第10章 辐射式传感器

第10章辐射式传感器

10.2激光传感器

激光技术是近代科学技术发展的重要成果之一，目前已被成功地应用于精密计量、军事、宇航、医学、生物、气象等各领域。激光传感器虽然具有各种不同的类型，但它们都是将外来的能量(电能、热能、光能等)转化为一定波长的光，并以光的形式发射出来。激光传感器是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路所组成的。

10.2.1激光的本质

原子在正常分布状态下，多处于稳定的低能级El状态。如果没有外界的作用，原于可以长期保持这个状态。原子在得到外界能量后，由低能级向高能级跃迁的过程，叫做原子的激发。原子处于激发的时间是非常短的，处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去，同时辐射出光子。这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光，叫做原子的自发辐射，如图10.2.1a所示。

10.2.1激发与受激辐射过程

进行自发辐射时，各个原子的发光过程互不相关。它们辐射光子的传播方向，以及发光时原子由高能级向哪一个能级跃迁(即发光的频率讪等都具有偶然性。因此原子自发辐射的光是一系列不同频率的光子混合。对于光源的大量原子来说，这些光子的频率只服从于一定的统计规律。10.2.1激发与受激辐射过程如果处于高能级的原子在外界作用影响下，发射光子而跃迁到低能级上去，这种发光叫做原子的受激辐射。设原子有能量为E1和E2的两个能级，而且E2>E1。当原子处于E2能级上时，在能量为的入射光子影响下，(h为普朗克常数，h＝6.6256X10-34J·s，为光子的频率)，这个原子可发生受激辐射而跃迁到E1能级上去，并发射出一个能量为的光子，如图10.2.1b所示。10.2.2光放大与吸收在受激辐射过程中，发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子相同，它们在相位、振动方向和发射方向上也完全一样。如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射，这些原子所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射的入射光子相同，如图10.2.2a所示。10.2.2光放大与吸收这样，在一个入射光子影响下，会引起大量原子的受激辐射，它们所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上都完全一样，这一过程也称为光放大，所以在受激发射时原子的发光过程不再是互不相关的，而是相互联系的。另一方面，能量为的光子在媒质中传播时，也可以被处于E1能级上的粒子所吸收；而使这粒子跃迁到E2能级上去。在此情况下，入射光子被吸收而减少，如图10.2.2b所示。这个过程叫做光的吸收。

光的放大和吸收过程往往是同时进行的，总的结果可以是加强或减弱，这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位。激光是媒质的粒子(原子或分子)受激辐射产生的，但它必须具备下述的条件才能得到粒子数反转分布，激光在共振腔内往返放大过程叫做振荡放大，激光输出。10.2.2激光的特点

1高方向性

高方向性就是高平行度，即光束的发散角小。激光束的发散角已达到几分甚至可小到。所以通常称激光是平行光。2高亮度

激光在单位面积上集中的能量很高。一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍。把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温。在这种高温下，就是最难熔的金属，在一瞬间也会熔化。3单色性好

单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。用表示波长，表示谱线宽度，则越小，单色性越好。在普通光源中最好的单色光源是氪(Kr86)灯。4高相干性

相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。普通光源是非相干光源，而激光是极好的相干光源。由于激光具有上述特点，因此利用激光可以导向；做成激光干涉仪测量物体表面的平整度、测量长度、速度、转角；切割硬质材料等。随着科学技术的发展，激光的应用会更加普遍。

10.2.3激光器

激光器的种类很多。按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光器。

1固体激光器

固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)、钇铝石榴石(掺钕)。固体激光器的常用激励方式是光激励(简称光泵)，也就是用强光去照射工作物质(一般为棒状，在光学共振腔中，它的轴线与两个反光镜相垂直)，使之激发起来，从而发出激光。为了有效地利用泵灯(用脉冲氙灯、氪弧灯、汞弧灯、碘钨灯等各种灯作为光泵源的简称)的光能，常采用各种聚光腔。如果工作物质和泵灯一起放在共振腔内，则腔内壁应镀上高反射率的金属薄层，使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上。图10.2.3红宝石固体激光器红宝石激光器如图10.2.3所示，图中1是脉冲氙灯；2是红宝石棒，3是椭圆柱形聚光器，4是全反射镜，5是部分反射镜。它是世界上第一台成功运转的激光器。这种激光器在常温下，只能作脉冲运转，而且效率较低。

钕玻璃激光器的效率比红宝石激光器要高，它发出1.06的红外激光。钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，通常也只能作脉冲运转。钇铝石榴石激光器是目前性能最好的固体激光器之一，能连续运转，其连续输出功率可超过1000W。它发出的激光波长是1.06的红外光。图10.2.3红宝石固体激光器

车速测量仪采用小型半导体砷化镓(GaAs)激光器，其发散角在～20间，发光波长为0.9。其光路系统如图10.2.4所示，图中1是激光源；2为发射透镜；3为接收透镜；4为光敏元件。为了适应较远距离的激光发射和接收，发射透镜采用437mm，焦距115mm，接收透镜采用声37mm，焦距65mm。砷化镓激光器及光敏元件3DU33分别置于透镜的焦点上，砷化镓激光经发射透镜2成平行光射出，再经接收透镜3会聚于3DU33。为了保证测量精度，在发射镜前放一个宽为2mm的狭缝光阑，其测速的基本原理如下，当汽车行走的速度为v，行走的时间为t时，则其行走的距离

S=vt现选取s＝lm。使车行走时先后切割相距lm的两束激光，测得时间间隔，即可算出速度。采用计数显示，在主振荡器振荡频率为100kHz情况下，计数器的计数值为N时，车速的表达式可写成(v以km／h为单位)上式就是测速仪的换算式。2测量车速10.2.4车速测量光路系统10.3.1红外辐射的产生及其性质

红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16℃)时，一切物体的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度c=3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。红外线的衰减遵循如下规律

式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。

10.3红外辐射传感器金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l(mm)的水对红外线的透明度很小，当厚度达到lcm时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5μm，8～14μm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。而介质的不均匀，晶体材料的不纯洁，有杂质或悬浮小颗粒等，都会引起对红外辐射的散射。实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长。由此在工业上和军事上根据需要有选择地接收某一范围的波长，就可以达到测量的目的。

电磁波谱10.3.2红外线传感器的类型

能把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器，主要有热敏型和光电型两大类。

热敏型是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。由于热敏元件的响应时间长，一般在毫秒数量级以上。另外，在加热过程中，不管什么波长的红外线，只要功率相同，其加热效果也是相同的，假如热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话，那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应，所以称其为“无选择性红外传感器”。这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类。

光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件。因此它的响应时间一般比热敏型短得多，最短的可达到毫微秒数量级。此外，要使物体内部的电子改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足够大，它的频率必须大于某一值，也就是必须高于截止频率。由于这类传感器以光子为单元起作用，只要光子的能量足够，相同数目的光子基本上具有相同的效果，因此常常称其为“光子探测器”。这类传感器主要有红外二极管、三极管等。

10.3.3红外线传感器的应用

在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加温到900~C，其误差不得超过±5~C，否则会影响锻件的质量，所以控制锻件的温度是一关键问题。以往的办法是由工人目测温度，看到差不多了，把烧红的锻件取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表面，可以测量出工件的温度，如图10.3.1所示。

10.3.1红外辐射测温计原理

当锻件加热到900~C时，红外探测器便输出电信号，启动电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压加工。这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生产自动化。市售的HBW-B型红外测温仪是非接触式数字显示仪表，它利用被测物的热辐射来确定物体温度，测温范围600℃以上。测量距离是根据被测物目标大小来确定的，被测物目标越大，测量距离越远。测量误差小于量程上限的1%。

10.3.1红外辐射测温计原理红外温度传感器测温范围：

-20~3000℃

光学滤波器：5~20µm

最好分辨率：0.03℃

最小灵敏度：10µV/

℃

视

角：110°，适于近距离测温

内置Ni-1000热敏电阻

10.4核射线式传感器

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或射线，这种现象称为放射性或核辐射。其放出的粒子或射线有以下几种：⑴α粒子。其质量为4.002775原子质量单位并带有2个正电荷。α粒子主要用于气体分析，测量气体压力、流量等。⑵β粒子。它实际上是高速运动的电子，其质量为0.000549原子质量单位，放射速度接近光速。β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。β粒子用于测量材料厚度、密度等。⑶γ射线。它是一种电磁辐射。核辐射与物质的相互作用主要是电离、吸收和反射。10.4.1核射线式传感器组成

主要由放射源和探测器组成。1、射线源

利用射线式传感器进行测量时，都要有可发射出α、β粒子或γ射线的辐射源。选择射线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，要求采用的同位素有较长的半衰期及合适的放射强度。因此尽管放射性同位素种类很多，但能用于测量的只有二十种左右。最常用的有80Co、137Cs、241Am及90Sr等。

放射线源的结构应使射线从测量方向射出，而其它方向则必须使射线的剂量尽可能小，以减少对人体的危害。β辐射源一般为圆盘状，γ射线辐射源一般为丝状，圆柱状或圆片状。图10.4.1所示为β厚度计辐射源容器，射线出口处装有耐辐射薄膜，以防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。

2、探测器探测器就是核辐射的接收器，常用的有电离室、闪烁计数器和盖革计数管。

⑴电离室

图11-8为电离室工作原理，它是在空气中设置一个平行极板电容器，对其加上几百伏的极化电压，在极板间产生电场。当有粒子或射线射向二极板之间的空气时，它们在电场的作用下，正离子趋向负极，而电子趋向正极，便产生电离电流，并在外接电阻R上形成电压降。测量此电压降就能得到核辐射的强度。这就是电离室的基本工作原理。⑵闪烁计数器

图11-9所示为闪烁计数器示意图。它由闪烁体和光电倍增管组成。当核辐射进入闪烁体时，使闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光电倍增管用的光阴极上打出光电子并在倍增管中倍增，在阳极上形成电流脉冲，最后被电子仪器记录下来，这就是闪烁计数器记录粒子的基本过程。

电离室主要用于探测α、β粒子，它具有成本低、寿命长等优点。但输出电流较小，而且探测α、β粒子和γ射线的电离室互不通用。三、核辐射检测的应用

核辐射可以检测厚度、液位、物位、转速、材料密度、重量、气体压力、流速、温度及湿度等参数，也可用于金属材料探伤。现举例说明。图11-12所示为核辐射厚度计方框图。辐射源在容器内以一定的立体角放出射线，其强度在设计已选定，当射线穿过被测体后，辐射强度被探测器接收。在β辐射厚度计中，探测器常用电离室，根据电离式的工作原理，这时电离室就输出一电流，其大小与进入电离室的辐射强度成正比。前面已指出，核辐射的衰减规律为，从测得的I值可获得质量厚度x，也就可得到厚度h的大小。在实际的β辐射厚度计中，常用已知厚度h的标准片对仪器进行标定，在测量时，可根据校正曲线指示出被测体的厚度。

用于循环器官的X线诊断设备X线传感器拍摄的X线图像X线诊断装置拍摄的心脏血管影像XY-1520/4型X射线机

装置进口及国产金属陶瓷X射线管，广泛适用于各种轻合金及28、45、70、95、105mm以下厚度铁板的检测，并可以成套配备X射线实时成像系统。

微波传感器是继超声波、红外和核辐射等传感器之后的一种新型的非接触式传感器。微波是介于红外线与无线电波之间的电磁辐射。它不仅用于微波通讯、卫星发送等无线通讯，而且在雷达、导弹制导、遥感、射电望远镜等方面也有应用。微波是波长为1m～1mm的电磁波，它既具有电磁波的特性，又与普通的无线电波及光波不同。微波具有下列特点：1.空间发射装置容易制造；2.遇到各种障碍物易于反射；3.绕射能力差；4.传输特性好，传输过程中受烟雾、火焰、灰尘、强光等影响很小；5.介质对微波吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、微波天线及微波检测器三部分组成。

微波传感器

微波传感器就是利用微波特性来检测一些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率