第11章波式、射线式和红外传感器

传感器原理与应用第11章

波式、射线式和红外传感器第11章

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11.1

超声波式传感器

人耳能听到的声波频率在20Hz～20kHz之间。超过20kHz的称为超声波，低于20Hz的称为次声波。常用的超声波频率为几十kHz到几十MHz。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。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11.1.1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

①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。

②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。11.1.1超声波的基本性质

③表面波。质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。11.1.1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。11.1.1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344m/s、液体中为900～1900m/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5000m/s。11.1.1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。11.1.1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等于入射角a。11.1.1超声波的基本性质

对于折射波，入射角a、折射角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：11.1.1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：11.1.1超声波的基本性质

当超声波垂直于入射界面，即a＝b＝0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；r1c1、r2c2分别为两介质的声阻抗，r为密度，c为速度。11.1.1超声波的基本性质

由上面两式可知：

①若r2c2≈r1c1，则R≈0，T≈1，此时声波几乎没有反射，全部从第一介质透射入第二介质；

②若r2c2>>r1c1,R≈1，则声波在界面上几乎全反射，透射极少。

③当r1c1>>r2c2时，也有R≈1。11.1.1超声波的基本性质例如，20℃时水的声阻抗为r1c1＝1.48×106kg/(m2∙s)，空气的声阻抗为r2c2＝0.000429×106kg/(m2∙s)，r1c1>>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。11.1.1超声波的基本性质

4.超声波的衰减

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，A为衰减系数。11.1.1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。11.1.1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有关。

在理想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散。11.1.1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：①材料本身不均匀，如两种材料的交界面、杂质和气孔、晶体材料的各向异性等；②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。11.1.1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引起的声能损耗称为吸收衰减。11.1.1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。11.1.1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p＝f(x,y,z,t)，是时间和空间的函数。11.1.1超声波的基本性质7.聚焦

超声波可以被聚焦。被聚焦后，具有较好的方向性，能量集中，可用于焊接等。超声波塑料焊接机如图所示。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√一些超声波传感器如图所示。11.1.2

超声波传感器CUSS陶瓷超声波传感器如图所示。11.1.2

超声波传感器11.1.2

超声波传感器

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。11.1.2

超声波传感器接触式直探头接触式斜探头11.1.2

超声波传感器发射晶片接收晶片双晶探头的结构虽然复杂一些，但检测精度比单晶直探头高，且超声信号的反射和接收控制电路较单晶直探头简单。11.1.2

超声波传感器水浸探头（可用自来水作为耦合剂）11.1.2

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。11.1.2

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发生磁化的逆磁致伸缩效应。

图示为典型结构，其上限频率可到100kHz左右，主要用于海洋鱼群探测器和声纳。11.1.2

超声波传感器美国蜂鸟595C系列鱼群探测器11.1.2

超声波传感器(3)电磁超声换能器

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。11.1.2

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。11.1.2

超声波传感器(4)激光超声波发生器

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。

对于图示压电式超声波探头，超声波频率与晶片厚度d、纵波波速c、密度r的关系为：11.1.2

超声波传感器式中，n为谐波级数，n＝1,2,3,…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√√11.1.3

超声检测技术的应用

1.超声波测量厚度

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。11.1.3

超声检测技术的应用如图所示，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。11.1.3

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：11.1.3

超声检测技术的应用手持式超声波测厚仪11.1.3

超声检测技术的应用

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。11.1.3

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。11.1.3

超声检测技术的应用

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：11.1.3

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。11.1.3

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。11.1.3

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，则：11.1.3

超声检测技术的应用

一般来说，u<<c，得：则：11.1.3

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。11.1.3

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。11.1.3

超声检测技术的应用11.1.3

超声检测技术的应用

一种多功能超声诊断系统如图所示。11.1.3

超声检测技术的应用11.1.3

超声检测技术的应用

5.在医疗领域的应用

超声波在医疗领域有非常广泛的应用，可用于疾病诊断和治疗。11.1.3

超声检测技术的应用

6.超声波测速利用超声波的多普勒效应，可以测量车速。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11章

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√11.2

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。11.2

微波式传感器

2.微波式传感器的缺点(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。11.2

微波式传感器一些应用如图所示。11.2

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。11.2

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11.2.1

微波的性质与特点

微波是波长为1mm～1m的电磁波。11.2.1

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：①定向辐射装置容易制造；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、强光的影响很小；⑤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。11.2

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√11.2.2

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(300MHz～300GHz)，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10cm以上可用同轴线)传输，并通过微波天线发射出去。11.2.2

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；(b)圆锥形喇叭天线；(c)旋转抛物面天线；(d)抛物柱面天线11.2

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√√

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。11.2.3

微波传感器及其应用11.2.3

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。11.2.3

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。11.2.3

微波传感器及其应用

微波传播的距离为：11.2.3

微波传感器及其应用

波长为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：

式中，Pt为发射天线发射的功率；Gt为发射天线的增益；Gr为接收天线的增益。11.2.3

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：11.2.3

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是由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。11.2.3

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。

通过一种特殊的扫描技术可高精度地测量很短的微波运行时间。通过计算微波的运行时间，可计算出到介质的距离。11.2.3

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。11.2.3

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。11.2.3

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。11.2.3

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。11.2.3

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LA＝LB；DLA、DLB为电行程长度的变化值；Dh为被测金属厚度变化值，Ds为补偿短路器的位移。11.2.3

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来表征，即：式中，e'、e''分别为相移和衰减的度量。11.2.3

微波传感器及其应用

e'与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'在1～5范围内，而水的e'则高达64。因此，如果材料中含有少量水分子时，其复合e'将显著上升。e''也有类似性质。使用微波传感器，测量干燥物体与含一定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。11.2.3

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。11.2.3

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。11.2.3

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。11.2.3

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，构成一个覆盖范围大于100m2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。11.2.3

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。11.2.3

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，则由于多普勒效应，反射波的频率fr发生偏移，fr＝f0＋fD，fD是多普勒频移，可表示为：11.2

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11章

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√√11.3

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。11.3

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11.3.1

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，a0、a分别为初始时与经过时间t后的原子核数；l为衰变常数。11.3.1

核辐射式传感器的物理基础常用和l有关的另一个常数即半衰期t来表示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为：

t和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t和l是不同的。11.3.1

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：11.3.1

核辐射式传感器的物理基础(1)a粒子

质量为4.002775u，带有2个正电荷，亦即氦原子核。放射出a粒子后同位素的原子序数将减少两个单位而变为另一种元素。a粒子具有40～100MeV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。11.3.1

核辐射式传感器的物理基础(2)b粒子

它实际上是高速运动的电子，质量为0.000549u，带有一个单位的负电荷，能量为100keV～几MeV，运动速度比a粒子高很多，接近光速，在气体中的射程可达20m。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粒子用于测量材料厚度、密度等。11.3.1

核辐射式传感器的物理基础(3)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(10－14s)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衰变(或称g跃迁)，射出的射线称g射线或g光子。g射线的波长较短(约10－10～10－12m)，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。11.3.1

核辐射式传感器的物理基础放射性的强弱称为放射强度(或核辐射强度)，常以单位时间内发生衰变的次数表示。放射强度也随时间按指数规律而减少，即：

放射强度的单位是居里(Ci)。1Ci等于放射源每秒钟发生3.7×1010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)。11.3.1

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。11.3.1

核辐射式传感器的物理基础

①a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。

②b离子质量小，电离能力比同样能量的a粒子要弱。由于b离子易于散射，所以其行程是弯弯曲曲的。

③g粒子几乎没有直接电离作用。11.3.1

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、b、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为物质的密度；mm为物质的质量吸收系数。11.3.1

核辐射式传感器的物理基础

三种射线中，g射线的穿透力最强，b射线次之，a射线最弱。

b射线的散射作用表现最为突出。当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：11.3.1

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，与原子序数有关；mh为取决于辐射能量的常数。11.3

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√11.3.2

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、b粒子或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。11.3.2

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辐射源一般为圆盘状，g射线辐射源一般为丝状、圆柱状或圆片状。

图示为b厚度计辐射源容器，辐射线出口处装有耐辐射薄膜，以防灰尘侵入，并能防止辐射源受到意外损伤而造成污染。11.3.2

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。11.3.2

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。11.3.2

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。11.3.2

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。11.3.2

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。11.3.2

核辐射传感器的组成

电离室主要用来探测a、b粒子。在同样条件下，进入电离室的a粒子比b粒子所产生的电流大100多倍。利用电离室测量a、b粒子时，效率可接近100%，测量g射线时，则效率很低。这是因为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电离室的效率只有1%～2%。11.3.2

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粒子和g射线。11.3.2

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。11.3.2

核辐射传感器的组成

例如铊激活的碘化钠用来探测g射线的效率高达20％～30％。11.3.2

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、b粒子能够激发电子—空穴对。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。若取出这些电荷，可将放射线变为电信号。11.3

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11章

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√√√11.4

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，已在科技、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：

①红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；

②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；11.4

红外传感器

③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；

④红外测距和通信系统；

⑤混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。11.4

红外传感器壁装式被动红外传感器红外测距传感器11.4

红外传感器红外温度传感器矿用红外二氧化碳传感器11.4

红外传感器红外测温仪11.4

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11.4.1

红外辐射的基本知识

红外辐射又称为红外线，波长范围大致在0.76～1000mm。工程上又分为四个波段。11.4.1

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。11.4.1

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2～2.6mm、3～5mm和8～14mm，统称为“大气窗口”。11.4.1

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。11.4.1

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、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。11.4

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√11.4.2

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其吸收本领，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。11.4.2

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为斯忒藩—玻尔兹曼常数；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＝1。11.4.2

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lm与物体自身的绝对温度T成反比。即：11.4.2

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，虚线表示峰值波长与温度的关系。当温度不很高时，峰值辐射波长在红外区域。如人体温度为36～37℃，辐射的红外线波长为9～10mm。11.4

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√√11.4.3

红外探测器

红外探测器是红外检测系统中最重要的器件之一，按工作原理可分为“热探测器”和“光子探测器”两类。11.4.3

红外探测器

1.热探测器

热探测器在吸收红外辐射能之后温度升高，引起某种物理性质的变化，这种变化与吸收的红外辐射能成一定的关系。常用的物理现象有温差电现象，金属或半导体电阻值变化现象、热释电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸发现象等。11.4.3

红外探测器热电探测器主要有热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型和热释电型。与光子探测器相比，热探测器的探测率低、响应时间长。但其主要优点是响应波段宽，可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。11.4.3

红外探测器

热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的。电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列将发生变化，导致晶体极化强度发生变化，在其两表面上产生电荷，这种现象称为热释电效应。有此效应的晶体也称为“铁电体”，其极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。11.4.3

红外探测器当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以称为热释电型传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便输出电信号。11.4.3

红外探测器

当恒定的红外辐射照射在热释电探测器上时，探测器没有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制，使恒定的辐射变成交变辐射，不断地引起探测器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。11.4.3

红外探测器

2.光子探测器

入射光的光子与材料中的电子相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学性质的变化，这种现象称为光子效应(即光电效应)。光子探测器就是利用了这种效应。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需要在低温下工作。11.4.3

红外探测器根据所产生的不同电学现象，可制成不同的光子探测器，有内光电和外光电探测器两种，前者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器。①外光电传感器如光电倍增管等。这种类型的传感器响应速度比较快，一般只需几个毫微秒，但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。11.4.3

红外探测器

②光电导传感器如光敏电阻等。硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲镉汞等材料都可制造光电导传感器。使用光电导传感器时，需要加上一定的偏压。还需要制冷，否则会使响应率降低，噪声大，响应波段窄甚至使红外传感器损坏。

③光生伏特传感器

如光电池等。11.4.3

红外探测器

④光磁电传感器

当红外辐射照射在某些半导体材料的表面上时，材料表面的电子和空穴将向内部扩散。在扩散过程中若受强磁场的作用，电子与空穴则各向一边，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。利用此效应制成的红外传感器称为光磁电传感器。光磁电传感器不需要致冷，响应波段可达7mm左右，时间常数小，响应速度快，不用加偏压，内阻极低，噪声小，有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低。11.4

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11章

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√√√√11.5

核辐射与红外传感器应用举例11.5.1

核辐射传感器的应用11.5.2

红外传感器的应用11.5.1

核辐射传感器的应用

1.核辐射流量计

在气流管壁上装两个电极，其一的内侧面涂覆有放射性物质构成电离室。部分离子被流动的气体带出电离室，使电离电流减小。为了精确地测量，可配用差动电路。11.5.1

核辐射传感器的应用

2.核辐射厚度计

它的特点是放射源和核辐射探测器分别置于被测物体的两侧。11.5.1

核辐射传感器的应用图示为零位法的透射式厚度计。根据补偿楔的移动量(取决于电机角位移)可测厚度。11.5.1

核辐射传感器的应用还可用散射法测量厚度，利用的是核辐射的后向散射效应。特点是放射源和核辐射探测器可置于被测物质的同一侧。后向散射射线的强度与放射源至被测物质的距离及被测物质的成分、密度、厚度和表面状态等因素有关。因此，利用这种方法可以测量薄板厚度、覆盖层厚度、材料成分、密度等参数。11.5.1

核辐射传感器的应用后向散射测量厚度的示意图如图所示。也可根据差动原理用零位法测量。11.5.1

核辐射传感器的应用

3.辐射式物位计

可以应用g射线检测物位。测量物位的方法有很多，下图给出了其中一些典型的应用实例。11.5.1

核辐射传感器的应用

不同介质对g射线的吸收能力不同，固体吸收能力最强，液体次之，气体最弱。

核辐射物位计如图所示。忽略气体吸收，由式(11.16)可得被测介质高度H与穿过被测介质前后射线强度的关系为：式中，m＝mmr为被测介质的吸收系数。11.5.1

核辐射传感器的应用

g射线物位计的优点是：①可实现非接触式测量；②不受被测介质温度、压力、流速等状态的限制；③能测量比重差很小的两种介质的界面位置；④适宜