约100 mm。射线的电离室同、的电离室不太一样，由于射线不直接产生电离，因而只能利用它的反射电子和增加室内气压来提高光子与物质作用的有效性，因此，射线的电离室必须密闭。,电离室结构示意图,二、相关知识,盖格计数管又称为气体放

11、电计数管，其结构如图(a)所示。计数管中心有一根金属丝并与管子绝缘，它是计数管的阳极；管壳内壁涂有导电金属层，为计数管的阴极。并在两极间加上适当电压。,（2）盖格计数管,盖格计数管的特性曲线如图(b)所示。J1、J2代表入射的核辐射强度。由图可知，在外电压U相同的情况下，入射的核辐射强度越强，盖格计数管内产生的脉冲就越强。盖格计数管常用于探测射线和粒子的辐射量(强度)。,盖格计数管示意图和特性曲线,二、相关知识,（3）闪烁计数管 闪烁计数管由闪烁晶体(受激发光物体，常有气体、液体和固体三种。分为有机和无机两类)和光电倍增管组成，如图所示。当核辐射照射在闪烁晶体上后，便激发出微弱的闪光，闪光射到

12、光电倍增管，经过N级倍增后，倍增管的阳极形成脉冲电流，经输出处理电路，就得到与核辐射量有关的电信号，送至指示仪表或记录器显示。,闪烁计数管示意图,三、项目实施,（一）实施要求 (1)通过本项目的实施，在掌握超声波传感器的基本结构和工作原理的基础上掌握超声波传感器的器件识别、故障判断、测量方法和实际应用。 ()该项目需要超声波传感器实训台或相关设备、导线若干、相关的仪表、万用表、示波器。,（二）实施步骤 （1）找出超声波传感器在电路中的位置，并判断是什么类型的传感器。 （2）分析测量电路的工作原理，观察超声波传感器工作过程中的现象。 （3）找出各个单元电路，记录其电路组成形式。 （4）按照原理图

13、用导线将电路连接好，检查确认无误后，启动电源。 （5）观察各单元电路的工作情况，记录其在工作过程中不同状态下的数据。,三、项目实施,四、拓展知识,（一）超声波测量厚度脉冲反射式超声测厚仪 超声波测量厚度按工作原理分：共振法、干涉法及脉冲反射法等几种。由于脉冲反射法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系不密切。所以，超声波脉冲反射法是最受用户欢迎的一种测厚方法。,四、拓展知识,1测量原理 脉冲反射式超声测厚原理为：测量超声波脉冲通过试样所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出样品厚度，即 式中 d样品厚度； c超声波速度； t超声波从发射到接收回波的时间。,脉冲反射式数显超声波

14、测厚仪原理框图,四、拓展知识,2.部分电路设计 (1)发射电路,超声波大电流脉冲发射电路原理图,四、拓展知识,抵消法窄脉冲发射电路如图(a)所示。超声波大电流脉冲发射电路原理图所产生的超声波信号变为一个只保留前半周期的窄脉冲信号。,抵消法窄脉冲发射电路,四、拓展知识,(2)接收电路 由于超声波的反射信号是很微弱的脉冲信号，因此，接收电路的设计必须考虑如下因素： 足够大的增益，至少要60 dB的增益，这时既要防止放大器的饱和又要防止其自激； 脉冲放大电路与接收换能器之间的匹配，使接收灵敏度与信噪比最佳； 放大器要以足够宽的频带，使脉冲信号不失真； 前置级放大电路必须是低噪声的。,四、拓展知识,（

15、二）超声波诊断仪 1A型超声波诊断仪,超声波测厚仪接收电路,A型超声波诊断仪原理框图,四、拓展知识,2M型超声波诊断仪 M型超声波诊断仪主要用于运动器官的诊断，常用于心脏疾病的诊断,故又称为超声波心动图仪。,超声心动图,四、拓展知识,3B型超声波诊断仪 B型超声波诊断仪是在M型诊断仪的基础上发展起来的辉度调制(Brightness Modu lation)式诊断仪。其诊断功能比A型和M型强，是全世界范围内普遍使用的临床诊断仪。虽然，B型和M型诊断仪均属辉度调制式仪器，但是有两个不同点： (1)当M型超声波诊断仪工作时，探头固定在某一点，超声波定向发射，而B型超声波诊断仪工作时，探头是连续移动，

16、或者探头不动而发射的超声波束不断地变动传播方向。探头由人手移动的称之为手动扫描，用机械移动的称之为机械扫描，用电子线路变动超声波束方向的称之为电子扫描。,四、拓展知识,(2)M型超声波诊断仪显示的是超声心动图，而B型超声波诊断仪显示的是人体组织的二维断层图像。B型超声波诊断仪要接收两种信号：一是超声回波的强度信息，二是超声探头的位置信息。由探头发射和接收的超声波经电路处理后，将视频脉冲输送到存储示波管的栅极进行调辉。此外，把探头在空间的某一位置定为参考位置，偏离参考位置的角度经位置传感器转换成电压加至示波管的 X、Y 偏转板上，使得探头移动线(声束截面上反射组织的 XY 位置)与荧光屏上亮点的 XY 位置相对应，于是在荧光屏上便可显示出人体内器官的影像图。除此之外,超声波还可以测量液位、硬度，并可用于物体探伤等。,四、拓展知识,(三)核辐射流量计 核辐射流量计可以检测气体和