,第,11,章 射线及波式传感器,一、射线式传感器,二、超声波传感器,三、微波传感器,第,11,章 射线及波式传 感 器,一、,射线式传感器,测量原理,利用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性工作的传感器。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，它是现代检测技术的重要部分。,1,、核辐射源,放射性同位素,在核辐射传感器中，常采用,、,、,和,X,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,。,放射性同位素的特点,：,在没有外力作用下能,自动发生衰变,，,并释放出上述射线。,其衰减规律为：,式中,J,、,J,0,分别为,t,和,t,0,时刻的辐射强度，,为衰变常数。,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数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。核辐射检测除了要求使用半衰期比较长的同位素外，还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量。,2,、核辐射的物理特性,1,）,核辐射,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度的粒子束或射线。主要有四种：,射线、,射线、,射线和,X,射线射线,。,、,射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；,射线不带电，是以光速运动的光子流，从原子核内放射出来；,X,射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量。,2,）核辐射与物质的相互作用,核辐射线的吸收、散射和反射,、,、,射线穿透过物质程中，一部分粒子能量被物质吸收，一部分粒子被散射掉，能量衰减规律为,式中,J,、,J,0,分别为射线穿透物质前、后的辐射强度，,h,为穿透物质的厚度，,为物质的密度，,a,m,为物质的质量吸收系数。,三种射线中，,射线穿透能力最强，,射线次之，,射线最弱，,射线的穿透厚度比,、,要大得多。,射线穿透物质时容易产生散射现象。当产生相反方向散射时，即出现了反射现象。反射的大小与反射物质的厚度关系为：,式中：,J,h,反射物质厚度为,h,(mm),时，放射线被反射的强度；,J,m,当,h,趋向无穷大时的反射强度，,J,m,与原子序数有关；,h,辐射能量的常数。,当,J,0,、,a,m,、,J,m,、,h,、,等已知后，只要测出,J,或,J,h,就可求出其穿透厚度,h,。,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。,粒子,（射线）由于能量、质量和带电量大，故电离作用最强，但射程,(,带电粒子在物质中穿行时、能量耗尽前所经过的直线距离,),较短。,粒子,质量小，电离能力比同样能量的,粒子要弱，由于,粒子易于散射，所以其行程是弯曲的。,粒子,几乎没有直接的电离作用。,3,、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理量的基础。利用电离、吸收和反射作用以及,、,、,和,X,射线的特性可以检测多种物理量。常用电离室、气体放电计数管、闪烁计数器和半导体检测核辐射强度，分析气体，鉴别各种粒子等。,1),电离室,如图，在电离,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，两极板间的气体被电离，形成正离子和电子，带电粒子在电场作用下定向运动形成电流,I,，,在外接电阻上便形成压降。电流,I,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,R,上的电压值就可得到核辐射强度。,电离室主要用于,探测,、,粒子,。电离室的窗口直径约,100mm,左右。,射线的电离室同,、,的电离室不太一样，由于,射线不直接产生电离，因而只能利用它的反射电子和增加室内气压来提高,光子与物质作用的有效性，因此，,射线的电离室必须密闭。,2),盖格计数管,盖格计数管又称为气体放电计数管，其中心有一根与管子绝缘的金属丝作为阳极，管壳内壁涂有导电金属层作为阴极，计数管内充有氩、氮等气体。在两极间加上适当电压，当核辐射进入计数管内后，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“,雪崩,”现象使阳极放电。,盖格计数管的特性曲线如下图所示。,J,1,、,J,2,代表入射的核辐射强度，,J,1,J,2,。,由图可知，在外电压,U,相同的情况下，入射的核辐射强度越强，盖格计数管内严生的脉冲,N,越多。盖格计数管常用于探测,射线和,粒子,的辐射量,(,强度,),。,3),闪烁计数管,闪烁计数管由,闪烁晶体,(,受激发光物体，常有气体、液体和固体三种，分为有机和无机两类,),和,光电倍增管,组成。当辐射照射到闪烁晶体上，便激发出微弱的闪光，闪光射到光电倍增管上（由于,闪,光很微弱，必须使用光电倍增管才会有光电流输出），就会在其阳极形成脉冲电流，从而得到与核辐射有关的电信号。,4,、核辐射传感的应用举例,核辐射传感器除了用于核辐射的测量外，也能用于气体分析、流量、物位、重量、温度、探伤以及医学等方面。,1,核辐射流量计,核辐射流量计可以检测气体和液体在管道中的流量。如图，在气流管壁上装有如图所示的两个活动电极，其一的内侧面涂覆有放射性物质构成的电离室。当气体流经两电极间时，由于核辐射使被测气体电离，产生电离电流；电离子一部分被流动的气体带出电离室，电离电流减小。随着气流速度的增加，带出电,离室的离子数增加，电离电流也随之减小。当外加电场,定，辐射强度恒定时，离子迁移率基本是固定的，因此，可以比较准确地测出气体流量。,若在流动的液体中，掺入少量放射性物质，也可以运用放射性同位素跟踪法求取液体流量。,2,核辐射测厚仪,核辐射测厚仪是利用射线的散射与物体厚度的关系来测量物体厚度的。下图是利用差动和平衡变换原理测量镀锡钢带镀锡层的厚度测量仪。,图中,3,、,4,为两个电离室，电离室外壳加上极性相反的电压，形成相反的栅极电流使电阻,R,上的压降正比于两电离室辐射强度的差值。电离室,3,的辐射强度取决于辐射源,2,的放射线经镀锡钢带镀锡层后的反向散射，,电离室,4,的辐射强度取决于,8,的辐射线经挡板,5,位置的调制程度。利用,R,上的电压，经过放大后，控制电机转动、以此带动挡板,5,位移，使电极电流相等。用检测仪表测出挡板的位移量，即可测量镀锡层的厚度。,1-,锡层,2,放射源,3,、,4-,电离室,5-,挡板,6-,电机,7-,滚子,8-,辅助放射源,9-,钢带,二、,超声波传感器,超声技术是一门以物理学、电子学、机械及材料科学为基础、应用十分广泛通用技术之一。在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运行，降低生产成本，提高生产效率等具有重要的意义。,超声波具有聚束、定向及反射、散射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分为：利用超声波使物体或物件发生变化的功率应用，称之谓功率超声；利用超声波获取若干信息，称之谓检测超声。这两种超声的应用，同样需要借助于超声波传感器,(,换能器或探头,),来实现。,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，例如超声清洗、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和经济效益。,1,、超声波的基本特性,超声波的频率在,10,4,Hz,10,12,Hz,之间，其中常用的频率大约在,10,4,Hz,310,6,Hz,之间。,超声波在声场（被超声所充满的空间）传播时，如果超声波的波长远小于声场的尺度，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。,1,）超声波的传播速度,超声波在介质中可产生三种形式的波：,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,质点振动介于纵波与横波之间，沿物体表面传播。能在固体、液体中传播，随深度的增加其衰减很快。,实际测量时多采用纵波。超声波的频率越高，与光波的某些性质越相似。,超声波与其他声波一样，传播速度与介质密度和弹性特性有关。,超声波,(,纵波,),在气体和液体中的传播速度,在气体和液体中的传播速度,C,gL,式中：,介质的密度；,B,a,绝对压缩系数（,B,为容变模量）。,超声波在固体中的传播速度,纵波在固体介质中传播的声速,固体中纵波的传播速度与介质形状有关。,（细棒）（薄板）（无限介质）,式中,E,杨氏模量；,泊松比；,K,体积弹性模量；,G,剪切弹性模。,横波声速（无限介质）,固体中，,介于,0,0.5,之间，因此一般可视为横波声速为纵波的一半。,2,）超声波的物理性质,超声波的反射和折射,当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的分界面上时，一部分声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播，这种现象称之为声波的反射和折射。如下图所示。,声波的反射系数,R,和透射系数,T,可分别由如下两式求,式中,、,为声波的入射角和折射角；,1,c,1,、,2,c,2,分别为两介质特性阻抗，,其中,c,1,和,c,2,分别为反射波和折射波的速度。,反射角、折射角与两个介质中的速度满足折射定律：,如果,sin,a,c,1,/,c,2,，,入射波完全被反射，在相邻介质中没有折射波，成为全反射。,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会产生反射纵波和折射纵波，而是还产生反射横波和折射横渡。,当超声波垂直人射界面时，即,0,，,则,超声波的衰减,超声波在一种介质中传播时，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,x,处的声压,p,和声强,I,衰减规律如下：,式中,p,0,、,I,0,距离声源,x,0,处的声压和声强；,x,观测点与声源间的距离；,A,衰减系数，单位为,Np,/cm(,奈培,/,厘米,),。,实际使用时，常采用,10,-3,dB/mm,为单位。,例如，若衰减系数为,1dB/mm,，,声波穿透,1mm,则衰减,1dB,；,声波穿透,20mm,，,1dB/mm20mm,20dB,，,即衰减,90,。,(3),超声波的干涉,如果在同一种介质中传播频率相同、振动方向相同两列及以上的声波，就会产生波的干涉现象。,超声波的波型转换,当超声波以某一角度入射到第二介质,(,固体,),界面上时，除有纵波的反射、折射外，还会有横波的反射和折射。在一定条件下，还能产生表面波。它们符合几何光学中的反射定律，即,式中：,a,入射角；,a,1,、,a,2,纵波与横波的反射角；,、,纵波与横波的折射角；,c,L,、,c,L1,、,c,L2,入射介质、反射介质、,折射介质内的纵波速度；,c,S1,、,c,S 2,反射介质、折射介质内,的横波速度。,若介质为液体或气体，则仅有纵波。利用上式可以实现波型转换。,2,、超声波传感器,能将（交流）电信号转换成机械振动而向介质中辐射（发射）超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置称为超声波换能器（或称为探测器、传感器、探头）。超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接收发射超声波。,超声波探头按其结构可分为直探头、斜探头、双探头、液浸探头和聚焦探头等。超声波探头按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。最常用的是中压电式探头。,1,）,普通型超声波传感器,直探头,压电式直探头主要由,压电晶片、吸收块,(,阻尼块,),、保护膜组,等成，其结构如图,10-8,所示。压电晶片多为圆板形，其厚度与超声波频率成反比。例如，厚度为,1mm,晶片的自然频率约为,1.89MHz,；,厚度为,0.7mm,晶片的自然频率约为,2.5 MHz,。,压电晶片的两面镀有银层，作导电的极扳，阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加长超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。,2),聚焦型超声波换能器,球面聚焦换能器,这种换能器利用声透镜聚焦。这种换能器的使用环境多为液体介质，透镜的透声材料的声速一般总是大于液体中的声速，所以聚焦透镜为凹透镜。如右上