传感器原理及应用第10章 波与射线传感器

1、n 声波频率界限声波频率界限声波频率界限声波频率界限0 xxpp e20 xxII e声压声压 声强声强 x：声波与声源之间距离；声波与声源之间距离； ：衰减系数衰减系数Np/mNp/m（奈培（奈培/ /米）；米）；: : 为为 X=0 X=0 处声压、声强；处声压、声强； 0P0IxPxI声波随声波随 X X 增加声能增加声能由于扩散吸收而减弱。由于扩散吸收而减弱。 不同超声波传感器工作方式不同超声波传感器工作方式c)c)反射式反射式a）兼用型）兼用型专用型专用型b)直射式直射式各种超声波传感器产品超声波传感器等效电路CCLR等效电路电感性电容性频率frfa电抗特性 超声波传感器可等效为一超

2、声波传感器可等效为一个个RLCRLC的串并联谐振电路。由电的串并联谐振电路。由电抗特性可见中间是电感性，两抗特性可见中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中器所特有的。其中 在超声波发送器双振子施加在超声波发送器双振子施加40KHz40KHz电压，通过逆压电电压，通过逆压电效应，使压电振子振动发送出超声波信号。接收探头经效应，使压电振子振动发送出超声波信号。接收探头经正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到正压电效应将机械能转换成电信号，转换电路将接收到的信号放大处理。的信号放大处理。超声波传感器的工作原理超声波传感器的工作原理超声波传感器结

3、构超声波传感器结构双压电振子双压电振子圆锥形共振盘圆锥形共振盘栅孔栅孔压电晶片为圆形薄片，超声波频压电晶片为圆形薄片，超声波频率率f f与圆片厚度成反比；与圆片厚度成反比；阻尼块吸收声能，降低机械品质，阻尼块吸收声能，降低机械品质，无阻尼时，电脉冲停止晶片会继无阻尼时，电脉冲停止晶片会继续振荡，加长脉冲宽度，使分辨续振荡，加长脉冲宽度，使分辨率变差。率变差。超声波探头结构超声波探头结构动画演示动画演示 xie超声波测液位超声波测液位hhsh2ah2as超声波在液体中传播测量超声波在液体中传播测量超声波在空气中传播测量超声波在空气中传播测量单换能器单换能器从发射到接收的时间从发射到接收的时间 ：

4、 t = 2h/Ct = 2h/C传感器到液面的距离：传感器到液面的距离： h = ct/2h = ct/2双换能器双换能器经过的路程：经过的路程： 2S = ct2S = ct液位高度：液位高度： 22hsaC C：超声波在介：超声波在介质中传播速度质中传播速度 发射驱动电路：发射驱动电路：由反向器组成由反向器组成RCRC振荡器经门电路完成振荡器经门电路完成功率放大，经功率放大，经CPCP耦合耦合传送给超声波振子产传送给超声波振子产生超声发射信号。生超声发射信号。 超声波传感器发射基本电路超声波传感器发射基本电路 超声波传感器测距基本电路主要由超声波传感器测距基本电路主要由 振荡振荡发射电路

5、发射电路、检测电路检测电路两部分组成：两部分组成：振荡器频率调整振荡器频率调整超声波传感器接收电路超声波传感器接收电路 检测电路：检测电路：超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路超声波信号极微弱，需要增益高的放大电路 用于检测反射波，输出的高频信号电压接检用于检测反射波，输出的高频信号电压接检 波、放大、开关电路输出或报警。波、放大、开关电路输出或报警。100100倍放大倍放大 超声波测距模块：最大距离超声波测距模块：最大距离600cm600cm，最小距离，最小距离2cm2cm功放功放40KHzOSC 定时器定时器前置放大前置放大检波检波平方放大平方放大输出输出VCCVCC12V12V三位显示

6、器被被测测物物发送，由发送，由555555构成多谐振荡器，构成多谐振荡器，RCRC电路产生电路产生40KHz40KHz等幅波放大送功放输出；等幅波放大送功放输出；接收，放大、检波，信号处理根据被测物体的基准距离设定反射脉冲时接收，放大、检波，信号处理根据被测物体的基准距离设定反射脉冲时 间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。间，调整振荡器触发时间。定时器控制触发电路和门电路。 测距原理：测距原理：40KHz40KHz高频信号与高频信号与20Hz20Hz周期信号调周期信号调制成短脉冲群向外发送，制成短脉冲群向外发送，周期周期 T=1/20=50msT=1/20=50ms340m/s

7、340m/s50ms= 17m50ms= 17m17m/2=817m/2=80cm0cm测距通过定时控制电路、触发电路、测距通过定时控制电路、触发电路、门电路变换为与距离有关的信号，门电路变换为与距离有关的信号，用时钟脉冲对这个信号的发送和接用时钟脉冲对这个信号的发送和接收之间的延迟时间进行计数，计数收之间的延迟时间进行计数，计数器的输出值就是检测的距离器的输出值就是检测的距离。 时钟周期时钟周期 T=1/40KHz=25mT=1/40KHz=25m 340m/s 340m/s（n n25s25s）= = 往返距离往返距离 单程距离单程距离= =距离距离/2/2超声波测距原理时序波形示意图超声

8、波测距原理时序波形示意图各种超声波测厚传感器超声波测流量 超声波频谱分析 超声波探伤传感器医学超声波检测 超声波测液位 因为因为红外辐射俗称红外线是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，红外辐射俗称红外线是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线，波长约所以称红外线，波长约0.751000m 。工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为工程上把红外线占据在电磁波谱中的位置（波段）分为: 近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。近红外、中红外、远红外、极远红外四个波段。 红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播，红外线和电磁波一样，以波的形式在空间传播， 红外线在通过大

9、气层红外线在通过大气层时，有三个波段通过率最高：时，有三个波段通过率最高： 22.6m,35m,814m 红外探测器主要有两大类型红外探测器主要有两大类型：1 1）热探测器热探测器（热电型）（热电型） 包括有：热释电、热敏电阻、热电偶等；包括有：热释电、热敏电阻、热电偶等；2 2）光子探测器光子探测器（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下（量子型），利用某些半导体材料在红外辐射的照射下产生光电子效应，材料电学性质发生变化；产生光电子效应，材料电学性质发生变化； 其中有光敏电阻、光电管、光电池等。其中有光敏电阻、光电管、光电池等。 q 量子型光子探测器与光电传感器原理相同，量子型光子探

10、测器与光电传感器原理相同， 本节主要介绍本节主要介绍热电型红外探测器热电型红外探测器。基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的基于物体的热效应，首先将光辐射能变成材料自身的温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号；温度，利用器件温度敏感特性将温度变化转换为电信号； 包括了包括了光光热热电电，两次信息变换过程；，两次信息变换过程；光光热阶段，物质吸收光能，温度升高；热阶段，物质吸收光能，温度升高；热热电阶段，利用某种效应将热转换为电信号；电阶段，利用某种效应将热转换为电信号； 热释电材料：有晶体、陶瓷、塑料等铁电体；热释电材料：有晶体、陶瓷、塑料等铁电体； 热释电结构：把具有热释电

11、效应的晶体薄片两面热释电结构：把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极（类似电容），为使晶体吸收红外线，将镀上电极（类似电容），为使晶体吸收红外线，将透明电极涂上黑色膜。透明电极涂上黑色膜。P黑色膜黑色膜电极电极透明电极透明电极P热探测器利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升热探测器利用红外辐射的热效应，探测器吸收辐射能后引起温度升高，使其它物理量变化；如热释电、热敏电阻、热电偶、气体等。高，使其它物理量变化；如热释电、热敏电阻、热电偶、气体等。 晶体本身具有一定极化强度，当红外辐射照晶体本身具有一定极化强度，当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度射到已经极化的铁电体表面时

12、，薄片温度T T升高，升高，使极化强度使极化强度P P降低，表面电荷降低，表面电荷Q Q减少，释放部分电减少，释放部分电荷，所以称热释电。荷，所以称热释电。 温度一定时极化产生的电荷被附集在外表的自温度一定时极化产生的电荷被附集在外表的自由电荷慢慢中和，不显电性，由电荷慢慢中和，不显电性，热释电材料热释电材料要显示要显示出电特性，出电特性，热释电传感器需要热释电传感器需要用光调制器用光调制器，使温，使温度变化，调制器的入射光频率必须大于中合时间度变化，调制器的入射光频率必须大于中合时间的频率。的频率。 (介质）（电导率）PPTT/自自发发极极化化中和的平均时间为中和的平均时间为1fP黑色膜黑色

13、膜电极电极透明电极透明电极P 铁电体在温度变化时极化强度发生变化，表面产生电荷，铁电体在温度变化时极化强度发生变化，表面产生电荷，升温或降温时升温或降温时电荷极性相反电荷极性相反。无论温度上升还是下降，。无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个中合时间，为使电荷不被中介质从带电到不带电有一个中合时间，为使电荷不被中和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电和掉，必须使晶体处于冷热交替变化的工作状态，使电荷表现出来。荷表现出来。1f电极电极TTONOFF自发极化被中合，自发极化被中合，T P ，中合，中合， T P ， 中合中合 所以热释电传感所以热释电传感器必须用光调制器，器必须用

14、光调制器，使调制光的频率大使调制光的频率大于中合频率于中合频率。 热释电元件热释电元件 热释电元件可视为电流源，产生的是电荷热释电元件可视为电流源，产生的是电荷 下式说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压：下式说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压：d Pd TISSgd td t式中：式中： S S元件面积；元件面积；P P极化强度；极化强度；g g热释电系数。热释电系数。热释电元件结构 热释电元件因红外线照射产生热量，似乎与波长无关，热释电元件因红外线照射产生热量，似乎与波长无关，但元件的窗口选用不同材料做滤光器，通过波长选择确定但元件的窗口选用不同材料做滤光器，通过波长选

15、择确定是哪个范围内波长产生的热。有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温是哪个范围内波长产生的热。有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温度度-40-40+85+85，工作视角，工作视角5 5。热释电元件热释电元件绝缘电阻很高，几十几百兆欧，容易引入噪绝缘电阻很高，几十几百兆欧，容易引入噪声，声，热释电元件热释电元件的电荷要加到电阻形成电压输出，使用时的电荷要加到电阻形成电压输出，使用时要求有较高的输入电阻，还需用要求有较高的输入电阻，还需用FETFET进行阻抗变换。通常进行阻抗变换。通常热释电传感器已经将前极的场效应管热释电传感器已经将前极的场效应管FETFET和输入电阻安装和输入电阻安装在管壳中。在管壳中。0d PU

16、IZSZd t 热释电元件等效电路热释电元件等效电路 输出电压：输出电压： 热释电元件等效电路OUTOUT+V+VGNDGNDRsRsRgRg 光量子型是利用光电效应，通过改变电子能量的状态引光量子型是利用光电效应，通过改变电子能量的状态引起电学现象，光量子型传感器有：起电学现象，光量子型传感器有： 光电导型（光电导型（PCPC），电阻受光照后引起电阻变化；），电阻受光照后引起电阻变化； 光电型（光电型（PVPV），由于光照产生光生电子），由于光照产生光生电子空穴对；空穴对； 光电磁型（光电磁型（PEMPEM），利用光电磁），利用光电磁PEMPEM效应，器件加电场效应，器件加电场 和磁场的同时

17、产生与光照成正比的感应电荷；和磁场的同时产生与光照成正比的感应电荷； 肖特基型（肖特基型（STST），金属与半导体接触形成肖特基势垒），金属与半导体接触形成肖特基势垒 随光照而变化。随光照而变化。区别：光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器区别：光量子型光电探测器探测的波长较窄，而热探测器 几乎可以探测整个红外波长范围。几乎可以探测整个红外波长范围。 红外传感器可用于红外传感器可用于 红外测温、遥控器、红外监控报警红外测温、遥控器、红外监控报警器；器； 红外摄象机、夜视镜；控制装置中的自动门、干红外摄象机、夜视镜；控制装置中的自动门、干手机、自动水龙头等等；手机、自动水龙头等等； 红外无

18、损检测，通过测量热流或热量来检测鉴定金属红外无损检测，通过测量热流或热量来检测鉴定金属 或非金属材料的质量和内部缺陷；或非金属材料的质量和内部缺陷； 红外成像技术，红外变像管成像、红外摄像管成像、红外成像技术，红外变像管成像、红外摄像管成像、 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCD）成像。）成像。 许多场合人们不仅需要知道物体表面平均温度，更需要许多场合人们不仅需要知道物体表面平均温度，更需要了解物体的温度分布情况，以便分析研究物体的结构内了解物体的温度分布情况，以便分析研究物体的结构内部缺陷和状况，红外成像技术就是将物体的温度分布以部缺陷和状况，红外成像技术就是将物体的温度分布以图象的形式直观地

19、显示出来。图象的形式直观地显示出来。 热释电红外报警控制电路热释电红外报警控制电路人体辐射红外线波长人体辐射红外线波长6 612m12m，温度，温度36363737；人活动的频率范围一般在人活动的频率范围一般在0.10.110Hz10Hz之间；之间；热释电元件可检测到热释电元件可检测到10M10M距离，距离，8585的水平视角范围；的水平视角范围；传感器将热传感器将热电信号电信号送运放送运放A A放大，反馈电阻放大，反馈电阻1.5M1.5M可调节放大倍数；可调节放大倍数；低通排除干扰；输出直低通排除干扰；输出直流信号驱动蜂鸣器告警。流信号驱动蜂鸣器告警。热释电电流小工作电流很小。热释电电流小工

20、作电流很小。 图中自动门由热释电红外传感器检图中自动门由热释电红外传感器检测是否有人出入，由单稳态控制电机正测是否有人出入，由单稳态控制电机正转或反转。转或反转。自动门控制电路自动门控制电路1.5M 1.5M 增益增益100100倍倍 红外光束报警电路红外光束报警电路 为防止防盗报警系统的误报，监控系统不仅严格场地要求，还需通为防止防盗报警系统的误报，监控系统不仅严格场地要求，还需通过各种监测方式、多方位进行监测。下图中，通过两只串联的过各种监测方式、多方位进行监测。下图中，通过两只串联的LEDLED发射发射红外光束，另外两只并联的红外光敏器件接收红外光束，两只管子的间红外光束，另外两只并联的

21、红外光敏器件接收红外光束，两只管子的间距是小于距是小于75mm75mm，小于人体的肩厚度。，小于人体的肩厚度。 每只光敏管可测到由两只每只光敏管可测到由两只LEDLED中任意一只发射的光信号，只有当两中任意一只发射的光信号，只有当两条光束同时被遮挡阻断时接收器才触发报警，也就是说只有大于条光束同时被遮挡阻断时接收器才触发报警，也就是说只有大于75mm75mm的的物体遮挡时输出报警信号，电路可防止蚊虫、飞蛾导致的误报。物体遮挡时输出报警信号，电路可防止蚊虫、飞蛾导致的误报。 红外报警电路红外报警电路 反射式红外传感器工作原理和电路形式反射式红外传感器工作原理和电路形式 红外测温红外测温 P185

22、 红外测温系统中各元件的作用？红外测温系统中各元件的作用？光光调调制制盘盘 红外测温是目前较先进的测温方法，特点有：红外测温是目前较先进的测温方法，特点有：1.远距离、非接触测量，适应于高速、带电、高温、高压；远距离、非接触测量，适应于高速、带电、高温、高压；2.反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在s量级；量级；3.灵敏度高，辐射能灵敏度高，辐射能 与温度与温度T成正比；成正比；4.准确度高，可达准确度高，可达 0.1内；内；5.应用范围广泛，应用范围广泛， 0下上千度。下上千度。 红外遥控发射、接收电路红外遥控发射、接收电路NE555振荡器

23、振荡器 红外传感器调制解调电红外传感器调制解调电路路 红外传感器调制解调电路输出波形红外传感器调制解调电路输出波形红外探测制导 空空导弹红外摄像红外测温红外报警 辐射是一种完美的测量方法，在射线通过被测物时会伴辐射是一种完美的测量方法，在射线通过被测物时会伴随着能量的损失，只要得到确切的损失量，那么就可以随着能量的损失，只要得到确切的损失量，那么就可以准确地了解到被测物的厚度、吸收系数（准确地了解到被测物的厚度、吸收系数（CT 值）和强度值）和强度等参数。等参数。 海关海关X射线扫描仪射线扫描仪定义：核辐射传感器定义：核辐射传感器是将入射核辐射（粒是将入射核辐射（粒子）的全部或部分能子）的全部

24、或部分能量转化为可观测的信量转化为可观测的信号（如电流、电压信号（如电流、电压信号）的装置。号）的装置。（1）原子核）原子核 中子中子n (udd)质子质子P (uud)q 现代原子核的组成现代原子核的组成原子原子q 核素及符号表示，核素是原子核的一种统称核素及符号表示，核素是原子核的一种统称核素核素 ：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素。：具有确定质子数和中子数的原子核称做核素。核素表示符号核素表示符号核核 素素质子数质子数中子数中子数质量数质量数符符 号号氦氦-4-42 22 24 44 4HeHe碳碳-12-126 66 612121212C C碳碳-13-136 67 713131

25、313C C碳碳-14-146 68 814141414C C1212C C质子数质子数= =原子序数原子序数名称名称质子数质子数中子数中子数质量数质量数举例举例同位素同位素相同相同不同不同不同不同1 1H H 2 2H H 3 3H H同中子素同中子素不同不同相同相同不同不同2 2H H 3 3HeHe同量素同量素不同不同不同不同相同相同3 3H H 3 3HeHe其它：其它： 稳定核素和不稳定核素，稳定同位素和不稳定同位素，稳定核素和不稳定核素，稳定同位素和不稳定同位素， 放射性核素和非放射性核素。放射性核素和非放射性核素。最常用的两个术语：核素和同位素最常用的两个术语：核素和同位素q 常

26、用名词术语常用名词术语 凡是凡是原子序数原子序数相同，相同，原子质量原子质量不同的元素，在元素周不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称期表中占同一位置，称同位素同位素。 当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结构的变化，称为构的变化，称为核衰变核衰变。不稳定核素通过放出射线而不稳定核素通过放出射线而蜕变成另一种原子核的过程；蜕变成另一种原子核的过程； 同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种同同位素的原子在自动衰变过程中会放出射线，这种同位素就称位素就称“放射性同位素放射性同位素”（2）核衰变与核辐射核衰变与核辐射q 核衰变核衰变q 放

27、射性衰减规律放射性衰减规律0tNN e 0N t=0 t=0 的原子核数的原子核数； t t 时刻原子核数；时刻原子核数；N 衰减常数（对每一种核为一常数衰减常数（对每一种核为一常数,不同核素值不同）不同核素值不同） 上式可见，放射性核素数随时间按指数规律衰减；上式可见，放射性核素数随时间按指数规律衰减；v 半衰期：半衰期：放射性核素衰减到原始数目一半所用的时间，放射性核素衰减到原始数目一半所用的时间， 一般用一般用10倍半衰期表示放射性核素的寿命。倍半衰期表示放射性核素的寿命。（2）核衰变与核辐射核衰变与核辐射 一般用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性一般用单位时间内发生衰变的次数来表示放

28、射性 的强弱，称放射性活（强）度。的强弱，称放射性活（强）度。 放射性活（强）度也是随时间按指数规律减小：放射性活（强）度也是随时间按指数规律减小：0tII e放射性强度单位：贝可（放射性强度单位：贝可（BqBq） I I t t时间的强度；时间的强度； I I0 0 初始强度；初始强度； （2）核衰变与核辐射核衰变与核辐射11/B q （ 次 核 衰 变 ） 秒不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子，不稳定的原子核衰变时发射出的、载能的、亚原子粒子，有的带电有的不带电。包括有的带电有的不带电。包括、 中子质子裂变碎中子质子裂变碎片等。这种现象称片等。这种现象称“核辐射核辐射”放射性

29、同位素在衰变过程中能放出放射性同位素在衰变过程中能放出、三种射线，其中：三种射线，其中： 射线射线由由带正电带正电的的粒子组成（如粒子组成（如 氦核）；氦核）； 射线射线由由带负电带负电的的粒子组成（如电子）；粒子组成（如电子）； 射线射线由由中性的中性的光子组成。光子组成。42He（2）核衰变与核辐射核衰变与核辐射 衰变衰变 新元素新元素SgSg衰变为衰变为RfRf鑪鑪- - 衰变衰变 产生电子产生电子e ,e ,反中微子反中微子 v v+ + 衰变衰变 F F氟产生正电子产生正电子e ,e ,中微子中微子 v v， O O变氧变氧 衰变衰变 Dy镝放出射线，能态变化，原子量、原子序数不变

30、核辐射与物质间的相互作用主要是核辐射与物质间的相互作用主要是 电离、吸收、电离、吸收、 反射反射q 电离作用电离作用： 带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，在它们经过的路程上形成离子对。在它们经过的路程上形成离子对。 其中：其中：粒子粒子质量大，电荷量多，电离能力最强，质量大，电荷量多，电离能力最强， 但射程短；但射程短； 粒子粒子质量小，电离较弱；质量小，电离较弱； 粒子粒子没有直接电离作用。没有直接电离作用。（3 3）核辐射与物质间的相互作用）核辐射与物质间的相互作用q 吸收、反射吸收、反射 、射线穿透物质时，由于磁场作用原子中电子射

31、线穿透物质时，由于磁场作用原子中电子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子会产生共振，振动的电子形成散射的电磁波源，使粒子和射线能量被吸收和衰减。和射线能量被吸收和衰减。 射线射线穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线；穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线； 射线射线次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而改变次之，穿行时由于与物质原子发生能量交换而改变方向产生散射，在空气中运行轨迹为折线；方向产生散射，在空气中运行轨迹为折线； 射线射线穿透能力最强，能穿透几十厘米厚固体物质，穿透能力最强，能穿透几十厘米厚固体物质，在气在气体中可穿透数米，因此体中可穿透数米，因此射线广泛用于医疗诊断、

32、金属射线广泛用于医疗诊断、金属探伤等。探伤等。（3 3）核辐射与物质间的相互作用）核辐射与物质间的相互作用q 射线式传感器通常有两种主要形式：射线式传感器通常有两种主要形式：一种是测量放射性物质的放射线，例如测量天然放射一种是测量放射性物质的放射线，例如测量天然放射性的性的U U、ThTh、K K和这三个量的总量；和这三个量的总量；另一种方式是利用放射性同位素测量另一种方式是利用放射性同位素测量非放射性物质非放射性物质，根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者根据被测物质对辐射线的吸收、反射进行检测，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。利用射线对被测物质的电离激发作用。后者射线式传感器

33、主要由放射源和探测器组成。后者射线式传感器主要由放射源和探测器组成。 （1 1）辐射源）辐射源 辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，强度合适的辐射源。常用同位素源有：强度合适的辐射源。常用同位素源有：放射源放射源 半衰期半衰期 射线种类射线种类 能量能量（铯）（铯） 33.233.2年年 、 0.66140.6614（镅）（镅） 470470年年 、 5.48 275.48 27（钚）（钚） 8686年年 12-2112-21（钴）（钴） 5.265.26年年 、 0.31,1.17,1.330.31,1.17,1.33（锶）（锶） 19

34、.919.9年年 0.54, 2.240.54, 2.24（铁）（铁） 2.72.7年年 5.95.9137SC241Am238Pu60Co90SrXX55FeMevKevMevKevKevMevMev（1 1）辐射源）辐射源 辐射源的结构：辐射源的结构： 应使射线从测量方向射出，应使射线从测量方向射出， 其它方向应尽量减少剂量，其它方向应尽量减少剂量， 减少对人体的危害。减少对人体的危害。 其它方向可以用铅进行屏其它方向可以用铅进行屏 蔽，铅有极强的抗辐射穿蔽，铅有极强的抗辐射穿 透能力。透能力。 射线源结构一般为丝状、射线源结构一般为丝状、 圆拄状、圆片状。圆拄状、圆片状。 辐射剂量，辐射

35、剂量， 照射量率照射量率 微仑微仑（1 1）辐射源）辐射源反应堆放射性警示标记核燃料棒核燃料棒（2） 探测器探测器 探测器是检测辐射的接收器件或装置，探测器是检测辐射的接收器件或装置，常用的有常用的有电离室电离室、闪烁计数器闪烁计数器、盖格计数管盖格计数管、正比计数器正比计数器、半导体探测器半导体探测器。（2） 探测器探测器v 电离室，电离室，电离室是在空气中电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏一个平行极板电容器，加几百伏高压。高压在极板间产生电场，高压。高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两极板之间的当粒子或射线射向两极板之间

36、的空气时，在电场作用下正离子趋空气时，在电场作用下正离子趋（2） 探测器探测器射线射线向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。在外电路向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。在外电路接一电阻接一电阻R R就可形成响应电压，电阻就可形成响应电压，电阻R R的电压降代表辐射的电压降代表辐射的强度。的强度。 电离室外加电压增大，电流趋于电离室外加电压增大，电流趋于饱和，一般工作在饱和区，使输出饱和，一般工作在饱和区，使输出电流与外加电压无关，输出只正比电流与外加电压无关，输出只正比于射线到电离室的辐射强度。于射线到电离室的辐射强度。 、电离室不能通用，不电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大

37、。同粒子相同条件下效率相差很大。 电离室主要用于探测电离室主要用于探测、射线。射线。（2） 探测器探测器射线射线v 盖格计数管盖格计数管 盖格计数管也称气体放电计数器。盖格计数管也称气体放电计数器。 一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极，内部抽空内壁涂一层导电物质或是一个金属圆管作阴极，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。 盖格盖格计数管上电压计数管上电压U U一定时，射线入射越强电流一定时，射线入射越强电流I I越大，越大， 输出脉冲数输出脉冲数N N越大，

38、越大，a a、b b段称段称“坪坪”； 盖格计数管主要用于探测盖格计数管主要用于探测粒子和粒子和射线。射线。射线射线k kA Av 闪烁计数器闪烁计数器 闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成，当闪烁体受到闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成，当闪烁体受到辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增辐射时闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中倍增，在阳极上形管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中倍增，在阳极上形成电流。成电流。1200V闪烁探测器测量射线信号的基本特征闪烁探测器测量射线信号的基本特征入射入射射线射线EhV输出端电信号输出端电信号输出信

39、号幅度：输出信号幅度：VE脉冲信号产生率脉冲信号产生率单位时间进入探测器射线数单位时间进入探测器射线数NaI(Tl)GDB通过分辩信号幅度，可以分辩射线能量；通过测量脉冲信号数，可以测定射线强弱。v 正比计数器正比计数器 正比计数器是一种充气型辐射探测器正比计数器是一种充气型辐射探测器 工作在（气体电离放电）伏安特性曲线的正比区；工作在（气体电离放电）伏安特性曲线的正比区； 计数器接收一个计数器接收一个X X、光子后就输出一个电脉冲光子后就输出一个电脉冲幅度幅度与光子能量成正比，电子和正离子对数目正比于气体吸收的与光子能量成正比，电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量，输出脉冲的大小正

40、比于入射产生的电子和正放射线的能量，输出脉冲的大小正比于入射产生的电子和正离子对数目。离子对数目。让未被气体吸收的光子穿过让未被气体吸收的光子穿过出射口出射口正比计数器工作原理正比计数器工作原理使气体原子电离初级射线高压v 半导体探测器半导体探测器 荷电粒子入射到半导体中时，会产生电子荷电粒子入射到半导体中时，会产生电子空穴对，空穴对，X X射射线、线、射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等产生射线由于光电效应、康普顿效应、电子对生成等产生二次电子；高速二次电子产生更多电子二次电子；高速二次电子产生更多电子空穴对。空穴对。 在在PNPN结空间电荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流结空间电

41、荷区加足够高的偏压，因射线而电离的载流子加速产生新的电子空穴使载流子倍增，在输出形成一个放子加速产生新的电子空穴使载流子倍增，在输出形成一个放大脉冲信号，将电荷转换为电信号输出。大脉冲信号，将电荷转换为电信号输出。 半导体探测器的特点：半导体探测器的特点： 输出信号小，分辨率高；输出信号小，分辨率高； 类型主要有，类型主要有，SiSi（硅）（硅）低能探测器，低能探测器， GeGe（锗）（锗）高能探测器，高能探测器， 分别测量不同能量段的放射线。分别测量不同能量段的放射线。 应用：应用： 射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量；射线可实现气体分析，如气体压力、流量测量； 射线可进行带材厚度、密

42、度检测；射线可进行带材厚度、密度检测； 射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。射线可探测材料缺陷、位置、密度与厚度测量。X-RAYX-RAY探测器探测器（1 1） 测厚测厚 透射式测厚透射式测厚 透射式测厚常用透射式测厚常用闪烁闪烁探探测器，闪烁探测器记录穿透测器，闪烁探测器记录穿透物体的物体的射线的强度，其输射线的强度，其输出电流与辐射强度成正比。出电流与辐射强度成正比。 在辐射穿过物质时，由在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分强于物体吸收作用损失部分强度，强度按指数规律变化。度，强度按指数规律变化。在辐射穿过物质时，可根据在辐射穿过物质时，可根据质量厚度质量厚度X X求出被测物体

43、厚求出被测物体厚度度h h。00 xhII eI eI I0 0 入射强度；入射强度；I I 穿过后强度；穿过后强度；x x 质量厚度；质量厚度； 与材料密度有关；与材料密度有关； 质量吸收系数；质量吸收系数；（1 1） 测厚测厚 散射式测厚散射式测厚散射测厚时散射测厚时放射放射（或低能（或低能X射线）射线）源与探测器在源与探测器在同一恻，利用核辐射被物体后向散射的效应。散射同一恻，利用核辐射被物体后向散射的效应。散射强度与被测距离、物质成份、密度、厚度表面状态强度与被测距离、物质成份、密度、厚度表面状态等因素有关：等因素有关：1k hIIe散射饱和K K与射线能量有关的常数与射线能量有关的常

44、数 （2 2） 物位测量物位测量 利用介质对利用介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的吸收作用，不同介质对射线射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体居中，气体最弱。最弱。 辐射源与被测介质一定，被测介质高度辐射源与被测介质一定，被测介质高度H H与穿过被测与穿过被测介质的射线强度介质的射线强度I I成正比关系。成正比关系。011lnlnHIIIoIo、I I分别为入射前后的强度，分别为入射前后的强度， 为吸收系数为吸收系数 （3 3）流量计（气体）流量计（气体） 在气流管中装两个电极（电极电位不同）在气流管中装两个电极（电极电位不同） 放射源

45、放射源S S的射线使气体电离，工作状态相的射线使气体电离，工作状态相 当于一个电离室。当于一个电离室。 当被测气体被电离时，当被测气体被电离时， 离子被带出电离室，室内离子被带出电离室，室内 电流减小，气体流速增加电流减小，气体流速增加 带出的离子增多电离室电带出的离子增多电离室电 流进一步减小，流进一步减小，由电流的由电流的 变化检测气流流速和流量变化检测气流流速和流量。 （4 4）探伤探伤 探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当探测器与放射源放在管道内，沿焊接缝同步移动，当焊缝存在问题时，穿透管道的焊缝存在问题时，穿透管道的射线会产生突变，正常射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。时输出曲线趋于直线。 （5 5）X X射线荧光分析仪射线荧光分析仪 X X射线荧光基于光电效应，能量色散的荧光分析方法由射线荧光基于光电效应，能量色散的荧光分析方法由同位素源产生同位素源产生射线，其它物质上的次级辐射称荧光射线；射线，其