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1、,传感器原理及应用,传感器原理及应用,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,主要内容,11.1 超声波传感器 11.2 红外线传感器11.3 核辐射传感器,11.1 超声波传感器,超声波技术是以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术，超声波传感器是向空气中发射超声波，再通过探测来自某个物体的反射波检测物体有无或距离；超声波传感器具有多种用途，如防盗报警系统、自动门启闭装置、汽车倒车传感器及各种电子设备的遥控装置。目前超声波在检测技术中获得广泛应用，利用超声波的各种物理特性，可以实现超声波测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像。随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越广泛，如工厂
2、自动化和汽车电子设备正与日俱增，而且不断得到扩展。,人耳能听见的机械波称声波,频率在16Hz20kHz；频率低于16Hz的机械波称为次声波；频率高于20KHz的机械波称为超声波;频率在300MHz 300GHz之间的波称为微波；超声波是人耳无法听到的，频率超过20kHz的声音。,声波频率界限,11.1.1 超声波及物理特性,当超声波从一种介质入射到另一种介质时，在界面上会产生反射、折射和波形转换；超声波以直线传播方式，频率越高绕射越弱，但反射越强，利用这种性质可以制成超声波测距传感器；超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是不透光的固体能穿透几十米。,11.1.1 超声波及物理特性,超
3、声波的反射和折射,超声波传感器是通过超声波的产生 传播 接收 等物理过程完成。主要功能是产生、接收超声波信号。,超声波的波型及其传播速度,纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；表面波：质点的振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。,纵波,声速,声波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质密度以及声阻抗。固体的横波声速约为纵波声速的一半，且与频率关系不大。而声表面波约为横波声速的90%。,超声波在空气中传播速度较慢，为344m/s（20时）（
4、电磁波的传播速度为3108m/s），速度低、波长短，意味着可获得较高的距离方向分辨率。这一特点使得超声波应用变得非常简单，测量时可获得较高的精确度，可以通过测量波的传播时间，测量距离、厚度等。,11.1.1 超声波及物理特性,在固体中，纵波、横波及其表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波声速为横波声速的90%。气体中纵波声速为344 m/s，液体中纵波声速在900-1900m/s。,液体中声速传播速度在9001900m/s，在液体和气体中只有纵波的传播，传播速度与介质密度有关:,11.1.1 超声波及物理特性,由于金属、木材、玻璃、混凝土、橡胶和纸张可近乎反射10
5、0%的超声速，因此检测这些物体时较容易发现。而棉花、布、绒毛等物体吸收超声波，因此很难用超声波检测。,声波在介质中传播时随距离的增加能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关，衰减规律用两个能量描述：,声压,声强,声波与声源之间距离；,衰减系数Np/m（奈培/米）,分别为 X=0 处的声压、声强；,声波随距离增加，声能减弱较快，所以超声波不能进行较远距离传播；频率高衰减快。,11.1.1 超声波及物理特性,式中：,接触式直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,压电陶瓷的主要性能指标,介电常数：10006000压电灵敏度D33:300600pC/N机械品质因素Q:1002000
6、静电容:1000100000pF（与面积有关)频率范围：用于超声清洗:30100KHz用于探伤仪及流量计：2.55MHz用于雾化器:12MHz,空气超声探头,a)超声发射器 b)超声接收器1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束,1.1.2 超声波传感器,c)反射式,a）兼用型,不同工作方式的超声波传感器,发射探头（TX）,接收探头（RX）,超声波传感器使用时的两种形式：,反射式直射式,超声波传感器可等效为一个RLC的串并联谐振电路。由电抗特性可见,fr fa中间是电感性，两边是电容性，这是超声波传感器所特有的。其中 fr频率低：LCR产生串联谐振频率；f
7、a频率高：LCC产生并联谐振频率；超声波传感器在串联谐振频率时阻抗最小。,超声波传感器等效电路,fr:L、C、R 产生的串联谐振频率fa：L、C、C产生的并联谐振频率,电抗特性,等效电路,CLR,C,超声波传感器的工作原理,在超声波发送器双压电振子上施加一定频率（40KHz）的电压，通过逆压电效应，将电能转换为机械能，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，转换电路将接收到的信号放大处理。,11.1.2 超声波传感器,超声波传感器基本电路包括振荡发射电路、检测电路两部分组成：,超声波传感器发射电路,调整振荡器频率,11.1.3 超声波传感器基本电路,超声波发射电路：由反向器组
8、成RC振荡器，经门电路完成功率放大，经CP耦合传送给超声波振子产生超声发射信号。,超声波传感器接收电路,超声波检测电路：接收到的超声波信号极微弱，需要高增益的放大电路用于检测反射波，输出的高频信号电压接检波、放大、开关电路输出或报警。,11.1.3 超声波传感器基本电路,超声波测距集成模块：最大距离600cm，最小距离2cm,发送电路，555构成多谐振荡器，RC电路产生40KHz等幅波放大送功放输出；接收电路，放大、检波，信号处理根据被测物体的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。,11.1.3 超声波传感器基本电路,测距原理：40kHz高频信号与20Hz周期信
9、号,调制成短脉冲群向外发送:周期 T=1/20=50ms，超声波在空气中传播距离为：340m/s50ms=17m，单程距离：17m/2=850cm 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;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，计数器的输出值就是检测的距离。时钟周期 T=1/40kHz=25m 340m/s(n25s)=往返距离 单程距离=往返距离/2,超声波传感器测距原理,测距原理：40kHz高频信号与20Hz周期信号 调制成短脉冲群向外发送:周期 T=1/20=50ms 超声波在空气中传播速度 340m/s50ms=17m,17m/2=850cm 测距
10、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;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，计数器的输出值就是检测的距离。时钟周期 T=1/40kHz=25S 340m/s(n25S)=往返距离 单程距离=往返距离/2,超声波测距原理时序波形示意图,传感器原理及应用,第11章 波与射线传感器,11.1.4 超声波传感器应用,超声波物位传感器,超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而制成的。如果从发射超声脉冲开始，到接收换能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知，就可以求出分界面的位置，利用这种方法可以对物位进行测量。,超声波测流量原理图,超声波流速测量
11、,超声波在静止流体和流动流体中的传播速度是不同的,分别在流体上游和下游放两个传感器,同时发送、接收，顺流和逆流超声波传播时间分别为:,流体流速远小于超声波在流体中传播速度c,可求出近似流速：,超声波流速检测(时间差法),超声波流速测量,实际应用中传感器安装在管道外,传播时间为:,超声波流速检测,这种方法必须求出声速,否则会引入误差。如何不用声速求流速？,F1发射的超声波先到达T1F2发射的超声波后到达T2,辛格法流速测量:发送的超声波由接收器检出后，再发射下一个超声波脉冲，形成连续的脉冲发射状态，脉冲的发射频率为：,超声波流速检测（频率差法）,求出流速：,多普勒流速测量法,多普勒流速测量法:流
12、体内的微小颗粒物与流体有相同的移动速度，利用超声波遇到物体会产生反射，并且传播频率发生变化；这种多普勒效应可以求出流速:接收频率f1和发送频率f2的差称多普勒频率f：,超声波流速检测,超声波测厚,双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度d,超声波测厚指示仪,显示方法：128*32LCD点阵液晶显示（带背光）显示位数：四位测量范围：0.8200mm示值精度：0.1mm声速范围：10009999m.
13、/s测量周期:2次/秒自动关机时间：90秒电源：二节七号电池，可连续工作不少于72小时。使用温度：-10C40C存储温度：-20C70C外形尺寸：108*61*25mm重量:230g(含电池）,超声波液位计原理 根据显示波形计算液位,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,超声防盗报警器,图中的上班部分为发射电路，下半部分为接收电路。发射器发射出频率f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为v，从人体法社回接收器的超声波将由于多普勒效应，而发生频率偏移Df,A型超声波探伤,超声探伤计算,设:显示器的x轴为10us/div(格)，现测得B波与T波的距离为6
14、格，F波与T波的距离为2格。求1）td 及tF2)钢板的厚度d及缺陷与表面的距离xF,红外传感器按应用可分为：热成像遥感技术；红外搜索(跟踪目标、确定位置)；红外辐射测量；通讯；测距等。,11.2.1 红外辐射,红外辐射的物理本质是热辐射，人、动物、火、水、植物都有热辐射，只是波长不同而已；一个炙热的物体向外辐射能量大部分是通过红外线辐射出来的，温度越高辐射红外线越多，辐射能越强。,11.2 红外线传感器11.2.1 红外辐射,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0.751000m。,红外辐射是介于可见光和微波之间的电磁波，红外波长比无线电波的波长
15、短，所以红外仪器的空间分辨率比雷达高；红外波长比可见光的波长长，因此红外线透过阴霾的能力比可见光强。,可见光,红外线,微波,工程上把红外线占据在电磁波谱中的波段分为: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，红外线在通过大气层时有三个波段通过率最高：22.6m,35m,814m,因为空气中氮、氧、氢不吸收红外，使大气层对不同的波长红外线存在不同吸收带;这三个波段对红外探测技术非常重要，遥感红外探测器一般工作在这三个波段。,红外,11.2 红外线传感器11.2.1 红外辐射,11.2 红外线传感器11.2.2 红外辐射探测器,红外传感器有两部分组成：1）
16、红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源，根据辐射源的几何尺寸、距离远近可视为点源和面源；（红外辐射源基准黑体炉）2）红外探测器，指能将红外辐射能转换为电能的热敏和光敏器件。,红外探测器主要有两大类型：1）热探测器（热电型）包括有：热释电元件、热敏电阻、热电偶等；原理：当器件吸收辐射能时温度上升，温升引起材料各种有赖于温度的参数变化，检测其中一种性能的变化，即可探知辐射的存在和强弱。2）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、光敏管、光电池等。量子型光子探测器与光电传感器原理相同，本节主要介绍热电型红外探测器。,1
17、1.2.2 红外辐射探测器,热释电元件主要利用热释电效应，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，使其材料的物理量变化；如热释电电荷、热敏电阻阻值、热电偶电势、气体浓度变化等。热释电元件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；包括了光热电，两次信息变换过程；光热阶段，物质吸收光能，温度升高；热电阶段，利用某种效应将热能转换为电信号；,1.热释电效应,11.2.2 红外辐射探测器,热释电元件结构：把具有热释电效应的晶体薄片两面镀上电极，将透明电极涂上黑色膜使晶体有利于吸收红外线。热释电材料有：晶体、陶瓷、塑料等铁电体。,晶体本身具有一定
18、极化强度P,当红外辐射照射到已经极化的铁电体表面时，薄片温度T升高，使极化强度P降低DP，表面电荷Q减少，释放部分电荷，所以称热释电。,1.热释电效应,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掉，不显电性；要让热释电材料要显示出电特性，必需用光调制器，使温度变化，而调制器的入射光频率必须大于电荷中和时间的频率。,中和的平均时间为,1.热释电效应,铁电体在温度变化时极化强度发生变化，无论温度上升还是下降，介质从带电到不带电有一个中和时间，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，使电荷表现出来，表面才能产生电荷。升温或降温时电荷极性相反。,所以热释电传感器必须用光调
19、制器，使调制光的频率大于中和频率。检测时辐射源必须晃动才有信号输出。,1.热释电效应,热释电元件可视为电流源，下式说明热释电材料只有在温度变化时才产生电流、电压：,热释电元件,式中：S元件面积；g热释电系数；P极化强度。,热释电元件因红外线照射产生热量，材料本身与波长无关，但利用元件的窗口选用不同材料做滤光器，通过波长选择确定是哪个范围内波长产生的热。材料有铌酸锶钡、钽酸锂，工作温度-40+85，工作视角85。,2.热释电元件及等效电路,热释电元件绝缘电阻很高，几十几百兆欧，容易引入噪声，热释电元件的电荷要加到电阻上形成电压输出，使用时要求有较高的输入电阻，还需用FET进行阻抗变换。通常热释电
20、传感器已经将前极的场效应管FET和输入电阻安装在管壳中。,输出电压：,2.热释电元件等效电路,光量子型红外探测器是利用光电效应，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：光电导型（PC），电阻受光照后引起电阻变化；光电型（PV），由于光照产生光生电子空穴对；光电磁型（PEM），利用光电磁PEM效应，器件加电场 和磁场的同时产生与光照成正比的感应电荷；肖特基型（ST），金属与半导体接触形成肖特基势垒 随光照而变化。区别：光量子型光电探测器探测的波长较窄，热探测器几乎可以探测整个红外波长范围,光子探测器,11.2.3 红外传感器应用,红外传感器主要用于 红外测温、遥控器、红外监控报警器
21、；红外摄象机、夜视镜；较熟悉的控制装置自动门、干手机、自动水龙头等；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；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（CCD）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图象的形式直观地显示出来。,人体辐射红外线波长大致为612m，温度36 37 人活动的频率范围一般在0.110Hz之间；热释电元件可检测到10M距离，85的水平视角范围；传感器将热电信号送运放A放大，反馈电阻1.5M可调节放大 倍数；低
22、通排除干扰；输出直流信号驱动蜂鸣器告警。热释电工作电流很小。,热释电红外报警控制电路,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转反转。,干手器 由热释电红外传感器感应的干手器,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LED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，两只管子的间距是小于75mm，小于人体的肩厚度。每只光敏管可测到由两只LED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75mm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。,
23、红外光束报警电路,红外报警电路,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；2.反映速度快，不需要达到热平衡过程，反映时间在s 量级；3.灵敏度高，辐射能 与温度T成正比；准确度高，可达 0.1内；4.应用范围广泛，0下上千度。,红外测温,红外遥控发射、接收电路,11.3.1 核辐射及物理基础,凡是原子序数相同、原子质量不同的元素，在元素周期表中占同一位置，称同位素；当没有外因作用时，同位素的原子核会自动产生核结构的变化，称为核衰变；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“放射性同位素”。,（1）放射性同位素,核辐射传感器定义：
24、将入射核辐射（粒子）的全部或部分能量转化为可观测的电信号（如电流、电压信号）的装置。,核幅射,电信号,核素及符号表示,核素是原子核的一种统称，具有确定质子数和中子数的原子核称为核素。,核素表示符号,11.3.1 核辐射及物理基础,放射性衰减规律可表示为,t=0 的原子核数，,t 时刻原子核数,衰减常数（每一种核为一常数，不同核素值不同）,半衰期：用半衰期表示核素衰减速度，即 放射性核数衰减到原始数目一半所用的时间，一般用10倍半衰期表示放射性核素的寿命。,（2）核衰变与核辐射,放射性同位素的原子核数目，随时间按指数规律衰减,11.3.1 核辐射及物理基础,11.3.1 核辐射及物理基础,（2）
25、核衰变与核辐射,放射性同位素在衰变过程中能放出、三种射线，其中：射线由带正电的粒子组成（如氦核）；射线由带负电的粒子组成（电子）；射线由中性的粒子组成（光子）。,放射性同位素衰变时，放出一种特殊的，带有一定能量的粒子或射线，这种现象称“核辐射”。,11.3.1 核辐射及物理基础,一般用单位时间内发生衰变的次数来表示放射性的强弱，称放射性强度(活度)。放射性强度也是随时间按指数规律减小：,I0 初始强度；I t时间后的强度；,1Ci=3.71010（次核衰变）/秒,放射性活度单位：贝可（Bq）,放射性强度,放射性强度单位：居里（Ci）,毫居里(mCi),（2）核衰变与核辐射,11.3.1 核辐射
26、及物理基础,核辐射与物质间的相互作用主要是通过 电离、吸收、反射电离作用：带电粒子在物质中穿行时会使物质的原子发生电离，在它们经过的路程上形成离子对。其中：粒子质量大，电荷量多，电离能力最强但射程短；粒子质量小，电离较弱；粒子没有直接电离作用。,（3）核辐射与物质间的相互作用,11.3.1 核辐射及物理基础,吸收、反射、射线穿透物质时，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，使粒子和射线能量被吸收和衰减。其中,射线穿透能力最弱，在空气中运行轨迹为直线；射线次之，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；射线穿透能力最强，能穿透几十厘米
27、厚固体物质，在气体中可穿透数米，因此射线广泛用于医疗诊断、探伤等。,11.3.2 射线式传感器,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，例如测天然放射性U(铀)、Th(钍)、K(钾)和这三个量的总量，称能谱仪；另一种方式是利用放射性同位素，测量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，或者利用射线对被测物质的电离激发作用。原理基本相同，后者传感器由放射源和探测器组成。,11.3.2 射线式传感器,射线源结构一般为丝状、圆拄状、圆片状，有点 源、面源、片源。辐射源的结构应使射线 从测量方向射出，其它 方向应尽量减少剂量，减少对人体的危害。可以用铅进行射线屏蔽，铅
28、有极强的抗辐射穿透能 力。,点源结构,（1）辐射源,1.3.2 射线式传感器,辐射源的种类很多，一般选用半衰期较长的同位素，能量、强度适合的辐射源。常用同位素源见下表：,（1）辐射源,11.3.2 射线式传感器,反应堆,放射性警示标记,核棒（核然料）,（1）辐射源,铅罐,11.3.2 射线式传感器,探测器是辐射的接收器，常用的有气体探测器（电离室、盖革计数管、正比计数器）、闪烁计数器、半导体探测器。,（2）核辐射探测器,正比计数器,闪烁计数器,半导体探测器,1.电离室（气体）,电离室是在空气中或充有惰性气体的装置中，设置一个平行极板电容器，加几百伏高压。高压在极板间产生电场，当粒子或射线射向两
29、极板之间的空气（气体）时，气体分子电离，在电场作用下正离子趋向负极板，电子趋向正极板，产生电离电流。,在外电路接一电阻R就可形成响应电压，电阻R的电压降代表辐射的强度。,电离室外加电压增大电流趋于饱和，一般工作在饱和区（离子能够全部达到电极上），使输出电流与外加电压无关，只正比于射线到电离室的辐射强度。,电离室的优点是成本低寿命长；缺点是检出电流很小。、电离室不能通用，不同粒子相同条件下效率相差很大。电离室主要用于探测、射线，粒子电离电流比离子电离的电流大100多倍，粒子没有直接电离本领，效率很低。,1.电离室（气体）,2.G-M 盖格计数管（气体）,盖格-弥勒计数管简称盖格计数管，也称气体放
30、电计数器。一个密封玻璃管，中间是阳极用钨丝材料制作，玻璃管内壁涂一层导电物质或用金属圆管作阴极，筒和丝绝缘，内部抽空充惰性气体（氖、氦）、卤族气体。,阳极与阴极间加高压,x、射线入射时激烈的气体放大，离子沿丝传到整个计数管内，形成正离子鞘，在电场作用下正离子鞘向阴极移动形成电流；为避免到达阴极时造成连续放电现象，惰性气体灭掉放电。,2.G-M 盖格计数管,由于盖格计数管的放大作用，电流比电离室的离子流大几千倍。特性曲线：电压U一定时，射线入射越强电流I越大，输出脉冲数N 越大，a、b段称“坪曲线”；盖格计数管主要用于探测粒子和射线，特点是工作电压较低。,3.正比计数器（气体）,正比计数器是一种
31、充气型气体电离探测器，内封有不同气体，由气体作为入射射线产生电离或激发的介质；电离空间（电离室）有两个电极，外加一定电位的电场；当射线进入穿过气体时与气体分子轨道上电子碰撞，使气体分子电离而形成离子对，芯线旁电场密度高，电子碰撞被加速，在气体中获得足够能量使其它气体分子和原子产生新的离子对。这一过程称为气体放大。,3.正比计数器,阳离子产生输出脉冲，脉冲大小正比于辐射产生的电子、正离子对的数目，电子和正离子对数目正比于气体吸收的放射线的能量。器件工作在气体电离放电伏安特性曲线的正比区，有足够大的气体放大倍数，能量分辨率高，分辨时间短，可以进行快速计数。,物质受射线作用而被激发，由激态跃迁到基态
32、时发射出脉冲状的光，这种现象称为闪烁，而闪烁体就是一种能产生这种现象的物质。闪烁计数器由闪烁体和光电倍增管组成，是先将辐射能变为光能，再将光能变为电能进行探测的。,闪烁体种类很多,4.闪烁计数器,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管的阴极上激发出电子，在光电倍增管中放大倍增，在阳极上形成可以测量的电流。,4.闪烁计数器,半导体探测器是利用半导体材料制成的射线传感器；主要应用的类型有：结型、面垒型、锂漂移型和高纯鍺等。图为结型半导体探测器结构，实质是一个大面积、大体积的晶体二极管（约0.01-200cm3）。半导体材料上设置了一个阴极（高摻杂的P+层）和一个阳极（高
33、摻杂的N+层）。,荷电粒子入射到半导体中时，会产生电子空穴对，这些电子空穴对在电场作用下形成正比于入射射线能量的电流，探测器将其转换为脉冲信号输出。,5.半导体探测器,由于在半导体中产生一个电子空穴对所需能量极小，约为3eV（在空气中产生一对离子所需能量，如射线为30eV），因此半导体探测器比其他射线探测器分辨率高。特点：输出信号小，分辨率高。,X射线、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空穴对。在PN结空间电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，在输出端形成一个放大脉冲信号，将电荷转换为电信号输出。,5.半导体
34、探测器,11.3.3 核辐射传感器的应用,透射式测厚常用闪烁探测器，闪烁探测器记录穿透物体的射线的强度，其输出电流与辐射强度成正比。在辐射穿过物质时，由于物体吸收作用损失部分强度，强度按指数规律变化。在辐射穿过物质时，可根据质量厚度X求出被测物体厚度。,（1）测厚（透射式测厚）,I0 入射强度；I穿过后强度；x 质量厚度；质量吸收系数；与材料密度有关；,散射测厚时放射源与探测器在同一恻，原理是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、厚度表面状态等因素有关：,K与射线能量有关的常数,（1）测厚(散射式测厚),利用介质对射线的吸收作用，不同介质对射线的吸收能力不同，固体
35、吸收能力最强，液体居中，气体最弱。辐射源与被测介质一定，被测介质高度H与穿过被测介质的射线强度I成正比关系。,I0、I分别为入射前后的强度；为吸收系数,（2）物位测量,在气流管中装两个电极（电极电位不同），放射源S的射线使气体电离，工作状态相当于一个电离室。当被测气体被电离时，离子被带出电离室，室内电流减小，气体流速增加带出的离子增多电离室电流进一步减小，由电流的变化检测气流流速和流量。,（3）电离室-气体流量计检测,电离室由H1和H2 两个电极组成，电极之间有放射性同位素镅-241（Am241）,可放出射线，并在两电极之间发生电离，产生正离子，在外加电压E作用下形成电离电流。,当外电离室有烟
36、雾进入时，离子被吸附到烟雾颗粒上，由于烟雾颗粒比离子大1000倍左右，故在电场中的移动速度比原来的速度慢，而且在移动过程中离子中和的机会增多，最终使离子电流相应减小。烟雾数量越多，离子电流越小，相当等效电阻增加。,（3）电离室-离子敏感烟传感器,离子感烟传感器结构是两个电离室，内电离室是密封的，无烟雾离子进入，离子电流恒定。离子感烟传感器的结构设计为内、外电离室串联连接方式，外电离室等效电阻随烟雾数量变化，可等效为可变电阻Rp，而内电离室电阻R不变。电源E分压后供控制电路。,UD-O2型烟雾传感器,（3）电离室-离子敏感烟传感器,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
37、透管道的射线会产生突变，正常时输出曲线趋于直线。,（4）探伤,X射线荧光基于光电效应，分能量色散和波长色散；能量色散的荧光分析方法：由同位素源或X光射线管产生射线，其它物质上的次级辐射称荧光射线；X荧光射线检测的能量谱和计数率与物质的成份、厚度、密度有关。,波长色散荧光分析方法是将射线，通过光学系统转换为不同波长的信号，由产生波长特征进行检测分析。,（5）X射线荧光分析仪,输入信号形式,输出谱线形式,电路框图,探测器将射线转换为光信号再转换为电脉冲，脉冲幅度与元素的特征X射线能量成正比，不同元素脉冲幅度不同，能量大脉冲幅度越高；通过幅度分析器检测出不同元素，实现元素的定性分析；而脉冲的多少与样
38、品含量成正比，通过每秒的计数率检测样品的含量，实现元素的定量分析。,能量色散,（5）X射线荧光分析仪,常规X射线摄影利用透射原理，把三维的人体投影显示在一个二维的平面上。这就使得图像失去纵深方向的分辨能力，前后结构互相重叠，引起图像混淆，容易造成误诊和漏诊。,（7）医学应用-CT,断层扫描（CT）是把人体分成一系列薄片，单独对每一切片（二维图像）进行观察；这种方式能消除临近各层的影响，没有重叠混淆，图像变清晰，容易辨别细微的异常结构。,从断面合成的头部三维图像,（7）医学应用-CT,解方程即可解出物体各个部分的衰减系数。,矩阵求解法 如图（为简单起见，设物体为22大小象素）各部分的衰减系数都是
39、未知的，根据投影X射线成像的原理，当入射强度为I0时，X射线通过物体之后，检测器获得的射线强度为I，有：,计算机断层扫描的二维重建方法的基本原理是 从投影重建图像,(8)核子秤,核子秤是根据物质对射线的吸收原理来进行工作的，是现代核技术与计算机技术结合的高新技术成果；它是由源部件（射线源及防护铅罐）、A型支架、电离型射线探测器、测速传感器、前置放大器、前放电源、核子秤主机系统等组成。,源：由137CS 放射源（强度40mCi，半衰期为30.1年,活度为1.48GBq）和钢壳结构的屏蔽铅罐。,作业:,1.根据超声波物理性质说明超声波在介质中传播有哪些特征,利用这些特征超声波传感器可以进行哪些检测
40、;2.压电型超声波换能器利用什么效应?按测量方式有哪几种形式;3.简述超声波传感器距原理；4.什么是热释电效应?热释电元件需要用光调制器?5.红外辐射探测器分为哪两种类型?这两种探测器有哪些不同？6.介绍红外辐射测温的特点。7.简述核辐射探测器的定义，核辐射与物质间会产生哪些相互作用？8.利用核辐射探测技术，可以进行哪些测量，有哪些特点。,课外作业,图为超声波传感器遥控开关发射电路，振荡频率为40KHz，遥控距离10m,请说明发射电路工作原理。利用555自行设计一超声波传感器发射电路。,课堂练习,右图为热释电元件内部结构图，请说明图中FET是什么元件,Rg与FET起什么作用?,2.下图为超声波传感器的三种基本应用方式，请说明它们分别为什么工作方式，并解释发射与接收器件分别利用什么效应。,
