辐射式感器课件

《辐射式感器课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《辐射式感器课件（52页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第九章第九章 辐射式传感器辐射式传感器第一节第一节 红外辐射传感器红外辐射传感器第二节第二节 超声波传感器超声波传感器第四节第四节 辐射式传感器的应用举例辐射式传感器的应用举例第三节第三节 核辐射传感器核辐射传感器辐射式感器 本章主要介绍三种辐射式传感器本章主要介绍三种辐射式传感器-红外辐射红外辐射、核辐核辐射射和和超声波传感器超声波传感器。第一节第一节 红外辐射传感器红外辐射传感器 红外辐射技术红外辐射技术在最近在最近40年来已经发展成为一门新兴年来已经发展成为一门新兴技术科学。它在广泛的领域中特别是在科学研究、军技术科学。它在广泛的领域中特别是在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的

2、作用。例如红外制事工程和医学方面起着极其重要的作用。例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的重导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的重要工具就是红外辐射传感器，它是遥感技术，空间科要工具就是红外辐射传感器，它是遥感技术，空间科学的敏感部件。学的敏感部件。一、红外辐射的基本特点一、红外辐射的基本特点1、波长：波长：红外辐射就是红外光，其波长从红外辐射就是红外光，其波长从1.0-1000微微米米。红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围和在电红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围和在电磁波中的位置如图磁波中的位置如图9-1所示。所示。辐射式感器2、红外光的最大特点就是具有、红外光的最

3、大特点就是具有光热效应光热效应，能辐射热量。，能辐射热量。图图9-l 电磁波谱电磁波谱3、红外光与所有电磁波一样，具有、红外光与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、反射、折射、散射、干涉、吸收干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度与所有等性质。红外光在真空中的传播速度与所有电磁波相同。电磁波相同。辐射式感器4、红外光衰减、吸收、穿透性能红外光衰减、吸收、穿透性能：红外光在介质中：红外光在介质中传播会产生衰减。红外光在金属中传播衰减很大但传播会产生衰减。红外光在金属中传播衰减很大但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非

4、常大。气体对其吸收程度各不相体对红外辐射吸收非常大。气体对其吸收程度各不相同。大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。同。大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。根据研究分析证明，对于波长为根据研究分析证明，对于波长为15微米微米、814微微米区域的红外光具有比较大的米区域的红外光具有比较大的“透明度透明度”。即这些波。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。长的红外光能较好地穿透大气层。 自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。都能产生红外光辐射。 红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的热红外光的光热效应对不同的物体是各

5、不相同的热能强度也不一样。能强度也不一样。辐射式感器 例如，例如，黑体黑体是是能全部吸收投射到其表面的红外辐能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体、射的物体、镜体镜体是是能全部反射红外辐射的物体、能全部反射红外辐射的物体、透明透明体体是是能全部穿透红外辐射的物体，能全部穿透红外辐射的物体，灰体灰体是是能部分反射能部分反射或吸收红外辐射的物体，对于这些物体红外光将产生或吸收红外辐射的物体，对于这些物体红外光将产生不同的光热效应。但严格来讲，自然界并不存在黑体、不同的光热效应。但严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。 上述上述

6、这些特性就是把红外光辐射技术用于这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测卫星遥感遥测、红外跟踪红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。等军事和科学研究项目的重要理论依据。2、红外辐射的基本定律、红外辐射的基本定律 1 1希尔霍夫定律希尔霍夫定律希尔霍夫定律希尔霍夫定律 希尔霍夫定律指出一个物体向周围辐射热能的同时希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。如果几个物体处于同一温也吸收周围物体的辐射能。如果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、度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领、这就是希尔霍夫定律。可用下面公式表示：这就是希尔霍

7、夫定律。可用下面公式表示：辐射式感器式中式中 物体在单位面积和单位时间内发射出物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能；来的辐射能； 该物体对辐射能的吸收系数；该物体对辐射能的吸收系数； 等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是 常数。常数。 黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，黑体的吸收本领与波长和温度无关，即黑体的吸收本领与波长和温度无关，即 1。黑体吸。黑体吸收本领最大，但是加热后，它的发射热辐射也比任何收本领最大，但是加热后，它的发射热辐射也比任何物体都要大。物体都要大。辐射式感器2斯忒藩斯忒

8、藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 物体温度越高它辐射出来的能量越大。可用下面物体温度越高它辐射出来的能量越大。可用下面公式表示：公式表示：式中：式中： 某物体在温度某物体在温度T、时单位面积和单位时间时单位面积和单位时间的红外辐射总能量。的红外辐射总能量。 斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 比辐射率，比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值，黑体的本领之比值，黑体的 1 T物体的绝对温度物体的绝对温度。辐射式感器3维恩位移定律维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，物体峰值辐射波长物体峰值辐射波

9、长 与物体的自身的绝对温度与物体的自身的绝对温度T成反成反比。即比。即 从下图所示曲线可知，峰值辐射波长随温度升高从下图所示曲线可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不很高时、峰值辐射波长在向短波方向偏移。当温度不很高时、峰值辐射波长在红外区域。红外区域。图图9-2辐射式感器三、红外探测器三、红外探测器(传感器传感器) 能将红外辐射量变化转换成电量变化的装置称为能将红外辐射量变化转换成电量变化的装置称为红外探测器红外探测器(红外传感器红外传感器)红外探测器根据热电效应和红外探测器根据热电效应和光子效应制成。前者为热敏探测器，后者为光子探测光子效应制成。前者为热敏探测器，后者为光子探

10、测器。从理论上讲探测器对入射的各种波长的辐射能器。从理论上讲探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器；器； 但是，实际上各种波长的红外辐射的功但是，实际上各种波长的红外辐射的功率对物体的加热效果是不相同的。光子探测器常用光率对物体的加热效果是不相同的。光子探测器常用光子效应有外光电效应、内光电效应子效应有外光电效应、内光电效应(光生伏特效应、光光生伏特效应、光电导效应电导效应)和光电磁效应。和光电磁效应。1红外探测器的一般组成红外探测器的一般组成 红外探测器一般由红外探测器一般由光学系统光学系统、敏感元件敏感元

11、件、前置放大前置放大器器和和信号调制器信号调制器组成。组成。辐射式感器 光学系统是红外探测器的重要组成部分。根据光学光学系统是红外探测器的重要组成部分。根据光学系统的结构分为系统的结构分为反射式光学系统反射式光学系统的红外探测器和的红外探测器和透射式透射式光学系统光学系统的红外探测器两种。的红外探测器两种。 反射式光学系统反射式光学系统的红外探测器的结构如图的红外探测器的结构如图9 -2所示。所示。它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差

12、或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚焦到敏感元件上，敏感元件与透镜组合一经两次反射聚焦到敏感元件上，敏感元件与透镜组合一体，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行体，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。放大。辐射式感器 透射式光学系统的红外探测器如图透射式光学系统的红外探测器如图10-4所示。透射所示。透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料光波长应选用不同的红外光学材料,在测量在测量700 C以上以上的高温时的高温时,用波

13、长为用波长为0.753微米范围内的近红外光，用微米范围内的近红外光，用一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量100-700 c范围的温度时，一般用范围的温度时，一般用35微米的中红外光，多微米的中红外光，多用氯化镁、氧化镁等热敏材料；用氯化镁、氧化镁等热敏材料；辐射式感器 测量测量100度以下的温度用波长为度以下的温度用波长为5一一14微米的中远红微米的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。获取透射红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免

14、这一困难，所以，反射光学系统用得较多。这一困难，所以，反射光学系统用得较多。辐射式感器第二节第二节 超声波传感器超声波传感器 超声技术是通过超声波超声技术是通过超声波产生产生、传播传播及及接收接收的物理过程的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为：用超声波使物体按超声振动辐射大小不同大致可分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之谓或物性变化的功率应用，称之谓功率超声功率超声；用超声波获；用超声波获取若干信息，称之谓取若干信息，称之谓检测超声检测超声。这两种起声的应用。同。这两种起声的应用。同

15、样都必须借助于超声波探头样都必须借助于超声波探头(换能器或传感器换能器或传感器)来实现。来实现。 目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、医疗等各个工业部门的超声清洗、超声焊接、超声加工、超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益超声检测和超声医疗等方面，并取得了很好的社会效益利经济效益。利经济效益。辐射式感器 超声波是听觉阈值以外的振动，其频率范围在超声波是听觉阈值以外的振动，其频率范围在10k一一1000GHz其中常用的频率大约在其中常用的频率大约在10K3MHz之间。之间。超声波在超声

16、场超声波在超声场(被超声所充满的空间被超声所充满的空间)传播时，如果传播时，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。于是超声波声波受到界面限制不能自由地向外扩散。于是超声波在传播过程中产生如下特性和作用。在传播过程中产生如下特性和作用。1超声波的传播速度超声波的传播速度一、超声波的基本特性一、超声波的基本特性 超声波在介质

17、中产生三种形式的振荡波：超声波在介质中产生三种形式的振荡波：横波横波质质点振动方向垂直于传播方向的波；点振动方向垂直于传播方向的波；纵波纵波质点振动方向质点振动方向与传播方向一致的波；与传播方向一致的波；表面波表面波质点振动介于纵波与横质点振动介于纵波与横波之间沿表面传播的波。波之间沿表面传播的波。辐射式感器 横波只能在固体中传播纵波能在固体、液体和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很快。为了气体中传播表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波。超声波的频率测量各种状态下的物理量多采用纵波。超声波的频率越高、越与光波的某些性质相似

18、。越高、越与光波的某些性质相似。 超声波与其他声波一样。其传波速度与介质密度超声波与其他声波一样。其传波速度与介质密度和弹性特性有关和弹性特性有关. 超声波在气体和液体中、其传播速度超声波在气体和液体中、其传播速度 为：为：式中：式中： 一一 介质的密度；介质的密度； 一绝对压缩系数。一绝对压缩系数。辐射式感器超声波在固体中，其传播速度分为两种情况：超声波在固体中，其传播速度分为两种情况：(1)纵波在固体介质中传播的声速：纵波在固体介质中传播的声速： 其传播速度与介质形状有关：其传播速度与介质形状有关： 细棒细棒薄板薄板无限介质无限介质E一杨氏模量一杨氏模量 泊松系数泊松系数辐射式感器(2)横

19、波声速公式横波声速公式（无限介质）（无限介质）一般可视横波声速为纵波声速的一半一般可视横波声速为纵波声速的一半2超声波的物理性质超声波的物理性质 (1) (1)超声波的反射和折射：超声波的反射和折射：超声波的反射和折射：超声波的反射和折射： 超声波传播到两种特性阻抗不同的介质的平面分界超声波传播到两种特性阻抗不同的介质的平面分界面上时，一部分声波被反射；另面上时，一部分声波被反射；另部分透射过界面，部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播；这样的两种情况称之为声在相邻介质内部继续传播；这样的两种情况称之为声波的反射和折射如同波的反射和折射如同95所示。所示。辐射式感器 、 分别为两介质特性阻抗其

20、小分别为两介质特性阻抗其小q和为反射波和为反射波和折射波的速度。和折射波的速度。 、 为反射波和折射波的速度。为反射波和折射波的速度。反射角、折射角与其速度满足折射定律的关系式：反射角、折射角与其速度满足折射定律的关系式：图图9-5辐射式感器全反射的条件：全反射的条件： 如果声波斜入射到两固体介质界面或两粘滞弹性如果声波斜入射到两固体介质界面或两粘滞弹性介质界面时，一列斜入射的纵波不仅发生反射纵波和介质界面时，一列斜入射的纵波不仅发生反射纵波和折射纵波，而是还产生反射横波和折射横波。折射纵波，而是还产生反射横波和折射横波。 超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数超声波在一种介质中传播，

21、其声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的情况下，距离声源规律衰减。在平面波的情况下，距离声源x处的声压和声处的声压和声强衰减规律如下：强衰减规律如下：(2)(2)超声波的衰减超声波的衰减超声波的衰减超声波的衰减 超声波与声源间酌距离；超声波与声源间酌距离； A 衰减系数。衰减系数。辐射式感器(3)(3)超声波的干涉超声波的干涉超声波的干涉超声波的干涉 如果在一种介质中传播几个声波，于是全产生波的如果在一种介质中传播几个声波，于是全产生波的干涉现象。若以两个频率相同，振幅干涉现象。若以两个频率相同，振幅 和和 不等、不等、波程差为波程差为d的两个波的干涉为例，该两个波的合成振的两个波的干涉为例

22、，该两个波的合成振幅为：幅为：从上式看出，当从上式看出，当 或或 （为正整数（为正整数)时时合成振幅达到最大值：合成振幅达到最大值： ，而当，而当 (n13，5，)时，合振幅为最小值时，合振幅为最小值由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最由于超声波的干涉，在辐射器的周围形成一个包括最大和最小的超超声场。大和最小的超超声场。辐射式感器3超声波对超声场产生的作用超声波对超声场产生的作用(效应效应) 超声波在超声场中传播时，会对超声场产生如下几超声波在超声场中传播时，会对超声场产生如下几种十分有用的作用种十分有用的作用(效应效应)。(1)(1)机械作用：机械作用：机械作用：机械作用： 超声波

23、在传播过程中、会引起介质质点交替的压缩超声波在传播过程中、会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起的介质质点运动，虽然产生的位移械效应。超声波引起的介质质点运动，虽然产生的位移和速度不大，但是，与超声振动频率的平方成正比的质和速度不大，但是，与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大。有时超过重力加速度的数万倍，这么点加速度却很大。有时超过重力加速度的数万倍，这么大的加速度足以造成对介质的强大机械效应，甚至能达大的加速度足以造成对介质的强大机械效应，甚至能达到破坏介质的作用。到破坏介质的作用。辐

24、射式感器(2)(2)空化作用空化作用空化作用空化作用 在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡在流体动力学中指出，存在于液体中的微气泡(空空化核化核)在声场的作用下振动、当射声强达到一定值时，在声场的作用下振动、当射声强达到一定值时，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冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为声空化称为声空化(Acoustic cavitation)。这种声空化现象这种声空化现象是超声学及其应用的基础。是超声学及其应用的基础。 液体形成空化作用与介质的温度、压力、空化

25、核半液体形成空化作用与介质的温度、压力、空化核半径、含气量、声强、粘滞性、频率等团素有关。一般径、含气量、声强、粘滞性、频率等团素有关。一般情况下情况下，温度高易于空化；液体中含气高、空化阀值温度高易于空化；液体中含气高、空化阀值低、易于空化；声强高，也易于空化；频率高，空化低、易于空化；声强高，也易于空化；频率高，空化阀值高，不易于空化。例如，在阀值高，不易于空化。例如，在15kHz时，产生空化时，产生空化的声强只需要的声强只需要0.162.1 6W , 而频率在而频率在500kHz时时,所需要的声强则为所需要的声强则为100一一400w/ 。辐射式感器 在空化中当气泡闭合时所产生的冲击波强

26、度最在空化中当气泡闭合时所产生的冲击波强度最大。局部压力可达到上千个大气压，由此足以看出空大。局部压力可达到上千个大气压，由此足以看出空化的巨大作用和应用前景。化的巨大作用和应用前景。（3)3)热学作用热学作用热学作用热学作用 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，介质间相互摩擦而发热，这种能生强烈的高频振荡，介质间相互摩擦而发热，这种能量能使液体、固体温度升高。超声波在穿透两种不同量能使液体、固体温度升高。超声波在穿透两种不同介质的分

27、界面时，温度升高值更大，这是因为分界面介质的分界面时，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。的相对摩擦而发热。 超声波的热效应在工业、医疗上超声波的热效应在工业、医疗上都得到广泛应用。都得到广泛应用。辐射式感器二、超声波传感器二、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而研利用超声波在超声场中的物理特性和种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，超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、也可以既能发射声波传感器可以是超声波发射装

28、置、也可以既能发射又能接收发射超声波的装置。这些装置一般都能将声又能接收发射超声波的装置。这些装置一般都能将声信号转换成电信号。信号转换成电信号。 超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头和液浸探头。超声波探头接其工作原理又可分为探头和液浸探头。超声波探头接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。探头最为常见。 压电式探头主要由压电晶片、吸收块压电式探头主要由压电晶片、吸收块(阻尼块阻尼块)、保护膜组成，其结构如图保护膜组成，其结构如图106所示。所示。辐射式感器

29、图图9-6超声探头结构超声探头结构压电晶体多为圆板形，压电晶体多为圆板形，其厚皮与超声频率成反其厚皮与超声频率成反比例如，晶片厚度为比例如，晶片厚度为1mm，自然频率约为自然频率约为1.89MHz厚度厚度0.7mm，自然频率为自然频率为2.5MHz。压压电晶片的两面镀有银层，电晶片的两面镀有银层，作导电的极板。阻尼块作导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度,使分辨率变使分辨率变

30、差。差。辐射式感器第三节第三节 核辐射传感器核辐射传感器 核辐射传感器的测量原理是基于核辐射粒子的电核辐射传感器的测量原理是基于核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸收、散射和反射等物理特离作用、穿透能力、物体吸收、散射和反射等物理特性，利用这些特性制成的传感器可用来测量物质的密性，利用这些特性制成的传感器可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，它度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分。是现代检测技术的重要部分。一、核辐射相关的知识：一、核辐射相关的知识：1、放射性同位素的相关知识：、放射性同位素的相关知识： 在核辐射传感器中，常采用在核辐

31、射传感器中，常采用 、 、 和和x射线的射线的核辐射源，产生这些射线的物质通常是放射性同位素。核辐射源，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，这些同位素的衰减规律：的元素，这些同位素的衰减规律： 为衰减常数。为衰减常数。辐射式感器 核辐射检测要采用半衰期比较长的同位素。半衰核辐射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致衰变到一半所需要的期是指放射性同位素的原子核致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。还要求时间，这个时间又称为放射性同位素的寿命。还要

32、求放射出来的射线要有一定的辐射能量。放射出来的射线要有一定的辐射能量。二二 、核辐射的物理特性、核辐射的物理特性 1、核辐射、核辐射 核辐射是放射性同位素衰变时，放射出具有一定能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的粒子束或射线。主要有四种：量和较高速的粒子束或射线。主要有四种： 射线、射射线、射线、线、 射线和射线和X射线。射线。 ， 射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；射线分别是带正、负电荷的高速粒子流； 射线不射线不带电，是以光速运动的光子流；带电，是以光速运动的光子流；x射线是原子核外的内射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。层电子被激发射出来的电磁波能量

33、。辐射式感器 通常以单位时间内发生衰变的次数表示放射性酌通常以单位时间内发生衰变的次数表示放射性酌强弱。辐射强度单位用强弱。辐射强度单位用ci(居里居里)表示：表示：1Ci的辐射强度的辐射强度就是辐射源就是辐射源ls内有内有 次核衰变。另外还有次核衰变。另外还有 毫毫居里、微居里等单位。在检测仪表中常用毫居里或微居里、微居里等单位。在检测仪表中常用毫居里或微居里作为计量单位。居里作为计量单位。2、核辐射与物质的相互作用、核辐射与物质的相互作用（1）核辐射线的吸收、散射和反射）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射线穿透物质时，由于原子中的电子会产生共振，振动

34、的电子形成四面八方散射的电磁波，在其共振，振动的电子形成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穿透过程中，一部分粒子能量被物质吸收一部分粒子被散射掉。三种射线中子被散射掉。三种射线中 射线穿透能力最强，射线穿透能力最强， 射射线次之，线次之， 射线最弱。射线最弱。辐射式感器 射线的散射作用表现最为突出。当射线的散射作用表现最为突出。当 射线穿透物射线穿透物质时，容易改变其运动方向而产生散射现象。当产生质时，容易改变其运动方向而产生散射现象。当产生相反方向散射时，更容易产生反射。反射的大小取决相反方向散射时，更容易产生反射。反射的大小取决于散射物质的性质和厚度。于

35、散射物质的性质和厚度。 射线的散射随物质的原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情况时，子序数增大而加大。当原子序数增大到极限情况时，投射到反射物质上的粒子几乎全部反射回来。投射到反射物质上的粒子几乎全部反射回来。(2)电离作用电离作用 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。作用是带电粒子和物质相互作用的主要形式。 离子由于能量、质量和电荷大故电离作用最强，离子由于能量、质量和电荷大故电离

36、作用最强，但射程（带电粒子在物质中穿行时能量耗尽前所经过的但射程（带电粒子在物质中穿行时能量耗尽前所经过的直线距离直线距离)较短。较短。辐射式感器 粒子质量小，电离能力比同样能量的粒子质量小，电离能力比同样能量的 粒子要弱粒子要弱由于由于 粒子易于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。粒子易于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。 在辐射线的电离作用下，每秒钟产生的离子对的总在辐射线的电离作用下，每秒钟产生的离子对的总数，即离子对形成的频率可出下式表示：数，即离子对形成的频率可出下式表示： 带电粒子的能量；带电粒子的能量； 离子对的能量；离子对的能量； 辐射源辐射源的强度；在辐射源强度为的强度；在辐射源强度为

37、1Ci时，每秒放射出的粒子时，每秒放射出的粒子数，利用上式可以测量气体密度等。数，利用上式可以测量气体密度等。辐射式感器三、核辐射传感器三、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射线的理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数计、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分折气数计、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分折气体、鉴别各种粒子等。体、鉴别各种粒子等。1 1电离室电离室电离室电离室 利用电离室测量

38、核辐射强度的示意图见图利用电离室测量核辐射强度的示意图见图9-7。在。在电离室两侧的互相绝缘的电极上施加极化电压，使两电离室两侧的互相绝缘的电极上施加极化电压，使两极板间形成电场，在射线作用下，两极板间的气体被极板间形成电场，在射线作用下，两极板间的气体被电离，带电粒子在电场作用下运动形成电流电离，带电粒子在电场作用下运动形成电流I，于是在于是在外接电阻上便形成压降。电流外接电阻上便形成压降。电流I与气体电离程度成正比，与气体电离程度成正比，电离程度又正比于射线辐射强度，因此，测量电阻电离程度又正比于射线辐射强度，因此，测量电阻R上的电压值就可得到核幅射强度。上的电压值就可得到核幅射强度。辐射

39、式感器图图9-8电离室结构示意图电离室结构示意图2 2盖格计数管（气体电离室）盖格计数管（气体电离室）盖格计数管（气体电离室）盖格计数管（气体电离室） 盖格计数管又称为气体放电计数管，其结构如图盖格计数管又称为气体放电计数管，其结构如图9-9所示。计数管中心有一根金属丝并与管子绝缘它是计所示。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，管子内壁涂有导电金属层，为计数管的阴数管的阳极，管子内壁涂有导电金属层，为计数管的阴极，并在两盖极间加上适当电压。极，并在两盖极间加上适当电压。辐射式感器 计数管内充有氩、氮等气体，当核辐射进入计数管计数管内充有氩、氮等气体，当核辐射进入计数管内后、管内

40、气体被电离。当电子在外电场的作用下向内后、管内气体被电离。当电子在外电场的作用下向阳极运动时，由于碰撞气体产生次级电子次极电子阳极运动时，由于碰撞气体产生次级电子次极电子又碰撞气体分子，产生新的次级电子这样次级电子又碰撞气体分子，产生新的次级电子这样次级电子急剧倍增，发生急剧倍增，发生“雪崩雪崩”现象使阳极放电。放电后，现象使阳极放电。放电后，由于雪崩产生的电子都被中和，阳极积聚正离子，这由于雪崩产生的电子都被中和，阳极积聚正离子，这些正离子被称为些正离子被称为“正离子鞘正离子鞘”。图图9-9辐射式感器 正离子的增加使阳极附近电场降低，直至不产生正离子的增加使阳极附近电场降低，直至不产生离子增

41、值，原始电离的放大过程停止。在外电场作用离子增值，原始电离的放大过程停止。在外电场作用下正离子鞘向阴极移动，在串联电阻下正离子鞘向阴极移动，在串联电阻R上产生脉冲上产生脉冲电压，其大小正比于正离子鞘的总电荷。由于正离子电压，其大小正比于正离子鞘的总电荷。由于正离子鞘到达阴极时得到一定的动能，能从阴极打击出次级鞘到达阴极时得到一定的动能，能从阴极打击出次级电子。由于此时阳极附近的电场已恢复，又一次产生电子。由于此时阳极附近的电场已恢复，又一次产生次级电子和正离子蹈，于是又一次产生脉冲电压，周次级电子和正离子蹈，于是又一次产生脉冲电压，周而复始便产生连续放电。而复始便产生连续放电。 盖格计数管的特

42、性曲线如图盖格计数管的特性曲线如图910所示。盖格计数管常用于探所示。盖格计数管常用于探测测 射线和射线和 粒子的辐射量粒子的辐射量(强度）强度）图图9-10 特性曲线特性曲线辐射式感器3闪烁计数管（将在应用举例中介绍）闪烁计数管（将在应用举例中介绍）第四节第四节 辐射式传感器的应用举例辐射式传感器的应用举例一、红外气体分析仪一、红外气体分析仪 根据红外辐射在气体中的吸收带的不同、可以对气体根据红外辐射在气体中的吸收带的不同、可以对气体成分进行分析。例如二氧化碳，它对红外光的透射光谱成分进行分析。例如二氧化碳，它对红外光的透射光谱如图如图911所示所示:图图9-11辐射式感器二氧化碳对波长二氧

43、化碳对波长(A)为为2.7微米微米、4.33微米和微米和14.5微米的红微米的红外光能强烈吸收，而且吸收谱线相当的宽，即存在吸收外光能强烈吸收，而且吸收谱线相当的宽，即存在吸收带。根据实验分析，只有带。根据实验分析，只有4.33微米吸收带不受大气中其微米吸收带不受大气中其他成分影响，因此可以利用这个吸收带来判别大气中的他成分影响，因此可以利用这个吸收带来判别大气中的二氧化碳成分。二氧化碳成分。 图图9-12是二氧化碳红外气体分析仪示意图。它由样是二氧化碳红外气体分析仪示意图。它由样品室、参比室品室、参比室、电机式调制、反射镜系统、滤光片、电机式调制、反射镜系统、滤光片、红外检测器和选频放大器等

44、组成。红外检测器和选频放大器等组成。 测量时，使待测气体连续流过样品室参比室里测量时，使待测气体连续流过样品室参比室里充满没有二氧化碳的气体或含有一定量的充满没有二氧化碳的气体或含有一定量的c02的气体。的气体。红外光源发射的红外光分成两束光经反射镜反射到样红外光源发射的红外光分成两束光经反射镜反射到样品室和参比室品室和参比室辐射式感器再经反射镜系统，将红外光经中心波长为再经反射镜系统，将红外光经中心波长为4.33微米的红微米的红外光滤色片投射到红外敏感元件上、敏感元件交替地接外光滤色片投射到红外敏感元件上、敏感元件交替地接收通过样品室和参比室的辐射。收通过样品室和参比室的辐射。图图9-12红

45、外气体分析仪示意图红外气体分析仪示意图辐射式感器 若样品室和参比室均无二氧化碳气体，只要两束若样品室和参比室均无二氧化碳气体，只要两束辐射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一个通量辐射完全相等，那么敏感元件所接收到的是一个通量恒定不变的辐射。因此，敏感元件只有直流响应交恒定不变的辐射。因此，敏感元件只有直流响应交流选频放大器输出为零。流选频放大器输出为零。 若进入样品室的气体中含有二氧化碳气体，对若进入样品室的气体中含有二氧化碳气体，对4.33微米的辐射就有吸收，那么两束辐射的通量不等，则微米的辐射就有吸收，那么两束辐射的通量不等，则敏感元件所接收到的就是交变辐射，这时选频放大器敏感元件所接收

46、到的就是交变辐射，这时选频放大器输出不为输出不为0。经过标定后就可以从输出信号的大小来推经过标定后就可以从输出信号的大小来推测二氧化碳的含量。测二氧化碳的含量。辐射式感器二、脉冲反射式超声二、脉冲反射式超声液位液位测量系统测量系统 图图a a、b b、c c表表示示采采用用自自发发自自收收单单换换能能器器方方式式时时的的三三种种基基本本方方案案的的工工作作原原理理：图图a a是是液液介介式式的的情情况况、图图b b是是气气介介式式的的情情况况、图图c c是是固固介介式式的的情情况况。如如换换能能器器至至液液面面的的垂垂直直距距离离为为L L，从从发发到到收收所所经经历历的的时时间间( (即即超

47、超声声脉脉冲冲在在换换能能器器和和液液面面之之间间来来回回一一次次所所经经历历的的时时间间）为为t t，超超声声在在液液体体中中传传播播的的速速度度为为c c，则则换换能能器器到到液液面面的的距距离离L L可可按下式求出：按下式求出：图图9-13辐射式感器 上上图图则则表表示示一一发发一一收收双双换换能能器器方方式式时时的的三三种种基基本本方方案案的的工工作作原原理理：图图d d为为液液介介式式原原理理、图图e e为为气气介介式式原原理理、图图f f为为固固介介式式原原理理。相相对对于于自自发发自自收收式式单单换换能能器器超超声声液液位位测测量量原原理理，双双换换能能器器超超声声液液位位测测量

48、量的的计计算算公公式式都都要复杂些，必须作某些方式的修正。要复杂些，必须作某些方式的修正。图图9-14辐射式感器 一一般般说说来来，在在以以上上六六种种基基本本方方案案中中优优先先选选用用自自发发自自收收换换能能器器工工作作方方式式。因因为为：第第一一，单单换换能能器器方方式式中中液液位位计计算算公公式式简简单单，因因而而由由于于原原理理引引进进的的系系统统误误差差比比较较小小；第第二二，单单换换能能器器使使用用的的传传感感器器少少，相相应应的的接接头头、电电缆缆等等附附件件也也少少，从从经经济济角角度度和和可可靠靠性性角角度度( (元元件件越越少、系统故障率越低少、系统故障率越低) )考虑都

49、比双换能器有优势。考虑都比双换能器有优势。方案的最终最定：方案的最终最定： 此前述超声液位测量基本原理可知，单换能器液此前述超声液位测量基本原理可知，单换能器液介式测量方案是一种比较有效的超声液位测量方法。介式测量方案是一种比较有效的超声液位测量方法。如图如图9-159-15所示所示 ，在该方法中使用，在该方法中使用波导管装置波导管装置，其一，其一是用作传感器安装设备，其二是保证管内液体比较是用作传感器安装设备，其二是保证管内液体比较干净、气泡少，减小杂乱的声学噪声；其三则可以干净、气泡少，减小杂乱的声学噪声；其三则可以保证管内液面比较平静，使得反射信号比较强而且保证管内液面比较平静，使得反射

50、信号比较强而且稳定稳定 。辐射式感器 从从信信号号获获取取和和精精度度的的角角度度考考虑虑，测测量量方方案案还还需需要要解解决决三三个个问问题题。第第一一个个问问题题是是如如果果液液面面动动态态倾倾斜斜，换换能能器器可可能能根根本本不不能能接接收收到到回回波波信信号号，因因此此要要能能做做到到动动态态液液面面跟跟随随。从从测测量量标标准准差差公公式式(3.2)(3.2)中中看看到到，测测量量误误差差来来源源于于速速度度测测量量误误差差和和时时间间测测量量误误差差。第第二二个个问问题题是是实实现现速速度度自自校校正正，第第三三个个问问题题是是如如何何识识别别回回波波信信号号，准准确确测测量量回波

51、时刻。回波时刻。图图9-15波导管方案波导管方案辐射式感器硬件方案硬件方案 超超声声液液位位测测量量系系统统依依信信号号传传输输的的过过程程可可分分为为：信信号号产产生生、信信号号接接收收、信信号号放放大大、信信号号采采集集、信信号号分分析析和处理。和处理。 选用选用PC104PC104工控机为超声液位测量的主控平台工控机为超声液位测量的主控平台 ，窄，窄脉冲产生电路中，脉冲产生电路中，82548254器件产生一个等于超声波半周期器件产生一个等于超声波半周期的窄脉冲，经隔离电路后到达发射电路，同时启动地址的窄脉冲，经隔离电路后到达发射电路，同时启动地址计数器和计数器和A/DA/D转换器；经过发

52、射电路的放大，产生足够转换器；经过发射电路的放大，产生足够驱动超声波换能器的高压激励脉冲。发射波信号和回波驱动超声波换能器的高压激励脉冲。发射波信号和回波信号经调理放大后到达信号经调理放大后到达A/DA/D转换器。转换器。辐射式感器 从发射脉冲开始，从发射脉冲开始，A/DA/D转换器将全部信号都高频采转换器将全部信号都高频采样记录到波形数据存储器中，各个记录值的存储地址样记录到波形数据存储器中，各个记录值的存储地址就代表着该值的时刻。就代表着该值的时刻。三、基于三、基于PC/104PC/104的高精度、便携式建材放射性检测的高精度、便携式建材放射性检测仪仪 建材中的核素所放射的建材中的核素所放

53、射的射线射线 对人体的影响很大，对人体的影响很大，所以有必要对建材进行放射性检测。所以有必要对建材进行放射性检测。辐射式感器（1 1）射射线线和和闪闪烁烁体体发发生生相相互互作作用用而而损损失失能能量量，并并使闪烁体的原子、分子产生电离、激发。使闪烁体的原子、分子产生电离、激发。（2 2）闪闪烁烁体体中中处处于于激激发发态态的的原原子子和和分分子子在在退退激激过过程程中发射光子。中发射光子。（3 3）光光子子被被收收集集到到光光电电倍倍增增管管的的光光阴阴级级上上，通通过过光光电效应在光阴级上打出光电子。电效应在光阴级上打出光电子。（4 4）光光电电子子在在光光电电倍倍增增管管中中，经经过过各

54、各级级光光电电倍倍增增，电子数目可增加几个数量级。电子数目可增加几个数量级。（5 5）阳阳极极收收集集倍倍增增后后的的电电子子，在在负负载载电电阻阻上上产产生生电电压脉冲，输出脉冲的幅度约为几百毫伏至几伏。压脉冲，输出脉冲的幅度约为几百毫伏至几伏。辐射式感器 其中电压脉冲的幅值与其中电压脉冲的幅值与射线的能量成正比，而脉射线的能量成正比，而脉冲数的多少代表该种能量冲数的多少代表该种能量射线的强度。所以只要测射线的强度。所以只要测出脉冲的幅值就可以知道该种建材中核素的能量，从出脉冲的幅值就可以知道该种建材中核素的能量，从而知道建材中含有哪些核素，通过脉冲数的多少就知而知道建材中含有哪些核素，通过

55、脉冲数的多少就知道建材中所含该种核数的强度（含量），所以关键在道建材中所含该种核数的强度（含量），所以关键在于检测于检测脉冲的峰值脉冲的峰值和和一定时间内脉冲的个数一定时间内脉冲的个数。最终形。最终形成所谓的能谱曲线。成所谓的能谱曲线。能谱图能谱图辐射式感器便携式方案结构原理图便携式方案结构原理图辐射式感器脉冲信号的峰值检测脉冲信号的峰值检测本本系系统统的的峰峰值值检检测测采采用用由由峰峰值值检检测测器器PKD-01PKD-01和和嵌嵌入入式式工工控控机机PC/104PC/104结结合合构构成成的的负负脉脉冲冲信信号号的的峰峰值值检检测测电电路路，其其框图如图框图如图4 4所示：所示：辐射式感

56、器 脉脉冲冲经经过过整整形形电电路路后后进进入入上上图图的的峰峰值值检检测测电电路路，它它被被分分为为两两路路：一一路路进进入入PKD-01PKD-01的的- -INAINA，此此时时PKD-01PKD-01工工作作于于负负脉脉冲冲检检测测状状态态。一一路路进进入入反反相相放放大大器器，它它将将负负脉脉冲冲信信号号放放大大1.11.1倍倍并并转转换换为为正正的的脉脉冲冲V1V1，V1V1再再进进入入比比较较器器的的反反相相输输入入端端- -INCINC脚脚，与与峰峰值值检检测测器器的的输输出出V2V2进行比较。进行比较。 在在信信号号未未达达到到最最大大值值之之前前，PKD-01PKD-01工

57、工作作在在峰峰值值检检测测状状态态，V1V2V1V2时时，PKD-01PKD-01中中的的比比较较器器输输出出为为低低电电平平；当当达达到到峰峰值值后后V2V2保保持持为为恒恒定定值值不不变变，V1V1从从峰峰值值处处开开始始减减小小，当当V1V2V1V2时时，比比较较器器输输出出将将产产生生由由低低到到高高的的跳跳变变，经经过过反反相相器器后后输输入入工工控控机机打打印印口口的的- -ACKACK脚脚，将将产产生生中中断断。在在中中断断服服务务程程序序中中，PC/104PC/104会会发发出出1 1，0 0的的数数据据到到打打印印口口的的8 8位位数数据据端端口口的的低低两两位位，也也即即图

58、图4 4中中并并口口的的D0D0、D1D1，它们分别与它们分别与PKD-01PKD-01的的 、 连接在一起。连接在一起。 辐射式感器 从从而而控控制制PKD-01PKD-01保保持持住住峰峰值值（PEAK PEAK HOLDHOLD），然然后后启启动动A/DA/D采采集集卡卡采采集集峰峰值值，并并通通过过查查询询相相应应的的状状态态位位的的方方式式获获知知峰峰值值采采集集是是否否完完成成；当当检检测测到到采采集集结结束束标标志志，PC/104PC/104将将对对应应道道数数上上的的计计数数加加1 1，在在显显示示屏屏上上可可观观察察到到某某一一道道计计数数增增加加一一个个。随随后后PC/10

59、4PC/104发发出出1 1、1 1数数据据控控制制PKD-01PKD-01复复位位（RESETRESET）为为V2=0V2=0；然然后后分分别别置置D0D0、D1D1为为0 0，0 0，这这样样PKD-01PKD-01重重新新工工作作在在峰峰值值检检测测状状态态（PEAK PEAK DETECTDETECT）；）；最后退出中断，等待下一个脉冲的到来。最后退出中断，等待下一个脉冲的到来。峰值检测控制流程图峰值检测控制流程图 所以峰值检测控制逻辑的实现是由软、硬件相结合所以峰值检测控制逻辑的实现是由软、硬件相结合构成的智能峰值检测系统，峰值时刻到的判别是由峰值构成的智能峰值检测系统，峰值时刻到的判别是由峰值检测器检测器PKD-01PKD-01来完成，从而确定检测峰值时刻；整个峰来完成，从而确定检测峰值时刻；整个峰值的检测、保持、复位过程的控制由软件通过值的检测、保持、复位过程的控制由软件通过PC/104PC/104的的并口来完成，这很有利于系统的调试。并口来完成，这很有利于系统的调试。 辐射式感器辐射式感器辐射式感器